-
Capitolul 5 MIJLOACE DE REDUCERE A EMISIILOR POLUANTE LA
M.A.S.
Exist 2 modaliti de reducere a emisiilor poluante: - acionnd la
sursa (geneza) poluanilor; - realiznd o tratare a gazelor de
evacuare (dup geneza noxelor);
5.1 ARHITECTURA CAMEREI DE ARDERE Arhitectura camerei de ardere
manifest o influen considerabil asupra
proceselor de schimb de gaze i prin urmare asupra coeficientului
de umplere, asupra micrii gazelor i schimbului de cldur la sfritul
compresiei i asupra desfurrii proceselor de ardere.
-
1. O prim poziie a bujiei ce se caracterizeaz prin aceea c bujia
e amplasat ntr-o zon cu volum liber relativ mare;
2. O a doua poziie a bujiei ce se caracterizeaz prin faptul c
bujia e amplasat ntr-o zon relativ ngust a camerei de ardere;
- cantitatea de cldur relativ degajat n funcie de unghiul ; n
consecin, n cazul 1 procesul de ardere va antrena mase importante
de
amestec iniial nc de la nceput. n schimb, n cazul 2, n prima
parte a procesului de ardere vor putea fi antrenate cantiti mai
reduse de amestec iniial.
n cazul 1 cantitatea de NOx va fi mai mare dect n cazul 2
deoarece reaciile de formare a NOx se vor dezvolta ntr-un volum mai
mare implicnd o cantitate mai mare de substane.
n cazul 1, deoarece viteza de ardere e ridicat la nceputul
acestui proces va rezulta o cretere mai rapid a presiunii din
cilindrii, n aceast perioad pistonul aflndu-se n cursa ctre PMI,
comprimnd gazele de deasupra sa. Va rezulta i o valoare mai mare a
presiunii maxime pe ciclu, fapt care nseamn o comprimare mai
puternic a primelor trane de gaze arse i implicit o cretere a
regimului lor termic, deci o cretere a [NOx].
STRATIFICAREA AMESTECULUI LA MAS A fost conceput n urmtoarele
scopuri:
- reducerea consumului de combustibil i a emisiei de CO2 prin
utilizarea amestecurilor srace;
- asigurarea funcionrii stabile a m.a.s. cu amestecuri srace.
Atunci cnd m.a.s. funcioneaz cu amestecuri srace i foarte srace are
loc o amplificare puternic a fenomenului de dispersie ciclic, fapt
care duce la o funcionare instabil a motorului; stabilizarea
funcionrii se realizeaz prin utilizarea unor amestecuri bogate n
prima perioad a procesului de ardere (formarea i stabilizarea
nucleului de flacr)
- reduce emisia de NOx, CO i cea de HC;
-
Consumul scade deoarece: - Motorul funcioneaz cu amestecuri
srace i foarte srace; - Cldura Q transferat la perete e mai
redus:
o Tgaze din compartimentul principal al camerei de ardere e mai
redus datorit >1;
o mbuntirea randamentului indicat prin crearea unui strat
izotermic de aer i gaze arse care nfoar zona nucleului de flacr i a
gazelor care ard, reducnd transferul de cldur la perei.
NOx scade deoarece: - n zona vecin bujiei, acolo unde se
genereaz cele mai mari cantiti de NOx,
amestecul e bogat; geneza NOx e frnat prin lips de O2; - regimul
termic al gazelor este mai redus.
CO scade deoarece motorul funcioneaz cu amestecuri srace i
foarte srace
HC are o evoluie care depinde de modul de realizare a
stratificrii amestecului proaspt.
CVCC (Compound Vortex Controlled Combustion Honda)
-
Modaliti de formare i stratificare a amestecului (ghidarea cu
peretele, ghidarea cu aerul i ghidarea jetului)
Aa numitul sistem de ghidare cu peretele const n interaciunea
jetului de combustibil cu pereii camerei de ardere i cupei din
capul pistonului. Micarea ncrcturii din cilindru faciliteaz
formarea amestecului cu combustibilul depozitat pe suprafaa cupei
pistonului. Aceast soluie este dezavantajoas prin creterea
semnificativ a emisiei de HC. De aceea s-a dezvoltat o alt soluie a
crei particularitate const n aceea c se evit, pe ct posibil,
contactul jetului de combustibil cu pereii. Acest lucru se poate
realiza printr-o micare intens i controlat a ncrcturii din cilindru
prin vrtejurile de rostogolire (tumble motion), aa numitul sistem
de ghidare cu aerul. n figura urmtoare se prezint principiul
acestui
-
sistem de ardere ntr-o seciune longitudinal a camerei de ardere.
Desenul conine i un dispozitiv de variere a intensitii micrii
ncrcturii proaspete, care n poziia activat permite creterea
intensitii vrtejurilor de rostogolire la funcionarea cu amestecuri
srace, iar n poziia dezactivat permite umplerea complet la
funcionarea la plin sarcin. Exist un singur nivel optim al
vrtejurilor de rostogolire pentru diferite sarcini pariale de
funcionare. Aceasta permite realizarea unui dispozitiv care sa
asigure dou trepte ale nivelului micrii de vrtej.
Procedeul de stratificare a amestecului prin ghidarea cu aerul a
jetului de combustibil injectat direct n cilindru, la un unghi de
22,5 fa de orizontal, este utilizat de noul motor FSI de 2 l, cu 4
supape pe cilindru. Cupa din piston este astfel profilat nct s
genereze vrtejul de rostogolire necesar ghidrii jetului spre bujie
la momentul declanrii scnteii electrice. Un alt avantaj important
al motorului cu aprindere prin scnteie cu injecie direct, DISI,
const n sensibilitatea mic la condiiile de funcionare. Aceasta
poate fi evaluat prin varierea avansului la scnteie i la
injecie.
Stratificarea amestecului prin ghidarea jetului de combustibil
de ctre peretele constituit de profilul din capul pistonului are
dezavantajul formrii unei pelicule de combustibil pe capul
pistonului, ceea ce intensific fenomenul SFP, deci n acest caz
emisia de HC e mai consistent. n celelalte dou situaii acest
neajuns e nlturat, ba chiar se realizeaz o anvelop de aer n jurul
masei vaporilor de benzin. Fenomenul SFP va fi astfel diminuat
foarte mult. De asemenea, aceast anvelop poate constitui un strat
izolator termic ntre gazele care ard i pereii camerei de ardere;
cldura transferat la perei se reduce astfel nct crete randamentul
indicat.
Stratificarea amestecului prin ghidarea cu aerul la motorul Audi
FSI
n domeniul sarcinilor pariale, motorul funcioneaz cu amestec
stratificat i
complet neobturat. Clapeta din conducta de admisiune de control
al vrtejului este nchis. Injecia direct a benzinei se produce la
sfritul cursei de comprimare astfel nct s se asigure norul de
amestec inflamabil n preajma bujiei. La sarcini pariale mai mari,
motorul funcioneaz cu amestecuri srace omogene, ceea ce permite
realizarea unor economii suplimentare de combustibil fr a se forma
funingine n exces. Clapeta de vrtej din admisiune este deschis, iar
injecia direct a benzinei se produce n cursa de admisiune, pentru a
asigura timp suficient omogenizrii amestecului. De asemenea, aceast
strategie permite funcionarea motorului aproape fr s se apeleze la
controlul prin obturator. Trebuie menionat faptul c se controleaz
compoziia amestecului i prin utilizarea pe scar larg a recirculrii
gazelor de evacuare. Performanele de economicitate ale acestui
procedeu de formare a amestecului depind de strategia de
funcionare.
-
Strategia de funcionare a motorului DISI VW
Optimizarea schimbului de gaze, prin utilizarea distribuiei
variabile i a
geometriei colectorului de admisie poate mbunti comportarea la
regimurile de plin sarcin. Majoritatea motoarelor GDI (Gasoline
Direct Injection) actuale s-au dezvoltat pe baza cerinei de a
realiza schimburi minime la motorul MPI aflat n producie. Aceasta
poate produce un potenial de economicitate promitor, dar
insuficient, pentru a realiza economii de 20%, ct se cere pentru
reducerea emisiei de CO. n consecin este nevoie s se combine
injecia direct cu alte soluii tehnologice pentru randamente nalte
(reducerea cilindreei, supraalimentare i raport de comprimare
variabil). Primele motoare GDI cu amestec stratificat realizate n
Japonia i Europa au provenit din versiunile MPI. Din intenia de a
nu schimba mult liniile tehnologice a rezultat poziionarea lateral
nclinat a injectorului, ntre supapele de admisie, aproape de
garnitura de chiulasa. Distana mare dintre injector i bujie necesit
o geometrie special a capului pistonului i a micrii aerului, pentru
a asigura transportul amestecului spre bujia central i stabilizarea
stratificrii.
Sistemul cu ghidarea jetului - adesea numit a 2-a generaie de
GDI ofer noi posibiliti de stratificare i de reducere a consumului.
Injectorul de nalt presiune este amplasat n centrul camerei de
ardere. Combustibilul este injectat vertical spre cavitatea din
piston, iar stratificarea amestecului este asigurat prin vrtejul de
rotaie generat prin geometria sistemului de distribuie.
Aceast configuraie ofer un control mai bun al amestecului
aer-combustibil dect sistemul cu amplasarea lateral a injectorului
care este geometric limitat. Noul sistem permite arderea
amestecurilor foarte srace (raportul aer/combustibil ajunge pn la
65:1) tolernd EGR pn la 50%. Se nregistreaz o reducere a
consumului
-
de combustibil de pn la 30% i totodat, emisii sczute de NO.
Emisiile de HC sunt semnificativ mai reduse dect la sistemul cu
ghidarea la perete sau a curentului.
mbuntirea consumului se datoreaz pierderilor mai mici de cldur
la perei, iar emisiile mai mici de HC sunt rezultatul mbuntirii
procesului de ardere. Oricum, cerinele fa de injector sunt mult mai
sofisticate dect la generaia 1 a GDI. Datorita spaiului mai mic
dintre injector i bujie timpul de formare a amestecului este redus.
Astfel stratificarea amestecului este controlat n principal de ctre
injector i mai puin de micarea aerului i, n consecin, mult mai
sensibil la variaiile performanelor injectorului. Oricum, micarea
variabil a aerului i presiunea de injecie mai mare mbuntesc
formarea amestecului. Poziionarea central a injectorului necesit
modificri importante ale chiulasei motorului GDI din prima
generaie. Regimul termic al injectorului plasat central este mult
mai ridicat i, n consecin, mult mai critic n ceea ce privete
formarea depunerilor. Cheile care pot impune sistemul GDI cu
ghidarea jetului constau n evitarea depunerilor pe injector,
creterea robusteii i a performanelor acestuia, precum i a
sistemului de aprindere. Emisiile mai reduse ale motorului GDI cu
ghidarea jetului se datoreaz condiiilor mult mai favorabile de
tratare a gazelor de evacuare srace.
n cazul motoarelor care funcioneaz cu amestecuri stratificate la
sarcini mici
i mijlocii i amestecuri omogene la sarcini mari strategia
funcionrii e urmtoarea:
la sarcini mici i mijlocii clapeta de acceleraie e complet
deschis, iar reglarea sarcinii se face prin modificarea dozei de
combustibil pe ciclu.
trecndu-se de la m..g. la sarcini pariale mici i apoi mijlocii,
amestecul devine mai puin srac, apropiindu-se de valoarea 1. n
acest fel motorul funcioneaz economic i cu emisii de noxe modeste.
La sarcini mari, pentru a se obine performanele energetice
superioare, amestecul devine stoichiometric. Reglarea sarcinii se
realizeaz prin reglarea deschiderii clapetei de acceleraie; n zona
inferioar a sarcinilor mari clapeta trece de la complet deschis,
cum a fost la sarcini medii, la o deschidere parial. Apoi, pe msura
creterii n continuare a sarcinii clapeta se va deschide ajungnd din
nou la deschidere total pentru regimul de plin sarcin.
-
5.2 Distribuia
Sarcini pariale Injecie ntrziat, la finele comprimrii
= 1,5 3 Clapeta deschis
Sarcini mari
Injecie n admisie
= 1 Clapeta variabil
deschis
Poziia clapetei obturatoare
nchis
Poziia pedalei de acceleraie
Poziia pedalei de acceleraie
1
-
5.3 Recircularea gazelor de evacuare
Funcionarea E.G.R. Se utilizeaz pentru reducerea NOx, n special
la MAC. La m..g. i sarcini mici, recircularea gazelor de evacuare
trebuie evitat pentru a nu neuniformiza funcionarea motorului sau
pentru a nu se produce chiar oprirea lui. De aceea, pe traseul
dintre galeria de evacuare i cea de admisie se introduce o supap.
Aceasta poate fi pneumatic sau electric. n prima variant supapa
conine o capsul divizat n 2 compartimente de ctre o membran cu arc.
Att timp ct depresiunea de deasupra membranei, preluat dintr-o zon
a admisiei amplasat n amonte de clapeta de acceleraie, nu e
suficient de puternic, fora elastic a arcului nu poate fi nvins i
supapa rmne nchis. La sarcini mijlocii i mari clapeta de acceleraie
se deschide permind propagarea depresiunii i n amontele su. Aceast
depresiune va nvinge fora elastic a arcului, membrana
-
supapei se va deforma i supapa se va deschide realizndu-se
recircularea gazelor de evacuare. Recircularea gazelor de evacuare
e benefic din punct de vedere al emisiei de NOx. Gazele de evacuare
sunt n cea mai mare parte gaze inerte pentru procesul de ardere.
Ele vor constitui o frn care va ine sub control temperaturile din
cilindru n timpul arderii. n plus gazele arse recirculate ocup un
volum din cilindrul motorului care ar fi putut fi ocupat de aer,
reducndu-se astfel i cantitatea de O2. Mecanismul Zeldovici (de
formare a NO) va fi astfel frnat prin limitarea temperaturii i
reducerii [O2].
-
5.4 Reactor termic Este un dispozitiv care nlesnete desfurarea
reaciilor de postardere a HC n evacuare. Const dintr-un recipient
format din mai muli cilindrii coaxiali izolai termic fa de mediul
ambiant. Reactorul termic este amplasat la ieirea gazelor din
chiulas. El oblig gazele s realizeze un parcurs relativ lung,
labirintic, n interiorul su astfel nct gazele de evacuare s
evolueze ntr-o zon cu temperaturi ridicate ct mai mult timp
posibil. Cilindrii interior i exterior sunt astupate la capete dar
au orificii radiale pentru vehiculare gaze arse. Cilindrul exterior
este prevzut cu izolaie termic (scut termic). Pentru a favoriza
reaciile de oxidare se aduce printr-o pomp suplimentar de aer debit
de aer (pentru a accelera reaciile de postardere a HC n poarta
supapei este pompat aer condiionat care va ptrunde n reactorul
termic mpreun cu gazele de evacuare; se realizeaz astfel condiiile
necesare postarderii HC: evoluia gazelor de evacuare ntr-un spaiu
fierbinte o perioad relativ lung de timp i existena O2 necesar
arderii.) La unele motoare e posibil ca reactorul termic s
lipseasc, dar s existe sistemul injeciei de aer n evacuare. Aerul
se filtreaz pentru a nu deteriora pompa. Are drept scop reducerea
[HC] i eventual cele de [CO]. Funcioneaz ntre 900-10000C; material
anticoroziv; rezisten la oboseal termic i mecanic.
-
Reactor termic pentru oxidarea CO i HC
5.5. Reactor catalitic Au scop reducerea [NOx], [HC] i [CO] prin
tratarea gazelor de evacuare. - TWC = Three Way Catalyst,
catalizator tricomponent.
a) Oxidarea HC:
CmHn + (m + 1/4n)O2 mCO2 + n H2O CmHn + 2m H2O mCO2 + (2m +
1/2n)H2
b) Oxidarea CO: CO + O2 CO2 CO + H2O CO2 + H2
c) Reducerea NO: NO + CO N2 + CO2 (2m + 1/2n)NO + CmHn (m +
1/4n)N2 + n H2O + mCO2 NO + H2O N2 + H2O + O2
t = 900 1000OC Material anticocoziv i rezistent la oboseal
termic i mecanic Aliaje Cr Ni: 20% Cr, 32% Ni
-
Condiii pentru realizarea acestor reacii: t = 300 850OC;
Existena O2; Existena elementelor catalitice (platin, rhodiu,
paladiu) Strat catalitic
Strat intermediar cu promotori (pmnturi rare) Suport ceramic
(Cordierit: MgO + Al2O3 + SiO2) Suport ceramic: 62 canale / cm2;
perei 0,12 0,15 mm. La 1 dm3 / 15 cm lungime: 4100 canale i 3m2
suprafaa interioar.
Strat intermediar pmnturi rare: mrete suprafaa de 7000 ori, pn
la aproximativ 20.000 m2.
Strat catalitic Platin, Rhodiu, Paladiu 2g/ 1 dm3
-
Construcia catalizatorului
La exterior are un nveli dintr-un material de protecie la ocuri
(scut de amortizare termic i mecanic); Reactorul catalitic este
montat n interiorul suportului metalic (tob catalitic).
Epurarea NOx este eficient n zona amestecurilor bogate, iar a HC
i CO n zona amestecurilor srace. n zona amestecurilor
stoichiometrice, rata de conversie a tuturor noxelor este
ridicat.
-
Catalizator cu monolit ceramic (jos stnga), filtru de particule
(sus), catalizator cu monolit
metalic (jos dreapta) [www.e-automobile.ro]
-
Nivelul emisiilor poluante ale unui automobil n funcie de tipul
amestecului aer-combustibil:
a.fr catalizator; b.cu catalizator Funcionarea optim a
reactorului catalitic se realizeaz atunci cnd motorul
utilizeaz cu amestec stoichiometric. n aceast situaie rata de
conversie e ridicat pentru toate cele 3 tipuri de noxe. La
amestecuri srace conversia e sczut pentru HC i CO, iar la
amestecuri bogate e sczut pentru NOx. Rezult o cerin creia trebuie
s i rspund sistemul de alimentare: funcionarea motorului cu amestec
stoichiometric. Reglarea sistemului de alimentare pentru a ndeplini
aceast cerin nu poate fi realizat manual, ci doar n mod automat. E
necesar un dispozitiv, care s identifice regimul de funcionare cu
=1. Acesta este traductorul de O2, cunoscut sub denumirea de sonda
lambda. Traductorul de oxigen (Sonda lambda)
ZrO2
Straturi din platin poroas
-
Principiul se bazeaz pe o proprietate a materialului ceramic
ZrO2 (bioxid de zirconiu). Acesta devine permisibil la ioni de O2,
exact n zona n care =1. n aceast zon ( =0,98..1,02) are loc o
evoluie rapid de la permeabilitate la opacitate fa de ionii de
O2.
Dispozitivul are ca element central o teac cvasicilindric din
ZrO2. Pe suprafeele interioare i exterioare sunt depuse 2 staturi
din platin poroas. Platina rezist oxidrii chiar la temperaturile
ridicate ale gazelor de evacuare iar porozitatea ei permite ionilor
de O2 s o traverseze. Aceast pies e introdus n eava de eapament n
amontele (sau i n avalul) reactorului catalitic. Stratul exterior
de Pt e n contact cu masa motorului prin intermediul corpului
traductorului, iar stratul interior e pus n legtur cu blocul de
comand (ECU).
Interiorul tubului comunic cu aerul atmosferic, iar exteriorul e
splat de gazele de evacuare. Deoarece n aer [O2] e mai mare dect n
gazele de evacuare va avea loc un transfer al acestora dinspre
interiorul ctre exteriorul tubului, conducnd la acumularea unei
diferene de potenial ntre cele 2 straturi de Pt. Aceast diferen de
potenial e msurat de ctre ECU. Caracteristica de tensiune a
traductorului de O2 nregistreaz o cdere abrupt n zona =1. La
amestecuri bogate, cnd fluxul ionilor de O2 e intens, tensiunea se
apropie de 0,9V, iar la amestecuri srace, cnd [O2] din gazele de
evacuare se apropie de cele din aer, tensiunea scade la V. Panta
foarte abrupt din jurul =1 face ca traductorul de O2 s aib o foarte
mare sensibilitate exact n zona de interes. Pentru ca traductorul
de O2 s funcioneze e necesar ca el s ating valoarea de minim 280
300
0C, cnd ionii de O2 pot traversa ZrO2, rezultnd c imediat dup
pornirea motorului rece traductorul de O2 nu funcioneaz o perioad
de timp. Pentru a scurta aceast perioad el e prevzut cu un rezistor
electric.
Sistemul funcioneaz n regim dinamic nu static, fiind un sistem
de autoreglare n bucl nchis.
'
''
2
2lnO
O
sp
pTkU
La temperaturi mai mari de 3000C, ZrO2
devine permeabil la ionii de oxigen.
-
Curba de variaie a tensiunii la bornele senzorului de oxigen cu
ZrO2
Catalizatorul cu stocare de NOx
La utilizarea amestecurilor srace o problem specific o
constituie reducerea emisiei de NOx. Pentru aceasa se utilizeaz
sisteme de stocare a NOx.
1o Stocarea NO > 1 2NO + O2
Pt, Rh 2 NO2; 2 BaCO3 + 4NO2 + O2 2Ba(NO3)2 + 2CO2;
2o Regenerare < 1 2Ba(NO3)2 2BaO + 4NO2 + O2; 4C3H6 + 18NO2
12CO2 + 12H2O +9N2; 4CO + 2NO2 2CO2 + N2; 4H2 + 2NO2 8H2O + N2; BaO
+ CO2 BaCO3 C3H6 propilen (propen)
-
Nivelul optim al temperaturilor gazelor de evacuare la intrarea
n catalizatorul de NOx
este de 200oC 400oC.
n perioadele scurte de regenerare, ajunge la 0,72.
Recircularea gazelor de carter
Gazele de carter sunt bogate ndeosebi n HC provenite din stratul
limit de pe cilindru i din crevasa dintre capul pistonului i
cilindru. De aceea, carterul nu tebuie aerisit direct n atmosfer.
La turaii mici, depresiunea din spatele clapetei (care e aproape
nchis) face ca mai multe gaze de carter s intre n spatele
clapetei.
padm pcarter Qgaze cart
rez funcionare neuniform
-
Eliminarea gazelor din carter se realizeaz prin recircularea
gazelor de carter n cilindru, vezi figura:
Recircularea gazelor de carter in cilindru
Soluia nu este nou, dar a devenit aplicabil pe scar larg relativ
recent, cnd s-a elaborat un sistem de control SC al debitului de
aer. La mers n gol i la sarcini i turaii mici, sub aciunea
depresiunii din conduct o mare cantitate de aer din carter trece n
cilindru i srcete exagerat amestecul.
a) b)
c)
Figura 4. Supap de reglaj al debitului gazelor de carter
recirculate La sarcini mari cresc scprile de gaze n carter, dar
depresiunea n conducta
de admisiune e mic i ventilaia carterului este insuficient.
Dispozitivul de control, pe care l putem vedea in figura 4 a), este
alctuit din supapa 1, montat n camera 2 i acionat de arcul 3. n
corpul supapei se practic dou canale perpendiculare, 4 i 5. Iar cnd
motorul nu funcioneaz, supapa este n poziia a). Se poate observa c
la mers n gol i sarcini mici, supapa se deplaseaz complet spre
dreapta, vezi figura b), sub aciunea depresiunii, iar debitul
gazelor de carter este controlat de canalul central 4, cu seciune
mic. La sarcini mari i depresiuni mici supapa are o poziie
intermediara, vezi figura c), i ofer o seciune sporit care mrete
debitul gazelor de carter.