-
1
UNIVERSITATEA TEHNICA GHEORGHE ASACHI IASI FACULTATEA DE
MECANIC
CONDITII INITIALE DE PROIECTARE A FILTRELOR DE
PARTICULE PT MOTOARELE DIESEL SI EFICIENTA
FILTRARII
Profesor indr:GOLGOTIU EUGEN STUDENTI: Aciocarlanoae Andrei
Andries Radu
GRUPA : SPCR I
2015
-
2
Autovehiculele i mediul
Imediat dup cel de-al doilea rzboi mondial, lund exemplu de la
Germania, Ministerul Comerului Internaional i al Industriei din
Japonia, anun planul pentru maina omului de rnd. Ca rspuns, un numr
mare de productori de maini scot pe pia maini mici ncepnd cu anul
1958. Acest an este nceputul motorizrii Japoniei, n 1960 fiind
vndute 480.000 de autoturisme, iar n 1970 acest numr a crescut
astronomic la 5.29 milioane.
Motorizarea Japoniei a jucat un rol foarte important n
dezvoltarea sa economic n anii 60. Cu toate acestea au nceput s
apar efecte negative asupra mediului, n special poluare sever a
aerului. Emisiile vehiculelor a cauzat o cretere brusc a cazurilor
de astm, culminnd cu un incident din 1970, cnd un numr semnificativ
de elevi de la liceul din Tokyo ,Suginami Ward ,au suferit de
ameeli i dureri de cap datorate fumului foto-chimic rezultat din
gazele de ardere emanate de autoturisme. Acest lucru a condus la
contientizarea problemei polurii aerului n capitala Japoniei i n
celelalte orae mari.
Poluarea aerului de la emisiile autoturismelor nu a fost limitat
la Japonia, ci era o problem i pentru alte ri industrializate la
aceea vreme. Spre exemplu n Statele Unite ale Americii. Aici,
rspunsul guvernului la asemenea probleme s-a materializat prin
Actul pentru aer curat (n traducere) din 1970, cunoscut sub
denumirea de Actul Muskie. Acesta stipula reducerea cu 90% a
hidrocarburilor (HC) i a oxidului de carbon (CO) ce se regsesc n
componena gazelor de eapament, ntr-o perioad de 5 ani, iar
reducerea oxidului de azot (NOx) n aceeiai proporie, dar pe o
perioad de 6 ani.
Guvernul nipon nu sa lsat nici el mai prejos, adoptnd n 1972
Actul pentru prevenirea polurii mediului, dar criteriile privind
procentele acceptabile de noxe eliminate de autoturisme au devenit
din ce n ce mai stringente prin reglementrile din 1973, 1975 i
1978. Reglementrile din 1978 au devenit cunoscute ca varianta
japonez a actului Muskie, prevznd cele mai mici nivele de noxe din
gazele de eapament la aceea vreme, i anume de 0.25grame/km (NOx). n
aceeai perioad, lumea nc se refcea dupa criza petrolului din 1973,
iar productorii de maini niponi au nceput la rndul lor s fie
precaui n privina consumului de carburani, ajutnd astfel la
reducerea volumului de emisii de gaze toxice
Ca urmare a problemei mediului, productorii de maini din ntreaga
lume s-au concentrat asupra realizrii practice a acestor standarde,
folosind ultimele descoperiri n domeniul autoturismelor, ca
reactoarele termice, pompe de injecie electronice, noile elemente n
proiectarea motoareler, dar i a catalizatoarelor, folosite pentru a
absorbi substanele toxice din gazele de eapament. Unul dintre
faimoasele rezultate ale implementrii acestor noi tehnologii este
Honda Civic, aprut n decembrie 1973. Aceasta era echipat cu un
motor CVCC (Compound Vortex Controlled Combustie = controlul
amestecului de combustibil),
care a suplinit arztorul principal cu arztoare secundare, fiind
primul model din lume care a reuit s se conformeze standardelor din
actul Muskie, cu toate c la aceea vreme nc se considera imposibil
acest lucru. Acest eveniment a dovedit c este posibil reducerea
noxelor, dar totodat a mrit extraordinar reputaia productorilor
niponi de autoturisme.
Efecte pozitive majore dup aceasta nu au mai fost obinute, anul
1978 aducnd o reducere doar cu 4-8% a nivelelor de emisii de
hidrocarburi i monoxid de carbon, pentru reducerea noxelor NOx
durnd mult mai mult din cauza dificultilor tehnice. Totui reducerea
treptat a acestor efecte negative a condus, sau va conduce n civa
ani la apariia ultimei maini ecologice, cea care funcioneaz pe baz
de hidrogen.
-
3
Cursa ecologic
Se estimeaz c populaia pe glob va ajunge la 8.1 bilioane n 2050,
iar numrul autoturismelor la 3.4 bilioane.
Dac n aceast perioad nu se face ceva, pmntul nu va putea furniza
suficient energie pentru aceasta. Din acest motiv, productorii de
autoturisme din Europa, America, Japonia i alte pri ale globului
concureaz pentru a realiza aa-numita main ecologic, prieten cu
mediul. Se ateapt ca aceast realizare s fie maina pe hidrogen (fuel
cell - FCV).n acest sens, trei puteri n domeniul producerii de
autoturisme guverneaz: Japonia, America i Europa. Se pare c
Japonia
este n fruntea celorlalte dou, i aceasta poate fi explicat prin
faptul c i lipsete resursele naturale. Toat industria Japoniei este
concentrat pe conservarea energiei n primul rnd, iar mai recent
protecia mediului este i ea tiprit n ADN-ul acestora. Totui, ncepnd
cu anul 1990, atenia acestora a fost mutat de la micorarea
consumului de combustibil, spre cutarea unor noi forme de energie,
mult mai curat, pn acum aducnd pe pia vehicule hibrid, care combin
folosirea energiei electrice cu gazele naturale.Statele Unite ale
Americii, pe de alt parte, a adoptat programul iniiat de
administraia Bush: FreedomCAR Initiative, un program ce promoveaz
autoturismele propulsate de hidrogen. Acest program totodat va
susine eforturile financiare ale productorilor de autoturisme
General Motors, Ford i Daimler Chrysler n dezvoltarea motoarelor pe
baz de hidrogen. Cuvntul libertate din denumirea programului,
provine de la iniiativa de a elibera America de dependena fa de
importul de petrol, fcnd n primul rnd parte dintr-o strategie
naional.ntre timp, europenii sunt foarte ngrijorai de fenomenul de
nclzire global, avnd cel mai drastic program de reducere a emisilor
de bioxid de carbon (CO2). Din aceste motive, au pus accent
asupra
motoarelor diesel, care pot obine o economie important de
carburani, i sunt efective n reducerea emisiilor de CO2.
Totodat, principala legatur ntre oraele din Europa sunt
auto-benziile, iar motoarele diesel sunt eficiente din punct de
vedere al consumului la viteze ridicate. Cu toate acestea
ns, gazele de eapament ale unui motor diesel au o puternic
concentraie n noxe NOx, i n comparaie cu Europa, America i Japonia
au reglementri mult mai stricte n aceast privin.
Normele de emisii de Nox i particule aflate n suspensie pentru
normele Euro 2 , 3 i 4
-
4
Componena gazelor de evacuara
n ultimul an constructorii europeni de automobile au redus
emisiile de CO2 cu doar 0,2%. n acest ritm, obiectivul stabilit,
respectiv emisii de 120g/kilometru pn n 2012, pare imposibil de
atins.
n ultimele 12 luni, media emisiilor mainilor europene a fost de
160 grame CO2 pe kilometru, cu doar 0,5 grame mai puin fa de anul
precedent. n comparaie, media modelelor japoneze a fost de 161 g
CO2/km iar cea a modelelor coreene a fost de 164 g
CO2/km.Urmtoarea piatr de hotar este n 2008, cnd media emisiilor
mainilor europene ar trebuie s scad la 140 g/km. n opinia
productorilor, Uniunea European ar trebui s impun pe cale juridic
un prag maxim al emisiilor de 120 g/km, n 2012, urmat de nc o limit
de 80 g/km, n 2020. n prezent, mainile sport i limuzinele de lux
sunt incapabile de o asemenea performan, drumul fiind deschis
pentru biocombustibili i maini electrice. Mai mult, chiar i n
Germania, stat care s-a opus vehement legii n cauz, viteza maxim a
fost limitat la 130 km/h. n aceste condiii, este posibil ca bolizii
Audi, BMW, Mercedes, Porsche, Ferrari sau Lamborghini s dispar de
pe osele.Productorii sunt nevoii s i calce pe mndrie i s cear
ajutorul fabricanilor de combustibil verde i de propulsoare
electrice. Pentru nceput, soluia optim este propulsia hibrid, fie
pe diesel, fie pe benzin.
Filtru de particule la motoarele Diesel
Motoarele diesel sunt preferate de muli automobiliti n primul
rnd pentru performanele i
economicitatea lor (un consum mai mic de combustibil i, pn nu
demult, un pre de cost al motorinei ceva mai sczut fa de
benzin).
-
5
Totui motoarele diesel rmn cele mai poluante motoare prin noxele
eliberate n atmosfer, producnd de 3-6 ori mai muli oxizi de azot
(NOx) i de peste 100 de ori mai multe particule nearse (fumul
negru). Dei ultimele tehnologii aplicate la motoarele diesel
(common rail-ul, de exemplu) au permis reducerea multor poluani
totui oxizii de azot i particulele nearse rmn principalii poluani
ce trebuie eliminai potrivit viitoarelor norme Euro-5. n motorul
diesel amestecul aer-motorin atinge o temperatur de autoaprindere
de circa 450 grade C, inferioar temperaturii la care are loc
arderea n motoarele pe benzin (900 grade C). Din acest motiv noxele
ce rezult n motoarele diesel, dei sunt de acelai fel cu cele din
motoarele pe benzin, sunt mult mai multe i mai importante
calitativ.
Temperatura mai mic din camera de ardere a motorului diesel nu
pemite arderea complet a particulelor i ele au aspect de granule
microscopice cu dimensiuni ce variaz de la 100 nanometri pn la un
micrometru. Acestea dau aspectul negru al gazelor de eapament, aa
numitul fum negru att de cunoscut participanilor la traficul
rutier, dar i pietonilor care l trag zilnic n piept. Particulele de
fum emise de motoarele diesel sunt foarte toxice, fiind de
dimensiuni foarte mici ele afecteaz cile respiratorii depunndu-se n
plmni i favoriznd astmul i cancerul pulmonar. Sunt mai nocive
pentru cei suferinzi, pentru copiii i persoanele n vrst. Principiul
de tratare a particulelor nearse nu este complicat, ar fi
suficienta utilizarea unui filtru fin pentru reinerea particulelor
cu diametre mai mari de 50 nm lsnd s treac gazele arse (tehnologia
ceramic pe baz de carbur de siliciu permite realizarea unor
asemenea filtre), dar ca orice filtru care se umple cu impuriti
trebuie i curat sau nlocuit elementul filtrant , i filtrul de
particule, dup un rulaj de 500-1000 km, se ncarc cu particule
blocnd circulaia gazelor arse i perturbnd n acest fel funcionarea
motorului. Un filtru de particule , uneori numit i ca DPF (diesel
particulate filter) este un subansamblu care face parte din
sistemul de evacuare i ajut la post arderea particulelor i fumului
din
gazele de evacuare.
Filtrul antiparticule este format din canale minuscule din
ceramic poroas, impregnat cu platin i nchise la un capt: gazele de
evacuare reuesc s treac prin pori, n timp ce pulberile sunt
reinute.Atunci cnd se acumuleaz pulberi, colmatndu-se filtrul, este
necesar eliminarea lor prin ardere, graie unui proces numit
regenerare. n acest scop , temperatura filtrului DPF este ridicat
la mai mult de 600 C prin intermediul unei ntrzieri a procesului
normal de injecie i prin activarea unei post-injecii care trimite
motorina nears n filtru.
Filtru de particule Volkswagen Golf IV
-
6
n graficele de mai sus se arat temperaturile filtrului DPF n
diverse regimuri de rulare, la funcionare normal (n stnga) i n
timpul regenerrii(dreapta). Se observ c n ora se nregistreaz
condiiile cele mai dificile, din cauza temperaturilor sczute
atinse.
Filtrele de particule au fost folosite nc din anii 1980, dar pe
autovehicule numai din 1996. Motoarele diesel n timpul arderii
amestecului de combustibil/aer produc a varietate mare de reziduuri
numite particule, datorit arderii incomplete a amestecului.
Compoziia acestor particule difer n funcie de tipul, vechimea i
clasa de emisii poluante al motorului.
-
7
Procedeul de
regenerare nici nu este sesizat de ofer. Peugeot-Citroen au fost
primii constructori care au pus la punct filtrul de particule, pe
un automobil diesel Peugeot 607 n anul 2000, de atunci fabricnd
peste un milion de motoare diesel dotate cu acest filtru ( pentru
modelele C3,C4, C5, C6, C8 i pe 307, 407, 607, 807).
Prima soluie antiparticule dateaz din 2001 i aparine grupului
PSA, este vorba de filtrul activ de particule ( FAP ) i se
difereniaz de DPF prin aditivul care coboar temperatura de
regenerare la circa 400 C i scurteaz durata procesului.
n funcie de model filtrul FAP trebuie nlocuit iar aditivul
trebuie completat la fiecare 120 pn la 180.000 km. n anii urmtori
i-au urmat i ali fabricani de automobile printre care amintim pe
Opel (Meriva, Zafira, Vectra i Signum), Renault (Megane, Scenic,
Laguna,
Fig.4. Filtru de particule Bosch
-
8
Vel Satis), Ford (Focus i C-Max), Alfa Romeo (159, 166), Audi
(A3, A4, A6, A8, Q7), BMW (Seria 3, 5, 7 si X3), Fiat (Croma i
Doblo), Mazda MZR (5.20 si 6.20), VW (Phaeton
i Touareg), Mercedes (A, B, C, E, ML, CLK) i altele. Costul
montrii unui filtru de particule pe un motor diesel common rail
este destul de ridicat fiind cuprins ntre 300 i 900 euro (600 euro
n medie).
Prima generaie de filtre de particule prevedea nlocuirea
filtrelor la 80.000 km rulai, a doua generaie, fabricat n 2002,
care utiliza un aditiv, a mrit intervalul la 120.000 km rulai.
Ultima generaie de filtre, fabricat n 2005, nu mai necesit
nlocuirea elementelor acestea regenerndu-se n mod permanent.
-
9
Pentru a hotr cnd este nevoie de regenerarea filtrului DPF,
dieselurile din grupul FIAT nregistreaz regimul de utilizare a
motorului (numrul de rotaii i poziia acceleraiei): n graficul de
mai jos, cele apte condiii de rulare luate n considerare. Sistemul
apreciaz cantitatea de pulberi produs: n cazul unor probleme la
motor valorile reale ale emisiilor sunt sczute din cele estimate,
dar senzorii de presiune evalueaz colmatarea filtrului i dac e
nevoie, atrag atenia prin intermediul unui martor luminos.
-
10
Particulele colectate trebuie arse pentru a cura filtrul, unele
filtre sunt de unic folosin, altele sunt proiectate pentru a arde
particulele colectate fie prin folosirea unui catalitic (passiv)
sau prin metode active cum ar fi :arderea combustibilului pentru a
nclzi filtrul la temperetura de ardere a fumului; modificare
managementului motorului pentru a
intra ntr-un regim special de funionare cnd se umple filtrul
prin nclzirea gazelor de evacuare sau prin producerea unor cantiti
mari de NO2 care va oxida particulele la temperatur scazut; sau
prin alte metode.
Materialul poluant capturat n filtru este alctuit n mare parte
din carbon i hidrocarburi, arderea lor se realizeaz dup dou
tehnici. 1. Arderea prin folosire de O2
[C] + O2-> CO2
2. Arderea prin folosirea de (NO2).
[C] + NO2 -> CO2 + NO
Bazat pe O2 Bazat pe NO2
Temperatura necesar regenerrii
Temperatur necesar este aproximativ 600C (sau 400C la
catalizatoare cu post ardere).
Reacia apare de la 250C.
Gaze folosite n reacia de regenerare
Gaz abundent n O2 NO2 realizat din NO n gazele de evacuare
Sistemele bazate pe NO2 sunt mai favorabile deoarece temperatura
la care are loc reacia este mult mai mic i se poate atinge de orice
motor diesel.
Filtre de particule Ford pentru motorizrile 1.6TDCi i
2.0TDCi
-
11
Filtrul poate fi montat i pe dieselurile aflate deja n
circulaie, i spre deosebire de colectoarele de serie, filtrele
post-producie nu au nevoie de o strategie sofisticat de regenerare
i de senzori, pentru c funcioneaz diferit: de fapt nu rein
particulele pentru a le arde periodic, ci transform n mod chimic
permanent pulberile care trec prin canale deschise.
Eficiena lor, ns nu este optim : filtrele de serie elimin 90%
dintre pulberi, n timp ce celelalte opresc cel mult 50% . Filtrele
DPF post-producie folosesc bioxidul de azot produs de catalizatorul
de serie pentru a reaciona cu carbonul (adic particulele) obinnd
anhidrid carbonic i oxid de azot .