Ingineria Si Legislatia Mediului

8/14/2019 Ingineria Si Legislatia Mediului

http://slidepdf.com/reader/full/ingineria-si-legislatia-mediului 1/155

Corneliu COFARU

INGINERIA ŞI LEGISLAŢIA MEDIULUI

2008

REPROGRAFIA UNIVERSITĂŢII “TRANSILVANIA” DIN BRAŞOV





INGINERIA ŞI LEGISLAŢIA MEDIULUI 1

1. LEGI ŞI REGLEMENTĂRI

Automobilul constituie una din principalele surse de poluare ale mediului

înconjurător, contribuţia la poluarea globală fiind cuprinsă între 20 şi 45% în ţărileindustrializate. În aceste condiţii se impune ca emisiile poluante ale autovehiculelor să fie

reglementate prin norme naţionale şi internaţionale.Prima reglementare a apărut în legea din 3 februarie 1910 din Germania care stipula căvehiculele trebuie să fie sigure şi să fie construite în aşa fel încât să nu provoace nici odaună publicului prin fum sau miros.

În Statele Unite prima reglementare a fost elaborată în anul 1958 în California şiprevedea eliminarea emisiilor gazelor de carter prin care se limitau emisiile de HC şiCO. Primele standarde federale în S.U.A. au fost Clean Air Act care se aplica modelelorautovehiculelor începând din 1968 şi care a fost publicat în Registrul Federal în anul1966. Valorile acestor standarde erau cele aplicate în California în 1960.

Aceste standarde au fost amendate succesiv în 1968, 1970 şi s-a trecut de lavalori ale concentraţiei poluanţilor la valori masice ale acestora. Aceste valori exprimaumasa emisă pe unitatea de distanţă într-un ciclu impus de conducere.

Metoda eşantionului de volum constant (Constant Volume Sample – CVS)constă în acumularea emisiilor corespunzătoare ciclului test.

În Europa, în anul 1961 un comitet franco-german a luat în studiu posibilităţile dereducere a emisiilor de CO şi HC nearse. În Franţa emisiile de fum au fost reglementate

în 1963, emisiile de gaze de carter în 1964, emisiile de CO 2 la relanti în 1969. Datorităfaptului că oraşele europene prezintă condiţii de trafic mult diferite de oraşeleamericane s-a utilizat un ciclu de test care a avut la bază condiţiile de trafic din Paris.Mai mult, în Europa există o mare varietate de automobile ca mărime şi motorizare,motiv pentru care valorile impuse au fost ajustate în funcţie de greutatea automobilului.

În Japonia, primele măsuri de limitare a emisiilor de CO au apărut în 1966 şi aufost extinse la emisiile de HC şi NO x în 1973. Standardele japoneze implică atât limiteleconcentraţiei de substanţe poluante cât şi limitele masice ale acestora în cadrul unorcicluri test specifice Japoniei.

O serie de ţări au conlucrat la elaborarea unor standarde privind poluareaautovehiculelor în cadrul Comisiei Economice Europene (EEC).La ora actuală se constată că există un consens internaţional în ceea ce priveştescăderea nivelului de noxe emis de autovehicule, precum şi realizarea unei distincţii pe

categorii de autovehicule (autoturisme, autocamioane, autobuze, motociclete, etc.).1.1. PROCEDURI DE TESTARE

1.1.1. PROCEDURILE DE TESTARE A POLUANŢILOR ÎN S.U.A.

1.1.1.1. CICLUL DE TESTARE CALIFORNIAN

Acest ciclu a fost iniţ iat în anul 1968 şi constă din 7 secvenţe identice separate între ele prin intervale de mers la relanti (fig. 1.1). Durata totală a ciclului era de 16 min.şi 19 s, iar viteza medie de 30 km/h. Ciclul era început cu o pornire la rece după o

menţinere la temperatura mediului ambiant timp de 12 ore. Acest ciclu a fost abandonat în anul 1972.




Fig. 1.1 Ciclul de încercare

californian (1968 –1972).

1.1.1.2. CICLUL FTP 72

Ciclul FTP (Federal Test Procedure) este cunoscut şi sub denumirea de UDDS(Urban Dynamometer Driving Schedule) şi simulează un circuit urban cu o lungime de12,07 km, într-o zonă cu stopuri frecvente (fig. 1.2). Viteza medie de parcurgere aciclului este de 31,5 km/h, într-o gamă de viteze de la 0 la 91,2 km/h.

Prima fază a ciclului este de 505 s (aproximativ 5,78 km) parcursă cu vitezamedie de 41,2 km/h iar faza a doua este de 867 s. Prima fază este începută cu opornire la rece după o staţionare a automobilului la temperatura de 20°C. Cele douăfaze sunt separate de o oprire a motorului de 10 min. În ciclu, 17,8% din timp (22 min.

52 s) este alocat mersului în gol ce corespunde aşteptărilor la stop.Factorul de greutate care se aplică este de 0,43 pentru prima fază şi 0,57 pentru

faza a doua. Ţinând cont de media de 4,1 porniri pe zi în S.U.A., testul FTP 72 a fostadoptat şi de Australia sub denumirea de ADR 27 (Australian Design Rules). În Suediaciclul poartă indicativul A 10, unde pentru ambele faze se aplică acelaşi factor degreutate la evaluarea poluanţilor

Fig. 1.2 Ciclurile FTP-72 şi FTP-75.




1.1.1.3. CICLUL FTP 75

Ciclul FTP 75 este identic cu ciclul FTP 72, deosebirea fiind că după parcurgereaciclului FTP 72, după o oprire a motorului timp de 10 min. se mai parcurge încă o datăprima fază de 505 s.

Distanţa parcursă este de 17,86 km la o viteză medie de 34,3 km/h. Emisiilepoluante corespunzătoare celor trei faze sunt socotite separat şi masa poluanţilor esteajustată cu factori diferiţi pentru cele trei faze: 0,43 pentru faza rece, 1,00 pentru faza adoua şi 0,57 pentru ultima fază.

În Australia ciclul test este cunoscut sub denumirea ADR 37 (Australian DesignRules).

În viitor se prevede ca testul FTP 75 să i se adauge şi o a patra fază care săsimuleze rularea la mare viteză şi accelerări.

1.1.1.4. CICLUL U.S. CU 9 MODURI

Ciclul a fost conceput să determine emisiile poluante la autovehicule motorizatecu motoare cu aprindere prin scânteie pe autovehicule cu o greutate mai mare de 2,7 tsau care pot transporta mai mult de 12 persoane. Începând din 1981 acest ciclu a fost

înlocuit, ca şi testul cu 13 moduri, cu ciclul test tranzitoriu.

1.1.1.5. CICLUL U.S. CU 13 MODURI

Acest ciclu s-a utilizat pentru măsurarea nivelului de poluare a motoarelor Dieselpe standul cu role. Acest test a fost publicat în California în 1971 ca să fie aplicat

începând cu 1973.Masa de emisii pentru fiecare mod se apreciază prin aplicarea coeficienţilor de

greutate concentraţiei măsurate pentru fiecare poluant (tabelul 1.1).

Tabelul 1.1 - valorile limită ale emisiilor pentru ciclul US cu 13 moduriNr.

modViteza

Sarcina

[%]Factorul de greutate

1 mers în gol 0 0,20/3

2 viteză la cuplu maxim 10 0,08





7 mers în gol 0 0,0667

8 viteză la putere maximă 100 0,08





13 mers în gol 0 0,0667



INGINERIA ŞI LEGISLAŢIA MEDIULUI 41.1.1.6. CICLUL TEST TRANZITORIU

Ciclul tranzitoriu a fost introdus în S.U.A. pentru a înlocui vechile cicluri care nuţineau seama de varietatea de autocamioane şi autobuze precum şi condiţiile de traficdin oraşele, străzile interurbane şi străzile cu circulaţie rapidă.

Ciclul cuprinde patru faze. Prima fază este NYNF (New York Non Freeway), fazăce corespunde un trafic urban uşor, cu frecvente opriri şi porniri de la stop. Fazaurmătoare descrie un trafic pe o porţiune aglomerată de trafic urban, LANT (Los

Angeles Non Freeway). A treia fază a ciclului simulează un trafic aglomerat pe oporţiune de stradă de mare viteză în zona Los Angeles, fază numită LAFY (Los AngelesFreeway). Ciclul test se încheie prin repetarea fazei NYNF.

Ciclul cuprinde pornirea la rece după o staţionare peste noapte urmată de fazade mers în gol, accelerare, decelerare şi cuprinde o largă varietate de turaţii şi sarcinicare să simuleze secvenţe ale rulării autovehiculului la regimurile de încercare alemotorului.

Ciclul are şi secvenţe de rulare în regim stabilizat, factorul de sarcină fiindcuprins între 20 şi 25% din maximul de putere la viteza dată.

Ciclul test se parcurge de două ori, cel de-al doilea ciclu se începe cu o pornire lacald după o staţionare de 20 min. de la încheierea primului ciclu.Viteza medie de parcurgere a ciclului este de aproximativ 30 km/h iar distanţa

echivalentă parcursă este de 10,3 km, iar timpul de rulare afectat ciclului este de 1200s. În figura 1.3 se prezintă procentual din valorile nominale, variaţiile turaţiei şi

cuplului motorului.

Fig. 1.3 Ciclul test tranzitoriu.

Aprecierea nivelului de poluare se obţine prin aplicarea coeficienţilor de greutateaplicaţi la ciclul cu 13 moduri.

1.1.1.7. CICLUL CU 8 MODURI

Ciclul test simulează încărcările corespunzătoare ciclului tranzitoriu.

Figura 1.4 descrie ciclul în coordonate turaţie şi sarcină.




Fig.1.4 Poziţionarea regimurilor

de funcţionare în ciclul cu opt

moduri.

1.1.1.8. CICLUL A.D.B. (ADVANCED DESIGN BUS)

Ciclul A.D.B. este un ciclu tranzitoriu care caracterizează traficul autobuzelor.Durata ciclului este de 47 min., iar distanţa echivalentă parcursă este de 22,5 km.

Ciclul test cuprinde tei faze având următoarele caracteristici.

Faza I – C.B.D. (Central Business District) cuprinde 14 accelerări la viteza de 32km/h, fiecare fiind urmată de parcurgerea unui segment la această viteză de 20 s,urmată de o decelerare cu 2,06 m/s2 şi un mers în gol de 7 s. Această fază simuleazăparcurgerea a 3,2 km.

Faza a II-a – A.R.T. (ARTerial) cuprinde patru secvenţe cu accelerare la 64 km/h,fiecare din aceste secvenţe fiind urmate de parcurgerea unui segment la această vitezătimp de 20 s urmate de decelerare şi mers în gol timp de 7 s. Distanţa parcursă înaceastă fază este de 3,2 km.

Faza a III-a – C.O.M.M. (COMMuter) cuprinde o accelerare la viteza de 88,5km/h, o rulare la această viteză timp de 200 s urmată de decelerare şi mers în gol timpde 20 s. Lungimea de drum parcursă este de 6,5 km.

1.1.1.9. CICLUL D.D.S. (DURABILITY DRIVING SCHEDULE)

Ciclul este destinat încercării la anduranţă a sistemelor de control al poluării, înparticular al convertoarelor catalitice.

Ciclul cuprinde 11 moduri care acoperă 5,95 km într-o gamă de viteze cuprinse între 48-112 km/h. Pe durata primelor 9 moduri sunt plasate patru opriri a 15 s şi cincidecelerări de la viteza modului la 32 km/h urmate de accelerări la viteza nominală.Modul 10 constă într-o rulare la viteză constantă la viteza de 88,5 km/h iar cel de al 11mod constă într-o accelerare la 112 km/h.



INGINERIA ŞI LEGISLAŢIA MEDIULUI 6Instalaţia de simulare a parcursului şi de măsurare a noxelor se prezintă în figura 1.5.

Fig. 1.5 Sistemul utilizat în testul DDS.

1.1.2. CICLURI DE TESTARE EUROPENE

1.1.2.1. CICLUL URBAN E.C.E.

Acest ciclu a fost dezvoltat în 1962 şi simulează traficul auto din Paris care estediferit faţă de condiţiile californiene. Ciclul a fost recunoscut de Comisia EconomicăEuropeană ca ciclu european.

În figura 1.6 se prezintă în coordonate timp-viteză ciclul urban E.C.E. Ciclulsimulează parcurgerea a 1,013 km, are o durată de 195 s şi se parcurge de 4 ori,realizându-se o lungime de 4,052 km, viteza maximă a ciclului fiind de 50 km/h, iarviteza medie este de 27,01 km/h dacă nu se iau în considerare modurile de mers în gol.




Fig. 1.6 Ciclul urban E.C.E.

1.1.2.2. CICLUL E.U.D.C. – EXTRAURBAN

Ciclul extraurban simulează un trafic de mare viteză (până la 120km/h) în afaraoraşului. Durata este de 400 s iar distanţa parcursă este de 6,955 km, viteza medie a

ciclului este de 62,5 km/h. Ciclul extraurban este de fapt o fază care se adaugă cicluluiurban şi începe cu o secvenţă de mers în gol timp de 20 s (fig. 1.7 ).

Fig. 1.7 Ciclul extraurban E.U.C.D.

Pentru autovehicule având puterea inferioară valorii de 30 kw, viteza maximă afazei extraurbane se limitează la 9 km/h.

1.1.2.3. CICLUL EUROPEAN CU 13 MODURI

Acest ciclu a fost adoptat pentru testarea motoarelor Diesel, el a fost introdus în

Regulamentul 49 al E.C.E.. Testul se aplică motoarelor montate pe standul de încercare, asemănător ciclului cu 13 moduri din S.U.A., însă factorii de greutate suntdiferiţi (tabelul 1.2).




Tabelul 1.2 - ciclul european cu 13 moduri

Nr. mod VitezaSarcina











10 viteză la putere maximă 50 0,0211 viteză la putere maximă 25 0,02


13 mers în gol 0 0,25/3

1.1.2.4. CICLUL DE ANDURANŢĂ EUROPEAN

Ciclul de anduranţă european al echipamentelor de control al poluării cuprinde

trei faze care se parcurg cu viteză stabilizată de 70 km/h, 100 km/h şi 80 % din vitezamaximă (limita 130km). Duratele acestor faze fiind de 300s, 300s respectiv 600s. Întreaceste faze sunt inserate secvenţe de mers în gol de 15s fiecare. Pentru parcurgereaciclului se prevăd accelerări şi decelerări de 1,5m/s 2, în cazul în care autovehiculul nueste capabil să atingă această valoare, ciclul se parcurge realizând accelerări decelerărila nivelul posibilităţilor autovehiculului. Ciclul se parcurge până la atingerea unui parcursechivalent de 30 000km, se înţelege faptul că se prevăd opriri pentru alimentare şireglaje.

1.1.2.5. CICLUL DE TESTARE AL VEHICULELOR PE DOUĂ ROŢI

Regulamentul ECE nr. 40 cuprinde ciclul de încercare pe un stand dinamometrical vehiculelor pe două roţi.

Ciclul cuprinde 15 moduri, viteza maximă a ciclului este de 50km/h.Ciclul se repetă de patru ori, durata totală fiind de 780s. Măsurarea

componentelor poluante se realizează după parcurgerea a două cicluri pregătitoare. Înfigura 1.8 se prezintă ciclul pentru motociclete.




Fig. 1.8 Ciclul de încercare al motocicletelor conform regulamentului ECE – 40.

În cazul vehiculelor pe două roţi cu pedale, cu o cilindree de până la 50 cm 3 şi cuo viteză care nu depăşeşte 50 km/h se utilizează ciclul definit prin Regulamentul ECEnr. 47. Ciclul se repetă de patru ori pe o durată totală de 448s.Cele 7 moduri ale ciclului test pentru motociclete mici sunt prezentate în tabelul 1.3.

Tabelul 1.3 - Ciclul test pentru motociclete mici

Nr.

modRegimul de funcţionare

Acceleraţia

[m/s2]

Viteza

[km/h]

Durata

[s]

1 mers în gol - - 8

2 accelerare clapeta deschisă complet max 57

3 viteză stabilizată clapeta deschisă complet max 57

4 decelerare -0,56 de la max la 20 57

5 mers stabilizat - 20 36

6 decelerare -0,93 20 la 0 6

7 mers în gol - - 5

Total 112

Standul pentru măsurarea noxelor se prezintă în figura 1.9.




Fig. 1.9 Sistemul de încercare ţi

măsurare utilizat şi la vehicule cu

două roţi (Regulamentul ECE 47).

1.1.3. PROCEDURI DE TESTARE ÎN JAPONIA

Între anii 1966 şi 1974 controlul concentraţiei de CO emis de autovehicule cumotoare cu aprindere prin scânteie alimentate cu benzină sau GPL, se realiza cu

ajutorul unui ciclul cu 4 moduri.Procedurile de testare japoneze utilizate în anii următori sunt descrise încontinuare.

1.1.3.1 CICLUL CU 10 MODURI

Acest ciclu simulează un parcurs în trafic urban al autoturismelor şiautovehiculelor uşoare dotate cu motoare cu aprindere prin scânteie alimentate cubenzină sau GPL. Acest ciclu s-a aplicat din anul 1986 şi la autovehicule cu motoareDiesel cu o greutate totală până la 17000 kg. Caracteristicile ciclului test sunt: pornireala cald a motorului, parcurgerea unei distanţe de 0,664 km la o viteză medie de 17,7

km/h, durata de parcurgere 135 s. Ciclul se repetă de 6 ori după ce motorul a fost încălzit prin parcurgerea unei distanţe la 40km/h timp de 15 s. Emisiile poluante semăsoară la ultimele 5 cicluri, poluanţii fiind exprimaţi în ˝g/km˝. Testul simulează odistanţă de 3,32 km parcurşi în 675 s, viteza maximă atinsă este de 40 km/h. Timpulafectat mersului în gol este de 26,4 % (fig. 1.10).

Fig. 1.10 Ciclul cu 10 moduri (parcurs

urban, pornire cu motorul cald.





Ciclul cu 11 moduri cu pornirea motorului la rece, a fost introdus în anul 1975pentru a suplimenta testul cu 10 moduri.

Ciclul cu 11 moduri simulează parcurgerea unei distanţe într-un trafic urban cu

străzi cu circulaţie rapidă. După pornirea motorului şi o funcţionare la relanti timp de 25s se parcurge o distanţă echivalentă de 1,021 km, cu o viteză medie de 30,6 km/h,viteza maximă fiind de 60 km/h. Emisiile la acest ciclu se exprimă în "g/test".

Figura 1.11 prezintă ciclul cu 11 moduri.

Fig. 1.11 Ciclul cu 11 moduri

(parcurs urban de viteză, după

pornirea la rece).


Acest ciclu cu 6 moduri s-a utilizat pentru determinarea noxelor la autovehiculelecu o greutate totală mai mare de 2,5 t dotate cu motoare cu aprindere prin scânteie şiDiesel.

Factorii de greutate pentru determinarea concentraţiei poluanţilor pentru fiecaremod sunt prezentaţi în tabelele 1.4 şi 1.5.

Tabelul 1.4 Ciclul japonez cu 6 moduri pentru MAS

Nr.

mod

Turaţia

[rot/min]

Depresiunea încolectorul de admisie

[kPa]

Factorul de greutate


2 stabilizat 2000 17 0,114

3 stabilizat 3000 17 0,277

4 stabilizat 3000 27 0,254

5 stabilizat 2000 56 0,139

6

decelerare cu clapeta de acceleraţie

închisă 10s 2000-1000 56 0,091

Tabelul 1.5 - ciclul japonez cu 6 moduri pentru MAC

Nr.

mod

Procente din turaţia nominală

[%]

Sarcina



2 40 100 0,077

3 40 25 0,059

4 60 100 0,107

5 60 25 0,122

6 8 75 0,286




Aceste cicluri sunt realizate din secvenţe care simulează parcurgerea unui traseustradal la o viteză mai ridicată, iar rezultatele sunt exprimate în "g/km" sau "g/kW".


Acest ciclu înlocuieşte ciclul cu 10 moduri şi se aplică la determinarea poluanţiloremişi de autoturismelor dotate cu motoarele cu benzină sau GPL, şi motoare Dieselprecum şi autovehiculelor uşoare cu motoare cu aprindere prin scânteie sau Diesel.

Viteza maximă a ciclului este de 70 km/h iar distanţa echivalentă parcursă estede 4,16 km într-un interval de timp de 660 s. Viteza medie a ciclului este de 22,7km iarfuncţionarea la mers în gol reprezintă 31,4 % din timpul afectat ciclului. Poluanţii suntexprimaţi în "g/km".

1.1.3.5 CICLUL CU 13 MODURISe aplică autovehiculelor comerciale cu motoare alimentate cu benzină sau GPL

şi motoare Diesel. Poluanţii se exprimă în "g/kW". Acest ciclu este identic pentru MAS şiMAC, diferă numai factorii de greutate pentru fiecare mod (fig. 1.12).

Testele se efectuează pe un stand echipat ca în figura 1.13.

Fig. 1.12 Ciclul cu 13 moduri.




Fig. 1.13 Standul pentru determinarea conţinutului de noxe după ciclul cu 13 moduri.

1.2. LEGISLAŢIA ÎN DOMENIUL EMISIILOR

Automobilul a fost şi este o sursă de poluare a mediului înconjurător, astfel că înanul 1910 în Germania apare prima referire la mediu ˝vehiculul trebuie să fie sigure şisă nu pună în pericol sănătatea populaţiei prin fum sau miros˝.

După această perioadă, dezvoltarea autovehiculelor nu a mai cunoscut restricţiipână în anul 1959 când în California a fost adoptată legea eliminării gazelor de carter şilimitarea emisiilor de CO şi HC.

În SUA legea californiană a fost amendată şi adoptată pe întreg teritoriul; ulterioraceeaşi legislaţie a fost preluată şi adaptată şi de alte ţări.

1.2.1. REGLEMENTĂRILE EUROPENE

În Europa, Germania şi Franţa au constituit promotorii introducerii limitelor depoluare în legislaţie cu toate că, din punctul de vedere al industriei de autovehicule,costurile au fost foarte mari.

Prima formulare în domeniul emisiilor a fost făcută de Comisia Economică aNaţiunilor Unite pentru Europa UN-ECE prin intermediul GRPE.

Regulamentul ECE a fost formulat pentru ţările Comunităţii Europene ca şipentru celelalte ţări europene, ca fiind un îndreptar de adoptat, neavând putere de lege.

Între ţările membre ale comunităţii europene şi Comisia Economică Europeană s-auschimbat în timp multe informaţii privind specificul traficului european.

Principalele regulamente adoptate au fost:1. ECE 15 Emisii de la autovehiculele uşoare

valabilă până la directiva EEC 83/3512. ECE 83 Echivalentă cu directiva Pieţei Comunepentru autovehicule uşoare 88/76 EEC



INGINERIA ŞI LEGISLAŢIA MEDIULUI 143. ECE 24 Fumul Diesel4. ECE 49.01 Emisiile la autovehiculele grele5. ECE 40.01 Emisiile la motociclete6. ECE 47 Emisiile cumulate

Aceste directive au fost adoptate ca legi naţionale. În prezent UniuneaEuropeană joacă un rol major în implementarea legilor de poluare, emiţând propriile

regulamente adoptate de toate ţările UE ca directive, potrivit tratatului de la Roma.Ţările UE interzic comercializarea tuturor autovehiculelor care nu satisfacnormele impuse. Celelalte ţări şi-au adoptat legislaţia la Regulamentul ECE 15 iar înultimul timp au adoptat Regulamentele EEC.

1.2.1.1. REGULAMENTUL ECE 15

Tabelul 1.6 - Limite pentru emisiile din gazele de evacuare conform ECE 15

Test tip I Limite pentru emisiile din gazele de evacuare conform ciclului ECE 15 [g/test]

Greutate de referinţă COHidrocarburi

nearse (NDIR) NOX

NO2 echivalentHC (FID)

+NO X

[kg] 02 Nivele

03 Nivele

04 Nivele

02 Nivele

03 Nivele

02 Nivele

03 Nivele

04 Nivele

0 - 750 80 65 58 6,8 6,0 10,0 8,5 19,0751 - 850 87 71 58 7,1 6,3 10,0 8,5 19,0851 - 1020 94 76 58 7,4 6,9 10,0 8,5 19,0

1021 - 1250 107 87 67 8,0 7,1 12,0 10,2 20,5

1251 - 1470 122 99 76 8,6 7,6 14,0 11,9 22,01471 - 1700 135 110 86 9,2 8,1 14,5 12,3 23,51701 - 1930 149 121 93 9,7 8,6 15,0 12,8 25,0

1931 - 2150 162 132 101 10,3 9,1 15,5 13,2 26,32150 176 143 110 10,9 9,6 16,0 13,6 28,0

Toate vehiculele(Test tip II)

Concentraţiile maxime ale CO la sf âr şitul ultimului ciclu urban02 Nivele, 4,5 %; 03 şi 04 Nivele 3,5 %

Toate vehiculele

(Test tip III)

Nu sunt permise emisii din carter

Regulamentul ECE 15 (tabelul 1.6) s-a aplicat cu următoarele restricţii:Greutatea maximă până la 3,5 t numai pentru motoarele cu aprindere prin

scânteie prin amendamentele 01/02/03, iar prin amendamentul 04 la motoarele Diesel.a) Tehnica de prelevare a probelor CVS (probă la volum constant) a fost

introdusă prin amendamentul 04.b) Amendamentul 03 intrat în funcţiune la 01.10.1979 iar amendamentul 04 la

01.10.1984 pentru noile modele iar la 01.10.1986 pentru modelele existente.Datele de intrare în funcţiune a acestor prevederi diferă de la ţară la ţară.c) Producţia de autovehicule din această perioadă a avut dreptul să depăşească

cu până la 30% HC şi cu până la 20% CO şi NO x. Limita pentru HC+NOx înamendamentul 04 a fost de 20%.

Uniunea europeană a consimţit la vremea respectivă să reducă nivelul de noxefaţă de amendamentul 04 pentru autovehiculele cu o greutate totală mai mică de 3,5 t.De asemenea a fost agreat nivelul de particule al motoarelor Diesel. Directiva 88/76EEC a fost adoptată ca Regulament ECE 83. Directiva 88/76 EEC înlocuieşte Directiva70/220 EEC şi certifică autoturismele cu motoare cu o cilindree superioară a 1,4 l.

În tabelul 1.7 sunt prezentate limitele emisiilor în conformitate cu Regulamentul

ECE 83.




Tabelul 1.7 Valori limită pentru emisiile din gazele de evacuare - Regulamentul ECE 83Capacitate

cilindrică, CCO

[g/test] NOX + HC

[g/test] NOX [g/test]

Particule[g/test]

Date efective

[cm 3] (e) (e) (e) (e) Modele noi Toate produsele

Vehicule cu m.a.s.

C > 20001400 C 2000

c<2000

2530

45 (a)30 (b)

6,58

15 (a)8 (b)

3,5-

6 (a)-

1.10.881.10.91

1.10.901.10.92

1.101.10

1.101.10

Vehicule cu motoareDiesel

C > 2000

1400 C 2000

C < 1400

30

3045 (a)

30 (b)

8

815 (a)

8 (b)

-

-6 (a)

-

1,1 (d)

1,1 (d)1,1 (d)

1,1 (d)

1.10.88

1.10.91 (c)

1.10.92 (c)1.1.91

1.10

1.101.10

a) Aceste valori sunt provizorii.

b) Limite adoptate de Consiliul EC î n noiembrie 1988.

Limitele din tabelul 1.7 au fost adoptate de Consiliul Uniunii Europene în anul1988. După aceasta s-a prevăzut o reducere la 19 g/test CO şi 5 g/test HC+NO x, carea şi fost adoptată în Consiliul UE din iunie 1989.

Echivalenţa directivelor UE este următoarea:ECE /5 70/220/EECECE 15/01 74/290/EECECE 15/02 77/102/EEC

ECE 15/03 78/665/EECECE 15/04 83/351/EECECE 83 88/76/EEC

În tabelul 1.8 sunt prezentate valorile limitelor emisiilor ale diferitelor Amendamente ale ECE 15 şi ale ECE 83.

Tabelul 1.8 valorile emisiilor limitate de amendamentele ECE 15 şi ECE 83Clasa de greutate a autovehiculelor – 1021-1250 kg

Emisii (g / test) Reduce ri (%)

CO HC NOX CO HC NOX

Necontrolat 200 12,0 (24,0 *) - - - -ECE – 15 (1971) 134 9,4 - 13 22

A.01 (1975) 107 8,0 - 47 33

A.02 (1978) 107 8,0 12,0 47 33

A.03 (1979) 87 7,1 10,2 57 41

A.04 (1984) 67 Standard com binat

HC*+ NOX = 20,5

66 HC+NOX = 43

ECE 83 (1989)(**) 30 Standard combinat

HC*+ NOX = 8

85 HC+NOX = 78

* Emisiile HC sunt măsurate cu detector în flacără ionizată (Flame Ionization Detector) (FID). Nivelele emisiilornecontrolate sunt aproximativ FID echivalente. Cu excepţia indicaţiilor contrare, nivelele HC sunt precizate pentrumăsurări nedispersive în infraroşu (Non-Dispersive Infra-Red).

** Bazat pe emisiile standard ale motoarelor având cilindreea de la 1 la 2,0 l.




1.2.1.2. EMISIILE DE FUM

În tabelul 1.9 sunt prezentate limitele fumului la motoarele Diesel conform

regulamentului ECE 24 şi Directivei UE 72/305/EEC.

Tabelul 1.9 - limitele impuse emisiilor de fum la motoarele Diesel conform re gulamentului ECE

24 şi Directivei UE 72/305/EEC

(a) Limitele emisiei de fum specificate pentru î ncercarea motorului

la tura ţie stabilizată

Debit nominal

(l / s)42100200

Coeficient de absorbţie(m

-1)

2,26

1,4951,065

(valorile intermediare sunt de asemenea precizate)

(b) Opacitatea la accelerări libere nu trebuie sădepăşească nivelul aprobat

cu mai mult de 0,5 m-1

1.2.1.3. EMISIILE MOTOARELOR AUTOVEHICULELOR GRELE

Regulamentul ECE 49 prevede limitele emisiilor gazoase la motoarele

autovehiculelor cu o greutate ce depăşeşte 3,5 t.Emisiile sunt exprimate în g/kw, fiind determinate după ciclul US cu 13 moduri în

tabelul 1.10. Sunt prezentate valorile originale ale Regulamentului 24 şi cele adoptate înseptembrie 1989 ca amendamentul 01 care este identic cu Directiva UE 88/77.

Tabelul 1.10 – valori limită ale noxelor conform ECE 49

CO HC NOX

ECE 49ECE 49.01

1411,2

3,52,4

1814,4

1.2.1.4. EMISIILE MOTOCICLETELOR ŞI MOTORETELOR

În septembrie 1979 a fost adoptat Regulamentul ECE 40 care stipulează limiteleemisiilor vehiculelor pe două roţi cu o greutate mai mică de 400 kg sau o cilindreesuperioară a 50 cm3. Limitele emisiilor sunt prezentate în tabelele 1.11a şi 1.11b, dupăcum motorul este în patru sau doi timpi. Regulamentul 40 a fost amendat în data de 31mai 1988 şi a devenit Regulamentul ECE 40.01 cu limite mai coborâte pentru HC şi CO.

Regulamentul 47 se aplică vehiculelor cu o greutate mai mică de 400 kg echipatecu un motor având o cilindree mai mică de 50 cm 3. Limitele emisiilor pentru ciclulsimulând parcursul sunt date în tabelul 1.12.




Tabelul 1.11a Regulamentul ECE 40/40.01 pentru limitele emisiilor de evacuare ale

motocicletelor cu motoare în patru timpiGreutate de

referinţă R (1)CO [g/km] HC [g/km]

(kg) ECE 4.0 (2) ECE 40.01 ECE 4.0 (2) ECE 40.01 (2)

< 100 25 (30) 17,5 7 (20) 4,2 (6)

100 - 300

(100 - 300)

> 300 50 (60) 35 (42) 10 (14) 6 (8,4)

Legendă: 1) Greutate de referinţă (R) - Motocicletă de referinţă - 75 kg.

2) Limitele sunt indicate pentru tipurile omologate. Limitele date în paranteze drepte se dau

pentru conformitate cu producţia.

Tabelul 1.11b Regulamentul ECE 40/40.01 pentru limitele emisiilor de evacuare ale

motocicletelor cu motoare în doi timpi

Greutate dereferinţă R (1)

CO [g/km] HC [g/km]

(kg) ECE 4.0 (2) ECE 40.01 ECE 4.0 (2) ECE 40.01 (2)

< 100 16 (20) 12,8 10 (13) 8 (10,4)

100 - 300

(100 - 300)

> 300 40 (50) 32 (40) 10 (14) 12 (16,8)

Legendă: 1) Greutate de referinţă (R) - Motocicletă de referinţă - 75 kg.

Limitele sunt indicate pentru tipurile omologate. Limitele date în paranteze drepte se indică pentru conformitate cuproducţia.

Tabelul 1.12 – valori limită pentru ciclul ce simulează parcursul (ECE 47)Tipul vehiculului Cu două roţi Cu trei roţi

Poluant CO(g / km0

HC(g / km0

CO(g / km0

HC(g / km0

În omologare 8,0 5,0 15,0 10,0

În producţie 9,6 6,5 16,0 13,0

1.2.2. NOI REGULAMENTE PRIVIND EMISIILE ÎN EUROPA

1.2.2.1. VEHICULE UŞOARE

În decembrie 1989 Comisia Europeană a emis ˝Consolidated EmissionDirective˝. Această directivă include nu numai emisiile de evacuare standard ci şi

emisiile de evaporare.Directiva prevede ca emisiile de evacuare standard să fie certificate pe baza

combinaţiei ciclului ECE-15 (urban) cu ciclul test EUDC (extra-urban). În contrast cu



INGINERIA ŞI LEGISLAŢIA MEDIULUI 18directivele anterioare aceasta stipulează, pentru emisiile gazoase standard ale tuturorautovehiculelor, limite care se aplică atât motoarelor cu aprindere prin scânteie cât şimotoarelor cu aprindere prin comprimare, indiferent de capacitatea motorului (tabelul1.13).

În noiembrie 1998, o subcomisie a comisiei europene, a elaborat valorile ţintă alelimitelor impuse pentru obţinerea “Autovehiculelor şi motoarelor avansate, prietenoase

ecologic” (Enhanced environmentally friendly vehicles and engines – EEV). În tabelul1.14 sunt prezentate aceste limite ţintă. Valorile pentru CO2 sunt propuneri aleNetherland Organization of Applied Scientific Research - TNO.

La Reuniunea MVEG din 09.04.1991 s-au adoptat şi regulamentele 40 şi 47 aleEC pentru controlul emisiilor motocicletelor şi ale motoretelor.

Tabelul 1.13 – limitele emisiilor conform ˝Consolidated Emission Directive˝Vehicule noi (1.07.1992)

Modele noi (1.01.1992)

Vehicule noi (1.01.1997)

Modele noi (1.01.1993)

Poluant (1) (2) (1)

CO 2,72 3,17 2,2 (3) – 1,0 (4)

HC+NOX (mas) 0,97 1,13 0,3

HC+NOX (Diesel IDI) 0,97 1,13 0,7

HC+NOX (Diesel DI) 0,7 1,13 0,9

Particule (Diesel) 0,17 0,18 0,08 (5) – 0,10 (6)

(1) Aprobare tip;(2) În producţie;(3) Motoare cu benzină;

(4) Motoare Diesel;(5) Diesel cu injecţie indirectă (IDI);(6) Diesel cu injecţie directă (DI).

Tabelul 1.14 – valori ţintă pentru autovehicule şi motoare avansate, prietenoase

ecologicParticule(g / km)

NOX (g / km)

Total HC(g / km)

NMHC(g / km)

CH4 (g / km)

CO2

(g / km)Diesel convenţionalStadiul 2000 0,05 0,50 0,06 -------- -------- 0,64

Stadiul 2005 0,025 0,25 0,05 -------- -------- 0,50

MAS convenţionalStadiul 2000 -------- 0,015 0,20 -------- -------- 2,3

Stadiul 2005 -------- 0,08 0,1 -------- -------- 1,0

EEV (opţiunea 1) 0,01 (1) 0,04 0,04 (4) -------- -------- 0,6

EEV (opţiunea 2) 0,01 (4) 0,04 -------- 0,015 0,3 (4) 0,6

1- Subcomisia propune limitarea modificărilor ce pot fi făcute procedurilor de măsurare a emisiilor de particule la cele care auaprobarea directă a subcomisiei; 2- Până la intrarea în vigoare a Stadiului 2005, subcomisia propune acceptarea valorii de

0,05 g / km; 3- Subcomisia propune limitarea modificărilor ce pot fi făcute procedurilor de măsurare a emisiilor de particule lacele care au aprobarea directă a subcomisiei; 4- Valorile pentru motoarele ce nu sunt alimentate cu benzină corespund celorindicate pentru motoarele cu benzină care au o emisie de CO 2 de 90 g / km.

1.2.2.2. VEHICULE GRELE

Consiliul UE a adoptat prin directiva 88/77/EEC limitele emisiilor gazoase [g/kW]ale autovehiculelor cu greutate totală mai mare de 3,5 t după cum urmează:

CO 11,2

HC 2,4

NOx 14,4




Procedura test este aceeaşi ca şi pentru Regulamentul ECE 49. Comisia Europeană apropus o directivă numită "Clean Lorry". Limitele directivei "Clean Lorry" sunt precizate

în tabelul 1.15.

Tabelul 1.15 - limitele directivei "Clean Lorry"Limite [g/kW•h]

Emisii01.07.1992 01.10.1996[1]

CO 4,5 4,5

HC 1,1 1,1

NOx 8,0 7,0

Pm 0,33[2] 0,15*

1. 01.10.1995 pentru modele noi2. Pentru autovehicule echipate cu motoare având Pn 85kW această limită se multiplică cu un factor de 1,7.

În tabelul 1.16 se prezintă propunerile Comisiei Europene, pentru autovehiculegrele, cu motoare Diesel sau cu motoare având alimentare cu gaz, în corelaţie cuprevederile actuale

Tabelul 1.16 - propunerile Comisiei Europene, pentru autovehicule greleNOX

(g / km)

CO

(g / km)

HC

(g / km)

Particule

(g / km)

Ciclul de încercare

EURO 1 (1992)

Toate motoarele

EURO 2 (1996)

8,00

7,00

4,5

4,0

1,10 (THC)

1,10 (THC)

0,35

0,15

ECE R49 **

ECE R49 **

EURO 3 (2000)

Motoare convenţionale 5,0 2,1 0,66 (THC) 0,10 ESC *

EURO 3 (2000)

Motoare avansate 5,0 5,45

0,74 (NMHC)

0,96 (CH4) 0,96 ETC **

EURO 4 (ipotetic 2005)

E. Parl. Nov. 98

3,0

2,0

3,27 0,47 (NMHC)

0,96 (CH4)

0,10

0,05

0,03

ETC **

ETC **

ESC **

EEV ****

GWI optimizat ***** 2,5 1,2

0,20 (NMHC)

0,80 (CH4)

0,02 Data

ESC *

Tabelul 1.16 (continuare)NOX

(g / km)

CO

(g / km)

HC

(g / km)

Particule

(g / km)

Ciclul de încercare

EEV ****

Optimizat pentru NOX 1,0 1,2

0,10 (NMHC)

0,4 (CH4)

0,02 În viitor

ESC *

Gaz natural

Autobuz VOLVO

(ardere amestec sarac)

2,0 0,00

0,04 (NMHC)

0,81 (CH4)

0,85 (THC)

< 0,01 ESC *

Gaz naturalAutobuz MAN

(amestec stoichiometric)

0,94 1,12 0,16 (THC) < 0,05 ESC *




ENGVA Martie 1998

0,9 (NMHC)

0,2 (CH4)

1,1 (THC)

ESC *

EEV 19 Octombrie 1998 2,0 1,2

0,25 (NMHC)

0,5 (CH4)

0,75 (THC)

0,02 ETC **

EURO 4 (2005)

Ianuarie 1999

3,5

3,5

1,5

4,0

0,46 (THC)

0,55 (NMHC)

1,1 (THC)

0,02

0,03

ESC *

ETC **

EURO 5 (2008)

Ianuarie 1999

2,0

2,0

1,5

4,0

0,46 (THC)

0,55 (NMHC)

1,1 (CH4)

0,02

0,03

ESC *

ETC **

EEV

Ianuarie 1999

2,0

2,0

1,5

3,0

0,25 (THC)

0,40 (NMHC)

0,65 (CH4)

0,02

0,02

ESC **

ETC **

* Ciclul European Staţionar; ** Ciclul European Tranzitoriu; *** Bazate pe o reducere aşteptată de 40 %; ****

Autovehicul Ecologic Avansat (Autovehicul cu combustibil curat); ***** Impact asupra încălzirii globale; NMHC –Hidrocarburi nemetanice; THC – Co nţinutul total de hidrocarburi.

1.2.2.3. LEGISLAŢIA UTILIZĂRII DE BENZINĂ NEADITIVATĂ

Directiva emisiilor 88/76/EEC cere ca noile vehicule cu motoare cu aprindere prinscânteie să fie capabile să utilizeze benzină neaditivată cu RON 94. Toate vehiculeleechipate cu catalizator montat pe sistemul de evacuare trebuie să fie dotate cu

conductă de umplere a rezervorului care să nu accepte un diametru al duzei pompei dealimentare (din staţia de benzină) mai mare de 23,6 mm.

1.2.2.4. LEGISLAŢIA EUROPEANĂ ÎN DOMENIUL EMISIILOR DE VAPORIZARE

Comisia UE intenţionează să introducă controlul emisiilor prin evaporare, de lamotor şi realimentare, prin montarea la bord a cutiei cu carbon activ.

Propunerile sunt: Limitarea emisiilor prin vaporizare – 2 g/test; Procedura test bazată pe SHED (Sealed Housing for

Evaporative Determination) diferă de procedura U.S.; Testul include emisiile zilnice (temperatura creşte de la 10°C la 30 °C şi emisiile prin infiltrare la cald (în testul SHED temperaturavariază între 23 - 31 °C);

Volatilitatea combustibilului test este de 60 kPa.; Ciclul de încălzire este ECE 15 urmat de EUDC.; Cutia cu carbon activ este precondiţionată timp de 30

minute prin purjare.

1.2.3. REGULAMENTUL EMISIILOR ÎN U.S.A.

Limitele emisiilor gazoase au fost fixate la nivel naţional în 1968 în ˝Clean Air Act˝. În anul 1970 Congresul U.S. amendează acest act şi include aşa zisele propuneri˝Muskie˝. Aceste amendamente cer ca emisiile să fie reduse cu 90% iar limitele să fie




efective din 1975-1976. Au fost numeroase dezbateri între industrie şi forul legislativpentru punerea în aplicare a acestor norme din cauza lipsei de pregătire tehnologică.Pentru anii 1975 şi 1976 au fost aplicate norme tranzitorii care de fapt au fost valabilepână în anul 1979. În anul 1975 vehiculele necesitau catalizator de oxidare şi în

consecinţă utilizarea benzinei fără plumb. În anul 1977 Congresul U.S. amendează din nou ˝Clean Air Act˝ pentru a atingeo reducere de 90% a emisiilor de HC în anul 1980 şi cu 90% a emisiilor de CO şi 75% aNOx în anul 1981. Aceste reduceri s-au prevăzut a fi atinse pe seama introducerii pescară largă a catalizatorului cu 3 căi.

Emisiile autovehiculelor grele au fost stabilite în anul 1970 iar RegulamentulClean Air Act din 1977 prevedea reduceri drastice ale HC şi CO cu intrare în vigoare înanul 1981. Aceste reduceri nu au intrat totuşi în vigoare până la punerea la punct atehnologiei de reducere, astfel ele au devenit efective din anul 1987 şi, pentru atingerealimitelor, era necesară utilizarea catalizatorilor de tratare a gazelor de evacuare.Reducerea emisiilor de NOx şi de particule a fost suplimentată începând cu anul 1990

până în anul 1995 şi a fost necesară utilizarea catalizatorului cu 3 căi pentru motoarelecu aprindere prin scânteie şi a filtrelor de particule la motoarele Diesel.Standardele U.S. sunt aplicabile pe întreg ciclul de viaţă convenţional al

autovehiculului considerat ca fiind de 80.000 km sau de 5 ani. Controlul emisiilor laparcurgerea acestei perioade este obligatoriu. Durabilitatea sistemelor de tratare agazelor arse trebuie să se menţină fără deteriorări pe tot acest parcurs convenţional.Sistemele respective trebuie să rămână funcţionale (cu deteriorări minime) pe unparcurs de cel puţin 160.000 km.

Standardele de calitate ale mediului ambiant, dezvoltate de EPA nu au fostimplementate în multe oraşe din S.U.A., astfel că, reglementările din Clean Air Act, aufost transferate în lege în 1990.

Începând din 1990 Clean Air Act este un document conţinând şapte titluri dincare numai două se referă la surse mobile de poluare ca de exemplu: motoare şicombustibili.

Statul California s-a constituit în lider în implementarea legislaţiei în domeniulpoluării, adoptând limite cu mult mai severe decât legislaţia federală (Clean Air Act).

Astfel, în ultimii 15 ani, se constată o îmbunătăţire substanţială a calităţii mediuluiambiant. Principalul argument al introducerii acestor limite l-au constituit condiţiilespecifice de formare a smogului fotochimic în zona oraşului Los Angeles.

La ora actuală zona Los Angeles are cel mai înalt nivel de ozon comparativ cuorice oraş din S.U.A.. La sfârşitul secolului, Biroul Resurselor de Aer din California(California Air Resources Board – CARB) a decis implementarea celor mai reduse

nivele de emisii care vor culmina cu Vehiculele cu emisii zero (Zero Vehicle Emissions).Evoluţia în timp şi limitele emisiilor sunt prezentate în tabelul 1.17 (autovehiculeuşoare).

În urma adoptării Clean Air Act tot mai multe state din S.U.A. au încercatimplementarea unor limite mai drastice decât limitele federale. În anul 1993 statele NewYork şi Massachusets au introdus normele californiene, iar alte state le-au urmat.Limitele emisiilor motocicletelor cu o capacitate cilindrică superioară valorii de 50 cm 3 sunt prezentate în tabelul 1.18.




Tabelul 1.17 - evoluţia în timp şi limitele emisiilor

Federal California

Emisii evacuare(g/mila)

Emisii evacuare (g/mila)Evaporative

(g/test)Particule(g/test)

Model din

anul HC CO NOx

Evaporative

(g/test)

Particule

(g/test) HC CO NOx

Pre-control

1970

1971

1972

1973-74

1975-76

1977

1978-79

1980

1981

1982-83(9)

1984(11)

1985

1986

1987-88

din 1989

1993-94

1994-98(12)

50 000 mile

100 000 mile

1989-2003

2004-(17)

1,5

4,1

4,1

3,0

3,0

1,5

1,5

1,5

0,41

0,41

ns.

ns.

ns.

ns.

ns.

ns.

ns.

0,25

0,31

ns.

0,125

90

34

34

28

28

15

15

15

7,0

3,4(7)

ns.

ns.

ns.

ns.

ns.

ns.

ns.

3,4

4,2

(13)

ns.

1,7

6,2

-

-

-

3,1

3,1

2,0

2,0

2,0

1,0(8)

ns.

ns.

ns.

ns.

ns.

ns.

ns.

0,4 2,0

0,6 2,0

(14)(15)

ns.

0,2

6,0

-

6,0(2)

2,0

2,0

2,0

2,0

6,0(3)

6,0

2,0

ns.

ns.

ns.

ns.

ns.

ns.

ns.

0,08

0,10

ns.

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

0,6

ns.

ns.

ns.

0,2

ns.

ns.

50 000 mile A

100 000 mile A

B

50 000 mile A

B

100 000 mile A

B

50 000 mile A

B

100 000 mile A

B

50 000 mile A

B

100 000 mile A

B

ns.

ns.

ns.

ns.

50 000 mile

100 000 mile

TLEV

LEV

16)(18) ULEV

ZEV

1,5

4,1

4,1

2,8

2,8

0,9

0,41

0,41

0,39(5)

0,39

0,46

0,39

0,39

0,39

0,46

0,39

0,39

0,39

0,46

0,39

0,39

0,39

0,46

ns.

ns.

ns.

ns.

0,25

0,31

0,125

0,075

0,04

0

90

34

34

28

28

9,0

9,0

9,0

9,0

9,0

10,6

3,4

7,0

3,4

4,0

7,0

7,0

7,0

8,3

7,0

7,0

7,0

8,3

ns.

ns.

ns.

ns.

3,4

4,2

3,4

3,4

1,7

0

6,2

-

6,2

3,2

2,0(’74)

2,0

1,5

1,5

1,0(6)

1,5

1,5

1,0

0,7

1,5

1,5

0,7

0,7(10)

1,5

1,8

0,4

0,7

1,0

1,0

ns.

ns.

ns.

ns.

0,4

0,7

0,4

0,2

0,2

0

6,0

6,0(2)

6,0

2,0

2,0

2,0

2,0

6,0(3)

2,0

2,0

2,0

2,0

2,0

2,0

2,0

2,0

2,0

2,0

ns.

ns.

ns.

ns.

2,0

2,0

2,0

2,0

2,0

0

-

-

-

-

-

-

-

-

--

-

-

-

-

-

-

0,6

0,6

0,6

0,6

0,6

0,6

0,6

0,6

0,4

0,2

ns.

ns.

0,08

0,08

0,08

0,08

0,04

0

Legendă la tabelul 1.17:- A indică limitele pentru condiţii de pornire, B indică limitele în timpul testului; ns - prevederi neschimbate;- (1) determinate după FTP – 75- (2) prin metoda capcanei cu canistră cu carbon- (3) tehnica SHED; 6,0 g/test prin metoda SHED reprezintă mai puţin cu 70 % decât 2 g / test prin metoda

capcanei cu carbon;- (4) referinţe cu certificare pentru parcursuri de 50.000 până la 100.000 mile;- (5) hidrocarburi nemetanice ; valoarea mai mică de 0,4 g / milă este acceptabilă;




- (6) emisia maximă acceptată pentru NOX se obţine pentru ciclul pe autostradă: 1,33 X limita standard;- (7) valori până la 7,0 g / milă, pentru anul 1981, garantate de EPA;- (8) valori până la 1,5 g NOX / milă, pentru anii 1981, 1983 garantate;- (9) valorile limită (anii 1982 şi 1983), valabile pentru altitudini foarte mari: 0,,57 HC, 1,0 NOX, 7,8 CO (în g / milă);- (10) limita de 0,7 g NOX / milă, începând cu anul 1981, se recalculează după un parcurs de 75.000 mile,

respectiv 7

ani;- (11) toate autovehiculele se vor încadra în limite indiferent de altitudine;- (12) limite depăşite după 5 ani;- (13) limită ce se adaugă la 10 g / milă la 20 0F;- (14) limita NOX pentru motoare Diesel: 1,0 / 1,25 g / milă;- (15) procedură revizuită prin teste extradiurne;- (16) limitele pentru diferite categorii de hidrocarburi sunt precizate prin prevederi adiţionale;- (17) introducerea acestor limite la discreţia EPA;- (18) se adaugă limite separate pentru formaldehide.

Tabelul 1.18 - limitele emisiilor motocicletelor cu o cilindree mai mare de 50 cm 3 Legislaţie Federală

Anul modelului Statutul

reglementării

Tipul testului HC

g / km

CO

G / km

1978 efectivă FTP 75 modificat

50 cm3 la 170 cm3 5,0 (8,0)

170 cm3 la 750 cm3 5+0,0155 X (D-170)*

750 cm3 şi peste14,0 (22,5)

Pentru toate capacităţilecilindrice

17,0 (27,5)

1980 şi după Efectivă FTP 75 modifica 5,0 (8,0) 12,0 (19,5)

Legislaţie CalifornianăAnul modelului Tipul testului HC

g / kmCO

G / km

1978 - 1979 FTP 75 m odificat

50 cm3 la 170 cm3 5,0 (8,0)

170 cm3 la 750 cm3 5+0,0155 X (D-170)*

750 cm3 şi peste14,0 (22,5)

Pentru toatecapacităţile

cilindrice17,0 (27,0)

1980 - 1981 FTP 75 m odifica 5,0 (8,0) 12,0 (19,0)

1982 şi anii următori FTP 75 m odifica 1,0 (1,6) 12,0 (19,0)

- D cilindreea motorului în cm3; valorile din paranteze sunt date în g / milă.

1.2.4. REGULAMENTELE JAPONEZE ALE EMISIILOR

Regulamentele privind emisiile în Japonia sunt mult mai complexe datoritămultitudinii ciclurilor de testare şi datorită varietăţii categoriilor de autovehicule precumşi condiţiilor de implementare a legislaţiei.

În Japonia de-a lungul timpului au fost utilizate patru proceduri de testare debază şi anume:

a) Testul cu 10 moduri – simulează un scurt parcurs urban care includeaccelerări de până la 40 km/h. acest test a fost utilizat pentru autoturisme şiautovehicule uşoare dotate cu motoare cu aprindere prin scânteie alimentatecu benzină şi gaze petroliere lichefiate. Din anul 1986 acest ciclu a fostaplicat şi autovehiculelor cu motoare Diesel cu o greutate totală de până la17000 kg.

b) Testul cu 11 moduri – cu pornirea motorului rece, a fost introdus în anul 1975pentru a suplimenta testul cu 10 moduri. Viteza maximă adusă în ciclu estede 60km/h.



INGINERIA ŞI LEGISLAŢIA MEDIULUI 24c) Testul cu 6 moduri. Acest test s-a aplicat vehiculelor cu o greutate totală de

peste 2500kg şi pentru autovehiculele dotate cu motoare Diesel. Diversevariante ale testului au fost aplicate pentru autovehiculele cu motoare cuaprindere prin scânteie sau Diesel.

d) Testul de emisii de vapori. Acest test utiliza rezervorul cu cărbune pentrureţinerea vaporilor şi a fost similar procedurii originale din SUA. Încă nu s-a

introdus procedura SHED de măsurare.Emisiile standard aplicate la ora actuală sunt prezentate în tabelul 1.19(autoturisme).

Tabelul 1.19 – valori limită standard ale emisiile utilizate la autoturismeEmisii limită

Data introducerii în vigoare

Tipulautoturismului Test

Metodă CO HC NOX Modelenoi

Modeleexistente

10 moduri (g / km) 2,70 (2,10) 0,39 (0,25) 0,40 (0,25) Curentă CurentăMAS cubenzină (LPG) 11 moduri (g / km) 85,0 (80,0) 9,50 (7,00) 6,0 (4,4) Curentă Curentă

Transmisiemanuală

1.10.’86 1.9.’87

Altătransmisie

Diesel DI (IDI) 10 moduri (g / km) 2,70 (2,10) 0,82 (0,40)1,285 t

0,98 (0,70)>1,285 t

1,26 (0,90)

1.10.’87 1.9.’88

1.3. REDUCEREA EMISIILOR DE CO2

La conferinţele asupra climei de la Toronto şi Geneva s-a scos în evidenţănecesitatea reducerii globale a emisiilor de CO 2. Astfel, se prevede ca reducerile săcrească anual, atingându-se nivelul de 20% în anul 2005.

Reuniunea Ministerului Mediului şi Energiei a UE în octombrie 1990 a agreat

menţinerea nivelului emisiei de CO 2 din anul 1990, în ţările membre UE. Aceastădecizie a fost, de asemenea, adoptată şi de ţările EFTA. Măsurile de a reduce emisiilede CO2 sunt evaluate în mod curent de ţările din Europa. Comisia Europeană a publicatde asemenea un document de lucru ca un instrument economic de protecţie a mediului.

Starea emisiilor de dioxid de carbon şi politicile propuse în unele state din UEsunt prezentate în tabelul 1.20

Tabelul 1.20 - limite impuse emisiilor de dioxid de carbon în UE

Emisii CO2

Ţara(Mt / an) (t / locuitor)

Evoluţia legiferăriiemisiilor de CO2

(referinţă 1990)

Belgia 29 2,9 Stabilizat până în 2000

Danemarca 17 3,3 Stabilizat până în 2000

Franţa 100 1,8 Stabilizat până în 2000/5

Germania 196 3,2 30 % reducere până în 2005

Grecia 19 1,9 ___________

Irlanda 8 2,3 ___________

Italia 105 1,8 Stabilizat până în 2000

Luxemburg 3 8,1 Stabilizat până în 2000

Olanda 42 2,8 2– 5 % reducere

până în 2000

Portugalia 10 1,0 ___________

Spania 54 1,4 ___________

U.K. 161 2,9 Stabilizat până în 2000




1.4. IMPLICAŢIILE REGULAMENTELOR EUROPENE PRIVIND

EMISIILE ASUPRA CALITĂŢII COMBUSTIBILILOR

1.4.1. BENZINA

Noua directivă consolidată a EC privind emisiile autovehiculelor a eliminat toateambiguităţile tehnologiilor de control a emisiilor. Astfel, nivelul de emisii se aliniază lacele mai severe standarde US şi japoneze, ceea ce a impus ca începând din ianuarie1993 toate autoturismele vândute în Europa de Vest să aibă montat catalizator cu treicăi. Mai mult, directiva cere ca rezervorul de combustibil să fie dotat cu filtre care săprevină utilizarea benzinelor adiţionate cu compuşi ai plumbului.

Directiva impune utilizarea de echipamente pentru controlul emisiilor decombustibil prin evaporare şi cere ca toate autovehiculele după 1993 să fie dotate cucutie cu cărbune activ.

Automobilele având motoare cu aprindere pr in scânteie constituie a doua sursă

importantă de poluare prin emisiile de hidrocarburi de evaporare, după emisiile desolvenţi. Emisiile de hidrocarburi din gazele arse contribuie cu 25 %, emisiile prinevaporare cu 10 %, iar realimentarea autovehiculelor cu 1,8 % din totalul hidrocarburiloremise în atmosferă.

Ţările din Europa au o politică de control al emisiilor vaporilor de hidrocarburi petimpul distribuţiei combustibilului la utilizatori (treapta I). Unele ţări ca Elveţia, Suedia şiGermania doresc să controleze emisiile la realimentare, pentru a elimina expunereapublicului la benzen. Aceste emisii pot fi controlate fie prin intermediul unor staţii decolectare a vaporilor şi trimiterea lor la rezervoare speciale (sisteme de treapta a II -a),fie prin variante mai mari ale cutiei cu cărbune activ. Sistemele ce folosesc cărbuneactiv la bordul automobilelor sunt cele mai eficiente în controlul emisiilor la realimentare.

În Statele Unite, EPA a recomandat utilizarea sistemelor de colectare a vaporilorde combustibil la bordul autoturismelor, fapt consemnat şi în noul Clean Air Act.La ora actuală există o presiune crescândă pentru a reduce conţinutul de benzen

din benzină sub nivelul de 5 %. Benzenul, ca şi alţi compuşi aromatici, sunt constituenţinaturali ai petrolului şi astfel se explică prezenţa lor în benzină. În procesul de rafinare,pentru a se îmbunătăţi calităţile antidetonante ale benzinei prin mărirea cifrei octanice,se măreşte conţinutul de compuşi aromatici; această tehnologie are şi o parte bună,deoarece se generează hidrogenul necesar reducerii conţinutului de sulf şi a altorproduşi de rafinare. Trebuie amintit faptul că, benzenul se poate forma şi prin ardereaaltor compuşi ai benzinei în motor şi astfel poate fi explicată prezenţa sa în gazele deevacuare.

Utilizarea catalizatorilor pentru gazele de evacuare şi a cutiei cu cărbune activpentru controlul hidrocarburilor, reduc drastic emisiile de benzen. În aceste condiţii,reducerea în continuare a conţinutului de benzen din benzină va influenţa numai într-omică măsură emisiile.

Controlul asupra genezei emisiilor trebuie să constituie strategia prioritară aviitorului. Îmbunătăţirea compoziţiei chimice a combustibililor se poate constitui ca odirecţie secundară a strategiilor de reducere a concentraţiilor de compuşi nocivi dingazele de evacuare ale motoarelor autovehiculelor.

1.4.2. MOTORINACalitatea motorinei a început să fie controlată în contextul creşterii preocupărilor

privind nivelul emisiilor motorului Diesel.Calitatea motorinei este influenţată în mod determinant de: procesul de rafinare,

calitatea petrolului supus procesării, amestecul de produse final impus şi temperatura



INGINERIA ŞI LEGISLAŢIA MEDIULUI 26minimă de congelare a motorinei. Proprietăţile motorinei, cum ar fi: caracteristicile dedistilare, viscozitatea, densitatea şi cifra cetanică, diferă în Europa ca şi în Statele Unite.

La o analiză atentă se constată că multe din proprietăţile motorinei suntinterdependente şi că ele nu pot fi ajustate prin tehnologii dedicate. Pentru a îngustaplaja de variaţie a acestor proprietăţi este nevoie de reprocesarea combustibilului peinstalaţii costisitoare.

Motorina va rămâne o parte atractivă a gamei combustibililor utilizaţi întransporturi. Îmbunătăţirea calităţilor acesteia este posibilă însă la costuri ridicate.Trebuie să se recunoască că o creştere a preţului motorinei poate influenţa negativ într-o măsură ridicată preţurile şi serviciile din Europa. Deci, îmbunătăţirea calităţii motorineiare implicaţii socio-economice care trebuie cântărite foarte atent într-un bilanţ întredorinţa de îmbunătăţire a mediului înconjurător şi costurile pe care le implică această

îmbunătăţire.Studii recente au confirmat faptul că efectele proprietăţilor motorinei asupra

emisiilor şi funcţionalitatea unor motoare Diesel optimizate sunt mici. În consecinţă, şi înviitor se prevede ca îmbunătăţirea proiectării motoarelor rămâne calea cea mai eficientăde reducere a emisiilor la motorul Diesel.

Compuşii aromatici se găsesc şi în motorine şi ei nu pot fi în totalitate eliminaţi.Rezultatele experimentelor obţinute în urma testării motor/autovehicul au arătat că,conţinutul de compuşi aromatici din motorinele comerciale, poate fi considerat ca unparametru secundar al nivelului emisiilor. Parametrul principal, strâns legat de conţinutulde aromatice, este densitatea motorinei. Efectul de variaţie a densităţii motorinelor estecompensat prin ajustarea dozei masice de combustibil injectat; în aceste condiţii efectulnivelului compuşilor aromatici asupra emisiilor (NO x şi particule) devine nesemnificativ.

În petrol se găseşte o anumită cantitate de sulf care poate fi eliminată, în mareparte, în procesul de rafinare prin hidrodesulfurare. Costul reducerii conţinutului de sulfdepinde de nivelul concentraţiei care trebuie atinsă.

Utilizarea catalizatorilor, pentru tratarea gazelor arse la motoare Diesel, va creştepresiunile asupra industriei petroliere pentru scăderea drastică a conţinutului de sulf dincombustibil.

Sulful din motorină este eliminat din motor prin gazele de evacuare sub formă deSO2 , iar o mică cantitate (1…3%) este convertit în trioxid de sulf şi eliminat sub formăde particule de sulfat. Contribuţia sulfaţilor asupra cantităţii totale de particule emisedepinde de nivelul absolut al particulelor emise de motor.

Începând cu octombrie 1993, s-a introdus motorina cu conţinut redus de sulf,reformulată, în 49 de state din S.U.A (cu excepţia Californiei). Acest combustibil areurmătoarele limite:

maxim 0,05 % în greutate conţinut de sulf;

cifră cetanică maximă 40; conţinut maxim de hidrocarburi aromatice 30 % în volum. La aceeaşi dată, California introduce o limitare şi mai severă a nivelului de hidrocarburiaromatice, de maxim 10 %, păstrând nivelul maxim de sulf din combustibilii Diesel.Utilizarea combustibililor fosili cu altă compoziţie chimică poate determina reducereasemnificativă a emisiilor de hidrocarburi nearse şi monoxid de carbon şi neimportantă înceea ce priveşte NOx. Efectul minim al reformulării combustibilului asupra emisiei deNOx îngustează şi mai mult căile prin care viitoarele restricţii legislative, referitoare laaceşti poluanţi primari, pot fi îndeplinite.

Un studiu actual al European Auto/Oil estimează efectele proprietăţilorcombustibililor Diesel (densitate, conţinut de poliaromatice, cifră cetanică) asupra

nivelului emisiilor a 17 modele de autoturisme şi două de autocamioane, toate cumotoare Diesel. 14 din acestea au motoare cu injecţie indirectă iar restul motoare cuinjecţie directă. Toate modelele au sisteme catalitice de oxidare a gazelor arse.




Automobilele au fost încercate utilizând ciclul european MVEG, care combină testări înregimul urban cu cele în regim extraurban. Prin regresie liniară, s-au estimat efecteleposibile ale reformulării combustibililor Diesel. asupra emisiilor motoarelor acestorautomobile (tabelul 1.21).

Tabelul 1.21 – efecte ale reformulării combustibililor Diesel

HC [%] CO [%] NOx [%] Particule [%]-34 -42 +3 -24

Reducerile au fost obţinute prin modificările arătate în tabelul 1.22

Tabelul 7.12 – tendinţe în reformularea combustibililor Diesel

Densitate[kg/m3]

Poliaromatice[% masă]

Cifră cetanică T95 [0C]

855 826 8 1 50 58 370 325

Interesant, emisia de NOx creşte uşor, la funcţionarea motoarelor cu motorinaavând modificările din tabelul 1.22. Rezultatele din tabelul 1.21 sunt determinate, înmare parte, de particularităţile funcţionale ale motoarelor cu cameră de ardere divizată,predominante, ca număr, în grupul de autovehicule testate. La motoarele Diesel cuinjecţie directă, de turaţie ridicată, emisia de NO x descreşte uşor odată cu creştereacifrei cetanice a combustibilului (după cum este confirmat de alte cercetări ce au sudiatefectele reformulării combustibilului).

În cazul în care se va reuşi reducerea importantă a valorilor emisiilor de CO, HC,

şi particule, prin reformularea combustibililor Diesel, se deschide posibilitateaconcentrării eforturilor cercetătorilor asupra reducerii NO x, tratamentul gazelor arse însistemul de evacuare făcându-se cu acest obiectiv prioritar. Concentraţiile particulelororganice solubile, ale formaldehidelor, se reduc odată cu reformularea constituenţilormotorinei.

Au fost estimate şi efectele asupra nivelelor de emisii poluante pe care le aremodificarea radicală a compoziţiei combustibilului Diesel. Probabil, ultima posibilitate dereformulare a combustibilului Diesel bazat pe hidrocarburi este obţinerea acestuia, nuca derivat al petrolului primar, ci din gaze naturale, de exemplu prin tehnologia Fischer-Tropsh. Au fost astfel obţinuţi combustibili Diesel cu o cifră cetanică de aproape 70, cumai puţin de 0,1% conţinut de hidrocarburi aromatice şi mai puţin de 10 ppm ( părţi pemilion) conţinut de sulf. Procedeul de obţinere este o versiune a tehnologiei Fischer-Tropsh utilizată de firma Sasol.

Alcoolii au fost utilizaţi şi ei pentru reformularea combustibilului Diesel, dar, cifraoctanică mare şi corespunzător cifra cetanică mică, au determinat obţinerea unor calităţinecorespunzătoare la utilizarea în motoarele Diesel.

Combustibili Diesel oxigenaţi se pot obţine prin adăugarea în motorină a unoruleiuri vegetale modificate (de exemplu uleiul de rapiţă sau uleiul de soia esterificate),cu bune calităţi în funcţionarea motoarelor (cifră cetanică mare).

Alte proprietăţi ale acestor uleiuri vegetale (vîscozitate mare, variabilitateaproprietăţilor cu modificarea temperaturii) fac ca procentul în care ele sunt folosite în

amestec cu combustibilii Diesel clasici să fie de maxim 20 %. Utilizarea acestoramestecuri în motoarele Diesel a determinat reduceri ale nivelului de particule şi CO darcreşteri ale indicelui NOx. În plus, aceşti combustibili sunt mai scumpi decât cei clasici,



INGINERIA ŞI LEGISLAŢIA MEDIULUI 28iar obţinerea lor în cantităţi comparabile cu cele ale combustibililor petrolieri clasicidetermină implicaţii care se pot greu evalua.

Tendinţa general acceptată în redefinirea combustibililor Diesel constă înscăderea continuă a conţinutului de sulf din compoziţia acestora. Reducereaconţinutului de sulf diminuează şi distrugerile cauzate sistemelor catalitice de tratare agazelor arse; sunt astfel posibile construcţii care să realizeze simultan atât oxidarea CO

şi HC cât şi reducerea NO x. Volkswagen a fost prima firmă care a introdus pe piaţă unsistem catalitic de reducere a NOx din gazele arse ale unui motor Diesel HSDI, dar altefirme nu se grăbesc încă să sacrifice o parte din economicitatea modelelor Diesel HSDIpentru încadrarea în limitele viitoarelor legislaţii ecologice

2. ECHIPAMENTE PENTRU DETERMINAREA

CONCENTRAŢIEI POLUANŢILOR DIN GAZELE DE

EVACUARE

Echipamentele de evaluare a emisiilor poluante depind de caracteristicilepoluanţilor ale căror limite sunt legiferate.

Dintre cei patru poluanţi ale căror limite sunt legiferate numai CO reprezintă osubstanţă pură, celelalte fiind amestecuri: NO x este un amestec de doi oxizi (NO+NO 2),HC – reprezintă un amestec de hidrocarburi din diferite grupe, iar particulele suntconglomerate de carbon, oxizi metalici, sulfaţi care absorb hidrocarburi şi apă.

Pentru măsurarea concentraţiilor gazele de evacuare sunt colectate în saci deplastic şi apoi sunt supuse analizei.

Alte metode prevăd preluarea şi măsurarea continuă a gazelor de evacuare.

2.1. MĂSURAREA CONCENTRAŢIEI DE OXID DE CARBON ŞI A DIOXIDULUIDE CARBON

Emisiile de CO şi CO2 din gazele de evacuare pot fi determinate utilizând metodaabsorbţiei energiei radiante nedispersive prin spectrul de radiaţii infraroşu şi care sebazează pe principiul absorbţiei selective a energiei radiante în spectrul infraroşu la

diferite lungimi de undă caracteristice fiecărei substanţe. Această metodă poate fi folosită şi la măsurarea concentraţiei de HC şi NO x.Radiaţia infraroşie este absorbită de CO la lungimea de undă de 4,7 m, iar de CO2 la4,3 m.

Analizorul NDIR (Non Dispersive Infrared Radiation) (figura 8.1) dispune de douătuburi paralele, aceste tuburi au pereţi reflectorizanţi şi ele sunt străbătute de câte unfascicul de radiaţii infraroşu. Aceste fascicule au o bandă largă de lungimi de undă

Proba de gaze arse de analizat traversează tubul de măsură situat pe traiectulfasciculului infraroşu. Tubul de referinţă este traversat de azot şi el nu absoarbe radiaţiiinfraroşu .

Fasciculele sunt emise de două surse generatoare de radiaţii infraroşu de putere

egală ajung în câte o cameră receptoare după ce au traversat tubul de măsură şi tubulde referinţă. Cele două camere sunt umplute cu gaze de analizat şi sunt separate de omembrană metalică. Radiaţia infraroşie este absorbită numai în banda de absorbţie




specifică gazului receptor, deci într-o manieră selectivă. Diferenţa de energie absorbitădetermină o diferenţă de temperatură şi de presiune între cele două camere receptoare.

Această diferenţă de presiune este transformată într-o diferenţă de tensiune, care esteproporţională cu concentraţia compusului care se determină, CO sau CO 2, dar tot atât

de bine poate fi determinată concentraţia de HC sau NO x.

Fig. 2.1 Măsurarea concentraţiilor de CO şi CO2 cu sistemul NDIR, unde:

1- sursă de curent continuu;2- amplificator;3- stabilizator de tensiune;4- cameră de colectare;5- membrană metalică;6 - diafragmă;

7 - gaz de eşapament;8 - incintă de măsurare;9 - incintă de referinţă;10- incintă de filtrare;11- diafragmă antrenată de motor;12- surse luminoase.

2.2. MĂSURAREA CONCENTRAŢIEI OXIZILOR DE AZOT

Regulamentele internaţionale recomandă la măsurarea oxizilor de azot metoda

chemiluminiscenţei. Analizorul cu chemiluminiscenţă îşi bazează funcţionarea pe faptul că oxidul deazot (NO) reacţionează cu ozonul (O 3) de unde rezultă NO 2 marcat electric care, prindescărcare, produce o cuantă de lumină roşie. Această emisie luminoasă poate fimăsurată cu precizie.

Aparatul (figura 2.2) dispune de o cameră de reacţie în care se introduce probade analizat şi ozonul, unde se generează molecule NO2 încărcate electric şi unde areloc descărcarea. Senzorul fotoelectric transformă impulsurile luminoase în curentelectric.




Fig. 2.2 Schema analizorului bazat pe fenomenul de chemiluminescenţă;semnificaţia notaţiilor este următoarea:1- pompă de vid;2- filtru molecular;3- tubulatură de referinţă;4- regulator de debit;5- filtru;6 -aer;7- oxigen;8 –generator de ozon;

9 - tub capilar;10- cameră de reacţie;11- filtru optic;12- fotoamplificator;13- amplificator;14- sistem de afişare;15- gaze de evacuare;16 –convertizor NO2 NO.

Camera de reacţie este vidată cu ajutorul unei pompe de vid iar pe timpulfuncţionării volumul acesteia este menţinută la temperatură constantă.

Analizorul dispune de un generator de ozon. Aerul sau oxigenul este trecut printr -un reactor în care sunt plasaţi doi electrozi alimentaţi de la o sursă de înaltă tensiune

între care au loc descărcări electrice. Aproximativ 2% din oxigenul trecut prindescărcările electrice dintre electrozi este transformat în ozon.

În gazele de evacuare există pe lângă NO şi cantităţ i importante de NO2 .Pentru măsurarea concentraţiei de NO2 analizorul dispune de un reactor încălzit

electric la temperatura de 650-700°C. Proba de gaze arse este trecută prin acest

reactor; NO2 disociază în totalitate în NO, după care proba este analizată princhemiluminiscenţă.

2.3. MĂSURAREA CONCENTRAŢIEI DE HIDROCARBURI

Concentraţia de hidrocarburi din gaze de evacuare ale motoarelor se determinăcu analizorul FID (Flame Ionization Detector).

Funcţionarea analizorului (figura 2.3) se bazează pe faptul că atomii de carbonpot fi separaţi la temperatură ridicată în ioni pozitivi şi electroni liberi. Vaporii de apă dingazele de evacuare pot vicia măsurătoarea, pentru a elimina această influentă probă

gaze de evacuare se încălzeşte până la 190°C, iar analizorul devine HFID (HeatedFlame Ionozation Detection).




Fig. 2.3 Sistemul pentru determinarea conţinutului de hidrocarburi prin detecţie de ioni în f lacără ionizată (FID);1-sistem de afişare; 2-arzător; 3-ieşire; 4-hidrogen; 5- aer; 6-gaze etalon; 7-gaze deeşapament.

Proba de analizat este amestecată cu aer şi este arsă într-o flacără dată de unamestec format de H2 (40%) şi He (60%).

În zona flăcării sunt plasate două plăci, una încărcată pozitiv, iar cealaltă negativ.Ionii pozitivi şi negativi se vor separa pe plăci, generând un curent proporţional cunumărul de atomi de carbon, curent care va fi amplificat şi măsurat.

2.4. MĂSURAREA CONCENTRAŢIEI DE PARTICULE

Măsurarea cantităţii de particule emise se realizează prin metoda gravimetrică.Gazele de evacuare traversează un filtru şi masa acestor particule este

determinată prin cântărirea filtrului ( filtru gol – filtru cu particule). Înainte şi după preluarea probei filt rele sunt menţinute în etuve cu atmosferă

controlată (umiditate, temperatură constantă); măsurarea se realizează tot în etuvăpentru a elimina influenţa umidităţii asupra măsurării.

Gazele sunt diluate cu aer după preluare. Diluţia se poate realiza printr-un sistem

principal sau printr-un sistem în deviaţie. În general, se foloseşte preluarea la volum constant (CVS – Constant VolumeSampling). La acest sistem se măsoară volumul constant de gaze arse şi aer şi seprelevează proba supusă măsurării. Masa emisiilor de particule este apoi calculatăcunoscând masa particulelor prelevate, debitul probei şi debitul amestecului.

Filtrele utilizate pot influenţa măsurarea, prin reţinerea vaporilor de apă şi dehidrocarburi din gazele de evacuare.

Filtrele utilizate pentru reţinerea particulelor sunt confecţionate din fibre de sticlăacoperite cu fluorcarbon sau teflon, sau filtre tip membrană din fluorcarbon.

La măsurarea particulelor se utilizează mai multe filtre montate în serie, dispusela o distanţă de maxim 100 mm.

Microbalanţa utilizată trebuie să aibă domeniul de măsurare de 0…5 mg.Condiţiile climatice din camera sau etuva de măsurare trebuie să înscrie înlimitele următoare: temperatura 20-30 °C, umiditatea 35-55%.




2.5. MĂSURAREA EMISIILOR DE FUM

Pentru măsurarea densităţii fumului emis de motoare s-au dezvoltat douămetode de măsurare: a) metoda filtrării gazelor şi b) metoda măsurării radiaţiei

luminoase absorbite de gazele arse.

a) Metoda filtrării gazelor constă în trecerea unei cantităţi de gaze arse print r-unfiltru. Filtrul este apoi supus unei analize optice în comparaţie cu un filtrucurat.

Valorile obţinute se încadrează în scara Bacharach care are 10 nivele de înnegrire a hârtiei de f iltru curate (figura 2.4).

Fig. 2.4 Determinarea concentraţiei fumului din gazele de evacuare ale motoarelor

Diesel prin metoda filtrării (BOSCH); semnificaţia notaţiilor este următoarea:1- gaze de eşapament;2- hârtie filtru;3- piston;4- cameră de colectare;5- poziţia pistonului după colectareaprobei;

6 - resort;7 - baterie;8 – sursă de lumină;9 – sistem de afişare;10- celulă fotoelectrică;

b) Metoda de măsurare a gradului de absorbţie a luminii are ca principiu demăsurare comparaţia transparenţei unei coloane de gaze de o lungimeprestabilită cu o coloană de aer curat de aceeaşi lungime (figura 2.5).




Fig. 2.5 fummetru HARTRIDGE:

1-separator de apă; 2- supapă; 3- intrarea gazelor de evacuare; 4- sursă luminoasă; 5-

tub de fum; 6- fotoelement; 7- tub calibrat; 8- poziţie de măsurare; 9- poziţie de

calibrare; 10- ieşirea gazelor de evacuare; 11- ventilator; 12- aer.




3. FORMAREA EMISIILOR POLUANTE LA MOTOARELE CU

ARDERE INTERNĂ

3.1. FORMAREA OXIZILOR DE AZOT

3.1.1. FORMAREA OXIDULUI DE AZOT (NO)La motoarele cu ardere internă sursa principală a azotului care va participa la

reacţiile de formare ale oxidului de azot o constituie azotul molecular existent în aerulcare este admis în motor. Benzina şi motorina conţin mici cantităţi de azot care vorcontribui la formarea oxidului de azot.

Mecanismul de formare a oxidului de azot din azotul atmosferic este descris prinurmătoarele reacţii care au loc în zonele cu amestec aproximativ stoichiometric.

, (3.1)

O NOO N 2 , (3.2)

. (3.3)

Ecuaţia (3.3) se desfăşoară în amestecuri bogate. Reacţiile de formare a NO auloc în frontul flăcării şi în gazele care părăsesc flacăra.

În cazul motoarelor cu ardere internă arderea are loc la presiuni ridicate astfel căfrontul de flacără are grosime mică, de asemenea pe durata arderii presiunea dincamera de ardere creşte ceea ce determină creşterea temperaturii gazelor arse. Înacest fel se explică faptul că NO se formează în cantităţi reduse în frontul de flacără iarcantitatea principală se formează în gazele care părăsesc flacăra. Se poate spune că

procesul de ardere şi procesul de formare a NO sunt independente. Exceptând cazurilede înaltă diluţie formarea NO în flacără se poate ignora în favoarea formării în gazelearse.

În figura 3.1 se prezintă formarea NO în dependenţă faţă de nivelul detemperatură, în funcţie de timp.

Reacţiile de formare a NO sunt mai slabe decât reacţiile de ardere aceastaputând fi explicată prin valorile de neechilibru măsurate în gazele de evacuare, fiindtotodată puternic dependente de concentraţia de oxigen.

Cantităţile de NO formate vor fi cu atât mai mari cu cât concentraţia de oxigen şinivelul de temperatură sunt mai ridicate.

Fig. 3.1 Formarea oxidului de azot la diferite

temperaturi, în funcţie de timp.

X - concentraţia instantanee de NO

X0 - concentraţia NO la echilibru




3.1.2. FORMAREA DIOXIDULUI DE AZOT (NO2)

În condiţiile de echilibru chimic, în gazele arse concentraţia de NO 2 esteneglijabilă în comparaţie cu NO, acesta este cazul motorului cu aprindere prin scânteie.

În motorul Diesel aproape 30% din NO x este reprezentat de NO2, iar explicaţia ar fi că

NO format în frontul de flacără este convertit în NO2

. (3.4)

şi NO2 este reconvertit în NO după următoarea reacţie:

. (3.5)

În cazul motorului cu aprindere prin scânteie utilizarea acestuia prelungit lamersul în gol poate determina creşterea emisiilor de NO 2.

Funcţionarea motorului Diesel la sarcini reduse poate mări concentraţia de NO2 deoarece există numeroase zone reci care pot inhiba reconversia NO 2 în NO.

Dioxidul de azot se poate forma în evacuare la turaţii scăzute ale motorului cândgazele arse rămân un timp mai lung în prezenţa oxigenului.

3.1.3. FORMAREA PROTOXIDULUI DE AZOT (N2O)

Protoxidul (N2O) se formează din substanţe intermediare care reacţionează cuoxidul de azot.

, (3.6)

. (3.7)

Mecanismul de formare este limitat la reacţia de oxidare.Hidrogenul atomic determină distrugerea protoxidului de azot format:

, (3.8)

. (3.9)

În motorul cu aprindere prin scânteie ca şi în motorul Diesel emisiile de N 2O atingo magnitudine de 3 la 8 ppm.

3.1.4. PARTICULARITĂŢI ALE GENEZEI NOX LA MOTORUL CU APRINDERE

PRIN SCÂNTEIE

La motorul cu aprindere prin scânteie amestecul aer combustibil secaracterizează prin omogenitate deoarece procesul se desfăşoară pe parcursul curseide admisie şi comprimare. Cantităţile de NO formate în gazele arse la temperaturăridicată sunt bine determinate. Cantităţile de NO pot creşte peste valorile de echilibrucând temperatura scade în timpul destinderii

Vârful concentraţiei de NO, care apare în destindere, este influenţat de condiţiilede funcţionare ale motorului şi, de asemenea, de momentul iniţierii aprinderii

amestecului. În cazul amestecurilor sărace procesul de formare a NO se termină mairepede, în cursa de destindere şi are loc descompunerea numai a unei mici cantităţi deNO. Arderea amestecurilor bogate determină formarea de NO pe tot parcursul arderii,



INGINERIA ŞI LEGISLAŢIA MEDIULUI 36aceasta prelungindu-se în destindere, o cantitate de NO este supusă în acest cazprocesului de descompunere.

Emisiile de NOx sunt mult mai sensibile la condiţiile de funcţionare ale motorului,când se utilizează amestecuri bogate, faţă de cazul utilizării amestecurilor sărace.

Concentraţia emisiilor de NOx depinde în mare măsură de fracţiunea de amesteccare arde prima. Dacă amestecul aer-combustibil nu este supus unor puternice mişcări

organizate şi neorganizate, cele mai importante concentraţii de NO x sunt create în jurulbujiei. În camera de ardere apare un gradient al concentraţiei de NO x care urmăreştegradientul de temperatură.

Factorii care influenţează decisiv emisiile de NOx sunt: Raportul aer-combustibil; Fracţiunea de gaze arse care se găseşte în amestecul nears din camera de

ardere; Avansul la aprindere.

În comparaţie cu aceşti factori, proprietăţile combustibilului influenţeazănesemnificativ emisiile de NOx.

3.1.4.1. INFLUENŢA DOZAJULUIDozajul influenţează performanţele energetice ale motorului cu aprindere prin

scânteie, acesta dezvoltând puterea maximă la amestecuri bogate unde există undeficit de aer faţă de amestecul stoichiometric de 0 –10 %.

Consumul minim de combustibil este obţinut în condiţiile unor amestecuri sărace,unde excesul de aer este de aproximativ de 10 %.

Din punctul de vedere al genezei NO x situaţia se prezintă în modul următor:temperatura maximă a gazelor arse se obţine la amestecuri bogate ( 0,9). În acestecondiţii concentraţia din camera de ardere este scăzută. Dacă coeficientul de exces deaer începe să crească, efectul creşterii presiunii parţiale a oxigenului contrabalansează

efectul reducerii temperaturii gazelor arse, care tinde să reducă formarea NO x. Vârfulconcentraţiei emisiilor de NOx este plasat în zona amestecurilor uşor sărace ( 1,1). Încazul în care excesul de aer continuă să crească, datorită reducerii temperaturii flăcării,rata de formare a NOx din azotul molecular se reduce.

3.1.4.2. INFLUENŢA FRACŢIUNII DE GAZE ARSE

Înaintea aprinderii, amestecul din camera de ardere a unui motor cu aprindereprin scânteie conţine: aer, vapori de combustibil şi gaze arse. Gazele arse pot fi gazereziduale de la ciclul anterior, sau o cantitate de gaze arse intenţionat recirculate, pentrua reduce emisiile de NO x.

Valoarea fracţiunii gazelor reziduale din amestec depinde de sarcină şi fazele dedistribuţie (în special de durata de suprapunere a deschiderii supapelor de evacuare şiadmisie). Creşterea suprapunerii deschiderilor supapelor determină întoarcerea uneicantităţi de gaze arse, care va fi reţinută în camera de ardere, efectul va fi reducereaemisiilor de NOx. Cantitatea de gaze reziduale depinde, de asemenea, de turaţiamotorului, dozajul şi raportul de comprimare (prin reducerea căruia apare o scădere aconcentraţiei de NOx).

Gazele arse reziduale inactive din punct de vedere chimic acţionează ca undiluant al amestecului aer-combustibil. Cu cât fracţiunea de gaze arse este mai ridicată,cu atât nivelul de temperatură al ciclului motor este mai redus. Mărirea cantităţii de gazearse reziduale, sau recirculate, poate influenţa negativ asupra ratei de degajare acăldurii, ceea ce poate determina funcţionarea instabilă a motorului.

Cercetări experimentale au evidenţiat că, prin recircularea gazelor arse, se potobţine importante reduceri ale emisiilor de NO x. În figura 3.2 se prezintă efectul




concentraţiei de gaze arse recirculate asupra emisie de NO pentru diferite dozaje. Seapreciază că importante reduceri ale emisiei de NO se obţin la concentraţii de 15-20%,aceste concentraţii fiind şi maximul permisibil la sarcini parţiale de funcţionare alemotorului. Mărirea concentraţiei de gaze arse recirculate poate determina înrăutăţirea

arderii sau chiar lipsa aprinderii amestecului.

Fig. 3.2 Influenţa recirculării de gaze arseasupra emisiei de NO, la un MASfuncţionând la 1600 rot/min (A / F – raportulaer / combustibil).

3.1.4.3. INFLUENŢA AVANSULUI LA APRINDERE

Emisiile de NO sunt influenţate în mod determinant de avansul la aprindere alamestecului din cilindrii motorului.

Mărirea avansului la aprindere determină creşterea emisiilor de NO x deoarece unprocent sporit de amestec arde înainte de p.m.s., iar valoarea presiunii maxime a

ciclului creşte pentru că se apropie de p.m.s., când volumul de lucru al gazelor esteminim. Creşterea presiunii maxime a ciclului are ca rezultat mărirea valorii maxime atemperaturii ciclului şi a timpului cât gazele rămân în cilindree la temperaturi ridicate.

Micşorarea avansului la aprindere reduce nivelul temperaturii maxime al cicluluideoarece acesta se află plasat în cursa de destindere a ciclului. Se apreciază căreducerea de aproximativ 10 RAC a avansului la aprindere poate determina o reducerea nivelului de emisii de NO cu 20-30% la acelaşi nivel de putere (fig. 3.3).

Reducerea avansului la aprindere determină creşterea nivelului de temperaturăal gazelor arse evacuate, favorizează post-arderea hidrocarburilor şi înrăutăţeşteconsumul de combustibil şi puterea specifică.

Fig. 3.3 Influenţa avansului ladeclanşarea scânteii electrice asupraemisiei de NO, la un MAS funcţionând la1600 rot/min

A / F – raportu l aer / combustib il




3.1.5. PARTICULARITĂŢI ALE GENEZEI NOX LA MOTORUL CU APRINDERE

PRIN COMPRIMARE

Formarea NOx este influenţată de particularităţile de formare a amestecului aer-combustibil şi arderea în motorul cu aprindere prin comprimare. Amestecul aer-combustibil se formează în cilindrii motorului prin injecţia combustibilului la sfârşitulcursei de compresie, ceea ce determină o puternică neuniformitate a amestecului încamera de ardere, astfel rezultând o puternică neuniformitate a temperaturii şicompoziţiei gazelor arse.

În motorul cu aprindere prin comprimare, procesele de formare a amesteculuiaer-combustibil şi arderea sunt foarte complexe, fiind influenţate de o multitudine defactori şi, în plus aceste procese, se suprapun parţial. Pe parcursul fazei de ardererapidă care urmează imediat după întârzierea la autoaprindere arderea amesteculuieste necontrolată, dozajul amestecului situându-se în jurul dozajului stoichiometric. Peparcursul fazei de ardere difuzive, amestecul are dozajul apropiat de cel stoichiometric.

Asemănător motorului cu aprindere prin scâ nteie, maximul de temperaturăinfluenţează formarea NO. Fracţiunea de combustibil care arde mai devreme înprocesul de ardere faţă de p.m.s. este determinant deoarece gazele sunt comprimate şitemperatura are tendinţa de creştere ceea ce accentuează procesul de formare a NO.

În cursa de destindere formarea NO este oprită deoarece gazele fierbinţ i se amestecăcu aer sau gaze arse ˝reci˝. In motorul cu aprindere prin comprimare datorită acestuiproces de răcire a amestecului de gaze în cursa de destindere, NO are tendinţă maiscăzută de descompunere comparativ cu motorul cu aprindere prin scânteie.

Perioada critică de formare a NO este deci între începutul arderii şi un punctplasat cu puţin după înregistrarea valorii maxime a presiunii din cilindru.

Experimental s-a determinat faptul că întreaga cantitate de NO de formează pe

20 RAC din momentul iniţierii arderii. Când avansul la injecţie este micşorat arderea începe mai târziu la fel şi procesul de formare a NO, însă rata de formare estediminuată datorită nivelului maxim de temperatură mai redus.

Concentraţia de NO creşte cu mărirea dozajului. Dozajul creşte cu mărireacantităţii de combustibil injectat iar emisia de NO este proporţională cu cantitatea decombustibil injectată (fig. 3.4). La sarcină plină nivelul presiunii din cilindrul este maxim,deci şi nivelul NO va fi mai mare.

Fig. 3.4 Influenţa dozajului asupraemisiei de oxizi de azot la un motorDiesel.





INGINERIA ŞI LEGISLAŢIA MEDIULUI 40care are valori în jur de 3,5 la 3,8.La amestecuri bogate concentraţia de CO este foarte apropie de concentraţia de

echilibru în gazele arse în curba de destindere. În cazul amestecurilor sărace emisiile de CO sunt mai mari decât cele calculate

şi acesta se datorează hidrocarburilor oxidate incomplet desprinse de pe pereţii camereide ardere, spaţii înguste filmul de ulei în timpul cursei de destindere.

3.2.1. FORMAREA MONOXIDULUI DE CARBON LA MAS

Motoarele cu aprindere prin scânteie funcţionează la pornire şi la sarcini mari cuamestecuri bogate. În aceste cazuri emisiile de CO sunt importante. Nivelul de CO dingazele de evacuare este întotdeauna mai scăzut decât în camera de ardere.

Formarea oxidului de carbon poate fi redusă prin utilizarea unor amestecuriavând nivel de temperatură care generează disocierea dioxidului de carbon.

Cantităţile de monoxid de carbon formate în regimurile de accelerare /decelerare

pot fi reduse prin controlul cantităţii de combustibil introdus în cilindri.

3.2.2. FORMAREA MONOXIDULUI DE CARBON LA MACMotorul cu aprindere prin comprimare funcţionează cu amestecuri sărace de

aceea emisiile de CO sunt cu mult mai reduse decât la MAS.Particularităţile de formare ale amestecului şi arderii la MAC care se

caracterizează prin neomogenitate ridicată, lipsa locală a oxigenului, fluctuaţii aletemperaturii în camera de ardere şi timp insuficient pentru desăvârşirea reacţiilor deardere pot cauza creşteri ale emisiilor de CO (la sarcini mici şi la sarcină plină şi turaţiiridicate).

3.3. FORMAREA HIDROCARBURILOR NEARSE

Emisiile de hidrocarburi sau de substanţe organice sunt rezultatul arderiiincomplete ale combustibilului.

Gazele de evacuare conţin o multitudine de hidrocarburi (tabelul 3.1).

Tabelul 3.1 - compoziţia hidrocarburilor emise de MAS.Parafinice Olefinice Acetilenă Aromatice

Fără catalizator 33 27 8 32

Cu catalizator 57 15 2 26

O parte din hidrocarburi sunt inerte din punct de vedere fiziologic şi nereactive însmogul fotochimic. O altă parte sunt cunoscute drept substanţe cancerigene sau suntputernic reactive la formarea smogului fotochimic

Având în vedere reactivitatea hidrocarburilor la formarea smogului fotochimic,compuşii hidrocarbonaţi sunt divizaţi în două categorii nereactivi şi reactivi.

În tabelul 3.2 se prezintă o scală a reactivităţii prin care se poate estimareactivitatea amestecului gazos de hidrocarburi din gazele de evacuare.




Tabelul 3.2 - reactivitatea hidrocarburilor

Hidrocarburi parafinice

AcetilenăBenzen

0

Hidrocarburi parafinice cu masă moleculară mareMonoalchilul benzenOrto şi para dialchilul benzen

Hidrocarburi parafinice ciclice

2

Etilena

Meta dialchil benzenAldehide

5

Olefinice

DiolefiniceTri şi tetra alchil benzen

10

Ciclo olefinice 100

Compoziţia combustibilului influenţează compoziţia şi nivelul emisiilor organice.Combustibilii care conţin o proporţie ridicată de substanţe aromatice şi olefinice produco concentraţie semnificativă de hidrocarburi reactive. De cele mai multe ori compuşiiorganici găsiţi în gazele de evacuare nu sunt prezenţi în compoziţia combustibilului,indicând faptul că, pe timpul arderii, au loc reacţii de piroliză şi sinteză.

Compuşii oxigenaţi sunt prezenţi în gazele de evacuare şi sunt bine cunoscuţi cafiind participanţi la smogul fotochimic, o parte din aceşti compuşi sunt iritanţi şimirositori. Aldehidele volatile sunt iritante pentru ochi şi aparatul respirator.Formaldehida este un important component, aproximativ 20% din totalul carbonililor.

Carbonilii reprezintă în jur de 10% din totalul emisiilor la m.a.c. pentru

autoturisme.Fenolii sunt rău mirositori şi iritanţi, însă nivelul lor este mai scăzut decât nivelulemisiilor de aldehide.

3.3.1. MECANISMUL STINGERII FLĂCĂRII

Pereţii camerei de ardere, ca şi pereţii cilindrului, sunt scăldaţi în general delichidul de răcire şi ei absorb căldura de la amestecul gazos, ceea ce determinărecombinarea radicalilor liberi generaţi în flacără. Stingerea flăcării are loc într-omultitudine de configuraţii geometrice: flacăra se poate propaga normal, paralel sau subun anumit unghi la peretele camerei de ardere, flacăra se poate stinge la intrarea în

interstiţiile înguste cum ar fi zona dintre capul pistonului şi oglinda cilindrului.La stingerea flăcării rămâne nears sau parţial ars un strat subţire de combustibil.Suprafeţele chiulasei, pistonului, cilindrului, supape şi spaţiile înguste cum ar fi spreexemplul canalul primului segment.

Grosimea stratului de combustibil nears sau parţial ars este influenţată de o seriede factori cum ar fi: presiunea şi temperatura amestecului, densitatea acestuia, vitezade propagare a frontului de flacără, conductivitatea termică, prezenţa depozitelor, formasuprafeţelor şi temperatura pereţilor.

Studiile efectuate pe configuraţii simple reprezentate de două suprafeţe planeprintre care flacăra se poate propaga arată că distanţa este dată de "numărul Peclet".




f

2s pnn

2s

nf f

nf pnn

2k

dcu

d

TTk

TTcuPe

. (3.14)

Mărimile n, un, c p, T şi k sunt aproximativ constante pe gama de funcţionare a motoruluişi reprezintă densitatea, viteza laminară a flăcării, căldura specifică la căldură constantă,

temperatura, temperatura gazelor şi conductivitatea termică iar indicii n şi f se referă la condiţiileamestecului nears şi ale flăcării.

ds2 – distanţa dintre cele două suprafeţe.Se consideră că temperatura pereţilor este egală cu temperatura gazelor nearse.O corelaţia empirică între spaţiul dintre două suprafeţe a fost dezvoltată de Lavoiepentru utilizarea de hidrocarburi lichide şi pentru o gamă de presiuni cuprinse 0,3…4MPa.

, (3.15)

unde:

p - presiunea atmosferică; d - raportul combustibil / aer. În aceste condiţii se poate determina distanţa minimă între două suprafeţe princare flacăra se propagă.

Pentru stingerea flăcării la perete există mai multe posibilităţi geometrice. Celmai simplu model este atunci când frontul de flacără este paralel la perete. În condiţiileexistenţei unui singur perete, distanţa de stingere a flăcării d s1 se defineşte ca fiinddistanţa minimă până la care au loc reacţiile de ardere.

Numărul Peclet pentru un singur perete este dat de relaţia:

, (3.16)

Indicele n se referă la proprietăţile gazelor nearse.Dacă se utilizează temperatura peretelui ca reprezentând temperatura gazelor

arse se poate scrie următoarea relaţie:

2,0Pe

Pe

d

d

2

1

2s

1s . (3.17)

Pentru un motor cu aprindere prin scânteie distanţa de stingere a flăcării întredouă suprafeţe plate este cuprinsă între 0,2…1 mm, aceasta reprezintă distanţa minimă

în care flacăra se poate propaga. Distanţa minimă de stingere a flăcării le perete este

cuprinsă între 0,04…0,2 mm.Stingerea flăcării este un proces care se desfăşoară în două stadii. În primulstadiu, flacăra este stinsă la mică distanţă de perete, peretele rece prin preluare decăldură prin conducţie de la zona caldă de reacţie. Al doilea stadiu îl reprezintă difuziagazelor după stingerea flăcării şi oxidarea acestuia. Mai mult hidrocarburile care nu aufost oxidate în procesul primar de ardere vor fi oxidate pe durata cursei de destindere şide evacuare. Aceste procese diminuează nivelul hidrocarburilor emise şi datorateefectului de stingere al flăcării.

O altă sursă de emisii de hidrocarburi o constituie filmul de ulei. Acesta absoarbeo anumită cantitate de combustibil înainte de ardere, iar acest combustibil va fi eliberat

în gazele arse în timpul cursei de evacuare. În consecinţă f ilmul de ulei depus pe pereţiispaţiului de lucru al fluidului motor poate constitui o importantă sursă de emisii dehidrocarburi.




3.3.2. MECANISMUL CHIMIC DE FORMARE AL HIDROCARBURILOR NEARSE

Arderea hidrocarburilor în motorul cu ardere internă având ca rezultat finaldioxidul de carbon implică o serie de trepte elementare de oxidare care genereazăproduse intermediare de oxidare. Radicalii alchil (R ) sunt factori importanţi în

propagarea lanţului de radicali liberi şi sunt formaţi prin ruperea legăturilor de tipul C-Cşi C-H a hidrocarburilor. Oxigenul acţionează ca un radical dublu pentru a formaradicalul hidroperoxid (HO 2

).

2HOR OOHR . (3.18)

Radicalii alchil (R) reacţionează uşor cu oxigenul formând radical alchil peroxid.

22 ROOR . (3.19)

Acestea sunt treptele iniţ iale pentru a forma legături între oxigen şi hidrocarburi.Următoarele trepte implică un număr de reacţii ale radicalilor liberi combinate cu reacţiide dehidrogenare şi izomerizare, ca în sfârşit să se producă diferite forme de compuşiorganici oxigenaţi.

3.3.2.1. FORMAREA ALDEHIDELORRadicalul (RO2

) se combină cu hidrogenul care migrează în camera de arderedupă care se descompune în aldehide şi radicalul hidroxil.

OHRCHOHOOHRCOORCH 2

. (3.20)

Radicalul (RO) format în timpul descompunerii termice a peroxidului de tipulROOH dă aldehidă în cazul radicalului secundar prin spargerea legăturii C-C şi prinrearanjare se obţine relaţia

'' R RCHOCHORR , (3.21)

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

222 HORCHOOORCH . (3.22)

3.3.2.2. FORMAREA CETONELORCa şi în cazul reacţiei (3.20) radicalul secundar RO 2

este implicat în formareacetonelor

OHOCRR OOHRCCHOORR '' . (3.23)

Şi în acest caz radicalul terţiar este:

. (3.24)

3.3.2.3. FORMAREA ALCOOLILORRadicalii RO pot extrage hidrogen din hidrocarburi formând alcooli

'' R ROHHR RO . (3.25)




3.3.2.4. FORMAREA ACIZILOR ORGANICIRadicalul acil (RCO) se formează prin îndepărtarea hidrogenului şi direct din

descompunerea aldehidelor. Acest radical se descompune uşor dând CO şi un radicalliber de tipul R care se combină cu oxigenul dând un radical acid.

32 RCOORCO . (3.26)

Radicalul peroxid (RCO3), prin extragere de hidrogen din hidrocarburi, poate da

peracid. '

3

'

3 R HRCOHR RCO , (3.27)

Peracidul se poate descompune în radical carboxil (RCO 2):

OHRCOHRCO 23

, (3.28)

aceasta poate să extragă hidrogenul din hidrocarburi obţinându-se acidulcarboxilic

'

2

'

2 R HRCOHR RCO . (3.29)

3.3.3. PARTICULARITĂŢI ALE GENEZEI EMISIILOR DE HIDROCARBURI LA MAS.Emisiile de hidrocarburi la motoarele cu aprindere prin scânteie se situează între

1000…3000 ppm ceea ce reprezintă între 1…2,5 % din combustibilul introdus în cilindriimotorului. Nivelul emisiilor de hidrocarburi creşte rapid pe măsură ce amestecul se

îmbogăţeşte faţă de amestecul stoichiometric. Calitatea arderii se deteriorează în cazulamestecurilor sărace şi emisiile de hidrocarburi cresc datorită arderii sau lipsei arderiiunei fracţiuni din combustibilul introdus în ciclul motor.

Mecanismele formării emisiilor de hidrocarburi la motorul cu aprindere prinscânteie pot fi grupate în patru categorii:

1 - Stingerea flăcării la pereţii camerei de ardere;2 - Umplerea spaţiilor înguste cu amestec nears şi stingerea flăcării la intrarea în

aceste spaţii;3 - Absorbţia vaporilor de combustibil de către pelicula de ulei de pe oglinda

cilindrului pe timpul cursei de admisie şi compresie şi eliberarea acestor vapori pedurata curselor de destindere şi evacuare;

4 - Arderea incompletă a unei fracţiuni din combustibilul pe ciclu când arderea

este deteriorată de: dozaj, avans la aprindere, debit neadecvat de gaze arse recirculate. Acest proces fiind predominant la regimurile tranzitorii de funcţionare. În plus, depozitele de pe suprafeţele camerei de ardere pot determina creşterea

nivelului de hidrocarburi emise în gazele de evacuare, prin modificarea unuia dinmecanismele enumerate anterior

Toate aceste procese (exceptând lipsa arderii) provoacă hidrocarburi nearse înapropierea pereţilor camerei de ardere şi nu în întregul camerei de ardere. În acestecondiţii distribuţia hidrocarburilor în gazele de evacuare nu va fi uniformă.

Hidrocarburile nearse prezintă două vârfuri ale concentraţiei, primul corespundeevacuării libere când se evacuează masa principală a gazelor din cilindrul motorului, iarcel de al doilea vârf corespunde sfârşitului procesului de evacuare când debitul de gaze

arse este scăzut, însă concentraţia de HC este foarte ridicată datorită eliberării vaporilorde combustibil absorbiţi de pelicula de ulei.




3.3.3.1. STINGEREA FLĂCĂRII LA PEREŢI

Existenţa unui strat rece de amestec în camera de ardere a motorului cuaprindere prin scânteie a fost pusa în evidenţă prin fotografierea arderii. Imaginile

fotografice ale flăcării în regiunea imediată a pereţilor arată existenţa unui stratneradiant de căldură. Grosimea acestui strat este în jur de 0,05 la 0,4 mm. Prezenţaaldehidelor de tipul CH2O şi CH3CHO indică desfăşurarea unor procese de oxidare latemperaturi reduse. Concentraţia de hidrocarburi scade rapid în 2 ms după ajungereaflăcării deoarece hidrocarburile nearse difuzează în masa de gaze arse din camera deardere unde sunt oxidate. Creşterea concentraţiei de hidrocarburi mai târziu în cicluarată că acestea au o altă origine decât stratul rece.

Starea de rugozitate a suprafeţelor camerei de ardere influenţează nivelulconcentraţiei hidrocarburilor nearse. Cercetări experimentale au arătat că reducerearugozităţii cu 32% au contribuit la reducerea nivelului de hidrocarburi nearse cu 14%.Depozitele de pe pereţii camerei de ardere prezintă o influenţă asupra HC

asemănătoare rugozităţii pereţilor.3.3.3.2. INFLUENŢA INTERSTIŢIILOR

O sursă importantă de emisii a hidrocarburilor nearse o constituie interstiţiile cuintrare îngustă, la intrarea cărora flacăra se stinge. Spaţiul care prezintă un volumimportant este delimitat de capul pistonului, segmentul de foc şi oglinda cilindrului. Altespaţii înguste sunt: în jurul electrodului central al bujiei, spaţiul creat în jurul supapelorde admisie şi evacuare, spaţiul creat de garnitura de chiulasă.

Mecanismul de geneză este următorul: în timpul cursei de comprimareamestecul aer-combustibil este forţat să ocupe volumul acestor interstiţii. Interstiţiile au

un raport ridicat suprafată/volum ceea ce determină răcirea amestecului prin transfer decăldură la pereţi. În timpul arderii presiunea din camera de ardere continuă să creascăşi în volumul interstiţiilor continuă să intre hidrocarburi nearse. Amestecul reţinut înaceste interstiţii poate arde în întregime sau parţial prin pătrunderea flăcării în volumdacă intrarea este suficient de largă sau flacăra se poate stinge la intrarea în acesteinterstiţii. După sosirea şi stingerea flăcării o anumită cantitate de gaze arse poatepătrunde în aceste interstiţii până în momentul în care presiunea din cilindru începe săscadă. La scăderea presiunii din camera de ardere, o parte din amestecul de gazeprezente în aceste interstiţii se întorc în camera de ardere.

Dintre toate interstiţiile existente în camera de ardere, ponderea cea maiimportantă o prezintă spaţiul creat între capul pistonului, zona portsegmenţi şi cilindru

(tabelul 9.3). Acest interstiţiu este constituit dintr-o serie de volume conectate prinrestricţii ale debitului transversal datorate de spaţiile dintre segmenţi şi canalele dinpiston precum şi de mişcarea axială a segmenţilor prin aşezarea acestora pesuprafeţele inferioară şi superioară ale canalelor, care modifică geometria acestuispaţiu.

Cercetări experimentale au arătat că o fracţiune de 5 până la 10% din încărcătura din cilindru care este prinsă în intersti ţiul creat de piston şi cilindru esteexceptată proceselor de ardere primară. Pe parcursul cursei de destindere mai mult de50% din acest amestec se reîntoarce în cilindrul motorului neschimbat, deci amestecnears.



INGINERIA ŞI LEGISLAŢIA MEDIULUI 46Tabelul 3.3 – valori ale volumelor interstiţiilor

(măsurători efectuate le rece pentru un MAS)

Volumul interstiţiilor 10-6 [m3] %Cilindree 632 -Volumul camerei de ardere 89 100

Volumul deasupra primului segment 0,93 1,05Volumul în spatele primului segment 0,47 0,52Volumul între segmenţii 1 şi 2 0,68 0,77Volumul în spatele celui de al doilea segment 0,47 0,52Interstiţiul total al segmenţilor 2,55 2,9Volumul interstiţiului bujiei 0,25 0,28Volumul interstiţiului garniturii chiulasei 0,3 0,34Total volum interstiţii 3,1 3,5

Se apreciază pe baza studiilor că aranjamentul segmenţilor pe piston poate

contribui cu aproximativ 80 % din totalul emisiilor de hidrocarburi, interstiţiul creat degarnitura de chiulasă cu 13 % şi bujia cu 5 %, celelalte interstiţii cu 2 %.

Prin micşorarea volumului creat de piston, segmenţi şi cilindru se pot obţinereduceri ale hidrocarburilor nearse cu 47 până la 74% pe toată gama de turaţii şi sarcinide funcţionare ale motoarelor.

O parte din hidrocarburile nearse din volumul creat de piston, segmenţi, cilindruscapă către carterul motorului de unde sunt captate şi reintroduse în camera de ardere(tabelul 3.4).

Localizarea fantei segmentului faţă de bujie poate influenţa nivelul emisiilor dehidrocarburi. Experimental s-a determinat că nivelul de hidrocarburi nearse este maimare cu cât fanta segmentului de foc este mai îndepărtată de bujie, diferenţa dintre ceamai mică şi cea mai mare valoare de hidrocarburi este cuprinsă între 9 şi 42 % dinnivelul mediu de emisii de hidrocarburi pentru un anumit regim de funcţionare, iar încele mai multe cazuri poziţia fantei contribuie cu peste 20%.

Tabelul 3.4 – efectul interstiţiilor asupra hidrocarburilor nearseMasa gazelor nearse care intră şi ies din interstiţii % ppmMasa totală a gazelor din interstiţii 8,2Masa totală a gazelor reîntoarse în camera deardere

7,0

Gaze nearse întoarse în camera de ardere 3,7-7* 5000-9400Gaze nearse scăpate în carter 0,5-1,2*

Masa gazelor arse în procesul primar de ardere 4,2-8,2*

Cercetări efectuate pe un motor V6 la 2200 min -1 şi clapeta complet deschisă.* Depinde de poziţia dintre fanta primului segment şi bujie.

3.3.3.3. INFLUENŢA ABSORBŢIEI ŞI DESORBŢIEI DE HC DE CĂTRE PELICULADE ULEI

Se cunoaşte faptul că nivelul emisiilor de hidrocarburi creşte o dată cu prezenţauleiului în combustibil sau pe pereţii camerei de ardere.

Experimental s-a constatat creşterea concentraţiei de hidrocarburi lafuncţionarea în timp la acelaşi regim de funcţionare, această creştere a fost sporită deprezenţa uleiului pe capul pistonului.

În cazul în care uleiul se adaugă la combustibil, emisiile de hidrocarburi cresc înfuncţie de cantitatea de ulei. În cazul în care adaosul de ulei reprezintă 5%, emisiile dehidrocarburi se pot dubla sau tripla în 10 minute de funcţionare iar adaosul a 0,6 10-6




[m3] de ulei pe capul pistonului creşte nivelul de hidrocarburi din gazele de evacuare cuaproximativ 1000 ppm.

Mecanismul absorbţiei şi desorbţiei se desfăşoară după următorul algoritm: întimpul admisiei în cilindrii motorului pătrunde o cantitate de vapori de combustibil, filmul

de ulei care acoperă pereţii spaţiului de lucru sunt saturaţi cu vapori de hidrocarburi lapresiunea mediului ambiant. În cursa de comprimare, presiunea vaporilor decombustibil creşte, aşa că procesul de absorbţie a vaporilor de combustibil va continua,chiar dacă în cursa de admisie uleiul a fost saturat cu vapori de combustibil (legea luiHenry). În timpul procesului de ardere concentraţia vaporilor de combustibil în masagazelor din cilindru scade către zero, aşa că vaporii de combustibil vor fi desorbiţi dinpelicula lichidă de ulei în masa produselor de ardere. Desorbţia va continua peparcursul destinderii şi evacuării.

O parte a vaporilor desorbiţi sunt amestecaţi cu produse de ardere cutemperatură ridicată şi sunt oxidaţi. O altă parte rămâne în stratul limită rece sau seamestecă cu gazele arse mai reci mai târziu în ciclul motor şi pot scăpa procesului

arderii complete, ceea ce conduce la creşterea emisiilor de HC nearse.Creşterea nivelului de HC în gazele de evacuare este proporţională cusolubilitatea combustibilului în ulei. Acest efect nu a fost observat la combustibilii gazoşicare sunt practic insolubili în ulei.

Temperatura uleiului influenţează invers proporţional solubilitatea vaporilor decombustibil în ulei. Aceasta este explicaţia unei concentraţii mărite de HC în gazelearse la pornirea motorului şi la funcţionarea la rece a acestuia.

Prezenţa unor cantităţi sporite de ulei în camera de ardere, la creştereaconsumului de ulei amplifică emisiile de HC din gazele arse. Utilizarea unor segmenţide ungere adecvaţi poate limita nivelul emisiilor de HC datorat absorbţiei-desorbţieivaporilor de combustibil de către ulei.

Utilizarea unor uleiuri sintetice cu un efect solvent scăzut poate reduceparticiparea uleiului la emisiile de hidrocarburi nearse. Altă măsură se referă la a realizao răcire direcţionată: capul pistonului să fie răcit normal iar cilindrul să fie răcit lavaloarea temperaturii suportabile de pelicula de ulei.

3.3.3.4. INFLUENŢA CALITĂŢII ARDERII

Una din sursele emisiei de HC o constituie stingerea flăcării în camera de ardere, înainte ca frontul acesteia să atingă pereţii camere, la anumite regimuri de funcţionare.Flacăra se poate stinge dacă presiunea şi temperatura scad rapid. Asemenea condiţii

apar la mersul în gol încet şi la sarcini mici, când turaţia motorului este scăzută, iarcantitatea de gaze arse este mare sau amestecul este diluat cu gaze arse recirculate şiaprinderea amestecului este întârziată. Chiar dacă în regim stabilizat flacăra nu sestinge, la anumite regimuri tranzitorii poate apărea fenomenul de stingere a flăcării.

Răcirea unei fracţiuni din cantitatea de gaze datorită unei arderi neadecvate,devine o sursă importantă de emisii de HC nearse.

Îmbunătăţirea calităţii arderii se poate realiza prin utilizarea a două bujii când seutilizează o recirculare înaltă de gaze pentru a reduce emisiile de NO x.

În figura 3.5 se prezintă o comparaţie între emisiile de HC pentru o ratămoderată (2) şi o rată rapidă (1) de ardere.



INGINERIA ŞI LEGISLAŢIA MEDIULUI 48Fig. 3.5 Influenţa vitezei de ardere şi a debitului de gaze arse recirculate asupra emisiei

de HC.

3.3.3.5. INFLUENŢA DEPOZITELOR DIN CAMERA DE ARDERE

Depozitele de pe pereţii camerei de ardere produc o creştere a emisiilor dehidrocarburi nearse. Utilizarea benzinelor aditivate cu compuşi ai plumbului determină o

creştere a emisiilor de HC cu o pondere cuprinsă între 7 şi 20 %. Eliminarea depozitelorde pe pereţii camerei de ardere readuce nivelul de emisii de HC nearse aproape denivelul motorului curat. Utilizarea unor benzine neaditivate cu compuşi ai plumbuluiprovoacă depuneri cu o compoziţie diferită, care determină o creştere a emisiilor dehidrocarburi comparabilă cu cea determinată de creşterea numărului de ore defuncţionare a motorului. Depozitele de funingine care apar la funcţionarea motorului cuamestec bogat determină de asemenea creşterea emisiilor de hidrocarburi nearse dingazele de evacuare.

Mecanismul de acţiune al depozitelor este asemănător desorbţiei şi desorbţieipeliculei de ulei.

Depozitele din interstiţii provoacă micşorarea volumului acestora şi atunciponderea HC datorate acestora va scădea dar în acelaşi timp pot afecta răcirea flăcăriiavând ca efect creşterea emisiilor de hidrocarburi nearse.

3.3.3.6. INFLUENŢA MECANISMULUI DE TRANSPORT AL HIDROCARBURILOR

Toate sursele de generare a hidrocarburilor nearse analizate privesc pereţiicamerei de ardere. O parte din gazele arse aflate în interstiţii sunt transportate în gazelearse în timpul destinderii şi evacuare, iar o parte importantă rămân în vecinătateapereţilor. Eliminarea hidrocarburilor rămase lângă pereţi se realizează prin douăprocese, primul constă în eliminarea forţată datorită procesului de evacuare iar cel de-al

doilea prin mişcarea de vârtej creată la sfârşitul cursei de evacuare. În figura 3.6 se prezintă plasarea hidrocarburilor nearse la începutul procesuluide evacuare liberă. La acest moment hidrocarburile din volumul creat de interstiţiulpiston, segmenţi şi cilindru s-au plasat într-o zonă din proximitatea peretelui cilindrului,

în cursa de destindere (posibil hidrocarburi rezultate din desorbţia vaporilor decombustibil din filmul de ulei). O parte din aceste hidrocarburi vor fi antrenate spreevacuare de către masa gazelor arse care părăsesc cilindrul pe parcursul evacuăriilibere, o altă parte va fi împinsă spre evacuare în mod forţat.

La sfârşitul cursei de evacuare datorită poziţiei supapei de evacuare se creeazăun vârtej care conţine aproximativ jumătate din concentraţia de hidrocarburi nearse şicare facilitează evacuarea acestora, aşa se explică vârful din concentraţia emisiilor de

hidrocarburi de la sfârşitul procesului de evacuare.




Fig. 3.6 Plasarea hidrocarburilor nearse în timpul cursei de evacuare .

Măsurători ale nivelului de hidrocarburi nearse în gazele reziduale au arătat căacestea au de 11 ori concentraţia medie din gazele de evacuare iar la sarcini parţiale seconsideră că numai 50% din hidrocarburi sunt evacuate.

3.3.3.7. INFLUENŢA POSTARDERII HIDROCARBURILOR

Hidrocarburile care scapă procesului de ardere primar printr-un mecanismdescris anterior nu ajung în totalitate în evacuare, deoarece o parte se amestecă cu

gazele de temperatură ridicată; în timpul destinderii, temperatura creşte şi apareprocesul de oxidare. Oxidarea hidrocarburilor nearse din stratul limită al pereţilorcamerei de ardere are loc într-un interval de 1 ms de la stingerea flăcării. Cauza oconstituie grosimea redusă a acestui strat, care determină o difuzie rapidă ahidrocarburilor în masa de gaze arse cu temperatură ridicată. Măsurători aleconcentraţiei de hidrocarburi din cilindru în acest interval arată o concentraţie de 1,5până la 2 ori mai mare decât nivelul mediu din evacuare. Hidrocarburile nearse dingazele de evacuare sunt un amestec de compuşi ai hidrocarburilor combustibililor,produse rezultate în urma reacţiilor de piroliză şi de oxidare parţială.

Proporţia relativă de combustibil comparată cu compuşii de reacţie aihidrocarburilor variază continuu cu condiţiile de funcţionare ai motorului, valoarea medie

a compuşilor de reacţie a hidrocarburilor pentru un autoturism reprezintă 40%. Reacţiileparţiale ale HC sunt produse în procesul de răcire a flăcării în imediata vecinătate agazelor arse de înaltă temperatură şi este de aşteptat să se desfăşoare un proces rapidde amestecare şi de oxidare a acestor produşi.

Aşa că, o mare parte din HC din gazele de evacuare sunt produşi ai reacţiilor depostardere. Evident că în sistemul de evacuare se desfăşoară reacţii de oxidare aacestor hidrocarburi. În cilindru temperaturile gazelor sunt ridicate şi amestecarea HCnearse limitează reacţiile de oxidare mai puternic decât cinetica acestor reacţii.

Pentru descrierea arderii acestor hidrocarburi s-a dezvoltat o relaţie empiricăcare descrie rata de oxidare.

dt

HCd

HC

11

HC

, (3.30)



INGINERIA ŞI LEGISLAŢIA MEDIULUI 50unde:HC timpul caracteristic de reacţie

TR

p

T

735,18exp107,6

dt

HCd2OHC

15 , (3.31)

în care:[HC] concentraţia în moli/cm3; HC fracţiunea de moli de HC; O2 fracţiunea de moli de O2; t timpul în secunde;

T în grade Kelvin; P / RT în moli/cm3;

Temperatura gazelor din cilindru la începutul evacuării libere depăşeşte îngeneral 1250 [K], timpul caracteristic de reacţie HC este mai mic de 1 ms. Pe timpulevacuării forţate temperatura gazelor din cilindru scade rapid la valori inferioare la 1000[K]; în aceste condiţii timpul caracteristic de reacţie HC este mai mare de 50 ms.

Studii experimentale pe cazuri simulate au arătat că hidrocarburile reţinute îninterstiţii pot fi oxidate complet prin amestec cu gazele arse numai dacă acestea au

temperaturi superioare a 1400 [K]. În aceste condiţii este de aşteptat ca o parte dinhidrocarburile din interstiţii şi desorbite din pelicula de ulei să suporte oxidări parţiale.Probabil jumătate din aceste hidrocarburi sunt oxidate în cilindrul motorului.

Prin injecţia de aer în zona porţii supapei de evacuare, se asigură oxigenulnecesar desfăşurării unor reacţii de oxidare. Pentru a oxida hidrocarburile din fazagazoasă pe durata a 50 ms sau mai mare este necesară o temperatură de depăşeşte300 [C]. Temperatura medie din cilindru pe timpul evacuării (la nivelul supapei deevacuare) este de peste 800 [C] iar temperatura medie a gazelor la nivelul porţiisupapei de evacuare este de peste 600 [C].

Cantitatea de hidrocarburi nearse existente în cilindru şi care ajung la sistemul deevacuare variază de la câteva procente şi 40 %. Condiţiile de funcţionare care dau cele

mai înalte temperaturi ale gazelor de evacuare sunt amestec stoichiometric, turaţiiridicate, avans mic la aprindere şi raport de comprimare redus şi valori ridicate aletimpului caracteristic de reacţie dau şi cel mai ridicat procentaj de reducere a HCnearse. Întârzierea la aprindere provoacă creşterea temperaturii gazelor arse p e timpulevacuării ceea ce favorizează post combustia HC nearse. Întârzierea la aprindereprovoacă creşterea temperaturii gazelor arse pe timpul evacuării ceea ce favorizeazăpost combustia HC nearse.

Oxidarea secundară a hidrocarburilor se poate obţine şi prin diminuareapierderilor de căldură la supapa de evacuare şi la colectorul de evacuare, de exempluprin acoperirea cu material ceramic.

În tabelul 3.5 se prezintă diferiţii factori care contribuie la formareahidrocarburilor nearse şi emisia lor în gazele de evacuare ale motoarelor cu aprindereprin scânteie.

Tabelul 3.5 Factori care influenţează formarea şi evacuarea HC nearse

1. Formarea HC 2. Amestecarea şi arderea în cilindru

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

a) Rata de amestec cu gazele arse dincamera de ardere

1. Turaţia2. Raportul de vârtej3. Forma camerei de ardere




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

b) Temperatura gazelor arse pe duratadestinderii şi evacuării

1. Turaţia2. Avansul la aprindere3. Compoziţia amestecului

4. Raportul de comprimare5. Pierderile de căldură prin pereţi

c) Arderea incompletă1. Rata arderii2. Compoziţia amestecului3. Sarcina4. Avansul la aprindere

c) Concentraţia de oxigen din gazele arse1. Raportul echivalent

d) Pereţii camerei de ardere1. Depozite2. Rugozitatea pereţilor

d) Temperatura pereţilor1. Importanta daca sursa de HC este

lângă perete2. Importanta depinde geometria

interstiţiilor

3. Fracţiunea de HC care părăseştecilindrul

4. Oxidarea în sistemul de evacuare

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

supapelor5. Turaţia

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

evacuare

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

2. Mărimea supapei de evacuare şilocalizarea acesteia

3. Forma camerei de ardere4. Raportul de comprimare5. Turaţia

b) Concentraţia de oxigen1. Raportul echivalent2. Debitul de aer secundar şi punctul de

adiţionare

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

sistemului de evacuared) Reactori de evacuare

1. Catalizator de oxidare2. Catalizator cu trei căi3. Reactor termic

3.3.4. PARTICULARITĂŢI ALE GENEZEI EMISIILOR DE HIDROCARBURI LA MAC

Procesele de formare a amestecului şi arderea în motorul cu aprindere princomprimare prezintă diferenţe faţă de motorul cu aprindere prin scânteie şi secaracterizează prin faptul că procesul de formare a amestecului se desfăşoară în

cilindrii motorului, şi se suprapune parţial cu procesul de ardere. Datorită faptului căinjecţia are loc la sfârşitul cursei de comprimare, timpul cât amestecul rămâne în



INGINERIA ŞI LEGISLAŢIA MEDIULUI 52camera de ardere este mult mai scurt iar mecanismele de formare a HC nearse suntdiferite.

Combustibilii pentru motoarele Diesel conţin hidrocarburi cu puncte de fierberemai ridicate, precum şi greutăţi moleculare mai mari decât hidrocarburile din compoziţiabenzinelor. De asemenea, pe parcursul procesului de ardere se formează o serie decompuşi în urma reacţiilor de piroliză. Atunci, compoziţia hidrocarburilor nearse şi parţial

oxidate din evacuarea motoarelor Diesel este mult mai complexă decât la motorul cuaprindere prin scânteie şi acoperă o gamă mai largă ale mărimii moleculelor. Arderea în motorul Diesel se poate împărţi în patru stadii:1. Întârzierea la autoaprindere definită ca durata scursă din momentul începerii

procesului de injecţie până la iniţierea aprinderii;2. Arderea amestecurilor preformate sau faza arderii rapide, pe parcursul căreia

arde amestecul format în timpul întârzierii la autoaprindre;3. Faza arderii controlate are un caracter moderat şi pe parcursul ei rata arderii

depinde de rata formării amestecului aer-combustibil în limitele deinflamabilitate;

4. Faza postarderii în care degajarea de căldură continuă într-o rată mult mai

scăzută decât în fazele anterioare, aceasta fiind generată de amestecareagazelor reziduale combustibile cu excesul de oxigen, într-o cinetică a reacţiilormult diminuată.

Există două căi primare prin care hidrocarburile să evite procesul de oxidare.Primul se referă la faptul că amestecul aer-combustibil, poate să fie prea sărac să seautoaprindă sau ca frontul de flacără să se propage. În cel de-al doilea caz în procesulde ardere primar amestecul aer-combustibil este prea bogat să se aprindă sau caflacăra să se propage. Acest combustibil nears poate fi oxidat numai prin reacţii slabede oxidare în cursa de destindere după amestecarea lor cu aerul adiţional. Deci,hidrocarburile rămân neconsumate datorită incompletei amestecări sau răcirii procesuluide oxidare.

În figura 3.7 se prezintă schematic procesele care conduc la produse ale arderiiincomplete.

Fig. 3.7 Schematizarea proceselor care conduc la ardere incompletă




Combustibilul injectat în timpul întârzierii la autoaprindere ( ) se va amestecacu aerul producând amestecuri aer-combustibil într-o gamă largă de dozaje. O parte dincombustibil se amestecă rapid cu aerul la dozaje foarte sărace depăşind limita deardere, o parte se amestecă în dozaje aflate în limitele de inflamabilitate, iar o parte vor

fi amestecuri prea bogate pentru ca să ardă. Amestecurile foarte sărace nu se pot autoaprinde şi nici nu permit propagareaflăcării în condiţiile de stare din cilindru (o parte din aceste amestecuri pot arde maitârziu dacă se amestecă cu produse de ardere de înaltă temperatură, la începutulcursei de destindere).

Amestecurile preformate vor arde acolo unde condiţiile locale sunt mai favorabileautoaprinderii. Dacă flacăra nu este răcită de stratul limită termic, sau nu se amestecărapid cu aerul, se va consuma întreaga cantitate de amestec. Arderea amestecurilorfoarte bogate depinde de amestecarea ulterioară cu aerul, la începutul cursei dedestindere.

În acest stadiu al arderii din toate mecanismele de formare a hidrocarburilor

nearse, predominantă rămâne existenţa amestecurilor foarte sărace.Pentru combustibilul injectat după perioada de întârziere la autoaprindere (fig.

3.7b) prin rapida amestecare cu aerul a combustibilului, sau a produşilor de piroliză,rezultă o ardere completă. În cazul în care procesul de amestecare cu aerul acombustibilului sau produşilor de piroliză este slab, rezultă amestecuri foarte bogate,sau reacţiile de ardere sunt răcite, ceea ce determină apariţia în gazele de evacuare aproduşilor de ardere incompletă, produşi de piroliză şi a combustibilului nears.

Nivelul emisiilor de hidrocarburi la motorul Diesel variază într-o gamă foartelargă, în funcţie de condiţiile de funcţionare ale motorului şi pentru un anumit regim defuncţionare unul din mecanismele de formare a HC devine predominant.

Funcţionarea motorului la relanti şi la sarcini mici produce emisii de HC mai maridecât la funcţionarea motorului la sarcină plină.

Emisiile de HC cresc substanţial cu depăşirea dozei optime de combustibil peciclu. La sarcini mici sursa de HC o constituie existenţa amestecurilor supersărace.

Subamestecarea, având ca rezultat amestecuri superbogate în timpul arderii,este mecanismul prin care combustibilul care rămâne în sacul pulverizatorului, scapăprocesului de ardere, provocând intense emisii de HC.

Temperatura pereţilor poate afecta emisiile de HC prin răcirea flăcării la pereteprovocând fie arderea incompletă fie lipsa aprinderii.

3.3.4.1. INFLUENŢA AMESTECURILOR SUPERSĂRACE ASUPRA EMISIILOR DEHC

Începutul procesului de injecţie a combustibilului în camera de ardere este însoţitde amestecul local al combustibilului cu aerul aflat în mişcare (organizată şineorganizată). O anumită cantitate de combustibil se amestecă cu aerul într-un dozajsupersărac în afara limitei de inflamabilitate, cantitate care creşte în timp. În figura 3.8se prezintă distribuţia dozajului în jetul de combustibil în momentul autoaprinderii.

Autoaprinderea se va produce în zona cu amestec uşor mai sărac decâtamestecul stoichiometric. Există cazuri când, în jetul de combustibil, există numai douăzone de amestec bogat şi amestec sărac, care nu se pot autoaprinde, sau nu permit

propagarea frontului de flacără. Aceste amestecuri pot fi oxidate prin reacţii termice deoxidare lente care vor fi incomplete.




Fig. 3.8 Distribuţia do-zajului în jetul de com-bustibil în momentulautoaprinderii

În aceste regiuni vor exista produse ale descompunerii combustibilului, produse deoxidare parţială şi combustibil nears, o parte din aceste produse vor fi evacuate înaceeaşi stare. Cantitatea de hidrocarburi nearse din aceste regiuni cu dozaj supersăracdepinde de cantitatea de combustibil injectată pe durata întârzierii la autoaprindere, ratade amestec cu aerul în această perioadă şi condiţiile din cilindru care influenţeazăautoaprinderea. Emisiile de HC nearse se pot corela cu mărimea duratei de întârziere laautoaprindere (fig. 3.9).

Fig. 3.9 Corelaţia dintre nivelul emisiilorde hidrocarburi nearse şi durata

întârzieri i la autoaprindere.

3.3.4.2. INFLUENŢA AMESTECURILOR SUPERBOGATE ASUPRA EMISIILOR DE

HC

Emisiile de hidrocarburi datorate amestecurilor superbogate au două surseprincipale. Prima sursă o constituie curentul de combustibil care părăseşte mai târziupulverizatorul în timpul procesului de ardere şi care se caracterizează prin viteze

scăzute. Principala sursă o constituie volumul sacului pulverizatorului. Tot în aceastăsursă poate fi inclusă şi post injecţia (deschiderea necontrolată a pulverizatorului). Adoua sursă o constituie excesul de combustibil care invadează camera de ardere.




Fig. 3.10 Variaţia emisiilor de HC în funcţie de volumul sacului pulverizatorului.

La sfârşitul procesului de injecţie sacul pulverizatorului este plin cu combustibil. În timpul procesului de ardere şi în cursa de destindere acest combustibil este încălzit,se vaporizează şi intră în cilindru cu viteză redusă prin orificiile de pulverizare. Aceştivapori de combustibil (probabil şi picături grosolane) se amestecă relativ lent cu aerul şipot scăpa procesului primar de ardere. În figura 3.10 se prezintă emisiile de HC la

întârzierea de autoaprindere minimă în funcţie de volumul sacului pulverizatorului şi seconstată o bună corelare.

Extrapolarea către emisia de HC zero arată că şi combustibilul aflat în orificiile de

pulverizare au o contribuţie asupra emisiilor de HC. S-a demonstrat faptul că în gazelede evacuare nu se regăseşte întreaga cantitate de combustibil aflată în saculpulverizatorului.

De exemplu, în figura 3.10 se arată că, la un volum de 1 mm 3 al sacului, emisiilesunt de 350 ppm HC, pe când 1 mm 3 de combustibil dă 1660 ppm HC. Această situaţiepoate fi explicată prin faptul că sacul nu este umplut complet sau că fracţiunile cu punctridicat de fierbere nu părăsesc sacul pulverizatorului, iar, pe de altă parte, că o anumităcantitate din aceste hidrocarburi sunt oxidate în destindere şi evacuare. Aceeaşitendinţă, însă la un nivel mai redus, se constată la motoarele Diesel cu camerăcompartimentată.

La motoarele Diesel cu injecţie directă emisia de fum limitează dozajulcombustibil-aer la un raport de 0,7. La sarcini mici, injecţia combustibilului cu vitezereduse pot determina o insuficientă amestecare a combustibilului cu aerul şi amesteculpoate să rămână local în dozaje bogate. În condiţii tranzitorii de funcţionare, laaccelerare, poate să apară injecţia excesivă de combustibil, care determină localamestecuri bogate, cu toate că, la nivel global, amestecul este sărac. Un dozaj carelocal depăşeşte dozajul de 0,9 determină întotdeauna creşterea emisiilor de HC (fig.3.11).




Fig. 3.11 Influenţa sarcinii asupra emisiei deHC, la motoarele Diesel cu injecţie directă.

Aceeaşi tendinţă se manifestă şi la motoarele Diesel cu injecţie indirectă. Acestmecanism nu este semnificativ la condiţiile normale de funcţionare dar poate contribui lacreşterea emisiilor de HC la accelerare, dar produce emisii mai mici decâtsuprasărăcirea amestecului de la mersul la relanti şi sarcini mici ale motorului.

3.3.4.3. INFLUENŢA RĂCIRII LA PERETE ŞI LIPSA ARDERII ASUPRA EMISIILOR DEHC

Asemănător motorului cu aprindere prin scânteie, răcirea amestecului la peretepoate fi o sursă de emisii de HC. S-a demonstrat că prin creşterea temperaturii uleiuluişi lichidului de răcire de la 40 la 90 [ C] la motorul Diesel cu injecţie directă, emisiile deHC s-au redus cu 30 %.

Răcirea flăcării la perete poate deveni o sursă importantă de emisii de HCdepinzând de gradul de impact al jetului de combustibil la pereţii camerei de ardere.

Variaţia procesului de ardere de la ciclu la ciclu este mult mai pronunţată lamotorul Diesel faţă de motorul cu aprindere prin scânteie la condiţii nefavorabile aleciclului cum ar fi nivel scăzut al presiunii şi temperaturii la sfârşitul cursei de compresieprecum şi la micşorarea avansului la injecţie. În aceste condiţii există variaţiisubstanţiale ale emisiilor de HC de la ciclu la ciclu.

La limită dacă lipseşte arderea pe o porţiune a ciclului de funcţionare, pondereaemisiilor de HC creşte cu fracţiunea de amestec nears. Lipsa completă a arderiiconduce la apariţia ˝fumului alb˝ format din vapori şi picături de combustibil, situaţie

care poate apărea la pornirea la rece a motorului Diesel.

3.4. FORMAREA EMISIILOR DE PARTICULE

3.4.1. FORMAREA EMISII DE PARTICULE LA MAS

La motorul cu aprindere prin scânteie se disting trei clase de particule: plumb,sulfaţi şi particule organice (incluzând funinginea).

Pentru motoarele de automobil care funcţionează cu combustibili aditivaţi cu

compuşi ai plumbului (tetrametil de plumb sau tetraetil de plumb), rata de emisii deplumb este cuprinsă între 100 şi 150 mg/km, la un grad de aditivare de 0,15 g/l Pb.

Aceste particule sunt dominate de compuşi ai plumbului, din masa total emisă 25 până




la 60 % este plumb. Emisiile sunt substanţial mai ridicate la funcţionarea motoruluiimediat după pornirea la rece. Mărimea particulelor formate în cilindru este cuprinsă

între 0,2 şi 2 m. O mare parte din aceste particule cresc în evacuare datorităcondensării fazei de vapori, iar o altă parte este evacuată aşa cum s-a format.

În gazele evacuate apare numai o fracţiune de 10-50 % din cantitatea de plumbintrodusă în combustibil, restul rămâne în depozite pe pereţii camerei de ardere şi aisistemului de evacuare.

Emisiile de sulfaţi privesc în principal autovehiculele echipate cu catalizator deoxidare. Benzinele conţin 150 până la 600 ppm de sulf care, prin oxidare în motor, setransformă în dioxid de sulf (SO2). Dioxidul de sulf poate fi oxidat în catalizatorul deoxidate la SO3 care se combină apoi cu apa la temperatura mediului ambiant, rezultândacidul sulfuric sub formă de aerosol.

Nivelul emisiilor de sulfaţi depinde de conţinutul în sulf al combustibilului,condiţiile de funcţionare ale motorului şi sistemul catalitic utilizat. Rata tipică a emisiilorde sulfaţi este de 20 mg/km sau mai redusă.

Utilizarea benzinelor neaditivate reduce emisia de particule la aproximativ 20mg/km. Aceste particule sunt formate din materiale organice solubile. Emisia defuningine poate rezulta ca efect al utilizării unor amestecuri foarte bogate. Se remarcăfaptul că emisia de funingine, la motorul cu aprindere prin scânteie, nu constituie oproblemă semnificativă.

3.4.2. FORMAREA EMISIILOR DE PARTICULE LA MAC

Motorul cu aprindere prin comprimare, datorită compoziţiei combustibilului utilizat

şi particularităţilor proceselor din cilindru, este susceptibil la emisii de particule în gazelede evacuare.Particulele generate de motorul Diesel pe timpul arderii sunt compuşi ai

materialelor carbonoase (funingine), care au absorbit fracţiuni organice solubile,acestea constând din molecule condensate pe funingine, în faza imediat următoarearderii şi care ele însele pot constitui precursori ai formării funinginii. Fracţiunileorganice solubile conţin esteri, aldehide, lactone, eteri, acizi organici şi hidrocarburiaromatice policiclice, însoţite de derivaţi ai azotului şi oxigenului. La aceste fracţiuni sepot adăuga câţiva derivaţi anorganici (SO2, NO2, sulfaţi).

Compoziţia particulelor depinde în principal de condiţiile de funcţionare alemotorului şi, în particular, de temperatura de evacuare. La temperaturi ale gazelor arse

de peste 500 [C] particulele sunt agregate sferice de funingine, cu mici proporţii dehidrogen, având dimensiuni cuprinse între 15 şi 30 nm. Sub acest nivel de temperaturăparticulele sunt acoperite cu fracţiuni organice solubile (SOF).

Pe parcursul evacuării mărimea particulelor creşte prin mărirea volumului cucompuşi ai hidrocarburilor polinucleare aromatice (PAH), condensati pe particule, dinvaporii de compuşi organici prezenţi în gazele arse.

Particulele de funingine se produc din carbonul conţinut în combustibil şiconcentraţia acestora depinde de tipul combustibilului, numărul de atomi de carbon dinmolecule şi raportul carbon/hidrogen. Procesul începe cu molecule având 12 la 22atomi de carbon şi un raport carbon/hidrogen în jurul lui 2; micile sfere de funingineformate conţin aproximativ 105 atomi de carbon cu un raport C/H=0,1.

Arderea în motorul Diesel este un proces complex, datorat presiunilor şitemperaturilor ridicate, compoziţiei combustibilului, amestecării turbulente, naturiinestaţionare a proceselor şi geometriei tridimensionale, care determină interpretarea



INGINERIA ŞI LEGISLAŢIA MEDIULUI 58dificilă a genezei funinginii. Cele mai multe informaţii ale principiilor de formare afuninginii în procesul de ardere s-au efectuat în flacăra amestecurilor preformate şi înflacăra difuzivă în bombe de încercare.

Formarea particulelor prin polimerizarea şi piroliza picăturilor lichide este practicinexistentă la arderea în motorul Diesel.

Funinginea se formează la arderea în motorul cu aprindere prin comprimare la

temperaturi cuprinse între 1000 şi 2800 [K] şi presiuni de 5-10 MPa, cu un exces de aercare să permită arderea întreagii cantităţi de combustibil introdusă pe ciclu. La ardereadifuzivă, funinginea se formează în intervalul de temperatură 2000-2400 [K] cu unmaxim la 2100 [K], în afara acestei game de temperatură funinginea se formează încantităţi neglijabile. Timpul disponibil pentru formarea particulelor solide de funingine,din fracţiunile de combustibil, este de numai câteva milisecunde. Aerosolul rezultat, fazasolidă dispersată în gaze, poate fi caracterizată prin suma totală a fazei condensate(exprimată prin fracţia volumică a funinginii Fv, ca raport între volumul funinginii/volumtotal), numărul particulelor de funingine pe unitatea de volum (N) şi mărimea particulelor(exemplu: diametrul mediu al particulelor, d). Mărimile Fv, N şi d sunt dependente(pentru particule sferice Fv=(/6) N d3) şi fiecare din cele două variabile

caracterizează sistemul. Ca variabile independente se consideră N şi Fv, pentru căfiecare se referă la un stadiu de formare al funinginii (N – generarea particulelor defuningine; Fv – creşterea particulelor de funingine).

Stadiile de formare a funinginii pot fi descrise în modul următor.a) Formarea particulelor, unde puncte materiale ale fazei condensate cresc din

moleculele de combustibil prin produsele de oxidare şi/sau de piroliză. Acesteproduse, în mod tipic, includ hidrocarburi nesaturate, în particular acetilenăsau analogii superiori (C2nH2) şi hidrocarburi aromatice policiclice (PAH).

Aceste două tipuri de hidrocarburi sunt considerate ca fiind precursoriifuninginii în flacără. Reacţiile de condensare din faza gazoasă a acestor douăspecii de molecule conduc la apariţia primelor particule de funinginerecognoscibile (numite nuclee). Aceste prime particule, cu dimensiuni foartemici (d de ordinul nanometrilor), se formează într-un număr foarte mare şi

încarcă în mod neglijabil cu funingine regiunea de formare.

b) Creşterea particulelor, stadiu care include creşterea suprafeţei, coagularea şiagregarea. Creşterea suprafeţelor particulelor aflate în încărcătură are locprin ataşarea speciilor moleculelor în faza gazoasă la suprafaţa nucleelor şiapoi sunt înglobate în faza solidă.

În figura 9.12 se prezintă greutatea moleculelor pe scară logaritmică în funcţie defracţiunea de moli de hidrogen h, de unde se pot indica punctele importante aleacestui proces.




Fig. 3.12 Variaţia masei molare a componentelor în funcţie de fracţiunea de atomi dehidrogen

Se poate observa că moleculele cu h 0,5 şi, parţial, lanţul de poliacetilene cuhidrocarburi policiclice aromatice cu h cuprins în gama 0,1-0,2, nu contribuie lamărirea particulelor de funingine. Creşterea particulelor este determinată decondensarea moleculelor cu un conţinut corespunzător de hidrogen sau de

condensarea acelor specimene de molecule cu un conţinut mai ridicat de hidrogenurmat de un proces de hidrogenare sau o combinaţie a acestor două procese. Se poateconstata că o serie de poliacetilene şi de hidrocarburi aromatice policiclice pot satisfaceaceste cerinţe. Reacţiile de creştere a suprafeţei particulelor conduc la creştereacantităţii de funingine (Fv) dar nu şi a numărului de particule (N) care rămâneneschimbat. În schimb mărirea prin coalizare presupune ciocnirea şi coalizareaparticulelor în urma acestui proces numărul de particule se micşorează cantitatea defuningine rămânând neschimbată. După ce mărirea suprafeţei s-a oprit continuăagregarea particulelor formându-se aglomerări de particule.

Generarea şi creşterea particulelor constituie procesele de formare a particulelor în motorul cu aprindere prin comprimare. În fiecare din stadiile de formare, produsele deformare pot evolua în mod diferit. Oxidarea de către aer sau specimene oxidante potconverti funinginea sau compuşii gazoşi precursori ai funinginii în compuşi gazoşi detipul CO şi CO2. În aceste condiţii emisiile de funingine vor depinde de bilanţul dintreprocesele de formare şi procesele de ardere a compuşilor. Absorbţia pe suprafaţaparticulelor de funingine şi condensarea pentru a forma noi specimene de hidrocarburiare loc şi în sistemul de evacuare.

Cinematica formării funinginii este rapidă. În motoarele cu injecţie directă,concentrarea funinginii este maximă pe 10 la 20 RAC după p.m.s., după care aceastadescreşte. În camera separată se formează o mare cantitate de particule de funingine

în primele momente ale arderii, când are loc ardere parţ ială şi când concentraţia de

oxigen este 5%.Particulele formate în camera separată sunt apoi transferate în camera principalăşi sunt difuzate în aer fiind parţial supuse procesului de ardere. În aceste condiţii



INGINERIA ŞI LEGISLAŢIA MEDIULUI 60mărimea particulelor din camera principală va fi inferioară celor formate în cameraseparată.

Emisiile de funingine din gazele de evacuare depind de bilanţul dintre genezafuninginii şi reacţiile de oxidare. Empiric s-a determinat că esenţial la formarea funinginii

în flacără este raportul carbon-oxigen. Considerând că funinginea apare la echilibrulreacţiei:

, (3.32)

unde:n este mai mare decât 2y când raportul C/O>1Raportul corespunzător combustibil aer () este dat de relaţia:

, (3.33)

în care:=n/(4m)=3pentru (C/O)=1 cu n/m=2

Valorile critice ale raportului C/O pentru formarea funinginii sunt mai mici decât 1,valorile variind între 0,8 şi 0,8 în funcţie de compoziţia combustibilului şi instalaţiaexperimentală. Raportul critic C/O pentru formarea funinginii creşte cu creştereatemperaturii însă este uşor dependentă faţă de presiune. Limitele formării carbonuluicare are ca efect funinginea cresc rapid cu raportul C/O şi sunt puternic intensificate de

creşterea presiunii. La presiuni ridicate limitele raportului combustibil-aer pentruformarea funinginii se apropie de amestecurile sărace. Este clar că geneza funinginiieste starea de neechilibru.

Au fost emise mai multe teorii care să explice procesele de piroliză,descompunerea importantă şi rearanjarea atomică a moleculelor de combustibil pentrua ajunge la molecule de funingine. Una din aceste teorii porneşte de la mecanismulcracării termice în urma căreia rezultă fragmente ale moleculelor de combustibil, prinreacţii de condensare şi polimelizare, rezultă molecule mai mari care prindehidrogenarea acestor hidrocarburi reduce raportul H/C şi acestea vor devenifuningine. La producerea funinginii există trei căi diferite în funcţie de temperatura deformare. La temperaturi mai scăzute (t177 K), particule solide de carbon se formează

prin reacţii de piroliză a fracţiunilor aromatice sau a compuşilor alifatici cu greutăţimoleculare mai puternic nesaturaţi. La temperaturi medii, tipice arderii difuzive ( 1800K) toate hidrocarburile normale din combustibil produc funingine dacă ard într-un dozajmai bogat decât dozajul stoichiometric dar urmând diferite stadii.

La temperaturi foarte înalte care depăşesc gama arderii în motorul Diesel poateapărea un al treilea proces de formare a nucleelor de particule deoarece sunt implicaţişi vapori de carbon.

Un simplu mecanism de formare a nucleelor de particule la temperaturi scăzuteşi medii se prezintă în figura 3.13






Rata schimbării densităţii numărului de particule cu timpul este dată de relaţia:

, (3.34)

unde:

n N

rata de apariţie de noi molecule (frecvenţa de apariţie);

a N

rata de aglomerare sau de particule care se ciocnesc şi se coalizează.

La valoarea maximă a lui N,

. În partea stângă a valorii maxime

,diametrul particulelor rămâne constant la valoarea minimă detectabilă, iar creştereavolumului de funingine este dominată de creşterea numărului de nuclee. În dreapta

calorii maxime a lui N,

. Numărul ciocnirilor de aglomerare este din cauza

densităţii nucleelor, în acelaşi timp procesul de generare de noi nuclee s-a terminatdeoarece este o dispersie suficientă a hidrocarburilor intermediare gazoase aşa căprobabilitatea de a se genera noi nuclee scade către zero. Generarea de noi nuclee seopreşte cu puţin în dreapta valorii maxime a curbei lui N. Toate subsecvenţele decreştere a fracţiunii de funingine se referă acum la creşterea suprafeţei.

La dreapta vârfului curbei N densitatea numerică a particulelor scade cumagnitudinea acesteia la puterea de ordinul trei, ca rezultat al aglomerării şi creşteriidiametrelor particulelor. Aglomerarea nu contribuie la creşterea volumului funinginii.Creşterea suprafeţei care se desfăşoară pe un nucleu sau o particulă sferică formeazăo crustă mai puţin regulată decât centrul. Suprafeţele care cresc pe particuleleaglomerate pot parţial să umple interstiţiile dintre particule şi să creeze o structură

modulară.După formarea particulelor, între ele pot avea loc ciocniri care conduc la procesulde aglomerare prin care numărul de particule se diminuează şi dimensiunile lor cresc.Este relativ să se vizualizeze piroliza hidrocarburilor unde la început particulele defuningine au viscozitatea smoalei lichide. Atunci când particulele sunt mici princreşterea suprafeţelor repede se obţine forma sferică a acestora, acest proces sedesfăşoară până la un diametru de 10 nm. Dacă particulele sferice s-au solidificat

înainte de coliziune şi rata de creştere a suprafeţei s-a micşorat atunci vor rezultaciocniri de particule, la care încă se mai păstrează caracteristicile particulelor defuningine rezultând structuri înlănţuite de particule sferice, aceasta fiind explicată prinacţiunea semnificativă a forţelor electrostatice.

Pe timpul coagulării rata de descreştere a densităţii numărului de particule esteproporţională cu produsul dintre coeficientul de coagulare (K) şi pătratul densităţiinumerice.

2 N k

dt

dN . (3.35)

Aceasta este ecuaţia lui Smaluchowski pentru coagularea unui lichid coloidal. Această ecuaţia este valabilă când k>10.

Coeficientul de coagulare k depinde de o serie de factori cum ar fi: mărimeaparticulelor şi forma lor, distribuţia mărimii acestora, temperatura, presiunea şidensitatea gazului.

În motorul Diesel cu injecţie directă, concentraţii ridicate de particule se găsesc în inima fiecărui jet de combustibil unde dozajul local este foarte bogat. Concentraţia de




funingine creşte rapid după începerea procesului de ardere. Rata de formare aparticulelor pe axa jetului este foarte ridicată în apropierea orificiilor de pulverizare. Deasemenea concentraţii ridicate de particule se formează în flacăra difuză din inima deamestec bogat a jetului de combustibil. Această concentrare locală de funingine se

diminuează la încetarea injecţiei combustibilului şi pe măsură ce inima jetului seamestecă cu aerul dând amestecuri mai sărace. Concentraţia de funingine în jetul decombustibil în zona cupei camerei de ardere şi peretelui cilindrului va creşte mai târziu.

În afara jetului de combustibil concentraţia de funingine descreşte rapid cu creştereadistanţei faţă de axa jetului de combustibil.

În motorul cu injecţie indirectă, concentraţia de funingine formată este mairedusă decât la motorul cu injecţie directă datorat mai rapidei amestecări acombustibilului cu aerul disponibil.

3.4.2.1. FORMAREA PARTICULELOR ÎN MAC În motorul Diesel emisiile de funingine cuprind trei procese care se pot desfăşura

parţial în paralel:1. Reacţiile de formare ale funinginii în prima fază a arderii;2. Reacţiile de formare ale funinginii în gazele arse, în principal în a doua fază a

arderii;3. Oxidarea funinginii formate după amestecarea cu oxigenul din zonele cu

exces de aer.Funinginea din motorul Diesel este compusă dintr-o fază de carbon şi asociată

cu compuşi asociaţi extraşi (fracţiuni organice solubile). Principalele stadii ale formăriihidrocarburilor policiclice aromatice şi ale fumului sunt următoarele:

1. Flacăra, în care se generează hidrocarburi policiclice aromatice şi determinămoderarea sau încetinirea formării funinginii;

2. Piroliza la temperaturi ridicate care generează hidrocarburi aromaticepoliciclice şi care determină intensificarea genezei funinginii;3. Piroliza la temperaturi mai scăzute şi care generează hidrocarburi aromatice

policiclice şi produşi oxigenaţi care diminuează procesul de formare alfuninginii;

4. Vaporizarea combustibilului şi lubrifiantul care adaugă compuşi fără caaceştia să formeze funingine.

Dacă se compară contribuţia la formarea funinginii se constată că procesul degeneză în flacăra amestecurilor preformate (arderea rapidă) este mai puţin intens decât

în f lacăra difuză.

3.4.2.2. OXIDAREA FUNINGINII În toate stadiile de formare a funinginii componentele pot fi supuse reacţiei de

oxidare (precursori, nuclee şi particule). Cantitatea de funingine dezvoltată în cilindrueste supusă unui proces de oxidare în cilindru înainte de începerea procesului deevacuare.

În general, rata reacţiilor eterogene cum ar fi oxidarea funinginii depinde dedifuzia reactanţilor la suprafaţa produşilor în mod asemănător cineticii reacţiilor. Pentruparticule având dimensiuni inferioare a 1 m rezistenţa de difuzie este minimă. Înflacără sau lângă aceasta sunt o serie de produşi care pot oxida funinginea cum ar fi:O2, O, OH, CO2 şi H2O. Cercetări recente au arătat produsele rezultate la arderea

amestecurilor bogate şi uşor apropiate de amestecurile stoechiometrice sunt oxidatemai uşor de radicalul OH decât de O2. În cazul amestecurilor sărace, oxigenul esteagentul oxidant, şi numărul de particule creşte cu spargerea agregatelor formate.



INGINERIA ŞI LEGISLAŢIA MEDIULUI 64La fel ca şi suprafaţa de reacţie, oxidarea particulelor este favorizată de raportul

suprafaţă/volum. Din această cauză, arderea agregatelor este mai dificilă. Oxidareaparticulelor necesită un nivel minim de temperatură al gazelor, aceasta găsindu-se între700-800 C.

Oxidarea particulelor are loc rapid la presiuni ridicate în camera de radere. Înprima fază a post arderii de aproape 3 ms pot fi oxidate 90 % din cantitatea de funingine

formată iniţial. Restul de funingine va fi supus unui proces de oxidare care va depindede rata de amestecare cu aerul şi care este determinată de procesul de evacuare. În urma oxidării funinginii se obţine în principal CO.La ieşirea din conducta de evacuare se va găsi numai o mică parte din

funinginea formată în cilindrii motorului ( 10 %).

3.4.2.3. ABSORBŢIA ŞI CONDENSAREAProcesul de formare a particulelor la motorul Diesel se încheie cu absorbţia şi

condensarea hidrocarburilor, şi acesta are loc după ce gazele au părăsit cilindriimotorului. Absorbţia implică aderenţa moleculelor de hidrocarburi nearse la suprafaţaparticulelor de funingine datorită forţelor de natură fizică sau chimică. Condensarea va

avea loc când presiunea de vapori a hidrocarburilor gazoase depăşeşte presiunea devapori saturaţi.

3.5. FORMAREA MIROSULUI LA MAC

Gazele de evacuare la motorul cu aprindere prin comprimare conţin mai mult deo mie de compuşi organici cu punct de fierbere mai mic de 260C şi pot fi detectaţi înfaza gazoasă prin cromatografie. Mulţi din aceşti compuşi sunt uşor mirositori şihidrocarburile parafinice şi olefinice. Mai puţin de o sută de compuşi au un mirosdistinctiv în concentraţiile care se găsesc în gazele arse. Acestea include aldehide de laC2 la C8 derivaţi aldehide ale benzenului C11, alchilbenzeni şi furani. Derivaţii alchil aibenzenului, indane şi naftalene dau o nuanţă înţepătoare şi de ars a mirosului gazelor.Compuşii olefinici şi ciclici dau nuanţă de ars a mirosului. Compuşii oxigenaţi, cei careconţin sulf şi cei puternic nesaturaţi dau un miros greţos. Acizii graşi prezenţi în gazelede evacuare dau un miros înţepător

Mirosul cu senzaţia de ulei şi kerosen este dat de prezenţa naftalenelor,alchilbenzenelor, indanolor, tetralinelor şi indenelor. Senzaţia de fum-ars este furnizatăde mai mulţi compuşi cum ar fi: hidroxi şi metoxi-indanone, metil şi metoxifenoli, furanişi alchilbenzaldehide, alkenone, dienone, hidroxiciclocarbonili şi hidroxiindanone.

O serie de compuşi au efect iritant, acestea fiind: aldehide uşoare saturate(formaldehida, acetaldehida) şi aldehide nesaturate (acroleina, crotonaldehida), dioxidul

de sulf, acidul sulfuric, dioxidul de azot şi fenolul. Dintre aceşti compuşi, formaldehida şiacroleina sunt consideraţi ca fiind responsabilii principali în efectul iritant al gazelor deevacuare.

Compuşii mirositori şi iritanţi sunt compuşi organici nearşi şi sunt cuprinşi încategoria de hidrocarburi nearse existente în gazele de evacuare a motoarelor cuaprindere prin comprimare. Concentraţia de produşi oxigenaţi se formează în zonele cureacţii de oxidare lente unde se formează o cantitate mărită de produşi oxidaţi parţial şicare preced aprinderea amestecului din camera de ardere. Extinderea zonelor cuamestec ultrasărac conduce la intensificarea mirosului gazelor de evacuare.

Compuşii mirositori rezultaţi prin oxidarea normală a hidrocarburilor se formeazămult mai târziu, şi o parte din ei pot supravieţui în zonele răcite sau în zonele unde

dozajul este prea sărac să susţină arderea. Nivelul de miros iritant al gazelor deevacuare al motoarelor cu injecţie directă este mai ridicat decât în cazul motoarelor cuinjecţie indirectă. Există cazul în care un motor cu injecţie directă cu un avans la injecţie




corect să aibă un nivel de miros mai bun decât un motor cu injecţie indirectă cu unavans la injecţie incorect.

Modificările condiţiilor de funcţionare (turaţie sarcină, avans la injecţie) în gamanormală de funcţionare au o influenţă redusă asupra nivelului de miros emis. Dacă

aceste modificări tind să deterioreze procesul de ardere atunci este afectat şi nivelul demiros. Un puternic efect asupra emisiilor de miros la motorul Diesel îl are volumulrezidual al pulverizatorului (sac şi orificii de pulverizare) care este la origineahidrocarburilor nearse. Prin descreşterea acestui volum nivelul de miros se micşorează.

Însă nu întotdeauna o emisie redusă de hidrocarburi nearse dă un nivel redus de miros,deoarece căderea de temperatură din evacuare nu favorizează post arderea compuşilormirositori. La motoarele cu injecţie directă cu o mişcare de vârtej mai intensă în camerade ardere au un nivel de miros mai scăzut. Turbosupraalimentarea reduce nivelul demiros la motoarele cu injecţie directă însă efectul este mult mai mic în cazul în care seutilizează combustibil cu conţinut ridicat de hidrocarburi aromatice.

Temperatura motorului influenţează nivelul de miros. Intensificarea răcirii

măreşte nivelul de miros pe când preîncălzirea aerului la intrarea în motor îl reduce.Intensitatea mirosului este ridicată la pornirea motorului la rece.Sarcina motorului are o mai mare influenţă asupra intensităţii mirosului gazelor

de evacuare decât turaţia acestuia. Valoarea minimă a nivelului de miros se plasează lao valoare a sarcinii de aproximativ 50% din sarcina plină.

Mirosul cel mai intens este generat la sarcină plină şi turaţii ridicate (când aparearderea amestecurilor bogate) şi la sarcini parţiale şi turaţii reduse (când arderea sedesfăşoară la temperaturi medii). Nivelul de miros la mersul motorului la relanti estetotdeauna ridicat.

Întârzierea la autoaprindere reduce nivelul de miros la sarcini mari şi turaţiiridicate datorită deplasării arderii spre destindere ceea ce determină creşterea

temperaturii gazelor la evacuarea acestora favorizându-se postarderea compuşilormirositori. Din contră, la sarcini mici, nivelul de temperatură nivelul de temperatură algazelor la evacuare este prea scăzut să genereze postarderea şi nivelul de miros creştecu întârzierea la autoaprindere deoarece timpul afectat desăvârşirii arderii se reduce.

Recircularea gazelor arse are un efect negativ asupra nivelului de miros datorită încetinirii reacţiilor de ardere.

Regimurile tranzitorii de funcţionare ale motorului cu aprindere prin comprimare(accelerare şi decelerare) sunt favorizante pentru emisia compuşilor mirositori.

Nivelul de miros poate fi diminuat prin următoarele măsuri:a) Creşterea temperaturii la sfârşitul comprimării sau preîncălzirea aerului la

intrarea în motor pentru a reduce întârzierea la autoaprindere (în detrimentul

emisiei de NOx;b) Optimizarea avansului la injecţie în funcţie de sarcină şi turaţie pentru

reducerea întârzierii la autoaprindere;c) Reducerea volumului rezidual al pulverizatorului (volumul sacului şi al

orificiilor de pulverizare).Utilizarea filtrelor catalitice care să reţină şi să ardă particulele pot diminua

concentraţia produşilor mirositori dar nu afectează concentraţia produşilor iritanţi.Compoziţia chimică a combustibilului poate afecta nivelul de miros o serie de parametri(viscozitatea, temperatura de distilare) şi un conţinut de hidrocarburi aromatice cedepăşeşte 35% din volum determină o creştere a nivelului de miros. Utilizarea unorcombustibili mai uşori diminuează nivelul de miros în special la sarcini mari. Conţinutulde sulf nu este direct implicat în compuşii mirositori însă sporeşte nivelul iritant algazelor arse prin prezenţa SO 2.




3.6. FACTORI CARE INFLUENŢEAZĂ FORMAREA EMISIILORPOLUANTE LA MAS

Factorii care influenţează formarea emisiilor poluante la MAS pot fi grupaţi înurmătoarele categorii:

- proprietăţile combustibilului: densitatea benzinei; concentraţia fracţiunilor dehidrocarburi olefinice aromatice; volatilitatea benzinei; conţinutul de sulf;nivelul aditivilor;

- proprietăţile fizico-chimice ale amestecului aer-combustibil: temperaturaaerului aspirat; presiunea din colectorul de admisie; presiunea din colectorulde evacuare; dozajul;

- particularităţile constructive ale motorului: raportul suprafeţei camerei deardere şi volumul acesteia; alezajul cilindrului; raportul de comprimare;

- construcţia sistemului de alimentare: formarea amestecului; emisiievaporative;

- fazele de distribuţie a gazelor;

- reglajele funcţionale: avansul la aprindere; nivelul termic al mo torului.

3.6.1. PROPRIETĂŢILE COMBUSTIBILULUI

Proprietăţile fizico-chimice ale combustibililor influenţează nivelul emisiilorpoluante ale motoarelor cu ardere internă prin modificarea raportului aer-combustibil şiprin prezenţa diferitelor fracţiuni.

În figura 9.15 se prezintă variaţia emisiilor poluante în funcţie de coeficientul deexces de aer.

Se constată că emisiile de HC şi CO sunt în opoziţie cu emisiile de NO x, adicăprimele scad cu sărăcirea amestecului în timp ce NOx ating un maxim la valori uşor

superioare amestecului stoichiometric după care concentraţia acestora începe să sediminueze.

a) Densitatea benzinelor utilizate la alimentarea motoarelor cu aprindere prinscânteie este influenţată de diferitele fracţiuni de hidrocarburi care o compun şi îngeneral de raportul atomilor totali de carbon şi hidrogen.

Fig. 3.15 Influenţa coeficientului de exces de

aer şi a calităţii benzinei asupra emisiilor deHC

În ţările europene densitatea benzinelor se situează în limitele a 6% pentru ovaloare medie de 0,750 kg/l. Având în vedere necesităţile de volatilitate în funcţie deanotimp şi densităţile vor fi diferite pentru combustibilii de vară şi iarnă. Ridicarea




rezistenţei la detonaţie a benzinelor se realizează prin îmbogăţirea benzinei cuhidrocarburi aromatice care prezintă un raport C/H mai ridicat. Benzinele premium şi înspecial cele neaditivate au o densitate mai ridicată decât benzinele regular (maxim0,770 kg/l faţă de 0,765 kg/l, aproximativ 0,6%).

Mărirea densităţii benzinei are efecte diferite asupra dozajului amestecului înfuncţie de tipul instalaţiei de alimentare şi anume: amestecul sărăceşte la instalaţia cucarburator şi se îmbogăţeşte în cazul instalaţiilor cu injecţie de benzină. Dacă pentruvariaţia densităţii aerului există senzori pentru corecţia debitului de combustibil, pentruvariaţia densităţii combustibililor încă nu se aplică pe scară largă dispozitive de corecţieale debitului de combustibil.

Deoarece variaţia densităţii combustibililor pentru m.a.s. este redusă, seconsideră că influenţele asupra emisiilor sunt mici în comparaţie cu alţi factori.

b) Concentraţia fracţiunilor de hidrocarburi olefinice aromatice Hidrocarburile olefinice sunt mult mai active la formarea smogului fotochimic

comparativ cu hidrocarburile parafinice. Ele se pot găsi în concentraţii de 5 până la 20%

în benzinele utilizate, limita superioară este supusă de formarea gumelor. În procesulde rafinare este necesar să se controleze sau să se reducă concentraţia de hidrocarburiolefinice.

Analiza emisiilor de hidrocarburi olefinice din gazele de evacuare a scos înevidenţă că nu întotdeauna o benzină cu un conţinut redus de hidrocarburi olefinice areşi un nivel redus ale emisiilor de hidrocarburi olefinice. Explicaţia se găseşte în produşiiarderii parţiale ale hidrocarburilor parafinice. În aceste condiţii concentraţia mai ridicatăde hidrocarburi olefinice nu dăunează mediului mai mult decât un combustibil cu oconcentraţie mai ridicată de hidrocarburi parafinice având aceeaşi volatilitate.

Motoarele moderne utilizează benzine neaditivate cu bune calităţi antidetonante. Îmbunătăţirea rezistenţei la detonaţie se realizează prin adaos de hidrocarburi

aromatice. Dintre acestea, datorită toxicităţii, benzenul se limitează la maxim 5%(directiva 85/210/EEC).Hidrocarburile aromatice prezintă un raport C/H ridicat şi în consecinţă are o

densitate mai ridicată care dau emisii de CO 2 superioare altor clase de hidrocarburiprezente în benzine.

La arderea hidrocarburilor aromatice se obţine o cantitate de căldură mai ridicatăceea ce conduce la ridicarea temperaturii de ardere şi în consecinţă nivelul de NO x emis creşte. Creşterea emisiei de CO2 este neglijabilă faţă de creşterea emisiei de NO x.

În figura 9.16 se prezintă emisiile de NO x funcţie de dozaj la o benzinănearomatică comparativ cu una aromatică (diferenţa emisiilor la punctul maxim deemisii de NOx este de 20%).

Concentraţia de CO din gazele de evacuare nu este afectată de conţinutul dehidrocarburi aromatice din benzină.

Concentraţia de hidrocarburi nearse din gazele de evacuare scad prin adaosulde hidrocarburi aromatice, aceasta se explică prin faptul că hidrocarburile aromatice auo cinetică a arderii mai rapidă decât cele parafinice (fig. 3.15).

La creşterea conţinutului de hidrocarburi aromatice din benzine, emisiile dehidrocarburi policiclice aromatice, fenoli şi aldehide aromatice se măresc în timp ceemisiile de formaldehidă se diminuează.

Compuşii aromatici polinucleari depind de conţinutul şi tipul hidrocarburiloraromatice din benzină. Benzenul are o mică influenţă la formarea compuşilor aromaticipolinucleari.






Fig. 3.17 Influenţa temperaturii şi presiuniiparţiale Reid asupra masei de vapori decombustibil recilculate.

Pierderile de combustibil la realimentare includ şi pierderile datorate scurgerilor şipicăturilor care sunt independente de temperatura mediului şi proprietăţilecombustibilului, dar care în ultimă instanţă se evaporă.

Pierderile de combustibil prin evaporare la bordul autovehiculului depind şi detipul sistemului de alimentare, ele fiind superioare în cazul instalaţiilor cu carburator (fig.3.18).

Fig. 3.18 Variaţia pierderilor de benzină prinevaporare ca funcţie de tipul alimentării motorului.

d) Cifra octanică Cifra octanică influenţează emisiile prin apariţia fenomenului de detonaţie. O

valoare scăzută a cifrei octanice măreşte frecvenţa apariţiei detonaţiei iar emisiile deNOx cresc îndeosebi la arderea amestecurilor sărace (fig. 3.19).

Fig. 3.19 Influenţa cifrei octanice asupranivelului emisiilor de oxizi de azot.




e) Conţinutul de sulf Benzinele în general au un conţinut redus de sulf (între 50 şi 500 ppm) deoarece

pe lângă efectele negativa pe care le are eliminarea compuşilor cu sulful în atmosferă,acesta atacă şi sistemul de tratare al gazelor arse determinând creşterea nivelului de

emisii de HC, CO şi NOx.Prezenţa sulfului în benzină are ca efect inhibarea reacţiilor de formare aaldehidelor.

f) AditiviiBenzinele pentru motoarele autovehiculelor sunt aditivate pentru a ameliora

proprietăţile acestora. Aditivii se utilizează pentru: îmbunătăţirea cifrei octanice (antidetonanţi); antioxidanţi; curăţirea suprafeţelor circuitului de alimentare; anticongelanţi;

sicativi.Utilizarea unor aditivi pentru curăţarea depozitelor din camera de ardere poatedetermina o creştere a emisiilor de hidrocarburilor nearse.

Îmbunătăţ irea calităţilor antidetonante utilizând aditivi pe bază de magneziupoate conduce la creşterea proporţională cu cantitatea de aditiv a emisiilor de HC întimp ce emisiile de CO şi NO x rămân neschimbate.

Aditivii organometalici utilizaţi pentru îmbunătăţirea cineticii arderii şi aditiviantidepozit nu afectează emisiile din gazele de evacuare.

g) Alimentare necorespunzătoareUtilizarea unor benzine aditivate la autovehiculele concepute a funcţiona cu

benzine neaditivate, echipate cu convertizoare catalitice conduce la micşorareaeficienţei convertizorului catalitic (otrăvirea convertizorului) şi la creşterea niveluluiemisiilor de hidrocarburi şi aldehide. Prin revenirea la alimentare corectă nu se va maiatinge nivelul iniţial de emisii după convertizor.

3.6.2. PROPRIETATILE FIZICO-CHIMICE ALE AMESTECULUI AER-

COMBUSTIBIL

3.6.2.1. TEMPERATURA AERULUI ASPIRAT

Temperatura aerului aspirat se situează în limitele de 50 - 200°C. Nivelul detemperatură al aerului aspirat influenţează pe de o parte procesul de vaporizare alcombustibilului, determinând astfel calitatea amestecului din camera de ardere iar pe dealtă parte nivelul de temperatură maximă al ciclului motor.

Un nivel redus al temperaturii aerului admis conduce la înrăutăţirea vaporizăriicombustibilului, ceea ce afectează calitatea amestecului aer-combustibil, emisiile dehidrocarburi nearse şi oxid de carbon înregistrând valori ridicate.

Un nivel ridicat al temperaturii aerului admis în motor va determina favorizareareacţiilor de formare de oxizi de azot în corelaţie cu dozajul amestecului aer -combstibil.




3.6.2.2. PRESIUNILE DIN COLECTORUL DE ADMISIE SI EVACUARE

Nivelul presiunilor din colectorul de admisie şi de evacuare influenţeazăprocesele de formare a emisiilor poluante şi ele diferă în funcţie de regimul de sarcină almotorului şi în funcţie de tipul motorului (cu aspiraţie naturală sau supraalimentat).

La motorul cu aspiraţie naturală, micşorarea presiunii din colectorul de admisieva determina scaderea emisiilor de NO x,această scădere fiind mai pronunţată lautilizarea unor amestecuri aer-combustibil sărace. Aceasta se datorează scăderiinivelului de temperatură al ciclului motor. Creşterea presiunii din colectorul de evacuaredetermină scăderea concentraţiei emisiilor de NOx şi HC şi creşterea concentraţieiemisiei de CO. Această evoluţie a concentraţiilor emisiilor poluante este consecinţareţinerii unor cantităţi sporite de gaze reziduale care diluează amestecul aer-combustibil.

În cazul motoareleor supraalimentate, presiunile din colectoarele de admisie şievacuare influenţează mai pronunţat preocesele de formare a compuşilor poluanţi.Comprimarea încărcăturii proaspete de către dispozitivul de supraalimentare determinăo presiune superioară a încărcăturii proaspete în cilindrii la închiderea supapelor deadmisie, deci: ciclul va începe de la o presiune superioară presiunii atmosferice iarpresiunea maximă a ciclului va fi mai mare comparativ cu presiunea motorului cuaspiraţie naturală ceea ce va conduce la un nivel de temperatură al ciclului motorsuperior. Dacă se ia în considerare şi faptul că nivelul de temperatură al încărcăturiiproaspete de admisie este superior şi că în motor arde o cantitate de combustibilsporită atunci toate temperaturile ciclului motor vor fi mai mari.

Nivelul de temperatură ridicat al ciclului motor favorizează formarea oxizilor deazot si diminuarea concentraţiilor de CO şi HC în cilindrii motorului. Nivelul detemperatură ridicat al gazelor arse favorizează procese de oxidare a emisiilor de CO şiHC pe traiectul evacuării în măsura în care acestea găsesc oxigenul necesar.

Prezenţa turbinei pe traiectul de evacuare acţionează în sensul măririi presiuniidin avalul acesteia în colectorul de evacuare iar cantitatea de gaze reziduale reţinute încilindri va fi ridicată, acestea determinând reducerea ratei de formare a oxilor de azotprin diluarea amestecului aer-combustibil cu un gaz inert din punct de vedere chimic.

3.6.2.3. DOZAJUL AMESTECULUI

Dozajul amestecului aer-combustibil este apreciat prin coeficientul de exces deaer λ.

În funcţie de valoarea lui λ, calitatea amestecului carburant se grupează înurmătoarele categorii: λ<1 - amestec bogat; λ=1 - amestec stoichiometric; λ>1 -amestec sărac.

Calitatea amestecului aer-combustibil influenţează hotărâtor performanţeleenergetice şi ecologice ale motoarelor cu aprindere prin scânteie.

Motoarele cu aprindere prin scânteie dezvoltă puterea maximă la amestecuribogate unde deficitul de oxigen faţă de amestecul stoichiometric este de 0 pană la 10%(λ=1 - 0,90). Din punctul de vedere al emisiilor poluante, se favorizează formareaoxidului de carbon şi hidrocarburilor nearse datorită arderii incomplete a combustibilului.La aceste amestecuri concentraţiile oxizilor de azot sunt mici datorită deficitului deoxigen.




Fig. 3.20 Evoluţia emisiilor poluante înfuncţie de calitatea amestecului aercombustibil.

Economicitatea maximă a motorului cu aprindere prin scânteie se obţine în zonaamestecurilor sărace, unde excesul de oxigen este superior faţă de amesteculstoichiometric cu 0 până la 10% (λ=1 - 1,10). Funcţionarea motorului în zonaamestecurilor uşor sărace se îmbunătăţeşte datorită excesului de oxigen iarconcentraţiile de CO şi HC scad. Concentraţia de oxizi de azot înregistrează valorimaxime datorită desfăşurării arderii în bune condiţii (maximul de oxizi de azot se obţinepentru λ=1,03 - 1,05).

Arderea amestecurilor bogate nu permite formarea oxizilor de azot datorită lipseide oxigen pe când arderea amestecurilor sărace (λ>1,10) determină scăderea emisiilorde NOx datorită scăderii nivelului de temperatură al procesului de ardere care frâneazăformarea acestora.

La funcţionarea motorului cu amestecuri sărace omogene se înregistreazăcreşterea emisiei de hidrocarburi nearse datorită instabilităţii aprinderii amestecului şipropagării incomplete a flăcării.

La ora actuală majoritatea motoarelor cu aprindere prin scânteie funcţionează cuamestec stoichiometric (λ=1) datorită prezenţei pe traiectul de evacuare a convertoruluicatalitic cu trei căi care are randamentul de conversie maxim pentru acest dozaj.

Din punctul de vedere al formării emisiilor poluante este favorabil ca motorul cuaprindere prin scânteie să funcţioneze cu amestecuri sărace. Pentru a se eliminainstabilitatea aprinderii şi propagării flăcării, amestecurile aer-combustibil trebuiesc

organizate stratificat în aşa fel incât în zona bujiei să existe amestec bogat care săpermită o aprindere uşoară iar spre pereţii camerei amestecul să sărăcească treptat. Înacest caz amestecurile sărace permit propagarea flăcării datorită aportului de căldurărezultat în urma arderii amestecului bogat din zona bujiei. Stratificarea ideală ar permiteca în stratul limită al pereţilor camerei de ardere amestecul să fie extrem de sărac saunumai aer.

3.6.3. PARTICULARITATILE CONSTRUCTIVE ALE MOTORULUI

3.6.3.1. RAPORTUL SUPRAFATA A CAMEREI DE ARDERE-VOLUM AL CAMEREI

DE ARDERE (SCA/VCA)

La motoarele cu aprindere prin scânteie pentru acelasi raport de comprimare,raportul Sca/Vca poate lua diferite valori în funcţie de soluţia constructivă aleasă pentrucamera de ardere. Valorile maxime ale raportului S ca/Vca sunt obţinute pentru camerele




de ardere de tip Heron (cupă în piston), iar valorile minime sunt atinse de camerele deardere de tip semisferic plasate in chiulasă.

Cercetări experimentale au arătat că mărimea raportului S ca/Vca dă informaţiiasupra amplitudinii fluxului de căldură disipat în instalaţia de răcire, deci se poate

aprecia regimul termic al camerei de ardere.La mărirea raportului Sca/Vca regimul termic al camerei de ardere scade, emisiade hidrocarburi nearse creşte, emisia de CO rămâne cvasi-constantă iar emisia de NO x are evoluţie incertă, funcţie de parametrii funcţonali ai motorului.

3.6.3.2. DIAMETRUL ALEZAZUJULUI CILINDRULUI

Pentru aceeaşi cilindree, mărirea diametrului alezajului cilidrului conduce lascăderea raportului Sca/Vca. Transferul de căldură spre instalaţia de răcire este diminuatiar nivelul termic al camerei de ardere creşte ceea ce va conduce la scăderea emisieide hidrocarburi nearse şi de oxid de carbon.

3.6.3.3. RAPORTUL DE COMPRIMARE

Din punct de vedere energetic, motorul cu apridere prin scânteie trebuie săfuncţioneze cu rapoarte de comprimare cât mai ridicate şi să se asigure o arderenormală a amestecului aer-combustibil.

Mărirea raportului de comprimare determină creşterea temperaturii de ardere aamesteului ceea ce va conduce la scăderea emisiilor de hidrocarburi nearse şi oxid decabon şi la creşterea emisiilor de oxizi de azot.

Alegerea valorii raportului de comprimare trebuie să ţină sema pe de o parte deperformanţele energetice şi de economicitate ale motorului iar pe de altă parte de

soluţiile tehnice care pot fi aplicate pentru a menţine emisiile poluante în limitelestandardelor de poluare.

3.6.4. CONSTRUCTIA INSTALATIEI DE ALIMENTARE

3.6.4.1. FORMAREA AMESTECULUI

Instalaţia de alimentare afectează direct corelaţia dintre regimul funcţional,calitatea amestecului (dozajul), omogenitatea şi uniformitatea umplerii cilindrilor.

La motoarele cu carburator, la sarcini şi turaţii mici formarea amestecului aer-combustibil este afectată de vitezele mici de curgere ale aerului prin difuzor (conceput

să aibă o funcţionare optimă la sarcină nominală). Eliminarea acestui neajuns se poateraliza prin utilizarea carburatoarelor înseriate.Neuniformitatea umplerii cilindrilor apare la utilizarea carburatoarelor şi a injecţiei

de benzină monopunct datorită distanţelor diferite de la dispozitivul de alimentare lacilindrii motorului.

Utilizarea injecţiei de benzină multipunct elimină umplerea neuniformă datorităutilizării unor colectoare de admisie cu ramificaţii egale.

Injecţia de benzină permite optimizarea corelaţiei dintre regimul funcţional şicalitatea amestecului ceea ce va determina controlul proceselor din cilindrii motorului.

3.6.4.2. EMISIILE EVAPORATIVELa motorul cu aprindere prin scânteie dotat cu carburator apar importante

pierderi de hidrocarburi prin evaporare la nivelul instalaţiei de alimentare în special lacarburator şi rezervorul combustibil.



INGINERIA ŞI LEGISLAŢIA MEDIULUI 74 În cazul utilizării instalaţiei de injecţie cu benzină, pierderile de hidrocarburi prin

evaporare sunt reduse datorită etanşeităţii sistemului (funcţionează la presiune). Lanivelul rezervorului de combustibil emisiile de hidrocarburi pot fi eliminate folosindcanistra cu cărbune activ.

3.6.5. FAZELE DE DISTRIBUTIE

Procesul de schimbare a gazelor la motorul cu aprindere prin scânteieinfluenţează formarea poluanţilor şi nivelul emisiei acestora.

Fazele de distribuţie la motorul cu aprindere prin scânteie clasic sunt alesepentru a răspunde parametrilor energetici maximi la regimul de funcţionare nominal. Dinpunctul de vedere al poluării, fazele de distribuţie trebuie corelate cu regimul de sarcinăşi turaţie al motorului, ceea ce implică utilizarea distribuţiei variabile a gazelor.

3.6.6. REGLAJELE FUNCTIONALE

3.6.6.1. AVANSUL LA APRINDERE

Parametrii energetici depind într-o bună măsură de momentul aprinderiiamestrecului aer-combustibil. Instalaţiile de aprindere optimizează momentul aprinderii

în funcţie de parametrii funcţionali: turaţie şi sarcină.Din punctul de vedere al formării poluanţilor momentul ales pe baze energetice

nu este optim deoarece produce emisii ridicate prin arderea unei cantităţi mari deamestec înainte de punctul mort superior.

Micşorarea avansului la aprindere faţă de cel optim deplasează arderea sprecursa de destindere, ceea ce va conduce la scăderea nivelului presiunilor şitemperaturilor din cilindru iar formarea NOx -ului va fi frânată. Temperatura gazelor petimpul cursei de destindere şi evacuare va fi mai ridicată, ceea ce va permite oxidareahidrocarburilor nearse şi a oxidului de carbon formate datorită arderii în condiţiineavantajoase.

3.6.6.2. NIVELUL TERMIC AL MOTORULUINivelul termic al motorului se apreciază prin temperatura lichidului de răcire al

motorului, iar aceasta se alege la o valoare care să asigure o funcţionare sigură apieselor motorului.

Un nivel termic scăzut favorizează emisii scăzute de oxizi de azot şi emisiiridicate de hidrocarburi nearse şi oxid de carbon, pe când la un regim termic ridicat

situaţia se inversează, adică, emisiile de oxizi de azot au un nivel ridicat şi emisiile dehidrocarburi nearse şi oxid de carbon au un nivel scăzut.

3.7. PRINCIPALII FACTORI CARE INFLUENTEAZA EMISIILE POLUANTE LA MAC

Emisiile poluante ale motoarelor cu aprindere prin comprimare sunt influenţate înmod direct de modul de formare al amestecului şi de particularităţile procesului deardere. Motorul Diesel cu injecţie directă prezintă un consum de combustibil mai redusfaţă de motorul Diesel cu injecţie indirectă, precum şi un nivel de fum mai scăzut lasarcini parţiale însă este dezavantajat de emisiile de NO x şi HC incorporate în particulesub formă de fracţiuni organice solubile şi de emisiile sonore.




Pentru limitarea emisiilor, trebuie să se realizeze un bun compromis în toatăgama de sarcini şi turaţii între emisiile de NO x şi cele de particule, astfel raportulcombustibil-aer să nu crească local peste 0,9 (se favorizează NO x) şi să nu scadă sub0,6 (se favorizează emisiile de particule).

3.7.1. PROPRIETATILE COMBUSTIBILULUI

Motorinele utilizate la motoarele pentru autovehicule trebuie să posede o seriede proprietăţi fizico-chimice prin care să se limiteze emisiile poluante. Emisiile suntinfluenţate de: viscozitate, densitate, intervalul de distilare, cifra cetanică, conţinutul desulf şi aditivi.

a) Viscozitatea Prin creşterea viscozităţii cinematice cresc emisiile de hidrocarburi nearse şi de

fum, prin creşterea emisiilor de funingine iar emisiile de NO x se diminuează.Viscozitatea cinematică are o influenţă redusă asupra emisiilor de fracţiuni organicesolubile.

b) Densitatea Prin creşterea densităţii combustibilului apare o îmbogăţire a amestecului aer-

combustibil cu un efect direct asupra creşterii emisiilor de particule atât la motoarele cuaspiraţie naturală cât şi supraalimentare.

c) Intervalul de distilare

Emisiile de particule sunt direct legate de intervalul de distilare, din această

cauză există norme care impun acest interval (ex: în Franţa, specificaţia prevede că85% din motorină trebuie distilată sub 350C şi 65% deasupra punctului de distilare250C).

În f igura 3.21 se prezintă evoluţia emisiei de particule în funcţie de intervalul de distilare.

Fig. 3.21 Variaţia niveluluiparticulelor în funcţie deintervalul de distilare alhidrocarburilor di combustibil



INGINERIA ŞI LEGISLAŢIA MEDIULUI 76 În figura 3.22 se prezintă influenţa asupra diferitele emisii prin modificarea factorului dedistilare 90%de la punctul de distilare de la 342C la 381C în funcţie de cifra cetanică.

Se constată că numai emisiile de particule sunt influenţate. Cercetăriexperimentale efectuate pe motoare cu aprindere prin comprimare cu injecţie indirectăau evidenţiat faptul că prin modificarea factorului de distilare 10% de la 210 la 216 C nu

influenţează nivelul emisiilor poluante. În cazul modificării factorului de distilare 90% cuaceeaşi creştere de la 310 la 316C emisiile cresc: HC cu 5%, particulele cu 3% şifracţiunile organice solubile cu 8%.

În cazul motorului Diesel cu injecţie directă creşterea punctului de distilare afactorului 90% influenţează emisiile de particule în mod diferit în funcţie de sarcină însensul că la reducerea sarcinii emisiile de particule se diminuează.

Fig. 3.22 Influenţa modificării punctuluide distilare asupra diferitelor emisii alemotorului Diesel

d) Conţinutul de hidrocarburi aromatice

Hidrocarburile aromatice conţinute în motorinele utilizate la motoarele pentruautovehicule influenţează pe de o parte cifra cetanică a acestora iar pe de altă parte

emisiile poluante. În condiţii de funcţionare asemănătoare nivelul de hidrocarburi din motorină areun efect înzecit asupra nivelului noxelor în comparaţie cu factorul de distilare 90%. Lacreşterea conţinutului de hidrocarburi aromatice de la 25% la 45% emisiile dehidrocarburi nearse, şi CO cresc de aproximativ 3 ori, emisiile de oxizi de azot nefiindinfluenţate. Existenţa unor fracţiuni aromatice volatile pot influenţa cinetica arderiiamestecurilor preformate în sensul creşterii fracţiunii de amestec care arde favorizândastfel formarea funinginii.

La motorul cu aprindere prin comprimare cu injecţie indirectă, studiile efectuateau arătat că în regim de funcţionare tranzitoriu emisiile de HC, CO şi particule suntinfluenţate de conţinutul de hidrocarburi aromatice. O influenţă mult mai redusă asupra

emisiilor poluante a conţinutului de hidrocarburi aromatice s -a constatat în cazul utilizăriiunor motorine având cifra cetanică superioară valorii 50.




La motoarele cu aprindere prin comprimare cu injecţie directă influenţaconţinutului de hidrocarburi aromatice asupra emisiilor poluante este mai dificil deevidenţiat. Cert este faptul că hidrocarburile aromatice influenţează nivelul de particuledin gazele de evacuare (fig. 3.23).

Fig. 3.23 Infuenţa concentraţiei de

hidrocarburi aromatice asupraemisiei de particule

e) Cifra cetanicăLa scăderea cifrei cetanice întârzierea la autoaprindere creşte ceea ce determină

mărirea nivelului de hidrocarburi nearse, particule, fracţiuni organice solubile şi oxid decarbon emise de gazele de evacuare precum şi reducerea nivelului de fum şi defuningine uscată. Influenţa cifrei cetanice asupra emisiilor poluante la motorul Diesel cuinjecţie directă este prezentată în figura 3.24.

Emisiile de NOx sunt puţin influenţate de cifra cetanică. La creşterea cifreicetanice emisiile de HC, CO, NO x, şi particule scad. La motorul Diesel cu injecţieindirectă cifra cetanică influenţează preponderent emisia de fracţiuni organice solubile.

Cifra cetanică manifestă o influenţă asupra nivelului de fum alb şi de fum albastrucare apare la pornirea motorului respectiv la funcţionarea motorului la altitudine.




Fig. 3.24 Influenţa cifrei cetanice asupra emisiilor din gazele motoarelor Diesel cuinjecţie directă

f) Conţinutul de sulf

Conţinutul de sulf din motorină este limitat atât de reglementări interne cât şi dereglementări internaţionale. În Europa conţinutul de sulf din motorină se situează între

0,05 şi 0,65%. Se intenţionează limitarea conţinutului de sulf la maxim 0,2%. ÎnCalifornia conţinutul de sulf este limitat la 0,05%.

O parte importantă a sulfului din motorină se găseşte în gazele de evacuare subformă de SO2, iar o altă parte sub formă de SO3 şi de acid sulfuric.

Se apreciază că prin scăderea conţinutului de sulf de la 0,3 la 0,05% emisiile departicule de reduc cu 10 la 15%.

Conţinutul de sulf nu influenţează celelalte emisii poluante.Reducerea conţinutului de sulf din motorină contribuie la diminuarea nivelului de

miros al gazelor de evacuare şi a gradului de nocivitate.

g) Aditivi

1. Aditivi metaliciPentru diminuarea emisiilor de fum în special a apariţiei s-au folosit aditivi

metalici sub formă de săruri acide (naftenaţi, sulfonaţi). În acelaşi scop au fost încercateşi pământuri alcaline ale unor metale precum: Ca, Ba, Me, Fe, Mn, Cu, Ni. Rezultatesemnificative s-au obţinut utilizând ca aditivi pământuri alcaline ale Ba şi Ca atât lamotoarele Diesel cu injecţie indirectă ca şi la cele cu injecţie directă.

Prin utilizarea aditivilor metalici celelalte emisii rămân neafectate.Datorită faptului că în procesele care au loc în motor şi pe traiectul evacuării pot

apărea săruri nocive, utilizarea aditivilor metalici a fost abandonată.

2. Aditivi organici În motorinele utilizate la motoarele Diesel se pot adăuga aditivi organici care audrept scop următoarele efecte:

reducerea întârzierii la autoaprindere;




stabilizare, antioxidanţi (utilizaţi pentru a inhiba polimerizarea hidrocarburilornesaturate având în vedere îmbunătăţirea stabilităţii pe timpul depozitării);

detergent (de curăţire a suprafeţelor echipamentului de injecţie). Aditivii organici influenţează prin efectele care le au asupra cali tăţii motorinei,

procesele din cilindru şi echipamentului de injecţie, asupra nivelului de particule dingazele de evacuare (fig. 3.25).

Fig. 3.25 Influenţa aditivilor dincombustibil asupra emisiei departicule

3. Adaosul de apă Adaosul de apă din amestecul de aer-combustibil din cilindru acţionează în

sensul reducerii simultane a emisiilor de NO x şi de particule.

În timp s-au exprimat mai multe soluţii de introducere a apei în amestecul aer-combustibil, cum ar fi: injecţia directă a apei în cilindrul motorului şi injecţia de apă încurentul de aer care trece prin colectorul de admisie (fumigare).

Reducerea emisiilor de NOx poate fi explicată prin reducerea temperaturii flăcării.Prezenţa apei în camera de ardere determină prelungirea întârzierii la autoaprindere,ceea ce determină creşterea fracţiunii de combustibil ce arde în amestecuri preformatereducându-se astfel cantitatea de funingine care se formează în flacăra difuzivă, efectulfiind reducerea emisiilor de particule. Cantitatea de fracţiuni organice solubile absorbitede particule descreşte cu prezenţa apei în cilindri datorită condensării hidrocarburilor pepereţi înainte de a intra în contact cu particulele de carbon.

Adaosul de apă prin efectele pe care le are asupra întârzierii la autoaprindere şi

asupra arderii determină creşterea emisiilor de HC şi de CO iar reducerea nivelului departicule este influenţată de sarcina motorului.

3.7.2. REGIMUL DE SARCINA La motorul Diesel, datorită particularitătilor constructive se realizează o reglare

cantitativă a sarcinii (prin modificarea dozei de combustibil injectate pe ciclu). În plus,motorul Diesel funcţionează cu amestecuri sărace (λ>1). Luând în considerare cămotorul funcţionează cu exces de oxigen, formarea oxidului de carbon şi hidrocarburilornearse apare zonal şi în cantităţi reduse în camera de ardere unde se întâlnescamestecuri bogate sau hipersărace care nu permit oxidarea completă a moleculelor decombustibil. Emisia de oxid de carbon şi hidrocarburi nearse este inferioară motoruluicu apri`ndere prin scânteie şi datorită faptului că aportul interstiţiilor şi procesului deabsorbţie - desorbţie a hidrocarburilor de către pelicula de ulei este mult mai slabă saulipseşte.



INGINERIA ŞI LEGISLAŢIA MEDIULUI 80Procesul de formare a oxizilor de azot este puternic influenţat de creşterea

sarcinii datorată măririi nivelului temperaturilor ciclului motor.Emisia de fum creşte cu mărirea sarcinii datorită îmbogăţirii zonale a amestecului

aer-combustibil.Intensitatea mirosului este influenţată de mărimea sarcinii, aceasta inregistrând

valori maxime la sarcini reduse şi turaţii scăzute precum şi la sarcină plină şi turaţii

ridicate.

3.7.3. PARTICULARITATILE CONSTRUCTIVE ALE MOTORULUI

3.7.3.1. ORGANIZAREA MISCARII AERULUI SI ARHITECTURA CAMEREI DE

ARDERE

În cilindrii motorului mişcările încărcăturii proaspete pot fi descompuse după treidirecţii faţă de axa cilindrului: axială, radială, tangenţială:

mişcarea axială - urmăreşte axa cilindrului şi este indusă de deplasareapistonului;

mişcarea radială (squish) - dinspre şi spre camera de ardere, dată de existenţaspaţiilor înguste dintre capul pistonului şi chiulasă;

mişcarea tangenţială (swirl) - indusă de traiectul de admisie al aerului (canal deadmisie tangenţial, elicoidal, supapă de admisie cu ecran, etc.)Mişcarea încărcăturii proaspete în camera de ardere se realizează după

rezultanta mişcărilor după cele trei direcţii.Intensitatea mişcării aerului împreună cu mişcarea jetului de combustibil dă

nivelul energetic de formare a amestecului aer-combustibil în camera de ardere amotorului Diesel.

Datorită faptului ca în motorul Diesel procesele de formare a amestecului aer-

combustibil se suprapun parţial, intensitatea mişcării organizate a aerului şicarcteristicile jetului de combustibil vor influenţa atât parametrii energetici cât şiparametrii ecologici ai motorului.

Forma camerei de ardere poate amplifica sau diminua emisiile nocive funcţie deinfluenţele pe care la induce asupra proceselor de formare şi ardere a amestecuriloraer-combustibil.

În cazul motorului cu aprindere prin comprimare cu cameră divizată, creşterearaportului între volumul camerei de preardere şi volumul camerei principale, frâneazăprocesul de formare a funinginii în camera de preardere prin reducerea deficitului deoxigen. Turbulenţa indusă de forma camerei de preardere şi canalul de transfer alamestecului aprins spre camera de principală de ardere pot influenţa emisiile de NO x.

Prezenţa bujiei cu incandescenţă în camera de ardere poate influenţa negativ mişcarea încărcăturii în camera de preardere când motorul este cald s-a constat că micşorarealungimii capului bujiei prezent în camera determină scăderea emisiilor de particule lasarcină plină iar influenţele la sarcini parţiale sunt neglijabile. Aria secţiunii canalului detransfer dintre camera de preardere şi camera principală controlează turbulenţa întimpului transferului de încărcătură aprinsă. Diminuarea ariei secţiunii transversale acanalului de transfer influenţează contradictoriu asupra emisiilor de particule în sensulcă se diminuează la sarcină plină şi măresc la sarcini parţiale. De cele mai multe ori seadoptă aria secţiunii transversale care dă cele mai mici emisii de particule (pentrusarcină plină).

La motorul Diesel cu injecţie directă forma camerei de ardere trebuie să elimine

posibilitatea impactului jeturilor de combustibil cu pereţii reci camerei de ardere. Emisiade particule poate fi diminuată utilizând pulverizatoare cu un număr sporit de orificiiasociată cu un nivel mai redus de turbionare.




Pentru a se obţine un amestec aer-combustibil optim forma camerei de arderetrebuie să asigure:

lipsa obstacolelor în calea jeturilor care trebuie să aibă o distanţăcât mai lungă de parcurs până la atingerea pereţilor;

să asigure o suprafaţă cât mai largă a locului de impact al jetuluila perete pentru a permite împrăştierea acestuia fără să interfereze cu alte jeturi;

să asigure o recirculare intensă a amestecului în zona dedispersie a jetului;

să menţină sau să intensifice nivelul de turbulenţă în cursapistonului la începutul cursei de destindere.

Motoarele cu aprindere prin comprimare cu injecţie directă necesită rapoarte decomprimare ridicate pentru a se asigura o pornire uşoară la rece şi un nivel acceptabilal fumului. Rapoarte ridicate de comprimare determină emisii reduse ale hidrocarburilorşi ale fracţiunilor organice solubile din particule. Depăşirea unei anumite valori a

raportului de comprimare poate conduce la creşterea emisiilor de funingine la sarcinăplină. Creşterea presiunii maxime a ciclului favorizează formarea funinginii atât înflacăra arderii amestecurilor preformate cât şi în flacăra arderii difuzive. Depăşirea uneianumite valori a presiunii maxime (10…15 MPa) poate crea condiţiile diminuăriiemisiilor de funingine prin arderea acestora datorită creşterii temperaturii gazelor deevacuare, însă măsura are efect negativ asupra emisiilor de NO x.

Diminuarea emisiilor de funingine se poate realiza mai simplu prin alegerea uneiforme a camerei de ardere care să asigure o intensificare a mişcărilor încărcăturii princare funinginea formată să fie arsă.

La motorul Diesel creşterea raportului de cursă-alezaj îmbunătăţeşterandamentul iar pentru o emisie constantă de NO x, se reduce emisia de fum.

3.7.3.2. INSTALATIA DE ALIMENTARE

Nivelul de emisii poluante este mult mai sensibil la motorul Diesel cu injecţiedirectă comparativ cu motorul Diesel cu injecţie indirectă. În ceea ce priveşte sistemulde injecţie indirectă, la care calitatea amestecului depinde de particularităţile de transferale gazelor între camera separată şi camera principală.

Prin creşterea avansului la injecţie nivelul presiunii maxime şi al temperaturiimaxime se măreşte, ceea ce determină intensificarea formării de NO. Motoarele Dieselcu injecţie directă sunt mult mai sensibile în comparaţie cu motoarele Diesel cu injecţie

indirectă la mărirea avansului la injecţie. Micşorarea avansului poate constitui o cale demicşorare a emisiilor de NO, această micşorare realizându-se în funcţie de sarcină şituraţie pentru a nu deteriora excesiv consumul sp ecific de combustibil (fig. 3.26).

Prin prelungirea întârzierii la autoaprindere avansul la injecţie măreşte cantitateade amestec preformat formând o proporţie sporită de amestec sărac. Aceste amestecuriprezintă dificultăţi de ardere ceea ce generează cantităţi mărite de CO. Reducereahidrocarburilor (HC) se obţine printr-o ardere optimă, în condiţiile date emisiile dehidrocarburi cresc.

Mai mult, prelungirea duratei întârzierii la autoaprindere poate determina lamotorul cu injecţie directă depunerea combustibilului pe pereţii camerei de ardere careconstituie o sursă suplimentară a emisiilor de hidrocarburi.






La motorul Diesel cu injecţie directă nivelul emisiilor este influenţat de viteza deinjecţie (relaţie directă cu presiunea de injecţie). Prin creşterea vitezei de formare aamestecului aer-combustibil se măreşte proporţia de amestec preformat ars caredetermină creşterea emisiilor de oxizi de azot dar nivelul concentraţiei de particule se

diminuează atât la nivelul fracţiunilor solide cât şi la nivelul fracţiunilor organice solubile.Creşterea presiunii de injecţie peste o anumită limită poate determina creştereanivelului de particule datorită creşterii nivelului de fracţiuni organice solubile.

Utilizarea pulverizatoarelor cu mai multe orificii de diametru mai redus îmbunătăţeşte procesul de formare al amestecului aer-combustibil, prin creşterea fineţiipicăturilor din jet, efectul fiind reducerea emisiilor de NO x prin diminuarea întârzierii laautoaprindere.

La un nivel de emisii de NOx constant mărirea numărului de orificii de pulverizareacţionează în sensul reducerii nivelului de fum. Numărul de orificii ale pulverizaretrebuie să fie mai mare la un injector plasat central în comparaţie cu unul înclinat saudacă turaţia este scăzută.

La motorul Diesel cu injecţie directă orice tip de injector are o presiune de injecţieoptimă (cuprinsă între 75-100 MPa) care variază în funcţie de turaţia motorului. Lapresiuni ce depăşesc valoarea optimă la emisii constante de NO x, nivelul de particuleemise descreşte iar consumul de combustibil şi zgomotul arderii cresc. Creştereazgomotului de ardere este datorată măririi presiunii. Utilizarea injecţiei pilot influenţeazăpozitiv asupra zgomotului arderii.

Legea de injecţie influenţează semnificativ nivelul emisiilor. Injecţia rapidă lapresiuni ridicate, produce o drenare a volumului rezidual ceea ce determină reducereaemisiilor de hidrocarburi nearse. Eliminarea volumului sacului pulverizatorului areacelaşi afect de reducere al hidrocarburilor nearse (fig. 3.10).

Prelungirea timpului de injecţie poate conduce la reducerea emisiilor de NO x, HC

şi CO la sarcini mici, însă la sarcini mari apare o intensificare a emisiilor de particule şifum.Reducerea ratei debitului de combustibil injectat asociată cu micşorarea

avansului la injecţie conduce la scăderea emisiilor de NO x cu aproximativ 30% lamotoarele Diesel cu cameră divizată însă apare o creştere a emisiilor de HC cu 100%,CO cu 70% şi a particulelor cu 150%.

Controlul cantităţii de combustibil injectat pe timpul acceleraţiei poate diminuacantitatea de particule cu până la 20%.

3.7.3.3. SUPRAALIMENTAREA MOTORULUI DIESEL

Supraalimentarea se aplică motoarelor cu aprindere prin comprimare pentru îmbunătăţirea performanţelor de putere şi economicitate ale acestora. Prin mărireaexcesului de aer în special la sarcină plină limitează cantităţile de monoxid de carbon.Nivelul energetic al gazelor de evacuare al motoarelor supraalimentate este mai ridicatcomparativ cu motorul cu aspiraţie naturală şi în acest fel se produce o reducere aemisiilor de funingine prin arderea acesteia în evacuare. Mărirea presiunii şitemperaturii maxime a ciclului conduce la creşterea emisiilor de NO x, care pot fi reduseprin utilizarea instalaţiilor de recirculare a gazelor arse (EGR).

În cazul turbosupraalimentării o problemă sensibilă o reprezintă acordareaturbocompresorului cu motorul cu aprindere prin comprimare. Acordareaturbocompresorului, la turaţia cuplului maxim a motorului, asigură un exces de aersuficient în gama redusă de turaţii a motorului, dacă turaţia acestuia creşte, creşte şidebitul de aer livrat de turbocompresor motorului, astfel că, la turaţia corespunzătoare



INGINERIA ŞI LEGISLAŢIA MEDIULUI 84puterii nominale, presiunea de supraalimentare şi temperatura aerului au valori ridicatecare determină creşterea tensiunilor mecanice şi termice în mecanismele motorului. Dinpunctul de vedere al emisiilor, această modalitate de acordare este nefavorabilădeoarece pe gama de turaţii utilizate în funcţionare apare o creştere a oxizilo r de azot.

Acordarea turbocompresorului la turaţia nominală a motorului prezintădezavantajul insuficienţei aerului la turaţii reduse şi medii ale motorului, rezultat fiind

creşterea emisiilor de CO, HC şi particule. Într-o primă fază rezolvarea acestei probleme s-a realizat prin utilizareaturbocompresorului cu supapă by-pass (acordarea se realizează la turaţia cupluluimaxim iar presiunea de supraalimentare se menţine aproximativ constantă prindevierea unei părţi din gazele arse de către supapa de scăpare direct către evacuare,fără a mai trece prin turbină). Ultimele dezvoltări prevăd utilizarea în cadrul agregatuluiturbocompresor a unei turbine cu gaze cu geometrie variabilă la care prin modificareaunghiurilor dintre palete ajutajelor utilizează eficient energia gazelor arse pe întreagagamă de turaţii de funcţionare a motorului cu ardere internă şi excesul de aer sesituează în limite optime formării amestecului şi arderii complete ale acestuia.

3.7.4. PARTICULARITATILE PROCESELOR DE FORMARE A AMESTECULUI SI

A ARDERII

3.7.4.1. INFLUENTA TURBULENTEI

În procesul de formare a amestecului aer-combustibil trebuie să se asigurereducerea duratei de existenţă a fazelor de amestec foarte bogat care genereazăfuningine. În general pentru a se asigura condiţiile unei bune amestecări a aerului cucombustibilului în faza aprinderii se intensifică mişcarea de turbionare a încărcăturiicare se manifestă la nivelul întregii camere de ardere (macroscară). Această măsurăeste însoţită de cele mai multe ori de creşterea presiunii maxime a ciclului caredetermină mărirea nivelului emisiilor de NO x şi de zgomot. Reducerea emisiilor de NO x cere limitarea vitezei de amestecare a aerului cu combustibilul în faza de preformare aamestecului prin diminuarea vitezei de mişcării de turbionare sau a vitezei de injecţie.

Mişcarea turbulentă a încărcăturii se manifestă la nivelul microscărilor, fiindafectate pachete de încărcătură. Mişcarea turbulentă este generată în timpul admisiei

încărcăturii proaspete (construcţia canalului de admisie, a porţii de supapă, a supapeide admisie sau utilizarea fenomenelor dinamice la curgerea încărcăturii proaspete –supraalimentarea sonică).

Mişcarea turbulentă influenţează emisiile de NO x, hidrocarburi nearse, fum ,particule şi zgomot prin îmbunătăţirea arderii atât a amestecurilor preformate cât şi a

arderii difuzive prin punerea în contact a hidrocarburilor cu oxigenul necesar.

3.7.4.2. INFLUENŢA TURAŢIEI MOTORULUI ŞI A REGIMURILOR TRANZITORII

Turaţia de funcţionare în gol a motorului cu aprindere prin comprimareinfluenţează major asupra emisiilor poluante. Cercetări experimentale au arătat căscăderea turaţiei de mers în gol de la 750 rot/min la 680 rot/min a condus la reducereaemisiilor de hidrocarburi cu 14%, oxid de carbon cu 2%, NO cu 3% şi de particule cu 5%.

Accelerarea şi decelerarea motorului este o sursă de generare a emisiilorpoluante. Accelerarea motorului datorită îmbogăţirii amestecului pe perioade scurtegenerează un nivel ridicat de particule, acelaşi fenomen mai puţin pronunţat apare la

decelerare.Reducerea efectelor turaţiei şi regimurilor tranzitorii asupra emisiilor poluante sepoate realiza prin următoarele măsuri:




reducerea momentelor de inerţie (motor, turbosuflantă); reducerea capacităţilor volumetrice (admisie, evacuare); sistem de răcire cu capacitate redusă de transfer de căldură (fără

instabilitatea în cazul fluctuaţiilor de temperatură);

creşterea surplusului de putere disponibilă.3.7.5. TEMPERATURA AERULUI ADMIS IN MOTOR

Nivelul de temperatură al aerului admis în motor influenţează valoarea maximă atemperaturii ciclului şi deci emisiile de NO x. Supraalimentarea motoarelor este însoţităde încălzirea substanţială a încărcăturii proaspete la sfârşitul admisiei, pentrudiminuarea temperaturii aerului se practică răcirea intermediară, însă are efectenegative asupra nivelului emisiei de particule la sarcini mari şi turaţii reduse. Răcireaaerului poate de asemenea prelungi întârzierea la autoaprindere apărând alte efectenegative cum ar fi proiectarea picăturilor pe pereţii cilindrului datorită diminuării ratei devaporizare, consecinţa imediată fiind creşterea emisiei de hidrocarburi nearse şi defuningine.

La pornirea motorului la temperaturi scăzute aerul admis trebuie încălzit prinintermediul unor arzătoare plasate în tubulatura de admisie sau cu ajutorul unor bujiiincandescente plasate în camera de ardere pentru a elimina fumul alb (format dinparticule de combustibil nears).

Temperatura tubulaturii de evacuare are un rol important asupra emisiilor prindepozitele de combustibil nears care se condensează în perioadele de funcţionare lasarcini reduse şi revolatilizarea acestora la sarcini mari. Izolarea acesteia poate favorizaarderea hidrocarburilor şi a funinginii.

3.7.6. RECIRCULAREA GAZELOR ARSELimitarea formării oxizilor de azot se poate realiza prin reducerea concentraţiei

amestecului de oxigen disponibil din camera de ardere şi prin reducerea temperaturiiflăcării la arderea amestecurilor preformate.

Reintroducerea unei cantităţi de gaze arse în prealabil răcite în camera de ardereare ca efect principal diminuarea concentraţiei de oxigen şi mărirea căldurii specifice aamestecului. Gazele arse sunt inactive din punct de vedere chimic.

Cantitatea de gaze arse recirculate trebuie să ţină seama de condiţiile defuncţionare ale motorului cum ar fi: sarcina şi turaţia.

Recircularea gazelor arse este întreruptă la funcţionarea motorului rece.

Recircularea gazelor arse necesită dispozitive electronice de control care ţinseama de temperatura lichidului de răcire, presiunea mediului ambiant, debitul decombustibil injectat pe ciclu şi turaţia motorului. Se apreciază că la motorul cu aspiraţienaturală prin recircularea unei cantităţi de gaze arse care să asigure o diminuare a NO x cu 40%, emisiile de HC rămân neschimbate , în schimb emisiile de CO cresc cuaproximativ 10% şi de particule cu 30%.

La motorul supraalimentat recircularea gazelor arse determină reducereasimultană a emisiilor de NO x, HC şi particule.

3.8. FACTORI COMUNI MAS ŞI MAC CARE INFLUENŢEAZĂ EMISIILE POLUANTE

3.8.1. PROPRIETATILE LUBRIFIANTILOREmisiile de hidrocarburi nearse şi de particule sunt influenţate de prezenţa

lubrifiantului în camera de ardere.



INGINERIA ŞI LEGISLAŢIA MEDIULUI 86 În primul rând contribuţia lubrifiantului la emisia de HC se manifestă la motorul cu

aprindere prin scânteie prin absorbţia hidrocarburilor combustibilului pe timpul admisieişi compresiei şi desorbţiei acestora pe timpul cursei de evacuare, efectul este cu atâtmai pronunţat cu cât amestecul este mai sărac. Prezenţa particulelor în gazele deevacuare ale motoarelor cu aprindere prin scânteie este pusă în principal pe seamaarderii lubrifiantului din camera de ardere.

La motorul Diesel arderea lubrifiantului contribuie la ridicarea nivelului departicule emis în gazele de evacuare (se apreciază că la motoarele mai vechi o treimedin cantitatea de particule emise sunt datorate lubrifiantului).

3.8.2. GAZELE DE CARTER

În carterul motorului, datorită etanşeităţii imperfecte al cuplului de piese cilindru -segmenţi-piston, tija de supapă-ghid, ajungând amestecuri de gaze a căror compoziţiedepinde de tipul motorului şi de timpii de funcţionare ai motorului.

Gazele de carter conţin hidrocarburi nearse şi produşi în diferite stadii de ardere.Eliminarea influenţei acestor gaze se realizează prin reintroducerea lor în camera

de ardere. Circuitul de reintroducere al gazelor de carter în camera de ardere este îngeneral controlat de dispozitive care ţin seama de regimul de funcţionare al motorului, şidispozitive de separare a picăturilor de ulei.

3.8.3. EMISII EVAPORATIVE

Emisiile de hidrocarburi prin evaporare sunt independente de emisiile dehidrocarburi din gazele de evacuare şi gazele de carter.

Aceste pierderi sunt datorate următoarelor cauze: pierderi prin neetanşeităţile instalaţiei de alimentare ; pierderi datorate rezervorului de combustibil; pierderi datorate realimentării autovehiculului cu combustibil.

În cazul sistemului de alimentare cu carburator pierderile de hidrocarburi suntproporţionale cu volumul camerei de nivel constant, presiunea de admisie şitemperatura pereţilor camerei de nivel constant.

Prevenirea emisiei de hidrocarburi în atmosferă se realizează prin plasarea peautovehicul a unui rezervor absorbant prevăzut cu cărbune activ. Acest rezervor estelegat în zona vaporilor de la carburator şi la rezervor. Cărbunele utilizat este obţinut prinpiroliza mangalului activat prin tratament chimic cu acid fosforic la aproximativ 500 C.

Aria suprafeţei specifice a cărbunelui, volumul şi mărimea porilor patului de cărbunetrebuie astfel ales încât să permită absorbţia şi desorbţia hidrocarburilor (se consideră

că 100g de cărbune activ poate stoca 5g HC).Legarea spaţiului de vapori ai rezervorului de combustibil la rezervorul absorbantse realizează prin intermediul unui separator gaz/lichid care permite reîntoarcereapicăturilor de combustibil spre rezervor, totodată este prevăzut cu un orificiu calibratcare previne saturarea rapidă a carbonului activ.

Procesul de absorbţie este exotermic, iar desorbţia este endotermică. În regiunilereci pentru a iniţa şi susţine procesul de desorbţie este necesar un sistem electronic de

încălzire a rezervorului de absorbţie. În regimurile cu climat cald eficienţa absorbţieieste mult mai scăzută şi se pune problema măririi cantităţii de cărbune activ pentru aabsorbi întreaga cantitate de vapori.

O altă măsură pentru limitarea evaporării combustibilului o constituie montarea

unor plăci termice în jurul carburatorului care să protejeze camera de nivel constant deradiaţia de căldură de la colectorul de evacuare.




Utilizarea unor camere de nivel constant din material plastic limitează conducţiade căldură la benzina aflată în carburator.Realimentarea rezervorului constituie o sursă importantă de emisii de HC. Limitareaemisiei de vapori de HC se poate realiza prin intermediul rezervorului absorbant de la

bordul autovehiculului sau prin dispozitive specializate ale pompelor de combustibil caresă preia 60 până la 99% din vaporii rezultaţi.

3.8.4. TEMPERATURA MEDIULUI AMBIANT

La o primă analiză introducerea în motor a unei încărcături proaspete la un nivelde temperatură al aerului scăzut ar trebui să îmbunătăţească performanţele ecologice,datorită sărăcirii amestecului sub efectul unei densităţi mai ridicate. În realitate un nivelscăzut al temperaturii mediului ambiant influenţează negativ asupra vaporizăriicombustibilului ceea ce înrăutăţeşte calitatea amestecului aer-combustibil. Pentru a serealiza un amestec în limitele de inflamabilitate la pornire şi stabilitatea în funcţionareamotorului până la atingerea temperaturii de regim (80-90C) a lichidului de răcire,amestecul trebuie îmbogăţit atât prin intermediul unor dispozitive specializate în mărireacantităţii de combustibil introduse pe ciclu, în aceste condiţii este de aşteptat ca emisiilede HC şi CO să crească.

Se apreciază că pentru atingerea temperaturii de regim a lichidului de răcire suntnecesare 4 min de la temperatura de 20°C şi de peste 8 min de la temperatura de –20°C. În acest interval de timp de încălzire al motorului grosimea stratului rece dincamera de ardere are valori ridicate ceea ce afectează negativ emisiile de hidrocarburinearse şi de oxid de carbon.

Una din măsurile pentru îmbunătăţirea calităţilor de pornire ale motorului înclimat rece este creşterea cantităţii de fracţiuni uşoare din combustibil care conduce la

creşterea nivelului de HC emise.Efectul temperaturilor scăzute asupra emisiilor este amplificat prin durata scurtăa deplasărilor.

Studii efectuate în Franţa au scos în evidenţă că 40% din călătorii nu depăşesc2km care corespund cu 27% din timpul de funcţionare cu amestec bogat. În ciclul ECEcu pornire la rece la 20°C, 77% din totalul emisiilor de HC sunt în primul sfert al cicluluipe când în ultimul sfert al ciclului emisiile de HC reprezintă numai 3% din total.

În anotimpul rece temperaturile de pornire şi funcţionare ale motorului suntinferioare valorii de 20°C. În primele 40s ale ciclului EEC 15 creşterea emisiilor de HCeste de 31% la pornirea la 5°C şi de 62% la –10°C faţă de cazul pornirii la 20°C.Creşterea emisiilor de CO este de 6% iar NOx rămân neschimbate.

Emisiile de HC sunt mai pronunţate la sistemele de alimentare cu carburator şiinjecţie monopunct faţă de sistemele de injecţie multipunct intru-cât o cantitate decombustibil se depune pe pereţii colectorului de admisie în stare lichidă, acesta ajunge

în cilindru, se evaporă dar nu are timp de ardere şi ajung în gazele de evacuare.Pentru a limita efectele temperaturii mediului ambiant asupra emisiilor poluante

se propune la motorul cu aprindere prin scânteie plasarea în colectorul de admisie aunor sisteme de încălzire electrice, sisteme de încălzire cu lichid sau cu gaze arse.

Motorul Diesel este mult mai puţin sensibil la pornirea la temperaturi ale mediuluicuprinse între 24 şi –7°C. Emisiile de HC şi CO pentru acest interval de temperaturăcresc uşor cu scăderea temperaturii mediului ambiant datorită creşterii grosimii stratuluirece din camera de ardere. Emisiile de NO x cresc cu 33% începând cu 27 °C la –7 °C.

Masa particulelor cresc uşor cu scăderea temperaturii mediului ambiant,explicaţia fiind absorbţia de combustibil nears pe particulele formate. La scădereatemperaturii mediului ambiant emisiile de formaldehide cresc.




3.8.5. VITEZA DE DEPALSARE A AUTOVEHICULULUI

Cercetări efectuate într-o serie de ţări europene au arătat că reducerea limitelorvitezei de croazieră pe autostrăzi, străzi interurbane şi trafic urban au un efect redusasupra nivelului poluanţilor emişi.

În regim de viteză stabilizat, emisiile nocive au următoarele tendinţe: Emisiile de CO descresc spre un minim care se situează în intervalul 80-

90km/h; Emisiile de HC descresc până în jurul vitezei de 100 km/h după care ele

cresc uşor; Emisiile de NOX cresc uşor până la 70-80 km/h, după care viteza de creştere

sporeşte, pentru ca, în apropierea vitezei maxime, să scadă datorităamestecului aer-combustibil cerut pentru a obţine puterea maximă.

Măsurători pe cicluri test care sunt apropiate condiţiilor de trafic reale au arătat ouşoară influenţă a limitelor vitezei de croazieră asupra emisiilor poluante.

În general efectul global al vitezei este să crească emisiile poluante, însă datorită

turbulenţei generate în spatele autovehiculului poluanţii sunt dispersaţi rapid înatmosferă evitându-se concentrarea lor locală.

3.8.6. FUNCŢIONAREA LA ALTITUDINE

Funcţionarea autovehiculelor cu motoare cu aspiraţie naturală la altitudini mari,determină o scădere a masei de aer care ajunge în cilindrii motorului producând o

îmbogăţire a amestecului.La sistemul de alimentare cu carburator corecţia debitului de combustibil în

funcţie de altitudine se realizează printr-un dispozitiv de corecţie a supapei (cuiulpointeau) cu ajutorul unui dispozitiv bazat pe o capsulă aneroidă.

La sistemele de alimentare cu injecţie de benzină corecţia debitului decombustibil în funcţie de altitudine se realizează cu ajutorul sondei care realizează

îmbogăţirea amestecului.Dacă se compară emisiile la creşterea altitudinii de la nivelul mării la 3000 m la

un motor cu aprindere prin scânteie cu aspiraţie naturală şi carburator se constată căemisiile de HC şi CO practic se dublează iar emisiile de NO x se reduc la jumătate. Încazul motorului Diesel cu aspiraţie naturală cu creşterea altitudinii amestecul se

îmbogăţeşte iar nivelul de fum creşte cu altitudinea, de aceea pompele de injecţie suntprevăzute cu dispozitive de corecţie a debitului cu capsulă aneroidă. Efectele altitudiniisunt mai puţin resimţite la motoarele supraalimentate.

4. MIJLOACE ACTIVE DE REDUCERE A EMISIILOR POLUANTE LA MAI

4.1 MIJLOACE DE REDUCERE ACTIVA A EMISIILOR POLUANTE LA MAS

Studiile care vizează îmbunătăţirea parametrilor energetici şi ecologici aimotoarelor cu aprindere prin scânteie privesc procesele de schimb de gaze, formare aamestecului de arderea şi urmărindu-se următoarele direcţii:

- intensificarea turbionării amestecului în camera de ardere prin intervenţiiasupra sistemului de admisie şi camerei de ardere;





INGINERIA ŞI LEGISLAŢIA MEDIULUI 90- sisteme electromagnetice.Pentru a realiza distribuţia variabilă s-au dezvoltat o multitudine de siteme de

acţionare mecanice cum ar fi:- camă cu profil variabil spaţial longitudinal şi cu arbore cu came deplasabil

longitudinal în raport cu axa motorului;- utilizarea unor came cu profil variabil radial;

- utilizarea unor dispozitive prin care camele îşi modifică poziţia unghiulară împreună cu arborele faţă de poziţia arborelui cotit;- sisteme care utilizează două came.Sistemele de distribuţie variabilă cu comandă hidraulică sunt asociate cu tachetul

hidrauluic.Dezvoltarea unor sisteme electromagnetice de distribuţie variabilă permite

controlul distribuţiei gazelor prin intermediul unei unităţi electronice de control în funcţiede parametrii funcţionali ai motorului.

a) b) c)

Fig. 4.1 Distribuţie variabilă: a) cu camă spaţială; b) camă cu profil variabil radial; c)defazarea camei cu dispozitiv cu lanţ.

4.1.2. UTILIZAREA AMESTECURILOR OMOGENE4.1.2.1. INJECŢIA DE BENZINĂ

Sistemele de injecţie a benzinei datorită posibilităţilor de control precis al dozeide combustibil pe ciclu, în funcţie de parametrii funcţionali ai motorului, s-au impus înfaţa carburatorului cu toate că acestuia i-au fost aduse importante modernizări princontrolul electronic. Utilizarea sistemului de injecţie de benzină permite menţinereadozajului amestecului în limitele λ=0,99 - 1,01 pentru ca eficienţa de funcţionare aconvertorului catalitic cu trei căi să fie maximă.

Umplerea motorului se îmbunătăţeşte la utilizarea injecţiei de benzină datorităreducerii pierderilor gazodinamice de pe traiectul de admisie. Puterea dată de motoreste mai mare. La utilizarea injecţiei de benzină se obţin reduceri importante aleconsumului de combustibil atât în regimurile stabilizate de funcţionare cât şi înregimurile tranzitorii datorită reglării cu precizie a dozei de combustibil.




Sistemele de injecţie de benzină se pot clasifica după următoarele criterii:1. Locul injecţiei:

- injecţie în colectorul de admisie (injecţie monopunct);- injecţie în porţile supapelor de admisie (injecţie multipunct);

- injecţie directă (în cilindru);2. Presiunea de injecţie:- injecţie de joasă presiune (0,5 - 0,7 MPa);- injecţie de presiune înaltă (4 - 5 MPa);

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

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

- electronic;Sistemul electronic de comandă şi control este utilizat deoarece permite controlulfuncţionării optime a motorului la toate regimurile.

Pentru menţinerea amestecului omogen la un dozaj stoichiometric este necesarca unitatea electronică de control să primească informaţii de la "sonda λ" caredetectează prezenţa oxigenului din gazele de evacuare.

Utilizarea amestecurilor omogene sărace (λ>1) este posibilă prin utilizarea unorrapoarte ridicate de comprimare ale motorului (ε=11 -16) şi o turbionare intensă aamestecului. În acest caz, gazele de evacuare conţin o cantitate ridicată de oxigen şisistemele de tratare a gazelor cu metale preţioase (Pt, Rh, Pd) nu mai au o funcţionareeficientă şi trebuiesc înlocuite cu sisteme de tratare catalitică dezvoltate pentru gazele

arse net oxidante.

4.1.2.2. CAMERA DE ARDEREPentru a reduce procese de formare a compuşilor poluanţi şi a maximiza

parametrii energetici ai motorului cu amestec omogen trebuie ca suprafaţa camerei deardere să fie minimă pentru a se evita pierderile de căldură. Camera de ardere trebuiesă permită amplasarea bujiei în centrul acesteia ca distanţele parcurse de frontul deflacără până la pereţi să fie egale.

Îmbunătăţirea regimului termic al camerei de ardere se poate realiza prinaplicarea unor acoperiri termoizolante pe capul pistonului, suprafaţa supapelor deevacuare şi suprafaţa aferentă camerei de ardere din chiulasă. Prin acoperirea acestor

suprafeţe cu dioxid de zirconiu pe un strat intermediar de Ni,Co,Cr, AlY se poate obţineo creştere a performanţelor motorului cu 10%, reducerea emisiilor poluante cu 20 -50%, reducerea particulelor din gazele de evacuare cu până la 52% şi reducereaemisiei sonore cu până la 3dB.

4.1.3. UTILIZAREA AMESTECURILOR STRATIFICATE Prin stratificarea amestecului se înţelege obţinerea în camera de ardere a unor

amestecuri cu dozaje diferite. În zona bujiei se organizează amestecuri bogate, în limitade inflamabilitate iar spre pereţii camerei de ardere amestecul este din ce în ce maisărac (ideal este ca în stratul limită un flacăra se stinge să existe numai aer).

Principalul avantaj al stratificării amestecului îl constituie utilizarea unoramestecuri global sărace care în condiţii omogene s-ar aprinde cu dificultate şi ar puneprobleme la propagarea flăcării.



INGINERIA ŞI LEGISLAŢIA MEDIULUI 92 Amestecul bogat din zona bujiei este uşor de aprins iar frontul de flacără se

propagă spre amestecurile sărace datorită creşterii temperaturii gazelor din camera deardere.

În zona de amestec bogat se formează mici cantităţi de CO şi HC care vor aveatimpul să fie oxidate pe durata procesului de ardere şi pe o porţiune a cursei dedestindere. În zona de amestec bogat datorită deficitului de oxigen se formează mici

cantităţi de oxid de azot.La arderea amestecurilor sărace, datorită excesului de oxigen, se formeazăcantităţi reduse de CO şi HC iar oxizii de azot formaţi sunt în cantităţi mici datoritănivelului redus de temperatură la care are loc arderea.

Stratificarea amestecului aer-combustibil se poate realiza prin:a) utilizarea camerei de ardere divizate, la care există o separare fizică a

celor două camere care comunică printr-un canal;B) realizarea de amestecuri stratificate în cameră unitară prin injecţie directă.

4.1.3.1. CAMERA DE ARDERE DIVIZATĂ

La aceste motoare camera de ardere comportă două compartimente care suntalimentate cu amestecuri diferite din punct de vedere al coeficientului de exces de aer. Legătura dintre cele două compartimente este realizată printr-unul sau mai multecanale de dimensiuni reduse. Compartimentul cu volumul mai mic, antecamera, conţinebujia care este una clasică. aceasta este alimentată cu amestec bogat care este uşorinflamabil. Amestecul parţial ars părăseşte antecameră sub formă de jeturi şi intră încamera principală care este alimentată cu amestec sărac. Această soluţia a fostaplicată în producţia de serie cu mare succes. Iniţial conceptul a fost propus de Ricardo

în anii 20 şi dezvoltat ulterior în Rusia şi Japonia. Soluţia (fig. 4.2) permite reducereaemisiilor de HC dar măreşte într-o oarecare măsură nivelul emisiilor de NO X.

Fig. 4.2 Desfăşurarea proceselor în MAS cu cameră de ardere divizată.

4.1.3.2. INJECŢIA DIRECTĂ DE BENZINĂ

Cu toate că idea injectării combustibilului la motoarele cu aprindere prin scânteiedirect în cilindrul motorului este veche, doar recent ea a fost introdusă la producţia deserie a motoarelor de autoturisme. Introducerea acesteia la motoarele moderne a fostposibilă datorită progreselor în domeniul electronicii, al controlului computerizat almotorului.

Motoare cu injecţie directă de benzină au fost construite încă din primii ani aimotorului cu ardere internă. Primele aplicaţii au fost în domeniul militar, la motoarelepentru avioanele de luptă germane. Mai târziu, injecţia directă a fost aplicată la




motoarele pentru autoturismele de înaltă performanţă. Reprezentative pentru aceastăperioadă sunt motoarele Daimler Benz pentru Formula 1 şi pentru modelul 300 SL.Pentru mai multe decenii, injecţia directă a fost practic uitată. Aceasta, datoritădificultăţilor în controlarea proceselor din motor, în special la turaţii mari, precum şi

dificultăţii de realizare a presiunii înalte în benzină.Revenirea injecţiei directe a fost marcată de prezentarea prototipului IRVWFutura din 1989. Cu această ocazie a fost consacrată şi titulatura GDI (Gasoline DirectInjection). Motorul prezentat de constructorul german era destul de revoluţionar, unadintre noutăţi era şi injecţia directă de benzină, dotat cu o pompă ce furniza presiuneamaximă de 450 bar.

În ultima vreme, datorită restricţiilor din ce în ce mai severe în domeniul poluăriiimpuse motoarelor cu ardere internă, injecţia directă se preconizează a fi soluţia deformarea a amestecului spre care se for îndrepta toţi constructorii de motoare cuaprindere prin scânteie.

Avantaje: Coeficientul de exces de aer global poate fi substanţial supraunitar

permiţând obţinerea unei bune economii; Arderea se realizează în condiţii ce defavorizează formarea NO x; Cantităţile de monoxid de carbon şi hidrocarburi produse la începutul

procesului de ardere pot fi oxidate complet în interiorul camerei de ardere; Amestecul ce pătrunde în interstiţii este foarte sărac sau chiar nu conţine

deloc benzină diminuându-se cantitatea de hidrocarburi formate peaceastă cale;

Controlul sarcinii motorului poate fi efectuat, cel puţin parţial, prin varierea

îmbogăţirii amestecului şi nu prin obturarea admisiei, minimizându -sepierderile prin pompare; Amestecul care arde la sfârşit este foarte sărac şi de aceea este mult mai

puţin susceptibil la detonaţie. Se pot utiliza rapoarte de comprimare maimari

a) Soluţii constructive Aplicarea injecţiei directe a impus dezvoltarea unor soluţii constructive deosebite

de cele pentru motoarele cu injecţie indirectă. Principalele sisteme care suferămodificări sunt modul de organizare a mişcării încărcăturii, formarea amestecului la

diferitele regimuri de funcţionare, modul de control al sarcinii motorului şi bineînţelesechipamentul de injecţie.

Alte sisteme cum ar fi cel de recirculare al gazelor arse, au fost îmbunătăţite dinpunct de vedere al preciziei controlului şi eficienţei funcţionării. Alte sisteme cum ar ficele de tratare al gazelor de evacuare au trebuit să fie total regândite datorită condiţiilortotal diferite de funcţionare.

Un sumar al soluţiilor tehnice utilizate în prezent este prezentat în tabelul 4.1.



INGINERIA ŞI LEGISLAŢIA MEDIULUI 94Tabelul 4.1 Concepte şi obiective pentru motoarele cu injecţie directă şi soluţiile pentru

realizarea lor

Concepte Obiective Soluţii

Mişcareaaerului Tumble invers

Transportul

vaporilor debenzină cătrebujie

Coeficient decurgere prinsupapă ridicat

Canal de admisievertical

Îmbunătăţ ireagazodinamicii prinutilizarea canaluluivertical

Presiune scăzută

Pierderi redusepentrucomprimareacombustibilului

Injector cu swirl

Injecţia

Pompă antrenatăde motor

Consum de putere

pentru injecţieredus

Pornire cu pompa dealimentare

Concepte Obiective Soluţii

Sarcinimari

Amestec omogen(injecţie pecursa deadmisie)

Eliminarea udăriipereţilor

Răcireaintermediară aaerului

Reducerea funinginiila amestecuristoichiometrice şibogate

Eliminareadetonaţiei

Randamentvolumetric mărit

Limitarea penetrabilităţii jetului

Jet larg dispersatMişcare de tumble

invers intensificată

F o r m a r e a a m e s t e c u l u i

Sarciniparţial

e

Amestecstratificat(injecţie pecursa decompresie)

Evaporare îmbunătăţită

Ardere stabilăpentruamestecurisărace

Reducerea funinginiipentru sarcinimari

Cameră de arderecompactă

Transportul jetului decătre tumble

Controlul avansuluiinjecţiei

Aprinderea Sistem de aprindere convenţional cu fiabilitate confirmată

Emisii Procent ridicat degaze recirculate

Reducerea NOxprin utilizareaamestecurilorstratificate

Supapă de recirculare agazelor arse controlatăelectronic

AdmisiaControl rapid şi

precis aldebitului de aer

Funcţionareuniformă

Interval larg deaplicare arecirculăriigazelor

Clapetă de acceleraţieacţionată electronic

Sistemul de injecţie este cel care conferă motorului avantajele substanţiale îndomeniul economicităţii, puterii, emisiilor. Faţă de sistemele de injecţie indirectă acesteatrebuie să fie comandate cu o precizie mai mare şi să interacţioneze mult mai profund




cu celelalte sisteme (aprindere, supraalimentare, recirculare a gazelor arse, tratare agazelor arse).

În tabelul 4.2 sunt prezentate principalele caracteristici pe care la are un motordotat cu un astfel de sistem de injecţie.

Injectoarele folosite sunt de construcţie specială, diferită de cele pentru injecţiaindirectă. Ele trebuie să lucreze în condiţii grele de presiune şi temperatură. Problemaprincipală care se pune este realizarea unei pulverizări cât mai fine dar fără creştereaexagerată a presiunii. Pentru aceasta au fost încercate diferite configuraţii ale orificiuluide pulverizare. Soluţia cu cel mai mare potenţial ar fi utilizarea unor injectoare careimprimă jetului o puternică mişcare de swirl. Se poate obţine o fineţe foarte bună apulverizării la o presiune relativ joasă (fig 4.3).

O soluţie şi mai interesantă este cea a injecţiei directe de amestec aer-combustibil. Instalaţia de injecţie realizează o preamestecare a combustibilului cu ocantitatea de aer realizându-se un amestec extrem de bogat sub forma unei emulsii.

Aceasta va fi apoi introdusă în cilindrul motorului.

Tabelul 4.2 - sumarul caracteristicilor sistemului de injecţie directă propus de Mitsubishi

Caracteristici Tehnologii Componente

Economicit

a-tea

+

+

Amestec sărac stratificat, tumble inversRaport de comprimare ridicat, răcireintermediară

Ardere stoichiometrică cu procent ridicatde gaze recirculate

Injector cu swirlelectromagnetic

Cameră de ardere

compactăCanalizaţie deadmisie verticală

Puterea +

Canal ce admisie rectiliniuRăcirea încărcăturii prin evaporareacombustibiluluiRaport de compresie mare

Canal de admisievertical

Controlul formăriiamestecului

Răspunsul ++

Controlul momentului prin cantitatea decombustibil injectat (nu este influenţatde inerţia coloanei de aer)

Injecţie directăObturator aer

Emisiile Ardere stabilă în condiţii de funcţionare

cu procent ridicat de gaze recirculate

Control rapid şiprecis alrecirculăriigazelor arse

Control rapid şiprecis al dozajului

Vibraţii şizgomot

Compensarea forţelor de inerţie alemaselor aflate în mişcare de translaţiede către forţa gazelor mărită

Injector cu swirlelectromagnetic

Clapetă de aer




Fig. 4.3 Tipuri de orificii de pulverizare pentru injecţia directă.

Prin utilizarea acestei metode se îmbunătăţeşte substanţial fineţea pulverizării şi deasemenea se facilitează evaporarea. Totodată creşterea presiunii jetului injectat sepoate realiza prin utilizarea de aer de înaltă presiune, soluţie tehnică mai la îndemânădecât injecţia de benzină de înaltă presiune.

În figurile 4.4 şi 4.5 sunt prezentate două injectoare realizate de Bosch şiSiemens.

Fig. 4.4 Injector electromagnetic Bosch




Fig. 4.5 Injectorul motorului Renault F5R IDE 16V produs de Siemens

Potenţialul cel mai remarcabil al motorului cu injecţie directă, îl constituiefuncţionarea acestuia la sarcini parţiale şi la mersul în gol încet. Cu cât strategiile decontrol al proceselor din motor sunt mai performante, cu atât rezultatele obţinute suntmai bune. În figura 4.6 este prezentat un model de strategie de control a formăriiamestecului.

Fig. 4.6 Strategii deformare a amestecului

b) Consumul de combustibil

Cel mai important obiectiv în realizarea motoarelor cu injecţie directă esteeconomicitatea. În figura 10.7 este prezentată comparativ reducerea consumului decombustibil, relativ la un motor cu injecţie indirectă. Potenţialul teoretic al injecţiei



INGINERIA ŞI LEGISLAŢIA MEDIULUI 98directe este clar demonstrat, cu scăderi ale consumului de combustibil cu 20% la sarciniparţiale şi de până la 35% la mersul în gol încet. Injecţia de amestec aer-combustibilpoate realiza un consum de combustibil cu aproximativ 4% mai scăzut faţă de injecţiasimplă de benzină. Se observă că cele mai importante reduceri ale consumului serealizează la mersul în gol încet şi la sarcini parţiale, în principal datorită nivelului ridicatde stratificare a amestecului.

Cel mai spectaculos rezultat se obţine pentru mersul în gol încet datorită moduluidiferit de realizare al controlului sarcinii. Pe lângă acţiunea clapetei de aer (mult redusăde această dată) modificarea sarcinii se realizează prin varierea cantităţii de benzinăinjectate pe ciclu.

La sarcină plină, când amestecul format este omogen, motorul cu injecţie directăse comportă aproximativ identic cu cel cu injecţie indirectă.Explicaţia consumului mai scăzut al injecţiei directe de amestec rezidă în mult mai bunavaporizare, care prin durata ei redusă în timp permite o ardere mai completă, deci unrandament superior al arderii.

Fig. 4.7 Îmbunătăţirea consumuluide combustibil la diferite regimuride funcţionare, relativ la motorulcu injecţie multipunct (IDA –injecţie directă de amestec aer-benzină, ID – injecţie directă debenzină).

c) Emisiile motoarelor cu injecţie directă de benzinăSituaţia emisiilor pentru aceste motoare este puternic afectată de regimul de

ardere complet diferit faţă de motorul cu injecţie indirectă şi amestec omogen.La funcţionarea la mersul în gol încet, motorul cu injecţie directă are un nivel de

emisii de HC cu 50% mai redus datorită evitării udării pereţilor, a pătrunderii

combustibilului în interstiţii şi vitezei mare de ardere. Regimurile de funcţionare cu unnivel crescut de HC sunt mersul în gol încet şi la sarcini parţiale datorită timpului extremde scurt avut la dispoziţie pentru formarea amestecului ceea ce determină ardereacombustibilului direct din starea de picături, deci o viteză de ardere scăzută.Folosirea recirculării gazelor arse determină după cum era de aşteptat creştereasubstanţială a emisiilor de HC.

Emisiile de NOx ale motoarele cu injecţie directă, atât în cazul injecţiei debenzină cât şi de emulsie benzină-aer, sunt semnificativ mai mari faţă de motoarele cuinjecţie indirectă la mersul în gol încet datorită amestecului local stoichiometric, caredetermină viteze mari de degajare a căldurii. La sarcini parţiale avem o reducere a NOx de aproximativ50 % fără recircularea gazelor de evacuare şi de până la 90% cu

recirculare. Cu toate că nivelul emisiilor de NO x este semnificativ redus, principalaproblemă a motoarelor cu injecţie directă rămâne reducerea în continuare a acestora.Datorită coeficientului de exces de aer global supraunitar aplicarea catalizatorilor cu trei




căi obişnuiţi este neeficientă, motiv pentru care tratarea gazelor arse devine o problemădificil de rezolvat, mai ales dacă considerăm şi nivelul redus al temperaturii acestora.

d) Tratarea gazelor arse la MAS cu injecţie directă

Folosirea amestecurilor sărace şi stratificate necesită îmbunătăţiri în tehnologiade tratare a gazelor arse pentru încadrarea în viitoarele limitele de emisii. Pentru încadrarea emisiilor de NO x în limite este necesară obţinerea unui randament al arderiide 65-75% şi chiar mai mult pentru hidrocarburi. Sunt explorate o serie de căi pentrutratarea gazelor printre care catalizatori de reducere cu zeoliţi şi metale preţioase,pentru regimurile de funcţionare cu amestec sărac, şi sisteme de stocare şi filtrare aNOx.

În prezent sunt puţ ine date publicate care să sugereze faptul ca eficienţaconversiei şi durabilitatea catalizatorilor de reducere a NO x convenţionali suntcompatibile cu cerinţele viitoare.

O altă soluţie care promite sunt dispozitivele de stocare a NOx care pot capta

NOx când gazele de evacuare sunt bogate în oxigen şi îi pot converti în timpul scurtelorperioade de funcţionare cu amestecuri bogate. Problema constă în realizarea uneiscurte perioade de funcţionare cu amestec bogat în timpul regimurilor de funcţionareprelungită cu amestec sărac. În timpul funcţionării cu amestec sărac, o îmbogăţiremomentană a amestecului determină o creştere de putere total neacceptabilă pentruautovehicul.

O metodă pentru controlarea creşterii de putere este regalarea aprinderii cu întârziere mare, perioada de întârziere trebuie atent calibrată pentru a menţine valoareamomentului motor. Din nefericire, sensibilitatea motorului cu injecţie directă cu amestecstratificat faţa de momentele injecţiei şi aprinderii face practic imposibilă aplicareaacestei metode. Este posibilă combinarea utilizării unei supape de recirculare a gazelor

arse cu comandată electronică şi clapetă de aer cu acţionare electrică pentru a realiza îmbogăţiri ale amestecului. Această metodă necesită o calibrare extrem de precisă asistemului de comandă.

O altă tehnologie care a fost investigată de Ricardo este un sistem cu plasmăcare realizează conversia NO x, HC şi CO. Sistemul dezvoltat comportă un flux deplasmă cu temperatură, presiune şi energie scăzută, care se poate genera într-o incintăcu un volum similar cu cel al unui catalizator convenţional.

Un sistem prototip a fost montat la un motor experimental cu amestec stratificat.Eficienţa conversiei este prezentată în graficul din figura 4.8. Puterea totală consumatăde sistem în timpul testelor a fost de sub 0,5% din puterea dezvoltată de motor. Unmare avantaj al sistemului este că poate funcţiona încă de la punerea contactului.

Fig. 10.8 Sistem de tratare al gazelor arse cuplasmă. Eficienţa conversiei pentru un dozajaer-combustibil 38:1



INGINERIA ŞI LEGISLAŢIA MEDIULUI 1004.1.4. INSTALAŢIA DE APRINDERE

O metodă importantă de creştere a perfecţiunii procesului de ardere, în special încazul amestecurilor sărace o constituie îmbunătăţirea aprinderii în sensul scăderii

întârzierii la aprinderii şi a probabilităţii de aprindere. De -a lungul timpului au fostconcepute o varietate mare de sisteme de aprindere, câteva dintre cele mai importantevor fi enumerate mai jos.

4.1.4.1. SISTEMUL PJC – APRINDEREA CU JET DE FLACĂRĂIniţialele provin de la prescurtarea denumirii în limba engleză Pulsed Jet

Combustion, sistem care este cunoscut şi sub denumirea de “Aprinderea cu jet deflacără”.

În cazul acestui sistem, aprinderea se produce într -o antecameră, care esteseparată de camera principală de ardere de deasupra pistonului şi comunică cuaceasta prin intermediul unuia sau mai multora orificii. Pe măsură ce flacăra se dezvoltă

în antecameră, presiunea gazelor din acest compartiment creşte, forţând gazul să iasăspre camera principală prin orificiul sau orificiile de legătură, sub forma unuia sau mai

multor jeturi turbulente de flacără. Jetul sau jeturile penetrează amestecul din cameraprincipală, aprinzându-l, iniţiind astfel arderea în camera principală de ardere. Aprinderea în antecameră este de obicei realizată cu o bujie convenţională. Rolul

antecamerei este acela de transforma flacăra iniţială din jurul electrozilor bujiei în unulsau mai multe jeturi de flacăra în camera principală, jeturi care au o suprafaţăsubstanţială şi care pot aprinde amestecuri foarte sărace într-o manieră repetabilă. Aufost dezvoltate mai multe sisteme diferite pentru atingerea acestui obiectiv, unele dintreacestea au fost utilizate în motoarele cu aprindere prin scânteie de serie.

Cele trei sisteme majore de aprindere cu jet de flacără sunt prezentate în cele demai jos.

Figura 4.9 prezintă un exemplu al celui mai simplu tip de aprindere cu jet de

flacără, concept care este cunoscut sub denumirea de celulă torţă (torch cell). Cavitateanu are supapă separată, deci este nebaleiată, şi nici un fel de determinare a cantităţii decombustibil ce pătrunde în antecameră.

Fig. 4.9 Sistemul de aprindere cu jet deflacără torch cell.

Funcţia cavităţii de turbionare este de a mări viteza iniţială de creştere a frontuluide flacără imediat după descărcarea electrică a bujiei, prin faptul că flacăra se vadezvolta într-o zonă cu o turbionare mai intensă decât în volumul camerei de ardere.Jetul sau jeturile de flacără care ies din cavitate generează o mare suprafaţă iniţială a




frontului de flacără, pentru iniţierea facilă a procesului de ardere în masa principală aamestecului din cameră.

O altă variantă a acestui sistem prevede incorporarea cavităţii de turbionare încorpul bujiei. Au fost dezvoltate sisteme cu volume de antecameră variind între 20 % şi

mai puţin de 1% din volumul total al camerei de ardere.O problemă majoră constă în faptul că antecamera nu este niciodată spălată de încărcătura proaspătă. Din acest motiv coeficientul gazelor reziduale din antecamerăeste cu mult superior faţă de media generală pentru întregul volum al camerei deardere.

Fig. 4.10 Procedeul de aprindere cu jet deflacără cu camera divizată nebaleiată.

În figurile 4.10 şi 4.11 sunt exemplificate două variante de camere de ardere cuantecameră, cu amestec stratificat şi aprindere cu jet de flacără. La aceste soluţiiamestecul din antecameră este îmbogăţit prin adaos de combustibil, astfel, că înmomentul descărcării bujiei amestecul din antecameră este uşor îmbogăţit. Procesuliniţial de ardere din antecameră se produce astfel mai repede şi mult mai repetabil.Volumul antecamerei este de obicei între 20 şi 25 % din volumul total al camerei deardere.

În cazul sistemului prezentat în figura 4.10 camera nu este baleiată. Astfel semenţine dezavantajul sistemului din figura 4.9 şi coeficientul gazelor reziduale, înantecameră este ridicat. Prin aplicarea unei supape suplimentare, cazul sistemului dinfigura 4.11, acest dezavantaj este înlăturat. Soluţia determină complicaţii constructive,

apărând necesitatea unui al doilea sistem de alimentare, care să furnizeze amestec îmbogăţit către antecameră. Antecamera este baleiată foarte eficient, coe ficientulgazelor reziduale atât pentru antecameră cât şi generalizat pe tot volumul camerei deardere este redus faţă de cazurile precedente.

Numărul şi dimensiunile orificiilor de legătură dintre antecameră şi cameraprincipală de ardere au o importanţă mare asupra dezvoltării flăcării în cameraprincipală. Două variante sunt prezentate în cele ce urmează. În figura 4.12a numărulorificiilor este redus, de asemenea şi dimensiunile acestora. Se generează astfel jeturicu penetrabilitate mare favorizând viteza de ardere, cresc totuşi pierderile gazodinamicela trecerea prin canalele de legătură; antecamera are un volum de 2 -3% din volumultotal al camerei de ardere.




Fig. 4.11 Procedeul de aprindere cu jet deflacără cu camera divizată baleiată.

Fig. 4.12a şi 4.12b Posibilităţi de comunicare între camera divizată şi camera principală.

În cazul invers, prezentat în figura 4.12b, în care numărul şi dimensiunileorificiilor de legătură sunt mari, jeturile au o penetrabilitate mai redusă. Viteza de ardereeste mai redusă decât în cazul precedent. Această soluţie a fost utilizată şi la motorulHonda CVCC. Volumul antecamerei este de această dată de 5-12% din volumul total al

camerei de ardere.Toate aceste sisteme extind limita de funcţionare cu amestecuri sărace a

motoarelor cu până la câteva unităţi. De exemplu, soluţia cu cameră nebaleiată şi fărăsistem auxiliar de injecţie (figura 4.9) poate funcţiona la sarcini medii cu un coeficient deexces de aer =1,25. Soluţiile cu amestec stratificat pot funcţiona cu amestecuri multmai sărace. Cel mai bun compromis între consumul de combustibil şi performanţeleecologice se obţine pentru [1,11,3]. Totuşi la toate aceste sisteme de aprindere cu

jet de flacără suntem penalizaţi de creşterea pierderilor de căldură către pereţi, datorităcreşterii raportului S/V al camerei de ardere, şi creşterii vitezelor de curgere.




Un dispozitiv special pentru iniţierea aprinderii amestecurilor aer-benzină esteprezentat în figura 4.13. Acesta poartă denumirea de Generator de jet de flacără (FlameJet Generator). El constă dintr-o bujie, incorporând o cavitate de 0,5 cm3 (fabricată deIRKS – Polonia) şi o supapă Servojet (produsă de BKM Inc. – San Diego SUA).

Fig. 10.13 Generator de jet de flacără.1-injector aer-combustibil, 2-

supapă, 3-conductă combustibil, 4-terminal de înaltă tensiune, 5-izolator,6-corpul bujiei, 7-cavitate, 8-electrod,9-electrod de masă, 10-orificiu deieşire.

4.1.4.2. SISTEMUL APIR

Denumirea provine de la iniţialele ˝Auto-Inflamation Pilotée par Injection deRadicaux˝, ceea ce însemnă Autoaprindere iniţiată de injecţia de radicali. Acest concept

încearcă combinarea avantajelor oferite atât de motoarele cu aprindere prin scânteiecât şi de cele cu aprindere prin comprimare.

Sistemul a fost dezvoltat in Franţa, la Universitatea din Orleans.

Fig. 4.14 Dispozitivul APIR

Aplicarea acestui sistem laun motor standard cu aprindere prinscânteie conduce la îmbunătăţireasemnificativă a performanţelor deaprindere şi ardere. Se obţine odiminuare dramatică a dispersiei






care se găsesc radicali. ˝Însămânţarea¨ cu radicali este iniţiată de aprinderea dinantecameră. Întârzierea dintre aprinderea din antecameră şi autoaprindere este foartescurtă, datorită vitezei cu care se desfăşoară procesele de injecţie şi amestecare aradicalilor în camera principală (fig.4.17). Astfel, momentul ˝însămânţării˝ poate fi

controlat cu precizie. Raportul de comprimare utilizat în cazul sistemului APIR variază înintervalul 10 -14.

Fig. 4.16 “ Însămânţarea” cu radicali a camereiprincipale de ardere.

Fig. 4.17 Formarea mai multor nuclee deaprindere în sistemul APIR.

Fig. 4.18 Propagarea fronturilor de flacărămultiple.

Motorul APIR este relativ diferit de motorul cu aprindere prin scânteie. Ardereacantităţii principale de combustibil este asigurată de mai multe fronturi de flacără (fig.4.18).

Contrar aprinderii cu scânteie şi altor sisteme neconvenţionale de aprindere, încazul APIR, cursa de comprimare este absolut necesară pentru autoaprindere şi ardere

în camera principală de ardere.Calitatea arderii asigurată de dispozitivele PJC şi de APIR pare a fi identică,

comparativ cu rezultatele obţinute cu un sistem de aprindere convenţional, cu bujie. Cutoate acestea, întârzierea aprinderii şi durata arderii sunt mai reduse la folosirea

sitemului APIR faţă de sistemul PJC. Orificiile cu diametrul sub 1 mm asigură oantecameră mai puţin sensibilă la variaţia variabilelor termodinamice din cameraprincipală de ardere şi, astfel, condiţii cu o mai bună repetabilitate în antecameră.



INGINERIA ŞI LEGISLAŢIA MEDIULUI 106Un motor cu sistem APIR nu este asemănător cu motorul cu aprindere prin

comprimare. Autoaprinderea la motorul Diesel se produce după o succesiune relativlungă de paşi, într-un interval ce se numeşte întârziere la autoaprindere. În cazulsiste3mului APIR se arde un amestec preformat. În locul unei arderi difuzive, multiplefronturi de flacără trec prin zone cu amestec preformat. Arderea amestecului preformatpermite o scădere considerabilă a nivelului fumului din gazele de evacuare.

Dispozitivul APIR este montat în locul unei bujii convenţionale. Volumulantecamerei este stabilit între 0,5-1 cm3, aproximativ 1% din volumul camerei principalede ardere. Antecamera este alimentată printr-o conductă cu un amestec aer-combustibilbogat. Coeficientul de exces de aer pentru antecameră este între 0,48-0,66. au fostfăcute experimente cu diametre ale orificiilor de 0,5-0,8 mm al căror număr a variat între1-9. Toate aceste configuraţii conduc la acelaşi comportament al arderii.

În lumina discuţiei de mai sus, sistemul APIR poate fi definit ca fiind o combinarea unor concepte anterioare cu excepţia utilizării orificiilor de legătură extrem de reduse

între antecameră şi camera principală de ardere pentru a dezactiva complet compuşiiintermediari ai arderii şi expulzarea lor departe în camera principală de ardere.Succesiunea de paşi între declanşarea procesului (scânteia în antecameră) şi procesul

de ardere dorit este redusă comparativ cu cazul motorului cu aprindere princomprimare. Faza de ardere este mai bine asigurată decât în cazul motorului cuaprindere prin scânteie. Astfel conceptul APIR permite combinarea stabilităţii şisensibilităţii la detonaţie reduse a motorului Diesel cu nivelul scăzut de formare afuninginii şi puterii specifice ridicate a motorului cu aprindere prin scânteie.

4.1.4.3. APRINDEREA CU JET DE PLASMĂ

Folosirea amestecurilor puternic sărăcite determină probleme de inflamabilitate aamestecului, în cazul folosirii sistemelor de aprindere convenţionale. O metodă sigurăde a creşte probabilitatea de aprindere a amestecului este creşterea aportului energetical sistemului de aprindere. Folosirea plasmei asigură o creştere semnificativă a energieide aprindere.

Bujia cu plasmă este executată dintr-o bujie normală la care se modifică formaelectrozilor (fig. 4.19). Cel de masă este înlocuit cu o placă metalică cu un orificiu de2mm. Electrodul central este parţial găurit şi ca rezultat se formează în interiorul său unspaţiu cu volumul de 6-9 mm3. Energia folosită (câţiva jouli) este foarte mare încomparaţie cu cea din cazul sistemelor clasice. Se generează astfel un nucleu deplasmă semnificativ mai mare decât în cazul bujiei clasice. Există variante când în

volumul generat în electrodul central se injectează o mică cantitate de combustibil.Ca principale avantaje se pot enumera: reducerea întârzierii la aprindere,

posibilitatea aprinderii amestecurilor sărace şi nu în ultimul rând faptul că implicămodificări minore pentru aplicarea unui motor de serie.

Problema majoră care de altfel a împiedicat folosirea acestui dispozitiv deaprindere în producţia de serie este durabilitatea. Datorită temperaturilor mari şi aenergiei cinetice mari a jetului de plasmă uzura electrozilor, în special a celui de masăeste foarte pronunţată.





INGINERIA ŞI LEGISLAŢIA MEDIULUI 108caracter dinamic cu însemnate variaţii ale parametrilor de control, cu schimbarea de lao fază la alta a condiţiilor optime de desfăşurare a fenomenelor legate de formareaamestecului şi de apariţia autoaprinderii.

Procesele de formare a amestecului şi de ardere pot fi optimizate prin controlulnivelului energetic al aerului, prin intensificarea mişcărilor organizate şi neorganizate(turbulenţă) şi prin caracteristicile procesului de injecţie: injecţie pilot, calitatea jetului de

combustibil, durata de injecţie, legea de injecţie, postinjecţie şi prin cantitatea de gazearse recirculate.Motoarele avansate tehnologic posedă un management electronic care poate

controla procesele de formare a amestecului şi de ardere în funcţie de parametriifuncţionali ai motorului.

4.2.1.1. PROCESUL DE SCHIMB AL GAZELOR

Procesul de schimb al gazelor la motorul cu aprindere prin comprimare poateinfluenţa decisiv procesele ce se desfăşoară în cilindrii motorului (formarea amesteculuişi arderea).

Canalizaţia de admisie determină la nivelul macroscărilor încărcăturii proaspeteintensitatea mişcărilor tangenţiale (de vârtej - swirl) care va influenţa nivelul energetic alprocesului de formare a amestecului aer-combustibil.

Cerinţele de funcţionare optime a motorului impun amplificarea mişcării de vârtejale încărcăturii proaspete la turaţii reduse ceea ce implică utilizarea unui canal deadmisie elicoidal.

Fig. 4.20 Generarea mişcării de vârtej a încărcăturiicu ajutorul canalului de adimise elicoidal.

Creşterea intensităţii mişcării de vârtej prin utilizarea canalului de admisieelicoidal determină mărirea pierderilor gazodinamice şi micşorarea coeficientului deumplere al motorului, în plus, la creşterea turaţiei motorului creşte şi coeficientul devârtej ceea ce poate afecta negativ procesul de formare a amestecului (prinsuprapunerea jeturilor de combustibil).

Asigurarea unui raport de vârtej optim în funcţie de regimul fucnţional almotorului se poate realiza prin utilizarea a două supape de admisie pe cilindru. Una dinsupape este alimentată printr-un canal de admisie tangenţial iar cealaltă printr-un canalde admisie elicoidal




Fig. 4.21 sipunerea canalelor de admisie.

Fig 4.22 Dispunerea supapelor deadmisie şi evacuare pe cilindru

Fig. 4.23 Reglarea raportului de vârtejprin controlul secţiunii canalului

tangenţial.

Modificarea cifrei de vârtej se poate realiza fie prin controlul secţiunii de intrare acanalului de admisie elicoidal fie prin controlul secţiunii canalului tangenţial.

Prezenţa clapetei de control pe traiectul canalelor de admisie determinăscăderea coeficientului de umplere al motorului.



INGINERIA ŞI LEGISLAŢIA MEDIULUI 110 În figura 4.24 se prezintă variaţia raportului de vârtej şi a coeficientului global al

pierderilor gazodinamice în funcţie de ridicarea supapei şi de obturarea unui canal.

Fig. 4.24Influenţa ridicării supapeişi a obturării unui canalde admisie

La nivelul microscărilor incărcăturii proaspete trebuie să se acorde o deosebităatenţie mişcărilor turbulente induse de rugozitatea suprafeţelor canalului de admisie,deforma scaunului supapei şi de supapă. Controlul turbulenţei pe întreaga gamă aregimurilor de funcţionare va avea un impact pozitiv asupra diminuării emisiilor poluanteşi asupra îmbunătăţirii parametrilor de putere şi de consum ai motorului.

O altă măsură tehnică care poate influenţa pozitiv funcţionarea motorului şidiminua emisiile poluante o constituie aplicarea distribuţiei variabile a gazelor.

4.2.1.2. CAMERA DE ARDERELa motoarele Diesel cu injecţie directă s-au utilizat două tipuri de cameră

divizată: antecameră şi camera de turbulenţă (de vârtej). Cu toate că motoarele Dieselcu cameră divizată sunt mai puţin sensibile la imperfecţiunile procesului de formare aamestecului, există numeroase limite ale acestui tip de motor care au condus laperfecţionarea motorului Diesel cu cameră unitară. Aceste limite se referă în primul rândla:

- pierderi mari de căldură prin pereţii camere i de ardere ceea ce impuneutilizarea unor rapoarte mari de comprimare;

- utilizarea unor coeficienţi de exces de aer inferiori motorului cu camerăunitară (consum de combustibil şi emisii de CO2 ridicate);

- posibilităţi reduse de optimizare a proceselor din motor prin utilizarea noilor

dezvoltări tehnologice.Motorului cu injecţie directă, datorită economicităţii ridicate i-au fost aduse îmbunătăţiri constructive care să răspundă normelor de poluare.

Forma camerei de ardere la motorul Diesel cu injecţie directă diferă de la firmă lafirmă şi în cadrul aceleiaşi firme de la un tip de motor la altul în funcţie de caracteristicileconstructive şi de exploatare.

Camerele de ardere întâlnite la motoarele Diesel cu injecţie directă sunt: sferice,cilindrice, pătrate, în formă de "ω".

Predomină totuşi formele de cameră "ω" datorită particularităţilor mişcării încărcăturii proaspete în formă de tor.

Gradul de amplificare al mişcărilor încărcăturii proaspete la sfârşitul cursei de

comprimare depinde de: gradul de deschidere al camerei de ardere definit prin raportuldintre diametrul de intrare al camerei de ardere şi alezajul cilindrului, forma şi înălţimea









INGINERIA ŞI LEGISLAŢIA MEDIULUI 114Fig 4.28Variaţia presiunii de injecţiemaxime în funcţie de turaţiamotorului

Se remarcă faptul căsistemul de injecţie cu rampăcomună oferă presiuni deinjecţie mai ridicate pe

întreaga gamă de funcţionarea motorului şi ca existăposibilităţi de creştere şi de

menţinere la valori ridicate a presiunii de injecţie şi la turaţii reduse de funcţionare alemotorului.Sistemul de injecţie cu rampă comună are o structură mecanică relativ simplă

(fig. 4.29)

Fig. 4.29 Sistemul de injecţie cu rampă comună

P r e s i u n e d e i n j e c t i e m a x i m a [ M P






Combustibilul sub presiune refulat de către pompa de înaltă presiune ajunge înrampa comună. Volumul cuprins în tubulatura dintre pompa de înaltă presiune şiinjectoare (conducta de alimentare a rampei comune, rampa comună, conductele de

alimentare ale injectorului) serveşte drept acumulator de presiune. Acest volum are rolulde a amortiza undele de presiune induse de către pompa de înaltă presiune. O valoareinferioară valorii optime a volumului amplifică undele de presiune induse de cătrepompa de presiune, o valoare superoară valorii optime a volumului măreşte timpul derăspuns la variaţiile de presiune cerute de funcţionarea motorului la regimurile tranzitorii(la un motor cu cilindree de 2l volumul de acumulare este de 30-40 cm3).

Fig. 4.32 Elementele injectorului cu deschidere

electromagnetică

A- orificiu deschis sau închis prin acţionarea

electromagnetului;

P- piston de control;

D- pulverizator;

Z- orificiu pentru alimentarea cu combustibil a

pistonului de control.

Rampa comună este prevăzută cu un senzor piezoelectric care emite un semnalspre unitatea electronică de control (UEC) indicând nivelul de presiune din aceasta.UEC compară valoarea semnalului primit cu valoarea memorată conformă cu regimulde funcţionare al motorului. Dacă valoarea măsurată diferă de valoarea memorată,atunci UEC emite un semal spre regulatorul de presiune al pompei de înaltă presiune,unde un orificiu de descărcare poate fi închis sau deschis după cum presiunea dinrampa comună trebuie mărită sau micşorată.

Sistemul de injecţie cu rampă comună este prevăzut cu injectoare cu deschidereelectromagnetică (fig. 4.32).

Circuitul electromagnetic de deschidere al injectorului este alimentat de către

unitatea electronică de control.









Fig. 4.34 Profilul ridicării acului

injectorului la sistemul cu rampăcomună

Fig. 4.35 Modele ale curbei deridicare a acului injectorului

Noi dezvoltări ale echipamentelor de inejecţie prevăd injectoare de gabarit reduscare au pulverizatoare cu orificii de pulverizare din ce în ce mai mici.

4.2.2 SUPRAALIMENTAREA MAC

Supaalimentarea motoarelor cu aprindere prin comprimare se aplică pentru îmbunătăţirea parametrilor de putere şi consum.

O modalitate eficientă de supraalimentare o constituie utilizareaturbocompresorului.

Îmbunătăţirile tehnologice aduse turbinei cu gaze de presiune variabi lă aucondus la o utilizare eficientă a energiei gazelor arse evacuate din motor pe întreagagamă de regimuri de funcţionare ale motorului.

O primă intervenţie a vizat utilizarea materialelor ceramice pentru rotorul turbinei. Această modificare a permis rducerea inerţiei rotorului şi a dat posibilitatea utilizăriigazelor arse cu un nivel de temperatură mai ridicat.

La motoarele Diesel de turaţie ridicată "acordarea" agregatului desupraalimentare cu motorul este dificilă. Acordarea la regimul de cuplu maximfurnizează pentru regimul de putere nominală presiuni ridicate de supraalimentare caresunt inacceptabile din punctul de vedere al rezistenţei motorului. Acordarea la regimulde putere nominală induce o insuficienţa a debitului de aer livrat de către compresor la

turaţii scăzute şi la regimul cuplului maxim al motorului.Pentru a elimina neajunsurile de acordare s-a introdus supapa de scăpare(waste gate). În acest caz turbocompresorul este acordat la regimul cuplului maxim şi

R i d i c a r e a

a c u l u

R i d i c a r e a a c u l u i [ m m ]







INGINERIA ŞI LEGISLAŢIA MEDIULUI 122Complexitatea compoziţiei chimice a gazelor arse înainte de tratarea lor pe

traseul de evacuare poate fi exemplificată în cazul MAS. Astfel, la acest tip de motoarepot fi evidenţiate următoarele clase de compuşi:

a) Compuşi chimici oxidanţi: oxigen 0,2…2 % vol.; oxizi de azot: NO (0,01…0,4 % vol.), N2O (<100 ppm).

b) Compuşi chimici reducători: monoxid de carbon 0,1…6 % vol.; hidrogen 0,5…2 % vol.; hidrocarburi nearse 0,5…1 % vol..

c) Alţi compuşi: azot 70…75 % vol.; vapori de apă 10…12 % vol.; dioxid de carbon 10…13 % vol.; dioxid de sulf 15…60 % ppm; alţi compuşi în concentraţii ce depind de calitatea aditivilor din combustibil

şi ulei.

5.2. DISPOZITIVE DE TRATARE A GAZELOR DE EVACUARE

5.2.1. REACTORUL TERMIC

Monoxidul de carbon şi hidrocarburile nearse formate în camera de ardere suntparţial oxidate în timpul curselor de destindere şi evacuare.

Reactorii termici sunt dispozitive care, prin menţinerea gazelor de evacuare latemperatură ridicată, favorizează oxidarea CO şi HC din gazele arse. Constructiv,reactorul termic este un colector de evacuare fixat de chiulasa motorului, cu volumulmărit, prevăzut la interior cu un sistem de tuburi care prelungeşte drumul parcurs de

gazele de evacuare prin reactor, în scopul creşterii duratei de menţinere a acestora latemperatură ridicată. Temperatura minimă necesară pentru oxidarea HC şi CO este de600…700 0C, mult mai ridicată decât în cazul conversiei catalitice. Această temperaturănu este atinsă de gazele de evacuare la toate regimurile de turaţii şi sarcini alemotorului. În aceste condiţii, pentru a se realiza reacţiile de oxidare, trebuie să creascătimpul de menţinere la temperaturi ridicate, utilizându-se frecvent soluţii de izolaretermică a reactorului (fig. 5.1).

Fig. 5.1 Construcţia reactorului izolat termic.



CONTROLUL POLUĂRII MEDIULUI 123Reactorul trebuie să aibă o inerţie termică scăzută pentru a se încălzi rapid după

pornirea motorului. Pentru a se asigura acest deziderat, reţeaua interioară de tuburieste realizată din oţel refractar.

Eficienţa reactorului termic depinde de nivelul de temperatură, volumul său şioxigenul rezidual din gazele evacuate. Temperatura atinsă în reactor este influenţată detemperatura gazelor la intrare, de pierderile de căldură şi de cantităţile de HC, CO şi H 2

care sunt arse în interiorul acestuia. Se apreciază că, prin arderea unei cantităţi de COreprezentând 1 % din volumul reactorului, temperatura în reactor creşte cu 80 0C.Reactorul termic are eficienţa maximă la oxidarea CO şi HC rezultate din arderea

amestecurilor bogate, oxigenul necesar fiind furnizat prin injecţie de aer secundar înreactor în proporţie de 10...20%.

Utilizarea amestecurilor sărace la alimentarea motorului nu mai face necesarăinjecţia de aer suplimentar în reactor, cantitatea oxigen din gazele evacuate fiindsuficientă pentru oxidarea compuşilor poluanţi. În acest caz, eficienţa reactorului estediminuată ca efect al temperaturii mai reduse de lucru (cu aproximativ 100 0C).

Prin utilizarea reactorului termic nu se obţine o oxidare totală a cantităţilor de HCşi CO, datorită variabilităţii condiţiilor de funcţionare ale motorului şi imperfecţi-unilor

constructive ale reactorului.

5.2.1.1. DISPOZITIVE PENTRU INJECŢIA AERULUI SECUNDARSistemul implică utilizarea unei pompe (compresor) de aer antrenată de motor

care să trimită printr-o canalizaţie specială un curent de aer în gazele arse din zonasupapei de evacuare. Aerul injectat în fluxul de gaze de evacuare aduce oxigenulnecesar oxidării cantităţilor de HC şi CO care părăsesc cilindrii motorului.

Metoda este eficientă numai în cazul funcţionării motorului cu amestecuri bogateşi în cazul unei temperaturi ridicate a gazelor evacuate.

Sistemul injecţiei de aer adiţional trebuie să întrerupă aportul de aer în timpuldecelerării automobilului, pentru evitarea exploziilor din sistemul de evacuare (posibile

în cazul funcţionării motorului la astfel de regimuri caracterizate de îmbogăţiriaccentuate ale amestecului proaspăt). Întreruperea debitării aerului secundar serealizează printr-o supapă “controlată” de presiunea negativă, prezentă în colectorul deadmisie la închiderea clapetei de acceleraţie; aerul debitat de pompă este direcţionat înacest caz în afara sistemului de evacuare. Pompa de aer este protejată faţă defenomenul întoarcerii flăcării printr-o supapă.

Alte sisteme folosesc fenomenele ondulatorii din colectorul de evacuare pentruaportul de aer suplimentar. Aerul pătrunde în colectorul de evacuare printr-un orificiucontrolat de o supapă cu inerţie redusă, în perioada când unda de presiune se situeazăsub nivelul presiunii atmosferice. Acest sistem este mai puţin eficient decât cel care

foloseşte pompă de aer.Complexitatea constructivă, necesitatea prezenţei sursei de aer secundarantrenată de motor, dependenţa directă a eficienţei reactorului termic faţă de variaţiilecalităţii amestecului aer-combustibil din cilindrii motorului, sunt elemente care audeterminat limitarea utilizării acestuia, preferându-se folosirea convertoarelor catalitice,acestea având în plus şi avantajul diminuării concentraţiei compuşilor poluanţi dingazele de evacuare prin reacţii de reducere (în cazul convertoarelor catalitice cu treicăi).

5.2.2. CONVERTORUL CATALITIC5.2.2.1. BAZELE TEORETICE ALE PROCESELOR DE CONVERSIE CATALITICĂ

Funcţionarea sistemelor de conversie catalitică se bazează pe acţiunea cataliticăa unor metale preţioase (platina, rodiu, paladiu) care sunt capabile să diminuezeenergia chimică necesară reacţiilor de reducere şi oxidare, mărind implicit viteza de



INGINERIA ŞI LEGISLAŢIA MEDIULUI 124desfăşurare a acestor reacţii. Accelerarea catalitică a reacţiilor de oxidare şi/saureducere are loc la temperatura relativ scăzută a gazelor arse, evacuate la diverseleregimuri de funcţionare ale motoarelor cu ardere internă.

Mecanismele reacţiilor chimice care au loc în sistemele catalitice se pot rezumala următoarele scheme:

a) Mecanismul de oxidare a hidrocarburilor

În prezenţa oxigenului şi catalizatorului se poate dezvolta următoarea reacţie:

. (5.1)

b) Mecanismul de oxidare a monoxidului de carbon:

. (5.2)

Se consideră că oxidarea monoxidului de carbon are loc în patru etape:

; (5.3)

(5.4)

; (5.5)

. (5.6)Datorită polarităţii puternice, molecula de monoxid de carbon este absorbită în

stratul de metal nobil al catalizatorului. La o temperatură cuprinsă între 100 şi 200 0Capare o absorbţie a monoxidului de carbon care lasă locul oxigenului, molecula deoxigen disociază şi, la nivelul stratului catalitic, au loc reacţii de oxidare ale monoxiduluide carbon, urmate de absorbţia dioxidului de carbon. Monoxidul de carbon reacţioneazădupă o reacţie de tipul (5.6) finalizându-se astfel procesul de oxidare.

c) Mecanismul reducerii oxidului de azot Din punct de vedere termodinamic, molecula de oxid de azot este instabilă,

exceptând prezenţa acesteia în medii cu temperaturi foarte ridicate. Reacţia dereducere teoretică este de tipul:

22 O21

N21

NO . (5.7)

Viteza de desfăşurare a acestei reacţii exotermice se poate amplifica pe caletermică sau în prezenţa metalelor catalitice. Descoperirea catalizatorului care poateasigura reducerea NO, în prezenţa oxigenului, ramâne o sarcină primordială acercetătorilor din domeniu. Deficienţa principală a materialelor încercate pâna acum(metale preţioase, oxizi, etc.) constă în disocierea moleculelor de NO absorbite decatalizator şi fixarea acestor produşi de disociere pe suprafaţa catalizatorului. Desorbţiaoxigenului format limitează continuarea reacţiilor de reducere. Pentru restaurarea

acţiunii catalitice este necesară ridicarea nivelului temperaturii gazelor de evacuare sauprezenţa unui agent chimic reducator. Agenţii reducători pot fi compuşi chimici care



CONTROLUL POLUĂRII MEDIULUI 125 însoţesc NO în gazele de evacuare (CO, H2, şi hidrocarburi nearse). Hidrogenulmolecular poate rezulta din reacţia CO cu vaporii de apă, în prezenţa catalizatorului:

222 HCOOHCO . (5.8)

Reacţiile de reducere a NO se pot dezvolta dupa următoarele scheme:

; (5.9)

; (5.10)

; (5.11)

; (5.12)

; (5.13)

OH2NH2H5NO2 232 ; (5.14)

. (5.15)

Oxidarea agenţilor reducători CO, HC şi H 2 are loc prin utilizarea oxigenuluirezultat din disocierea NO sau a oxigenului molecular existent în gazele de evacuare. Încazul în care tensiunea parţială a oxigenului molecular depăşeşte substanţial presiuneaparţiala a NO, rata de disociere a NO se diminuează considerabil. Aceasta este cauza

pentru care, cu tehnologiile actuale, nu este posibilă reducerea NO din gazele deevacuare ale motoarelor care funcţionează cu exces de aer (MAS cu amestecuri sărace

şi motoare Diesel) (fig. 5.2).

Fig. 5.2 Oxidarea agenţilor

reducători în catalizator.

La motoarele care funcţionează cu amestecuri bogate, agenţii reducători segăsesc în cantităţi ridicate, iar azotul atomic rezultat din disocierea NO poate reacţiona

cu aceşti compuşi. De nedorit, în urma reacţiilor de reducere poate rezulta amoniac,prin una din următoarele reacţii:







INGINERIA ŞI LEGISLAŢIA MEDIULUI 128excesului de oxigen din gazele de evacuare şi controlul calităţii amestecului pentrufuncţionarea motorului cu 1.

Aditivii adăugaţi în combustibil pot îmbunătăţi rezu ltatele obţ inute în tratareagazelor arse prin sistemul catalitic cu trei căi.

1) Suportul catalizatorului

Suportul sistemului catalitic utilizat la tratarea gazelor de evacuare emise demotoarele autovehiculelor trebuie să răspundă unor cerinţe specifice dintre care celemai importante sunt:

Să permită depunerea stratului catalitic prin minimizarea contactului dintreacesta şi suport, fără ca elementul catalitic să sinterizeze cu materialulsuportului, pentru a nu se diminua eficienţa reacţiilor catalitice. Reacţiilecatalitice au loc la nivelul atomilor din stratul de suprafaţă al depunerii deelement catalitic;

Să inducă un nivel de contrapresiune cât mai redus pe traseul gazelorevacuate prin sistem, pentru a nu diminua semnificativ performanţeleenergetice ale motorului;

Să asigure o cât mai mare suprafeţă de contact între gazele arse şi stratul decompus catalitic, în scopul maximizării eficienţei sistemului;

Să răspundă cât mai bine solicitărilor mecanice şi termice. Structura suportului catalitic poate fi sub formă granulată sau monolitică. Ultimele

construcţii folosesc în exclusivitate structuri monolitice. O asemenea structură esteconstituită dintr-o piesă unică realizată fie din material ceramic fie din metal.

1a) Suportul monolitic ceramicPentru realizarea suportului monolitului ceramic se foloseşte aproape în

exclusivitate cordieritul ( ), cu toate că au fost încercate şi alte

materiale cum ar fi: alumina, titanatul de aluminiu, carbura de siliciu şi altele.Materialele de bază sunt măcinate sub formă de pulbere (cu diametrulparticulelor 50 m) după care acestea sunt încorporate într-un agent liant(metilceluloza sau carboximetilceluloza) cu un lubrifiant (etilenglicol) şi un agent fondant(hidroxizi ai pământurilor alcaline) pentru a favoriza sinterizarea. Amestecul obţinut estesinterizat în forma finală. Structura obţinută este introdusă apoi în cuptorul desinterizare; în faza de presinterizare sunt eliminaţi compuşii volatili, agenţii lianţi şilubrifianţi. Secvenţele la temperaturi ridicate (între 800 şi 1300 la 1450 0C) determinănivelul de porozitate al materialului ceramic pe care se va aplica stratul de materialcatalitic.

Cordieritul are un coeficient de dilatare termică redus ceea ce oferă monolitului

o bună rezistenţă la şocuri termice. Punctul său de topire se plasează în jurul valorii de1450 0C, ceea ce îi permite structurii monolitice să-şi păstreze elasticitatea până latemperaturi de 1300 0C, rezistând astfel rezonabil la solicitările mecanice specificetuturor regimurilor de funcţionare ale motorului.

Monoliţii se extrudează ca volume cilindrice cu secţiunea circulară, eliptică sau“turf”. Canalele de trecere a fluxului de gaze evacuate (secţiune triunghiulară saupătrată) sunt aranjate sub formă de fagure. Volumul monolitului ia valori cuprinse înintervalul [0,2…0,3] dm3 pentru fiecare kW de putere efectivă a motorului. Secţiunea înformă de “turf” se utilizează la motoare cu puteri de până la 100kW, pentru motoare cuputeri mai mari se folosesc doi manoliţi identici montaţi în paralel. Valoarea diametruluisuportului se constituie în factorul principal ce determină nivelul căderii de presiune

pentru un volum dat al monolitului, comparativ cu lungimea canalelor şi numărul decanale pe unitatea de suprafaţă. Micşorarea grosimii pereţilor despărţitori reduce inerţia



CONTROLUL POLUĂRII MEDIULUI 129termică a suportului şi diminuează nivelul presiunii gazelor de evacuare din amontelesistemului catalitic.

Caracteristicile principale ale monoliţilor ceramici sunt următoarele: număr de canale pe cm2 - 46…62; grosime de perete – 0,1, 0,15 sau 0,3 mm; porozitate - 30%;

aria suprafeţei active a canalelor raportată la unitatea de volum – 2,19 sau2,79 m2 / dm3; densitatea materialului ceramic – 1,68 kg / m3; temperatura maximă de exploatare – 1100 0C; mărimea macroporilor – 7000…10000 Å; mărimea microporilor – 70,,,90 Å.

1b) Suportul monolitic metalicMonolitul metalic este realizat din oţel inoxidabil cu conţinut de crom şi aluminiu,

obţinându-se grosimi ale pereţilor canalelor de 40,,,50 m. Se utilizează un oţel aliat, custructură perlitică, inoxidabil, cu o bună rezistenţă la coroziunea indusă de gazele cu

temperaturi ridicate evacuate din motor. Ca efect al conţinutului relativ ridicat dealuminiu (aproximativ 4%) la suprafaţa monolitului se formează un strat protector dealumină rezultată prin oxidare la temperatură ridicată.

Se apreciază că, prin introducerea în compoziţia aliajului a 0,2 - 0,3 % zirconiu,rezistenţa monolitului la solicitări caracteristice oxidării la temperaturi ridicate creşte; se

împiedică, de asemenea, fenomenul desprinderii de particule din structura monolitic ămetalică de bază. Adaosul de calciu are efecte pozitive asupra adeziunii stratului deoxid la suprafaţele canalelor de trecere. În proporţie de aproximativ 0,3 %, introducereaytriului în compunerea aliajului, are ca efect ridicarea durabilităţii materialului supussolicitărilor date de gazele fierbinţi. Deoarece ytriul este un material scump, seutilizează în proporţie de maxim 0,05 %, restul fiind înlocuit de un amestec conţinândpământuri rare şi ceriu.

După recoacere la 12000C, folia de tablă, având compoziţia descrisă mai sus,este ondulată într-un laminor special pentru a i se asigura o configuraţie de suprafaţăsinusoidală sau trapezoidală. Asamblarea foliilor pentru obţinerea structurii principale sepoate realiza fie prin sudură cu flux de electroni, fie prin brazare la o temperatură demaxim 12000C, direct în carcasa suportului. Brazarea este recomandată deoareceprevine deformarea structurii sub acţiunea şocurilor termice. Folia este răsucită în formăde spirală sau sub formă de "3", această ultimă aranjare oferind o mai bună anduranţămecanică.

Aria secţiunii transversale echivalente oferită pentru curgerea gazelor arse creşte

de la 57%, în cazul monolitului ceramic, la 72%, în cazul monolitului metalic. Se reduceastfel, la utilizarea monolitului metalic, contrapresiunea din sistemul de evacuare almotorului, ceea ce determină o îmbunătăţire a performanţelor motorului. Rezultateexperimentale indică un câştig de 4 kW, la o putere iniţială a motorului de 160 kW, încazul folosirii în sistemul catalitic a monolitului metalic.

Spargerea curentului principal de gaze arse, la intrarea în sistemul catalitic cusuport metalic, creşte intensitatea turbulenţei curgerii, ceea ce conduce la un contactmai bun între gazele evacuate şi suprafaţa cu metal catalitic. Efectul final este ocreştere a eficienţei catalizatorului sau o posibilă diminuare a volumului şi greutăţiisuportului.

Principalele caracteristici a le monolitului metalic sunt:

compoziţia materialului - 15 20% Cr, 4 5% Al, 0 2% Şi, 0,1 0,3% Y, restul până la 100%Fe; număr de canale pe cm2 - 62 sau 93;





CONTROLUL POLUĂRII MEDIULUI 131Din cauza prezenţei monoxidului de carbon, activitatea platinei şi paladiului esteinsuficientă în reacţiile de reducere a NOX la N2. Rodiul are o mai mare capacitate de astoca oxigenul, în plus rodiul este imun la efectul de inhibiţie determinat de COproducând şi mai puţin amoniac la funcţionarea motorului cu amestecuri bogate. Rodiuleste foarte sensibil la contaminarea cu plumb şi fosfor. La temperaturi ridicate, rodiulformează RhO3 care se poate combina sub forma unei soluţii solide cu alumina din

suport. Acest oxid are tendinţa de a acoperi cristalele de platină, catalizatorul fiind astfelscos din funcţiune.Ruteniul este considerat drept cel mai bun catalizator de reducere a NO X la N2,

însă el nu este utilizat deoarece formează un oxid volatil în mediul oxidant; acest oxidnu a putut fi încă stabilizat într-un amestec de oxizi.

3) Aditivi catalizatori

În suportul intermediar, precum şi în stratul activ de metale preţioase, se potadăuga o mare varietate de aditivi cum ar fi: Ni, Ce, La, Ba, Zr, Fe, şi Şi. Aceşti aditivirealizează accentuarea efectului catalitic, stabilizarea chimică a suportului şi inhibarea

procesului de sinterizare a metalelor preţioase.Prezenţa nichelului intensifică activitatea platinei şi paladiului la reducerea NO.

Oţelul şi ceriul au efecte asemănătoare cu cele ale nichelului, ele previn sinterizareaaluminei din stratul intermediar şi diminuează intensitatea reacţiilor dintre rodiu şialumină. Lantariul, adăugat paladiului, îmbunătăţeşte procesul de reducere a NO într-un mediu reducător. Siliciul are bune proprietăţi de inhibare a reacţiilor de sinterizare alealuminei şi oxidului de ceriu. Lantariul previne desprinderea cristalelor de platină.

Încorporarea rodiului în suport de ZrO 2 pe matrice acoperită cu y Al2O3 previnedifuzia rodiului în alumină.

4) Tehnologia de obţinere a convertorului catalitic

4a)Stratul intermediar

O zonă de canal se prezintă în secţiune în figura 5.5

Fig. 5.5

Depunerea stratului intermediar.

Aria suprafeţei canalelor oferite atâ t de suportul ceramic cât şi de suportulmetalic este insuficientă pentru aplicarea stratului activ de metale preţioase. Pentru a semări suprafaţa de depunere a catalizatorului, pereţii canalelor sunt îmbrăcaţi cu unmaterial intermediar care de cele mai multe ori este alumina. Masa stratului intermediardepus reprezintă 5…20% din masa suportului iar aria suprafeţei canalelor este

amplificată cu un factor de aproximativ 100.Principalul factor îl constituie proprietăţile de adeziune ale stratului intermediar lamaterialul suportului, deoarece se elimină riscul spargerii şi detaşării în timp a stratului



INGINERIA ŞI LEGISLAŢIA MEDIULUI 132activ. Este necesar ca mărimea coeficientului de dilatare al materialului suportului şi alstratului intermediar să nu difere prea mult.

Stratul intermediar se aplică în trei etape: pregătirea lichidului precursor pentruacoperire; imersia suportului în acest lichid; uscarea şi sinterizarea combinaţieiprecursoare pe suport. Lichidul precursor este un amestec de Al 2(OH)5Cl, hidrosoli dealumină şi posibili oxizi de siliciu sau zirconiu sau acest lichid precursor este o

suspensie apoasă de y alumină. Adeziunea suspensiei la suport poate fi îmbunătăţităprin adăugarea unor aditivi cum ar fi: silicat de sodiu, proteine, răşini sintetice, acesteaputând fi adăugate în soluţie sau să fie aplicate pe suprafaţa canalelor înainte deaplicarea soluţiei precursoare. Adăugarea la suspensia precursoare de nitrat dealuminiu îmbunătăţeşte adeziunea particulelor suportului prin descompunere cândtemperatura creşte la aproximativ 500°C. Adaosul de CeO2 (4,5 % din greutateastratului precursor) şi de BaO (<1% din greutatea suportului) reduce procesul desinterizare al aluminei şi dispersia metalului preţios depus. Aceste adaosuri determinădiminuarea la jumătate a cantităţii de metal preţios depus.

Dublarea cantităţii specifice a materialului precursor produce o creştere uşoară acăderii de presiune în convertor dar rata de conversie a CO şi NO x creşte şi se

îmbunătăţesc calităţile de anduranţă datorită prezenţei de CeO2 datorită scăderiioxigenului.

În anumite reţete se incorporează în suport până la 7% Ce şi 7% La dingreutatea suportului.

Stratul intermediar se depune prin imersia suportului în soluţia precursoare sauprin injecţia soluţiei precursoare în canalele suportului. Surplusul de soluţie precursoareeste eliminat prin canalele monolitului cu ajutorul aerului comprimat sau princentrifugare. Stratul precursor este uscat cu un curent de aer având temperatura de100…150°C care parcurge canalele monolitului.

La monolitul metalic este necesar ca suprafeţele canalelor să fie bine degresatepentru ca stratul intermediar să adere la suprafaţa metalică. Anumite tehnologii prevădpentru îmbunătăţirea stratului intermediar oxidarea suprafeţelor metalice ale monolitului.

4b) Stratul activCatalizatorul platină-paladiu se depune în raport de 15:1 până la 3:1.Tehnologiile de depunere se adoptă în funcţie de suprafeţele suportului pentru a

se asigura eficienţă maximă.După ce stratul intermediar a fost depus pe suprafeţele canalelor monolitului

stratul activ se depune prin cufundare sau injecţie utilizând o soluţie de metale preţioase(de exemplu: H2PtCl6, PdCl2, Rh(NO3)3 şi RhCl3) sau soluţii pe bază de acetonăconţinând (n-butil4N)2Rh(CO)2Br 8 sau H2PtCl6-6H2O.

În timpul uscării este necesar ca particulele active să fie fixate pe suprafaţăpentru a preveni migrarea acestora spre capătul canalului. Aciditatea mediului deimpregnare influenţează adâncimea de pătrundere a catalizatorului în suport.

Adâncimea de pătrundere trebuie să fie redusă pentru a se obţine o suprafaţă despălare cu gaze arse a cristalelor de metal preţios cât mai mare, însă această penetraretrebuie să fie suficientă pentru a preveni desprinderea cristalelor prin abraziune şi princontactul cu plumbul şi fosforul.

Pentru a reduce sărurile la stadiul metalic, platină/paladiu este necesar ca princanale să treacă în curentul de H 2/H2O la 75°C. alte tehnici prevăd ca prin canale sătreacă un curent de H2S pentru a fixa metalele preţioase pe suprafaţa canalelor într-oformă coloidală de precipitat de sulfiţi care apoi sunt descompuşi termic.

Aditivi cum ar fi nichelul sunt adăugaţi sub formă de nitraţi în soluţii apoase şidupă această operaţie urmează operaţia de calcinare pentru a ajunge la stareametalică.



CONTROLUL POLUĂRII MEDIULUI 133Există şi tehnologii care prevăd depunerea stratului intermediar şi activ simultan

sub formă de hidrosol amestecat cu precursori catalitici însă o parte din cristalele activesunt acoperite de stratul intermediar şi eficienţa de conversie poate fi mai redusă.

4c) Montarea suportului în carcasă

Suportul impregnat cu cristale de metale preţioase este montat într-o carcasămetalică destinată protejării. Carcasa se confecţionează din oţel inoxidabil refractaraustenitic sau feritic. Carcasa se obţine din două semicarcase realizate prin presare.

Convertorul catalitic se poziţionează pe conducta de evacuare ţinând seama căsuportul trebuie să se încălzească cât mai repede după pornire rezultând o amplasarecât mai apropiată de motor, însă ţinând seama de nivelul de temperatură atins (800-900°C) el trebuie depărtat de motor la o distanţă de siguranţă.

Pentru a se încălzi rapid carcasa convertorului poate fi dublă, între cele douăcarcase fiind plasat material izolant.

Suportul metalic este fixat direct de carcasă. Carcasa, la ambele tipuri de suport,trebuie să direcţioneze uniform gazele către monolit pentru a se obţine o rată de

conversie optimă.

Fig. 5.6 Montarea monolitului

5.2.2.4. TEMPERATURA DE INTRARE IN ACTIVITATE A MATERIALULUI

CATALITIC

La temperatura mediului ambiant convertorul catalitic nu acţionează asuprapoluanţilor emişi de către motor. Catalizatorul trebuie să atingă temperatura minimă defuncţionare, cuprinsă între 200 şi 300 °C. Până la atingerea temperaturii de funcţionare,emisiile sunt deversate în atmosferă fără a fi supuse procesului de converie completă.

Timpul necesar convertorului catalitic pentru a atinge eficienţa de conversiedepinde de:

- proprietăţile catalizatorului: formula şi starea lui (stadiul de oxidare, prezenţadiferiţilor compuşi pe suprafaţa sa);

- compoziţia gazelor de evacuare;- căldura conţinută de gazele de evacuare care depinde de: raportul aer-

combustibil, avansul la aprindere, căldura transferată la pereţi pe timpulevacuării, distanţa de la colectorul de evacuare la convertor şi caracteristicile



INGINERIA ŞI LEGISLAŢIA MEDIULUI 134convertorului (geometrie, capacitate termică, izolare termică, conductivitatetermică);

a) Influenţa catalizatoruluiLa catalizatoarele de oxidare paladiul are o temperatură mai scăzută de intrare în

funcţiune decât platina. În convertoarele cu trei căi, combinaţia Pt/Rh reducetemperatura de acţionare faţă de combinaţiile Pt/Pd, Pd/Rh sau Pt/Pd/Rh. Temperatura

de intrare în funcţionare descreşte şi la creşterea dispersiei platinei pe suprafaţacanalelor monolitului. Acelaşi efect se obţine şi prin creşterea concentraţiei de metalepreţioase.b) Acţiunea aditivilor materialului suportului

Aditivii materialului suportului inhibă sinterizarea metalelor preţioase, înceti -nesc îmbătrânirea acestora şi coboară temperatura de intrare în funcţiune a catalizatorului. Această temperatură se diminuează aproape liniar cu conţinutul CeO 2, în special dacăparticulele de oxid sunt mai mici. Alţi aditivi sunt utilizaţi pentru a mări capacitatea destocare a oxigenului (Fe2O3) sau pentru a stabiliza metalele active (oxizii pământurilorrare) şi a coborî temperatura de funcţionare.c) Influenţa compoziţiei gazelor arse

La pornirea motorului, prin convertorul catalitic curg gazele arse care au unconţinut variabil de CO, O2, NO şi HC care depinde de gradul de îmbogăţire alamestecului aer-combustibil, temperatură şi presiunea mediului ambiant. Un conţinutridicat de oxigen şi o concentraţie scăzută de CO în gazele arse (gazele de evacuareale MAC) coboară temperatura de oxidare a catalizatorului.

Compoziţia hidrocarburilor nearse variază în funcţie de procesele care au loc încilindrii motorului şi în funcţie de compoziţia combustibilului utilizat. Prezenţahidrocarburilor olefinice în gazele de evacuare reduce temperatura de intrare înfuncţiune a materialului activ.

Reacţia catalizatorilor la aceşti factori nu este sistematică şi ea depinde deformula de material activ şi de starea de îmbătrânire a acestuia.d) Influenţa raportului aer-combustibil

La un catalizator de oxidare Pt/Pd, fără utilizarea de aer adiţional sau aamestecurilor sărace, temperatura de intrare în funcţiune a acestuia creşte cu gradul de

îmbogăţire al amestecului la pornire. Acest efect este mai puţin important la convertoarele catalitice care conţin rodiu

(Rh), deoarece rodiul este mai puţin sensibil la conţinutul de CO decât Pt şi Pd. La unconvertor de oxidare cu Pt, la creşterea conţinutului de CO de la 0,5% la 7%temperatura pentru a obţine 50% conversie creşte de la 160 °C la 300 °C.

Pe lângă CO, şi hidrocarburile nearse pot exercita un efect variabil de inhibiţiecare depinde de compoziţia lor.

Controlul rapid al dozajului prin senzorul de oxigen face posibilă menţinereacatalizatorului în limitele de funcţionare eficientă.e) Influenţa suprafeţei catalizatorului

Depozitele de metale şi metaloizi (Pb, P, S, Zn) au un efect ireversibil.Cumularea efectelor termice (sinterizare) cu depozitele de impurităţi conduc la o mărireprogresivă a temperaturii de intrare în funcţiune a materialului activ.f) Influenţa tipului suportului şi poziţia în instalaţia de evacuare

Pentru a atinge temperatura de intrare în funcţiune a catalizatorului într-un timpcât mai scurt după pornirea motorului rece, convertorul catalitic trebuie să fie amplasatcât mai aproape de colectorul de evacuare, trebuind să aibă o capacitate termicăscăzută. De cele mai multe ori însă, aceste condiţii sunt contraindicate datorită riscului

supraîncălzirii convertorului la funcţionarea motorului la sarcină plină. La sistemelecatalitice pe bază de Pt/Rh, temperatura gazelor arse nu trebuie să depăşească 950 °C,



CONTROLUL POLUĂRII MEDIULUI 135datorită avantajelor plasarea lângă colectorul de evacuare fiind aleasă în acest caz deconstructorii de autovehicule.

O soluţie de compromis o constituie separarea convertorului catalitic în douăcomponente: un miniconvertor cu capacitate termică redusă care este amplasat cât maiaproape de colectorul de evacuare unde este încălzit rapid şi atunci se iniţiază oxidareaCO şi HC iar în aval se amplasează convertorul catalitic principal.

Convertoarele cu monoliţi metalici, datorită rezistenţei mari la supraîncălzire pot fiamplasate cât mai aproape de motor.O altă soluţie combină un microconvertor ca monolit amplasat în colectorul de

evacuare cu un monolit ceramic amplasat pe traiectul de evacuare pentru a se evitasupraîncălzirea acestuia la funcţionarea motorului la sarcini mari.

Fig. 5.7 Amplasarea convertorului catalitic

Pentru a aduce convertorul la temperatura de funcţionare se prevăd sisteme

electrice de încălzire a acestuia înainte de pornirea motorului. Între monolitul ceramic al convertorului catalitic şi carcasa acestuia, pentruprotecţia contra vibraţiilor, se amplasează un strat de fibre minerale care poate juca şirolul de izolaţie termică pentru intrarea rapidă în funcţiune a materialului activ. În altecazuri se poate izola termic conducta de legătură dintre colectorul de evacuare şiconvertorul catalitic.

O altă metodă prin care se obţine intrarea rapidă în funcţiune a convertoruluicatalitic după pornirea la rece utilizează insuflarea de aer adiţional în aval de supapelede evacuare pe durata cât motorul funcţionează cu amestecuri bogate. Pompa de aereste scoasă din funcţiune după ce temperatura de funcţionare a convertorului a fostatinsă.

Încălzirea convertorului catalitic se poate realiza şi prin utilizarea unui arzător cuflacără plasat în faţa convertorului şi care este pornit cu 1 până la 3 s înaintea porniriimotorului. Funcţionarea arzătorului este de aproximativ 20 s şi necesită 50 - 90 mlbenzină iar convertorul catalitic se încălzeşte până la 350 °C.

Intrarea rapidă în funcţiune a catalizatorului se poate obţine şi prin încălzireaaerului admis în colector (la 40 - 55 °C). Elementul de încălzire este deconectat cândlichidul de răcire atinge o temperatură cuprinsă între 60 şi 65 °C.

O altă metodă prevede întârzierea aprinderii care determină arderea amestecului în destindere ceea ce va conduce la creşterea temperaturii gazelor arse. Metoda secombină cu insuflarea de aer adiţional care conduce la postarderea HC şi care

încălzeşte convertorul catalitic rapid.








OH6 N5 NO6 NH4 223 (5.24)

(5.25)

(5.26)

OH6 N4O3 NO4 NH4 2223 (5.27)

OH6 N2O3 NH42223

(5.28)

OH3O NO2 NH2 2223 (5.29)

OH6 NO4O5 NH4 223 (5.30)

Reacţiile de la (5.24) la (5.28) reprezintă reducerea selectivă a oxidului de azotiar reacţiile de la (5.29) la (5.30) sunt considerate reacţii secundare şi nu sunt dorite.Compusul N2O nu este dorit deoarece contribuie la efectul de seră.

Pentru reducerea emisiilor de NO x la motorul Diesel prezintă interes numaireacţia (5.26) care are loc în gama de temperatură cuprinsă între 300 şi 380 °C. Latemperaturi superioare acestui interval, în prezenţa oxigenului au loc cu preponderenţă

reacţiile (5.24), (5.28) şi (5.30).Utilizarea catalizatorului din V2O5 cu agent reducător amoniac este limitată degama îngustă de temperatură la care au loc reacţiile de reducere şi vitezele spaţialereduse (6000…10000 h-1).

Catalizatorii din zeolit utilizează amoniac realizează conversia NO x independentde concentraţia de oxigen pe întreaga gamă de temperatură. În plus, zeoliţii au o marecapacitate de a absorbi amoniacul şi în acest fel convertorul stochează o cantitaterelativ ridicată de agent reducător. Stocarea unei cantităţi ridicate de amoniac dar

întârzie intrarea în funcţiune a catalizatorului la temperaturi reduse.Procesul de reducere catalitică selectivă poate avea loc utilizând în locul

amoniacului care este toxic ureea care este mult mai sigură.

La temperaturi mai reduse de 160°C stratul de uree se descompune şihidrolizează după următoarele reacţii:

CO NH2 NHCO NH 222 (5.31)

23222 CO NH2OH NHCO NH (5.32)

Descompunerea termică este confirmată de faptul că se dezvoltă CO iar NO x sereduce. Radicalul reactiv NH2 poate reacţiona cu NO după ecuaţia:

OH N NO NH 222 (5.33)

Amoniacul format reacţionează cu NO după reacţiile (5.24) la (5.28).Prin utilizarea ureei ca agent reducător NO poate fi redus până la 100% în gama

de temperaturi de 300-350 °C. Amoniacul nu este singurul agent reducător, radicalulNH2 sau alte produse intermediare rezultate din descompunerea ureei cum ar fi acidulcianuric, acidul cianic, cianatul de amoniu şi alte amine şi amide pot participa în reacţiilede reducere.

Reducerea NOx este direct proporţională cu cantitatea de uree dată pa întreagagamă de temperatură de funcţionare. Peste 90% din oxizii de azot sunt reduşi când seutilizează un raport uree/NO x=0,5.

Cercetări experimentale au demonstrat că utilizarea unui monolit de zeolit poatereduce 50% din emisia de NOx la o viteză de deplasare a autovehiculului de 80km/h şila un raport uree/NOx=0,4 la temperatura de 320 °C.





INGINERIA ŞI LEGISLAŢIA MEDIULUI 140HBr la un nivel de temperatură al gazelor arse de 700 - 780 °C, clorurile si bromurileformate condensându-se la temperaturi cuprinse între 200 şi 300 °C.

Pe timpul transferului, particulele sau depozitele de PbO pot reacţiona cu oxiziisulfului sau fosforului.

În funcţie de nivelul de temperatură, plumbul (PbO, PbCl 2, PbBr 2) poate atingesuprafaţa catalizatorului în stare de vapori sau sub formă de particule (PbO, PbSO 4,

Pb3(PO4)2) fine, formate în masa gazelor arse sau particule desprinse de pe pereţiitubulaturii de evacuare.Vaporii compuşilor de Pb pătrund adânc în porii masei catalitice în timp ce

particulele rămân la suprafaţă. Când gazele arse conţinând produşii de ardere şiamestecul de compuşi ai plumbului ating catalizatorul, se desfăşoară următoareleprocese:

Combinarea plumbului cu elementele catalitice active, formând aliaje plumb -metal preţios, activitatea catalitică a metalului preţios diminuându-secorespunzător cu conţinutul de plumb;

Inhibarea reacţiilor de oxidare prin absorbţia preferenţială de către materialulcatalitic a compuşilor halogenaţi;

atacarea chimică a metalelor preţioase de către acizii halogenaţi cauzândpierderi de material activ;

accelerarea sinterizării metalelor preţioase; efecte mecanice rezultate din acumularea depozitelor de plumb la suprafaţa

catalizatorului (înfundarea porilor, distrugerea suportului).Printre reacţiile care contribuie la fixarea plumbului pe catalizator, cele mai

importante le constituie formarea sulfaţilor şi oxisulfaţilor:PbCl2 + SO3 + H2O → PbSO4 + 2HCl (5.36)PbO + SO3 → PbSO4 (5.37)nPbO + PbSO4 → nPbO, PbSO4 (5.38)

Reacţiile au loc datorită faptului că prezenţa catalizatorului facilitează reacţia deformare a SO3.

SO2 + 1/2 O2 → SO3 (5.39)

Stratul de sulfat de plumb se formează la temperaturi în jur de 550 °C şi se poatesparge în jurul temperaturii de 600 °C, ceea ce conduce la restabilirea parţială aactivităţii catalitice de oxidare a HC şi CO.

Altă reacţie care participă la fixarea plumbului este:nPbO + PbCl2 → nPbO, PbCl (5.40)

Oxidul de plumb poate reacţiona cu oxizii fosforului:3(PbO) + P2O3 → Pb3(PO4)2 (5.41)

La temperaturi ridicate, o parte din speciile formate la temperaturi joase se potdescompune iar produşii sunt emişi în atmosferă sau sunt absorbiţi de către suportulconvertorului după reacţia:

PbO + Al2O3 → PbAl2O4 (5.42)

Efectul dăunător al plumbului poate fi datorat acoperirii catalizatorului sau înfundării porilor suportului. La o depunere moleculară (≤ 1% PbO) la oxidarea CO nu-şimanifestă efectul dăunător, din contră, poate coborî temperatura de intrare în funcţiune

a catalizatorului. Depăşirea unui singur strat molecular de plumb va duce la inhibareareacţiilor de conversie a CO. În cazul concentraţiilor ridicate (peste 5%) de PbO rata deconversie a CO este inhibată de înfundarea porilor.





INGINERIA ŞI LEGISLAŢIA MEDIULUI 142- combinată;- mecanică;

d) după periodicitatea regenerării:- periodică;- continuă;

Filtrele de particule destinate autovehiculelor trebuie să îndeplinească o serie de

cerinţe impuse de funcţionarea motoarelor cu ardere internă. Dintre aceste cerinţe, maiimportante sunt următoarele:- eficienţă ridicată;- rezistenţă aerodinamică redusă;- rezistenţă la solicitări mecanice şi vibraţii;- cost relativ redus.

5.2.5.1. MECANISMELE FILTRĂRII În f iltrele de particule au loc trei procese a le gazelor arse:- difuzia;- intercepţia;

- impactul inerţial.

Fig. 5.8 Mecanismele filtrării

La reţinerea prin difuzie, particulele sunt suficient de mici pentru a intra înmişcare browniană prin ciocnirea cu moleculele de gaz. Particula este reţinută cândajunge în contact cu suprafaţa fibrei sau porului.

În cazul în care particula este suficient de mare pentru a nu mai fi supusă

mişcării browniene dar prea mică pentru a avea inerţie proprie, este reţinută prinintercepţie. Particula urmăreşte curentul de gaze şi este capturată dacă curentul degaze cade pe suprafaţa porilor sau fibrelor.

Particulele mari, având suficientă inerţie, nu mai urmăresc curentul de gaze cândacesta este deviat de suprafaţa fibrelor sau porilor. Particula este capturată, prin impact,pe suprafaţa care a determinat devierea curentului de gaze.

Aceste trei mecanisme acţionează diferit în funcţie de mărimea particulei, vitezaaerosolului şi diametrul porilor şi fibrelor. Reţinerea prin difuzie este predominantă încazul particulelor mici, la un curent de gaze de viteză redusă şi cu un timp de rezidenţă

în filtru lung. Intercepţia particulelor este mai eficientă când raportul dintre mărimeaparticulelor şi mărimea porilor sau fibrelor, creşte. Reţinerea prin impact inerţial este maieficientă la debite mari de gaze şi particule de dimensiuni mari.5.2.5.2. FILTRUL CU RETINERE MECANICA



CONTROLUL POLUĂRII MEDIULUI 143Principiul filtrului cu reţinere mecanică constă în trecerea gazelor de evacuare

prin interstiţiile materialului filtrant unde particulele de dimensiuni mai mari pot fi reţinutela intrarea în interstiţii iar particulele de dimensiuni reduse pot fi reţinute pe suprafaţainterstiţiilor sau în spaţiile oferite în interiorul materialului filtrant prin inerţie, laschimbarea sensului de curgere al microdebitelor de gaze arse. Dintre cele mai utilizatemateriale pentru construcţia filtrelor cu reţinere mecanică sunt filtrele ceramice şi filtrele

metalice.

a) Filtrul ceramicFiltrele din material ceramic pot fi construite sub formă de monolit, spumă şi fibre

ceramice.Filtrul monolit ceramic se aseamănă din punct de vedere constructiv cu monolitul

convertorului catalitic cu trei căi. Monolitul ceramic are secţiunea transversală circularăsau ovală şi aspect de fagure datorită canalelor longitudinale de secţiune pătrată care îlstrăbat. Materialul utilizat este cordieritul.

Fig. 5.9 Filtrarea prin monolit ceramic

Canalele longitudinale sunt obturate alternativ cu capace din material ceramicpentru ca gazele arse să fie obligate să treacă prin pereţii despărţitori poroşi. Grosimeapereţilor despărţitori ai canalelor este mai mare decât la monolitul convertorului catalitic.

Mărimea porilor pereţilor despărţitori influenţează eficienţa de reţinere care sepoate situa între 40% şi 90%.

În timpul funcţionării, particulele se depun pe suprafaţa canalelor şi în interiorulporilor, determinând creşterea contrapresiunii în amonte de filtru ceea ce determină lascăderea performanţelor energetice şi de consum ale motorului. În aceste condiţii, filtrul ,periodic trebuie supus procesului de regenerare.

Filtrul din spumă ceramică este realizat sub formă de monolit din SiC sau

cordierit. Acest filtru are pori cu mărimea diametrului cuprinsă între 250 şi 500 μm careau formă de canale în adâncime, unele din ele fiind obturate la capăt. Gradul de reţinereeste scăzut (60-70%). Pentru a reduce căderea de presiune în filtru şi a uniformizadistribuţia masei de funingine colectate, canalele înfundate sunt direcţionate în lungulmonolitului din spumă ceramică. Această structură asigură o distribuţie mai bună aflăcării pe timpul regenerării. Acest filtru este confecţionat din spumă poliuretanicăimpregnată cu o pastă ceramică.

Spuma microporoasă poate fi realizată şi din cordierit ca matrice şi întărită cu unamestec ceramic denumit mullit (3Al2O3 - 2SiO2). Filtrul este prevazut la ieşirea gazelorcu o membrană de cordierit/mullit pentru a se preveni emisia de particule la încărcareafiltrului înaintra regenerării. Eficienţa acestui tip de filtru este de 70 -75%.

Filtrele ceramice din fibre ceramice neţesute utilizează fibre acoperite cu răşini.Structura oferă un număr mare de pori fini (diametrul 10 μm), distribuiţi pe o suprafaţă şiadâncime mari. Cartuşul filtrant se obţine prin înfăşurarea firelor realizate din fibre



INGINERIA ŞI LEGISLAŢIA MEDIULUI 144ceramice pe o conductă din material ceramic sau oţel prevăzută cu orificii pentrutrecerea gazelor arse. Grosimea înfăşurării de fire ceramice este de 10-12 mm. Gazelearse traversează înfăşurarea din fibre ceramice, particulele fiind reţinute în porii oferiţide aceasta deoarece conducta pe care se găseşte înfăşurarea este înfundată la capătulde ieşire .

Acest filtru rezistă mai bine la şocurile termice comparativ cu monolitul ceramic.

Curentul de gaze arse străbate înfăşurarea de fire ceramice dinspre exterior spreinterior. Eficienţa filtrului este mai mare de 80%.La construcţia elementului filtrant ţesut se utilizează fibre ceramice care folosesc

ca materiale carbonul, carbonul activ, sticla, oxizii de aluminiu, carbura de siliciu şimateriale ceramice.

Elementul filtrant se realizează prin ţesere sau tricotare din care rezultă ostructură volumică cu pori deschişi după care împletitura este pliată spiralat sau rulat.

Filtrul ceramic din fibre ceramice prezintă o serie de avantaje care îl recomandăa fi utilizat la autovehicule: rezistenţă la temperaturi ridicate, eficienţă ridicată dereţinere a particulelor de dimensiuni mici, reţinere uniformă a particulelor, rezistenţă laşocuri termice, macanice şi vibraţii, efect de reducere a zgomotului şi uşurinţa

regenerării.O soluţie care răspunde cerinţelor impuse filtrelor de particule o constituie

confecţionarea sub formă de cartuş filtrant din hârtie ceramică.

b) Filtrul metalic porosFiltrele metalice, pentru a rezista acţiunii corozive a gazelor arse, se construiesc

din aliaje Ni-Cr. Filtrul este alcătuit din mai mulţi cilindri concentrici, din aliaj Ni-Cr poros.Prin alegerea de diferite mărimi ale porilor pereţilor cilindrilor care alcătuiesc

filtrul (pori mari la cilindrii de intrare a gazelor arse) se pot atinge performanţele defiltrare ale filtrelor ceramice.

Filtrele ceramice prezintă avantajul unei rezistenţe sporite la şocuri termice şimecanice, asigurându-se o durabilitate suficientă de exploatare.

O altă soluţie o constituie filtrul de particule realizat din fibre metalice din oţelinoxidabil acoperite cu y-alumină. Eficienţa acestui tip de filtru este cuprinsă între 68%şi 80%.

5.2.5.3. FILTRUL DE PARTICULE ELECTROSTATICFiltrarea electrostatică este aplicată cu succes în industrie pentru reţinerea

prafului. Tehnologia de filtrare electrostatică poate fi aplicată şi la filtrarea gazelor deevacuare. pentru reţinerea şi coagularea particulelor emise de motor

Pentru a se evita generarea de noi poluanţi datorită actiunii unui câmp electric

adiţional (efect Corona) care se aplică în amontele filtrului pentru a încărca electricparticulele, este necesar să se utilizeze numai încărcarea electrică naturală aparticulelor. S-a demonstrat că mai mult de 80% din masa de particule emise sunt

încărcate electric. Particulele emise de motor sunt uscate şi în acest caz este posibil carata de reţinere a acestora să se situeze între 70% şi 90%. Tensiunea electrică care seaplică este de 4000V.

Sistemele de reţinere electrostatică trebuie să elimine scurtcircuitul datoratdepunerilor de carbon.

5.2.6. REGENERAREA FILTRELOR Particulele emise în gazele de evacuare de motorul Diesel conţin în principal

particule de carbon (funingine). Motorul Diesel funcţionând cu amestecuri aer-combustibil sărace (λ>1), determină existenţa unei cantităţi de oxigen în gazele deevacuare. În cazul în care temperatura gazelor este suficient de înaltă, particulele emise



CONTROLUL POLUĂRII MEDIULUI 145sunt oxidate pe traiectul evacuării. Însă, cum motorul autovehiculelor funcţionează într-omultitudine de regimuri (turaţie şi sarcină), şi temperatura gazelor de evacuare se vasitua într-o gamă largă.

La valori reduse ale temperaturii gazelor arse, particulele se acumulează în filtreşi determină creşterea contrapresiunii de evacuare. Pentru a reda filtrului capacitateade funcţionare, funinginea trebuie îndepărtată, proces care poartă denumirea de

regenerare a filtrului. Metodele utilizate pentru regenerare sunt:- regenerare termică - la care temperatura gazelor trebuie să se situeze între550 şi 600 °C, pentru oxidarea depozitelor de funingine;

- regenerare chimică - prezenţa materialelor catalizatoare permitedesfăşurarea reacţiilor de oxidare la temperaturile gazelor arse;

- regenerare mecanică - prin suflare cu aer comprimat.Regenerarea filtrelor le menţine în funcţiune prin oxidarea particulelor

combustibile, pe durata unui parcurs cuprins între 100000 şi 150000 km. După aceastăperioadă filtrul trebuie înlocuit din cauza creşterii ireversibile a căderii de presiune dinfiltru datorate înfundării cu materiale necombustibile (cenuşă minerală). Această cenuşă

îşi are originea în aditivii metalici ai lubrifiantului şi în sulful conţinut în combustibil.

Pentru a menţine durata de viaţă a filtrelor este necesar să se utilizeze combustibil cuconţinut redus de sulf şi lubrifiant, care prin ardere nu dau cenuşă.

Trebuie avut în vedere la alegerea filtrelor de particule ca acestea să nuacumuleze o cantitate ridicată de particule deoarece se prelungeşte timpul deregenerare iar căldura care apare în filtru la oxidarea funinginii îl poate distruge.

La motoarele turbosupraalimentate, pentru a menţine filtrul la un nivel ridicat detemperatură şi pentru a preveni răcirea gazelor arse prin destinderea în turbină, filtrul semontează între motor şi turbina cu gaze. Aceasta schemă de amplasare a filtrului poateconduce la deteriorarea turbinei în cazul în care elementul filtrant este distrus. Deaceea, sunt fabricanţi care pentru siguranţă amplasează filtrul după turbină, utilizândmetode adiţionale de ridicare a temperaturii gazelor arse pentru a iniţia oxidareaparticulelor.

5.2.6.1. REGENERAREA TERMICAMetodele de ridicare a temperaturii gazelor de evacuare pentru desfăşurarea

reacţiilor de oxidare a depozitelor de particule din filtre se pot împărţi în do uă categorii: metode care ţin de motorul cu ardere internă; metode care aduc un aport de energie.

Metodele care se aplică motorului cu ardere internă pentru ridicarea temperaturiigazelor de evacuare sunt:

- funcţionare la sarcină plină la turaţii ridicate;

- întârzierea injecţiei;- încălzirea aerului admis în motor;- aplicarea unui sistem în care gazele arse să ocolească turbosuflanta iar aerul

de admisie să ocolească răcirea intermediară;- obturarea admisiei;- obturarea evacuării;

Metodele cu aport de energie termică sunt:- electrică:

- cu rezistenţă electrică;- microunde;- electrostatic;

- cu arzător - cu combustibil lichid sau gaz;- prin amplasare, în amontele filtrului de particule, a unui convertor cataliticde oxidare;



INGINERIA ŞI LEGISLAŢIA MEDIULUI 146Regenerarea termică pune probleme în ceea ce priveşte stabilitatea termică.

Aceste probleme sunt evitate utilizând pentru filtre materiale cu coeficient mic dedilatare. Elementul filtrant este supus la solicitări de oboseală termice şi mecanice.

Regenerarea termică necesită un conţinut de oxigen suficient şi un nivel detemperatură relativ ridicat pentru a realiza oxidarea particulelor reţinute în filtru. Nivelulde temperatură la care are loc regenerarea este în funcţie de conţinutul de oxigen. O

temperatură ridicată necesită un conţinut de oxigen mai redus (570 °C pentru 6% O 2 şi750 °C pentru 2% O2). Minimul nivelului de temperatură la care are loc activareareacţiilor de oxidare a funinginii este de 570 °C.

În cazul motorului supraalimentat cantitatea de oxigen din ga zele de evacuareeste mai mare decât la motorul cu aspiraţie naturală.

Pe timpul regenerării, condiţiile de funcţionare a motorului nu trebuiescschimbate brusc pentru a nu modifica temperatura şi debitul gazelor arse care trec prinfiltrul de particule.

În cazul monolitului ceramic apar dificultăţi în regenerarea termică deoareceoxidarea funinginii din partea de intrare în filtru determină ridicarea temperaturii gazelorcare tind să treacă prin pereţii filtrului şi aprind funinginea din avalul filtrului. Gazele

fierbinţi pot topi filtrul în partea din aval care este încărcată cu funingine pe celelaltepărţi ale pereţilor. O metodă de eliminare a acestui efect este cea de inversare acurgerii gazelor prin filtru în timpul regenerării. În acest caz, gazele trec prin perete şisunt încălzite de arderea unei cantităţi mai reduse de funingine. Acest procedeunecesită o energie termică mai ridicată pentru a activa procesul de oxidare a funinginii.Procedeul are avantajul de a elimina şi rezidurile minerale acum ulate în pereţii filtrului.

a) Regenerare termică prin metode de ridicare a temperaturii gazelor arseFuncţionarea motorului la sarcină plină şi turaţii ridicate implică obţinerea unor

temperaturi ridicate ale gazelor de evacuare care pot iniţia oxidarea funinginii reţinute înfiltrul de particule însă eficienţa metodei este scăzută, ea trebuind să fie combinată cuun alt procedeu.

Întârzierea injecţiei combustibilului pe perioada regenerării filtrului de particulepoate ridica temperatura gazelor arse la nivelul impus de iniţierea reacţiilor de oxidare afuninginii (peste 570 °C). Acest nivel de temperatură este atins datorită desfăşurăriiprocesului de ardere pe perioada cursei de destindere. Metoda implică pe perioadaregenerării diminuarea parametrilor energetici şi creşterea consumului de combustibil şia emisiilor de CO si HC. Procedeul implică adoptarea unui dispozitiv special destinatacestui scop.

Încălzirea aerului admis în motor determină ridicarea temperaturilor ciclului motorşi în consecinţă şi nivelul de temperatură al gazelor de evacuare. La motoarele cu

aspiraţie naturală, încălzirea aerului admis în motor se poate realiza prin utilizarea unordispozitive auxiliare electrice sau arzătoare cu flacără. În cazul motoarelorturbosupraalimentate cu răcire intermediară, ridicarea nivelului de temperatură a aeruluise poate realiza printr-un circuit care scurtcircuitează schimbătorul de căldură al aerului.

Un alt procedeu de regenerare termică a filtrului îl constituie obturarea admisieiaerului care determină formarea în cilindrii motorului a unor amestecuri bogate care prinardere fac posibilă creşterea temperaturii gazelor arse într-o gamă largă de regimuri defuncţionare ale motorului.

Obturarea admisiei aerului determină creşterea pierderilor mecanice alemotorului prin mărirea pierderilor prin pompaj, puterea efectivă a motorului fiinddiminuată pe perioada regenerării filtrului. Gradul de obturare al admisiei trebuie să

asigure o cantitate de oxigen în gazele de evacuare de 2-5% pentru a se preveniformarea excesivă a fumului şi particulelor. Rata regenerării creşte cu mărireatemperaturii gazelor arse insă după atingerea nivelului de 600 °C, rata oxidării este



CONTROLUL POLUĂRII MEDIULUI 147independentă faţă de temperatură. După iniţierea procesului de oxidare a funinginiiobturarea admisiei este deschisă complet pentru a se asigura oxigenul necesar oxidăriiparticulelor.

Obturarea evacuării poate constitui o metodă de curăţire a filtrului de particule.Prin acest procedeu, cantitatea de gaze reziduale din camera de ardere creşte şi vagenera o temperatură mai ridicată a gazelor din camera de ardere la începutul cursei de

comprimare. Metoda are dezavantajul diminuării randamentului de funcţionare almotorului datorită reducerii coeficientului de umplere şi a creşterii lucrului mecanic depompaj, care va fi disipat în căldură în gazele de evacuare. Procesul decurge în modnatural datorită înfundării progresive a porilor filtrului care determină creşterea căderiide presiune pe evacuare cu o reducere a debitului de gaze arse care racesc filtrul departicule. Înfundarea filtrului de particule implică o diminuare a puterii efective amotorului datorită creşterii contrapresiunii de evacuare aşa ca pentru a menţine turaţiaacestuia trebuie să se mărească debitul de combustibil pe ciclu, ceea ce va conduce lacreşterea temperaturii gazelor de evacuare şi a consumului de combustibil (cu aprox8%) . Procesul de regenerare se poate realiza la o viteză a autovehiculului de 30 km/h.

Dacă sistemul este montat pe un autocamion, acesta poate fi asociat cu un

sistem bypass pentru gazele arse care poate fi activat înainte ca valoarea căderii depresiune din filtru să atingă limita maximă pentru a nu diminua dinamicitateaautovehiculului. Sistemul de obturare al evacuării utilizat pentru regenerarea filtrului departicule necesită un sistem electronic de control al clapetei de obturare. În acelaşi timp,este necesar ca sistemul de recirculare a gazelor să fie reglat în funcţie decontrapresiunea gazelor de evacuare pentru a nu deteriora procesul de ardere aamestecului aer-combustibil şi a diminua cantitatea de oxigen necesară oxidăriifuninginii. Obturarea evacuării se realizează printr-o clapetă acţionată de un sistem subcontrol electronic. În timpul regenerării filtrului este preferabil ca motorul să nu fie

încărcat pentru a nu supune piesele camerei de ardere la sarcini termice excesive.Temperatura gazelor de evacuare la intrarea în filtru trebuie limitată la 650 °C pentru anu distruge filtrul prin supraîncălzire pe timpul oxidării funinginii. Pe timpul regenerăriifiltrului consumul de combustibil creşte cu aproximativ 30% însă consumul general alautovehiculului pe perioada de funcţionare nu creşte cu mai mult de 1%. Obturareaevacuării pentru regenerarea filtrului de particule se aplică numai la motoarele cuaspiraţie naturală.

b) Regenerarea termică utilizând sisteme electriceb1) Regenerarea utilizând rezistoare electrice

În timp, s-au utilizat mai multe tipuri de sisteme de încălzire cu rezistoare,rezistor în formă de spirală, rezistor de tipul bujiei cu incandescenţă şi rezistenţe sub

formă de fir introduse în filtru. Aceste sisteme s-au dovedit incapabile să oxidezefuninginea fără a adăuga catalizatori în combustibil. Pe timpul încălzirii filtrului latemperatura de regenerare, gazele arse sunt deviate pe un alt filtru sau pe o conductăde ocolire iar pe timpul regenerării prin filtrul supus procesului trece numai o parte dingazele arse care furnizează oxigenul necesar oxidării funinginii. Debitul de gazenecesar regenerării este controlat cu precizie cu ajutorul unei supape.

Pentru a economisi energia electrică preluată de la bateria autovehiculului,rezistoarele se amplasează cât mai aproape posibil de intrarea în filtrul de particule(câţiva mm). Aceste rezistenţe ar fi mai eficiente dar s-ar găsi în contact direct cu filtruldar soluţia are dezavantajul distrugerii rezistenţei prin coroziune.

Rezistenţa poate fi împărţită în subelemente şi distribuite uniform, subelementele

fiind activate succesiv. Rezistenţa sub formă de fire consumă aproximativ 400 W încâteva secunde de funcţionare, ea fiind acoperită cu funingine, prin încălzire se iniţiazăoxidarea. Temperatura atinsă prin arderea funinginii poate avea valori de aproximativ



INGINERIA ŞI LEGISLAŢIA MEDIULUI 1481000 °C, temperatură care poate fi diminuată prin utilizarea de aditivi în combustibil(80mg/l Mn + 20 mg/l Cu) la 650 °C.

Îmbunătăţ irea randamentului oxidării poate fi obţinută prin amplasarea în faţarezistenţei sub forma unei plăci perforate a unui distribuitor al curentului de gaze arse.

În acest caz, este necesar la intrare aproximativ 5,5 W/cm 2 pentru suprafaţa de intrare amonolitului care urmează a fi regenerat. Aceasta inseamnă pentru un monolit cu un

diametru de 30 cm cel puţin 30 kW pentru câteva minute (13 A la 20 V). Pentru unmonolit cu diametrul de 127 mm, 6 elemente acoperind 60 cm 2 şi consumând 60 W/cm2 asigură iniţierea oxidării în şase timpi a 30 s.

Pentru a se asigura o putere electrică consumată instantanee redusă trebuie săse utilizeze regenerarea secvenţială a filtrului.

La iniţierea oxidării particulelor reţinute, fiecare element al monolitului necesită în jur de 10 W pe rezistorul introdus în canal. Pe autobuze de exemplu, filtrul este împărţit în şase segmente, fiecare consumând alternativ în jur de 1300 W în 40 s, puterecompatibilă cu nivelul capacităţii bateriei.

Într-o altă configuraţie, filtrul este spălat cu un contracurent de aer livrat de cătreun compresor adiţional. Această tehnologie evită şocurile termice ale monolitului şi

puterea rezistorului se reduce de la 1 kW la 200 W. Sistemele cu rezistor electric sunt în întregime automatizate.

Un sistem alternativ îl constituie preîncălzirea aerului admis cu un sistem electric(24 kW la 24 V timp de 5 minute) care este suficient pentru ca temperatura gazelor săatingă filtrul la valoarea de 250 °C care să iniţieze oxidarea particulelor reţinute.

Această tehnologie se poate aplica la mersul la relanti când debitul de aer care esteadmis în motor este minim.

b2) Regenerare termică utilizând pierderile în dielectricSistemul utilizează proprietăţile microundelor pentru încălzirea selectivă a

funinginii care le absoarbe cu un randament energetic cuprins între 60% si 70% la ofrecvenţă de aproximativ 2,45 GHz. Încălzirea funinginii se realizează fără ca materialulceramic să fie afectat, acesta fiind practic transparent la microunde datorită constanteidielectice scăzute şi a factorului mic de pierdere în dielectric.

În plus, carcasa metalică a filtrului constituie o barieră pentru microundeprevenind scăparea lor în exterior prin reflectarea lor către filtrul de particule. Înamontele filtrului se montează un magnetron care are conectat la el un ghid axial deunde. Pe timpul regenerării, o parte din debitul de gaze este deviat, magnetronul livrândo putere de 1kW (pentru 400 şi 600 s) pentru a oxida particulele, după care debitul degaze arse prin filtru este restabilit. Pentru a uniformiza încălzirea, ca şi la cuptorul demicrounde trebuie rotit fie emitorul, fie receptorul. În cazul monolitului ceramic, soluţia o

reprezintă înlocuirea capacelor canalelor din material ceramic din amontele monolituluicu capace din material ceramic amestecat cu ferită. Ferita are bune proprietăţidielectrice şi pierderi magnetice ridicate. Când se atinge punctul Curie, susceptibilitateamagentică a feritei este nulă. În acest caz, capacele cu ferită joacă rolul unor bujii cuincandescenţă care vor iniţia oxidarea particulelor depuse în fiecare canal iar emitorulde microunde este deconectat când aceste capace vor atinge punctul Curie, ceea ce vaelimina supraîncălzirea monolitului ceramic.

b3) Regenerarea termică utilizând sistemul electrostatic În acest caz monolitul ceramic este tubular iar canalele de trecere a gazelor sunt

deschise la ambele capete ca în cazul monolitului convertorului cu trei căi. În centrul

monolitului se montează electrozii cu incărcare electrostatică.





INGINERIA ŞI LEGISLAŢIA MEDIULUI 150pulverizatorul curat. Pompa de aer poate consuma în funcţie de debitul livrat o puterecuprinsă între 0,7 şi 3 kW.

În cazul în care se utilizează în arzător motorină, pulverizarea acesteia necesităaer comprimat ,livrat de către o pompă de aer de joasă presiune şi preîncălzirea aerului,pentru a uşura aprinderea.

Pulverizatorul de motorină al arzătorului, când nu este în funcţiune este spălat de

către un curent de aer pentru a preveni înfundarea cu particule a acestuia. Arzătorul poate fi pus în funcţiune când se atinge căderea de presiune limită dinfiltru sau la un anumit debit de gaze limită, care trece prin filtru măsurat cu un tubVenturi. Sistemul este controlat de un ceas care ia în calcul timpul necesar regenerăriifiltrului.

Pentru regenerare se aleg diferite regimuri de funcţionare ale motorului în funcţiede destinaţia autovehiculului: autobuz, autocamion, autoturism.

5.2.6.3. REGENERAREA CATALITICAExistă mai multe modalităţi de utilizare a materialelor catalitice care să determine

desfăşurarea reacţiilor de oxidare a funinginii la temperaturi mai mici de 250 °C:

- depunere de material catalitic pe suprafaţa materialului filtrant;- aditivarea combustibilului;- injectarea intermitentă de material catalitic în gazele de evacuare în amonte

de filtrul de particule.Monoliţii ceramici impregnaţi cu un amestec catalizator pe bază de Pt, V, Ag

coboară temperatura de aprindere (oxidare) a particulelor la 400-450 °C. Depunerile demetale preţioase determină iniţierea reacţiilor de oxidare a funinginii la 380 °C şitotodată se realizează şi oxidarea CO şi a HC nearse. Monoliţii impregnaţi cu metale detranziţie în stare pură sau în amestec cu metale preţioase determină reducerea emisieide particule şi convertesc numai emisiile de sulf în acid sulfuric în proporţie de 2 la 10%din sulful iniţial.

Practic, este dificil să se găsească un catalizator care să nu permită oxidareaSO2 la SO3.

Fibrele filtrului ceramic pot fi acoperite direct cu material activ, fără stratintermediar datorită suprafeţei mari de contact cu gazele arse. Fibrele ceramice suntacoperite cu un catalizator CuO iar catalizatorul trebuie activat periodic prin injecţia unuiactivator chimic, acetil-acetonă (C5H8O2). Injecţia activatorului chimic necesită o dozareprecisă, la o temperatură de până la 150 °C a filtrului, ceea ce impune prezenţa unuidispozitiv electronic de comandă a acestui proces. Temperatura de regenerare a filtruluiscade până la 250 °C.

Şi la filtrul de particule metalic, realizat din fibre metalice se poate realiza o

regenerare catalitică. Pentru depunerea materialului activ este necesar ca fibrelemetalice să fie acoperite cu un strat intermediar care va fi impregnat cu catalizatori deoxidare cu ar fi Pt. Această soluţie va asigura regenerarea filtrului la o temperatură în jurde 350 °C pentru motoare cu aspiraţie naturală şi 400 °C pentru motoareleturbosupraalimentate.

Acest tip de regenerare a filtrului va determina creşterea emisiei de sulfaţi însăprezintă avantajul oxidării fracţiunilor organice solubile (SOF) care includ şihidrocarburile aromatice policiclice (PAH), cu un randament cuprins între 50% şi 80%dacă temperatura gazelor este mai mare de 200 °C.

a) Aditivii cataliticiPe timpul încărcării progresive a motorului, filtrul de particule cu catalizator esteimpregnet cu funingine iar materialul activ este acoperit de funingine şi numai primul






c) Injecţia catalizatorului în curentul de gaze arsePentru regenerarea filtrului pot fi utilizate o serie de materiale catalizatoare care

pot fi injectate intermitent în curentul de gaze când se atinge o limită prestabilită acăderii de presiune din filtru. Temperatura de iniţiere a procesului de oxidare a

particulelor reţinute în filtru depinde de materialul folosit: 380 °C pentru CuCl, 310 °Cpentru CuCl + NH4NO3, 230 °C pentru Cu(ClO4)2·6H2O şi 150 °C pentru un amestecformat din: Fe(NO3)3·9H2O + C5H8O2 (acetil-acetonă) + C4H8O2 (dioxan) + H2O.

Alegerea trebuie să excludă acele materiale care în procesul de oxidare aparticulelor formează poluanţi acizi secundari care sunt emişi în atmosferă.

Materialele active care conţin nitraţi vor da naştere la emisii suplimentare de oxizide azot pe timpul procesului de regenerare.

Se asigură o bună regenerare dacă materialul activ este pulverizat pe întreagasuprafaţă ce urmează a fi curăţată.

Sistemul necesită un circuit independent al materialului activ (rezervor, conducte,sistem de injecţie) şi un sistem de comandă electronic care să asigure injecţia precisă a

materialului activ (cantitate, temperatură şi cadere de presiune a filtrului).

5.2.6.4. REGENERAREA AERODINAMICA

Implică existenţa unui sistem care să permită injectarea în filtrul de particule deaer comprimat. Acest sistem elimină unele din neajunsurile celorlalte metode deregenerare la care, pentru a evita supraîncălzirea filtrului pe timpul regenerării trebuiesă dispună de instalaţii de supraveghere şi control complicate. Injecţia de aer sedesfăşoară în sens inves faţă de gazele arse la o presiune de 0,1 - 0,2 MPa. particulelesunt desprinse din pori şi sunt colectate într-un spaţiu amplasat sub monolit, unde pot fiarse sau eliminate prin aspirare.

Procedeul are efecte pozitive şi asupra sistemului de recirculare a gazelor arsedeoarece gazele arse se răcesc iar compuşii organici volatili sunt condensaţi peparticulele reţinute.



8. Echipamente pentru determinarea concentraţiei poluanţilor din gazele de evacuare 153

Documents

Ingineria Si Legislatia Mediului