1 Introducere 3 2 Reglementări privind poluarea datorată autovehiculelor 6 2.1 Reglementările Europene privind protecţia mediului - Normele EURO 10 2.2 Ciclurile de încercare 12 2.3 Echipamente pentru determinarea concentraţiei poluanţilor din gazele de evacuare 13 2.3.1 Măsurarea concentraţiei de CO şi CO 2 din gazele de evacuare 13 2.3.2 Măsurarea concentraţiei NO x din gazele de evacuare 13 2.3.3 Măsurarea concentraţiei de hidrocarburi din gazele de evacuare 14 2.3.4 Măsurarea concentraţiei de particule din gazele de evacuare 14 2.3.5 Măsurarea emisiilor de fum 15 3 Formarea emisiilor poluante 16 3.1 Formarea oxizilor de azot 16 3.1.1 Formarea oxidului de azot NO 16 3.1.2 Formarea dioxidului de azot NO 2 17 3.1.3 Formarea protoxidului de azot N 2 O17 3.1.4 Particularităţi ale formării NO x la motorul cu aprindere prin scânteie 18 3.1.4.1 Influenţa dozajului 18 3.1.4.2 Influenţa fracţiunii de gaze arse 19 3.1.4.3 Influenţa avansului la aprindere 19 3.1.5 Particularităţi ale formării NO x la motorul cu aprindere prin comprimare 20 3.1.5.1 Influenţa dozajului 20 3.1.5.2 Influenţa fracţiunii de gaze arse 21 3.2 Formarea oxidului de carbon CO 21 3.2.1 Formarea monoxidului de carbon la motorul cu aprindere prin scânteie 21 3.2.2 Formarea monoxidului de carbon la motorul cu aprindere prin comprimare 21 3.3 Formarea hidrocarburilor nearse 22 3.3.1 Mecanismul chimic 23 3.3.2 Mecanismul stingerii flăcării 24 3.3.3 Particularităţi ale formării emisiilor de hidrocarburi la motorul cu aprindere prin scânteie.... 24 1
134
Embed
Studii Si Cercetari Privind Tehnologiile de Reducere a Emisiilor Poluante
This document is posted to help you gain knowledge. Please leave a comment to let me know what you think about it! Share it to your friends and learn new things together.
Transcript
1 Introducere 3
2 Reglementări privind poluarea datorată autovehiculelor 6
2.1 Reglementările Europene privind protecţia mediului - Normele EURO 10
2.2 Ciclurile de încercare 12
2.3 Echipamente pentru determinarea concentraţiei poluanţilor din gazele de evacuare 13
2.3.1 Măsurarea concentraţiei de CO şi CO2 din gazele de evacuare 13
2.3.2 Măsurarea concentraţiei NOx din gazele de evacuare 13
2.3.3 Măsurarea concentraţiei de hidrocarburi din gazele de evacuare 14
2.3.4 Măsurarea concentraţiei de particule din gazele de evacuare 14
2.3.5 Măsurarea emisiilor de fum 15
3 Formarea emisiilor poluante 16
3.1 Formarea oxizilor de azot 16
3.1.1 Formarea oxidului de azot NO 16
3.1.2 Formarea dioxidului de azot NO2 17
3.1.3 Formarea protoxidului de azot N2O 17
3.1.4 Particularităţi ale formării NOx la motorul cu aprindere prin scânteie 18
3.1.4.1 Influenţa dozajului 18
3.1.4.2 Influenţa fracţiunii de gaze arse 19
3.1.4.3 Influenţa avansului la aprindere 19
3.1.5 Particularităţi ale formării NOx la motorul cu aprindere prin comprimare 20
3.1.5.1 Influenţa dozajului 20
3.1.5.2 Influenţa fracţiunii de gaze arse 21
3.2 Formarea oxidului de carbon CO 21
3.2.1 Formarea monoxidului de carbon la motorul cu aprindere prin scânteie 21
3.2.2 Formarea monoxidului de carbon la motorul cu aprindere prin comprimare 21
3.3 Formarea hidrocarburilor nearse 22
3.3.1 Mecanismul chimic 23
3.3.2 Mecanismul stingerii flăcării 24
3.3.3 Particularităţi ale formării emisiilor de hidrocarburi la motorul cu aprindere prin scânteie.... 24
3.3.3.1 Stingerea flăcării la pereţii camere de ardere 25
3.3.3.2 Influenţa interstiţiilor 25
3.3.3.3 Influenţa absorbţiei şi desorbţiei de hidrocarburi de către pelicula de ulei 26
3.3.3.4 Influenţa calităţii arderii26
3.3.3.5 Influenţa depozitelor din camera de ardere 27
3.3.3.6 Influenţa post-arderii hidrocarburilor 27
3.3.4 Particularităţi ale formării emisiilor de hidrocarburi la motorul cu aprindere prin comprimare 29
3.3.5 Influenţa amestecurilor supersărace asupra emisiilor de hidrocarburi 31
3.3.6 Influenţa amestecurilor superbogate asupra emisiilor de hidrocarburi 31
3.3.7 Influenţa răcirii la perete şi lipsa arderii asupra emisiilor de hidrocarburi 32
3.4 Formarea emisiilor de particule 33
1
3.4.1 Formarea emisiilor de particule la motorul cu aprindere prin scânteie 33
3.4.2 Formarea emisiilor de particule la motorul cu aprindere prin comprimare 33
3.4.2.1 Oxidarea funinginii 34
3.4.2.2 Absorbţia şi condensarea 35
3.5 Formarea mirosului la motorul cu aprindere prin comprimare 35
4 Tehnologii active de reducere a emisiilor poluante 36
4.1 Tehnologii active de reducere a emisiilor poluante la MAS 36
4.1.1 Schimbul de gaze 37
4.1.2 Utilizarea amestecurilor omogene 39
4.1.2.1 Injecţia de benzină 39
4.1.2.2 Camera de ardere 40
4.1.2.3 Utilizarea amestecurilor stratificate 40
4.1.2.4 Instalaţia de aprindere 44
4.1.2.4.1 Aprinderea cu jet de flacără - sistemul PSJ 44
4.1.2.4.2 Aprinderea prin injecţia de radicali - sistemul APIR 46
4.1.2.4.3 Aprinderea cu jet de plasmă 48
4.2 Tehnologii active de reducere a emisiilor poluante la MAC 48
4.2.1 Formarea amestecului şi arderea 49
4.2.1.1 Schimbul de gaze 49
4.2.1.2 Camera de ardere 51
4.2.1.3 Injecţia de combustibil 52
4.2.1.4 Supraalimentarea 58
4.2.1.5 Recircularea gazelor arse 59
5 Tehnologii pasive de reducere a emisiilor poluante 60
5.1 Proprietăţile fizico-chimice ale gazelor de evacuare 61
5.2 Dispozitive de tratare a gazelor de evacuare 61
5.2.1 Reactorul termic 61
5.2.2 Convertorul catalitic 63
5.2.2.1 Convertorul catalitic cu două căi65
5.2.2.2 Convertorul catalitic cu trei căi 65
5.2.2.3 Catalizatori pentru tratarea gazelor net oxidante 73
5.2.2.4 Contaminarea catalizatorului 75
5.2.3 Reducerea nivelului noxelor la pornirea la rece a motorului prin utilizarea hidrogenului degajat în motor pentru arderea gazelor de evacuare 77
5.2.4 Filtrul de particule 78
5.2.4.1 Mecanismele filtrării 78
5.2.4.2 Filtrul cu reţinere mecanică 79
5.2.4.3 Filtrul de particule electrostatic 80
5.2.4.4 Regenerarea filtrelor 80
6 Concluzii 84
7 Bibliografie 87
2
1 Introducere
Înainte de a analiza impactul asupra mediului a autovehiculelor trebuie prezentată istoria
autovehiculelor, istoria motorului.
Primul motor a fost realizat în anul 1698 de către inginerul englez Thomas Saverz, şi era
un motor cu abur ce avea ca scop pomparea apei în casele înalte din Londra.
Fig.1 Principiul de funcţionare a motorului cu abur realizat de Thomas Saverz
În anul 1712, inginerul Thomas Newcomen din Cornwall a realizat un motor performant
care avea un braţ lung cu ajutorul căruia pompa apa cu o turaţie de 16 rot/min. Acest motor a fost
optimizat în anul 1776 de constructorul scoţian James Watt.
Fig.2 Motorul lui Newcomen Fig.3 Motorul lui Watt
Primul care a utilizat un motor cu abur pentru propulsia unui vehicul a fost Nicolas
Cugnot în anul 1769. Acest vehicul putea transporta patru persoane, dar el a fost utilizat pentru
transportul armamentului. Viteza maximă pe care o putea atinge era de 5 km/h.
3
Fig.4 Vehiculul realizat de Nicolas Cugnot
Pe baza proiectului lui Lenoir în anul 1861 Nikolaus August Otto construieşte primul
motor. Iar împreună cu industriaşul german Eugen Langen înfiinţează o companie lângă Koln,
unde în anul 1867 construieşte primul motor. Acest motor era unul în doi timpi mult mai eficient
decât motorul lui Lenoir deoarece înainte de ardere se realiza o comprimare a amestecului
carburant.
În anul 1876 cei doi au pus la punct un nou motor, un motor care funcţiona în patru timpi.
Acest motor era silenţios şi eficient astfel că şi-a găsit repede locul în industrie, rămânând model
pentru cele mai moderne motoare cu ardere internă existente astăzi în lume.
Otto şi-a patentat ciclul de funcţionare a motorului în patru timpi în 1877 şi a pus bazele
unei companii care doar în câţiva ani a vândut peste 35000 de motoare. În 1886, totuşi ,
competitorii lui Otto au arătat că de fapt principiul de funcţionare al motorului în patru timpi a
fost prezentat pentru prima dată (într-un obscur pamflet) de către inginerul francez Alphonse-
Eugene de Rochas. Chiar dacă acest lucru anula patentul lui Otto, motoarele lui au rămas
singurele motoare cu ardere internă folosite pe scară largă.
Fig.6 Motorul lui Otto şi Langen
Fig.5 Motorul lui Lenoir
În 1890, Wilhelm Maybach şi Gottlieb Daimler, doi dintre inginerii companiei lui Otto,
şi-au deschis propria companie producătoare de automobile, propulsate de motoarele în patru
timpi ale lui Otto. Ei au perfecţionat vechiul motor şi au reuşit să producă, în 1899, primul
automobil Mercedes.
4
Fig.7 Primul autovehicul Mercedes
Motorul cu aprindere prin comprimare a fost inventat de Rudolf Diesel în 1892, şi a fost
patentat la data de 23 februarie 1893. Acest motor a fost conceput ca o alternativă pentru
întreprinzătorii particulari având în vedere dimensiunile variabile, costul scăzut al motorului şi
carburantului în comparaţie cu celelalte soluţii existente. Lucrul la acest motor a pornit de la
obsesia lui Diesel pentru a doua legea a termodinamicii şi maxima eficienţă a ciclului Carnot.
Intenţia lui Diesel a fost ca motorul său să utilizeze o varietate largă de combustibili
inclusiv praful de cărbune. Diesel şi-a prezentat invenţia funcţionând în 1900 la Expoziţia
Universală (World's Fair) utilizând ulei de alune.
Fig.8 Motorul Diesel
În acele vremuri nu erau probleme legate de poluarea mediului deoarece numărul
autovehiculelor era mic şi impactul asupra mediului era neglijabil.
În cei peste o sută de ani de existenţă automobilele s-au dezvoltat şi perfecţionat fără însă
a se produce modificări fundamentale asupra soluţiilor tehnice utilizate la primele modele.
Restricţiile extrem de severe impuse şi cele ce urmează a fi adoptate în primul deceniu al
noului mileniu, referitoare la protecţia mediului şi resursele naturale, conduc la transformări
5
esenţiale ale autovehiculelor atât în concepţia componentelor acestora cât şi în privinţa
consumului şi manevrării.
În anul 2000 circulau în lume circa 800 milioane de autovehicule, dintre care 500
milioane erau autoturisme, iar restul autocamioane, autobuze, motociclete şi scutere.
Aproximativ 35% se aflau în Europa şi America de Nord, iar restul în Asia, America de Sud,
Africa.
Producţia mondială anuală de este de aproximativ 60 milioane de autovehicule. În Europa
aproximativ 14 milioane de autovehicule îşi încheie ciclul de viaţă, iar în SUA 10-11 milioane.
Creşterea continuă a numărului de autovehicule este strâns legată de creşterea populaţiei
globului şi de creşterea economică. Astfel conform previziunilor ONU populaţia globului va
creşte până în 2050 la aproximativ 9 miliarde de locuitori, iar până în 2020 populaţia Europei va
atinge valoarea de 450 milioane de locuitori. Această creştere nu este uniform distribuită, ea
fiind mai accentuată în ţările din Asia, Africa şi America Latină.
Ca rezultat al acestei tendinţe este de aşteptat ca numărul autovehiculelor să crească
semnificativ în special în ţările cu industrializare rapidă din Asia. La fel vor creşte şi presiunile
privind protecţia mediului înconjurător dacă nu se vor găsi soluţii alternative la motoarele cu
ardere internă.
2 Reglementări privind poluarea datorată autovehiculelor
Standardele de emisie sunt cerinţele care trebuie să stabilească limite specifice pentru
poluanţii care pot fi eliberaţi în mediu. Multe standarde de emisii se axeze pe reglementarea
poluanţilor eliberaţi de autovehicule, dar ele pot reglementa şi emisiile provenite din industrie,
centrale electrice şi mici echipamente cum ar fi cositoarele pentru gazon sau generatoarele
diesel. Politicile frecvente ca alternativă la standardele de emisii sunt standardele tehnologice
(care reglementează emisiile de oxizi de azot, oxizi de sulf, pulberi în suspensie sau funingine,
monoxid de carbon, hidrocarburi volatile).
Un standard de performanţă privind emisiile reprezintă o limită care stabileşte pragurile
peste care un alt tip de tehnologie de control al emisiilor ar putea fi necesare. În timp ce
standardele de performanţă privind emisiile au fost folosite pentru a dicta limitele de poluanţi
convenţionali, cum ar fi oxizii de azot şi oxizi de sulf, această tehnică de reglementare poate fi
folosită pentru ţinerea sub control a gazelor cu efect de seră, în special de dioxid de carbon.
În Statele Unite, standardele de emisii sunt gestionate de către Agenţia de protecţie a
Mediului (EPA). Statul California are dispensă specială de a promulga standarde mai stricte
privind emisiile vehiculelor, iar celelalte state pot alege să urmeze fie standardele naţionale, fie
cele emise de statul California.
6
Standardele de emisii din California sunt stabilite de către Consiliul Rezervelor de Aer
California, cunoscut la nivel local prin acronimul "CARB". Având în vedere că piaţa auto din
California este una dintre cele mai mari din lume, CARB are o influenţă mare asupra cerinţelor
privind normele de emisii pe care trebuie să le îndeplinească majoritatea autovehiculelor dacă
doresc fie vândute pe această piaţă. În plus, alte câteva state din SUA aleg să urmeze standardele
CARB, deci reglementării lor au implicaţii largi în SUA. De asemenea politica CARB are
influenţă şi asupra standardelor privind emisiile din UE.
Automobilele şi camioanele uşoare (SUV-urile, camionetele, microbuzele) sunt tratate în
mod diferit în conformitate cu anumite standarde.
California încearcă să reglementeze emisiile gazelor cu efect de seră provenite de la
automobile, dar se confruntă cu probleme din partea instanţei guvernului federal. State încearcă
de asemenea să oblige APE să reglementeze emisiile de gaze cu efect de seră, dar se lovesc de
refuzul acesteia din anul 2007.
În viitorul apropiat se prevede că APE va adopta în mare măsură standardele California
privind emisiile de gaze cu efect de seră.
Uniunea Europeană are propriul set de standarde privind emisiile pe care toate
vehiculele noi trebuie să îndeplinească. În prezent, emisiile de oxizi de azot (NOx), de
hidrocarburi totale (THC), hidrocarburi non-metan (NMHC), monoxid de carbon (CO) şi pulberi
în suspensie (PM) sunt reglementate pentru majoritatea tipurilor de vehicule. Standarde nu se
aplică navelor maritime sau avioanelor.
Standardele europene de emisii definesc limitele acceptabile pentru gazele de evacuare
produse de autovehiculele noi vândute în statele membre UE. Standardele de emisii sunt definite
într-o serie de directive ale Uniunii Europene şi treptat se vor introduce treptat standarde din ce
în ce mai stricte. Vehicule neconforme nu pot fi vândute în UE, dar noile standarde nu se aplică
la vehiculele aflate deja pe şosele.
Standardele de emisii diferă în funcţie de ciclul de testare utilizat: R49 ECE (vechi) şi
CES (European Steady Cycle, din 2000).
Parlamentul European a sugerat introducerea unor standarde obligatorii de emisii de CO2
pentru a înlocui angajamentelor actuale de voluntariat de către producătorii auto. La sfârşitul
anului 2005, Comisia Europeană a început să lucreze la o propunere pentru o nouă lege de
limitare a emisiilor de CO2 provenite de la autovehicule. Comisia Europeană a primit sprijinul
Parlamentului European pentru propunerea sa de promovare a introducerii pe o piaţă a
vehiculelor curate şi eficiente energetic prin intermediul achiziţiilor publice.
În cadrul Uniunii Europene, transportul rutier este responsabil pentru aproximativ 20%
din toate emisiile de CO2, cu autoturismele care contribuie cu aproximativ 12%.
7
Ţinta stabilită prin Protocolul de la Kyoto a fost o reducere cu 8% a emisiilor în toate
sectoarele economiei, comparativ cu nivelurile din 1990 până în 2008-2012.
Emisiilor de CO2 provenind din transporturi au crescut rapid în ultimii ani, de la 21% în
1990 la 28% în 2004. Emisiile de CO2 datorate transportului rutier din UE au o pondere de
aproximativ 3,5% din emisiile totale de CO2 la nivel mondial.
În prezent sunt reglementaţi şapte poluanţi atmosferici: dioxidul de sulf SO2, particulele
în suspensie PM10, plumbul Pb, dioxidul de azot NO2, ozonul O3, oxidul de carbon CO,
benzenul C6H6, şi se poartă tratative pentru reglementarea următorilor poluanţi: hidrocarburi
Compoziţia emisiilor organice şi nivelul acestora sunt influenţate de compoziţia
combustibilului, astfel combustibilii ce au în compoziţie o cantitate ridicată de substanţe
aromatice şi olefinice produc o concentraţie apreciabilă de hidrocarburi reactive.
S-a constatat că în gazele de evacuare apar compuşi organici care nu se găsesc în
compoziţia combustibilului ceea ce denotă faptul că în timpul arderii au loc reacţii de piroliză şi
sinteză.
Compuşii oxigenaţi sunt prezenţi în gazele de evacuare, ei participă la formarea smogului
fotochimic, o parte din ei sunt urât mirositori şi iritanţi.
Aldehidele volatile sunt iritante pentru ochi şi aparatul respirator, iar formaldehidele
reprezintă 20% din totalul carbonililor (10% din totalul emisiilor la MAC).
Formarea hidrocarburilor nearse se realizează prin două metode: chimic şi prin stingerea
flăcării.
22
3.3.1 Mecanismul chimic
Prin arderea hidrocarburilor în motor se obţine dioxidului de carbon. Pentru a rezulta
CO2, hidrocarburile trec printr-o serie de etape de oxidare care generează produse intermediare
de oxidare.
Radicalii alchil, R˙, au un rol important în propagarea lanţului de radicali liberi şi sunt
formaţi prin ruperea legăturilor de tipul C-C şi C-H a hidrocarburilor. Oxigenul acţionează ca un
radical dublu pentru a forma radicalul hidroperoxid, HO2˙:
Radicalii alchil reacţionează uşor cu oxigenul formând radical alchil peroxid:
Reacţiile prezentate mai sus reprezintă treptele iniţiale de realizare a legăturilor dintre oxigen şi
hidrocarburi.
Formarea aldehidelor
Radicalul RO2˙ se combină cu hidrogenul care migrează în camera de ardere, după care
se descompune în aldehide şi radicalul hidroxil:
Radicalul RO˙format în timpul descompunerii termice a peroxidului de tipul ROOH de
aldehidă în cazul radicalului secundar prin spargerea legăturii C-C şi prin rearanjare:
şi cazul radicalului primar RO˙, radicalul aldehidă poate reacţiona cu oxigenul
Formarea cetonelor
Radicalul RO2˙ este implicat în formarea cetonelor:
Iar pentru radicalul terţiar formula este:
Formarea alcoolilor
Radicalii RO˙ pot extrage hidrogen din hidrocarburi formând alcooli:
Formarea acizilor organici
23
Radicalul acil RCO‧se formează prin îndepărtarea hidrogenului şi direct din
descompunerea aldehidelor. Acest radical se descompune uşor dând monoxidul de carbon şi un
radical liber de tipul R‧ ce se combină cu oxigenul rezultând un radical acid:
Radicalul peroxid , prin extragere de hidrogen din hidrocarburi poate da peracid:
Peracidul se poate descompune în radical carboxil RCO2‧:
3.3.2 Mecanismul stingerii flăcării
Stingerea flăcării are loc datorită modului de propagare al acesteia: normal, paralel sau
sub un anumit unghi faţă de peretele camerei de ardere; sau stingerea se produce la intrarea în
interstiţii înguste: zona dintre capul pistonului şi cilindru.
Datorită stingerii flăcării pe suprafeţele chiulasei, pistonului, cilindrului, supapelor,
spaţiile înguste rămâne un strat subţire de amestec carburant nears sau parţial ars. Grosimea
acestui strat depinde de: presiunea, densitatea şi temperatura amestecului, viteza de propagare a
frontului de flacără, conductivitatea termică, prezenţa depozitelor, forma şi temperatura pereţilor.
La motoarele cu aprindere prin scânteie distanţa de stingere a flăcării între două suprafeţe
plate este de 0,2-1 mm şi ea reprezintă distanţa minimă în care flacăra se poate propaga. Distanţa
minimă de stingere a flăcării este de 0,04-0,2 mm.
Fenomenul de stingere a flăcării se desfăşoară în două faze:
1. flacăra este stinsă la distanţă mică de perete, peretele rece preia căldura de la zona
caldă de reacţie şi se încălzeşte;
2. după stingerea flăcării are loc difuzia gazelor şi oxidarea acestora. Hidrocarburile care
nu au fost oxidate în timpul procesului primar de ardere vor fi oxidate în timpul cursei de
destindere şi evacuare, astfel se diminuează efectul stingerii flăcării.
3.3.3 Particularităţi ale formării emisiilor de hidrocarburi la motorul cu aprindere prin
scânteie
La motoarele cu aprindere prin scânteie emisiile de hidrocarburi sunt situate între 1000 şi
3000 ppm, echivalentul a 1…2,5% din combustibilul introdus în cilindrii motorului. Odată ce
amestecul carburant se îmbogăţeşte nivelul emisiilor creşte, iar în cazul amestecurilor sărace
24
calitatea arderii se înrăutăţeşte fapt ce duce la arderea incompletă ce are ca rezultat emisii
ridicate de hidrocarburi.
Emisiile de hidrocarburi apar ca rezultat al: stingerii flăcării la pereţii camerei de ardere,
stingerea flăcării la pătrunderea în interstiţii, absorbţiei şi desorbţiei peliculei de lubrifiant,
calităţii arderii, depozitelor din camera de ardere.
3.3.3.1 Stingerea flăcării la pereţii camere de ardere
Datorită existenţei unui strat rece de amestec în camera de ardere, în apropierea pereţilor,
cu o grosime de 0,05-0,4 mm, au loc procese de oxidare la temperaturi reduse. Concentraţia de
hidrocarburi scade rapid după ajungerea flăcării pentru că hidrocarburile nearse difuzează în
masa de gaze arse din camera de ardere unde sunt oxidate. Creşterea concentraţiei de
hidrocarburi mai târziu în ciclu arată că acestea au o altă origine decât stratul rece.
De asemenea rugozitatea suprafeţelor are o importanţă ridicată asupra concentraţiei de
hidrocarburi nearse. La o scădere cu 32% a rugozităţii s-a produs o reducere a cantităţii de
hidrocarburi nearse de 14%.
3.3.3.2 Influenţa interstiţiilor
Interstiţiile cu intrare îngustă la intrarea cărora flacăra se stinge reprezintă o sursă
importantă de emisii de hidrocarburi nearse.
Spaţiul cel mai important este zona delimitată de capul pistonului, segmentul de foc şi
oglinda cilindrului. Alte interstiţii: spaţiul creat de garnitura de chiulasă, spaţiul creat în jurul
supapelor de evacuare şi spaţiul creat în jurul bujiei.
În timpul curse de comprimare amestecul aer combustibil este forţat să ocupe volumul
interstiţiilor, care sunt caracterizate de un raport ridicat dintre suprafaţă şi volum ceea ce duce la
răcirea amestecului prin transferul de căldură spre pereţi.
În timpul arderii presiunea din camera de ardere continuă să crească şi în volumul
interstiţiilor continuă să intre hidrocarburi nearse. Amestecul reţinut în interstiţii poate fi ars în
întregime sau parţial prin pătrunderea flăcării în volum, numai dacă intrarea e suficient de largă
şi permite acest lucru, sau se produce stingerea flăcării la intrarea în aceste interstiţii.
După ce flacăra se stinge, o parte din gazele arse pot pătrunde în interstiţii până când
temperatura începe să scadă, moment în care o parte din gazele rămase în interstiţii revin în
camera de ardere.
Pentru reducerea emisiilor de hidrocarburi nearse este importantă configuraţia
segmenţilor şi modul de aranjare, deoarece interstiţiul creat de aceştia reprezintă 80% din totalul
emisiilor de hidrocarburi nearse. Interstiţiul creat de garnitura de chiulasă reprezintă 13% din
emisiile de hidrocarburi nearse, iar interstiţiul creat de bujie 5%.
25
De asemenea prin micşorarea interstiţiului creat de piston-segment-cilindru se poate
obţine o reducere a hidrocarburilor nearse de 47-74%.
3.3.3.3 Influenţa absorbţiei şi desorbţiei de hidrocarburi de către pelicula de ulei
Prezenţa uleiului în combustibil sau pe pereţii camerei de ardere determină o creştere a
emisiilor de hidrocarburi.
Creşterea nivelului de emisii este dependentă de solubilitatea combustibilului în ulei.
Temperatura uleiului influenţează invers proporţional solubilitatea vaporilor de combustibil în
ulei, astfel că la rece avem o cantitate mare de hidrocarburi nearse emise.
Absorbţia şi desorbţia de hidrocarburi de către pelicula de ulei se desfăşoară astfel: în
timpul procesului de admisie în cilindrii motorului pătrunde o cantitate de vapori de combustibil.
Filmul de ulei care acoperă pereţii cilindrului sunt saturaţi cu vapori de hidrocarburi la presiunea
mediului ambiant. În cursa de comprimare presiunea vaporilor de combustibil creşte şi astfel
procesul de absorbţie a vaporilor de combustibil continuă, chiar dacă uleiul a fost saturat de
vaporii de combustibil în cursa de admisie.
În timpul arderii concentraţia vaporilor de combustibil în masa gazelor din cilindru scade
către zero, moment în care vaporii de combustibil vor fi desorbiţi din pelicula de ulei în masa
produselor de ardere. Fenomenul de desorbţie va continua în timpul cursei de destindere şi de
evacuare.
O parte din vaporii desorbiţi sunt amestecaţi cu produse de ardere cu temperatură ridicată
şi sunt oxidaţi, iar cealaltă parte rămâne în stratul limită sau se amestecă cu gazele arse mai reci
mai târziu în ciclul motor. Astfel ele pot scăpa de procesul de ardere completă fapt ce duce la
creşterea emisiilor de hidrocarburi nearse.
Reducerea participării uleiului la producerea emisiilor de hidrocarburi nearse poate fi
obţinută prin utilizarea unor uleiuri sintetice cu efect de solvent scăzut.
Reducerea emisiilor se poate obţine şi prin realizarea unei răciri direcţionate: capul
pistonului să fie răcit normal, iar pereţii cilindrului sa fie răciţi la temperatura suportată de
pelicula de ulei.
3.3.3.4 Influenţa calităţii arderii
Stingerea flăcării în camera de ardere este datorată procesului de ardere defectuos. Acest
fenomen apare atunci când presiunea şi temperatura scad brusc: la mersul în gol, la turaţii şi
sarcini scăzute, atunci când cantitatea de gaze arse recirculate este prea mare şi aprinderea
amestecului este întârziată.
26
Îmbunătăţirea arderii se poate realiza prin utilizarea a două bujii când se utilizează o
recirculare înaltă de gaze arse pentru reducerea emisiilor de oxizi de azot.
3.3.3.5 Influenţa depozitelor din camera de ardere
Depozitele de pe pereţii camerei de ardere produc o creştere a emisiilor de hidrocarburi
nearse. Utilizarea benzinelor aditivate cu compuşi ai plumbului determină creşterea emisiilor de
hidrocarburi cu 7-20%.
Eliminarea depozitelor de pe pereţii camerei de ardere reduce nivelul de emisii de
hidrocarburi nearse aproape de nivelul motorului curat.
Utilizarea unor benzine neaditivate cu compuşi ai plumbului provoacă depuneri cu o
compoziţie diferită, care determină o creştere a emisiilor de hidrocarburi compatibilă cu cea
determinată de creşterea numărului de ore de funcţionare a motorului. Depozitele de funingine
apar la funcţionarea motorului cu amestecuri bogate ceea ce duce la creşterea emisiilor de
hidrocarburi nearse.
Depozitele din camera de ardere acţionează asemănător absorbţiei şi desorbţiei peliculei
de ulei. Prezenţa depozitelor în interstiţii provoacă micşorarea volumului acestora, deci cantitatea
de hidrocarburi nearse prezentă în gazele de evacuare se reduce.
3.3.3.6 Influenţa post-arderii hidrocarburilor
Dintre hidrocarburile care scapă procesului primar de ardere numai o parte ajung în
gazele de evacuare restul se amestecă cu gazele de temperatură ridicată în timpul destinderii,
temperatura creşte şi apare procesul de destindere.
O mare parte din hidrocarburile din gazele de evacuare sunt produşi ai reacţiilor de post-
ardere. Evident că în sistemul de evacuare se desfăşoară reacţii de oxidare a acestora. În cilindru
gazele se află la o temperatură ridicată şi amestecarea hidrocarburilor nearse limitează reacţiile
de oxidare mai puternic decât cinetica acestor reacţii.
Prin studii experimentale s-a demonstrat că hidrocarburile reţinute în interstiţii pot fi
oxidate complet prin amestecarea cu gazele arse numai dacă acestea au o temperatură mai mare
de 1400K, astfel o parte din hidrocarburile din interstiţii şi cele desorbite de pelicula de ulei sunt
supuse unei oxidări parţiale.
Cantitatea de oxigen necesară reacţiei de oxidare a hidrocarburilor poate fi asigurată prin
injecţia de aer în poarta supapei.
Oxidarea secundară se poate obţine şi prin diminuarea pierderilor de căldură la supapa şi
colectorul de evacuare, prin acoperirea cu material ceramic.
În tabelul de mai jos sunt prezentaţi diferiţi factori ce contribuie la formarea
hidrocarburilor nearse şi emisia lor în gazele de evacuare.
27
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 din camera de ardere1. Turaţia2. Raportul de vârtej3. Forma camerei de ardere
b) Filmul de ulei1. Consumul de ulei2. Temperatura pereţilor3. Turaţia
b) Temperatura gazelor arse pe durata destinderii şi evacuării
1. Turaţia2. Avansul la aprindere3. Compoziţia amestecului4. Raportul de comprimare5. Pierderile de căldură prin pereţi
c) Arderea incompleta1. Rata arderii2. Compoziţia amestecului3. Sarcina4. Avansul la aprindere
c) Concentraţia de oxigen din gazele arse 1. 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 părăseşte cilindrul 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 deschiderii
supapelor2. Mărimea supapei de evacuare şi
localizarea acesteia3. Forma camerei de ardere4. Raportul de comprimare5. Turaţia
b) Concentraţia de oxigen 1. Raportul echivalent2. Debitul de aer secundar şi punctul de adiţionare
c) Timpul de rezidenţă1. Turaţia2. Sarcina3. Volumul critic al componentelor
sistemului de evacuare
d) Reactori de evacuare 1. Catalizator de oxidare2. Catalizator cu trei căi3. Reactor termic
Tab.5 Factorii care influenţează formarea hidrocarburilor nearse
28
3.3.4 Particularităţi ale formării emisiilor de hidrocarburi la motorul cu aprindere prin
comprimare
Arderea la motorul cu aprindere prin comprimare este polistadială:
1. Întârzierea la autoaprindere reprezintă durata scursă din momentul începerii
procesului de injecţie până la iniţierea autoaprinderii;
2. Arderea rapidă, arderea amestecurilor performante, reprezintă perioada în care arde
amestecul format în timpul întârzierii la autoaprindere;
3. Arderea controlată are un caracter moderat, pe parcursul ei arderea depinde de
formarea amestecului aer-combustibil în limitele de inflamabilitate;
4. Postarderea reprezintă faza în care degajarea de căldură continuă într-o măsură mai
scăzută decât în fazele anterioare. Această fază este generată de amestecarea gazelor reziduale
combustibile cu excesul de oxigen într-o cinetică a reacţiilor mult diminuată.
Formarea amestecului la motorul cu aprindere prin comprimare are loc în cilindrii
motorului şi se suprapune parţial cu procesul de ardere deoarece injecţia combustibilului are loc
la sfârşitul cursei de comprimare. Astfel amestecul rămâne în camera de ardere un timp scurt, iar
mecanismul de formare al hidrocarburilor nearse este diferit faţă de motorul cu aprindere prin
scânteie.
Datorită conţinutului de hidrocarburi cu puncte de fierbere ridicate şi cu greutate
moleculară mai mare decât a benzinelor, combustibili motoarelor cu aprindere prin comprimare
determină emisii de hidrocarburi nearse sau parţial arse cu o compoziţie mult mai complexă
decât la motoarele cu aprindere prin scânteie.
Procesul de oxidare poate fi evitat de hidrocarburi în două moduri:
1. Amestecul aer-combustibil poate fi prea sărac pentru a se autoaprinde sau frontul de
flacără să se propage;
2. În procesul de ardere primar amestecul aer-combustibil este prea bogat pentru a se
putea aprinde sau flacăra să se propage.
Deci combustibilul nears poate fi oxidat numai prin reacţii slabe de oxidare în cursa de
destindere după ce se amestecă cu aerul adiţional. Rezultă că hidrocarburile rămân neconsumate
datorită amestecării incomplete sau datorită răcirii procesului de oxidare.
29
Fig.23 Schematizarea proceselor care duc la arderea incompletă
Combustibilul injectat în timpul întârzierii la autoaprindere se amestecă cu aerul
rezultând amestecuri aer-combustibil într-o gamă largă de dozaje. Astfel o parte din combustibil
se amestecă rapid cu aerul formând amestecuri sărace sub limita de ardere, o parte se amestecă în
dozaje aflate la limita de inflamabilitate, iar o parte vor fi amestecuri prea bogate pentru ca să
ardă.
Amestecurile foarte sărace nu se pot autoaprinde şi nu permit propagarea flăcării în
condiţiile din cilindru, amestecurile performante vor arde acolo unde condiţiile locale sunt
favorabile autoaprinderii, unde se va consuma întreaga cantitate de amestec dacă flacăra nu este
răcită de stratul limită termic, iar în cazul amestecurilor foarte bogate arderea depinde de
amestecarea cu aerul a amestecului în timpul cursei de destindere.
În cazul injectării combustibilului după perioada de întârziere la autoaprindere rezultă o
ardere completă datorită amestecării rapide a aerului cu combustibilului, sau a produşilor de
piroliză. Dacă procesul de amestecare este lent rezultă amestecuri foarte bogate, sau reacţiile de
ardere sunt răcite, fapt ce duce la apariţia în gazele de evacuare a produşilor de ardere
incompletă, produşi de piroliză şi combustibil nears.
Modul de funcţionare a motorului are o puternică influenţă asupra emisiilor de
hidrocarburi nearse:
- funcţionarea la relanti determină emisii mai mari decât la funcţionarea la sarcină plină;
- depăşirea dozei optime de combustibil pe ciclu duce la creşterea emisiilor;
- amestecurile superbogate rezultate în timpul arderii datorită subamestecării reprezintă
mecanismul prin care combustibilul rămas în sacul pulverizatorului evită procesul de ardere fapt
ce duce la emisii puternice de hidrocarburi;
- emisiile de hidrocarburi sunt influenţate de temperatura pereţilor deoarece se poate
produce răcirea flăcării la perete ceea ce duce la arderea incompletă sau la lipsa aprinderii.
30
3.3.5 Influenţa amestecurilor supersărace asupra emisiilor de hidrocarburi
Începutul procesului de injecţie a combustibilului în camera de ardere este însoţit de
amestecul local al combustibilului cu aerul aflat în mişcare organizată sau neorganizată. O
anumită cantitate de combustibil se amestecă cu aerul într-un dozaj super sărac în afara limitei de
inflamabilitate, cantitate care creşte în timp .
Fig.24 Distribuţia dozajului în jetul de combustibil
În zona cu amestec uşor mai sărac decât amestecul stoichiometric se produce
autoaprinderea. Există cazuri când există numai două zone: amestec bogat şi amestec sărac care
nu se pot autoaprinde sau nu permit propagarea flăcării. Aceste amestecuri pot fi oxidate prin
reacţii termice de oxidare lente care sunt incomplete.
Cantitatea de hidrocarburi din aceste zone cu dozaj supersărac depind de cantitatea de
combustibil injectată pe durata întârzierii la autoaprindere şi condiţiile din cilindru.
Fig.25 Relaţia dintre hidrocarburile nearse şi întârzierea la autoaprindere
3.3.6 Influenţa amestecurilor superbogate asupra emisiilor de hidrocarburi
Amestecurile superbogate sunt generate de echipamentul de injecţie.
Emisiile de hidrocarburi rezultate datorită amestecurilor bogate au două surse:
1. Curentul de combustibil care părăseşte mai târziu pulverizatorul în timpul procesului
de ardere şi care se caracterizează prin viteze scăzute. Este influenţat de volumul sacului
pulverizatorului;
2. Excesul de combustibil care invadează camera de ardere.
31
După terminarea procesului de injecţie sacul pulverizatorului este plin cu combustibil,
combustibil care este încălzit şi începe să vaporizeze în timpul procesului de ardere şi destindere.
Vaporii de combustibil intră în cilindru, prin orificiile de pulverizare, cu viteză mică şi se
amestecă cu vaporii de aer, deci pot scăpa procesului primar de ardere. Dar în gazele de evacuare
nu se găseşte întreaga cantitate de combustibil prezentă în săculeţ.
Fig.26 Variaţia emisiilor de HC în funcţie de volumul sacului pulverizatorului
În cazul motoarelor cu injecţie directă emisia de fum limitează amestecul combustibil-aer
la raportul de 0,7, astfel la sarcini mici când injecţia combustibilului are loc cu viteză redusă
amestecul carburant nu este omogen şi astfel apar zone cu dozaje bogate. Atunci când motorul
funcţionează la regimuri tranzitorii poate apărea o injecţie excesivă de combustibil fapt ce duce
la crearea unor zone cu dozaj bogat chiar dacă per ansamblu amestecul este sărac.
Fig.27 Influenţa sarcinii asupra emisiilor de HC la MAC
3.3.7 Influenţa răcirii la perete şi lipsa arderii asupra emisiilor de hidrocarburi
Ca şi în cazul motoarelor cu aprindere prin scânteie, răcirea flăcării la perete are o
influenţă ridicată asupra emisiilor de hidrocarburi. Astfel pentru o creştere a temperaturii uleiului
şi a lichidului de răcire de la 40°C la 90°C, la motoarele cu injecţie directă, emisiile de
hidrocarburi s-au redus cu aproximativ 30%.
La motoarele diesel variaţia procesului de ardere de la un ciclu la altul este pronunţată şi
astfel apar variaţii substanţiale ale emisiilor de hidrocarburi de la un ciclu la altul.
32
Dacă pe o porţiune de ciclu de funcţionare a motorului lipseşte arderea atunci emisiile de
hidrocarburi sunt proporţionale cu fracţiunea de amestec nears, iar dacă arderea lipseşte cu
desăvârşire atunci apare fumul alb format din vapori şi picături de combustibil. Acest fenomen
poate apărea la pornirea la rece a motorului cu aprindere prin comprimare.
3.4 Formarea emisiilor de particule
3.4.1 Formarea emisiilor de particule la motorul cu aprindere prin scânteie
Cantitatea de emisii de particule în cazul motoarelor cu aprindere prin scânteie este
redusă şi nu este limitată prin regulament.
Clasele de particule se împart în: plumb, sulfaţi şi particule organice.
În cazul în care se utilizează combustibili aditivaţi cu compuşi ai plumbului, tetrametil de
plumb sau tetra etil de plumb, rata de emisie de plumb este cuprinsă între 100 şi 150 mg/km,
pentru un grad de aditivare de 0,15g/l Pb.
În gazele de evacuare apare numai o fracţiune de 10 până la 15% din cantitatea de plumb
introdusă în combustibil, restul rămânând depozitată pe pereţii camerei de ardere şi a sistemului
de evacuare.
Emisiile de sulfaţi pot apărea ca efect al utilizării unor amestecuri foarte bogate şi depind
de conţinutul de sulf al combustibilului. Aceste emisii sunt importante în cazul autovehiculelor
echipate cu catalizatori deoarece sulful se transformă în dioxid de sulf care poate fi oxidat de
catalizator rezultând SO3 care prin combinaţie cu apa duce la apariţia acidului sulfuric sub formă
de aerosoli.
Emisia de funingine poate rezulta ca efect al utilizării unor amestecuri foarte bogate, dar
ea nu constituie o problemă majoră în cazul motoarelor cu aprindere prin scânteie. Prin utilizarea
unor benzine neaditivate se reduc emisiile de particule cu 20mg/km.
3.4.2 Formarea emisiilor de particule la motorul cu aprindere prin comprimare
Particulele generate de motor în timpul arderii sunt compuşi ai materialelor carbonoase,
care au absorbit fracţiuni organice solubile (esteri, aldehide, lactone, eteri, acizi organici,
hidrocarburi aromatice), molecule condensate pe funingine, imediat după faza de ardere şi care
se pot constitui în precursori ai formării funinginii.
Compoziţia particulelor este influenţată de funcţionarea motorului şi de temperatura de
evacuare. Astfel la temperaturi de 500°C a gazelor de evacuare, particulele sunt agregate sferice
de funingine cu mici proporţii de hidrogen. Dimensiunea particulelor este de 15…30nm. Iar la
temperaturi sub 500°C particulele sunt acoperite cu fracţiuni organice solubile.
33
Particulele de funingine se formează în interiorul cilindrului, iar concentraţia lor depinde
de tipul combustibilului, numărul de atomi de carbon din hidrocarburile ce alcătuiesc
combustibilul şi raportul carbon/hidrogen.
În timpul arderii la motorul cu aprindere prin comprimare particulele nu se formează prin
polimerizarea şi piroliza picăturilor lichide.
Procesul de formare a funinginii are loc la temperaturi de 1000-2800K şi presiuni
cuprinse între 5 şi 10MPa. Procesul are loc chiar dacă există oxigen suficient astfel încât să
oxideze întreaga cantitate de combustibil.
La arderea difuzivă, unde amestecul este stoichiometric, funinginea se formează la
temperaturi de 2000-2400K şi prezintă un maxim la temperatura de 2100K. În afara acestor
intervale de temperatură cantitate de funingine rezultată este neglijabilă.
Formarea particulelor cuprinde trei procese ce se desfăşoară în paralel:
1. reacţiile de formare a funinginii în prima fază a arderii;
2. reacţiile de formare a funinginii în gazele arse, în timpul arderii difuzive;
3. oxidarea funinginii ce are ca rezultat monoxidul de carbon şi dioxidul de carbon.
Funinginea din motorul diesel este compusă dintr-o fază de carbon şi asociată cu
compuşii extraşi, fracţiuni organice solubile.
Principalele stadii ale formării hidrocarburilor policiclice aromatice şi ale fumului sunt:
1. Flacăra: locul în care are loc generarea hidrocarburilor policiclice aromatice. Ea
determină moderarea sau încetinirea formării funinginii;
2. Piroliza la temperaturi înalte: generează hidrocarburi aromatice policiclice, determină
intensificarea formării funinginii;
3. Piroliza la temperaturi mai scăzute: generează hidrocarburi aromatice policiclice şi
produşi oxigenaţi care diminuează formarea funinginii;
4. Vaporizarea combustibilului şi lubrifiantului: determină adăugarea de compuşi fără
ca aceştia să ducă la formarea de funingine.
Procesul de formare a funinginii în flacăra amestecurilor performante, arderea rapidă,
este mai puţin intens decât procesul de formare în flacăra difuză, arderea secundară.
3.4.2.1 Oxidarea funinginii
Procesul de oxidare a funinginii are loc în toate fazele de formare ale acesteia. Cantitatea
de funingine dezvoltată în cilindru este supusă unui proces de oxidare în cilindru înainte de
începerea procesului de evacuare.
Oxidarea este favorizată de raportul dintre suprafaţă şi volum, ea necesită o temperatură
minimă a gazelor de 700-800°C.
34
Ca rezultat al oxidării se obţine monoxidul de carbon, iar în conducta de evacuare se va
găsi doar o mică parte din funinginea formată în cilindrii, sub 10%.
3.4.2.2 Absorbţia şi condensarea
Procesul de formare al particulelor se închei cu absorbţia şi condensarea hidrocarburilor,
proces ce are loc după ce gazele au părăsit cilindrii motorului.
Absorbţia implică aderenţa moleculelor de hidrocarburi nearse la suprafaţa particulelor
de funingine datorită forţelor de natură fizică şi chimică.
Condensarea are loc când presiunea de vaporii a hidrocarburilor gazoase depăşeşte
presiunea vaporilor saturaţi.
3.5 Formarea mirosului la motorul cu aprindere prin comprimare
Gazele de evacuare conţin mai mult de o mie de compuşi organici cu punct de fierbere
mai mic de 260°C, dintre care mai puţin de o sută au miros distinctiv. Dintre care amintim:
aldehide de la C2 la C8, alchilbenzeni, furani; derivaţii alchil ai benzenului, indane şi naftalene
dau o nuanţă înţepătoare şi de ars mirosului gazelor; compuşii olefinici şi ciclici dau nuanţa de
ars a mirosului; compuşii oxigenaţi şi cei puternic nesaturaţi dau un miros greţos; acizii graşi dau
un miros înţepător.
Mirosul cu senzaţia de ulei şi kerosen e dat de prezenţa naftalenelor, alchilbenzenelor,
indanelor, tetralinelor şi indenelor.
Senzaţia de fum ars este dată de mai mulţi compuşi: hidroxi şi metoxi-indanone, metil şi
metoxifenoli, furani şi alchilbenzaldehide, alkenone, dienone, hidroxiciclocarbonili şi
hidroxiindanone.
O serie de compuşi au efect iritant: aldehide uşoare saturate (formaldehida, acetaldehida)
şi aldehide nesaturate (acroleina, crotonaldehida), dioxidul de sulf, acidul sulfuric, dioxidul de
azot şi fenolul. Dintre aceştia cei mai importanţi sunt formaldehida şi acroleina.
Compuşii mirositori şi iritanţi sunt compuşi organici nearşi. Concentraţia de compuşi
oxigenaţi se formează în zonele cu reacţii de oxidare lente unde se formează o cantitate ridicată
de produşi oxidaţi parţial.
Compuşii mirositori rezultaţi prin oxidarea normală a hidrocarburilor se formează mult
mai târziu şi o parte din ei pot supravieţui la temperaturi scăzute, în zonele răcite sau în zonele
în care dozajul e prea scăzut pentru a susţine arderea. Nivelul de miros în cazul motoarelor cu
injecţie directă e mult mai mare faţă de motoarele cu injecţie indirectă.
Modificarea condiţiilor de funcţionare ale motorului în gama normală nu influenţează
nivelul de miros. Acesta este influenţat de temperatura motorului deoarece se poate produce o
ardere incorectă ceea ce face ca hidrocarburile neoxidate să scape pe ţeava de evacuare.
35
Intensitatea mirosului este puternică la pornirea la rece, la relanti mirosul este puternic
deoarece arderea are loc în condiţii dificile, iar la o sarcină de 50% din sarcina plină mirosul este
minim.
În cazul funcţionării motorului cu amestecuri bogate, la sarcină şi turaţie mare, va fi un
miros ridicat.
Recircularea gazelor arse are efect negativ deoarece se intensifică mirosul, şi calitatea sau
compoziţia combustibilului influenţează mirosul.
Nivelul de miros poate fi diminuat prin:
- creşterea temperaturii la sfârşitul comprimării sau preîncălzirea amestecului la intrarea
în motor pentru a reduce întârzierea la autoaprindere, în detrimentul emisiilor de NOx;
- optimizarea avansului la injecţie în funcţie de sarcină şi turaţie pentru reducerea
întârzierii la autoaprindere;
- reducerea volumului rezidual al volumului pulverizatorului.
De asemenea prin utilizarea unor filtre catalitice care să reţină şi să ardă particulele duce
la reducerea concentraţiei produşilor mirositori, dar nu influenţează concentraţia produşilor
iritanţi.
4 Tehnologii active de reducere a emisiilor poluante
4.1 Tehnologii active de reducere a emisiilor poluante la MAS
Pentru reducerea emisiilor poluante la MAS se utilizează următoarele soluţii:
- se intensifică turbionarea amestecului în camera de ardere şi se măreşte durata şi
puterea scânteii electrice pentru mărirea domeniilor de funcţionare a motorului cu amestecuri
sărace;
- pulverizarea şi vaporizarea combustibilului se îmbunătăţeşte astfel încât să se asigure un
amestec omogen la toate regimurile de funcţionare;
- se măreşte temperatura pereţilor camerei de ardere şi se micşorează suprafaţa acesteia
pentru ca fenomenul de stingere a flăcării la pereţi să nu mai apară;
- reducerea volumului interstiţiilor care reţin amestec carburant şi în care flacăra nu
pătrunde;
- mărirea duratei şi puterii scânteii electrice pentru a asigura un domeniu larg de
funcţionare cu amestecuri sărace;
- controlul temperaturii maxime a ciclului şi recircularea gazelor arse pentru a reduce
emisiile;
- utilizarea amestecurilor stratificate.
36
4.1.1 Schimbul de gaze
Procesul de schimb al gazelor influenţează procesele din cilindrii motorului ceea ce
afectează parametrii energetici şi procesele de formare a poluanţilor atât la motoarele cu aspiraţie
naturală cât şi la motoarele supraalimentate. Îmbunătăţirea umplerii cilindrilor se poate realiza
prin următoarele tehnologii:
- utilizarea unor colectoare de admisie care să genereze supraalimentarea sonică;
- utilizarea mai multor supape pe cilindru;
- utilizarea distribuţiei variabile.
Colectorul de admisie rezonant poate avea lungimea fixă şi în acest caz el este "acordat"
la motor numai pentru un regim de turaţie (regimul puterii maxime) sau poate avea lungime
variabilă. Modificarea lungimii colectorului de admisie se realizează prin intermediul unei
clapete. În acest caz, colectorul de admisie este acordat cu motorul la regimul de turaţie al
cuplului maxim şi la regimul de turaţie al puterii maxime. Pentru motoarele cu două supape de
admisie pe cilindru se pot utiliza două colectoare de admisie rezonante acordate pentru regimuri
de turaţie diferite.
Sistemele de admisie rezonante introduc în cilindri unde de presiune care vor îmbunătăţi
procesul de formare a amestecului omogen aer-combustibil. În cazul tubulaturii de evacuare
utilizarea fenomenelor ondulatorii la curgerea gazelor trebuie să genereze în poarta supapei de
evacuare la sfârşitul procesului o undă de depresiune pentru a favoriza curgerea gazelor reziduale
existente în camera de ardere.
Fig.28 Supraalimentare acustică Porsche VarioRam
a) sub 5000rpm, b) între 5000-5800rpm, c) peste 5800rpm
Pentru îmbunătăţirea procesului de formare a amestecului se poate intensifica
turbionarea acestuia prin amplasarea pe peretele canalului de admisie a unei clapete comandate
funcţie de parametrii de funcţionare ai motorului.
37
Fig.29 Sistem de admisie variabil Toyota
Mărirea secţiunii de trecere a gazelor se poate realiza prim mărirea numărului de supape
atât pentru încărcătura proaspătă cât şi pentru gazele arse. Configuraţia utilizată este: două
supape de admisie şi două supape de evacuare pe cilindru.
Îmbunătăţirea parametrilor energetici şi minimizarea emisiilor poluante se pot realiza prin
deschiderea şi închiderea în momente optime ale supapelor de admisie şi evacuare în funcţie de
regimul de funcţionare (distribuţie variabilă).
Fig.30 Caracteristicile fazelor de distribuţie
Distribuţia variabilă a gazelor se poate realiza utilizând diferite soluţii tehnice cum ar fi:
sisteme de acţionare mecanice; sisteme de acţionare hidraulice; sisteme electromagnetice.
Pentru a realiza distribuţia variabilă s-au dezvoltat o multitudine de sisteme de acţionare
mecanice cum ar fi:
1. camă cu profil variabil spaţial longitudinal şi cu arbore cu came deplasabil longitudinal
în raport cu axa motorului;
2. utilizarea unor came cu profil variabil radial;
3. utilizarea unor dispozitive prin care camele îşi modifică poziţia unghiulară împreună cu
arborele faţă de poziţia arborelui cotit;
4. sisteme care utilizează două came.
Sistemele de distribuţie variabilă cu comandă hidraulică sunt asociate cu tachetul
hidraulic. Dezvoltarea unor sisteme electromagnetice de distribuţie variabilă permite controlul
38
distribuţiei gazelor prin intermediul unei unităţi electronice de control în funcţie de parametrii
funcţionali ai motorului.
Fig.29 Distribuţie variabilă: a) camă spaţială; b) Variocam Plus Porsche;
c) tachet hidraulic; d) BMW Valvetronic.
4.1.2 Utilizarea amestecurilor omogene
4.1.2.1 Injecţia de benzină
Sistemele de injecţie a benzinei datorită posibilităţilor de control precis al dozei de
combustibil pe ciclu, în funcţie de parametrii funcţionali ai motorului, s-au impus în faţa
carburatorului cu toate că acestuia i-au fost aduse importante modernizări prin controlul
electronic. Utilizarea sistemului de injecţie de benzină permite menţinerea dozajului amestecului
în limitele λ=0,99 - 1,01 pentru ca eficienţa de funcţionare a convertorului catalitic cu trei căi să
fie maximă.
Umplerea motorului se îmbunătăţeşte la utilizarea injecţiei de benzină datorită reducerii
pierderilor gazodinamice de pe traiectul de admisie. Puterea dată de motor este mai mare. La
utilizarea injecţiei de benzină se obţin reduceri importante ale consumului de combustibil atât în
regimurile stabilizate de funcţionare cât şi în regimurile 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.
Cel mai utilizat este sistemul electronic de comandă şi control deoarece permite controlul
funcţionării optime a motorului la toate regimurile.
39
Pentru menţinerea amestecului omogen la un dozaj stoichiometric este necesar ca unitatea
electronică de control să primească informaţii de la "sonda λ" care detectează prezenţa
oxigenului din gazele de evacuare. Utilizarea amestecurilor omogene sărace este posibilă prin
utilizarea unor rapoarte ridicate de comprimare ale motorului, ε = 11-16, şi o turbionare intensă a
amestecului. În acest caz gazele conţin o cantitate ridicată de oxigen şi sistemele de tratare a
gazelor cu metale preţioase: Pt, Rh, Pd, nu mai au o funcţionare eficientă şi trebuie înlocuite cu
sisteme de tratare catalitică dezvoltate pentru arderea gazelor arse neoxidate.
4.1.2.2 Camera de ardere
Camera de ardere trebuie să fie minimă pentru reducerea procesului de formare a
compuşilor poluanţi şi pentru ca parametrii energetici ai motorului să fie maximi. Astfel camera
de ardere trebuie să permită amplasarea bujiei în centrul acesteia pentru ca distanţele parcurse de
frontul de flacără până la pereţi să aibă lungimi egale.
Regimului termic al camerei de ardere poate fi îmbunătăţit prin aplicarea unor acoperiri
termoizolante pe capul pistonului, suprafaţa supapelor de evacuare şi suprafaţa aferentă camerei
de ardere din chiulasă. Dacă suprafeţele sunt acoperite cu dioxid de zirconiu pe un strat
intermediar de Ni, Co, Cr, AlY se obţine o creştere a performanţelor motorului cu 10%, se reduc
emisiile poluante cu 20 - 50%, iar particulele cu până la 52%. De asemenea se produce şi o
reducere a emisiei sonore cu până la 3dB.
4.1.2.3 Utilizarea amestecurilor stratificate
Utilizarea amestecurilor stratificate presupune obţinerea în camera de ardere a unor
amestecuri cu dozaje diferite. Astfel în zona bujiei se organizează amestecuri bogate, în limita de
inflamabilitate iar spre pereţii camerei de ardere amestecul este din ce în ce mai sărac, stratul
limită este numai aer.
Avantajul principal al stratificării amestecului este reprezentat de utilizarea unor
amestecuri global sărace care în condiţii omogene s-ar aprinde cu dificultate şi ar crea probleme
la propagarea flăcării.
Amestecul bogat din zona bujiei se aprinde uşor iar frontul de flacără se propagă spre
amestecurile sărace datorită creşterii temperaturii gazelor din camera de ardere. În această zonă
se formează mici cantităţi de CO şi HC care vor fi oxidate pe durata procesului de ardere şi pe o
porţiune a cursei de destindere. De asemenea se formează mici cantităţi de oxid de azot datorită
deficitului de oxigen.
În cazul arderii amestecurilor sărace se formează cantităţi reduse de CO şi HC datorită
excesului de oxigen. Nivelul formării oxizilor de azot este redus datorită temperaturii scăzute la
care are loc arderea.
40
Amestecurile stratificate se pot obţine prin:
1. Utilizarea camerei de ardere divizate, la care există o separare fizică a celor două
camere care comunică printr-un canal.
La aceste motoare camera de ardere comportă două compartimente care sunt alimentate
cu amestecuri diferite din punct de vedere al coeficientului de exces de aer λ. Legătura dintre
cele două compartimente este realizată printr-unul sau mai multe canale de dimensiuni reduse.
Compartimentul cu volumul mai mic, antecamera, conţine bujia şi este alimentată cu amestec
bogat.
Amestecul parţial ars părăseşte antecameră sub formă de jeturi şi intră în camera
principală care este alimentată cu amestec sărac.
Soluţia a fost propusă de Ricardo în anii 20 şi dezvoltat ulterior în Rusia şi Japonia. Ea a
fost aplicată cu succes în producţia de serie. Utilizarea ei duce la obţinerea unei reduceri a
emisiilor de HC dar măreşte nivelul emisiilor de NOx.
Fig.30 cameră de ardere divizată
2. Realizarea de amestecuri stratificate în cameră unitară prin injecţie directă.
Motoare cu injecţie directă de benzină au fost construite încă din primii ani ai motorului
cu ardere internă. Primele aplicaţii au fost în domeniul militar, la motoarele pentru avioanele de
luptă germane. Mai târziu, injecţia directă a fost aplicată la motoarele pentru autoturismele de
înaltă performanţă.
Pentru mai multe decenii, injecţia directă a fost practic uitată. Aceasta, datorită
dificultăţilor în controlarea proceselor din motor, în special la turaţii mari, precum şi dificultăţii
de realizare a presiunii înalte în benzină. Introducerea acesteia la motoarele moderne a fost
posibilă datorită progreselor în domeniul electronicii, al controlului computerizat al motorului.
Datorită restricţiilor din ce în ce mai severe în domeniul poluării impuse motoarelor cu
ardere internă, injecţia directă reprezintă soluţia de formarea a amestecului spre care se îndreptă
toţi constructorii de motoare.
Utilizarea injecţiei directe aduce o serie de avantaje:
- coeficientul de exces de aer global poate fi supraunitar;
- arderea se realizează în condiţii ce defavorizează formarea NOx;
41
- cantităţile de CO şi HC produse la începutul procesului de ardere pot fi oxidate complet
în interiorul camerei de ardere;
- amestecul ce pătrunde în interstiţii este foarte sărac, se reduc emisiile datorate
interstiţiilor;
- controlul sarcinii motorului poate fi efectuat prin îmbogăţirea amestecului şi nu prin
obturarea admisiei, astfel se reduc pierderile prin pompare;
- amestecul care arde la sfârşit este foarte sărac, se evită apariţia fenomenului de detonaţie
deci se pot utiliza rapoarte de comprimare mai mari.
Utilizarea injecţiei directe presupune unele modificări ale motorului faţă de soluţia în care
se utilizează injecţia indirectă. Astfel trebuie modificat modul de organizare a mişcării
încărcăturii, formarea amestecului, modul de control al sarcinii şi echipamentul de injecţie.
Sistemul de injecţie conferă motorului avantajele substanţiale în domeniul economicităţii,
puterii şi emisiilor. Faţă de sistemele de injecţie indirectă acestea trebuie să fie comandate cu o
precizie mai mare şi să interacţioneze mult mai profund cu celelalte sisteme: aprindere,
supraalimentare, recirculare a gazelor arse, tratare a gazelor arse.
Din punct de vedere constructiv injectoarele folosite sunt diferite de cele pentru injecţia
indirectă, deoarece ele lucrează în condiţii grele de presiune şi temperatură. Principala problemă
este realizarea unei pulverizări cât mai fine fără o creştere exagerată a presiunii. Această
problemă este rezolvată prin configuraţia orificiului de pulverizare. Soluţia cu cel mai mare
potenţial ar fi utilizarea unor injectoare care imprimă jetului o puternică mişcare de swirl. Se
poate obţine o fineţe foarte bună a pulverizării la o presiune relativ joasă.
O soluţie şi mai interesantă este cea a injecţiei directe de amestec aer-combustibil.
Instalaţia de injecţie realizează o preamestecare a combustibilului cu o cantitatea de aer
realizându-se un amestec extrem de bogat sub forma unei emulsii care va fi apoi introdusă în
cilindrul motorului. Astfel se îmbunătăţeşte fineţea pulverizării şi se facilitează evaporarea.
Fig.31 Injector electromagnetic
Cu ajutorul injecţiei directe se obţine şi o reducere a consumului de combustibil
semnificativă faţă de injecţia indirectă.
42
Fig.32 Îmbunătăţirea consumului de combustibil
IDA-injecţie directă de amestec, ID-injecţie directă de benzină
Nivelul emisiilor de HC este cu 50% mai redus, la mersul în gol, datorită evitării udării
pereţilor, a pătrunderii combustibilului în interstiţii şi vitezei mare de ardere. Prin recircularea
gazelor arse apare o creştere substanţială a emisiilor de HC.
Emisiile de NOx ale motoarele cu injecţie directă sunt mai mari faţă de motoarele cu
injecţie indirectă la mersul în gol încet datorită amestecului local stoichiometric, care determină
viteze mari de degajare a căldurii. La sarcini parţiale avem o reducere a NOx de aproximativ
50% fără recircularea gazelor de evacuare şi de până la 90% cu recirculare. Datorită
coeficientului de exces de aer global supraunitar aplicarea catalizatorilor cu trei căi obişnuiţi este
neeficientă, motiv pentru care tratarea gazelor arse devine o problemă destul de dificil de
rezolvat, mai ales dacă considerăm şi nivelul redus al temperaturii acestora.
Utilizarea injecţiei directe presupune folosirea amestecurilor sărace şi stratificate, astfel
pentru încadrarea în normele de poluare privind emisiile de NOx, pentru tratarea gazelor arse
trebuie utilizate noi tehnologii. În acest sens se încearcă dezvoltarea unor noi căi pentru tratarea
gazelor: catalizatori de reducere cu zeoliţi şi metale preţioase, sisteme de filtrare şi stocare.
O soluţie este reprezentată de dispozitivele de stocare a NOx. Ele pot capta NOx când
gazele de evacuare sunt bogate în oxigen şi îi pot converti în timpul scurtelor perioade de
funcţionare cu amestecuri bogate. Problema constă în realizarea unei scurte perioade de
funcţionare cu amestec bogat în timpul regimurilor de funcţionare prelungită cu amestec sărac.
În timpul funcţionării cu amestec sărac, o îmbogăţire momentană a amestecului determină o
creştere de putere total neacceptabilă pentru autovehicul. Controlul creşterii de putere poate fi
realizat prin regalarea aprinderii cu întârziere mare, perioada de întârziere trebuie atent calibrată
pentru a menţine valoarea momentului motor. Din nefericire, sensibilitatea motorului cu injecţie
43
directă cu amestec stratificat faţă de momentele injecţiei şi aprinderii face practic imposibilă
aplicarea acestei metode.
O altă tehnologie care a fost investigată de Ricardo este un sistem cu plasmă care
realizează conversia NOx, HC şi CO. Sistemul dezvoltat comportă un flux de plasmă cu
temperatură, presiune şi energie scăzută, care se poate genera într-o incintă cu 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 de mai jos.
Puterea totală consumată de sistem în timpul testelor a fost de sub 0,5% din puterea dezvoltată de
motor. Un mare avantaj al sistemului este că poate funcţiona încă de la punerea contactului.
Fig.33 Tratarea gazelor arse cu plasmă.
Eficienţa conversiei pentru un amestec aer-combustibil 38:1
4.1.2.4 Instalaţia de aprindere
Pentru îmbunătăţirea procesului de ardere în cazul funcţionării motorului cu amestecuri
sărace este necesară o optimizare a aprinderii în sensul scăderii întârzierii la aprinderii şi a
probabilităţii de aprindere.
În continuare vor fi prezentate câteva soluţii constructive:
4.1.2.4.1 Aprinderea cu jet de flacără - sistemul PSJ
Aprinderea se produce într-o antecameră separată de camera principală de ardere de
deasupra pistonului. Comunicarea dintre cele două se face prin intermediul unuia sau mai
multora orificii.
Pe măsură ce flacăra se dezvoltă în antecameră, presiunea gazelor din acest compartiment
creşte, forţând gazul să iasă spre camera principală prin orificiul sau orificiile de legătură, sub
forma unuia sau mai multor jeturi turbulente de flacără. Jetul sau jeturile penetrează amestecul
din camera principală, 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 unul sau mai
44
multe jeturi de flacăra în camera principală, jeturi care au o suprafaţă substanţială şi care pot
aprinde amestecuri foarte sărace într-o manieră repetabilă. Antecamera poate fi baleiată sau nu.
Prin realizarea unei turbionări se produce creşterea vitezei iniţiale a frontului de flacără
imediat după producerea descărcării electrice a bujiei. Turbionarea se poate realiza cu ajutorul
unei cavităţi de turbionare în antecamera sau în corpul bujiei.
Fig.34 Sistemul de aprindere cu jet de flacără torch cell Fig.35 Cameră divizată nebaleiată
Fig.36 Cameră de ardere baleiată
Rolul acestor sisteme este de a extinde limita de funcţionare a motorului cu amestecuri
sărace. De exemplu, soluţia cu cameră nebaleiată şi fără sistem auxiliar de injecţie (fig.34) poate
funcţiona la sarcini medii cu un coeficient de exces de aer λ=1,25. Soluţiile cu amestec stratificat
pot funcţiona cu amestecuri mult mai sărace. Cel mai bun compromis între consumul de
combustibil şi performanţele ecologice se obţine pentru valori ale coeficientului de exces de aer
cuprinse între 1,1 şi 1,3.
Totuşi aceste sisteme de aprindere cu jet de flacără sunt dezavantajate de faptul că
pierderile de căldură către pereţi sunt ridicate, datorită creşterii raportului suprafaţă/volum al
camerei de ardere şi datorită creşterii vitezelor de curgere.
45
4.1.2.4.2 Aprinderea prin injecţia de radicali - sistemul APIR
Prin această metodă se încearcă combinarea avantajelor oferite de motoarele cu aprindere
prin scânteie şi motoarele cu aprindere prin comprimare.
Acest sistem a fost dezvoltat la Universitatea din Orleans din Franţa.
Fig.37 Dispozitivul APIR
Prin utilizarea acestui sistem se îmbunătăţesc performanţele de aprindere şi ardere, are loc
o diminuare a dispersiei ciclice, se extinde limita de funcţionare cu amestecuri sărace şi se
realizează o reducere a consumului de combustibil pentru funcţionarea la relanti şi la sarcini
reduse.
Marele dezavantaj al acestui sistem este constituit de cantitatea mare de emisii de
hidrocarburi nearse în comparaţie cu sistemele de aprindere convenţionale.
Utilizarea acestui sistem se datorează prezenţei antecamerei în care este introdus
amestecul bogat, apropiat de limita de inflamabilitate. Amestecul este benzină-aer sau gaz-aer.
În timpul cursei de comprimare o parte din amestecul sărac curge din camera principală
în antecameră. Astfel la momentul producerii scânteii amestecul din antecameră este puţin mai
sărac faţă de cel injectat iniţial. Important este ca gazele reziduale din antecameră să nu
deterioreze procesul de iniţiere a aprinderii.
Prin arderea incompletă a amestecului bogat din antecameră se produce o creştere
puternică a presiunii şi o varietate mare de produşi intermediari de ardere.
Fig.38 Aprinderea în anticameră
Diferenţa dintre APIR şi sistemul de aprindere cu jet de flacără este legată de
dimensiunea orificiilor de legătură între antecameră şi camera principală de ardere. Diametrul
acestora este de maxim 1 mm. Acest lucru este necesar deoarece:
46
- diametrul redus al orificiilor împiedică propagarea către camera principală şi previne
reapariţia flăcării în vârtejul jetului ce se formează la ieşirea din anticameră;
- datorită dimensiunilor reduse ale acestor orificii se permite creşterea numărului
acestora, până la aproximativ 10. Numărul mare de orificii permite o bună uniformizare a emisiei
de radicali către camera principală;
- menţinerea antecamerei în condiţii relativ independente faţă de condiţiile din camera
principală, prin limitarea curgerilor dinspre camera principală şi permiterea creşterii puternice a
presiunii pentru expulzarea radicalilor la mare distanţă în camera principală de ardere.
Numărul mare de orificii permite introducerea în camera principală a produşilor
intermediari de ardere din antecameră. Cursa de comprimare permite condiţii termodinamice şi
chimice satisfăcătoare în câteva zone preferenţiale în care se găsesc radicali. Introducerea
radicalilor este iniţiată de aprinderea din antecameră. Întârzierea dintre aprinderea din
antecameră şi autoaprindere este foarte scurtă, datorită vitezei cu care se desfăşoară procesele de
injecţie şi amestecare a radicalilor în camera principală. Astfel, momentul introducerii poate fi
controlat cu precizie. Sistemului APIR utilizează rapoarte de comprimare de 10 -14.
Fig. 39 Funcţionarea sistemului APIR: a) introducerea radicalilor; b) formarea mai multor nuclee
de aprindere; c) propagarea fronturilor de flacără multiple
Motoarele echipate cu sistemul APIR sunt diferite de motoarele cu aprindere prin
scânteie obişnuite deoarece arderea cantităţii principale de combustibil este realizată de mai
multe fronturi de flacără. De asemenea 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. Cu toate acestea, întârzierea aprinderii şi durata arderii sunt mai reduse la
folosirea stemului APIR faţă de sistemul PJC.
Orificiile cu diametrul sub 1 mm asigură o antecameră mai puţin sensibilă la variaţia
variabilelor termodinamice din camera principală de ardere şi, astfel, condiţii cu o mai bună
repetabilitate în antecameră.
Dispozitivul APIR este montat în locul unei bujii convenţionale. Volumul antecamerei
este stabilit între 0,5-1 cm3, aproximativ 1% din volumul camerei principale de ardere.
Antecamera este alimentată printr-o conductă cu un amestec aer-combustibil bogat. Coeficientul
de exces de aer pentru antecameră este între 0,48-0,66. Cu ajutorul lui se realizează o combinare
47
a stabilităţii şi sensibilităţii la detonaţie reduse a motorului Diesel cu nivelul scăzut de formare a
funinginii şi puterii specifice ridicate a motorului cu aprindere prin scânteie.
4.1.2.4.3 Aprinderea cu jet de plasmă
Prin utilizarea amestecurilor sărace la sistemele de aprindere convenţionale apar
probleme legate de inflamabilitatea amestecului. Pentru creşterea probabilităţii aprinderii
amestecului se realizează o creştere a aportului energetic a sistemului de aprindere prin folosirea
plasmei.
Bujia cu plasmă este executată dintr-o bujie normală la care se modifică forma
electrozilor. Astfel cel de masă este înlocuit cu o placă metalică cu un orificiu de 2mm, iar
electrodul central este parţial găurit pentru a forma în interiorul său un spaţiu cu volumul de 6-9
mm3.
Energia folosită, câţiva jouli, este foarte mare în comparaţie cu cea din cazul sistemelor
clasice. Se generează astfel un nucleu de plasmă semnificativ mai mare decât în cazul bujiei
clasice. Există variante când în volumul generat în electrodul central se injectează o mică
cantitate de combustibil.
Printre avantaje putem enumera: reducerea întârzierii la aprindere, posibilitatea aprinderii
amestecurilor sărace, implică modificări minore pentru aplicarea la motoarele de serie.
Principalul dezavantaj este constituit de durabilitatea scăzută a bujiei. Datorită
temperaturilor mari şi a energiei cinetice mari a jetului de plasmă se produce uzura electrozilor,
în special a celui de masă.
Fig.40 Bujie cu plasmă
4.2 Tehnologii active de reducere a emisiilor poluante la MAC
Tehnologiile de reducere activă a emisiilor poluante la motorul cu aprindere prin
comprimare vizează perfecţionarea proceselor ce au loc în motor: schimbul de gaze, formarea
amestecului, arderea, injecţia combustibilului. De asemenea supraalimentarea, răcirea
intermediară a încărcăturii proaspete şi recircularea gazelor arse duce la reducerea emisiilor
poluante.
48
4.2.1 Formarea amestecului şi arderea
Procesele de formarea a amestecului carburant şi ardere sunt greu de controlat datorită
perioadei scurte de timp în care acestea se desfăşoară şi datorită suprapunerii parţiale a acestora.
Formarea amestecului aer-combustibil se realizează prin injectarea combustibilului sub
formă de jet în aerul comprimat din cilindru. Procesul are pun caracter dinamic cu însemnate
variaţii ale parametrilor de control, cu schimbarea de la o fază la alta a condiţiilor optime de
desfăşurare a fenomenelor legate de formarea amestecului şi de apariţia autoaprinderii.
Procesele de formare a amestecului şi de ardere pot fi optimizate prin controlul nivelului
energetic al aerului, prin intensificarea mişcărilor organizate şi neorganizate, şi prin
caracteristicile procesului de injecţie: injecţie pilot, calitatea jetului de combustibil, durata de
injecţie, legea de injecţie, postinjecţie şi prin cantitatea de gaze arse recirculate. Managementul
acestor parametrii poate fi realizat cu ajutorul unităţii electronice de comandă.
4.2.1.1 Schimbul de gaze
Configuraţia canalului de admisie determină intensitatea mişcării tangenţiale a
încărcăturii proaspete, mişcarea de swirl, care influenţează nivelul energetic al procesului de
formare a amestecului aer-combustibil.
Pentru funcţionarea optimă a motorului este necesar ca la turaţii scăzute această mişcare
tangenţială să fie amplificată, în acest sens se utilizează canale de admisie elicoidale. Utilizarea
canalului de admisie elicoidal determină mărirea pierderilor gazodinamice şi micşorarea
coeficientului de umplere al motorului, în plus, la creşterea turaţiei motorului creşte şi
coeficientul de vârtej ceea ce poate afecta negativ procesul de formare a amestecului (prin
suprapunerea jeturilor de combustibil).
Fig.41 Mişcarea de vârtej generată de canalul de admisie elicoidal
49
Asigurarea unui raport de vârtej optim în funcţie de regimul funcţional al motorului se
poate realiza prin utilizarea a două supape de admisie pe cilindru. Una din supape este alimentată
printr-un canal de admisie tangenţial iar cealaltă printr-un canal de admisie elicoidal. În funcţie
de mărimea secţiunii de intrare a canalului elicoidal sau a celui tangenţial se poate controla
mişcarea de vârtej.
Prezenţa clapetei de control pe traiectul canalelor de admisie determină scăderea
coeficientului de umplere al motorului.
În figura de mai jos este prezentată variaţia raportului de vârtej şi a coeficientului global
al pierderilor gazodinamice în funcţie de ridicarea supapei şi de obturarea canalului.
Fig.42 Influenţa ridicării supapei şi a obturării unui canal de admisie
Mişcările turbulente sunt influenţate de rugozitatea suprafeţelor canalului de admisie,de
forma scaunului supapei şi de supapă. Controlul turbulenţei pe întreaga gamă a regimurilor de
funcţionare va avea un impact pozitiv asupra diminuării emisiilor poluante şi asupra
îmbunătăţirii parametrilor de putere şi de consum ai motorului.
Funcţionarea motorului şi diminuarea emisiile poluante pot fi optimizate prin utilizarea
distribuţiei variabile a gazelor.
Sistemele de distribuţie pot fi clasificate în funcţie de modul de acţionare a supapelor:
sisteme cu acţionare directă (electrică sau hidraulică) şi indirectă. Cele cu acţionare indirectă a
supapelor (cele cu camă) pot fi:
- cu camă variabilă sau profil variabil: cu faze variabile; cu rotaţie; cu camă spaţială; cu
două came diferite;
- cu tachet variabil: mecanic; hidraulic.
Fig.43 Sistemul Honda VTEC
50
Fig.44 Sistemul Delphi
Fig.45 Sistemul UNIAIR-Fiat
4.2.1.2 Camera de ardere
În cazul motoarelor cu injecţie directă se utilizează două tipuri de camere divizate:
antecameră şi camera de turbulenţă.
Motoarele cu cameră divizată prezintă numeroase limite în comparaţie cu motoarele ce au
cameră unitară. Aceste limite se referă la:
- pierderi mari de căldură prin pereţii camerei de ardere ceea, sunt necesare rapoarte mari
de comprimare;
- utilizarea unor coeficienţi de exces de aer inferiori motorului cu cameră unitară, valori
ridicate ale consumului de combustibil şi emisiilor de CO2;
- posibilităţi reduse de optimizare a proceselor din motor prin utilizarea de tehnologii noi.
Datorită consumului redus de combustibil, motoarele cu injecţie directă au fost
îmbunătăţite astfel încât să respecte noile norme privind poluarea.
Caracteristicile constructive şi de exploatare determină forma camerei de ardere a
motoarelor diesel cu injecţie directă, astfel ea poate varia în funcţie de firma producătoare. Cele
mai întâlnite forme sunt: sferică, cilindrică, pătrată şi în formă de "ω", predominantă datorită
mişcării de tor imprimate încărcăturii proaspete.
51
Fig.46 Tipuri de camere de ardere
Mişcarea încărcăturii proaspete depinde de: gradul de deschidere al camerei de ardere
definit prin raportul dintre diametrul de intrare al camerei de ardere şi alezajul cilindrului, forma
şi înălţimea deschiderii camerei de ardere, adâncimea camerei de ardere, forma interioară a
camerei de ardere, etc.
4.2.1.3 Injecţia de combustibil
Caracteristicile motoarelor diesel privind consumul şi emisiile poluante sunt influenţate
de echipamentul de injecţie.
Sistemul clasic de injecţie a combustibilului este alcătuit din: pompa de înaltă presiune cu
elemenţi în linie sau cu distribuitor rotativ şi injectoare care realizează pulverizarea
combustibilului în camera de ardere. În funcţie de caracteristicile constructive ale acestuia se
determină parametrii de calitate şi temporali ai jetului.
Jetul de combustibil pulverizat este caracterizat prin: fineţe, omogenitate, penetraţie şi
dispersie. Calitatea pulverizării depinde de: presiunea de injecţie, viteza combustibilului prin
orificiile de ieşire, diametrul şi lungimea orificiilor de pulverizare.
Parametrii temporali ai jetului depind de caracteristicile constructive ale pompei de
injecţie şi ale pulverizatorului injectorului. Ei se referă la momentul începerii procesului de
injecţie în raport cu ciclul motor, la durata procesului de injecţie şi la legea de injecţie.
52
Pentru sistemele clasice de injecţie caracteristica de injecţie poate fi corectată cu ajutorul
unor dispozitive, mecanice, hidraulice, pneumatice, după nişte legi simple. Aceste dispozitive au
elemente cu o inerţie ridicată iar forţele de frecare între elemente au valori ridicate. Pentru
combaterea acestor inconveniente s-a apelat la utilizarea sistemului de reglare a pompei de
injecţie electronic.
Odată cu dezvoltarea motoarelor diesel s-a constatat că injecţia clasică nu mai face faţă
cerinţelor legate de formarea amestecului aer-combustibil la funcţionarea motorului la diferite
regimuri.
Datorită acestor considerente s-a încercat în primă fază o îmbunătăţire a injectorului prin
modificarea numărului, diametrului şi lungimii orificiilor de pulverizare, eliminarea sacului
injectorului, micşorarea maselor în mişcare pentru a mări viteza de ridicare a acului
pulverizatorului, mărirea presiunii de deschidere a injectorului. Aceste măsuri au dus la