legislatie europeana si legislatie romaneasca (1)
Post on 24-Jul-2015
439 Views
Preview:
TRANSCRIPT
1
PARTEA I - COMBUSTIBILI ALTERNATIVI
PARTEA I – COMBUSTIBILI ALTERNATIVI
2
Autori: Veneţia SANDU Corneliu COFARU
1. GAZUL PETROLIER LICHEFIAT
1.1. GENERALITĂŢI Gazul petrolier lichefiat, numit de asemenea şi gaz petrolier lichid, GPL sau
gaz auto este un amestec de hidrocarburi gazoase şi este utilizat ca şi combustibil în
aparate de încălzire şi vehicule. Ca toţi combustibilii fosili, gazul petrolier lichefiat nu
este o sursă de energie regenerabilă. Gazul petrolier lichefiat (GPL) este un amestec
de propan (C3H8) şi butan (C4H10) în proporţii diferite, obţinut ca produs secundar la
rafinarea ţiţeiului, în proporţie de 5% din ţiţeiul brut.
Sursele din care se obţin gazele petroliere lichefiate GPL sunt:
a) separarea gazului asociat produselor petroliere brute;
b) câmpurile de gaze naturale;
c) staţiile de separarea gazului ;
d) rafinarea ţiţeiului brut.
Diferite ţări utilizează diferite proporţii de propan – butan, după cum urmează:
Tabelul 1.1. Proporţia de propan - butan din GPL
Anotimp
Vară Iarnă Ţară
propan [%] butan [%] propan [%] butan [%]
România 95 5 95 5
Germania
Anglia
Elveţia
30 70 50 50
Belgia, Olanda 60 40 60 40
Franţa 50 50 50 50
Austria - - 80 20
SUA 90 10 90 10
Propanul şi butanul se lichefiază relativ uşor, temperatura de fierbere la
presiunea atmosferică fiind: -42,6 °C pentru propan şi de -0,5 °C pentru butan.
Gazul petrolier lichefiat
3
Dacă în cazul utilizării gazelor naturale, staţiile de alimentare trebuie să
dispună de instalaţii de comprimare de la presiunea reţelei de gaze la presiunea din
buteliile vehiculului (20 MPa), în cazul GPL alimentarea staţiilor şi distribuţia lui
rezervoarele autovehiculelor se realizează pe instalaţii asemănătoare distribuţiei
carburanţilor convenţionali.
Datorită proprietăţilor fizico-chimice şi ecologice, GPL este recomandat ca un
combustibil alternativ pentru aproape toate categoriile de autovehicule.
Tabelul 1.2. Proprietăţile GPL (95% propan, 5% butan) comparativ cu cele ale
benzinei
Caracteristica GPL Benzină Densitate (15 °C) [kg/l] 0,51 0,75
Putere calorică inferioară [kJ/kg] [kJ/l]
46350 23600
43200 32400
Căldura de vaporizare [kJ/kg] 352,26 397,44 Raportul dintre căldura de
vaporizare şi puterea calorică [kJ/MJ]
7,6 9,2
Cifra octanică CO/M CO/R
97 110
82,5 92
GPL este un gaz, la presiunea atmosferică şi temperatura normală a mediului
ambiant, dar el poate fi lichefiat la aplicarea de presiuni moderate sau când
temperatura este redusă suficient. El poate fi condensat uşor, ambalat, stocat şi
utilizat, ceea ce îl face să fie o sursă de energie ideală pentru o serie largă de
aplicaţii. Aceste gaze pot fi utilizate în stare lichefiată la 6 – 10 bar, iar la 15ºC devin
lichide la 4,4 bar, la -15ºC devin lichide la 1,7 bar şi la 50ºC devin lichide la 12,2 bar.
În mod normal, gazul este păstrat în formă lichidă, sub presiune, în recipiente
de oţel, butelii sau rezervoare. Presiunea din interiorul containerului depinde de tipul
de GPL şi de temperatura exterioară. La temperaturi şi presiuni normale, GPL se
evaporă. Din această cauză, GPL este furnizat în recipiente de oţel presurizate (cu
conţinut redus de carbon). Pentru a permite dilatarea lichidului din container,
recipientele nu trebuie să fie umplute complet; de obicei, ele sunt umplute în
proporţie de 80-85% din capacitatea lor. Acest amestec este foarte sensibil la
PARTEA I – COMBUSTIBILI ALTERNATIVI
4
variaţiile de temperatură-creşterea dilatării funcţie de temperatură este foarte mare,
0,25% din volum la creşterea temperaturii cu 1ºC.
Raportul dintre volumul gazului vaporizat şi cel al gazului lichefiat variază
funcţie de compoziţie, presiune şi temperatură, dar este aproximativ 250:1. În stare
gazoasă, la presiunea atmosferică şi temperatură normală, GPL devine lichid la
15ºC, când presiunea este scăzută între 1,7 şi 7,5 bar.
GPL este folosit pe scară largă drept combustibil “verde” pentru motoarele cu
ardere internă, deoarece el reduce emisiile poluante. El are cifra octanică Research
(COR) între 90 şi 110 şi puterea calorică superioară între 25,5 MJ/l (pentru propanul
pur) şi 28,7 MJ/l (pentru butanul pur). GPL, ca şi combustibil gazos, este o alternativă
la benzină şi motorină. În mod special, el este atractiv din punct de vedere al utilizării
la autovehicule deoarece este stocat în stare lichidă şi folosit în stare gazoasă; acest
lucru făcând posibilă obţinerea unei densităţi mari de stocare a energiei şi obţinerea
unei combustii curate şi silenţioase.
Deoarece GPL are o cifră octanică mare, motoarele cu GPL pot fi concepute
cu raport mare de compresie, acesta fiind mult mai eficient decât cel al motoarelor
convenţionale pe benzină, deşi au o performanţă mai mică faţă de motoarele diesel
(cu 20%), datorită diferenţei în eficienţa ciclului de ardere.
La vehiculele grele, utilizarea GPL are ca rezultat o funcţionare mai uniformă
şi silenţioasă deoarece el asigură un cuplu mai mare la o turaţie mai mică.
Fabricanţii nu construiesc în mod normal maşini care să funcţioneze cu GPL.
De obicei, acestea sunt adaptate după ce au fost procurate pe piaţă.
Există proiecte de maşini care permit o dublă alimentare cu combustibil, astfel
încât pe acelaşi vehicul poate fi utilizat atât combustibilul convenţional, cât şi GPL.
Aceste proiecte necesită dublarea capacităţii de stocare a combustibilului, menţinând
rezervoarele originale de combustibil şi adăugând stocarea GPL.
1.2. BENEFICII PENTRU MEDIUL ÎNCONJURĂTOR ŞI SOCIAL GPL este unul dintre cei mai curaţi combustibili disponibili, producând de
departe mult mai puţin bioxid de carbon decât benzina şi mai puţine particule şi oxizi
de azot decât combustibilul diesel (motorina).
Testele paneuropene efectuate în 2003 pe vehicule noi au arătat că utilizarea
GPL a condus la reducerea cu 20% a CO2 faţă de benzină şi cu 1,8% faţă de
motorină. Pe drumurile urbane, în medie, un singur vehicul diesel emite aceleaşi
Gazul petrolier lichefiat
5
particule fine ca şi 120 de vehicule alimentate cu GPL şi aceeaşi cantitate de NOx ca
şi 20 vehicule GPL. Vehiculele alimentate cu GPL pot ajuta echilibrarea considerabilă
a costurilor sociale şi a daunelor produse de poluare asupra sănătăţii şi a clădirilor;
nivelul de zgomot fiind mai mic decât la arderea în motorul diesel.
Alte surse referitoare la emisiile GPL consemnează următoarele: automobilele
alimentate cu GPL produc cu 90% mai puţine emisii de particule şi cu 90% mai puţini
oxizi de azot decât cele cu combustibil diesel. Motoarele cu GPL produc cu 75% mai
puţin monoxid de carbon decât cele cu benzină şi au un potenţial de formare a
ozonului cu 87% mai mic.
Teste recente au evidenţiat următoarele avantaje ale motoarelor cu GPL,
privitor la emisii:
• Comparativ cu benzina cu conţinut de sulf ultra scăzut –
11% până la 13% mai puţin CO2
15% până la 80% mai puţini NOx
20% până la 40% mai puţine hidrocarburi HC
30% până la 35% mai puţin CO
• Comparativ cu combustibilul diesel cu conţinut ultra scăzut de sulf –
80% până la 95% mai puţine particule
99% până la 99,8% mai puţine particule ultra fine
90% până la 99% mai puţini NOx
1.3. BENEFICII ECONOMICE
În majoritatea ţărilor, GPL este comercializat aproximativ la jumătate din preţul
benzinei, sau al combustibilului diesel, fiind susţinut prin taxe de drum mai mici.
Structura sa chimică simplă determină o ardere curată iar faptul că el este deja în
stare gazoasă la intrarea în cilindrul de ardere, îl face să ardă mai curat cu depuneri
mai mici în motor, acest lucru reprezentând o funcţionare mai uniformă şi pentru mai
mult timp.
Majoritatea automobilelor care au un motor cu aprindere prin scânteie pot fi
adaptate la GPL, iar costul conversiei va fi rapid amortizat prin costuri de funcţionare
mai mici.
PARTEA I – COMBUSTIBILI ALTERNATIVI
6
1.4. ALTE BENEFICII
GPL este un produs al industriei de petrol şi gaze, astfel încât furnizarea sa pe
termen lung este tot atât de sigură cât şi a petrolului, în mod cert, nu mai puţin de 50
de ani.
În prezent, în Marea Britanie se află mai mult de 1200 de staţii de alimentare
cu GPL şi acest număr este în continuă creştere. Vehiculele adaptate pot fi setate să
funcţioneze cu benzină sau cu GPL. Rezervorul de benzină rămâne pe maşină şi
prin acţionarea unui comutator, se poate trece de la un combustibil la altul.
GPL este renumit pentru excelenţa sa siguranţă, la care contribuie
depozitarea, transportul şi utilizarea. Ca şi combustibil pentru vehicule, GPL este tot
aşa de sigur, dacă nu mai sigur ca şi benzina şi la fel de sigur ca şi combustibilul
diesel. În Viena, toate autobuzele funcţionează cu GPL şi în 30 de ani de operare nu
a fost nici un incident provocat de utilizarea GPL. Din ce în ce mai mulţi automobilişti
solicită vehicule GPL, şi drept urmare, acestea sunt produse de tot mai mulţi
fabricanţi, incluzându-i pe Vauxhall, Ford, Citroen, Diahatsu, Fiat, Mercedes, Nissan
şi Proton.
În prezent, în lume sunt operaţionale peste 9 milioane de vehicule cu GPL.
Coreea de sud este lideră cu peste 1,7 milioane, urmată de Italia, Polonia şi Turcia,
cu peste 1 milion de vehicule, Marea Britanie având peste 117.000 de vehicule
alimentate cu GPL.
1.5. DEZAVANTAJE GENERALE ALE GPL
Există şi o serie de dezavantaje în utilizarea GPL:
• Complicarea vehiculului - maşina este mai înaltă şi mai grea;
• Autonomie mai mică, pierderea de putere (5-10%), răspuns lent la accelerare;
• Timp de alimentare dublu faţă de alimentarea cu benzină ;
• Infrastructuri necesare - pompe, rezervoare, debitmetre.
1.6. CONFIGURAŢII ALE VEHICULELOR CU GPL
În figura 1.1 sunt prezentate circuitele de alimentare cu GPL a unui
autovehicul.
Sistemele GPL sunt în general proiectate să funcţioneze pe maşinile cu
benzină, dar ele diferă prin gradele de sofisticare:
Gazul petrolier lichefiat
7
Figura 1.1.Circuitele de alimentare cu GPL a autovehiculelor
1.6.1. Prima generaţie GPL Prima generaţie de sisteme GPL utilizau un tub Venturi, sisteme în buclă
deschisă (fără control lambda) fără control electronic. În general au fost instalate pe
motoare cu carburator simplu, sistemul putând fi reglat în totalitate de către
instalatorul său.
Fig.1.2. Prima generaţie GPL
Amestecătorul (aer-gaz) acţionează ca un sistem controlat cu efect Venturi,
într-o manieră similară carburatoarelor cu benzină. GPL vaporizat este antrenat
PARTEA I – COMBUSTIBILI ALTERNATIVI
8
printr-un orificiu determinat, ca răspuns la curgerea aerului în motor. Principiul de
proiectare de bază a rămas neschimbat de peste 30 ani. În timp ce aerul admis intră
în motor, este creat un efect Venturi prin intermediul valvei de aer a mixerului.
Această cădere de presiune care acţionează asupra unei diafragme cu arc este
proporţională cu curgerea aerului. Această acţiune poate fi descrisă mai bine ca fiind
un debitmetru de mare acurate
a rezervorului, şi nu din partea
superi
a o reglare precisă a presiunii
ombustibilului pentru mixer. Deoarece cererea la regulator creşte cu sarcina
otorului, regulatorul permite trecerea unui debit mai mare, în timp ce la scăderea
cererii, regulatorul restrânge debitul, în acest fel menţinându-se presiunea
combustibilului. Un regulator de înaltă presiune nu este necesar deoarece GPL din
rezervor are o presiune scăzută.
Rezervorul de combustibil este instalat, având în faţă un port de alimentare,
linii de alimentare şi supape de presiune de siguranţă. Un filtru înlătură particulele ce
ar putea fi prezente în gaz. Rezervoarele sunt construite după standarde stricte de
oţel, pentru a suporta o presiune de 70 bar. Presiunea normală de lucru a
rezervorului variază între 9 - 12 bar. Rezervoarele sunt echipate cu o supapă de
refulare, care în cazul unor presiuni anormal de mari, va elibera vaporii de gaz în
atmosferă pentru a preveni explozia rezervorului.
ţe care controlează curgerea combustibilului în motor
ca o funcţie a curgerii aerului.
Vaporizatorul converteşte propanul lichid în gaz. Sursa primară de căldură
pentru vaporizare o constituie apa din cămaşa motorului care circulă prin cămăşi
special proiectate în interiorul corpului vaporizatorului. Este necesar ca sistemul de
alimentare cu GPL să absoarbă din partea de jos
oară. Dacă alimentarea motorului se face din faza de gaz, componentele grele,
cu temperatură ridicată de fierbere din GPL, se vor concentra în mod gradual în faza
lichidă, creând o masă fluidă cu o presiune mare de vaporizare şi punct de îngheţ
ridicat. Acest lichid va crea diverse probleme în sistemul de alimentare. De aceea,
sistemele GPL iau gazul lichid din partea inferioară a rezervorului şi îl trimit prin
vaporizator care este încălzit de lichidul de răcire a motorului.
Funcţia regulatorului este de a asigur
c
m
Gazul petrolier lichefiat
9
1.6.2. A dou
a generaţie GPL
Fig.1.3. Configuraţia celei de a doua generaţii GPL
Acest sistem a fost adoptat pentru sisteme de injecţie de combustibil
onopunct utilizând sisteme analogice cu sondă lambda pentru determinarea
conţinutului de o torului trivalent.
Sistem
m
xigen din gazele de evacuare şi a eficienţei cataliza
ul permite reglarea la mers în gol. Celelalte componente şi funcţionarea sunt
similare cu cele ale primei generaţii.
1.6.3. A treia generaţie GPL
Fig. 1.4. A treia generaţie GPL
PARTEA I – COMBUSTIBILI ALTERNATIVI
10
Acest sistem GPL a fost adoptat pentru sisteme de injecţie de combustibil
multipu
ficate şi memorate, iar
l pentru fiecare model de motor şi vehicul.
ă pentru sisteme de injecţie secvenţială, multipunct,
u controlul în buclă închisă, cu microprocesor, a emisiilor admisibile. Nu este
reglabil şi nu interferează cu sistemul de diagnoză de la bord .
este secvenţial, multipunct, cu microprocesor, cu
contro
şi Italia au cele mai avansate tehnologii GPL din Europa. Olanda este
liderul
te staţiile de
alimen
umului lor de
combu
noi pentru
nct, controlate cu microprocesor în buclă închisă, cu respectarea emisiilor
poluante. Acestea au capacitate de autoinstruire, dar nu sunt reglabile de către
instalator. Defecţiunile de bază sunt diagnosticate la bord, codi
software-ul GPL este scris specia
1.6.4. A patra generaţie GPL Acest sistem se utilizeaz
c
1.6.5. A cincea generaţie GPL Acest sistem de injecţie
lul emisiilor poluante. Nu este reglabil, dar poate fi integrat cu sistemele de
diagnoză la bord a vehiculului.
1.7.POLITICA UE ŞI GPL 1.7.1. Piaţa Uniunii Europene
Olanda
în domeniul motoarelor GPL cu injecţie multipunct. În Olanda, GPL nu este
privit ca o alternativă la benzină, ci ca un combustibil obişnuit. Toa
tare aflate de-a lungul autostrăzilor furnizează GPL. Autoalimentarea este o
practică obişnuită, 10% dintre vehiculele de pasageri utilizând GPL. Consumul de
GPL la vehiculele de pasageri reprezintă 15% din totalul cons
stibil.
Tehnologiile de vârf sunt sistemele Dutch GENTEC – VIALLE şi KOLTEC –
NECAM, care sunt sisteme de injecţie multipunct controlate electronic.
În Italia, FIAT este implicată activ în adaptarea unora din automobilele sale la
GPL / CNG. Într–o asociere de proiect dintre FIAT / TNO şi BK – GAS, un FIAT
Tempera 2l a fost optimizat pentru injecţia multipunct de vapori GPL.
În Franţa, Renault a făcut diferite teste la vehiculele de regim uşor.
În Germania, Mercedes Benz a lansat un sistem GPL multipunct sofisticat
pentru noile sale modele. DAF a presetat un motor LT 160 GPL de regim greu.
Nissan Belgium şi Continental Energy Systems au de asemenea proiecte
Gazul petrolier lichefiat
11
motoa
i taxelor pe GPL. În Marea
Britani
t, a crescut interesul pentru
utilizarea GPL, prin compania Guide Friday, subsidiară unei companiei de operare a
la punct o afacere în domeniul conversiei acestora şi care
este u
e vehicule uşoare rulează pe GPL. În Coreea de Sud, GPL este utilizat
drept combustibil pentru taxiuri şi reprezintă peste 90% din combustibilul utilizat pe
reea de Sud consumă peste un milion de tone de
GPL p
, 350.000 de vehicule
utilizea
re de regim greu. VANHOOL (Belgia) produce în prezent curent 2 autobuze
alimentate cu GPL pentru Olanda. BOON (Bruxel) importă şi adaptează pe vehicule
sistemele electronice de injecţie cu gaz ale firmelor NECAM şi KOLTEC.
Câteva companii de transport public cumpără autobuze diesel, care sunt
adaptate pentru a funcţiona cu GPL. Câteva oraşe principale au flotă de transport
operând pe GPL (Amsterdam, Groningen, Eindhoven şi Hertogenbosch).
În Marea Britanie, folosirea GPL drept combustibil motor, a scăzut în ultimii
ani. Numărul de staţii de alimentare cu GPL a scăzut de la, în jur de 500 în 1980, la,
în jur de 200 în zilele noastre, în principal datorită creşteri
e au rămas operaţionale un număr de vehicule cu GPL, incluzând câteva flote
mici de vehicule care operează în afară de bazele centrale (evitând necesitatea de a
găsi combustibil de la staţiile de alimentare). Recen
autobuzelor şi care a pus
tilizată acum de câţiva operatori din Marea Britanie.
În Spania, GPL a fost furnizat pentru prima oară pentru vehicule, în 1986, prin
două staţii de alimentare. În prezent sunt aproape 50 de puncte de alimentare de-a
lungul ţării şi 12.000 de vehicule cu GPL, toate taxiuri.
1.7.2. În afara pieţei UE În Australia, 4% dintre vehiculele de pasageri (330.000) rulează pe GPL. O
altă piaţă mare este Mexicul (între 200.00 şi 400.000 de vehicule). În Japonia,
300.000 d
acest segment. În particular, Co
e an şi au apărut probleme de alimentare, limitându-se utilizarea doar la taxiuri
şi interzicându-se utilizarea lui la automobilele private. În SUA
ză GPL, în timp ce Canada are 170.000 de autoturisme care utilizează
propanul.
1.7.3.Informarea despre GPL În Olanda şi Italia, informaţia privitoare la utilizarea GPL la vehiculele uşoare,
autobuze şi maşini de salubrizare este adecvată şi disponibilă.
PARTEA I – COMBUSTIBILI ALTERNATIVI
12
Totuşi, în alte ţări europene există o lipsă de informaţii tehnice referitoare la
GPL. Angrosiştii de GPL nu îndrăznesc să aibă o politică puternică de piaţă: ei se
tem că
şi taxa pe
utomobilele GPL să fie fixă pentru următorii ani. Aceasta va asigura securitate
tii GPL pentru a începe investiţiile când piaţa va începe să se extindă.
stituie
subiec
talaţii de
ventila
ţiile de alimentare.
paţiile închise de parcare trebuie adaptate cu instalaţii specifice de ventilaţie.
nt accesibilitatea combustibilului (nu pentru operatorii de
flote c
transferat de la o maşină la alta.
vor atrage atenţia guvernului asupra acestui combustibil marginal şi atunci se
va mări taxa pe combustibilul GPL. Infrastructura existentă este de asemenea prea
veche pentru a suporta o creştere bruscă a cererii de GPL. De aceea, un prim pas ar
fi de a avea o declaraţie guvernamentală care să certifice preţul GPL
a
pentru angrosiş
În Marea Britanie există o asociaţie (LP Gas Asociation), care furnizează
informaţii şi sfaturi pentru potenţialii utilizatori, dar aceasta nu are o mare publicitate.
Mai multe informaţii sunt date prin intermediul industriei de autobuze odată cu
creşterea interesului pentru conversie acestora în vederea utilizării GPL.
1.7.4. Riscuri Deoarece GPL este mai uşor decât aerul, în diferite ţări, utilizarea lui con
tul anumitor restricţii. Atelierele de lucru trebuie adaptate pentru acest tip de
vehicule (cu GPL), respectiv, ele trebuie echipate cu sisteme electrice de siguranţă
împotriva incendiilor, trape de drenaj, detectoare speciale de gaz şi ins
ţie, toate adaptate la numărul de vehicule utilizate de către atelierul respectiv.
Instalaţiile de siguranţă totală trebuie instalate în vehicule şi sta
S
Principalele riscuri su
are se alimentează de la garajele proprii, ci pentru utilizatorii particulari), lipsa
măsurilor guvernamentale pentru stimularea în viitor a nivelelor preţ / taxe.
Siguranţa stocării şi a sistemelor de distribuţie GPL au constituit obiecte de
cercetare în Olanda, unde utilizarea gazului este larg răspândită.
1.7.5. Aspecte financiareBarierele financiare sunt similare celor întâlnite în cazul promovării motoarelor
cu gaz natural. Automobilele cu GPL sunt încă automobile pe benzină adaptate
ulterior pentru alimentare cu GPL. Acest lucru determină costuri suplimentare, dar
totuşi nu constituie o barieră fundamentală, luând în considerare durata de viaţă a
automobilului şi faptul că sistemul GPL poate fi
Gazul petrolier lichefiat
13
1.7.6. Diferenţe de preţ Datorită costurilor suplimentare ale echipamentului GPL, este necesar un
regim financiar corespunzător pentru taxa de drum şi accize, în caz contrar, decizia
pentru utilizarea GPL va fi grea. Taxele suplimentare, pentru automobilele GPL care
rulează mai puţin de 15.000 km/an, compensează avantajele rezultate din preţul
GPL, comparativ cu automobilele pe benzină.
lui mic de staţii publice de alimentare cu gaz,
cât şi limitărilor determinate de disponibilitatea pe termen lung a acestuia. Totuşi,
vehicule, în special cele din zona urbană, cu o bază regulată,
este o
1.7.8. Reglementări rtificatelor de siguranţă care reglementează
utilizar
nea actori principali pe piaţa GPL (datorită originii
similar
1.7.7. Caracteristica de piaţă Este neverosimil că vehiculele GPL vor lua o proporţie semnificativă pe piaţa
vehiculelor private, datorită atât număru
piaţa pentru flotele de
ţintă corespunzătoare.
Faptul că persoana ce achiziţionează un automobil trebuie mai întâi să aleagă
între unul pe benzină, respectiv, pe motorină şi apoi să decidă pentru instalarea
sistemului GPL (şi să plătească suplimentar pentru instalare şi taxă), constituie o
barieră clară pentru vehiculele private.
Lipsa legislaţiei specifice şi a ce
ea GPL în vehicule şi staţiile de alimentare de-a lungul UE, ridică o barieră
semnificativă la răspândirea gazului drept combustibil uzual pentru autovehicule. De
asemenea, lipsa unor standarde comune pentru GPL constituie o barieră importantă
de interoperabilitate, deoarece este necesară reajustarea vehiculelor pentru fiecare
formulă diferită de gaz.
1.7.9. Constrângeri ale infrastructurii Infrastructura şi sistemele de distribuţie necesare pentru alternativa de
combustibil GPL pot constitui o barieră semnificativă la răspândirea sa. Totuşi,
această barieră este atenuată de faptul că actorii actuali de pe piaţă, companiile
petroliere notabile, vor fi de aseme
e a celor mai mulţi combustibili tradiţionali). O staţie GPL nu este aproape
deloc diferită de o staţie de benzină. Producerea de autocisterne de transport GPL,
construite să transporte gaz de joasă presiune, este o tehnică comună.
PARTEA I – COMBUSTIBILI ALTERNATIVI
14
Reţeaua actuală de distribuţie nu face faţă unei creşteri de masă a vehiculelor
GPL. Creşterea pieţei trebuie să fie progresivă pentru a împiedica ştrangulările, dar
destul de puternică pentru a da un semnal companiilor de distribuţie, privind
necesitatea efectuării de investiţii.
Taxe - Taxa aplicată GPL, ca şi combustibil utilizat în transport, constituie un
factor decisiv privind viabilitatea financiară a acestei tehnologii. Stimulentul asupra
fiscalităţii trebuie să se bazeze pe îmbunătăţirile aduse asupra mediului înconjurător,
comparativ cu utilizarea altor combustibili. Comisia Europeană a propus ca taxa
aplicabilă surselor alternative de energie să nu depăşească 10% din taxa aplicată
combustibililor fosili. Datorită reducerilor de profit pe care le pot produce, guvernele
au tratat această problemă cu precauţie.
Factori de succes critici - Pentru a mări răspândirea vehiculelor GPL se poate
urmări nivelul taxelor (ex: un sistem de taxare bazat pe emisia de CO2, combinat cu
creşte
emisii de CO2 decât benzina şi mai puţine emisii de
alţi po
combustibil, pentru a-i încuraja să investească în sistemele de
stocare i ezvolte vehicule specifice GPL,
iar utili rsia vehiculelor existente pentru
a utiliza
De asemenea, pentru ca GPL să devină viabil la scară UE, este necesară
standardizarea specificaţiei GPL.
Pe deasupra, este necesar un suport din partea guvernelor naţionale, în
principal pentru:
• Introducerea regulamentelor de siguranţă;
• Înlăturarea interdicţiei parcării în interior;
• Înlăturarea taxelor suplimentare pentru GPL.
rea stringenţei regulamentelor pentru alte emisii poluante, vor fi în sprijinul
utilizării GPL, care are mai puţine
luanţi decât combustibilul diesel). Aceasta va da semnale corecte de preţ:
producătorilor de
ş distribuţie, constructorilor de vehicule, să d
zatorilor de vehicule, să investească în conve
GPL.
Gazul petrolier lichefiat
15
Bibliografie [1] Apostolescu, N., Sfinţeanu, D. - Automobilul cu combustibili neconvenţionali. -
Editura Tehnică, Bucureşti, 1989. ISBN 973-31-0049-8.
[2] Bobescu, Gh.,şa - Tehnici speciale pentru reducerea consumului de
combustibil şi limitarea noxelor la autovehicule. - Universitatea din
Braşov,1989.
[3] Cofaru, C., ş.a.. - Autovehiculul şi mediul. Editura Universităţii Transilvania
Braşov, 1999. ISBN 973-98512-3-1.
[4] Cofaru.C. –Legislatia şi ingineria mediului in transportul rutier Editura
Universităţii Transylvania Brasov 2002 ,ISBN 973-635-185-8
[5] Degobert, P. – Automobiles and Pollution – SAE International, 1995.
[6] Timothy, T., Maxwell, Jesse, C., Jons. - Alternative fuels. SAE 1995. ISBN 1-
56091-523-4.
[7] R. Bechtold- Alternative fuels guidebook, Society of Automotive
Engineers,1997
[8] www.howtogogreen.com/2005/05/liquid-petroleum-gas.html
[9] www.boostlpg.co.uk
PARTEA I – COMBUSTIBILI ALTERNATIVI
16
Autor: Veneţia SANDU
2. GAZUL NATURAL
2.1. INTRODUCERE
Gazul natural este un amestec de hidrocarburi, constituentul principal fiind
metanul (CH4), (80 – 98%), restul amestecului fiind format din etan (C2H6), propan
(C3H8), butan (C4H10) şi alte gaze, precum azotul, bioxidul de carbon, şi vapori de
apă (tabelul 2.1).
Tabelul 2.1. Compoziţia tipică a gazului natural
Component Simbol Procent
Metan CH4 70-90%
Etan C2H6
Propan C3H8
Butan C4H10
0-20%
Dioxid de carbon CO2 0-8%
Oxigen O2 0-0,2%
Azot N2 0-5%
Hidrogen sulfurat H2S 0-5%
Gazele naturale sunt combustibili fosili şi pot exista în zăcăminte
independente sau pot fi asociate cu zăcămintele de ţiţei. În primul caz, poartă
denumirea de gaze naturale uscate şi au în compoziţie 98...99% metan. Gazele
asociate zăcămintelor de petrol sunt numite gaze de sondă sau gaze umede, aceste
gaze fiind un amestec de hidrocarburi, dioxid de carbon şi eventual hidrogen sulfurat,
ponderea diferitelor categorii de hidrocarburi depinzând de zăcământ (ex: metan
80,83%, etan 6,40%, propan 5,56%, n-butan 1,15%, izobutan 0,79%, pentan 1,66%,
dioxid de carbon 0,96%, reziduu 2,65%).
Metanul, etanul, propanul şi butanul sunt gaze incolore, insolubile în apă la
temperatură şi presiune atmosferică. Principalele proprietăţi fizice sunt prezentate în
tabelul următor:
Gazul natural
17
Tabelul 2.2. Proprietăţile fizico-chimice ale principalelor hidrocarburi ale gazelor naturale
Proprietatea Metan Etan Propan Butan Starea normală p0=0,1031 MPa, T0=273 K - densitate [kg/m3] - căldură specifică la p=ct. [kJ/Kg·K]
0,7168 2,117
1,336 1,666
2,019 1,550
2,703 1,918 (la 293 K)
Raportul căldurilor specifice 1,30 1,22 1,14 1,11 Masa moleculară 16,032 30,07 44,09 58,12 Temperatura de vaporizare [K] 111,45 184,55 230,58 273,65
Căldura de vaporizare [kJ/kg] 548,471 540, 097 447,088 403,608
Putere calorică inferioară [kJ/kg] 49949 47436 46348 45720
Temperatura de aprindere [K] 813...920 820 740...820 -
Componenta masică [%] C H
75 25
80 20
81,8 18,2
82,75 17,25
Componentul primar al gazului natural este metanul (CH4), cea mai scurtă şi
uşoară moleculă de hidrocarbură, cu un conţinut de hidrogen de 25%. El se găseşte
în câmpurile petroliere şi de gaze naturale, precum şi în straturile de cărbune; surse
biologice de metan sunt termitele, vitele (rumegătoarele) şi culturile, depozitele de
gunoi şi sistemele de tratare a apelor menajere. Metanul este insipid şi inodor, un
extrem de eficient gaz de seră care poate contribui la încălzirea globală atunci când
este eliberat în atmosferă.
Când este utilizat pentru transport, gazul natural trebuie fie comprimat (GNC),
fie lichefiat (GNL) pentru a stoca la bord o cantitate suficientă care să asigure o
autonomie acceptabilă a autovehiculului.
Punctul de fierbere este foarte coborât (-162ºC), temperatura de inflamabilitate
este foarte joasă faţă de cea a benzinei, iar temperatura de autoaprindere este mai
mare faţă de cea a acesteia din urmă, sugerând că scade şansa aprinderii la
contactul cu suprafeţele calde. Limitele de aprindere sunt mai ridicate şi mai largi
decât ale benzinei şi a motorinei. Raportul stoichiometric al metanului este mai mare
decât al celorlalţi doi combustibili, datorită faptului că metanul are un procentaj mai
mare de hidrogen. Cifrele octanice, Research (RON) şi Motor (MON) sunt în jur de
PARTEA I – COMBUSTIBILI ALTERNATIVI
18
120, fiind dificil de a da o valoare exactă, deoarece testul CFR este pentru
combustibilii lichizi.
2.2. UTILIZAREA GAZELOR NATURALE
Pentru a fi utilizat, gazul natural trebuie comprimat sau lichefiat, pentru a
scădea volumul de stocare. Pentru a utiliza gazul natural, există două posibilităţi: fie
se adaptează (mai rar) autovehiculul cu motor cu aprindere prin scânteie într-un
centru de adaptare după cumpărare, fie se utilizează un autovehicul dedicat (care
este pregătit să funcţioneze cu gaz, direct din fabrică) precum motoarele General
Motors sau motoarele dedicate pieţei medii şi grele, de la Cummins şi Detroit
Diesels.
Gazele naturale conţin în principal metan între 80 - 98%. Cu toate că metanul
lichefiază cu dificultate, el este un combustibil atractiv pentru alimentarea vehiculelor
utilitare care circulă în oraşe (autobuze, furgonete, autogunoiere). Stocarea gazelor
naturale se realizează sub presiune de 20 la 50 MPa şi în viitor 100 MPa, în
rezervoare amplasate la bordul autovehiculelor.
Utilizarea gazelor naturale drept combustibil alternativ pentru alimentarea
autovehiculelor (GNV) are în vedere în primul rând dimensiunea de mediu. Înlocuirea
combustibililor lichizi cu metan conduce la reducerea poluării aerului prin reducerea
emisiunilor de particule, hidrocarburi, săruri şi miros. Emisiunile din gazele de
evacuare sunt mai puţin nocive pentru sănătate datorită reducerii emisiunilor de oxid
de carbon iar particulele emise nu conţin hidrocarburi aromatice şi nici aldehide. Pe
de altă parte, şi nivelul emisiilor sonore este mai redus.
La scară regională, metanul contribuie într-o proporţie mai redusă decât
carburanţii lichizi la formarea ploilor acide şi la formarea ozonului troposferic (emisii
reduse de hidrocarburi nearse). Aceste ameliorări pot fi explicate prin natura gazoasă
a carburantului care contribuie la formarea rapidă a amestecului aer-combustibil şi
prin aceea că metanul este cea mai simplă hidrocarbură (CH4).
La nivel global, emisiile gazoase şi utilizarea metanului la alimentarea
autovehiculelor au un efect de seră mult mai redus în raport cu carburanţii petrolieri (-
80%).
Politicile ţărilor dezvoltate propun utilizatorilor furnizarea de gaze naturale
comprimate la 20 MPa.
Gazul natural
19
Calităţile fizico-chimice ale gazelor naturale fac din acestea un combustibil
sigur. Compoziţia GNV este simplă deoarece conţine peste 90% metan care este o
hidrocarbură foarte stabilă. Temperatura de autoaprindere este ridicată, peste 540°C,
în comparaţie cu 280°C pentru benzină şi 235°C pentru motorină. Densitatea sa este
de ordinul 0,6 în comparaţie cu aerul, ceea ce determină o diluare rapidă, eliminând
riscul de explozie (acest risc apare în cazul unor concentraţii de 5-15% şi dacă se
atinge temperatura de autoaprindere sau dacă amestecul primeşte o energie mai
mare de 0,2 mJ produsă de exemplu de o scânteie electrică).
Vehiculele alimentate cu GNV au sisteme de înaltă securitate. Toate
componentele care echipează sistemul de alimentare sunt prevăzute să reziste la
presiuni de peste 50 MPa. Încercările efectuate pentru a determina rezistenţa la
incendii şi şocuri de toate felurile au demonstrat fiabilitatea dispozitivelor aplicate
vehiculelor alimentate cu GNV.
Alegerea GNV drept combustibil alternativ pentru transportul urban de
persoane şi mărfuri ca şi pentru vehiculele utilitare are la bază trei factori principali:
1. Aprovizionarea cu gaze naturale este independentă de politica ţărilor
producătoare de petrol şi se realizează prin reţele de conducte cu o densitate
suficientă.
2. Bilanţul ecologic la utilizarea GNV este mai bun atât pentru emisiile
poluante reglementate cât şi pentru cele nereglementate. Emisiile se situează la
nivelul european al autovehiculelor cu grad redus de poluare (Environmentally
Enhanced Vehicle - Directiva 99/96 CEE).
3. Utilizarea GNV a atins stadiul industrial şi este rentabilă din punct de vedere
economic, apropiindu-se de costul carburanţilor clasici, ceea ce nu este cazul pentru
tracţiunea hibridă sau pila de combustie care încă sunt prea scumpe.
Prima generaţie de autovehicule alimentate cu GNV a avut motoare cu
aprindere prin scânteie sau motoare diesel modificate şi adaptate la funcţionarea cu
GNV. Noua generaţie de motoare este proiectată şi construită pentru funcţionarea cu
GNV utilizând injecţia de gaz multipunct şi amestec stoichiometric. Această
tehnologie asigură un raport bun între performanţele energetice şi de mediu, mai ales
la regimuri tranzitorii, asigurând totodată motorului fiabilitatea necesară traficului
urban.
În cazul autobuzelor, consumul de GNV este în jur de 75 Nm3/100 km ceea ce
asigură o autonomie cuprinsă între 250 şi 300 km. Raportul consum GNV în
PARTEA I – COMBUSTIBILI ALTERNATIVI
20
Nm3/consum motorină se situează până la valoarea de 1,34. Rata depanărilor în
cazul motorizării cu GNV este comparabilă cu motorizarea pe bază de motorină, la
circuitul de gaz de înaltă presiune nefiind semnalate defecţiuni.
Motoarele sunt disponibile de obicei în următoarele categorii:
2.2.1. Motoare cu aprindere prin scânteie
Motoarele dedicate sau monocombustibil folosesc gazul natural ca singur
combustibil şi sunt optimizate ca eficienţă şi emisii. Motoarele bicombustibile
funcţionează fie cu gaz natural, fie cu benzină, după o conversie făcută de regulă
după cumpărarea vehiculului, în care benzina este folosită în principal pentru pornire.
Vehiculul tricombustibil combină vehiculul de tip 'flex-fuel' - combustibil flexibil
(benzină, etanol sau un amestec al acestora) cu vehiculul cu gaz natural.
2.2.2. Motoare cu aprindere prin comprimare
Un motor dual arde un amestec de gaz natural şi motorină, cu aprinderea
amestecului aer-gaz natural cu un jet pilot de motorină. Motorina este injectată în
camera de ardere, iar gazul natural este introdus prin admisia aerului, prin carburaţie
sau injecţie. La sarcini mici, cantitatea de motorină este mai mare, iar la sarcini mari
proporţia de gaz este mai mare, putând ajunge la 80%.
Diferenţa majoră dintre tehnologia bazată pe alimentarea vehiculelor cu gaz
natural şi cea tradiţională, pe benzină, o constituie sistemul de alimentare cu
combustibil.
Conceptul de gaz natural ca şi combustibil pentru autovehicule a apărut în jurul
anului 1930 şi multe ţări sunt cunoscute pentru utilizarea combustibilului gazos la
flote mari. Acestea sunt Argentina, Brazilia, SUA, Canada, Marea Britanie, Italia,
Franţa (încă din 1916), Pakistan, India, Australia şi Noua Zeelandă. În zilele noastre
se estimează că flota de gaz natural este reprezentată de peste 6.300.000 de
vehicule şi că există 10 300 de staţii de alimentare.
Vehiculele alimentate cu gaz natural se comportă similar cu cele bazate pe
tehnologiile convenţionale. Dovezile arată că vehiculele cu gaz natural necesită mai
puţine schimburi de ulei şi mai puţină întreţinere faţă de cele tradiţionale. Tehnologiile
Gazul natural
21
bazate pe gaz natural au redus costurile de întreţinere generală, în special faţă de
tehnologia diesel.
Gazul natural reprezintă una dintre alternativele de combustibili disponibili,
având arderea cea mai curată şi oferind o serie de avantaje faţă de benzină. La
vehiculele uşoare cu gaz, poluanţii evacuaţi în aer sunt mult mai reduşi cantitativ
decât la vehiculele alimentate cu benzină. În plus, gazele producătoare de smog,
precum monoxidul de carbon şi oxizii de azot, sunt reduse cu mai mult de 90% şi
respectiv 60%, iar bioxidul de carbon, un gaz ce determină producerea efectului de
seră, este redus cu 30% - 40%. Vehiculele alimentate cu gaz natural, medii şi grele,
au demonstrat reducerea cu mai mult de 90% a CO şi a particulelor şi cu mai mult de
50% a NOX, faţă de motoarele comerciale diesel.
Vehiculele alimentate cu gaz natural, comparativ cu cele alimentate cu
benzină, produc mai puţin smog şi efect de seră, prin raportare la kilometrii parcurşi.
Vehiculele dedicate să funcţioneze cu gaz natural sunt cele mai curate vehicule cu
ardere internă disponibile în zilele noastre. Vehiculele adaptate şi cele dedicate spre
alimentare cu doi combustibili sunt de asemenea mai puţin poluante decât vehiculele
convenţionale.
O estimare a reducerii de emisii este ilustrată în tabelul 2.3, indicând scăderea
importantă de poluanţi, raportată la gram de poluant pe kilometru.
Tabelul 2.3. Emisii ale vehiculelor funcţionând cu benzină şi gaz natural
Poluantul Motor cu
benzină (g/km) Motor cu gaz natural (g/km)
Reducerea adusă de gazul natural (%)
NOx 1,087 0,619 - 43%
VOCs 0,700 0,046 - 93%
SO2 0,249 0,093 - 63%
PM10 0,159 0,017 - 89%
CO 13,940 3,587 - 74%
CO2 302,740 233,890 - 23%
Vehiculele uşoare şi medii pe bază de gaz natural sunt disponibile cu sisteme
de alimentare cu gaz natural comprimat (GNC), în timp ce vehiculele grele sunt
PARTEA I – COMBUSTIBILI ALTERNATIVI
22
disponibile fie în configuraţii cu gaz natural comprimat, fie în cele cu gaz natural
lichefiat (GNL).
Sistemul de alimentare al vehiculului este pe deplin închis şi etanş faţă de
mediul înconjurător. Combustibilul este injectat în cilindrul motorului şi aprins prin
scânteie în acelaşi mod ca la vehiculele alimentate cu benzină.
2.3. SISTEMELE CU GAZ NATURAL COMPRIMAT (GNC)
Aceste sisteme păstrează gazul la presiunea de 250 bar în recipiente cilindrice
care necesită un volum de trei ori mai mare decât echivalentul de benzină.
Rezervorul este făcut din oţel sau aluminiu armat cu fibre de sticlă. Gazul este stocat
la bord în recipiente instalate în portbagaj, sub portbagaj sau deasupra cabinei. La
ieşirea din rezervor, gazul natural comprimat trece prin conductele de înaltă presiune
în regulatoarele de presiune, unde este redus la presiunea atmosferică. Gazul
natural este injectat la presiunea atmosferică prin intermediul unui mixer special (sau
prin injecţie directă) în care este amestecat cu aer în mod corespunzător. Apoi, gazul
natural este introdus în camera de combustie a motorului şi este aprins pentru a
genera putere. Valvele speciale de operare împiedică pătrunderea gazului în motor,
când acesta este oprit. Există sisteme de umplere lentă şi sisteme de umplere rapidă
de înaltă presiune, în funcţie de tipul vehiculului.
Principalele avantaje ale sistemelor GNC sunt:
Chiar dacă gazul natural nu este o resursă regenerabilă fiind un combustibil
fosil, utilizarea lui reduce cererea de combustibil petrolier;
Emisiile sunt mai reduse decât cele ale motoarelor cu scânteie sau diesel
convenţionale ;
Durata de viaţă a motorului este mai lungă, cu costuri de întreţinere mai
reduse;
Randament termodinamic mai mare, consum mai redus de combustibil;
Disponibilitatea gazului foarte mare, care poate proveni şi din surse
regenerabile (biogaz);
Cost al combustibilului mai redus;
Capacitate de a fi utilizat pe toate clasele de vehicule;
Cerinţe minime de procesare şi rafinare;
Mai sigur decât majoritatea combustibililor lichizi;
Posibilitate de alimentare de acasă sau de la locul de muncă;
Gazul natural
23
Reducere importantă a zgomotului motorului.
Principalele dezavantaje ale sistemelor GNC sunt: Reducere de putere de 10-15% fată de cele alimentate cu benzină, de acelaşi litraj.
În unele zone infrastructura este limitată;
Cost relativ mare de conversie;
Recipientele de gaz necesită un volum excedentar şi îngreunează construcţia
vehiculului;
Deoarece combustibilul este gazos, există un efect de uscare al camerei de ardere
care duce la creşterea uzurii supapelor de evacuare.
2.4. GAZUL NATURAL LICHEFIAT (GNL)
GNL este gaz natural care a fost procesat pentru a înlătura impurităţile şi
hidrocarburile grele, apoi a fost condensat la presiunea atmosferică, prin răcirea lui la
aproximativ - 160ºC, transportat în vase speciale şi stocat în rezervoare, de
asemenea speciale. GNL are un volum de 1/600 din volumul gazului în condiţii
atmosferice standard, făcându-l mult mai economic de transportat pe distanţe lungi.
Condiţiile cerute pentru condensarea gazului natural depind de compoziţia sa
exactă, de piaţa pe care va fi vândut şi de procesul ce va fi utilizat, dar în mod tipic
implică temperaturi între -120 şi - 170ºC (metanul pur se lichefiază la -161,6ºC) şi
presiuni între 101-6000 kPa. Pentru stocare şi transport, gazului natural condensat în
acest mod îi este redusă presiunea.
Gazul natural introdus într-o staţie de producere GNL va fi tratat în vederea
îndepărtării apei, bioxidului de carbon şi a altor componente care ar îngheţa la
temperaturile necesare pentru stocare, sau ar putea fi distructive pentru materialele
de construcţie a facilităţilor de lichefiere.
GNL va necesita un volum de stocare doar de 1,5 ori mai mare decât cel necesar
benzinei echivalente, fiind un combustibil curat, fără apă, sulf sau ulei care nu pot
supravieţui lichefierii. Este necesar însă ca pereţii să fie izolaţi pentru a păstra o
temperatură scăzută.
GNL oferă o densitate de energie comparabilă cu a benzinei şi a
combustibilului diesel, este mai puţin poluant, dar costul său de producţie relativ
PARTEA I – COMBUSTIBILI ALTERNATIVI
24
ridicat şi necesitatea stocării în rezervoare criogenice costisitoare au împiedicat
utilizarea sa pe scară largă în aplicaţiile comerciale.
Bibliografie [1] Apostolescu, N., Sfinţeanu, D. - Automobilul cu combustibili neconvenţionali. -
Editura Tehnică, Bucureşti, 1989. ISBN 973-31-0049-8.
[2] Bobescu Gh., Chiru A., Cofaru C., Radu Gh. Alex., Abăitencei H., ş.a. –
Motoare pentru Automobile şi tractoare, vol. III, Editura Tehnică Info Chişinău,
Republica Moldova, 2000, ISBN 9975-63-015-4.
[3] Cofaru.C. –Legislatia şi ingineria mediului in transportul rutier Editura
Universităţii Transylvania Brasov 2002 ,ISBN 973-635-185-8
[4] Cofaru, C., ş.a.. - Autovehiculul şi mediul. Editura Universităţii Transilvania
Braşov, 1999. ISBN 973-98512-3-1.
[5] Cofaru,C. Helerea,E.,Dumitrescu,L.,Perniu.D., Sandu,V., Materials-Energy
Sustainable development. Editura Universitatii Transilvania Brasov, 2002 ISBN
973-635-199-8
[6] Sierens, R., Rosseel, E. - Variable Composition Hydrogen / Natural Gas
mixtures for increased engine efficiency and decreased emissions. ASME 4,
1998.
[7] *** Le méthane carburant issue de biomasse agricole. ADEME, Angers, 1996.
[8] R. Bechtold - Alternative fuels guidebook, Society of Automotive Engineers,
1997
[9] *** ISO 15500 Road vehicles — Compressed natural gas fuel system
components
[10] http://www.nesea.org/greencarclub/factsheets_naturalgas.pd
Probleme specifice ale utilizarii biocombustibililor
25
Staţie de alimentare cu gaz natural comprimat
Autobuz alimentat cu gaz natural
PARTEA I – COMBUSTIBILI ALTERNATIVI
26
Autor: Corneliu COFARU
3. PROBLEME SPECIFICE ALE UTILIZĂRII BIOCOMBUSTIBILILOR
3.1. IN
şocurile
petroliere sau penuria de carburanţi fosili. În timpul celui de-al doilea război mondial
lab energetic care putea fi utilizat
la alim
a, Statele Unite şi Brazilia are ca
origine
ie.
uplimentari sau aditivi.
superioară
ţă redusă la arderea cu detonaţie. Raportul de
tua în intervalul 11-14. Rezistenţa la
TRODUCERE
Biocarburanţii formează categoria de carburanţi produşi de materiale vegetale
sau animale numite "biomasă".
Biocarburanţii au punctat întotdeauna crizele energetice cum ar fi
s-a utilizat gazogenul, sistem care produce un gaz s
entarea motoarelor cu aprindere prin scânteie. După cel de-al doilea război
mondial, producţia de biocarburanţi din Europ
crizele petroliere din 1973, 1979 sau alte crize geopolitice. Biocarburanţii pot
fi utilizaţi şi în situaţia când se doreşte valorificarea resurselor naturale şi în acest caz
ei preiau rolul de carburant energetic de substituţ
Astăzi s-au pus în evidenţă alte funcţii ale biocarburanţilor care pot fi
exploatate. Datorită compoziţiei oxigenate, ei pot îmbunătăţi arderea hidrocarburilor
şi pot reduce anumite emisii poluante. În funcţie de cantităţile utilizate ei pot fi
consideraţi drept carburanţi s
Biocarburanţii intră în categoria energiilor regenerabile.
3.2. CARACTERISTICILE BIOCARBURANŢILOR
Principalele caracteristici ale biocarburanţilor comparativ cu carburanţii de
origine fosilă sunt indicate in tabelele 3.1 şi 3.2.
Alcoolii în stare pură se caracterizează printr-o volatilitate redusă exprimată
prin valorile scăzute ale presiunii de vapori Reid. La temperaturi mai reduse de 10°C
procesul de vaporizare al alcoolilor se întrerupe.
O altă caracteristică a alcoolilor constă în nivelul ridicat al căldurii de
vaporizare, ceea ce impune un aport de căldură pentru a realiza amestecurile alcool
- aer. Amestecurile alcool - aer au o viteză de ardere laminară
amestecurilor benzină - aer.
Produşii organici oxigenaţi se caracterizează printr-o rezistenţă ridicată la
autoaprindere având o tendin
comprimare al motorului se poate si
Probleme specifice ale utilizarii biocombustibililor 27
autoaprindere creeaz
aprindere prin comprimare.
cesteia cu temperatura. Pentru reducerea vâscozităţii se aplică un proces
ţionează în prezenţa unui catalizator cu
uleiul pentru a forma esteri de acizi graşi. Volatilitatea esterilor este inferioară faţă de
cea a motorinei, esterii având tendinţa de a forma gume, proces datorat oxidării
hidrocarburilor prezente alături de acizii graşi din compunerea esterilor.
Esterii au bune proprietăţi de autoaprindere, cifra cetanică fiind apropiată sau
superioară motorinei, dar puterea calorică a esterilor este inferioară faţă de cea a
motorinei.
Tabelul 3.1 Principalele caracteristici ale biocarburanţilor potenţiali pentru MAS
comparate cu cele ale benzinei
ETBE - Etil-Terţ-Butil-Eter; TBA - Terţ-Butil-Alcool; MTBE - Metil-Terţ-Butil-Eter; MTAE - Metil-Terţ-
Amil-Eter;
Caracteristica Benzină Etanol ETBE Metanol TBA MTBE MTAE Obs. Densitatea
[kg/m3] 748...762 794 745 796 792 746 750
Temperatura de fierbere [°C] 30...190 78,3 72,8 64,85 82,8 55,3 86,3
Presiunea de vapori Reid [daN/cm2]
0,7…0,9 1,54 0,4 0,37 - - -
Puterea calorică inferioară masică
[kJ/kg] 42086 26807 36120 19937 32560 35200 36500
Componenta masică [%]
C H O
~85 ~15
-
52 13 35
- - -
37,5 12,5 50
64,86 13,50 21,64
68,18 13,63 18,19
70,59 13,72 15,69
Cifra octanică [COR] 90 - 98 120 118 120 113 117 114
În cazul uleiurilor vegetale, principala problemă o constituie vâscozitatea şi
variaţia a
de transesterificare prin care un alcool ac
ă dificultăţi în utilizarea alcoolilor şi eterilor în motoarele cu
PARTEA I – COMBUSTIBILI ALTERNATIVI
28
Tabelul 3.2 Principalele caracteristici ale biocarburanţilor potenţiali pentru MAC comparate cu ale motorinei
Caracteristica Motorină Metil ester de ulei de rapiţă
Ulei de floarea soarelui
Monoester de ulei de floarea soarelui
Metil ester de ulei de soia
Metil ester de ulei de soia aditivat
Etil ester de soia
Etil ester de soia aditivat
Butil ester de ulei de soia
Butil ester de ulei de soia aditivat
Densitatea [kg/m3] 825…870 870…900 921 887 884 887 881 882 887 876 Distilare t 50 [°C] t 90 [°C]
258 296
- -
588 -
368 372
336 342
336 347
336 344
337 351
352 364
353 369
Punct de inflamabilitate [°C] 92 - - - 171 166 174 163 185 179
Puterea calorică inferioară masică [kJ/kg]
42335 37556 36856 37113 37145 37239 37333 37333 37985 37892
Cifra cetonică [CC] 49…50 49…54 35,8 59,9 46,2 48,7 48,2 49,0 51,7 54,0Vâscozitate la 40 °C [cSt sau N·s/cm2] 2,39 - 33,93 4,96 4,08 4,14 4,41 4,40 5,24 5,21
Sulf [% gram] 0,25 - 0,01 0,01 0,01 0,01 0,01 0,01 0,01 0,01
Alcoolii
29
3.3. PRODUCEREA BIOCOMBUSTIBILILOR PORNIND DE LA BIOMASĂ 3.3.1. Alcoolii şi eterii lor
3.3.1.1. Alcoolul etilic (etanol)
Toate zaharurile cu C6 sunt fermentabile şi în principal glucoza şi zaharoza pot
fi transformate în alcool şi dioxid de carbon după fermentare. Procesul de fermentare
este anaerob şi catalizat de o enzimă produsă de drojdie: Saceheromyces
Cerevisiae.
Reacţiile de fermentare sunt următoarele:
C6H12O6 → 2C2H5OH + 2CO2 (∆H=-412 kJ/kg) (3.1)
(glucoză) (etanol)
C12H22O11 + H2O → 4C2H5OH + 4CO2 (∆H=-479 kJ/kg) (3.2)
(zaharoză) (etanol)
∆H - reprezintă entalpia masică.
Aceste reacţii sunt teoretice şi randamentele lor sunt numite randamentele
Gay - Lussac. În fabricaţie apar subproduşi şi drojdii, producerea de etanol fiind
definită de randamentul Pasteur care este 94,7% din randamentul Gay - Lussac. În
aceste condiţii, din 100 kg de zahăr pornind de la glucoză şi zaharoză se obţin 48,4
kg respectiv 50,95 kg alcool etilic.
Materia primă - zaharurile sunt prezente în lumea vegetală într-o stare mai
mult sau mai puţin polimerizată. Plantele “de zahăr” sau zaharifere: sfecla de zahăr şi
trestia de zahăr produc direct zaharoză şi în acest caz, zahărul fermentabil este
extras prin difuzie. Plantele amilacee, cum ar fi cerealele, produc amidon care este
necesar să fie hidrolizat de către enzimele amilaze. Zahărul obţinut este un amestec
de glucoză şi maltoză. Etanolul produs în Europa pentru a fi utilizat sub formă de
biocarburant poate fi obţinut din prelucrarea zaharurilor provenite din sfecla de zahăr
şi grâu. Această filieră de obţinere a biocarburanţilor generează şi coproduşi cum ar
fi: reziduurile lichide (poşircă), ce pot fi utilizate ca fertilizant datorită conţinutului
bogat de materii minerale sau pulpă de sfeclă de zahăr şi borhot de grâu, bogate în
proteine, care pot fi utilizate în hrana animalelor. Poşircile pot fi folosite şi la obţinerea
prin metanizare a biogazului sau utilizate în mod direct drept biocombustibil după
creşterea concentraţiei de alcool.
PARTEA I – COMBUSTIBILI ALTERNATIVI
30
Tehnologii
- Hidroliza - Se aplică industrial la prelucrarea amidonului obţinut din cereale.
Sunt utilizate două procedee:
- metoda umedă: grăunţele sunt măcinate şi constituenţii (tărâţe, gluten,
amidon etc.) sunt separaţi clasic, prin spălare. Numai amidonul este supus hidrolizei
enzimatice şi zaharurile obţinute sunt fermentate. Coproduşii rezultaţi sunt vânduţi
separat pe pieţe specifice.
- metoda uscată: grăunţele sunt măcinate şi constituenţii sunt supuşi în
totalitate hidrolizei enzimatice şi fermentării. Coprodusul este borhotul (numit în lb.
engleză Dried Distiller Grain and Solubles DDGS).
Hidroliza celulozei şi semicelulozelor este posibilă şi a făcut obiectul
cercetărilor în lumea întreagă. Exceptând procedeul utilizând hidroliza acidă, care a
fost utilizat în trecut, procedeele enzimatice şi/sau combinate cu pretratamentele
fizice, termice şi/sau chimice au făcut obiectul unor demonstraţii pilot fără să atingă
aplicaţii industriale.
- Fermentaţia - fermentaţia tradiţională a zaharurilor C6 (hexoze) de către
drojdii rămânea calea industrială de obţinere a etanolului. Numeroase lucrări de
cercetare au abordat fermentarea cu bacterii, alte drojdii precum şi cu ajutorul unor
ciuperci sau fermentarea zaharurilor C5 (pentoze). Aceste încercări au rezultate
interesante însă nu s-au aplicat industrial în obţinerea etanolului. În industrie la ora
actuală se aplică două metode de fermentare: metoda discontinuă şi metoda
continuă. Metoda continuă (procedeele Speichim şi Biostil) este cea mai productivă şi
are un randament superior metodei discontinue cu 1…6% însă este foarte sensibilă
la contaminări bacteriene.
- Separarea etanolului - distilarea fracţionată a vinului după etapa fermentării
conduce la separarea etanolului de restul constituenţilor, tehnologia aplicată
cuprinzând două etape: distilarea şi deshidratarea. Distilarea obişnuită permite să se
obţină o concentraţie masică de 96%. O distilare de vinuri printr-o coloană cu dublu
efect necesită 114 kg vapori/hl de alcool pentru un consum de electricitate de 2 kW/hl
alcool pur. Variantele combinate de concentrare a poşircilor cu segmente de distilare
sub vid permit îmbunătăţirea consumurilor energetice. Deshidratarea conduce la
obţinerea etanolului anhidru (99,7% min. masic) şi poate fi realizată prin două tehnici:
Alcoolii
31
- distilarea azeotropică la presiunea atmosferică în prezenţa
ciclohexanului ca solvent de antrenare însoţită de o recomprimare mecanică a
vaporilor.
- strecurare moleculară obţinută prin procesele de absorbţie - desorbţie
a apei pe un suport de zeoliţi sintetici sau de silicoaluminaţi metalici cu o structură
cristalină tridimensională poroasă.
O a treia metodă tehnică a fost aplicată în trecut dar nu a fost suficient adoptată
pentru obţinerea etanolului din sfeclă de zahăr. Această metodă are la bază o
preevaporare printr-o membrană, din punct de vedere energetic metoda putând fi
aplicată pentru alţi alcooli.
În tabelul următor se prezintă performanţele energetice industriale ale
procedeelor utilizate:
Tabelul 3.3 Producţia şi randamentul bioetanolului
Cantitate din materia primă A Randamentul biocarburantului
Materie primă pentru
1hl de alcool
pentru 1t de alcool
Randamentul materiei prime B [t/h]
B/A l/h
B/A t/h
litri biocarburant/tonă materie primă
Grâu (1) Grâu (2) Grâu (3)
280 kg 280 kg 274 kg
3,526 t 3,526 t 3,451 t
7 t 9 t 7 t
2500 3214 2555
1,985 2,552 2,028
357 357 365
Sfeclă de zahăr 1000 kg 12,6 t 66 t 6600 5,238 100
EP2 (3) 280 kg 3,526 t - - - 357
Celuloză lemnoasă (4)
568…311 kg
4,2…7,15 t 10 t
1760…
3020
1,4 … 2,4 176…302
(1) Prin metoda umedă: grâul este măcinat, făina şi tărâţele sunt separate. Tărâţele sunt reîncorporate în borhotul de grâu. (2) Prin metoda uscată: grâul este măcinat iar întregul compus este amestecat cu apă pentru a se obţine o pastă. (3) EP2: scurgerile fabricilor de zahăr de al doilea jet. (4) Prin hidroliză chimică.
3.3.1.2. Alcoolul metilic (metanol) Metanolul este obţinut din abundenţă în lumea întreagă pornind de la gazele
naturale. El se poate obţine şi din biomasă (până în 1960 se putea obţine după
procedeul Delacotte). După 1980 s-a testat procedeul Fromatome (la Creusote -
PARTEA I – COMBUSTIBILI ALTERNATIVI
32
Loire) de obţinere a metanolului din biomasă. La ora actuală, sunt testate şi alte
procedee în Canada, Suedia etc.
Metanolul produs poate fi folosit drept constituent pentru fabricarea esterilor
metilici din uleiurile vegetale sau a terţ-metil-butil-eter (MTBE). Costurile reduse de
obţinere din gaz natural a metanolului împiedică dezvoltarea tehnologiilor de obţinere
din biomasă.
Reacţiile de obţinere a metanolului din biomasă sunt:
C + H2O → CO + H2 (∆H=130 kJ) - reacţia gazului cu apa (3.3)
C + CO2 → 2CO (∆H=171 kJ) - reacţia Boudouard (3.4)
CO + H2O → CO2 + H2 (∆H=-41 kJ) - reacţia de conversie (3.5)
- sinteza de metanol cu catalizator sub presiune (5,0…10,0 MPa)
CO + 2H2 → CH3OH (∆H=-110 kJ) (3.6)
3.3.1.3. Fabricarea compuşilor oxigenaţi - Etil terţ-butil eterul (ETBE) - este un produs care se obţine plecând de la
diverse materii prime şi prin diferite procedee având la bază etanolul şi izobutena
după reacţia următoare:
C2H5OH + H2C=C(CH3)2 → CH3CH2OC(CH3)3 (3.7)
Izobutena este obţinută în rafinări prin ruperea compuşilor C4 în urma
procesului de cracare catalitică sau vapocracare după extragerea butadienei.
Industrial se obţine o compoziţie de 98,5% ETBE şi 1,5% etanol.
- Metil terţ-butil-eterul (MTBE) - poate fi produs în mod industrial pornind de la
metanol şi izobutenă. Reacţia de obţinere este următoarea:
CH3OH + H2C=C(CH3)2 ↔ CH3OC(CH3)3 (3.8)
Industrial se obţine în amestec de 99,2% MTBE şi 0,8% metanol.
- Metil terţ-amil-eterul (MTAE) - se obţine pornind de la metanol şi izomilene
conţinute în grupul C2, reacţia fiind:
CH3OH + CH=C(CH3)3 ↔ CH3OCCH(CH3)3 (3.9)
Sinteza MTAE este similară celei prin care se produce MTBE, grupul C2
rezultând prin cracare catalitică sau vapocracare.
Alcoolii
33
Tabelul 3.4 Bilanţul fluxurilor de materiale şi consumabile pentru producţia de ETBE şi MTBE
Producţie Materiale şi energie utilizată 1kg ETBE
(98,5%) 1kg MTBE (99,2%)
Etanol [99,7%] [kg] 0,47 - Metanol [100%] [kg] - 0,36 Izobutenă [kg] 0,53 0,64 Vapori [kg] 0,95 1,02 Energie electrică [kWh] 0,014 0,015 3.3.2. Uleiurile vegetale şi esterii lor
3.3.2.1. Uleiurile vegetale netransformate chimic În mod clasic uleiurile vegetale se obţin prin presarea seminţelor oleaginoase,
urmată de o extracţie cu ajutorul unui solvent a uleiului rezidual conţinut în turtă. Ele
prezintă o vâscozitate ridicată şi un punct de autoaprindere scăzut care determină o
o utilizare dificilă la temperaturi joase datorită lanţului lung de carbon. Uleiurile pot fi
transformate chimic şi astfel caracteristicile lor se modifică.
Uleiurile sunt utilizate în stare pură, filtrate şi degomate, adică după ce au fost
retrase o mare parte din fosfolipide. În Europa, uleiurile de rapiţă, floarea soarelui şi
soia sunt indicate pentru a fi utilizate la fabricarea biocombustibililor pentru motoare
diesel.
3.3.2.2. Esterii uleiurilor vegetale Se pot obţine numeroşi esteri cu caracteristici diferite în funcţie de lungimea
lanţului de carbon. Acizii graşi ai uleiurilor vegetale sunt esterificaţi cu alcooli, cel mai
simplu fiind metanolul. Etanolul poate fi de asemenea utilizat, însă purificarea
industrială a esterului este mai dificilă decât în cazul esterului metilic.
Reacţia utilizată în cazul esterificării este următoarea:
O CH2 - O - C - R CH2OH CH - O - C R + 3CH3OH → 3R - C - O - CH3 + CHOH (3.10) O O CH2OH CH2 - O - C - R O ulei vegetal (1,05 t) metanol (0,1 t) ester metilic (1 t) glicerină (0,1 t)
Reacţia se desfăşoară cu un catalizator bazic sau acid la temperatură între 20
şi 80°C şi la presiune atmosferică. În cazul rapiţei, din 2,55 t de seminţe se obţine 1 t
de ulei ceea ce corespunde unei producţii realizate pe 0,85 ha. Un hectar de rapiţă
poate furniza în aceste condiţii 1273 l sau 1125 kg de ester metilic.
PARTEA I – COMBUSTIBILI ALTERNATIVI
34
3.4. UTILIZAREA BIOCARBURANŢILOR 3.4.1. Utilizarea alcoolilor şi a eterilor Alcoolii precum etanolul sau metanolul au fost şi mai sunt încă utilizaţi în stare
pură sau amestecaţi în proporţii ridicate în benzină, utilizând motoare special
adaptate.
Etanolul şi derivaţii săi oxigenaţi pot fi utilizaţi în proporţii slabe drept carburant
adiţional sau aditivi în benzină. Acest mod de utilizare este raţional deoarece
avantajele şi constrângerile nu mai sunt aceleaşi ca la utilizarea în proporţii ridicate.
3.4.1.1. Utilizarea compuşilor oxigenaţi în proporţii ridicate Compuşii oxigenaţi pot fi utilizaţi în motoarele cu aprindere prin scânteie în
stare pură sau în amestec în proporţii ridicate în benzină. Ţările care acordă o atenţie
deosebită acestei utilizări sunt: Brazilia, Statele Unite, Suedia şi Franţa.
În Statele Unite şi în Suedia se utilizează amestec de alcool etilic obţinut din
biomasă cu benzină în proporţii de 85% (E85) sau 95% (E95). Ford şi General
Motors prezintă în catalog variantele de automobile motorizate pentru consumul
acestor combustibili. Automobilele pot funcţiona cu benzină pură sau cu amestec
alcool - benzină, ele sunt echipate cu captoare pentru analiza compoziţiei gazelor de
evacuare pentru a efectua reglajele necesare unei alimentări corecte. Măsurarea
emisiilor la un autoturism Ford Taurus alimentat cu amestec alcool - benzină au
indicat o diminuare a emisiilor de NOx de la -20 la -40%, a benzenului de la -70 la
-90% şi a emisiilor toxice cancerigene de la -55 la -65%. Consumul de combustibil de
1,3 litri E85 pentru 1 litru de benzină.
În Brazilia s-au dezvoltat sistemele de alimentare a autovehiculelor cu etanol
pur hidratat (95,5 °GL) având o cifră octanică COR 130 şi o putere calorică inferioară
de 24803 kJ/kg. În aceste condiţii motoarele sunt special adaptate ele ajungând la un
raport de comprimare de 12,7 pentru a compensa diferenţa de putere calorică dintre
alcool şi benzină. În zece ani, din 1980 până în 1991, Brazilia a produs mai mult de 5
milioane de autovehicule funcţionând cu alcool. În 1995, parcul de autovehicule
funcţionând cu etanol era de 4,3 milioane autovehicule.
Alcoolii
35
În Franţa şi Suedia este aplicată la motoarele Diesel pentru autobuze
alimentarea cu alcool etilic hidratat (95 °GL) şi aditivat pentru îmbunătăţirea cifrei
cetanice.
3.4.1.2.Utilizarea compuşilor oxigenaţi în proporţii reduse
În Statele Unite şi în Franţa, după 1978 s-au realizat cercetări care au
evidenţiat faptul că bioetanolul poate fi încorporat în benzină în proporţii volumice de
5 la 10% fără să se afecteze construcţia şi performanţele motorului. În Franţa
amestecul de alcool în benzină este reglementat şi autorizează încorporarea
compuşilor oxigenaţi în limitele volumice a 3 la 15% în funcţie de natura compuşilor
oxigenaţi; maxim 5% pentru etanol şi 15% pentru eteri. În Statele Unite încorporarea
unor compuşi oxigenaţi este reglementată la 3,7% masic, ceea ce corespunde unui
procentaj volumic de 10%. Amestecul benzină - etanol poartă denumirea de gazohol.
Brazilia practică pe scară largă amestecul etanol anhidru (99,3% °GL, putere
calorică 26808 kJ/kg) în benzină până la 22%. Motoarele utilizate au rapoarte de
comprimare de 8,7 - identice cu cele care utilizează numai benzină. În 1995, parcul
de autovehicule care circulă cu acest tip de amestec era de 9,5 milioane.
3.4.1.3.Criteriile de utilizare a etanolului şi eterilor Adaosul de compuşi oxigenaţi în benzină îmbunătăţesc cifra octanică.
Încorporarea unui procentaj volumic de 5% de etanol determină creşterea cifrei
octanice a amestecului (COR) cu 1,2 unităţi în timp ce pentru a obţine aceeaşi cifră
octanică trebuie adăugată o cantitate dublă de ETBE (10%).
Tabelul 3.5 Cifra octanică COM pentru adaosuri de etanol
Proporţia de etanol [%] COM Variaţia COM datorată etanolului
0 72,5 - 5 74,8 2,3 10 76,6 1,8 15 78,5 1,9 20 80,3 1,8 25 81,4 1,1
PARTEA I – COMBUSTIBILI ALTERNATIVI
36
Pe lângă îmbunătăţirea cifrei octanice, compuşii oxigenaţi aduc şi un aport de
oxigen în camera de ardere care conduce la o ardere mai completă a amestecului
aer-combustibil.
Tabelul 3.6 Corespondenţa între cantitatea de oxigen adusă în camera de ardere şi
procentajul volumic al compuşilor oxigenaţi încorporaţi în benzină
O2% masice
Etanol % volumice
ETBE % volumice
MTBE % volumice
2 5,7 12,7 11 2,7 7,7 17,2 15 3,5 10 23,6 19,2
Pentru a elimina fenomenul de separare a etanolului de benzină, etanolul utilizat
trebuie să fie anhidru sau să aibă un conţinut maxim de apă de 3000 ppm. Separarea
etanolului duce la pierderi energetice şi diminuarea cifrei octanice îmbunătăţite
datorită alcoolului.
3.4.1.4. Bilanţul energetic Comisia consultativă pentru carburanţii de substituţie CCPCS (Commission
Consultative pour les Carburants de Substitusion) a stabilit în anii 1990 - 1991
bilanţul energetic pentru filierele de producţie şi utilizare a compuşilor oxigenaţi iar în
anii 1995 - 1996 s-a realizat un ecobilanţ comparat între aceste filiere.
Randamentul energetic principal este utilizat pentru a arăta capacitatea de a
economisi şi substitui energia fosilă.
cheltuitafosilatotalaprimaraEnergiaoxigenatcarburantdeformasubrestituitaEnergieR1 =
Dacă se fac câteva comparaţii se pot trage concluzii interesante. Dacă se
consideră că pentru obţinerea de energie fosilă consumul de energie este o unitate,
la producţia bioetanolului pornind de la grâu consumul energetic este de 1,15 unităţi
şi de 1,65 unităţi dacă materia primă este sfecla de zahăr, în regiunile cu cele mai
bune randamente şi fără să se ţină seama de coproduşi. În cazul luării în considerare
a tuturor produselor obţinute la folosirea bioetanolului (paie, deşeuri, pulpe),
randamentul va fi următorul:
ibiluluibiocombustaobtineredefilierapecheltuitatotalaEnergia
R )ergie = obtinuteproduseloralecaloriceputerilor
en(2∑
∑
Alcoolii
37
Pentru o cheltuială de energie totală de o unitate, energia totală obţinută cu
ansamblul de produse este de 3,4 unităţi pentru grâu, de 2,4 unităţi pentru sfecla de
zahăr (pentru aceleaşi regiuni) şi de 1,4 unităţi pentru ETBE. Comparativ, bilanţul
energetic pentru benzină este de 0,74 la 0,84 sau mai mic. În cazul ecobilanţului,
relaţia este următoarea:
eterdesaualcooldeobtinelaconsumatafosilatotalaprimaraEnergia
oxigenatcarburantdeformasubrestituitaEnergiaR )ecobilant(1 =
rea
folosită în
rocesul de sinteză. Acest bilanţ este mai favorabil cu 27% faţă de bilanţul energetic
al MT ilă şi
cesul tehnologic se consum cantitate mai obute
e getice ale etanolului, esterilor şi benzinei
R1 R1 ecobilanţ R2
Consumul de energie primară este stabilit fază cu fază pentru producţia de
etanol şi urmat de esterificare. Randamentele R1, R2 pentru diverşi biocombustibili
sunt prezentate în tabelul 3.8.
Bilanţul energetic la producerea etanolului este mai mare de 1, aceasta
semnificând faptul că la obţinerea produsului consumurile de energie sunt inferioare
energiei conţinute în produsul obţinut. Bilanţul energetic al ETBE este inferior valorii 1
(Ecobilanţ), aceasta datorită consumului de izobutenă de origine fosilă
p
BE. Aceasta se datorează faptului că etanolul conţine energie regenerab
că în pro ă o mare de iz nă.
Tabelul 3.7 Randamentele en
Produs
r
Etanol din grâu 1,15 4 - 3,Etanol din sfeclă de zahăr 1,65 - 2,4 Etanol suc ver
din sfeclă de zahăr (100% ) de - 1,4 -
Etanol din sfeclă de zahăr (50% uc verde - 50% EP2) - 1,18 - s
ETBE - 0,93 1,4 MTBE - 0,73 - Be ă - - 0,74…0,84 nzin
3.4.1.5. Bilanţul de mediu Principalul interes în utilizarea compuşilor oxigenaţi îl constituie reducerea
emisiilor de CO, hidrocarburi şi mai ales a celor nemetanice (benzen şi 1,3 -
butadienă) din gazele de evacuare ale motoarelor cu ardere internă. Utilizarea
biocarburanţilor este încă puţin valorificată deoarece în acelaşi timp are loc o
reformulare a benzinei. Se prevede o optimizare a formulării benzinei care va permite
PARTEA I – COMBUSTIBILI ALTERNATIVI
38
o reducere a poluării vehiculelor vechi dar şi a vehiculelor cu catalizator. Această
optimizare prevede o încorporare de 10…15% volumice de compuşi oxigenaţi de
şi programul american Auto/Oil (Air
Quality mulaţi,
nd pre l urmă
lul 3.8 o x ţi şi ale reformulă lProgramul Programul rogramul SUA
Auto/Oil
tipul ETBE care prin cifra octanică ridicată fac posibilă reducerea concentraţiei
emisiilor, substanţelor aromatice şi a benzenului.
Programul european de reformulare EPEFE (European Programme on
Emissions, Fuels and Engine Technology)
Improvement Program: AQIRP) au testat numeroşi combustibili refor
rezultatele fii zentate în tabelu tor:
Tabe Efectele c
EPEFE
mpuşilor oCE
igena rii benzine or P
Carburant Benzină rinţă
(medie)
Benzină IV
E10 MTBE15 ETBE17 Valori g/km] refe tip [m
Compoziţie oxigen [% 0,6 2 3,5 2,7 2,7 - masice] HC aromatice [%
e] 40 25 20 20 20 -
volumicbenzen [%
ice] 3
volum2, 0,7
- -
- -
Emisii CO - -17,2% -13,4% -9,3% -14,8% 1562 COV - -18,6% - - - - NOx - +6,36% +5,1% +3,6% -5,5% 380 benzen - - -11,5% -11,1% -8,1% 5,24 1,3 - butadienă - - -5,8% -1,7% -3,8% 0,55 HC - total - - -4,9% -6,5% -5,2% 127 HC - nemetanice - - -5,9% -7,0% -6,3% 105 formaldehidă - - +19,3% +15,8% -15,7% 0,98 acetaldehidă - - +159% -0,9% +254,2% 0,88 B tip IV - benzină reformulată şi oxigenată; 3.4.2. Utilizarea uleiurilor vegetale şi a derivatelor lor în mac Uleiul vegetal de arahide a fost folosit de inventatorul motorului cu aprindere
prin comprimare, Rudolf Diesel. În timp s-au efectuat numeroase încercări utilizând
ulei de rapiţă, floarea soarelui, p
enzină
almier, bumbac, soia. Pentru a fi utilizate, uleiurile
pure sunt filtrate şi degomate. Motorul cu injecţie indirectă este mai puţin sensibil la
depunerile carbonice din motor.
3.4.2.1. Esterii uleiurilor vegetale Noua politică de dezvoltare durabilă are ca linie directoare utilizarea energiilor
regenerabile. În acest context se înscrie şi utilizarea uleiurilor vegetale. Pentru a fi
Alcoolii
39
utilizate trebuie să se reducă vâscozitatea acestora la valoarea motorinei. În acest
sens, se aplică un proces de transesterificare, prin care uleiul vegetal reacţionează
cu un alcool, în prezenţa unui catalizator pentru a forma esteri de acizi graşi. Masa
moleculară a unei molecule de ester este de aproximativ trei ori mai mică decât cea a
unei molecule de ulei. Esterii au vâscozitatea mai ridicată decât a motorinei, aceasta
luen
Caracteristicile esterilor utilizaţi în motoarele Diesel trebuie să respecte
3.9 Specificaţia esterilor metilici ai aţi a fi încorporaţi până la maxim 5% volum în motorină
inf ţând calitatea injecţiei carburantului şi deci, mărimea şi repartiţia picăturilor în
camera de ardere.
normele de calitate exemplificate în tabelul 3.9.
Tabelul uleiurilor vegetale destin
Parametrul Limite Aspect Clar, limpede la 15 °C Culoare <12 Masă volumică la 15 °C [kg/m3] 870 - 900 Vâscozitate la 40 °C [mm2/s] 3,5…5 Punct de limpezire [°C] ≥ 100 Distilare (sub presiune redusă) [% vol] ≥ 95% 360 °C Conţinutul de apă [mg/kg] ≤ 200Cifra cetanică măsurată ≥ 49 Reziduu de carbon pe 10% distilare în vid [%masă] 0,30
Indicele de aciditate [mg KOH/g] ≤ 0,5 Punctul de curgere [°C] ≤ -10 Conţinutul de ester [%masă] ≥ 96,5 Conţinutul de metanol [%masă] ≤ 0,1 Conţinutul de fosfor [mg/kg] ≤ 10 Conţinutul în metale alcaline (Na sau K) [mg/kg] ≤ 5 sau ≤ 5
Indicele de iod ≤ 115 Conţinutul în glicerină liberă [%masă] ≤ 0,02Conţinutul în monogliceride [%masă] ≤ 0,8 Conţinutul în digliceride [%masă] ≤ 0,2 Conţinutul în trigliceride [%masă] ≤ 0,2 Glicerină totală [%masă] ≤ 0,25
3.4.2.2. Utilizarea de esteri în proporţii reduse Încorporarea de esteri în motorină se realizează de către firmele producătoare
terii acţionează ca un aditiv.
şi este autorizată până la un volum maxim de 5%. Esterii îmbunătăţesc capacităţile
de ungere ale motorinei, deci în cantităţi reduse es
PARTEA I – COMBUSTIBILI ALTERNATIVI
40
Uzura provocată de utilizarea diferitelor motorine cu sau fără sulf este
belul 3.10 Îmbunătăţirea c ăţii de ungere prin încorporarea de esteri ea uzurii comparat orina pură
diminuată prin încorporarea de esteri în motorină.
Ta apacit
Reducer ă cu motMetil ester de rapiţă 0 (2) [%vol] Motorină suedeză (1) Motorină EN59
0,8 15% 45% 1 45% 45% 2 70% (3) 65% (4) (1) 1 ppm sulf (2) 460 ppm sulf (3) numai 25% cu alt ester (4) numai 30% cu alt ester
Există programe de cercetări privind utilizarea esterilor ca şi cocarburant în
ot fi utilizaţi ca şi carburant adiţional în proporţii volumice de până la
raţi în motorină pot determina o reducere a emisiilor poluante cu
ână la 30%.
Obiectivul utilizării acestui amestec în mediul urban îl constituie ameliorarea
roduşi,
randamentul R2 exprimat în raport cu energia total obţinută este de 5,4. Bilanţul
bţinere al motorinei este de 0,895, fie un rezultat inferior.
următor:
proporţii volumice de până la 5%.
3.4.2.3. Utilizarea de esteri în proporţii ridicate Esterii p
30% la motoarele vehiculelor de transport urban. S-a demonstrat că utilizarea
esterilor încorpo
p
calităţii aerului.
3.4.2.4. Bilanţul energetic Bilanţul energetic al filierei de producţie şi de utilizare a metil esterului de
rapiţă a fost stabilit de CCPCS şi completat cu ecobilanţ comparând această filieră cu
aceea a motorinei. Randamentul energetic R1 indică că pentru o cheltuială de
obţinere a energiei fosilă egală cu 1 unităţi, la producţia de ester de rapiţă se cheltuie
1,9 unităţi energetice la un randament de 3t seminţe pe hectar fără a ţine seama de
coproduşi (paie, turte, glicerină). În cazul în care se ţine seama şi de cop
energetic de o
Ecobilanţul permite să se calculeze randamentul R3 în modul
esteruluiobtinerealaconsumatatotalaEnergiaoxigenatcarburantdeformasubrestituitaEnergia R3 =
Alcoolii
41
Rezultatele acestor randamente sunt prezentate în tabelul următo
.11 Randam energetice ale etil esterului de rap şi ale motorinei
r:
Tabelul 3 entele m iţăProdusul R1 R2 R3
5,4 (cu paie) 3,7 (cu paie) metil ester de ulei de rapiţă 1,9 2,6 (fără paie) 2,7 (fără paie) Motorină 0,885 - - Randamentul energetic la producerea metilului ester de ulei de rapiţă este mai
mare decât 1, ceea ce arată că se consumă mai puţină energie decât energia
lui sunt reduse. Studii
efectuate cu un amestec de 5% ester în motorină arată că
oarelor. Emisiile de particule şi fum se diminuează
conţinută de produsul obţinut.
3.4.2.5. Bilanţul de mediu Esterii uleiurilor vegetale nu sunt toxici şi sunt biodegradabili (98% în 21 de
zile). Esterii nu conţin sulf şi deci emisiile cu derivaţi ai sulfu
efectuate în Germania, Franţa, Austria arată că la utilizarea esterilor uleiurilor
vegetale, efectul mutagen al gazelor de evacuare este cu aproximativ 60% mai redus
decât al gazelor de evacuare rezultate la utilizarea motorinei.
Impactul esterilor asupra poluării aerului depinde de gradul de încorporare în
motorină. Încercări
emisiile de hidrocarburi şi de hidrocarburi aromatice policiclice se reduc. Emisiile de
oxizi de azot cresc uşor iar emisiile de aldehide şi cetone nu sunt influenţate de
prezenţa esterilor.
În cazul utilizării unor amestecuri de 30% ester în motorină, amestecuri
utilizate la alimentarea autobuzelor şi a vehiculelor utilitare, emisiile depind de
calitatea motorinei şi de starea mot
(-20%), nivelul de oxid de carbon din gazele de evacuare se reduce (-21%) de
asemenea reducându-se emisiile totale de hidrocarburi (-26%) în timp ce emisiile de
oxizi de azot rămân neschimbate.
Utilizarea amestecului ester şi motorină permite reducerea cu 13% a
potenţialului fotochimic al gazelor precursoare formării ozonului. În cazul utilizării de
100% ester, potenţialul fotochimic se diminuează cu 45%.
În Franţa, în anul 1993 s-a realizat un ecobilanţ prin care se compară metil
esterul din ulei de rapiţă cu motorina, luând în calcul ansamblul filierei de obţinere a
esterului plecând de la producţia de rapiţă şi până la utilizarea în motor. Analiza a
PARTEA I – COMBUSTIBILI ALTERNATIVI
42
arătat în mod clar că bilanţul de mediu al esterului comparat cu motorina este pozitiv.
Biocarburanţii sunt interesanţi deoarece au un caracter regenerabil şi nu participă la
agravarea efectului de seră, impactul lor fiind de la 4 la 5 ori mai redus. Dacă se
nalizează poluarea locală trebuie să se distingă stadiul de poluare agricolă de
rburant. În ceea ce priveşte primul stadiu, aportul de
hnologie de depoluare. Acest procedeu este aplicat pentru
ntre 1 până la 3 săptămâni şi se produce biogaz cu un
ă de materie organică degradată. Biogazul are un conţinut de 20 - 45%
ppm hidrogen sulfurat, gazul
reactor pun în evidenţă trei etape de degradare a
i în compuşi simpli solubili;
de a zi vo
egradarea acidului acetic CH3COOH → CH4 + CO2 (3.11)
xidarea hidrogenului (3.12) sau
CH3COOH + 4 4 + 3)
a
stadiul de utilizare ca şi ca
fertilizante şi substanţe fitosanitare trebuie să fie administrate în limite rezonabile
legate de nevoile plantei şi să se evite pe cât posibil riscurile de poluare a apelor.
3.4.3. Utilizarea biogazului Metanizarea este o tehnologie de conversie energetică a biomasei şi în
acelaşi timp o te
tratamentul depozitelor urbane prin staţii de epurare a efluenţilor industriali, a
deşeurilor organice menajere şi a dejecţiilor din crescătoriile animaliere. Procedeul se
poate aplica pentru transformarea celor mai multe vegetale chiar dacă au un conţinut
redus de celuloză.
Biomasa este tratată într-un reactor care are un volum în funcţie de cantitatea
tratată, de la câteva la mai multe milioane de metri cubi. Fermentarea anaerobă a
materiei organice durează î
conţinut între 55 şi 80% metan, obţinându-se aproximativ 500 m3 de metan pentru
fiecare ton
dioxid de carbon şi de la câteva zeci până la câteva mii
obţinut fiind saturat cu apă.
Reacţiile care au loc în
biomasei:
- hidroliza substratulu
- acidogeneza şi acetogeneza: formarea ci latili, amoniac, dioxid de
carbon, hidrogen şi acid acetic;
- metanogeneza prin:
d o
CO2 + 4H2 → CH4 + H2O
H2 → 2CH 2H2O (3.1
Alcoolii
43
Tabelul 3.12 Productivit n metan ru cultu ergetice
nă ale u r)
atea î pent rile enCere
Sorg Lucer (stadiimatu
Rapiţă
Randament aterie uscată / ha] [tone m 15 12 10 8
Productivitate [m3 metan / t materie uscată] 347 267 270 250
Producţie [m3/ha] 5200 3200 2700 2000
Producţie [t 4,4 2ep/h] ,7 2,3 1,7 tep - tonă echivalent petrol O unitate de metanizare poate trata substraturi omogene sau amestecuri. Din
ntului pot fi:
45% materiale obţinute în culturi energetice;
surs , rezi
3.4 iomasă ca şi carburant pentru autovehicule,
pre
• nei activităţi economice în regiunile cu resurse;
diul rural atât în zonele cultivate cât şi în
zonele de creştere a animalelor;
a balanţei comerciale;
.4.3.2. Bilanţul energetic Energia produsă este de 4,6 ori mai mare decât cantitatea de energie cheltuită
atului, transportului, tratarea biogazului şi distribuţia
raţiuni energetice şi ecologice trebuie să se utilizeze amestecuri.
Amestecurile supuse tratame
35% dejecţii animaliere;
20% diverse deşeuri si subproduse organice (deşeuri menajere triate la
ă duurile unor culturi etc.);
.3.1 Bilanţul economic Utilizarea metanului obţinut din b
zintă o serie de avantaje în comparaţie cu alţi biocarburanţi:
dezvoltarea u
• menţinerea locurilor de muncă în me
• reducerea dependenţei energetice şi anume într-un sector sensibil,
transporturi;
• îmbunătăţire
3
pentru producerea substr
metanului obţinut.
PARTEA I – COMBUSTIBILI ALTERNATIVI
44
3.4.3.3. Bilanţul ecologic Utilizarea metanului obţinut din biogaz la alimentarea autovehiculelor conduce
, purificate şi stabilizate.
e cu mai puţini nitraţi pentru că reziduurile utilizate
restituie solului elementele fertilizante deoarece numai lanţurile carbonice au fost
degradate în energie.
Utilizarea metanului drept combustibil pentru automobil reduce depunerile de
hidrocarburi pe suprafaţa drumului, fenomen care se află la originea unei poluări
neneglijabile a solului şi apelor.
la reducerea emisiilor care poluează aerul cu implicaţii pozitive asupra imisiilor
poluante la nivel local, regional şi global.
Reziduurile rezultate în urma procesului de metanizare sunt bogate în
elemente fertilizante şi ele pot fi utilizate în agricultură ca substrat brut deoarece sunt:
omogene, dezodorizate
Rotaţia culturilor, necesară unei aprovizionări regulate a unităţii de metanizare
permite să se menţină solul acoperit cu vegetaţie şi să se limiteze spălarea nitraţilor.
Culturile vor necesita tratament
Alcoolii
45
Bibliografie [1] Apostolescu, N., Sfinţeanu, D. - Automobilul cu combustibili neconvenţionali. -
Editura Tehnică, Bucureşti, 1989. ISBN 973-31-0049-8.
[2] Bobescu Gh., Chiru A., Cofaru C., Radu Gh. Alex., Abăitencei H., ş.a. –
Motoare pentru Automobile şi tractoare, vol. III, Editura Tehnică Info Chişinău,
Republica Moldova, 2000, ISBN 9975-63-015-4.
[3] Cofaru.C. –Legislatia şi ingineria mediului in transportul rutier Editura
Universităţii Transylvania Brasov 2002 ,ISBN 973-635-185-8
[4] Cofaru, C., ş.a.. - Autovehiculul şi mediul. Editura Universităţii Transilvania
Braşov, 1999. ISBN 973-98512-3-1.
[5] Cofaru,C. Helerea,E.,Dumitrescu,L.,Perniu.D., Sandu,V., Materials-Energy
Sustainable development. Editura Universitatii Transilvania Brasov, 2002 ISBN
973-635-199-8
[6] Negrea, V., D., Sandu, V. - Combaterea poluării mediului în transporturile
rutiere. Editura Tehnică, Bucureşti, 2000. ISBN 973-31-1455-3.
[7] Timothy, T., Maxwell, Jesse, C., Jons. - Alternative fuels. SAE 1995. ISBN 1-
56091-523-4.
[8] W H. Crouse and D.N. Anglin, - Automotive Emission Control - McGraw Hill,
New York, 1977, 278 p.
PARTEA I – COMBUSTIBILI ALTERNATIVI
46
Staţie de alimentare cu alcool în Brazilia
Autor: Mariana LIHTEŢCHI
4. ALCOOLII
4.1 DEFINIŢII ŞI TIPURI Biocarburanţii cuprind orice sursă de combustibil sau de energie care este
produsă din materie organică, ca şi uleiuri combustibile produse din plante sau
animale. Exemple de materii utilizate la producerea biocarburanţilor sunt alcoolul din
zaharuri fermentate, lemnul şi grăsimile animale. Definiţia poate fi extinsă incluzând
deşeuri municipale solide şi unele deşeuri industriale.
Biocarburanţii reprezintă o sursă de energie regenerabilă, spre deosebire de
alte surse energetice naturale ca petrolul, cărbunele sau combustibilul nuclear.
Carbonul din biocarburanţi a fost extras relativ recent din dioxidul de carbon
atmosferic de către plante în procesul de fotosinteză astfel că prin arderea lui nu
rezultă o creştere netă a dioxidul de carbon din atmosferă. Ca urmare, utilizarea
biocarburanţilor este considerată un mijloc de a reduce cantitatea de dioxid de
carbon eliberată în atmosferă şi o economisire a combustibililor fosili. Pentru
Alcoolii
47
producerea energiei regenerabile se pot utiliza atât produse agricole cultivate special
pentru obţinerea de biocarburanţi, dar şi deşeuri din industrie, agricultură, silvicultură,
activităţi casnice, cum sunt paie, crengi, deşeuri organice animaliere sau resturi
alimentare. De obicei biocarburanţii sunt arşi pentru a degaja energia chimică .Există
totuşi o serie de cercetări care urmăresc transformarea biocarburanţilor în
electricitate cu ajutorul pilelor de combustibil. Energia din biomasă acoperă 15% din
consumul energetic mondial. Suedia şi Finlanda asigură 17% şi, respectiv, 19% din
necesarul lor energetic din biomasă. Energia poate fi utilizată în transporturi,
producţia de energie electrică şi încălzire centrală sau individuală.
Utilizarea biocarburanţilor est un instrument eficient de protecţie a mediului.
Pe lângă valorile mici ale CO2 net, arderea biocarburanţilor va genera mai puţine
emisii de SO2, care este una din principala cauză a ploilor acide, mai puţine emisii de
particule (funingine), hidrocarburi nearse (HC) şi monoxid de carbon (CO).
Există multe forme de biomasă solidă care este combustibilă cum ar fi: lemnul,
paiele, alte plante uscate, resturi animaliere sau cojile cerealelor.
Există forme de biomasă lichidă care poate fi folosită drept combustibil:
• Bioalcooli: Etanolul produs din trestie de zahăr sau cereale este utilizat drept
combustibil sau aditiv pentru benzină.
o Metanolul, care este produs current din gaz natural poate fi produs şi
din biomasă chiar dacă în prezent nu este rentabil. Economia bazată pe
metanol este o alternativă interesantă la economia bazată pe hidrogen.
• Uleiuri produse biologic pot fi utilizate în motoarele diesel:
o Ulei vegetal pur.
o Ulei vegetal uzat.
o Motorină obţinută din transesterificarea grăsimilor animale şi a uleiurilor
vegetale.
• Uleiuri produse din diferite deşeuri:
o Depolimerizarea termică poate extrage ulei, asemănător obţinerii
petrolului, din deşeuri.
Există forme de biomasă gazoasă care poate fi folosită drept combustibil:
• Metanul produs prin descompunerea naturală a gunoiului de grajd sau a altor
resturi agricole poate fi colectat şi utilizat drept combustibil.
PARTEA I – COMBUSTIBILI ALTERNATIVI
48
Materialul următor va analiza biocarburanţii din punctul de vedere al utilizării lor în
domeniul transporturilor rutiere.
Pentru reducerea dependenţei de combustibili fosili (95%) şi de petrol (76%), ţările
europene pun în practică un set de măsuri care încurajează şi dezvoltă utilizarea
biocarburanţilor la funcţionarea motoarelor termice.
Funcţie de tipul motorului pe care sunt utilizaţi biocarburanţii sunt clasificaţi în
două grupe:
Alcooli şi combustibili derivaţi din alcooli care sunt utilizaţi la motoarele cu aprindere
prin scânteie.
Uleiuri vegetale şi combustibili derivaţi din uleiuri care sunt utilizaţi la motoarele cu
aprindere prin comprimare.
Al treilea tip de biocarburant care poate fi utilizat la motoarele cu aprindere
prin scânteie este biogazul; acesta se poate obţine din biomasă sau din deşeuri
urbane sau industriale. Totuşi, din cauza densităţii mici de energie raportate la
unitatea de volum biogazul se arde în motoare staţionare, iar aplicarea sa la miljoace
de transport rutier este deocamdată limitată.
Analiza chimică a biocarburanţilor, în special a alcoolilor, uleiurilor vegetale şi
a derivaţilor acestora indică prezenţa în moleculă a oxigenului, pe lângă carbon şi
hidrogen, de aceea biocarburanţii lichizi se mai numesc şi combustibili oxigenaţi.
4.2 ALCOOLII ŞI DERIVAŢII LOR Combustibilii oxigenaţi sunt acele hidrocarburi care conţin în lanţul molecular
unul sau mai mulţi atomi de oxigen. Printre aceşti combustibili cei mai cunoscuţi sunt
alcoolii (metanol şi etanol) şi derivaţii de tip eter: MTBE (Metil Tertiar Butil Eterul ) şi
ETBE (Etil Tertiar Butil Eterul). Aceşti combustibili cunoscuţi în ultimul secol de lumea
motoristică, au fost folosiţi pentru formularea combustibililor de curse pentru a
îmbunătăţi performanţele motorului; totuşi ei au fost excluşi de pe piaţa
combustibililor din motive economice.
Utilizarea etanolului în motoare este cunoscută din 1890 şi a înaintat
semnificativ în anii 1910-1920 ca şi în timpul celui de-al doilea Război Mondial.
Interesul pentru el a scăzut din 1945 fiindcă benzina obţinută din petrol era mai
ieftină. Interesul pentru combustibili oxigenaţi a reapărut în 1973 odată cu criza
petrolieră, din motive economice şi politice. În 1975, Brazilia a declanşat un program
Alcoolii
49
naţional de promovare a alcoolului pentru a reduce dependenţa de importul de petrol
şi de a reduce deficitul comercial. Un program similar a început în SUA din 1979 cu
obiectivul creşterii "siguranţei energetice". Aceste programe scumpe s-au încheiat,
iar preţul petrolului s-a stabilizat. În prezent, utilizarea etanolului şi a altor combustibili
oxigenaţi este în creştere din considerente ecologice; au apărut şi a serie de avantaje
tehnice, economice şi sociale cum ar fi generarea de venituri şi locuri de muncă în
zone rurale sărace.
Utilizarea alcoolului drept combustibil pentru motoare cu ardere internă, fie
în stare pură sau în amestec cu alţi combustibili, a căpătat multă atenţie datorită
avantajelor de mediu şi economice pe termen lung faţă de combustibilii fosili. Atât
etanolul, cât şi metanolul au fost luate în considerare. Ambele pot fi obţinute din
petrol sau gaz natural, iar etanolul pare a fi mai uşor de obţinut din zahăr sau amidon
din cereale, trestie de zahăr sau lactoză. Prin amestecarea alcoolului cu benzina
produsul e cunoscut ca gazohol. Alte experimente au folosit butanol produs din
fermentarea plantelor.
Alcoolii pot fi utilizaţi ca înlocuitori totali sau parţiali ai benzinei la autoturisme
sau alte autovehicule comerciale. Totuşi s-au studiat şi alte metode neconvenţionale
de utilizare a alcoolilor în pile de combustie, fie direct, fie ca materie primă pentru
producerea de hidrogen. Alcoolii pot fi produşi dintr-o varietate de recolte, cum sunt
trestia de zahăr, sfecla de zahăr, ovăz, orz, cartofi, floarea soarelui, eucalipt, etc.
Două ţări au dezvoltat programe semnificative pro-alcool: Brazilia (etanol din trestie
de zahăr) şi Rusia (metanol din eucalipt). Etanolul pentru uz industrial este adesea
obţinut sintetic din materii prime petroliere, de obicei prin hidratare catalitică a etilenei
cu acid sulfuric pe post de catalizator. Acest proces este mai ieftin decât producţia
prin fermentaţie. Se poate obţine şi din etenă sau acetilenă, din carbura de calciu,
cărbune sau gaze petroliere.
Alcoolul obţinut din agricultură necesită cantităţi substanţiale de teren
cultivabil, cu soluri fertile şi apă. Este puţin probabil ca acest lucru să se poată
produce în zonele aglomerate şi industrializate din Europa de vest. De exemplu,
dacă Germania ar fi ocupată total de plantaţii de trestie de zahăr, s-ar acoperi numai
jumătate din nevoile sale energetice (incluzând combustibil şi electricitate).Totuşi,
dacă alcoolul este făcut din resturi agricole, atunci nu mai este nevoie de teren
suplimentar. Utilizând aceste resurse pentru acest scop va fi nevoie de materie
PARTEA I – COMBUSTIBILI ALTERNATIVI
50
suplimentară pentru hrana animalelor, fertilizatori şi combustibili pentru centralele
electrice.
Pentru a fi viabilă o economie bazată pe alcool trebuie sa aibă un bilanţ al
energiei nete pozitiv, adică energia totală cheltuită în producerea de alcool incluzând
fertilizarea, semănarea, recoltarea, transportul, fermentarea, distilarea şi distribuţia
ca şi combustibilul utilizat la construcţia fermei şi a staţiei, nu trebuie sa depăşească
conţinutul energetic al produsului.
4.2.1. Etanolul Etanolul este denumit şi alcool etilic având formula moleculară C2H5OH , este
un lichid transparent cu densitatea de 0,789 g/cm³, solubil în apă, cu punctul de
fierbere la 78,4 °C (351,6 K),fiind inflamabil.
Etanolul poate fi obţinut din porumb, grâu, cartofi, paie de orez, rumeguş,
reziduuri urbane, reziduuri din industria hârtiei, crengi, trestie de zahăr, alge, recolte
în exces şi alte reziduuri celulozice. Petrolul este folosit de asemenea pentru a se
obţine etanol industrial.
Etanolul care este acelaşi cu alcoolul din băuturi alcoolice, poate atinge 96%
ca puritate volumică prin distilare şi este limpede ca apa, această puritate fiind
suficientă pentru combustia etanolului. Etanolul arde mai curat ca mulţi combustibili şi
nu produce CO2 net .Când arderea este completă, produşii sunt doar CO2 şi apă
care sunt produşii descompunerii resturilor celulozice. De aceea, etanolul este favorit
pentru scheme de transport ecologic şi e utilizat la autobuze urbane. Totuşi, etanolul
pur reacţionează sau dizolvă unele cauciucuri şi materiale plastice şi nu poate fi
utilizat în motoare care nu au modificări de materiale. În plus, etanolul are cifra
octanică mai mare decât benzina obişnuită, cerând schimbări ale raportului de
comprimare sau ale avansului la scânteie pentru a obţine performanţe maxime.
Pentru a modifica o maşină de la funcţionarea cu benzină la funcţionarea cu etanol
pur sunt necesare debite de combustibil cu circa 50% mai mari. Este necesar şi un
sistem de pornire la rece pentru a asigura vaporizarea suficientă pentru o bună
ardere şi pentru reducerea etanolului nevaporizat şi nears. Dacă 10-30% din etanol
se amestecă cu benzina, atunci nu sunt necesare modificări ale motorului. Multe
autoturisme moderne pot funcţiona cu amestec, cu o bună fiabilitate.
Termenul "E85" este folosit pentru un amestec de 15% benzină şi 85% etanol.
Începând cu modelele din 1999, multe autovehicule au fost dotate cu motoare care
Alcoolii
51
pot să funcţioneze cu benzină şi etanol de la 0% la 85% , fără modificări. Multe
utilitare uşoare au fost proiectate să funcţioneze cu doi combustibili (flexible fuel) şi
acestea pot detecta automat tipul de combustibil şi pot comanda schimbarea
necesară în funcţionarea motorului, în principal dozajul şi avansul la scânteie pentru
a compensa diferitele cifre octanice ale combustibilului din motor.
Etanolul produce mai puţini poluanţi de tipul CO, CO2 şi HC, comparativ cu
benzina pură în teste echivalente. Studiile arată o creştere a emisiilor de NOx şi
compuşi organici volatili, care sunt precursorii formării smogului.
Etanolul în amestec cu benzina înlocuieşte tetraetilul de plumb, benzenul şi
MTBE – toţi fiind aditivi de ridicare a cifrei octanice. Etanolul cu cifra octanică de 110
depăşeşte benzina obişnuită şi compensează nevoia de alţi aditivi antidetonanţi.
Totuşi etanolul poate creşte presiunea de vapori a benzinei ducând la mărirea
emisiilor evaporative care totuşi nu sunt mai grave decât emisiile de plumb, benzen
sau MTBE.
Etanolul este mai puţin periculos decât benzina în ceea ce priveşte pericolul
de incendiu; metanolul fiind mai volatil, este mai probabil să producă incendii sau
explozii. Totuşi fiindcă etanolul şi metanolul se dizolvă în apă (benzina pluteşte pe
apă) incendiile se pot stinge cu conducte obişnuite de apă .
Pentru Europa recoltele cu posibilităţi de extragere a alcoolului sunt cele de
sfeclă şi cele de cereale (grâu, porumb şi ovăz).
În ciuda faptului că alcoolii pot fi folosiţi în stare pură la vehicule cu motoare
speciale, este mult mai practic să le foloseşti în motoare convenţionale ca un
amestec de diferite proporţii de combustibil diesel şi de benzină; aceste amestecuri
îmbunătăţesc de obicei comportamentul combustibililor tradiţionali.
Principalele avantaje tehnice ale folosirii acestor amestecuri de combustibili cu
benzina sunt:
a) Ridicarea cifrelor octanice a benzinelor: tendinţa de detonaţie este redusă,
permiţând creşterea raportului de compresie sau creşterea avansului la scânteie; în
consecinţă randamentul termodinamic al combustiei este mai mare.
b) Creşterea performanţei motorului: Oxigenul din combustibil reduce dozajul
stoichiometric, permiţând introducerea unei cantităţi mai mari de combustibil în
fiecare ciclu. (Controlul prin sonda lambda reglează cantitatea de combustibil
necesar corespunzător amestecului stoichiometric.) Limita cantităţii de oxigen care
poate fi adăugată combustibilului depinde de construcţia motorului prin cantitatea
PARTEA I – COMBUSTIBILI ALTERNATIVI
52
minimă de gaze necesare pentru menţinerea temperaturii de evacuare; mai mult,
căldura de vaporizare ridicată a alcoolilor reduce temperatura de admisie şi o
cantitate mai mare de amestec poate fi introdusă în cilindru (eficienţa volumetrică mai
mare).
c) Referitor la consumul de combustibil, deşi combustibilii oxigenaţi au o putere
calorică mai mică decât benzina, experimentele au arătat consumuri similare
exprimate în l/km şi de obicei mai mici când sunt exprimate în unităţi de energie
(MJ/km).În ambele cazuri s-a observat un consum mai mic în ciclurile urbane.
d) În plus CO2 este recuperat din balanţa globală a emisiilor prin absorbţia de CO2
atmosferic a plantelor din combustibilii vegetali şi utilizarea acestor amestecuri de
combustibili produce o descreştere a emisiilor de hidrocarburi nearse (în special a
benzenului cancerigen) şi o importantă scădere a emisiilor de monoxid de carbon .
Utilizarea alcoolilor în amestec cu benzina prezintă o serie de dezavantaje :
a) Puterea calorică este mai mică, iar sistemul de alimentare trebuie adesea
modificat.
b) Afinitate mare pentru apă; apare separarea fazelor benzină-alcool atunci când
există apă în combustibili.
c) Potenţial de coroziune ridicat; alcooli pot ataca vopsele şi pot genera depuneri în
conductele de combustibili, în special în prezenţa apei; trebuie utilizate conducte
metalice şi plastice rezistente la acţiunea alcoolilor.
d) Apar probleme la pornirea la rece din cauza căldurii de vaporizare ridicate.
e) Manevrabilitatea pe vreme caldă poate scădea din cauza volatilităţii ridicate a
alcoolilor care provoacă dopuri de vapori în sistemul de alimentare.
f) Presiunea de vapori a amestecurilor benzină-alcooli este foarte ridicată, crescând
emisiile evaporative.
Alcoolii au cifre octanice mari şi călduri latente de vaporizare mari (tabelul 4.1).
Tabelul 4.1. Caracteristicile combustibililor
Mărimea Unitatea Metanol Etanol Benzină fără plumb
Cifra octanică Research
106 107 92-98
Cifra octanică Motor
92 89 80-90
Căldura latentă de vaporizare
MJ/kg 1,154 0,913 0,3044
Alcoolii
53
Puterea calorică inferioară
MJ/kg 19.95 26,68 42-44
Presiunea de vapori
kPa 31,9 16,0 48-108
Limita inferioară de inflamabilitate
% 6,7 3,3 1,3
Limita superioară inflamabilitate
% 36,0 19,0 7,1
Temperatura de autoaprindere
°C 460 360 260-460
Punctul de inflamabilitate
°C 11 13 -43--39
4.2.2. Metanolul
Metanolul, cunoscut ca alcool metilic este un compus chimic cu formula CH3OH. Este cel mai simplu alcool, este uşor, (densitate 0,7918 g/cm³), volatil,
incolor, inflamabil, otrăvitor, care este folosit ca lichid antigel, solvent sau combustibil.
Metanolul este produs natural prin metabolism anaerobic de mai multe tipuri de
bacterii. Ca rezultat există o mică proporţie de metanol în atmosferă. Pe durata
câtorva zile, metanolul atmosferic se oxidează la lumină rezultând dioxid de carbon şi
apă. Metanolul a fost considerat un combustibil care poate înlocui benzina şi a fost
mai puţin studiat din cauza problemelor proprii. Principalul său avantaj este că poate
fi obţinut uşor din metan (principalul constituent al gazului natural ) ca şi prin piroliza
multor materiale organice . Metanolul de origine vegetală poate fi obţinut din biomasă
prin gazeificarea şi tratarea gazelor obţinute, (CO şi H2) într-un reactor catalitic la
presiuni şi temperaturi mari. Metanolul, spre deosebire de etanol, este toxic;
expunerea prelungită poate duce la probleme grave de sănătate, provocând chiar
orbire.
Metanolul este utilizat în mică măsură la motoare cu ardere internă fiindcă nu
este atât de inflamabil ca benzina. Amestecurile cu metanol sunt utilizate la maşinile
de curse şi la aeromodele comandate prin radio.
Pilele de combustie cu metanol sunt unice prin funcţionarea la temperatură
joasă şi presiune atmosferică, permiţând miniaturizarea la un nivel fără precedent.
Acest fapt combinat cu uşurinţa manevrării şi siguranţa stocării a deschis calea
utilizării acestor dispozitive în alimentarea echipamentelor electronice.
PARTEA I – COMBUSTIBILI ALTERNATIVI
54
4.2.3. Derivaţii alcoolilor Mai recent decât alcoolii, derivaţii acestora, eterii, au fost folosiţi ca şi
componenţi combustibili (ETBE şi MTBE). Aceşti compuşi prezintă aceleaşi avantaje
ca şi alcooli, dar sunt mai capabili de a depăşi obstacolele alcoolilor fiindcă ei
dovedesc:
a) O putere calorică mai mare şi un raport stoichiometric apropiat de cel al benzinei,
de aceea sistemul de alimentare nu are nevoie de nici o modificare.
b) O foarte mică solubilitate în apă astfel că amestecurile benzină-eter sunt stabile în
prezenţa apei.
c) Au un potenţial coroziv mult mai redus decât al alcoolilor.
d) Căldura latentă de vaporizare este mult mai mică decât a alcoolilor, apropiată de
cea a benzinei, facilitând pornirea la rece.
e) Eterii au mult mai puţine probleme de manevrabilitate decât alcooli pe vreme caldă
fiindcă amestecurile benzină-eter au o volatilitate mai scăzută.
f) Emisiile evaporative sunt la acelaşi nivel cu cele ale benzinei şi mult mai scăzute
decât cele ale amestecurilor benzină-alcooli.
Comportarea ETBE şi MTBE ca aditivi de creştere a cifrei octanice este similară.
Singura diferenţă notabilă este descreşterea volatilităţii amestecurilor benzină - ETBE
care nu apare la amestecurile benzină - MTBE. Emisiile de hidrocarburi sunt mai
puţin toxice cu ETBE, iar unele studii pe animale apreciază că MTBE este probabil
cancerigen.
Alcoolii
55
Bibliografie
[1] The oil companies’ European organization for environment, health and safety
(CONCAWE): Energy and Greenhouse Gas Balance of Biofuels for Europe –
an Update, Brussels, 2002
[2] Dri.wefa and Arthur d. Little: Future Powertrain Technologies, Lexington;
Cambridge, 2001
[3] European Commission, Directorate-General for Energy, Limited: A Technical
Study on Fuels Technology related to the Auto-Oil II Programme – Final
Report Volume II: Alternative Fuels, (writer: Arcoumanis; Bechtel), 2000
[4] European Parliament: Bioethanolbeimengung zu Kraftstoff, (writer: Oestling,
A.; Chambers, G.) Theme paper No. 07/2001, Luxembourg, Brussels, 2001
[5] International Energy Agency (IEA): Automotive Fuels for the Future – The
Search for Alternatives, Paris, 1999
[6] F. Tinaut et al. Motor biofuels: history, current status and future perspectives,
Fisita Congress,1998
[7] R. Bechtold - Ghidul combustibililor alternativi, Societatea Inginerilor de
Automobile,1997
PARTEA I – COMBUSTIBILI ALTERNATIVI
56
Poluare industrială
Uleiuri vegetate
57
Autori: Corneliu COFARU Daniela FLOREA
5.ULEIURI VEGETALE
5.1. INTRODUCERE Preocupările privind problemele mediului înconjurător legate de exploatarea
autovehiculelor au devenit probleme politice majore deoarece privesc calitatea vieţii.
Pe plan mondial sunt avansate mai multe opţiuni pentru a aplica tehnologii
“curate” în afara reînnoirea parcului de autovehicule cum ar fi:
• Utilizarea combustibililor alternativi în locul energiilor fosile tradiţionale;
• Utilizarea combustibililor de substituţie în parte de origine regenerabilă;
• Instalarea pe vehiculele existente de echipamente de depoluare a gazelor de
evacuare;
• Utilizarea unor noi sisteme motopropulsoare pentru autovehicule, cum ar fi
tracţiunea elecrică, pila de combustie fiind sursă energetică sau bateriile
electrice de stocare a energiei electrice preluate din reţea.
În acest context, utilizarea biocombustibililor apare ca o soluţie viabilă
deoarece răspunde principalelor cerinţe, cum ar fi: sunt regenerabili, sunt
biodegradabili, şi au un impact mai redus aspra mediului.
În Europa, datorită politicilor agricole, opţiunea utilizării biocarburanţilor pentru
alimetarea autovehiculelor constituie o puternică premisă pentru dezvoltarea durabilă
a sectorului agricol şi a sectorului de transport.
România, în perspectiva integrării în Uniunea Europeană va trebui să adopte
politicile Comunitare în toate domeniile iar prin aplicarea acestora se va confrunta cu
o limitare a suprafeţelor agricole destinate producţiei alimentare. Pe de altă parte, va
trebui să aplice politicile Comunitare privind calitatea combustibililor şi de mediu. Din
corelaţia acestor politici rezultă că România poate deveni în perioada următoare un
important furnizor şi utilizator de biocombustibili.
5.2. TENDINŢELE ACTUALE ÎN EVOLUŢIA TRANSPORTURILOR 5.2.1. Evoluţia cererii de transport în Europa
Studii publicate au arătat că între anii 1975 – 1990 ratele creşterii anuale de
transport măsurate în tone – km şi călători – km au fost de 2,8% în Europa şi 2,3% în
Statele Unite şi de 2,6% în Japonia (pentru rate anuale de creştere a PIB de 2,6%,
PARTEA I – COMBUSTIBILI ALTERNATIVI
58
2,8% şi respectiv 4,2%). S-a constatat pentru această perioadă că rata de creştere a
cererii de transport nu urmăreşte întotdeauna rata de creştere a PIB.
La programarea infrastructurilor specialiştii din ţările Uniunii Europene au luat
în calcul că în perioada 2000-2010 va exista o creştere diferenţiată pe ţări a creşterii
de transport dar care va prezenta şi câteva puncte comune, cum ar fi:
1. Creşterea cererii de transport va fi datorată mai mult măririi distanţelor
parcurse decât volumului de mărfuri şi al persoanelor transportate;
2. Cel mai probabil, ritmul de creştere al PIB va fi mai mult sau mai puţin
deconectat de ritmul de creştere al cererii de transport;
3. Fluxurile de transport se concentrează în general pe axele rapide;
4. Cele mai frecvente preocupări vor viza creşterea puternică a traficului naţional
şi internaţional, circulaţia urbană şi regională putând genera poluare şi
consumul resurselor aparent rare.
5.2.2. Consumul de energie şi poluarea atmosferică Ţările dezvoltate consumă 80% din energia mondială utilizată pentru
transporturile rutiere.
Dacă ne referim acum la transporturile rutiere, ele consumă mai mult de 90%
din consumul energetic al sectorului transporturi pe plan mondial, combustibilii
utilizaţi fiind legaţi cvasi-exclusiv de petrol, consumul energetic situându-se în 1988 la
1,12 Gtep având un trend de creştere la 2,76 Gtep în 2020 şi de 5,06 Gtep în 2060,
când se aşteaptă dublarea parcului mondial de autovehicule. În aceste condiţii,
gazele cu efect de seră vor fi multiplicate cu 2,7, tone echivalent în carbon, în raport
cu 1992. Ponderea emisiilor de CO2 datorată vehiculelor utilitare va creşte de la 1/3
din globalul de CO2 al anului 1988 la 2/3 în 2060.
Se apreciază în studiile publicate că toate rezervele de petrol accesibile pot
asigura consumul energetic la actualul ritm de dezvoltare pe o perioadă de 40 ani şi
de 75 ani dacă se vor utiliza şi alte resurse fosile cum ar fi şisturile bituminoase.
Problema energiei necesare mobilităţilor de persoane şi de mărfuri trebuie
pusă în mod serios pentru următorii 50 de ani.
În ceea ce priveşte mediul înconjurător se apreciază că în 2010 principala
sursă de emisii de CO vor fi vehiculele cu motoare cu aprindere prin scânteie iar
principala sursă de emisii de NOx vor fi vehiculele dotate cu motoare Diesel. Cele
Uleiuri vegetate
59
două tipuri de motoare se consideră că vor avea emisii de hidrocarburi nearse
sensibil egale.
Tabelul 5.1 Perspective asupra emisiilor poluante ale autovehiculelor
Joumard 1994
Renault* PSA** PSA** MIES 1990-2000
Corinair 1985-2000
Emisia
Sector transport
Autovehicule
Autovehicule
Autoturism
Sector transport
Sector transport
CO2 +22% - - - - +20%
CO -75% -80% -83% -85% -60% -40%...
-60%
HC -60% -75% -83% -91% -50% -40%...
-60%
NOx -33% -65% -52% -72% -35% Constant
Particul
e Constant Constant -45% -28% - -
* ipoteză: 50% din parc cu motoare Diesel în 2010; ** ipoteză: 40% din parcul de autoturisme, 80% vehicule utilitare şi 100% autovehicule grele cu motoare Diesel în 2010. Raportul din 1994 al grupului DRI/McGraw Hill estima că emisiile de CO2 ale
Uniunii Europene vor creşte cu 6,4% între anii 1990 şi 2000 dintre care 80% îi vor
reveni transportului iar pentru anii 2000 – 2015 emisiile vor creşte cu 15% din care
40% îi vor reveni sectorului transport în ipoteza că centralele electrice nucleare se
vor închide şi vor fi folosite centrale electrice cu combustibili fosili. În consecinţă,
efectul de seră se va accentua în următorii ani.
Un alt aspect care nu trebuie neglijat îl constituie creşterea continuă a
conţinutului de ozon troposferic. În 1800 conţinutul de ozon se situa la nivelul a 5 …
15 µg/m3 ca în 1991 să se ridice la 30 … 50 µg/m3.
Se estimează că în 20 de ani conţinutul de ozon va atinge valori de 75 … 80
µg/m3. Pentru a limita creşterea concentraţiei de ozon troposferic trebuie să se
limiteze şi să se diminueze emisiile de precursori ai ozonului.
Un alt efect care îngrijorează este rarefierea stratului de ozon stratosferic care
protejează lumea vie de radiaţiile ultraviolete.
PARTEA I – COMBUSTIBILI ALTERNATIVI
60
5.3. CARACTERISTICILE DETERMINANTE ALE COMBUSTIBILILOR PENTRU PROCESELE DE AMESTECARE, AUTOAPRINDERE ŞI ARDERE Combustibilii destinaţi alimentării motoarelor pentru autovehicule trebuie să îndeplinească o serie de condiţii dintre care cele mai importante sunt:
1. Să asigure pornirea sigură şi rapidă a motorului pentru orice temperatură a
mediului ambiant;
2. Sa asigure funcţionarea sigură a motorului cu un randament cât mai ridicat;
3. Să nu producă solicitări mecanice şi termice ridicate precum şi uzuri
exagerate;
4. Să ardă complet, fără a produce emisii poluante dăunătoare sănătăţii umane
şi mediului ambiant;
5. Sa nu aibă o acţiune corozivă asupra materialelor cu care vine în contact;
6. Să poată fi transportat, depozitat şi distribuit în siguranţă şi să-şi menţină
proprietăţile în timp;
7. Să aibă un preţ acceptabil;
8. Să fie în cantitate suficientă.
La motorul cu aprindere prin comprimare, combustibilul convenţional este
motorina.
Următoarele proprietăţi intervin în procesele de formare a amestecului aer-
combustibil, autoaprindere şi ardere la utilizarea motorinei ca şi la ultilizarea
biocombustibililor.
Compoziţia fracţionată
Defineşte uşurinţa de vaporizare a combustibilului.
La motorul cu aprindere prin comprimare compoziţia fracţionată influentează
viteza de vaporizare a picăturilor de combustibil şi autoaprinderea.
Pe curba de distilare a combustibilului se precizează trei puncte de fierbere şi
anume punctele la care distilă 10%, 50% şi 90% dintr-un volum de combustibil. Ele
se notează cu t10, t50 respectiv t90.
De exemplu, la creşterea lui t50 de la 232 °C la 288 °C, conţinutul de fum din
gazele de evacuare creşte cu 30%. Fracţiunile grele din combustibil au cifra cetanică
mai mare, adică o mai mare uşurinţă la autoaprindere cu toate că mărirea
temperaturii t50 de la 225 °C la 285 °C a condus la creşterea timpului de pornire de
nouă ori.
Uleiuri vegetate
61
Densitatea
Densitatea reflectă conţinutul de fracţiuni uşoare din combustibil şi
influenţează direct unele caracteristici ale combustibilului, ca indicele Diesel.
Densitatea motorinelor se situează în limitele 820-900 kg/m3.
Viscozitatea
Viscozitatea influenţează caracteristica jetului de combustibil, rezistenţa la
deplasarea combustibilului prin conductă, ungerea pieselor în mişcare din sistemul
de injecţie.
Limita superioară a viscozităţii este impusă de calitatea de pulverizare a
combustibilului şi de calitatea de fluiditate.
Pentru motorul cu aprindere prin comprimare, prezintă interes fluiditatea
combustibilului la temperaturi scăzute deoarece viscozitatea scade la reducerea
temperaturii. Viscozitatea motorinei este de 1,2-17 °E20 sau 2,5-8,5 cSt (2,5·10-6 –
8,5·10-6 m2/s).
Tensiunea superficială
Tensiunea superficială influenţează pulverizarea combustibilului deoarece
este determinată de lucrul mecanic necesar pentru mărirea suprafeţei lichidului
[kJ/m2 sau N/m]. Ea scade cu creşterea temperaturii şi presiunii şi creşte cu
conţinutul de fracţiuni grele din combustibil.
Cifra cetanică (CC)
Reprezintă uşurinţa la autoaprindere a combustibilului. Pentru motorul cu
aprindere prin comprimare este cea mai importantă caracteristică deoarece de ea
depinde uşurinţa pornirii şi funcţionarea normală a motorului. Cifra cetanică se
determină prin compararea combustibilului cu un amestec etalon (cetan, căruia i se
atribuie cifra cetanică 100 şi α-metil-naftalenul căruia i se atribuie cifra cetanică 0).
Indicele Diesel (ID)
ID apreciază uşurinţa de autoaprindere. Cu cât ID este mai mare, cu atât cifra
cetanică este mai mare. Pentru motorină, ID=45-53.
PARTEA I – COMBUSTIBILI ALTERNATIVI
62
Punctul de congelare
Este temperatura la care combustibilul îşi pierde fluiditatea şi poate cauza
întreruperea alimentării motorului.
Indicele de cocs (IC)
Reprezintă procentul de cocs care se formează la încălzirea unei mase de
combustibil. IC=(mcs/mc)·100 – unde mcs este masa de cocs, mc este masa de
combustibil.
Puterea calorică
Căldura degajată în exterior prin arderea completă a unităţii de cantitate (kg,
kmol, m3) de substanţă combustibilă se numeşte căldura de reacţie.
Căldura de reacţie depinde de natura combustibilului şi de condiţiile de
presiune, temperatură, volum, în care se desfăşoară reacţia.
Căldura de reacţie precizată la presiunea constantă de 0,1 MPa şi
temperatura constantă de 273 °K se numeşte putere calorică.
Când puterea calorică include şi căldura de vaporizare se numeşte putere
calorică superioară (Qs).
În motoarele cu ardere internă, produsele de ardere se evacuează la o
temperatură superioară temperaturii de condensare a vaporilor de apă, de aceea,
prin ardere se degajă mai puţină căldură decât Qs. Dacă se scade din Qs căldura de
vaporizare a apei se obţine puterea calorică inferioară Qi.
Puterea calorică pentru motorină este 41850 [kJ/kg]. Puterea calorică
inferioară poate fi calculată cu o formulă care dă valori satisfăcătoare:
Qi = 34013c + 125600h – 10900(o – s) – 2512(9h + u) [kJ/kg]
unde:
c,h,o,s,u – fracţiunile masice de carbon, hidrogen, oxigen, sulf şi umiditate din
combustibil.
5.4. TENDINŢE DE UTILIZARE A BIOCOMBUSTIBILILOR DIESEL
La ora actuală agricultura europeană este victima propriului succes şi
problema supraproducţiei alimentare tinde să schimbe sistemul de plăţi al fermierilor.
Plata fermierilor se realizează pentru acele culturi ale căror fermieri acceptă ca o
Uleiuri vegetate
63
parte a pământului lor să rămână necultivată (în rezervă) ei netrebuind să crească
producţia agricolă pentru a primi subvenţiile.
Cultivarea pământului în rezervă este admisă numai pentru plantele
“energetice” cum ar fi rapiţa, uleiul de rapiţă putând fi utilizat ca substitut al motorinei
pentru motoarele Diesel.
Această idee nu este nouă. Rudolf Diesel, inventatorul motorului cu aprindere
prin comprimare a prezentat prototipul motorului la Expoziţia de la Paris în 1900,
alimentat cu ulei de arahide.
Cele mai multe din motoarele Diesel actuale au fost dezvoltate să funcţioneze
pe bază de motorină obţinută din petrol şi dacă ele ar funcţiona pe bază de ulei de
rapiţă, pulverizatorul s-ar înfunda datorită procesului de cocsare al uleiului iar
ungerea motorului ar fi compromisă datorită degradării uleiului de ungere. Există
două soluţii tehnice:
Modificarea motorului pentru a fi alimentat cu uleiuri vegetale. Motorul Elsbett,
dezvoltat în Germania funcţionează cu o gamă largă de combustibili printre care şi
uleiuri vegetale. Dificultatea majoră este ca producţia de uleiuri vegetale să fie
semnificativă pentru a fi implementată în infrastructură şi acele motoare să devină
viabile din punct de vedere comercial.
Modificarea uleiurilor. Acesta este un simplu proces chimic de transesterificare prin
care se produce ester metil de rapiţă (Rape methyl ester RME) care are proprietăţi
apropiate de motorina obţinută din petrol. Prin prelucrarea seminţelor oleaginoase se
obţin ca subprodus turte cu înalt conţinut de proteine pentru hrana animalelor şi
glicerină.
O a treia cale posibilă o constituie filtrarea uleiurilor vegetale pentru
îndepărtarea impurităţilor şi amestecarea cu motorină în proporţie de 20% sau mai
mult.
PARTEA I – COMBUSTIBILI ALTERNATIVI
64
Seminţe
- turte (hrană animalieră)
Extragere ulei
ulei + metanol + catalizatori
Distilare
- glicerină (uz farmaceutic, hrană
animalieră)
Biocombustibil
Metanol (reutilizabil)
Fig. 5.1. Schema de principiu de obţinere a biocombustibililor Diesel şi a
subproduselor plecând de la seminţele (fructele) oleaginoase
5.4.1. Ce este biocarburantul Diesel ? Biocarburantul Diesel (ester alchil ai acizilor graşi) este un înlocuitor al
motorinei obţinut din resurse naturale regenerabile, cum ar fi uleiurile vegetale şi
grăsimile animale.
Amestecat până la 20% în motorină poate fi utilizat aproape în toate motoarele
Diesel şi este compatibil cu majoritatea echipamentelor de stocare şi distribuţie.
Proporţiile mici de amestecare nu necesită nici o modificare asupra motoarelor, ele
asigurând aceleaşi performanţe ca şi motorina pură.
Amestecurile mai bogate în biocombustibili Diesel sau biocombustibilul pur
(B100) pot fi utilizate de motoarele construite după 1994 fără sau cu mici modificări .
Transportul şi stocarea în acest caz poate necesita un management special.
Uleiuri vegetate
65
Utilizarea biocombustibililor Diesel într-un motor Diesel convenţional reduce
substanţial emisiile de hidrocarburi nearse, oxid de carbon, sulfaţi, hidrocarburi
aromatice policiclice, hidrocarburi aromatice policiclice nitrate şi particule. Aceste
reduceri cresc cu cantitatea de biocombustibil Diesel aflat în motorină, atingând
maximul pentru biocombustibilul Diesel pur B100.
Utilizarea biocombustibililor Diesel conduce la micşorarea fracţiunii de carbon
solid din particule (oxigenul aflat în combustibil este capabil să producă arderea mai
completă a acestuia) şi să reducă fracţiunea de sulfaţi (biocombustibilii Diesel conţin
mai puţin de 24 ppm sulf) în timp ce fracţiunile solubile sau fracţiunile de hidrocarburi
rămân în aceleaşi concentraţii. Biocombustibilii Diesel se comportă bine cu noile
tehnologii de tratare a gazelor cum ar fi convertorul catalitic de oxidare (care reduce
fracţiunile solubile ale particulelor dar nu şi fracţiunile de carbon solid).
Emisiile de oxizi de azot cresc cu concentraţia de biocombustibili Diesel din
motorină dar există aditivi care adăugaţi pot inhiba această creştere.
Tabelul 5.2. Caracteristicile fizice ale biocombustibililor Diesel (B100) şi motorinei Nr. Crt. Caracteristici Biocombustibil
Diesel (B100) Motorină
1 Densitate specifică 0,87-0,89 0,85 2 Viscozitate cinematică la 40 °C 3,7-5,8 1,3-4,1 3 Cifra cetanică 46-70 40-55 4 Sulf [%] 0,0 0,05 max. 5 Punctul de tulburare [°C] (-3)-12 (-15)-5 6 Punctul de limpezire [°C] (-15)-16 (-35)-(-15) 7 Indicele de iod 60-135 - 8 Puterea calorică interioară [kJ/kg] 36856-37985 42355 9 Amestecul stoichiometric (λ) 13,8 15 10 Punctul de fierbere [°C] 182-338 188-343 11 Punctul de aprindere [°C] 100-170 60-80 12 Carbon [%] masice 77 87 13 Hidrogen [%] masice 12 13 14 Oxigen [%] masice 11 0 15 Apă [ppm/kg] 0,05% max. 161 16 Temperatura de autoaprindere [°C] 316 - 17 Compoziţia combustibilului C12-C22 C10-C21 Biocombustibilii Diesel se pot obţine din uleiuri vegetale proaspete sau uzate
şi din grăsimi animale care sunt resurse regenerabile netoxice şi biodegradabile.
Grăsimile şi uleiurile sunt supuse unor reacţii cu un alcool – metanolul este cel mai
utilizat pentru a obţine compuşi cunoscuţi ca esteri metil ai acizilor graşi.
PARTEA I – COMBUSTIBILI ALTERNATIVI
66
5.4.2. Comportarea biocarburanţilor Diesel în procesele de formare a amestecului aer-combustibil, ardere şi formare a emisiilor poluante
S-au efectuat numeroase studii care au examinat performanţele şi emisiile
poluante ale motoarelor Diesel care au utilizat uleiuri vegetale drept combustibil.
Datorită diferenţelor fizice în comparaţie cu motorina (cum ar fi viscozitatea mai
ridicată) există probleme la pulverizarea biocombustibililor precum şi a mecanismelor
de formare a depozitelor pe timpul arderii acestora.
Pentru a înţelege mecanismele de vaporizare şi de ardere ale jetului de
biocombustibil în motorul Diesel este necesar să se izoleze şi să se studieze o
picătură din jetul de combustibil.
Cercetări efectuate privind mecanismul de vaporizare a picăturilor S-au
efectuat numeroase studii care au examinat performanţele şi emisiile poluante ale
motoarelor Diesel care au utilizat uleiuri vegetale drept combustibil. Datorită
diferenţelor fizice în comparaţie cu motorina (cum ar fi viscozitatea mai ridicată)
există probleme la pulverizarea biocombustibililor precum şi a mecanismelor de
formare a depozitelor pe timpul arderii acestora.
Pentru a înţelege mecanismele de vaporizare şi de ardere ale jetului de
biocombustibil în motorul Diesel este necesar să se izoleze şi să se studieze o
picătură din jetul de combustibil.
Cercetări efectuate privind mecanismul de vaporizare a picăturilor În funcţie
de compoziţia chimică a uleiurilor vegetale şi a esterilor lor, cantitatea de reziduuri
care se formează poate fi mai mare sau mai mică.
Pentru diferite uleiuri vegetale, ierarhia în funcţie de viteza de vaporizare a
picăturilor din jet este următoarea:
cocos > palmier > floarea soarelui > rapiţă > bumbac > soia > in
Pentru îmbunătăţirea folosirii uleiurilor vegetale drept biocombustibili şi pentru
diminuarea efectului asupra mediului este necesar să se înţeleagă procesele chimice
care au loc pe timpul arderii şi să se identifice produsele formate pe timpul reacţiilor
de piroliză şi oxidare.
Sunt studii care s-au efectuat pentru a analiza cracarea termică a uleiurilor
vegetale. În funcţie de natura uleiurilor vegetale şi de temperatură (400-500 °C)
reacţiile de piroliză transformă cei mai mulţi esteri ai trigliceridelor în oxizi carboxilici.
Lanţurile nesaturate sunt transformate în hidrocarburi aromatice.
Uleiuri vegetate
67
Pe timpul pirolizei uleiului de floarea soarelui au fost identificaţi următorii
compuşi: alcani, alcene, diolefine, acizi carboxilici şi aromatici.
În funcţie de temperatură, degradarea termică a uleiurilor vegetale este o
polimerizare (200-300 °C). Peste 300 °C, uleiurile se degradează în acroleină,
cetene şi acizi graşi formând alcani şi alcene. La peste 500 °C se formează un
amestec gaz-lichid.
Principalii compuşi ai pirolizei esterului metil de rapiţă sunt: alcani, alcene,
hidrocarburi aromatice (benzen şi toluen), metil-esteri (saturaţi şi nesaturaţi). Etilena
este produsul principal la temperaturi ridicate (850 °C) în timp ce esterii metil se
descompun în produşi secundari în intervalul de temperatură 600-800 °C.
Metil esterii uleiurilor vegetale se evaporă ca şi componenţi puri după o fază
importantă de preîncălzire.
Cercetările experimentale efectuale în bombe de cercetare la presiuni de 0,3-2
MPa şi temperaturi cuprinse între 900-2000 °K cu diferite dozaje aer-combustibil au
fost înregistrate cu aparate video de mare viteză. Amestecuri omogene şi heterogene
au putut fi obţinute prin injecţia combustibilului înainte sau după reflectarea undei de
şoc.
Amestecul aer-metil ester de rapiţă arde într-un mod diferit de amestecul aer-
motorină unde flacăra este aproximativ uniformă. La utilizarea uleiului vegetal,
pungile care conţin combustibilul aprins persistă pe o perioadă mai lungă, ceea ce se
explică prin existenţa unor picături de dimensiuni mai mari şi care ard cu flacără
difuzivă într-un timp mai lung decât cel disponibil în motor.
Dacă se realizează o injecţie secundară mai târziu, în condiţiile de
temperatură şi presiune ridicată atunci apare o ardere rapidă în tot volumul de
reacţie. Efectul imediat este că piroliza combustibilului la temperatură ridicată dă
emisii mai reduse.
Cantitatea de funingine rezultată din arderea uleiurilor este mai redusă decât
la arderea motorinei.
Analiza funinginii a scos în evidenţă existenţa hidrocarburilor aromatice
policiclice care sunt diferite de cele date de combustibilii clasici.
Cercetări experimentale efectuate cu mai multe tipuri de pulverizatoare au
demonstrat că se poate acţiona asupra proceselor din cilindrii motorului prin influenţa
pe care o are asupra procesului de atomizare a biocarburantului Diesel.
PARTEA I – COMBUSTIBILI ALTERNATIVI
68
Prin înălţarea poziţiei de pulverizare se poate acţiona asupra formării
amestecului şi arderii, consecinţa fiind scăderea emisiilor de oxizi de azot însă cresc
cantităţile celorlalţi poluanţi iar performanţele generale ale motorului se înrăutăţesc.
Întârzierea injecţiei biocarburantului Diesel determină scăderea cantităţii de
oxizi de azot formaţi.
Modificarea concomitentă a poziţiei pulverizatorului şi momentului de injecţie
poate determina o reducere cu 75% a cantităţilor de poluanţi din camera de ardere.
Pentru motorul încercat, pierderea de putere la turaţia maximă a fost de 17%, de
10% la o turaţie mai scăzută şi neglijabilă la turaţii mici.
5.4.3. Beneficiile utilizării biocarburanţilor Diesel Biocombustibilii Diesel pot fi utilizaţi în orice motor Diesel convenţional fără
modificări constructive care să producă conversia motorului spre combustibilul
alternativ. Biocombustibilii Diesel pot fi stocaţi oriunde, ca şi motorina, toată
infrastructura de alimentare incluzând: pompe, rezervoare, autocisterne putând fi
utilizată fără modificări. Utilizarea biocombustibililor Diesel reduce emisiile de dioxid
de carbon cu 100% (CO2 cauzând “efectul de seră”).
Biocombustibilii Diesel pot fi folosiţi singuri 100% (B100) sau în orice amestec
cu motorina. Un amestec de 20% biocombustibil cu motorină este numit “B20”, un
amestec de 5% biocombustibil cu motorină este denumit “B5”.
Biocombustibilii au calităţi de ungere superioare motorinei, ceea ce conduce la
mărirea duratei de funcţionare a motorului şi poate să înlocuiască sulful ca agent
lubrifiant care prin ardere produce dioxid de sulf care conduce la formarea ploilor
acide. În locul sulfului, în Franţa toate motorinele conţin 5% biocombustibil Diesel.
Biocombustibilul Diesel poate fi manipulat în siguranţă fiind biodegradabil şi
netoxic. Conform “National Biodiesel Board”, biocombustibilul Diesel este
biodegradabil ca zahărul şi mai puţin toxic decât sarea.
Transportul biocombustibililor Diesel este mai sigur deoarece are temperatura
de aprindere de aproximativ 148,9 °C pe când temperatura de aprindere a motorinei
este de 51,6 °C.
Motorul Diesel alimentat cu biocombustibil Diesel are aceeaşi autonomie ca şi
la funcţionarea cu motorină. Autoaprinderea, consumul de combustibil, puterea şi
cuplul motor nefiind afectate de funcţionarea cu biocombustibil.
Mirosul generat la funcţionarea motorului cu biocombustibil Diesel este plăcut
în comparaţie cu mirosul emanat la funcţionarea cu motorină.
Uleiuri vegetate
69
5.5. POLITICILE DE UTILIZARE A BIOCOMBUSTIBILILOR La începutul noului mileniu, întreaga lume este preocupată de riscurile
datorate poluării, încălzirii planetei şi degradării mediului înconjurător. Datorită
incertitudinii siguranţei de aprovizionare cu petrol pe de o parte şi datorită aportului
important la poluarea globală al sectorului de transport, se caută noi resurse
energetice regenerabile şi care să răspundă mai bine cerinţelor de mediu pentru a fi
folosite în acest sector.
Biocombustibilii Diesel provin din resurse regenerabile, fiind biodegradabil şi
netoxic Biocarburantul Diesel este un combustibil alternativ precum şi un aditiv
lubrifiant al motoarelor Diesel. El este un ester metilic sau etilic al uleiurilor vegetale
sau grăsimilor animale.
Biocarburantul Diesel poate fi utilizat în stare pură sau în amestec cu benzina
sau motorina convenţională. El poate fi fabricat pornind de la numeroşi produşi,
incluzând grăsimile animale, uleiuri vegetale pure sau reciclate, provenite din culturi
de soia, arahide, porumb, rapiţă, floarea soarelui şi măsline. Biocarburantul Diesel
poate fi obţinut şi din derivaţi oleaginoşi de calitate inferioară, uleiuri uzate în
bucătăria restaurantelor şi din uleiul produs de anumiţi lăstari rezultaţi ca rebuturi în
industria lemnului. Biocombustibilii Diesel utilizaţi drept combustibili alternativi, ca şi
aditivi lubrifianţi atrag din ce în ce mai mult atenţia în funcţie de interesul crescând al
societăţii pentru problemele ecologice şi de dezvoltare a tehnicilor economice de
obţinere.
Problemele acute de mediu cu care se confruntă omenirea sunt:
creşterea concentraţiei de ozon troposferic;
încălzirea globală a planetei;
Ozonul aflat la suprafaţa solului provoacă probleme respiratorii oamenilor şi
moartea plantelor. Ozonul troposferic nu ajută la ridicarea concentraţiei ozonului
stratosferic care protejează planeta de radiaţiile ultraviolete. Mai mulţi compuşi
reacţionează sub acţiunea radiaţiei solare pentru a forma ozonul de suprafaţă.
Această formă a ozonului în combinaţie cu umiditatea şi particulele aflate în
suspensie creează smogul, forma vizibilă a poluării aerului. Precursorii chimici ai
ozonului de suprafaţă sunt: oxidul de carbon, hidrocarburile nearse, benzenul, oxizi
nitroşi şi nitrici.
“Efectul de seră” constă în reţinerea razelor solare de către atmosferă.
Sinonimul este încălzirea planetei şi se manifestă prin mărirea temperaturii medii
PARTEA I – COMBUSTIBILI ALTERNATIVI
70
terestre, care provine din creşterea concentraţiilor gazelor cu efect de seră provenite
din activităţile industriale, transporturi şi creşterea populaţiei. Gazele cu efect de seră
includ: dioxidul de carbon, metanul şi oxizii de azot.
“Schimbările climatice” se referă la mai multe schimbări ale condiţiilor
meteorologice rezultate din încălzirea planetei. O creştere importantă a temperaturii
medii planetare va modifica parametrii agricoli şi va topi calotele glaciare polare
determinând ridicarea nivelului mărilor şi inundarea regiunilor costiere joase.
Utilizarea biocarburanţilor Diesel ca înlocuitor al motorinei sau în amestec cu
aceasta poate conduce la reducerea emisiei gazelor cu efect de seră deci, aceşti
carburanţi oferă o oportunitate de a contribui la ridicarea calităţii aerului prin
reducerea emisiilor de: sulf, oxid de carbon, aldehide, compuşi aromatici,
hidrocarburi, particule şi dioxid de carbon în comparaţie cu combustibilii derivaţi din
petrol. Reducerea emisiilor poluante este foarte importantă în marile oraşe şi în
spaţiile înguste cu o ventilaţie slabă ca de exemplu în mine.
Încercările conduse de National Biodiesel Board şi U.S. Environmental
Protection Agency care au dat aprobările pentru biocarburantul Diesel ca potenţial
înlocuitor al motorinei au arătat că emisiile poluante date la utilizarea biocarburantului
Diesel în comparaţie cu motorina sunt mai reduse cu: 50% oxid de carbon, 30%
particule (legate de problemele respiratorii), 30% aldehide, 95% hidrocarburi, 50-95%
compuşi aromatici suspectaţi ca fiind cancerigeni şi eliminarea completă a emisiilor
de oxid de sulf şi sulfaţi care sunt prezenţi în centrele urbane şi mine şi care pot
provoca probleme respiratorii sau cardiace, consecinţa fiind moartea prematură.
Când biocombustibilul a efectuat un ciclu complet, emisiile de dioxid de carbon sunt
extrem de reduse.
Dioxidul de carbon emis în timpul producţiei de biocarburant şi în timpul arderii
în motor este egal cu cel absorbit de plante pe timpul creşterii lor.
Emisiile sunt mai reduse şi din cauza unor mai bune proprietăţi de ungere,
National Renewable Energy Laboratory determinând că efectul consumării de
biocombustibil pur la efectuarea unui ciclu complet este acela că emisia de dioxid de
carbon este mai redusă cu 78%.
Emisiile de oxizi de azot pot creşte în cazul utilizării biocarburanţilor însă
aceste emisii pot fi controlate cu ajutorul convertoarelor catalitice sau prin întârzierea
aprinderii.
Uleiuri vegetate
71
Bilanţul de mediu al biocombustibililor este mai bun decât în cazul
combustibililor convenţionali.
La utilizarea unui amestec de motorină cu 20% biocarburant, s-au constatat
reduceri ale emisiilor poluante cu: 20% oxid de carbon, 22% particule, 30%
hidrocarburi, 13-50% compuşi aromatici. Emisiile de sulf sunt mai reduse cu 20%
însă emisiile de oxizi de azot pot creşte cu 2%. Când se efectuează un ciclu complet
, amestecul motorină + biocombustibil determină reducerea dioxidului de carbon cu
16% comparativ cu motorina pură.
Tabelul 5.3. Valorile de reducere a emisiilor poluante
Poluant B100 B20 CO -50% -20% PM -30% -22% Aldehide -30% Nespecificat HC -95% -30% SO2 Eliminat Nespecificat SO3 Eliminat -20% NOx -4% … +13% 0 … +2% CO2 -70% -16% Riscul de incendiu la utilizarea biocarburantului Diesel este mai redus decât în
cazul motorinei.
La utilizarea biocombustibilului Diesel pur, acesta este complet biodegradabil.
Când biocarburantul este utilizat în amestec cu motorina biodegradabilitatea
amestecului este de trei ori mai ridicată decât în cazul motorinei. Datorită
biodegradabilităţii, deversările accidentale de biocarburant sunt mai puţin
periculoase. De asemenea, el nu necesită o depozitare specială. Datorită toxicităţii
reduse şi biodegradabilităţii, biocombustibilii sunt recomandaţi să fie utilizaţi în zone
ecologice sensibile (căile marine).
National Renewable Energy Lab a realizat o analiză a ciclului complet al
biocarburantului. Cel mai bun bilanţ energetic pentru industrie, utilizând soia este de
3,24 la 1 ceea ce înseamnă că energia produsă de biocombustibil este de 3,24 ori
aceea cerută pentru creşterea bobului de soia şi la producerea biocombustibilului.
Potenţialul pentru industrie când producătorii utilizează tehnici până la punctul final
este de 4,1 la 1.
Materialele oleaginoase din care provin biocombustibilii Diesel sunt reciclabile.
Producerea de biocombustibili Diesel prezintă o bună oportunitate de a utiliza
PARTEA I – COMBUSTIBILI ALTERNATIVI
72
grăsimile vegetale uzate utilizate în restaurante. Seminţele de rapiţă amestecate cu
un gel pot fi utilizate în criblură.
Datorită dezvoltării metodelor de producţie care sunt durabile şi care respectă
mediul, impactul producţiei agricole este minimizat.
a) Europa
În Europa primele cercetări privind posibilitatea de utilizare a biocombustibililor
au fost începute în anul 1970. Aceste cercetări s-au extins în timp şi în alte regiuni
cuprinzând Statele Unite şi Canada însă Europa se situează în fruntea acestui
demers. Astăzi instalaţiile europene pot produce peste 450.000 tone de
biocombustibil pentru motoarele Diesel. Trebuie notat faptul că acest progres a putut
fi atins în mare parte prin politicile de subvenţie şi alte programe puse în operă de
statele europene.
Uniunea Europeană pe de altă parte a impus o politică obligatorie pentru
statele membre în ceea ce priveşte cultivarea suprafeţelor agricole prin care se
limitează supraproducţia de produse alimentare în Europa aşa ca excedentul de
suprafeţe agricole poate fi utilizat la cultivarea plantelor oleaginoase.
Ţările care au pus accentul pe obţinerea de biocombustibili Diesel s-au înscris
în mod continuu în programele de mediu. De exemplu, Austria a început să
încurajeze utilizarea biomasei ca sursă energetică înainte de intrarea în vigoare a
politicii Uniunii Europene. Aşa că, promovarea biocombustibililor Diesel a apărut ca
alegerea logică în cadrul reglementărilor privind cultivarea terenurilor agricole.
În plus, densitatea populaţiei este mare şi problemele de poluare sunt grave,
ceea ce a determinat luarea unor măsuri prin care să se conserve mediul.
Pe de altă parte, în comparaţie cu alte ţări din lume, în Europa se întâlneşte o
proporţie ridicată de motorizări Diesel la autovehiculele care circulă în mediul urban.
Acest lucru determină biocombustibilii Diesel să devină combustibili privilegiaţi
datorită emisiilor poluante reduse pe care le generează la utilizarea lor la alimentarea
autovehiculelor.
Politica de restrângere obligatorie a culturilor agricole alimentare combinată cu
programele de mediu adoptate de Uniunea Europeană pentru reducerea poluării şi
de a încuraja utilizarea energiilor regenerabile, la care sunt adăugaţi factorii proprii
diferitelor ţări au favorizat dezvoltarea cu succes a industriei de biocarburanţi Diesel.
În anumite ţări, agricultorii primesc subvenţii suplimentare pentru a cultiva plante care
pot servi producţiei de biocombustibil Diesel. În acelaşi timp, un mare număr de ţări
Uleiuri vegetate
73
încurajează cercetările privind dezvoltarea tehnologiilor de producţie şi utilizare a
biocombustibililor Diesel prin atribuirea de subvenţii şi reducerea taxelor fiscale.
Toate aceste facilităţi conduc la reducerea preţului biocombustibililor Diesel
raportat la carburanţii convenţionali, pe bază de petrol.
Ţările europene care nu au oferit subvenţii şi reduceri fiscale pentru a încuraja
punerea la punct a biocombustibililor Diesel nu au o industrie viabilă în acest sens.
b) Statele Unite şi Canada
În Statele Unite, interesul pentru biocombustibili Diesel a apărut înainte de
1980. În acea perioadă biocombustibilii Diesel erau în general percepuţi ca un
combustibil de înlocuire, acceptabili din punct de vedere tehnologic sau ca un produs
care putea fi amestecat cu motorina insă, costurile de producţie a biocombustibililor
erau prohibitive în comparaţie cu motorina şi ceilalţi derivaţi petrolieri.
Mai recent, adoptarea Clean Air Act Amendaments în 1990 şi Energy Policy
Act în 1992 au relansat activităţile axate pe comercializarea biocombustibililor Diesel
în Statele Unite.
Clean Air Act Amendaments a fost adoptat ca răspuns la problemele mediului
înconjurător. Aceste amendamente prevăd noi constrângeri normative pentru emisiile
poluante şi de asemenea punerea în practică a unor programe de reglementări
precise.
Aceste programe vizează emisiile produse de autobuzele urbane, motoarele
cu aplicaţii marine şi vehiculele “tous terrain” şi care vor necesita utilizarea unor
carburanţi mai puţin periculoşi pentru mediu.
Energy Policy Act (EPACT) a fost adoptat de Congresul american în 1992 cu
scopul de a creşte securitatea energetică a Statelor Unite prin promovarea
carburanţilor de înlocuire ca substitut al petrolului importat. În virtutea acestui
document trebuie ca începând din anul 2000, 75% din toate autovehiculele de stat şi
90% din parcurile de vehicule ale furnizorilor de combustibili de înlocuire, să fie
alimentate cu combustibili de înlocuire.
În Statele Unite, promotorii biocombustibililor Diesel au ales ca prim segment
de utilizare transportul urban, care ocupă un loc important pe piaţa de motorină şi
care este supus Clean Air Act Amendaments.
Se estimează că distribuţia de biocarburanţi Diesel va fi mai uşoară pentru
acele segmente sectoriale unde revitalizarea vehiculelor se realizează în depouri
centralizate. S-a constatat că această primă aplicare a biocombustibililor a fost de
PARTEA I – COMBUSTIBILI ALTERNATIVI
74
succes pentru că astăzi un mare număr de firme de transport cu autobuze utilizează
acest carburant şi îl consideră drept un important carburant de înlocuire.
Sectorul de transport este actualul consumator de biocarburant Diesel în
Statele Unite.
La o scară mai redusă, biocarburanţii sunt utilizaţi la parcul de vehicule
reglementate, exploatările navale şi în aplicaţiile miniere.
Industria de biocarburant Diesel se găseşte într-un stadiu incipient,
biocarburantul Diesel nefiind încă subvenţionat de stat, în cea mai mare parte el fiind
utilizat cu titlu experimental, cercetările făcând în schimb obiectul unor subvenţii
acordate de stat.
Firma Procter&Gamble este principalul fabricant de biocombustibili Diesel în
Statele Unite. Această firmă vinde biocombustibili Diesel întreprinderilor distribuitoare
de carburanţi care la rândul lor îi vinde direct utilizatorilor finali. În 1994, societatea
Procter&Gamble a vândut 11.300 l de biocarburant care a fost utilizat drept
carburant. Recent, firma Twin Rivers Technologies Inc. a achiziţionat o veche uzină
de săpun a firmei Procter&Gamble cu scopul de a o transforma în uzină de
producere de biocarburanţi Diesel.
Costul de producţie a biocarburanţilor Diesel constituie în Statele Unite o frână
în comercializarea acestora.
În Statele Unite şi Canada, biocarburanţii Diesel trebuie să facă faţă atât
concurenţei combustibililor derivaţi din petrol cât şi altor carburanţi de înlocuire.
Canada a adoptat în 1995 legea asupra combustibililor de înlocuire prin care
se prevede utilizarea vehiculelor cu carburanţi de înlocuire în parcul guvernamental
de vehicule.
Drept combustibili de înlocuire sunt consideraţi metanolul, etanolul, gazul
natural, gazele petroliere lichefiate şi supercetanul. Metanolul este un alcool
carburant care poate fi produs plecând de la resurse regenerabile şi neregenerabile.
În Canada, metanolul este produs prin sintetizare din gaz metan. În SUA circulă
aproximativ 18.000 de vehicule alimentate cu metanol iar în Canada 500. Metanolul
este un carburant de înaltă performanţă însă este toxic şi are o putere calorică
inferioară benzinei.
Alcoolul etilic este un alt carburant ce se obţine prin fermentarea zaharurilor
conţinute în diverse fructe şi cereale. În Canada, producţia de etanol-carburant este
de aproximativ 21 milioane de litri. Acest carburant este vândut sub formă de
Uleiuri vegetate
75
amestec sau combinat cu benzina în proporţie de 10% sau mai puţin, ceea ce nu
determină modificări asupra motoarelor autovehiculelor. La concentraţii ce depăşesc
20% alcool, motoarele trebuie să suporte modificări. La ora actuală sunt constructori
de motoare care pot utiliza fără modificări combustibili ce conţin mai mult de 80%
etanol. Etanolul este în general considerat ca un carburant neutru în ceea ce priveşte
emisia de dioxid de carbon, celelalte emisii fiind mai reduse în comparaţie cu
benzina, în plus, cifra octanică a etanolului fiind mai ridicată.
Gazele naturale pot fi utilizate drept carburant în motoarele cu ardere internă.
În Canada, mai mult de 36.000 de vehicule au fost convertite la funcţionarea cu gaze
naturale comprimate. Majoritatea vehiculelor sunt construite pentru a fi alimentate bi-
carburant, ceea ce înseamnă că aceste autovehicule pot fi alimentate fie cu un
combustibil clasic pe bază de petrol, fie cu un carburant de înlocuire, deci în cazul de
bază fie benzină, fie gaz natural. Gazele naturale sunt mai ieftine şi dau emisii
poluante mai reduse, şi în plus au o cifră octanică mai ridicată. Dezavantajul cu
funcţionarea la gaz natural este autonomia redusă şi necesitatea existenţei staţiilor
de comprimare a gazului natural pentru alimentarea autovehiculului. Canada oferă
numeroase subvenţii pentru convertirea vehiculelor la utilizarea gazelor naturale şi
pentru amenajarea staţiilor de alimentare.
Gazele petroliere lichefiate sunt în general sub produse ale tratării gazelor
naturale. În Canada circulă peste 170.000 de vehicule alimentate cu gaze petroliere
lichefiate şi care se pot alimenta din peste 5000 de staţii.
Supercetanul este un combustibil de înlocuire Diesel pus la punct în 1998 la
Saskatchewan Research Council şi are sursă primară uleiurile vegetale, grăsimile
animale şi uleiurile arborilor. Combustibilul de înlocuire obţinut este denumit
“supercetan” deoarece are o cifră cetanică ridicată. Procedeul de obţinere a
supercetanului este similar rafinării utilizate în industria petrolieră iar această
tehnologie de obţinere permite utilizarea lui în motoarele Diesel fără nici o modificare.
Supercetanul congelează la temperaturi mai ridicate şi este mai scump din cauza
costurilor ridicate ale materiei prime.
5.5.1 Disponibilitatea materiilor prime pentru uleiurile vegetale Sursele mondiale de uleiuri şi grăsimi vegetale asigură o cantitate de
aproximativ 62 milioane tone anual. O parte importantă din aceste uleiuri şi grăsimi
vegetale este destinată produselor alimentare iar o mică parte produselor chimice.
PARTEA I – COMBUSTIBILI ALTERNATIVI
76
Utilizarea uleiurilor vegetale ca sursă a combustibililor este limitată, ea putând
fi evidenţiată în trei regiuni ale lumii: America de Nord, cu o producţie anuală de ulei
vegetal de aproximativ 17 milioane tone, Europa Continentală cu o producţie de
aproape 16 milioane de tone şi Asia de Sud Est cu o producţie de 8 milioane de tone.
Aceste trei regiuni produc mai mult de 66% din producţia mondială de uleiuri
vegetale.
Tabelul 5.4. Producţia mondială de uleiuri vegetale
Tipul de ulei Producţie [milioane tone] Soia 12,0 Rapiţă 8,5 Bumbac 5,0 Floarea Soarelui 7,0 Arahide 3,5 Nuci de cocos 2,6 In 0,5 Palmier 10,0 Măsline 1,6 Alte plante 10,9 Total 61,6
Repartiţia cantităţilor de ulei vegetal în funcţie de regiunile de producţie este
prezentată în următorul tabel.
Tabelul 5.5. Repartiţia regională a producţiei de uleiuri vegetale
Regiunea Milioane tone America de Nord 16,6 America de Sud 7,4 China 3,0 India, Pakistan, Bangladesh 3,7 Spaţiul Sovietic (fosta URSS) 6,2 Europa (fără Spaţiul Sovietic) 9,8 Africa 3,1 Malaiezia, Filipine, Indonezia 8,0 Alţii 3,8 Total 61,6
Astăzi, producţia mondială de uleiuri vegetale depăşeşte cererea alimentaţiei
umane, animaliere şi cererea industriei. Se estimează că din excedentul de ulei
vegetal se pot produce aproximativ 3-5 milioane de tone de biocarburant Diesel.
5.5.2. Caracteristicile materiei prime a biocarburanţior Diesel Biocarburantul Diesel este fabricat din uleiuri vegetale, grăsimi de bucătărie
reciclate şi grăsimi animale. Combustibilul conţine până la 14 acizi graşi diferiţi care
sunt transformaţi pe cale chimică în metil esteri ai acizilor graşi.
Uleiuri vegetate
77
Tabelul 5.6. Formula structurală a acizilor graşi folosiţi la biocarburantul Diesel
Acidul gras
Nr. carbon şi duble legături
Structura chimică
Caprilic C8 CH3(CH2)6COOH
Capric C10 CH3(CH2)8COOH
Lauric C12 CH3(CH2)10COOH
Miristic C14 CH3(CH2)12COOH
Palmitic C16:0 CH3(CH2)14COOH
Palmitoleic C16:1 CH3(CH2)CH=CH(CH2)7COOH
Stearic C18:0 CH3(CH)16COOH
Oleic C18:1 CH3(CH2)7CH=CH(CH2)7COOH
Linoleic C18:2 CH3(CH2)4CH=CHCH2CH= CH(CH2)7COOH
Linolenic C18:3 CH3(CH2)2= CHCH2CH =CHCH2CH=CH(CH2)COOH
Arahidic C20:0 CH3(CH)18COOH
Eicosenic C20:1 CH3(CH2)7CH=CH(CH2)9COOH
Behenic C22:0 CH3(CH2)20COOH
Erucic C22:1 CH3(CH2)7CH=CH(CH2)11COOH
Diferite fracţiuni ale fiecărui tip de metil ester al acizilor graşi se găsesc în
seminţele sau fructele diferitelor plante.
5.5.3. Efectele caracteristicilor materiei prime asupra proprietăţilor biocombustibililor Diesel Biocarburantul Diesel, din punct de vedere chimic este simplu deoarece nu
conţine decât şase sau şapte esteri ai acizilor graşi.
De cele mai multe ori, esterii nu acoperă toate proprietăţile importante ale
carburantului cum ar fi: cifra cetanică, viscozitatea, punctul de tulburare, punctul de
curgere şi gradul de saturare. Proprietăţile carburantului sunt influenţate în egală
măsură de prezenţa impurităţilor. În consecinţă, proprietăţile biocombustibililor Diesel
sunt tributare alegerii materiei prime. În calitate de carburant alternativ al motorinei,
biodiesel-ul prezintă o cifră cetanică mai ridicată însă viscozitatea şi punctul de
tulburare sunt mai slabe.
Esterii acizilor graşi prezenţi în moleculele saturate şi în lanţurile carbonate
lungi au o cifră cetanică ridicată.
Ester Densitate [kg/m3]
la 15,5 °C
Viscozitate cSt la 40 °C
Cifra cetanică
Putere calorică [MJ/kg]
Punct de amestec °C
Palmitat 867 4,37 74 39,4 30,6
Stearat 867 5,79 75 40,1 39,1
Oleat 878 4,47 55 39,9 -19,8
Linoleat 890 3,68 33 39,7 -35,0
PARTEA I – COMBUSTIBILI ALTERNATIVI
Proprietăţile esterilor componenţi în stare pură sunt prezentate în tabelul
următor:
Amestecul dintre biocarburantul Diesel şi motorină prezintă o relaţie aproape
liniară pentru cele mai multe dintre proprietăţile carburantului. La un amestec de 20%
biodiesel cu 80% motorină (B20), cele mai multe din proprietăţile amestecului sunt
mai apropiate de motorină decât de biocarburantul Diesel.
Prin comparaţie cu motorina, biocombustibilii Diesel au cifra cetanică,
viscozitatea şi punctele de tulburare şi de curgere mai ridicate.
78
Viscozitatea biocarburantului produs din ulei vegetal reciclat din restaurante şi
grăsimi animale este mai ridicată în comparaţie cu viscozitatea biocarburantului
Diesel produs din uleiuri vegetale virgine de soia şi rapiţă.
Proprietăţile de fluaj cum ar fi punctele de tulburare şi de curgere sunt
importante pentru utilizatorii de biocarburant Diesel la utilizarea pe timp de iarnă.
În general, biocombustibilii Diesel obţinuţi din grăsimi animale şi uleiuri
saturate reciclate au puncte de tulburare şi de curgere mai ridicate, ceea ce îi face
improprii pentru utilizare la temperaturi scăzute.
Diferite uleiuri şi grăsimi animale pot conţine diferite tipuri de acizi graşi, în
consecinţă şi proprietăţile biocarburantului Diesel sunt diferite după cum sunt
prezentate în tabelul următor.
Tabelul 5.7 Proprietăţile esterilor metilici ai acizilor graşi în stare pură
PARTEA I – COMBUSTIBILI ALTERNATIVI
Tabelul 5.8. Proprietăţile biocombustibililor Diesel
CFPP – temperatura de curgere la limita filtrabilităţii. PID – punctul de început al distilării;PSD – punctul de sfârşit al distilării;
Nr. Crt. Carburant Cifra
cetanică
Punctul de limpezire [°C]
PID [°C]
T10 [°C]
T50 [°C]
T90 [°C]
PSD [°C]
Densitate [kg/m3]
Putere calorică sup. [MJ/kg]
Putere calorică inf. [MJ/kg]
Punct de tulburare [°C]
Punct de curgere [°C]
CFPP Viscozitate [cSt] la 40°C
Indice de iod
1 Motorină D2 40-52 60-72 185 210 260 315 345 850 44,9 43,4 (-25)-(-
15) (-25)-5 (-10)-(-20) 2,6 8,6
2 Ester metilic de soia
50,9 131 299 328 336 340 346 885 40,4 37,0 -0,5 -3,8 -4,4 4,08 133,2
3 Ester metilic de rapiţă
52,9 170 326 340 344 348 366 883 40,7 37,3 -4,0 -10,8 3,6 4,83 97,4
4 Ester etilic de soia 48,2 160 - - 336 344 - 881 40,0 - -1,0 -4,0 - 4,41 123,0
5 Ester etilic de rapiţă 64,9 185 - - - - - 876 40,5 - -2,0 -15,0 - 6,17 99,7
6 Ester metilic de untură
58,8 117 209 324 328 342 339 876 40,2 - 13,9 9,0 11 4,8 -
7 Ester etilic de ulei reciclat
61 124 - - - - - 872 40,5 37,2 9,0 8,0 - 5,78 -
PARTEA I – COMBUSTIBILI ALTERNATIVI
80
Proprietăţile şi compoziţia chimică a biocarburantului Diesel depinde de
lungimea şi de gradul de nesaturare al acizilor graşi. Un acid saturat nu poate fi
hidrogenat chimic, pe când unul nesaturat poate fi. Acizii saturaţi au un punct de
congelare mai ridicat decât acizii nesaturaţi. Punctul de fierbere depinde de lungimea
lanţului de carbon fiind mai puţin influenţat de gradul de nesaturare. Efectele structurii
chimice asupra punctelor de amestecare si fierbere se aplică şi esterilor acizilor
graşi.
Tabelul 5.9. Efectul structurii chimice asupra punctelor de amestecare şi fierbere ale
acizilor graşi şi esterilor metilici
Acidul gras
Atomi de carbon
Punct de amestec al acidului [°C]
Punct de fierbere al acidului [°C]
Punct de amestec al esterului metilic [°C]
Punctul de fierbere al esterului metilic [°C]
Caprilic C8 16,5 239 -40 193 Capric C10 31,3 269 -18 224 Lauric C12 43,6 304 5,2 262 Miristic C14 58,0 332 19 295 Palmitic C16:0 62,9 349 30 415 Palmitoleic C16:1 33 - 0 - Stearic C18:0 69,9 371 39,1 442 Oleic C18:1 16,3 - -19,9 - Linoleic C18:2 -5,0 - -35 - Linolenic C18:3 -11,0 - - - Arahidic C20:0 75,2 - 50 - Eicosenic C20:1 23 - -15 - Behenic C22:0 80 - 54 - Erucic C22:1 34 - - -
Cifra cetanică Biocombustibilii Diesel au în general cifra cetanică mai ridicată decât a
motorinelor obişnuite. Efectul amestecării biocombustibililor cu motorina asupra cifrei
cetanice este o manifestare liniară în funcţie de conţinutul de esteri amestecaţi.
Cifra cetanică a biocarburanţilor Diesel depinde de conţinutul de acizi graşi din
materia primă din care provine uleiul vegetal. Dacă lanţul de carbon al acizilor graşi
este lung şi dacă moleculele sunt mai saturate atunci cifra cetanică a carburantului
este mai ridicată. Materiile nesaponificabile prezente în biocombustibilul Diesel nu
prezintă efecte asupra cifrei cetanice.
Uleiuri vegetale
81
Densitatea Biocarburantul Diesel prezintă o densitate superioară care variază între 870-
890 kg/m3 faţă de motorină (aprox. 850 kg/m3). Densitatea carburantului influenţează
caracteristicile jetului de combustibil şi prin urmare procesele de formare a
amestecului aer-combustibil şi arderea.
Viscozitatea Viscozitatea este o altă proprietate importantă a biocombustibilului Diesel prin
care se influenţează asupra funcţionării sistemului de injecţie, în particular la
temperaturi scăzute. Viscozitatea mărită afectează fluiditatea carburantului,
biocombustibilii Diesel au o viscozitate mai ridicată decât a motorinei. O viscozitate
ridicată influenţează negativ atomizarea combustibilului în procesul de pulverizare.
Comparativ cu motorina, viscozitatea biocarburanţilor Diesel şi a amestecurilor
creşte rapid cu scăderea temperaturii ambiante.
Proprietăţile de curgere la temperaturi scăzute Punctul de tulburare este temperatura la care parafina sau ceara începe să se
solidifice.
Punctul de curgere este temperatura la care cantitatea de parafină sau ceară
dintr-o soluţie este suficientă pentru a solidifica carburantul, fiind deci cea mai
coborâtă temperatură la care combustibilul poate curge. În aceste condiţii, punctul de
tulburare subestimează aptitudinile combustibilului de a fi utilizat la temperaturi
scăzute, punctul de curgere supraestimându-le.
Comparativ cu motorina, biocombustibilii Diesel au cele două puncte mai
ridicate.
Stabilitatea biocombustibililor Diesel Termenul de stabilitate înglobează stabilitatea termică la temperaturi ridicate şi
joase, rezistenţa la oxidare, polimerizare, absorbţia apei şi activitatea microbiană.
Principala sursă de instabilitate a biocombustibililor Diesel o constituie lanţurile
de acizi graşi nesaturaţi.
Metalele şi elastomerii, în contact cu biocarburanţii Diesel pe timpul depozitării
pot influenţa asupra stabilităţii.
PARTEA I – COMBUSTIBILI ALTERNATIVI
82
Prezenţa apei în biocarburanţii Diesel poate cauza ruginire şi coroziune pe
când prezenţa acizilor şi hidroperoxizilor generează oxidarea carburantului. Prezenţa
apei favorizează proliferarea microbiană la interfaţa apei cu biocarburantul Diesel.
Indicele de iod Indicele de iod permite cuantificarea gradului de nesaturare al combustibilului.
Nesaturarea poate antrena formarea depozitelor şi poate pune probleme asupra
stabilităţii biocarburantului Diesel la depozitare.
Esterii metilici de soia şi rapiţă au indici de iod de 133 şi respectiv 97. Nu
există date asupra esterilor grăsimilor animale însă se aşteaptă un indice de iod
scăzut, luându-se în considerare procentul ridicat de acizi graşi saturaţi aflaţi în
materia primă.
Cercetări efectuate de Mercedes Benz au arătat că un biocombustibil cu un
indice de iod superior a 115 nu este acceptabil din cauza depozitelor excesive de
carbon.
5.5.4. Tehnologii de obţinere a biocarburanţilor Diesel (Biodiesel) Procesul de transesterificare constituie procedeul clasic de obţinere al
biocarburantului Diesel. Prin acest procedeu uleiurile vegetale virgine sau uzate,
grăsimile animale şi/sau uleiurile pe bază de microalge sunt amestecate cu un alcool
(metanol sau etanol) în prezenţa unui catalizator (hidroxid de sodiu sau potasiu)
pentru a forma esteri graşi (ester metilic sau etilic). Transformarea uleiurilor
trigliceride în esteri metilici sau etilici permite reducerea masei moleculare la o treime
din cea a uleiurilor utilizate, reduce viscozitatea de opt ori şi creşte volatilitatea.
Temperatura, tipul catalizatorului, raportul alcool/ester şi viteza de amestec sunt
variabile importante care influenţează tipul de desfăşurare a reacţiilor de
transesterificare şi eficienţa transformării. Puritatea agenţilor reactivi, de exemplu
prezenţa apei, a acizilor graşi liberi şi a altor produşi ce contaminează uleiurile
nerafinate (şi alte materii prime) sunt de asemenea variabile importante.
Un bilanţ stoichiometric simplificat al materialelor poate fi prezentat sub forma
următoarei ecuaţii:
Ulei sau grăsimi + Metanol = Ester metilic + Glicerină
1000 kg 107,5 kg 1004,5 kg 103 Kg
Uleiuri vegetale
83
Ca urmare a reacţiilor, produsele sunt separate în două faze, ceea ce va
uşura evacuarea glicerinei şi a subprodusului industrial util obţinut în cursul primei
faze a procesului. Amestecul rezidual alcool-ester este apoi separat, excesul de
alcool fiind reciclat.
Urmează apoi o spălare şi o epurare a esterilor prin spălare cu apă, distilare,
uscare sub vid şi filtrare.
Biocarburantul Diesel obţinut pe această cale este cunoscut sub denumirea
comună de ester vegetal.
În tabelul următor se prezintă proprietăţile elementare ale esterilor metilici
produşi plecând de la diferite uleiuri vegetale.
Tabelul 5.10. Proprietăţile biocarburantului Diesel
Uleiul utilizat
Densitate g/cm3
Viscozitate cSt la 40° C
Cifra Cetanică
Putere calorică MJ/kg
Punct de tulburare [°C]
Palmier 0,880 5,7 62 37,8 +13 Soia 0,884 4,08 46,2 39,8 +2 Floarea soarelui 0,880 4,6 49 38,1 +1
Seu/untură 0,877 4,1 58 39,9 +12 Rapiţă 0,880 4,4 49,6 40,1 -1 Al doilea procedeu de obţinere face apel la hidrogenarea catalitică simultan cu
procesul de cracare a uleiurilor vegetale.
Acest procedeu este utilizat pentru a produce un tip de biocarburant Diesel
plecând de la un subprodus numit “tallol” de tratare pastelor Kraft. Principalele
elemente constituente ale tallolului sunt acizii graşi C18 nesaturaţi, acizii răşinici şi
hidrocarburile nesaporificabile ca alcoolii şi aldehidele. Prin acest procedeu se obţine
un biocarburant Diesel numit “supercetan”, deoarece prezintă o cifra cetanică în jur
de 60.
Se estimează că producţia mondială de tallol este de 1,2 milioane de tone din
care 60% revin Statelor Unite.
Utilizarea tradiţională a tallolului presupune ca acesta să fie degudronat şi apoi
distilat pentru a obţine un subprodus de valoare conţinând acizi graşi de tallol şi răşini
de tallol.
Procedeul CANMET care vizează transformarea tallolului în subproduşi de
valoare utilizează hidrogenarea catalitică simultan cu cracarea tallolului degudronat.
PARTEA I – COMBUSTIBILI ALTERNATIVI
84
La acest procedeu de producţie a “Supercetanului”, tallolul degudronat este
pompat într-un circuit de înaltă presiune unde se amestecă cu hidrogenul, faza lichid-
gaz trecând apoi printr-un grup de încălzire electrică înainte de a intra în reactorul
catalitic pe un pat rulant. Produsul este trecut prin două coloane de vaporizare apoi
decantat pentru a se elimina apa. După acest proces, produsul este distilat şi trecut
printr-un alimentator dozator pentru a se obţine fracţiunile dorite. Gazul este tratat şi
reciclat după ce impurităţile au fost îndepărtate cu ajutorul separatoarelor.
În instalaţia de obţinere a supercetanului (biocarburantului Diesel) este
importantă repartiţia celor trei puncte de fierbere ale tallolului degudronat şi separare
a hidrocarburilor lichide în trei fracţii: nafta-petrol <160 °C, supercetan (fracţiunea
supercetan biodiesel 160 – 325 °C) şi păcură (fracţiuni grele >325 °C).
Proprietăţile supercetanului, ale tallolului degudronat şi ale motorinei (D1) sunt
prezentate în următorul tabel.
Tabelul 5.11. Proprietăţile supercetanului (SC) şi tallolului degudronat
comparativ cu ale motorinei (D1)
Proprietate Tallol degudronat Supercetan Motorină D1
Densitate [kg/m3] 961,6 829,7 850 C % masice 79,1 86,4 - H % masice 11,0 13,5 - O % masice 9,5 0,02 - N mg/dm3 58 1,3 - S mg/dm3 993 18,6 500 Indice de aciditate gKOH/g 152,2 <0,05 0,1
10% [°C] 345 225 215 90% [°C] 404 322 288 Distilare 100%[°C] 573 344 316
Cifra cetanică - 64 40
Uleiuri vegetale
85
5.6. CERCETĂRI PRIVIND UTILIZAREA BIOCARBURANŢILOR DIESEL Sursele de energie regenerabilă prezintă un interes în creştere deoarece ele
vin în întâmpinarea cerinţelor de viitor cunoscut fiind faptul că sursele energetice
tradiţionale sunt limitate.
Materiile prime utilizate pentru obţinerea biocarburanţilor Diesel sunt:
• uleiurile vegetale virgine şi uzate;
• grăsimile animale.
Biocombustibilii Diesel obţinuţi prin metoda transesterificării sau prin metoda
hidrogenării pot fi utilizaţi în amestec (BX) sau în stare pură (B100).
Prin cercetări intense se vizează posibilitatea utilizării la alimentarea
motoarelor Diesel, fără modificări constructive, a uleiurilor vegetale virgine fără a fi
transformate chimic.
5.6.1. Utilizarea amestecurilor motorină-biocarburant Diesel Biocombustibilii Diesel (metil ester sau etil esteri/ulei vegetal) prezintă o bună
miscibilitate cu motorina, neseparându-se în prezenţa apei.
În cazul unui amestec cu motorina a unei cantităţi de biocombustibil mai mic
de 5% (ex. B2, B5) se îmbunătăţesc calităţile lubrifiante ale motorinei fără a afecta
major performanţele ecologice ale motorinelor, se îmbunătăţeşte economia de
combustibil şi se reduc emisiile de CO2 simultan.
Pe plan mondial se comercializează un amestec de 20% biocombustibil Diesel
în motorină (B20). Utilizarea acestui amestec nu necesită nici o modificare
constructivă a motorului Diesel. Cercetările experimentale au demonstrat că
performanţele energetice ale motoarelor nu se modifică, în schimb emisiile poluante
se reduc după cum urmează: CO cu 20%, particule cu 22%, hidrocarburile nearse cu
30%, compuşii sulfului cu 20%, CO2 cu 16%, pot creşte uşor emisiile de oxizi de azot
(cu până la 2%). Nivelul zgomotului datorat arderii amestecului B20-aer este mai
redus decât în cazul utilizării motorinei pure.
Un alt avantaj pe care îl are utilizarea amestecului B20 îl constituie uzura mai
mică a motorului.
PARTEA I – COMBUSTIBILI ALTERNATIVI
86
5.6.2. Utilizarea biocarburanţilor Diesel în stare pură (B100) Proprietăţile biocarburanţilor Diesel (metil ester, etil ester/ulei vegetal, grăsimi)
sunt apropiate de cele ale motorinei.
Cercetări experimentale au arătat că motoarele Diesel actuale pot funcţiona
cu B100 fără modificări constructive. Performanţele energetice se diminuează cu
aproximativ 8% însă printr-o ajustare a pompei de injecţie se poate compensa
această diminuare.
Ceea ce recomandă utilizarea biocarburantului Diesel sunt calităţile de mediu
ale acestuia, emisii reduse şi biodegradabilitate.
5.6.3. Utilizarea uleiurilor vegetale pentru alimentarea motoarelor Diesel Reducerea costului biocombustibililor Diesel se poate realiza prin eliminarea
unor procese tehnologice costisitoare.
Utilizarea uleiurilor vegetale în stare pură presupune anumite modificări
constructive aduse motorului datorită diferenţelor dintre proprietăţilor motorinei şi ale
uleiului vegetal.
Au fost efectuate cercetări experimentale pentru a stabili posibilitatea de
utilizare a uleiului de rapiţă în stare pură.
Proprietăţile comparative ale motorinei şi uleiului de rapiţă sunt prezentate în
următorul tabel.
Tabelul 5.12. Proprietăţile comparative ale motorinei şi uleiului de rapiţă
Caracteristica Motorină Ulei de rapiţă Cifra cetanică 51 41 Densitate [kg/m3] [15 °C] 850 920 Putere calorică [MJ/kg] 43,6 37,3 Viscozitate [mm2/S] [20 °C] 4,7 75 C : O : H [%] 86 : 14 : 0 78 : 10 : 12 Sulf [%] 0,20 0,0012 Apă [%] - 0,07 Cenuşă [%] - 0,01 Hidrocarburi aromatice [%] 21,5 - Acizi graşi liberi [%] - 0,86 Cifra de neutralizare [mg KOH/g] - 1,54
Uleiul de rapiţă utilizat a fost obţinut în parte prin presare la o temperatură de
80 până la 100 °C şi cu ajutorul haxanului din turtele rezultate la presare. Uleiul astfel
obţinut a fost filtrat, separat de apă şi gume.
Uleiuri vegetale
87
Uleiul de rapiţă este compus dintr-un număr de acizi graşi saturaţi şi
nesaturaţi, cel mai important fiind acidul oleic (60%), linoleic (21%), α-linoleic 10% şi
acidul palmitic (5%).
Cu toate că uleiul de rapiţă are cifra cetanică mult mai scăzută, experimentele
efectuate au arătat că întârzierea la autoaprindere şi procesul de ardere sunt similare
motorinei.
Puterea calorică a uleiului de rapiţă este cu 14% mai scăzută decât a
motorinei însă dacă se raportează la volum, diferenţa este de numai 7%.
Uleiul de rapiţă prezintă o viscozitate puternic dependentă de temperatură, la
20 °C fiind de 16 ori mai mare decât a motorinei.
Uleiul de rapiţă congelează la -5 °C. Curbele de distilare pentru motorină şi
uleiul de rapiţă arată o diferenţă notabilă la temperaturi reduse unde sunt impuse
bune condiţii de evaporare.
Cercetările experimentale au arătat că randamentul efectiv este superior la
utilizarea uleiului de rapiţă pe întreaga gamă de sarcini şi turaţii (cu până la 3%).
Degajarea de căldură este similară pentru cei doi combustibili, micile diferenţe fiind
datorate densităţilor diferite.
5.6.4. Impactul utilizării biocarburanţilor Diesel asupra mediului Măsurători privind emisiile nocive la alimentarea motoarelor Diesel cu
biocombustibili în stare pură şi în amestec cu motorina au arătat nivele mai reduse
decât în cazul utilizării motorinei pure.
Potenţialul de formare al ozonului de suprafaţă pornind de la precursorii daţi
de biocarburanţii Diesel este cu aproape 50% mai redus decât în cazul utilizării
motorinei.
Emisiile de compuşi ai sulfului sunt complet eliminaţi la utilizarea
biocarburantului Diesel pur.
Încercările experimentale au arătat că la utilizarea biocombustibililor Diesel
emisiile de hidrocarburi nearse, oxid de carbon şi particule sunt substanţial mai
reduse iar emisiile de oxizi de azot rămân aceleaşi sau cresc uşor.
Emisiile de oxid de carbon (gaz otrăvitor) sunt mai reduse cu aproximativ 47%
în cazul utilizării biocombustibililor Diesel comparativ cu cele date de motorină.
PARTEA I – COMBUSTIBILI ALTERNATIVI
88
Tabelul 5.13. Gradul de reducere/creştere a emisiilor poluante şi a efectelor
nocive ale biocarburantului Diesel în comparaţie cu motorina
Emisia B100 B20 Oxid de carbon -48% -12%
Hidrocarburi -67,0% -20,0%
Oxizi de azot +10% +2%
Particule -47% -12%
Sulfaţi -100% -20%
Hidrocarburi aromatice policiclice -80% -13%
Hidrocarburi aromatice policiclice nitrate
(nPAH) -90% -50%
Ozonul potenţial datorat precursorilor -50% -10%
Toxicitatea aerului -60% … -90% -12% … -20%
Mutagenitate -80% … -90% -20%
Emisiile de particule sunt considrate drept periculoase pentru sănătatea
umană. Emisia de particule datorate utilizării biocarburanţilor este cu aproximativ
47% mai scăzută decât în cazul motorinei.
Hidrocarburile nearse care contribuie la formarea ozonului troposferic sunt mai
reduse ca şi concentraţie în gazele arse ale biocombustibililor Diesel comparativ cu
motorina.
Emisiile de oxid de azot provenite din utilizarea biocombustibililor Diesel pot fi
mai mari sau mai mici în funcţie de caracteristicile motorului şi de procedurile de
încercare. Emisiile de oxid de azot provenite din utilizarea biocombustibililor Diesel
puri cresc cu 10%. Lipsa sulfului din combustibil permite utilizarea unor metode de
control imposibil de aplicat în cazul utilizării motorinei.
Utilizarea biocarburantului Diesel reduce riscurile asupra sănătăţii umane care
sunt asociate utilizării produselor petroliere.
Analiza gazelor de evacuare ale autovehiculelor care utilizează biocombustibili
arată o scădere a nivelului de hidrocarburi aromatice policiclice şi de hidrocarburi
aromatice policiclice nitrate care sunt identificate ca substanţe cancerigene.
Cercetări recente au arătat că diminuarea emisiilor hidrocarburilor aromatice
policiclice este de 75% până la 85% cu excepţia benzo(a)antracen care s-a redus cu
aproximativ 50%. În ceea ce priveşte hidrocarburile aromatice policiclice nitrate
Uleiuri vegetale
89
(nPAH), emisiile s-au redus dramatic la utilizarea biocombustibilului Diesel, astfel: 2-
nitrofluorena şi 1-nitropirena s-au micşorat cu aproape 90% restul acestei categorii
de hidrocarburi s-a redus până la categoria de “urme”.
Biocombustibilii Diesel nu conţin substanţe toxice pentru sănătatea umană.
În cazul manipulării lor, vaporii pot cauza iritaţia mucoaselor şi a ochilor iar
contactul îndelungat sau periodic poate cauza iritarea pielii, care este mai redusă
decât cea indusă de o soluţie 4% săpun în apă.
Ingurgitarea biocombustibilului Diesel este letală la o doză mai mare de
17,4g/kg-corp. Prin comparaţie, sarea de bucătărie este de 10 ori mai toxică.
Biocombustibilii Diesel nu produc toxicitate a apelor, experimentele arătând că
pe 96 ore concentraţia letală a trebuit să fie mai mare de 1000g/litru apă. În
consecinţă, se consideră că toxicitatea biocombustibililor Diesel în apă este
nesemnificativă.
Un alt element important pe care-l reprezintă biocarburanţii Diesel asupra
mediului ambiant în reprezintă biodegradabilitatea lor. Biocarburantul Diesel se
degradează de mai mult de patru ori mai repede decât motorina. În 28 de zile, un
biocarburant Diesel se degradează în proporţie de 85-88% în apă.
Amestecarea biocarburanţilor Diesel în motorină, B20 de exemplu,
accelerează biodegradabilitatea amestecului de două ori în comparaţie cu cea a
motorinei.
5.7. CONSIDERAŢII TEORETICE PRIVIND PROCESELE DIN CILINDRII MOTORULUI
5.7.1. Formarea amestecului în motoare cu aprindere prin comprimare
Formarea amestecului în motorul Diesel comportă aspecte specifice, cum ar fi:
Necesitatea unui nivel energetic dat de mişcarea încărcăturii proaspete şi de jetul de
combustibil
Et = Ea + Ec (5.1)
unde:
Ea – energia încărcăturii proaspete;
Ec – energia jetului de combustibil;
PARTEA I – COMBUSTIBILI ALTERNATIVI
90
Timpul scurt avut la dispoziţie pentru a pregăti sub aspect fizic şi chimic amestecul
pentru autoaprindere;
Existenţa unei pronunţate neomogenităţi a amestecului în camera de ardere;
Suprapunerea parţială a procesului de formare a amestecului cu procesul de ardere.
5.7.1.1. Mişcarea aerului în camera de ardere a MAC
Formarea amestecului aer-combustibil necesită ca încărcătura proaspătă să
posede un nivel energetic optim dat de mişcarea organizată şi neorganizată a
încărcăturii proaspete.
Mişcarea organizată este indusă în general în timpul cursei de admisie,
intensitatea componentelor acesteia depinzând de caracteristicile constructive şi
funcţionale ale motorului.
Mişcarea organizată a aerului poate fi descompusă după trei direcţii în raport
cu axa cilindrului:
- Mişcarea tangenţială a aerului, de rotaţie (swirl), este generată de
amplasarea tangenţială a canalului de admisie în raport cu alezajul cilindrului.
Intensitatea acestei mişcări poate fi realizată prin utilizarea canalelor de
admisie elicoidale sau a supapelor cu ecran.
- Mişcarea axială a aerului este generată de deplasarea pistonului între
punctele moarte, sensul ei fiind cel al pistonului.
- Mişcarea radială poate fi dinspre camera de ardere spre oglinda cilindrului
când volumul de deasupra pistonului este în creştere şi dinspre oglinda cilindrului
spre camera de ardere când volumul de deasupra pistonului se micşorează.
Toate aceste componente ale mişcării aerului au intensităţi diferite pentru
diferitele poziţii ale pistonului în ciclul motor, care trebuie controlate pentru a
răspunde cerinţelor energetice şi de mediu.
Mişcările neorganizate reprezintă turbulenţa încărcăturii proaspete, aceste
mişcării referindu-se la pachete mici de încărcătură şi sunt induse de construcţia
motorului (canal de admisie rugos, poartă a supapei şi chiar supapă) sau de
utilizarea fenomenelor dinamice ale schimbului de gaze. Utilizarea supraalimentării
acustice centrează poarta supapei ca o sursă de unde în cilindrul motorului.
Mişcarea de rotaţie (swirl) este generată de curgerea aerului pe direcţie tangenţială
la periferia cilindrului şi este dată de poziţia tangenţială a canalului de admisie.
Uleiuri vegetale
91
Fig. 5.1 – Supapa de admisie cu ecran
Această mişcare este caracterizată de raportul de vârtej rω definit prin raportul
dintre viteza unghiulară de rotaţie a aerului ωa şi viteza unghiulară a arborelui cotit ω.
rraar = =
ωω
ω (5.2)
rentul de aer în partea opusă poziţiei lui
bricaţie şi reducerea gradului de umplere datorită creşterii rezistenţei
cu ecran sunt în parte eliminate prin utilizarea unor
anale de admisie elicoidale.
unde:
na, n – turaţiile corespunzătoare vitezelor unghiulare.
O mişcare de rotaţie de intensitate sporită se organizează în cursa de admisie
prin intermediul unor construcţii speciale cum ar fi utilizarea supapei de admisie cu
ecran prin intermediul căreia se dirijează cu
pe supapă amplificând mişcarea de rotaţie.
Supapele ecranate antrenează unele dezavantaje cum ar fi: complicarea
tehnologiei de fa
gazodinamice.
Dezavantajele supapei
Fig. 5.2 – Canal de admisie elicoidal
c
PARTEA I – COMBUSTIBILI ALTERNATIVI
92
La construcţiile moderne, mişcarea de rotaţie a încărcăturii proaspete poate fi
controlată in funcţie de turaţia motorului prin utilizarea a mai multor canale de
admisie cu forme si amplasame în raport cu cilindrul motorului, debitul de
er prin canale putând fi controlat în funcţie de cerinţele intensităţii mişcării de vârtej.
ţie a aerului poate fi optimizată ţinând seama de
faptul că aceasta trebuie corelată cu tipul camerei de ardere, numărul jeturilor de
combustibil şi dispersia jeturilor:
nte diferite
a
Fig. 5.3 – Utilizarea canalelor de admisie cu forme şi aranjamente diferite
Viteza unghiulară de rota
a znopt
⋅⋅πω = jδ
12 (5.3)
nde:
ghiul de dispersi
Zj – numărul de orificii de pulverizare al pulverizatorului
ă pe secţiunea transversală.
Forma camerei de ardere poate influenţa nivelul componentelor mişcărilor
urii proaspete.
u
n – turaţia motorului;
δ – un e a jetului;
injectorului.
Mişcarea radială (squish) este determinată prin efectul de prag.
Mişcarea axială este generată de deplasarea pistonului. Viteza de deplasare
axială a fluidului proaspăt este variabil
organizate ale încărcăt
Uleiuri vegetale
93
Mişcarea turbulentă Prin mişcare turbulentă se înţelege mişcarea dezordonată a unor pachete de
fluid de dimensiuni reduse cu viteze diferite şi care pot fi descrise cu valori medii,
distin ţa liberă (în masa
n
tele de fluid
se ordonează de la o dimensiune maximă până la o dimensiune minimă.
lui contribuie la obţinerea unui amestec favorabil
i controlului
care se analizează calitatea pulverizării
ombustibilului, fineţea şi omogenitatea.
în
trului mediu al particulelor de combustibil din jet se poate
statistice.
Se ge turbulenţa pe perete (în stratul limită) şi turbulen
fluidului).
Valorile medii ale mărimilor care caracterizează turbulenţa se definesc în
raport cu timpul sau în raport cu distanţa şi rezultă două scări distincte ale
turbulenţei; o scară temporală şi o scară spaţială. În primul caz, într-un punct dat din
spaţiu, un anumit model de mişcare se repetă, mai mult sau mai puţin regulat după
un timp determinat; în al doilea caz, în două puncte distincte din spaţiu, la u
moment dat, se repetă un anumit model de mişcare mai mult sau mai puţin regulat.
Când mişcarea turbulentă nu este întreţinută, intensitatea ei scade treptat în
timp până se anulează. Amortizarea mişcărilor turbulente este determinată de
disiparea energiei cinetice a pachetelor de fluid în energia cinetică a moleculelor.
Mecanismul de disipare a energiei turbulente presupune că pache
5.7.1.2. Pulverizarea combustibilului Elementul central al formării amestecului motorului cu aprindere prin
comprimare îl constituie jetul de combustibil pulverizat prin intermediul injectorului. În
afară de parametrii de stare ai încărcăturii proaspete (temperatură şi presiune),
nivelul energetic al mişcării aeru
autoaprinderii şi arderii acestuia.
Dezvoltarea jetului de combustibil dă măsura optimizării ş
aprinderii şi emisiilor poluante la motorul cu aprindere prin comprimare.
Analiza jetului de combustibil se poate realiza pe baza caracteristicilor de
calitate ale acestuia, caracteristici prin
c
Fineţea pulverizării înfăţişează gradul de fărâmiţare a jetului de combustibil
curentul de aer şi se apreciază prin diametrul mediu al particulelor de combustibil.
Calculul diame
realiza cu formulele:
PARTEA I – COMBUSTIBILI ALTERNATIVI
94
∑∑
=
== k
i i
k
i iiam
n
ndd
1
1, (5.4) a)
∑ =i ii dn1
2 b)∑k dn 3
(5.5)
nde:
mai multe relaţii de calcul ale
ot fi aplicate aceleaşi formule
a nd tervin decât mărimi fizice.
Relaţiile prezentate în literatura de specialitate pentru diametrul mediu al
icăturilor în cazul motorinei, după diferiţi autori sunt:
sm
sm
−−
−−
∆⋅⋅=
⋅=
ηρρ (5.6)
u
== ki ii
smd 1,
u
di – diametrul mediu al unui grup de picături;
ni – numărul de picături;
k – numărul grupurilor de picături;
Pe baza experimentelor au fost exprimate
diametrului mediu al picăturilor, experimentele fiind efectuate cu motorină. Se
suspectează că în cazul biocombustibililor Diesel p
vâ în vedere că nu in
p
][107,0
][)(Re107,8223,011,0157,0576,0186,05
,
28,06,
mmpd
mWedd
ccc
i
a
nde:
Re – criteriul Reynolds
c
iinjdwυ
Re (5.7) =
We – criteriul Weber
cσ ciinjdw ρ
(5.8)
];
mbustibilului [Ns/m3], 2/s];
We =
ρa – densitatea aerului [kg/m3
ρc – densitatea combustibilului [kg/m3];
ηc, νc – viscozitatea dinamică, respectiv cinematică a co
[m
Uleiuri vegetale
95
∆p – diferenţa între presiunea de injecţie şi presiunea din cilindrul motorului
cantitatea de combustibil injectată pe ciclu [kg/ciclu];
torului [m].
ine să se utilizeze
âns. Se poate aprecia printr-un calcul statistic repartiţia dimensională a
ul L străbătut de jetul de combustibil în
camera de ardere pe direcţia orificiului pulverizatorului în timpul τ.
Penetraţia jetului se adoptă în funcţie de caracteristicile camerei de ardere în
aşa fel încât pe timpul injecţiei, aceasta să străbată întreaga cameră de ardere
pentru a utiliza aerul disponibil. La formarea amestecului aer-combustibil,
preponderent în volum, picăturile de combustibil nu trebuie să atingă pereţii reci ai
camerei de ardere, în acest caz penetraţia jetului fiind un factor de optimizare a
amestecului.
La momentul τ, penetraţia jetului poate fi descrisă cu relaţii empirice stabilite
e experimentale, ele fiind de tipul:
[Pa];
mc –
winj – viteza de injecţie [m/s];
σc – tensiunea superficială a combustibilului [N/m];
di – diametrul orificiului de pulverizare al injec
Pentru a calcula diametrul picăturii de combustibil prin care se poate aprecia
omogenitatea combustibilului Diesel, în faza de proiectare este b
formula în care intră cele mai multe mărimi fizice ale combustibilului.
Omogenitatea pulverizării caracterizează gradul de uniformitate al dimensiunilor
picăturilor.
Omogenitatea este cu atât mai bună cu cât intervalul de variaţie al picăturilor
este mai restr
picăturilor de combustibil într-un jet de combustibil.
Penetraţia jetului reprezintă drum
pe baz
( )
][10621,6 54,062,0213,031,054,04 mzdmL iiacc−−−−−⋅=⎦⎣ ⎦⎣
ρρ
][31 25,05,0 mpa ∆⋅⎥⎥⎢ ⎟⎟⎞
⎜⎜⎛⋅ τρ673,162
][0
5,02515,0
15
dL
mL
cc
ai
ca
⎥
⎤
⎢⎢⎡
⎥
⎤
⎢
⎡
⎠⎝+⋅=
⎟⎠
⎜⎝
=
ρρρ
ρ
5.9)
unde:
461, 7,011,0 thp⋅⎟
⎞⎜⎛ ∆⋅ τυ
25,0
PARTEA I – COMBUSTIBILI ALTERNATIVI
96
zi – numărul de orificii ale pulverizatorului;
bi cazulindL τττρ
>⋅⎟⎟⎠
⎜⎜⎝
= ,95,1a
(5.10)
bc
p
cazulinpL τττρ
⎞⎛ ∆
<<⋅∆
= 0,239,0
25,0
unde:
pd
a
icb ∆
⋅=
ρρτ 65,28 (5.11)
Dacă în cilindru există organizată o mişcare de rotaţie caracterizată de
raportul de vârtej rω, atunci penetraţia jetului poate fi rima exp tă cu relaţia:
( ) LdpLnrLr =a ⎦⎣ ⎠⎝2ρ i ⎥⎤
⎢⎡
⎟⎟⎞
⎜⎜⎛
∆⋅⋅+ 388,101 ω (5.12)
mbustibil este unghiul de
ispersie (δ) ale jetului format de tangentele la conturul jetului, concurente în orificiul
pulverizatoru ie caracterizează gradul de împrăştiere a
icăturilor de combustibil în camera de ardere.
Dispersia picăturilor din jetul de combustibil poate fi apreciată şi prin raza de
Un alt element prin care se apreciază jetul de co
d
lui. Unghiul de dispers
p
dispersie Rd.
Relaţiile de calcul sunt:
( ) [ ]
p 115,014,0
2mHdwR iinjd
acc
45,02,0766,0 τ
09,003,097,0 ρρηδ
⋅⋅⋅= (5.13)
unde: H – distanţa de la injector la peretele camerei de ardere; În cazul existenţei unei mişcări de rotaţie a încărcăturii în camera de ardere,
unghiul
∆⋅
de dispersie al jetului poate fi apreciat cu formula:
⋅⋅⋅= −
Uleiuri vegetale
97
( ) δρ
δ ω ⋅⎥⎥⎦
⎤
⎢⎢⎣
⎡⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛⋅∆⋅⋅⋅+= 2
3.88,101a
ir
dpLnr (5.14)
5.7.1.3 Factorii de influenţă ai calităţii pulverizării Pulverizarea combustibilului este influenţată de o multitudine de factori care
dacă sunt controlaţi pot influenţa calitatea amestecului de combustibil.
ermină pe de o
şi pe de altă parte influenţează parametrii de
eşterea nivelului presiunii din camera de ardere
eriferia
ă geometrie a orificiului
itatea picăturilor
şi penetraţia jetului.
uraţiei
ce va determina viteza medie a
fineţea şi penetrabilitatea
tului de combustibil datorită amplificării energiei cinetice a acestuia.
atea jetului se diminuează.
Presiunea din camera de ardere
Valoarea presiunii aerului la sfârşitul cursei de comprimare det
parte nivelul de temperatură al aerului
calitate ai jetului de combustibil. La cr
se îmbunătăţeşte fineţea picăturilor de combustibil însă penetraţia jetului se reduce
datorită rezistenţei mărite la înaintarea acestuia şi a frecărilor sporite la p
jetului, existând posibilitatea neutilizării eficiente a aerului disponibil în camera de
ardere
Presiunea de injecţie Valoarea presiunii de injecţie pentru o anumit
pulverizatorului poate influenţa toţi parametrii de calitate ai jetului de combustibil.
Mărirea nivelului presiunii de injecţie influenţează fineţea şi omogen
de combustibil, influenţează pozitiv dispersia
T a motorului Turaţia motorului influenţează în mod direct asupra turaţiei arborelui pomp
de injecţie (la sistemele convenţionale), ceea
pistonaşului pompei de injecţie.
Mărirea turaţiei motorului va mări viteza medie a pistonului pompei de injecţie,
ceea ce va spori nivelul presiunii de injecţie, influenţând
je
Geometria orificiului de pulverizare a) Diametrul orificiului de pulverizare
Reducerea diametrului orificiului de pulverizare îmbunătăţeşte fineţea şi
omogenitatea jetului de combustibil iar penetrabilit
PARTEA I – COMBUSTIBILI ALTERNATIVI
98
La menţinerea unei valori constante a dozei de combustibil pe ciclu, micşorarea
diametrului orificiilor de pulverizare va conduce la creşterea penetrabilităţii jetului ca
urmare a creşterii vitezei picăturilor de combustibil din jet.
rea lungimii orificiilor prelucrate în vârful pulverizatorului se
itatea acestuia.
ălţime a acului injectorului se realizează reducerea
ificării curgerii turbulente.
ei medii a pistonului pompei de injecţie determină amplificarea
cul aer-combustibil în motorul cu aprindere prin comprimare se
caracterizează printr-o puternică neomogenitate şi prin urmare procesele de
autoaprindere şi de ardere sunt foarte complexe.
se scurge o perioadă de timp care poartă denumirea de întârziere la
in existenţa unor fenomene de
egăt
erizarea şi vaporizarea combustibilului;
r de oxidare;
ntă fizică αîaf în care au loc procesele de formare a amestecului;
b) Lungimea orificiului de pulverizare
Prin micşora
măreşte dispersia jetului şi se micşorează penetrabil
În ea de ridicare a acului injectorului Prin limitarea înălţimii de ridicar
diametrului picăturilor de combustibil din jet datorită ampl
Viteza medie a pistonului pompei de injecţie Mărirea vitez
energiei cinetice a jetului de combustibil ceea ce va conduce la creşterea
penetrabilităţii jetului de combustibil în camera de ardere.
5.7.2. Autoaprinderea şi arderea amestecurilor aer-combustibil în motoarele Diesel Ameste
De la începutul procesului de injecţie şi până în momentul autoaprinderii
amestecului
autoaprindere.
Întârzierea la autoaprindere poate fi explicată pr
pr ire a arderii:
- pulv
- amestecarea combustibilului cu aerul;
- iniţierea reacţiilo
- parcurgerea stadiilor autoaprinderii polistadiale.
În mod convenţional, perioada întârzierii la autoaprindere se descompune în
două componente:
- o compone
- o componentă chimică αîach în care are loc pregătirea chimică prealabilă
aprinderii şi arderii.
Uleiuri vegetale
99
În consecinţă, întârzierea la autoaprindere poate fi privită ca sumă a acestor
componente:
chf iaiaia ααα += (5.15)
În realitate, cele două componente se suprapun. Întârzierea la autoaprindere
i combustibilul rece sub efectul
ată de dezvoltarea rapidă în întreaga
iţia unor noi centre
nsideră în
că creşterea
rite de oxizi de azot.
ă, procesul de ardere
des în destindere.
erii, urmează o a treia
fază, a e ză se caracterizează prin menţinerea presiunii la
o valo αm), arderea este influenţată de
perfec ă şi a celui care se
mai inj t
depinde de:
- temperatura şi presiunea amestecului iniţial la sfârşitul comprimării;
- proprietăţile fizico-chimice ale combustibilului;
- schimbul de căldură între aerul încălzit ş
turbulenţei;
- proporţia relativă între combustibil, oxigen şi gazele inerte aflate în amestec
şi în camera de ardere.
Apariţia centrelor de autoaprindere marchează intrarea în faza arderii rapide.
Faza arderii rapide este caracteriz
cameră de ardere ca urmare a propagării flăcării turbulente şi apar
de autoaprindere.
Momentul în care presiunea încetează să mai crească rapid se co
mod convenţional ca sfârşitul celei de-a doua faze (αr).
Procesul arderii în faza a doua se caracterizează prin viteza mare de creştere
a presiunii în camera de ardere.
Dacă durata întârzierii la autoaprindere este mare, atunci creşte cantitatea de
amestec preformat şi apare posibilitatea desfăşurării reacţiilor de ardere cu viteze
extrem de mari iar cantitatea de căldură degajată este mare şi provoa
rapidă a presiunii efectul fiind funcţionarea brutală a motorului, mărirea solicitărilor
mecanice şi termice şi posibilitatea formării unor cantităţi spo
În cazul în care întârzierea la autoaprindere este mică, atunci în cilindrii
motorului ajunge o cantitate redusă de combustibil, ca urmare, viteza de degajare a
căldurii este redusă iar creşterea presiunii este neînsemnat
făşurându-se cu eficienţă redusă
Deoarece nu tot combustibilul găseşte aerul necesar ard
rd rea moderată. Această fa
are relativ constantă. În această fază (
ţiunea amestecării combustibilului rămas din faza precedent
ec ează cu oxigenul necesar arderii.
PARTEA I – COMBUSTIBILI ALTERNATIVI
100
e
are în acest caz un caracter difuziv, adică, viteza de
formar port cu viteza reacţiei chimice.
t tă postarderea, proces prin care combustibilul care a
scăpat tă reacţii de oxidare totală sau
parţial considerată o subfază a arderii moderate. Căldura
deg ză este utilizată neeconomic însă din punctul de vedere al
i depind nivelele
de CO C prindere prin comprimare.
n i presiunii din cilindrul unui motor cu aprindere prin
compr ele procese ce au loc.
scopul obţinerii unor performanţe ridicate de putere,
economicit poate realiza prin factorii de
influen
ui în momentul injecţiei, prin:
dmisie cu caracteristici diferite;
;
combustibilului;
2. Arderea rapidă
Cantitatea de amestec preformat până în momentul aprinderii, prin:
dere;
• legea de injecţie;
combustibilului:
• număr de jeturi;
• arhitectura camerei de ardere;
Ac astă fază se încheie când presiunea începe să scadă.
Faza arderii moderate
e a amestecului este dominantă în ra
Ul ima fază o reprezin
reacţiilor de oxidare în primele faze supor
ă. Faza postarderii este
ajată în această fa
emisiilor poluante este foarte importantă deoarece de desfăşurarea e
, H şi particule emise de motorul cu a
Di analiza evoluţie
imare se pot identifica principal
Controlul arderii în
ate şi nivel redus de emisii poluante se
ţă ai fazelor de ardere:
1. Întârzierea la autoaprindere
Mărimile de stare ale aerul
• raportul de comprimare;
• presiunea şi temperatura de admisie;
• intensitatea mişcării aerului prin:
• arhitectura canalului de admisie;
• utilizarea mai multor canale de a
• supapă cu ecran;
• arhitectură a camerei de ardere;
• avansul la injecţie
• calităţile de aprindere ale
• calităţile pulverizării;
• durata întârzierii la autoaprin
• distribuţia
Uleiuri vegetale
101
• intensitatea vârtejului;
Numărul nucleelor de flacără, prin:
• numărul de jeturi;
3. Arderea difuzivă
nsitatea turbulenţei;
• legea de ardere;
e şi caracteristicile jetului de
influenţează direct durata întârzierii la autoaprindere.
rsei de
creşterea temperaturii aerului admis
rovoacă scăderea emisiei de hidrocarburi nearse şi creşterea emisiei de oxizi de
Creşterea cantităţii de gaze reziduale determină reducerea întârzierii la
autoaprindere datorită măririi temperaturii amestecului iniţial. Diluarea amestecului cu
Formarea amestecului aer-combustibil:
• distribuţia combustibilului:
• arhitectura camerei de ardere;
• inte
• viteza de difuzie;
Caracteristica de degajare a căldurii:
• durata aprinderii;
• arhitectura camerei de ardere.
5.7.2.1. Influenţa factorilor de stare
Presiunea aerului Valoarea presiunii la sfârşitul cursei de comprimare determină în principal
nivelul de temperatură al încărcăturii proaspet
combustibil şi deci se
Temperatura aerului La creşterea temperaturii de admisie creşte temperatura la sfârşitul cu
comprimare ceea ce va influenţa pozitiv durata întârzierii la autoaprindere.
Prin creşterea temperaturii aerului admis, randamentul umplerii se
înrăutăţeşte.
Din punctul de vedere al poluării,
p
azot.
Cantitatea de gaze arse reziduale Gazele arse care rămân în camera de ardere de la ciclul anterior sunt inerte
din punct de vedere chimic.
PARTEA I – COMBUSTIBILI ALTERNATIVI
102
gaze inerte va înrăutăţi arderea, combustibilul nemaigăsind în timp util oxigenul
necesar reacţiilor de oxidare.
Recircularea unei părţi a gazelor arse se aplică pentru reducerea emisiilor de
ţa directă fiind creşterea întârzierii la autoaprindere.
rii la intensificarea mişcării de vârtej datorită îmbunătăţirii
condiţiilor de formare a amestecului.
îmbunătăţeşte economicitatea şi determină
emisiilor poluante din gazele de evacuare.
şcării de vârtej poate
iţii,
rbulente se manifestă asupra întârzierii la autoaprindere
tate concomitent cu scăderea
nivelului emisiilor poluante.
oxizi de azot însă emisiile de CO şi particule cresc.
Umiditatea aerului Vaporizarea apei în colectorul de admisie va micşora temperatura aerului
admis în motor, consecin
Dacă apa este introdusă în cilindrii motorului printr-un procedeu oarecare, va
avea loc un efect suplimentar asupra caracteristicii de degajare a căldurii şi prin
urmare temperatura de ardere se diminuează. Parametrii de putere pot fi diminuaţi
însă emisiile de particule şi NOx scad drastic.
Mişcarea organizată a încărcăturii proaspete Formarea amestecului aer-combustibil la motorul cu aprindere prin
comprimare se află în relaţie directă cu intensitatea mişcării încărcăturii din camera
de ardere şi în principal cu mişcarea de rotaţie (swirl).
Se remarcă o reducere a întârzierii la autoaprindere şi creşterea vitezei
maxime de degajare a căldu
Intensificarea procesului de ardere
reducerea
Intensitatea mişcării de rotaţie a încărcăturii trebuie corelată cu numărul
jeturilor de combustibil.
Pentru un anumit număr de jeturi, intensificarea mi
determina transportul de gaze arse dintr-un jet în altul ceea ce va avea ca efect
utilizarea neeficientă a aerului disponibil în camera de ardere. În aceste cond
parametrii de putere şi economicitate se deteriorează iar emisiile poluante cresc.
Turbulenţa Influenţa mişcărilor tu
şi asupra fazei de ardere difuzivă. Controlul intensităţii acestor mişcări poate optimiza
parametrii acestor faze, obţinându-se o scădere a întârzierii autoaprinderii şi o
desăvârşire a arderii în faza ultimă. Prin controlul acestor mişcări se pot obţine
îmbunătăţiri ale parametrilor de putere şi economici
Uleiuri vegetale
103
5.7.2.2. Influenţa factorilor funcţionali
Sarcina La motorul cu aprindere prin comprimare, variaţia sarcinii se realizează
modificarea calităţii
lui aer-combustibil va modifica şi evoluţia
şi temperaturii pe parcursul desfăşurării proceselor din cilindrii motorului.
a la
ează şi emisiile poluante. Sărăcirea amestecului prin reducerea
ere prin comprimare.
În primul rând, la creşterea turaţiei motorului apare o creştere a regimului
datorită reducerii pierderilor de căldură prin pereţi. În aceste
ndiţi
lverizare şi o
calitativ prin modificarea dozei de combustibil pe ciclu, deci prin
amestecului caracterizat de coeficientul de exces de aer λ.
Modificarea calităţii amestecu
presiunii
La reducerea sarcinii, temperatura încărcăturii proaspete din cilindru are o
valoare mai redusă datorită micşorării dozei de combustibil şi întârziere
autoaprindere se măreşte.
Reducerea sarcinii până la o anumită valoare poate îmbunătăţi procesul
arderii datorită excesului de oxigen însă sub această valoare amestecurile aer-
combustibil devin prea sărace şi arderea se înrăutăţeşte, ceea ce provoacă o
deteriorare a parametrilor de putere şi economicitate.
Durata procesului de ardere se micşorează la reducerea sarcinii. Reducerea
sarcinii influenţ
sarcinii influenţând negativ asupra arderii determină creşterea emisiilor de HC şi CO
datorită arderii incomplete.
Emisiile de fum au o tendinţă de scădere la micşorarea sarcinii.
Sărăcirea amestecului determină scăderea temperaturii de ardere, ceea ce va
influenţa pozitiv asupra formării NOx.
Turaţia Influenţa turaţiei motorului se manifestă pe mai multe planuri asupra
proceselor ce se desfăşoară în cilindrii motorului cu aprind
termic al motorului
co i, temperatura încărcăturii proaspete în momentul injecţiei va avea valori mai
mari. De asemenea, valoarea presiunii încărcăturii proaspete va fi mai mare.
Consecinţa directă va fi pe de o parte îmbunătăţirea procesului de pu
mai bună vaporizare a combustibilului, rezultatul direct fiind scăderea întârzierii la
autoaprindere.
PARTEA I – COMBUSTIBILI ALTERNATIVI
104
În al doilea rând, prin creşterea turaţiei apare un efect secundar care va
influenţa pozitiv procesele de amestecare şi de ardere şi anume intensificarea
tăţirea procesului de amestecare
şi de ardere, îndeosebi în fazele de autoaprindere şi de ardere difuzivă.
upra proceselor din cilindrii motorului va
rmare a poluanţilor şi nivelul de emisie al acestora. De
nomicitate şi emisii poluante.
ermic al motorului Regimul termic al motorului este influenţat de turaţia şi sarcina motorului.
fluenţează asupra fazei de autoaprindere a
ază asupra întârzierii autoaprinderii.
are prin influenţele pe care le are asupra procesului de
mişcărilor organizate şi neorganizate ale încărcăturii din cilindrii motorului.
Mărirea turaţiei motorului determină îmbună
Modificarea turaţiei, influenţând as
influenţa şi procesele de fo
asemenea, nivelul de zgomot creşte cu turaţia motorului.
Avansul la injecţie Momentul de început al injecţiei este un factor determinant în desfăşurarea
proceselor de formare a amestecului aer-combustibil şi de ardere şi deci va influenţa
decisiv asupra parametrilor de putere, eco
Valori optime ale avansului de injecţie pentru toate regimurile de turaţie şi
sarcină ale motorului se pot obţine numai cu sistemele electronice de reglare.
Regimul t
Creşterea regimului termic in
amestecului în sensul scăderii întârzierii la autoaprindere.
În consecinţă, arderea este mai liniştită iar nivelul de zgomot al motorului se
diminuează şi emisiile poluante gazoase se reduc.
5.7.2.3. Influenţa factorilor constructivi
Raportul de comprimare
Valoarea raportului de comprimare determină nivelul presiunii şi temperaturii
încărcăturii proaspete la sfârşitul procesului de comprimare, prin urmare se
influenţe
Creşterea raportului de comprimare, cu toate că îmbunătăţeşte randamentul
arderii, valoarea acestuia este limitată deoarece determină nivelul de solicitare
mecanică şi termică a pieselor motorului.
Raportul de comprim
ardere va influenţa şi procesele de formare a poluanţilor şi nivelele de emisie ale
acestora.
Uleiuri vegetale
105
Dimensiunea alezajului cilindrului La motorul cu aprindere prin comprimare, influenţa dimensiunii alezajului
ri şi prin urmare se influenţează pozitiv asupra proceselor ce
rului se îmbunătăţeşte.
echipamentului de
jecţie
a pulverizării combustibilului se
un
şte prin realizarea unui bun compromis între
ă asupra procesului
e injecţie şi asupra caracteristicilor jetului de combustibil.
Numărul de orificii de pulverizare realizează distribuţia combustibilului în
oaspete.
in comprimare cu injecţie directă au camera de
ardere plasat te legate de nivelul emisiilor
poluante se aplic ia combustibilului preponderent în volum.
ă jetul de combustibil nu
ă reacţii chimice
şilor carbonoşi.
ă încărcătura în mişcare în jurul
pulverizatorului injectorului. F ţează nivelul mişcărilor
organizate
trebuie să se realizeze în corelaţie cu dimensiunea cursei pistonului prin raportul S/D.
Creşterea raportului S/D amplifică nivelul mişcărilor organizate şi neorganizate
ale încărcăturii din cilind
au loc, astfel că economicitatea moto
Echipamentul de injecţie
Pentru o anumită presiune şi temperatură date ale încărcăturii proaspete,
caracteristicile jeturilor de combustibil sunt date de caracteristicile
in .
La nivelul pompei de injecţie, caracteristica principală o constituie presiunea
de injecţie. La creşterea presiunii de injecţie, calitate
îmb ătăţeşte iar viteza de vaporizare creşte, aceasta conducând la scăderea
întârzierii la autoaprindere.
Presiunea de injecţie se stabile
economicitatea motorului şi nivelul de emisii poluante. În acelaşi mod se stabileşte şi
durata de injecţie.
Diametrul şi lungimea orificiului de pulverizare influenţeaz
d
camera de ardere şi acesta se corelează cu intensitatea mişcării de rotaţie a
încărcăturii pr
Caracteristicile camerei de ardere
Motoarele cu aprindere pr
ă în capătul pistonului. Din consideren
ă injecţ
Principiul la aceste camere de ardere este acela c
trebuie să atingă peretele rece al acestora deoarece se favorizeaz
lente care conduc la formarea compu
Camera de ardere concentreaz
orma camerei de ardere influen
şi neorganizate ale aerului.
PARTEA I – COMBUSTIBILI ALTERNATIVI
106
ma camerei de ardere, aceasta este dezvoltată din
consid cologice prin luarea în considerare a particularităţilor
mişcăr icilor de injecţie a combustibilului.
5.8. CONCLUZII ombustibililor Diesel a scos în evidenţă
următo
Existe surse pentru a fi utilizate:
•
•
• gr
Posibilit
Uleiuri vegetale pure:
sau mai reduse în funcţie de mărimea dimensiunilor
fundamentale ale motorului;
area motorului şi instalaţiilor vehiculului
1. sisteme de injecţie;
• Uleiuri
na;
În ceea ce priveşte for
erente energetice şi e
ilor aerului şi caracterist
Analiza privind utilizarea bioc
arele:
nţa unor importante
plantele oleaginoase;
uleiuri de bucătărie uzate;
ăsimi animale;
ăţi de utilizare:
• Fără modificarea motorului
1. performanţe apropiate de cele ale motorinei;
2. emisii mai ridicate
• Modific
2. cameră de ardere;
3. sistemul de filtrare;
4. rezervor de combustibil încălzit;
5. sistem de alimentare dual;
transformate:
1. transesterificare;
2. hidrogenare:
3. utilizare în amestec cu motorina (B2, B5, B20);
4. utilizare în stare pură (B100);
5. utilizarea nu necesită modificări ale motorului;
6. performanţe nealterate;
7. emisii poluante reduse comparativ cu motori
Uleiuri vegetale
107
Existenţa unor politici naţionale şi internaţionale de promovare a combustibililor
erabili, biodegradabili şi care prin utilizare în motoarele cu ardere internă au un regen
impact redus asupra mediului.
[1]
[2] a,M.G.Motoare cu ardere interna. Vol. I .Editura
[3]
. MTZ 53, nr.7/8.
[5]
Oil and Methyl Ester of Seed Oils. SAE 861564.
[7]
n Ignition
[8] ns by
[9] y performance and regulatory
[11] ppett, S.L. (1995). Fuel properties of tallow and
soybean oilesters. JAOCS, Vol.72, No.12, page 1557, 1995.
Bibliografie
Cofaru,C.Legislatia si ingineria mediului in transpotul rutier. Editura
Universitatii Transilvania Brasov ,2002 ISBN973-635-185-8.
Negurescu,N.,Pana,C.,Pop
MATRIX ROM SRL Bucuresti 1995.ISBN 973-97004-2-X.
Negurescu,N.,Pana,C.,Popa,M.G.Motoare cu ardere interna. Vol.II .Editura
MATRIX ROM SRL Bucuresti 1995.ISBN 973-97004-3-8.
[4] Constien,M., Woschni,G. Vorausberechnung des Brennverlaufes aus dem
Einspritzverlauf fuer einen direkteinspritzenden Dieselmotor
1992.
Kumar,S.,Watson,H.,Milkins,E.,Edsell,J. Combustion Modelling of Diesel
fuel,Seed
[6] Lustgarten,G. Modelluntersuchungen zur Gemischbildung Verbrennung im
Dieselmotor und. MTZ nr.4. 1974.
Mathur,H.B.,Gajendra,Babu, M.K. Prasad,Y.N. A Thermodynamic Simulation
Model for a Dual Fuel Open Combustion Chamber Compressio
Engine. SAE 861275
Uchida,N.,Daisho,Y.,Saito,T. The Control Of Diesel Emissio
Supercharging and Varying Fuel-Injection Parameters. SAE 920117.
ABA, IRI (1994). Biodiesel: a technolog
overview.Rapport préparé par l’American Biofuels Association et Information
Resources, Inc.pour le compte du National Soydiesel Development Board,
Jefferson City, MO, USA.
[10] Ahouissoussi, N.B. et Wezstein, M.E., (1996). The Economics of
EngineReplacement I Repair for Biodiesel Fuels, Final Report, Department of
Agriculturaland Applied Economics, University of Georgia, mars 1996.
Ali, Y., Hanna, M.A. et Cu
PARTEA I – COMBUSTIBILI ALTERNATIVI
108
[12] Bagby, M.O.et Freedman, B. (1989). Diesel Engine Fuels from Vegetable
Oils,document présenté à la 80eréunion annuelle de l’American Oil Chemists'
Society.
[13] Bickel, K.L., McDonald, J., Fruin, J.E. et Tiffany, D. (1997). Economic
comparison ofBiodiesel blends to commercially available exhaust emission
ersité du Minnesota, janvier 1997.
ELI/SP-42O-5571 - Rev.2.
[16] Crichton, B.A.L. et Cruse, H.W.
55.
[20] for Diesel Engines. Gas
[21]
10.
e, organisée par l’ASAE, page
[23]
944.
Engine Manufacturers Association (1995). Biodiesel fuels and their
reduction technologiesfor underground mines. Rapport final au National
Biodiesel Board préparé parl’Univ
[14] Biofacts (1995). Produit pour le compte de l’U.S. Department of Energy par le
NationalRenewable Energy Laboratory,NR
[15] Biofuels Update (1997). Rapport de l’U.S. Department of Energy Biofuels
Technology,Vol.5, Issue 2, printemps, 1997.
Blackburn, J.H., Pinchin, R. Nobre, J.l.T.,
(1983).Performance of lubricating oils in vegetable oil ester fuel diesel engines.
Documentde la SAE, no8313
[17] Blondeau, J., Pon, G., Bresciani, S. et Reaney, M. (1996). Analysis of
Selected DieselFuel Markets in Canada: Markets for Canola Biodiesel, rapport
pour le compted’Agriculture Canada et de la Saskatchewan Canola
Development Commission.
[18] Booz-AIlen & Hamilton (1995). Technical and Economic Assessment of
Biodiesel forVehicular Fuel Use, document présenté au National Soydiesel
Development Board,avril 1995.
[19] Canadian Grains Industry Handbook (1996). Publié par la Commission
canadiennedes grains, Winnipeg, Manitoba, Canada.
Chowdury, D.H. (1942). Indian Vegetable Fuel Oils
and OilPower, Vol. 37, page 80.
Clark, S.J. et al. (1984). Methyl and ethyl soybean esters as renewable fuels
for dieselengines, JAOCS, Vol. 61, no
[22] Clements, L. Davis (1996). Blending Rules for Formulating Biodiesel Fuel.
Compterendu de la 3rd Liquid Fuels Conferenc
44, Nashville,TN, USA, 15 au 17 sept. 1996.
De Vedia, M.R. (1944). Vegetable Oil as Diesel Fuel. Diesel Power, Vol. 22,
page1298, décembre 1
[24] Dunn, R.O., Shockley, M.W. et Bagby, M.O. (1997). Document, no 971682 de
la SAE.
Uleiuri vegetale
109
use in dieselengine applications. Rapport préparé par l’Alternative Fuels
Committee de l’EMA,Chicago, Ill., USA.
[26] cturing and Development (1994). Emissions Testing on
[27] anufacturing and Development (1995). Optimize 20% Methylsoyate
[30] M.S., Ross, J.D. et McCormick, R.L. (1996). Document no961166 de
[31]
[32] B.P. (1997). Winter 1997 Evaluation of Canola Methyl Ester and a
onnement
[34]
eir Mixtures, JAOCS.
[25] Feug, Y., Wong, A. et Monnier, J. (1993). Chemical Composition of Tall Oil-
BasedCetane Enhancer for Diesel Fuels. Compte rendu de la First Biomass
Conference of the Americas, Burlington, VT, USA, 30 août au 2 sept. 1993.
Fosseen Manufa
Biodieseland Biodiesel Blends. Rapport final noNSDB4F15 au National Soy
DieselDevelopment Board, Jefferson City, MO, USA.
Fosseen M
and Diesel Blend - 1997 DDC 6V-7lN Coach. Rapport au National Biodiesel
Board, Contract 219-2, janvier 1995.
[28] Freedman, B. et Bagby, M.O. (1989). Heats of Combustion of Fatty Esters and
Triglycerides. JAOCS, Vol. 66(11), page 1601.
[29] Graboski, M.S. et McCormick, R.L. (1997). Combustion of fat and vegetable oil
derived fuels in diesel engines. À paraître dans Progress in Energy and
Combustion Science.
Graboski,
laSAE.
Hendren, F. (1996). Results of SuperCetane testing at MSED, lettre à Ed
Hogan,CANMET, 14 février 1996.
Hertz,
Canola Oil Derivative obtained for heated seed as Lubricity Additive for Diesel
Fuel, rapportpréparé pour le compte d’Agriculture et Agroalimentaire Canada,
novembre 1997.
[33] Howes, P. et Rideout, G. (1995). Evaluation of Biodiesel in Urban Transit
Buses,rapports no 95-26743-1 et no 95-26743-2 du MISTC, Envir
Canada.
Janarthanan, A.K., Clements, E.D., Clements, L.D. (1996). Densities and
Viscosities of Methyl Esters of Fatty Acids and Th
[35] Krawczyk, T. (1996). Biodiesel Fuel. International News on Fats, Oils and
Related Materials (INFORM), Vol. 7, no8, page 801, août 1996.
[36] Lawson, A. et Thurston, D. (1986). Design, Development, Fabrication,
andEvaluation of a Fuel Management System to Permit a Farm Tractor to
PARTEA I – COMBUSTIBILI ALTERNATIVI
110
Operate on Various Fuels. Contrat no23 SU.01843-2-EL 19, Agriculture
Canada.
Manicom, B., Gr[37] een, C. et Goetz, W. (1993). Methyl Soyate Evaluation of
[38] er of tallow and grease on exhaust
[39] , W., Schumacker, L., Howell, S. (1995). Engine Exhaust Emissions
[40]
istics of soy methyl ester fuels in an IDI compression
[41]
[42] Tritthart, P., (1988). Diesel fuel derived from vegetable oils,
[43] ach, M.P., Tritthart, P. et Junck, H. (1983). Diesel fuel derived from
, USA.
[46] . A Study of the Catalytic Esterification of
[47] ond
Edition,publié par la SAE, Warrendale, PA, USA, 1995.Paris, France (1993).
Various Diesel Blends in a DDC 6V-92TA Engine, ORTECH International,
rapport final no 93-E14-21 à Fosseen Manufacturing and Development, avril
1993.
Marshall, W.F. (1993). Effects of methylest
emissions and performance of a Cummins L-10 engine. National Institute for
Petroleum and Energy Research, Bartlesville, Oklahoma, USA.
Marshall
Evaluation of a Cummins LIOE when Fueled with a Biodiesel Blend.
McDonald, J.F., Purcell, D.L., McClure, B.T. et Kittelson, D.B. (1995).
Emissions character
ignition engine.Document no 950400 de la SAE.
Midwest Biofuels Inc. (1993). Biodiesel Pour Point and Cold Flow Study,
rapport auNational Soydiesel Development Board, 30 sept. 1993.
Mittelbach, M.P.,
Ill:Emissions tests using methyl esters of used frying oil. Journal of the
American OilChemists' Society, Vol. 65 (7), page 1185.
Mittelb
vegetableoil, II: Emissions tests using rape oil methyl ester. Energy Agriculture,
Vol. 4, page208.
[44] Monnier, Jacques (1997). Laboratoires de recherches énergétiques de
CANMET,Ottawa, Canada. Communications personnelles.NBB (1997).
Communications personnelles et renseignements obtenus auprès du National
Biodiesel Board, Jefferson City, MO
[45] Niehaus, R. A., Goering, C.E., Savage, L.D. et Sovenson, S.C. (1985).
Crackedsoybean oil as a fuel for a diesel engine. Document no 85-1560 de
l’ASAE.
Nye, M. et Southwell, P. (1983)
Rapeseed Oil as a Fuel for Diesel Engines. Contrat no 23 SU. 01843-2-EL 12,
Agriculture Canada.
Owen, K. et Coley, T. (1995). Automotive Fuels Reference Book, Sec
Uleiuri vegetale
111
[48] *** Lifecycle Analysis of Biodiesel: Report to the Prolea Onidal,Ecobalance,
Ltd. mars 1993.
[49] Perkins, L.A. et al. (1991). Durability testing of transestrified winter rape oil as
fuel in small bore, multi-cylinder, Dl, Cl, engines. Document no911764 de la
SAE.
[50] Peterson, C.L. (1986). Vegetable Oil as a Diesel Fuel: Status and
ResearchPriorities. Transactions of ASAE, Vol. 29 (5), page 1413.
[51] Pischinger, G.M., Falcon, A.M., Siekmann, R.W. et Fernandes, F.R.
(1982).Methylesters of plant oils as diesels fuels, either straight or in blends.
Vegetable OilFuels, publication no 4-82 de l’ASAE, page 198, Amer. Soc.
Agric. Engrs., St. Joseph,Ml, USA.
[52] Prakash, C.B. et Goetz, W. (1995). Impact of Biodiesel on Emissions
andPerformance of a Heavy Duty Diesel Engine, compte rendu de la
[53] l, H. et Worgetter, M. (1996). Influence of the iodine number of biodiesel
15 au 17 sept. 1996.
[55]
at rapeseed oil as an alternative to diesel fuel. Document
[56] n oil methyl
[57]
érence sur les sources énergétiques de
[58]
EleventhInternational Symposium on Alcohol Fuels, Vol. 3, page 837, SunCity,
South Africa, 14au 17 avril 1996.
Prank
to theengine performance. Compte rendu de la 3rd Liquid Fuels Conference
organisée parl’ASAE, page 191, Nashville, TN, USA,
[54] Reaney, M. (1997). Agriculture et Agroalimentaire Canada, Saskatoon,
Saskatchewan,communications personnelles.
Reece, D.L. et Peterson, C.L. (1993). A report on the Idaho on-road vehicle
test with RME and ne
no 93-5018 del’ASAE.
Scholl, K.W. et Sorenson, S.C. (1993). Combustion of a soybea
ester in adirect injection diesel engine. Document no 930934 de la SAE.
Schumacker, L.G., Hires, W.G. et Borgelt, S.C. (1992). Fueling a diesel engine
with methyl ester soybean oil. Liquid Fuels from RenewableResources -
compte rendud’une conf
remplacement, Nashville, TN, USA.
Schumacker, L.G., Borgelt, S.C. et Hires, W.G. (1993). Soydiesel I Biodiesel
BlendResearch. Document no 93-6523 de l’ASAE.
[59] Schumacker, L., Borgelt, S., Hires, W., Fossen, D. et Goetz, W. (1995).
Fueling Diesel Engines with Blends of Methyl Ester Soybean Oil and Diesel
Fuel.
PARTEA I – COMBUSTIBILI ALTERNATIVI
112
[60] Schumacker, L.G., Weber, J.L., Russell, M.D., Krahl, J.G. (1995A). An
Alternative Fuelfor Urban Buses - Biodiesel Blends.
Schumacke[61] r, L.G. et Van Gerpen, J. (1996). Research needs resulting from
[62] B. (1987). Preparation and
[63]
Biodiesel: Established of Engine
Montana
[65] 994). Transient Emissions Testing of Biodiesel in a 6V-92tA
sel Board, octobre 1994.
[67] Injection
par provinces.
[69] Oils as Diesel Substitutes and
[70] B.C. et Clements, L.D. (1988). Properties of Fatty Acids and Their
[71]
experiences of fueling of diesel engines with biodiesel, compte rendu de la 3rd
Liquid Fuels Conference organisée par l’ASAE, page 207, Nashville,TN, USA,
15 au 17 sept.1996.
Schwab, A.W., Bagby, M.O. et Freedman,
properties of diesel fuels from vegetable oils. Fuel 66, page 1372.
Shafer, A. (1994). Biodiesel Research. Mercedes Benz - Engine Warranty
Policy,présenté à Commercialization of
Warranties, page 125, University of Idaho National Center for Advanced
Transportation Technology.
[64] Sharp, C.A. (1996). Emissions and Lubricity Evaluation of Rapeseed Derived
Biodiesel Fuels, rapport final du Southwest Research Institute au
Department of Environmental Quality, novembre 1996.
Sharp, C.A. (1
DDECH Engine, rapports no 6602 et 6673 du Southwest Research Institute au
National Biodie
[66] Sninivasan, R.P. et Gopalakrishnan, K.V. (1991). Vegetable oils and their
methylesters as fuels for diesel engines. Indian Journal of Technology, Vol. 29.
Page292.
Starr, M.E. (1997). Influence on Transient emissions at various
Timings,Using Cetane Improvers, Bio-Diesel, and Low Aromatic
Fuels.Document no 972904 de la SAE. Statistique Canada (1996). Demande
en carburant diesel au Canada,
[68] Stotter, R., Human, D. (1995). Transient Emission Evaluation of Biodiesel Fuel
Blendin a 1987 Cummins L-10 and DDC 6V-92TA, rapport no ETS-95-128 au
National Biodiesel Board, novembre 1995.
Stumborg, M. et Craig, W. (1996). Vegetable
Extenders: A Canadian Perspective, rapport à Agriculture Canada.
Teoh,
Derivatives,, Fats et Oils Laboratory, University of Nebraska, Lincoln.
Tyson, S.K. (1997). Présentation d’un projet du NREL sur le biodiesel au DOE,
16 sept.1997.
Uleiuri vegetale
113
[72] Tyson, S.K. (1998). Communications personnelles et réunion au NREL, 8
janvier 1998.
USBM (1995). Field trials of soy methyl esters as a fuel for diesel p[73] owered
A, 15 au17 sept. 1996.
ction of Transportation Fuels.
février
[77]
The Role of Unburnt Fuel in the Organic Fraction Composition.
[78]
[79] gievan.org/
alia, Commonwealth of Australia, Canberra, 1999
ources for Western Australia, Energy Advisory Council of WA, Perth,
[81]
s, March 1980, Perth.
[83] Personal communication, Murdoch University, 1999
equipment in underground mines. Rapport final de l’AF 95 au National
Biodiesel Board, USBM CRDA, no 6200-0063.Van Gerpen, J., Hammond,
E.G., Yu, L. et Monyen, A. (1997). Document no 971685 de la SAE.
[74] Van Gerpen, Jon (1996). Cetane number testing of biodiesel. Compte rendu
de la 3rd Liquid Fuels Conference organisée par l’ASAE, page 197, Nashville,
TN, US
[75] Venendaal, R. (1997). European Energy Crops Overview - Utilization for
Power andHeat Generation and for the Produ
Compte rendu de la Third Biomass Conference of Americas, Vol. 2, page
1291, Montréal, Canada, 24 au 29 août 1997.
[76] Whiteway, P.(1997). Diesel Stinks, Canadian Mining Journal, page 10,
1997.
Williams, P.T., Andrews, G.E. et Bartle, K.D. (1987). Diesel Particulate
Emissions:
Document no 870554 de la SAE.
Ziejewski, M., Kaufman, K.R., Schwab, A.W. et Pryde, E.H. (1984). Diesel
engine evaluation of a nonionic sunflower oil - aqueous ethanol microemulsion.
Journal of the American Oil Chemists Society, Vol. 61(10), page 1620.
Tickell, J. The Great American Veggie Van Adventure,http://veg
Australian Greenhouse Office Australia’s StateandTerritoryGreenhouseGas
Inventory – Western Austr
[80] Pullan, C. et al Research Priorities for Transport Fuels from Biomass and
Other S
1981
Parker, A.J. et al Transport Fuels from Biomass. Research Opportunities
Symposium Proceeding
[82] Australian Greenhouse Office Alternative Fuels Program – Issues Paper,
Commonwealth of Australia, Canberra, 1999
Barton, Alan (Prof)
PARTEA I – COMBUSTIBILI ALTERNATIVI
114
[84] Sims, R. Yields, Costs and Availability of Natural Oils/Fats as Diesel Fuel
Substitutes, Report No LF2021 for the Liquid Fuels Trust Board, Wellington
(NZ) 1982
[85] SECWA (Now Western Power), Evaluation of Rapeseed and Sunflower oil in a
Stationary Diesel Generator, NERDDC Project No 80/0294, Januar 1984 Perth
hort.purdue.edu/newcrop/duke_energy/dukeindex.html
[89] ent Australia (National Heritage Trust) (2000b). Setting National Fuel
rs (Petrol
[90] ., Brown, R., Edwards, J., Nelson, P., Watson, H., Williams,
D. (2000) Life-Cycle Emission Analysis of Alternativ
tralia
s, R. A Comparison Of Life-Cycle Emissions Of Liquid Biofuels
[94]
[96]
849 – 858, NREL
[86] Duke, J. A. Handbook of Energy Crops, (written 1983) Unpublished on paper
but available from
http://www.
[87] Lide, D.R. et al Handbook of Chemistry and Physics, 76th Edition, CRC Press,
Boco Raton, USA, 1996
[88] Goering, B. USDOE Seminar II. Vegetable Oils as Diesel Fuel, Oct. 21, 22,
1981
Environm
Quality Standards – Paper 2 - Proposed Standards for Fuel Paramete
and Diesel), Canberra
Beer, T., Grant, T
e Fuels for Heavy Vehicles.
CSIRO, Aus
[91] Calais P. & Sim
And Liquid And Gaseous Fossil Fuels In The Transport Sector, Proceedings of
Solar 2000, Brisbane 2000
[92] Beer T. et al Comparison of Transport Fuels, Report EV45A/2/F3C for the
Australian Greenhouse Office, 2001
[93] Sheehan, J., Camobreco, V., Duffield, J., Graboski, M., Shapouri, H. (1998).
An Overview of Biodiesel and Petroleum Diesel Life Cycles. NREL, Golden,
Colorado.
Quick, G.R. A summary of some current research in Australia on vegetable oils
as candidate fuels for diesel engines. Seminar II, USDA, Peoria, IL., 1981
[95] Sims, R., (1996). The Potential for Biodiesel in New Zealand. Proceedings of
Conference ‘Applications of Bioenergy Technologies’ Rotarua, pp 139 – 148
EECA.
Sims, R., (1995). The Biodiesel Research Program of New Zealand.
Proceedings of the Second Biomass Conference of the Americas, Oregon, pp
Biogazul
115
Autor: Corneliu COFARU 6. BIOGAZUL
6.1. GENERALITĂŢI
Biogazul este un amestec de gaze combustibile, care se obţine prin
descompunerea substanţelor organice vegetale sau animale în mediu umed şi lipsă
etanul din gazele de mlaştină.
anice
vegeta
Age (20 - 45° ) au
fost cercet ul a stabilit în 1899 că la
acest proc roduşii de fermentaţie ai celulozei
una dintre e i importante de metan - Bacillus cellulosae
methanicu ntităţi importante de hidrogen - Bacillus cellulosae
hydrogenic te specii au fost reunite sub denumirea comună de
Methanob e
Ca m
de oxigen. Din acest amestec de gaze componenta de bază o reprezintă metanul (50
– 70 %), şi cantităţi variabile de CO2, vapori de apă şi hidrogen sulfurat, pot exista şi
alte substanţe în funcţie materialele supuse procesului. Primele descrieri a biogazului
au fost prezentate de către Volta la sfârşitul secolului al XVII-lea. Volta a extras
pentru prima dată m
Fermentarea materiei organice se numeşte metanizare şi se poate produce
natural sau spontan in cazul colectoarelor de deşeuri sau poate fi provocata artificial
în reactoare destinate acestui scop. Fermentarea anaerobă a materialelor org
le sau animale se desfăşoară în trei etape: hidroliză, acidogeneză şi
metanogeneză.
nţii fermentării anaerobe ai celulozei la temperaturi mezofile
aţi de Söhngen, Hoppe-Seyler si Omelanski. Ultim
es participa 2 specii de bacterii. Printre p
le formeaza cantităţ
s - iar cealaltă, ca
us. Ulterior aces
act rium omelianski.
aterie primă la formarea biogazului serveşte biomasa, ce reprezintă materiale
organice reziduale. Materia organică moartă înmagazinează energie solară
convertită în energie chimică, în componentele fotosintetizate de plantele din care a
provenit. O cantitate apreciabila din energia solara, acumulată de plante, este
stocată în celuloză.
Celuloza este principalul component a materiei organice utilizate la formarea
biogazului. Conţinutul celulozei în materia organică este de circa 50%. Dintre alte
componente putem menţiona plantele acvatice, algele, resturile animaliere etc.
În prezent există circa şapte procedee de recuperare a energiei din reziduurile
organice agricole:
• fermentarea anaerobă la temperatura mediului ambiant;
PARTEA I – COMBUSTIBILI ALTERNATIVI
116
• fermentarea anaerobă la temperaturi ridicate;
• descompunere anaerobă termofilă;
• distilarea distinctivă;
• Compostarea;
;
mă, cantitatea de metan în diogaz este de 35-80%. Alte
surse
ele de energie,
cercet
ste zambila de apa (Eichhornia crassipes). Aceasta creşte spontan în
ei este trecut prin
inii şi oxigenului, în
La descompunerea materiei organice mai
fermentative nespecializate: bacterii celulozice, lactice,
ficatoare, precum şi numeroase specii de ciuperci
• Incinerarea;
• transferul de căldură
Cel mai ridicat potenţial îl are procesul de fermentare anaerobă la temperaturi
în jur de 40°C. Prin fermentarea anaerobă microorganismele descompun materia
organică, eliberând o serie de metaboliţi, în principal dioxid de carbon şi metan. În
dependenţă de materia pri
de biomasă, care pot fi convertite în biogaz, sunt reprezentate de biomasele
foarte hidratate. Într-o clasificare a biomaselor, în raport cu problem
ătorii au inclus în grupa biomaselor foarte hidratate, plantele acvatice şi algele.
Acestea au un conţinut de apă de aprox. 95%.Caracteristic pentru culturile
energetice foarte hidratate este capacitatea extrem de mare de a-şi multiplica
biomasa într-un timp relativ scurt, ceea ce creează o disponibilitate de materie
organică ce poate fi folosită în filiera de metanizare. Dintre plantele acvatice, cea mai
cunoscuta e
lacurile din ţinuturile tropicale din Africa şi America de Sud. Alte asemenea plante
sunt: pistia, azola, iarba de mare, alga brună şi laminaria, care creste aproape 50 cm
pe zi
Cantitatea maximă de metan se obţine la fermentarea resturilor animaliere, în
special de la complexele avicole.
Biogazul necesită a fi prelucrat până la utilizare. De obic
separatoare speciale, unde metanul este separat de restul gazelor. Utilizarea
biogazului brut (preseparat) poate duce la intoxicare, deoarece în restul gazelor se
poate conţine gaze toxice.
Dintre componentele chimice ale materiei organice gradele cele mai ridicate
de conversiune în biogaz au celulozele, hemicelulozele şi grăsimile.
Fermentarea anaerobă nu poate avea loc în prezenţa lum
lipsa unui mediu cu umiditate mare.
participă microorganismele
acetice, sulfat-reductoare şi denitri
Biogazul
117
şi unele drojdii. Microorganismele menţionate îşi petrec activitatea în prima fa
fermentării.
ză a
În fa
ritatea metanobacteriilor
folo
prin re os de către metano-
bac
CO2 + 2O + Q(energie) (6.1)
En
întreţin
circa 4 ea procesului de fermentare fără
ene
mai eli , indol şi scatol.
1 - Sta ale;
- Decantor gravitaţional;
3 – Sistem de manevrare nămolui
4 - Staţie de dis
- Reactor de fermentaţie anaerobă dotat cu un clopot metalic pentru captarea
biogaz
rile rezultate în staţiile de epurare. Metanizarea acestora permite
eliminarea compuşilor organici, iar staţia respectivă poate deveni
re energetic;
•
iogaz.
za următoare, numită metanogeneză, acţionează bacteriile metanogene
anaerobe specializate în producerea de metan. Majo
sesc ca substrat numai hidrogenul şi dioxidul de carbon. Metanul se formează
ducerea dioxidului de carbon şi oxidarea hidrogenului gaz
teriile, care folosesc hidrogen. Reacţia sumară a procesului este:
4H2O --> CH4 + 2H
ergia eliminată în urma procesului este mică şi, de obicei, se utilizează la
erea procesului de bază, care are o productivitate mai mare la temperaturi de
0°C, ceea ce permite pe timp de iarnă realizar
rgie termică din exterior (nu necesită instalaţii suplimentare). Pe lângă metan se
mină hidrogen, hidrogen sulfurat, vapori de apă, amoniac, azot
O staţie de biogaz industrială este formată în general din:
ţie de pompare a apei rezidu
2
tribuţie a nămolului;
5
ului.
Sursele de biomasă ce pot fi uşor supuse procesului de metanizare cu scopul
obţinerii metanului şi al reducerii poluării mediului de pot fi:
• Deşeuri urbane, însă biogazul obţinut are o calitate slabă, rolul major al
prelucrării fiind evitarea emisiilor de metan în atmosferă;
• Deşeuri colectate selectiv şi deşeuri putrescibile şi care pot fi metanizate în
bioreactoare;
• Nămolu
independentă din punct de vede
Dejecţiile animaliere, acestea supuse metanizării pot aduce un surplus de
metan înafara consumului propriu care poate fi comercializat;
• Efluenţii rezultaţi în industria agro-alimentară pot constitui o sursă importantă
pentru obţinerea de b
PARTEA I – COMBUSTIBILI ALTERNATIVI
118
Fig. 6.1. Schema reactorului de metanizare a biomasei
cu volum mare sau presiuni ridicate în
olume mici.
re speciale, unde metanul este separat de restul gazelor. Utilizarea
at) poate du intoxicare, deoarece în restul gazelor
tă în eliminarea de CO2, a
zată constă în spălarea gazului cu apă.
Metanul este componentul care conferă biogazului valoare energetică. În
stare pură este un gaz combustibil, lipsit de culoare, miros sau gust; mai uşor decât
aerul (M=16); arde cu flacără albăstruie; are o putere calorică de 97 MJ pe mililitru
(puţin mai mult ca motorina). Biogazul, comparativ cu metanul pur, are o putere de
25 MJ/ml, din cauza prezenţei în el a bioxidului de carbon şi altor gaze. Metanul nu
se lichefiază la temperatura mediului ambiant (de la -20°C până la +40°C). Se
păstrează la presiuni joase în containere
v
6.2.VALORIFICAREA BIOGAZULUI Biogazul necesită a fi prelucrat până la utilizare. De obicei este trecut prin
separatoa
biogazului brut (presepar ce la
poate conţine gaze toxice.
Epurarea biogazului este indispensabilă pentru a-l putea comprima şi utiliza la
alimentarea motoarelor. Operaţia de epurare cons
hidrogenului sulfurat şi a apei. Tehnologia utili
O variantă consta în utilizarea apei sub presiune (20 bar).
Biogazul
119
Tabelul 6.1. Epurarea biogazului
Compuşi Biogaz brut Biogaz epurat CH4 65% 99,5% CO2 34% 0,2...0,5% H2S 0,05% < 5 ppm
Biogazul obţinut în cantităţi suficiente contribuie la diminuarea efectului de seră prin
diminuarea consumului de gaze naturale şi alţi combustibili fosili. Utilizarea
biogazului aduce un câştig financiar, o parte acoperind investiţiile în instalaţii pentru
bţine
s. În energetică poate fi ars într-un motor cu gaz
sau o
) Metanul poate fi utilizat la obţinerea hidrogenului prin descompunere
2 (6.2)
are, când se obţine carbon, vapori de apă sau oxizi de carbon şi
2CH4
acest
clorme
Prin c
organ
o rea lui, iar pe de altă parte reduce efortul financiar pentru asigurarea pieţei cu
combustibili similari.
Biogazul poate fi utilizat în diverse aplicaţii, cum ar fi:
a) Metanul se întrebuinţează ca agent energetic. Este un combustibil superior
cărbunelui şi chiar unor produse petroliere prin puterea calorică mai mare, cheltuieli
de exploatare şi transport mai redu
turbină cu gaze pentru producere de electricitate care să fie introdusă în reţea
sau poate fi ars pentru căldură pentru cogenerare. El poate fi utilizat în egală măsură
în întreprinderile consumatoare de combustibil,cum ar fi : termocentrale, fabrici de
ciment , centrale de încălzire locuinţe, etc.
b
CH4 --> C + 2H
au prin oxids
hidrogen
+ O2 --> 2CO + 4H2 (6.3)
c) Poate fi folosit ca materie primă pentru obţinerea unor produse superioare, în
sens este importantă reacţia de clorurare a metanului, în urma cărora se obţine
tan, diclormetan, tricolormetan, tetraclormetan
CH4 + Cl2 --> CH3Cl + HCl (6.4)
lorurarea metanului se obţin unii dizolvanţi şi agenţi frigorifici.
Prin nitrarea metanului se obţine nitrometanul, folosit ca dizolvant şi în unele sinteze
ice prin amonooxidare.
PARTEA I – COMBUSTIBILI ALTERNATIVI
120
d)Poate fi folosit drept combustibil al alimentarea motoarelor cu ardere internă
Biogazul obţinut este epurat şi poate fi folosit drept combustibil în motorul cu
internă, el fiind id
ardere entic cu gazul natural (GNV = gaz natural pentru vehicule).
aprins în motoare cu
funcţionarea pe gaz (rezervor, regulator de presiune, amestecător).
20 Mp este echivalent cu 1,1l benzină). Un studiu realizat în
uedia pe un autobuz alimentat cu biogaz şi prevăzut cu catalizator a evidenţiat o
ducere de 80% a emisiilor de CO, 40% a emisiilor de NOx şi 90% a emisiilor de
articule. Numai emisiile de hidrocarburi au crescut cu 20% (emisii metanice) faţă de
n autobuz dotat cu motor Diesel.
Marele avantaj la utilizarea biogazului îl constituie diminuarea emisiilor de
etan în atmosferă datorate fermentaţiei anaerobe a compuşilor organici care sunt
e cele mai multe ori deşeuri. Dioxidul de carbon rezultat în urma utilizării biogazului
re un impact mai redus asupra efectului de seră în comparaţie cu emisiile de metan
rezultat din aceiaşi cantitate de materiale organice.
Bibliografie [1] Apostolescu, N., Sfinţeanu, D. - Automobilul cu combustibili neconvenţionali. -
Editura Tehnică, Bucureşti, 1989. ISBN 973-31-0049-8.
[2] Bobescu Gh., Chiru A., Cofaru C., Radu Gh. Alex., Abăitencei H., ş.a. –
Motoare pentru Automobile şi tractoare, vol. III, Editura Tehnică Info Chişinău,
Republica Moldova, 2000, ISBN 9975-63-015-4.
[3] Cofaru.C. –Legislatia şi ingineria mediului in transportul rutier Editura
Universităţii Transylvania Brasov 2002 ,ISBN 973-635-185-8
[4] Cofaru, C., ş.a.. - Autovehiculul şi mediul. Editura Universităţii Transilvania
Braşov, 1999. ISBN 973-98512-3-1.
[5] Cofaru,C. Helerea,E.,Dumitrescu,L.,Perniu.D., Sandu,V., Materials-Energy
Sustainable d Brasov, 2002 ISBN
973-635-199-8
Datorită calităţilor de autoaprindere scăzute, amestecul aer-biogaz trebuie
cu ajutorul unei bujii. Deci motoarele Diesel trebuie convertite
aprindere prin scânteie. Şi motoarele cu aprindere prin scânteie trebuie adaptate la
Pentru a se asigura autonomia autovehiculului gazul trebuie comprimat (max.
a) (1 Nm3 biogaz epurat
S
re
p
u
m
d
a
evelopment. Editura Universitatii Transilvania
Biogazul
121
[6] Negrea, V., D., Sandu, V. - Combaterea poluării mediului în transporturile
rutiere. Editura Tehnică, Bucureşti, 2000. ISBN 973-31-1455-3.
[7] Timothy, T., Maxwell, Jesse, C., Jons. - Alternative fuels. SAE 1995. ISBN 1-
56091-523-4.
[8] W H. Crouse and D.N. Anglin, - Automotive Emission Control - McGraw Hill,
New York, 1977, 278 p.
Unitate de producere biogaz în Germania
PARTEA I – COMBUSTIBILI ALTERNATIVI
122
Audi A2 H2 dotată cu pilă de combustie
Fiat Panda dotată cu pilă de combustie alimentată cu hidrogen
Utilizarea hidrogenului in pila de combustie
123
Autor: Corneliu COFARU
7. UTILIZAREA HIDROGENULUI IN PILA DE COMBUSTIE
7.1. UTILIZAREA HIDROGENULUI IN TRANSPORT
Hidrogenul este cel mai răspândit element din Univers. Este un gaz incolor,
odor se găseşte în cantităţi mici în atmosfera
sindu-se combinat cu oxigenul sau cu carbonul în
ste absorbit de metale cum ar fi: Fe, Al, şi Cu,
lină care determină modificarea unor proprietăţi ale
in şi insipid. În stare gazoasă
Pământului, în cantităţi mari gă
compuşii organici. Hidrogenul gazos e
cu inserarea în reţeaua crista
acestora.
Proprietăţile fizico-chimice ale hidrogenului sunt prezentate în tabelul următor:
Tabelul 7.1 Proprietăţile fizico-chimice ale hidrogenului
Proprietatea Valoare Masa moleculară 2,0156
Starea normală (p0=0,1013 MPa; T0=273 K) - densitatea [kg/m3] - densitatea relativă la aer - căldura specifică la p=ct. [kJ/kg·K]
0,08987 0,06984 14,235
Temperatura de fierbere [°C] 0=0,1 -252,78 (p 013 MPa)
Raportul căldurilor specifice 1,41 Aerul teoretic arderii [Nm3 aer/Nm3 H2] 2,38 Puterea calorică inferioară [kJ/Nm3] [kJ/kg]
10760 119617
Energia minimă de aprindere [mJ] 0,02 Temperatura de autoaprindere [K] 845
Limitele de inflamabilitate (p0=0,1013 MPa; T0=273 K) - amestecuri sărace (coeficientul de exces de aer λ) - amestecuri bogate
10 0,394
Hidrogenul poate fi stocat pentru a fi utilizat ulterior în următoarele moduri:
- comprimat în butelii, procedeu dezavantajos datorită restricţiilor privind
volumul şi presiunea de încărcare care penalizează drastic încărcătura utilă a
ilizarea acestui mod
de stocare la bordul autovehiculului este neconvenabil din punctul de vedere al
autovehiculului;
- în stare lichidă; hidrogenul lichid poate fi stocat numai la temperatura de
-253 °C ceea ce impune folosirea unor rezervoare criogenice. Ut
PARTEA I – COMBUSTIBILI ALTERNATIVI
124
complexităţii şi costului sistemului (rezervor, echipamente auxiliare cum ar fi
schimbătoarele de căldură, pompele criogenice precum şi echipamentele de control,
bsorbţia hidrogenului în metal are loc printr-o reacţie exotermă iar desorbţia
rintr-o reacţie endotermă.
Hidrogenul u benzina (de 7-8
ai mare). A acteri
ridicate de funcţionare ale motoru
estecu - limite de aprindere foarte largi şi se
ază prin viteze ridicate de ardere.
altă caracteristică a uti ogenulu ustib te tendinţa
cu deton curil - ae d uşor prin contact cu
ţi.
ilizarea p unor suri constructive i de reglaj al
i pentru
- propagarea inversă a flăcării;
hidrogen - aer sărace şi prin recircularea unei părţi din gazele de
vacuare.
motoare cu aprindere prin scânteie cât şi
comandă şi siguranţă);
- în hidruri metalice: hidrurile metalice sunt compuşi chimici solizi între
hidrogen şi un metal (Fe, Ni, Cu, Mn, La, Ti, Zn, V, Pa) sau aliajele acestuia.
A
p
prezintă o viteză ridicată de difuzie comparabil c
ori m ceastă car stică favorizează
lui.
formarea amestecului la turaţiile
Am rile hidrogen aer au
caracterize
O lizării hidr i drept comb il es
arderii aţie. Ameste e hidrogen r se aprin
suprafeţele calde ale motorului sau gazele fierbin
Ut hidrogenului im une luarea mă ş
motorulu a se evita:
- tendinţa arderii rapide;
- tendinţa de ardere anormală;
- pericolul de explozie;
Din punctul de vedere al emisiilor poluante, motorul cu ardere internă
alimentat cu hidrogen poate fi considerat un motor relativ curat. Emisiile de
hidrocarburi si oxid de carbon sunt extrem de mici, ele avându-şi originea în arderea
incompletă a uleiului care ajunge în camera de ardere. Cantităţile de oxizi de azot
care se formează în camera de ardere a motorului alimentat cu hidrogen sunt
importante datorită desfăşurării arderii cu temperaturii ridicate ale flăcării. Reducerea
ratei de formare a oxizilor în camera de ardere se poate realiza prin utilizarea unor
amestecuri
e
Pot fi alimentate cu hidrogen atât
motoare cu aprindere prin comprimare.
Utilizarea hidrogenului in pila de combustie
125
Datorită complexităţii constructive a mo i, sistemului de alimentare şi torulu
stărilor.
- aer
a gazelor arse.
bţinută în pila de combustie.
bustibil în energie electrică. Energia electrică obţinută este
l combustibilului şi oxidantului
Presiunea de funcţionare [Mpa]
proceselor ce au loc în cilindrii motorului, alimentarea cu hidrogen nu a depăşit faza
te
Rezultate bune au fost obţinute la utilizarea hidrogenului drept carburant
adiţional. Adaosul de hidrogen în amestecurile combustibil convenţional
determină îmbunătăţirea procesului de ardere, diminuează dispersia ciclică ceea ce
va conduce la diminuarea emisiilor de CO, HC şi particule. Emisiile de NOx au
tendinţa de creştere însă pot fi reduse prin utilizarea unor amestecuri sărace şi prin
recirculare
7.2. PILA DE COMBUSTIE Autovehiculul electric cu pilă de combustie poate fi considerat ca un vehicul
hibrid la care energia primară este o
Configurarea unui automobil cu pilă de combustie diferă de un automobil
hibrid serie, elementele de tracţiune, comandă şi control fiind asemănătoare.
Pila de combustie este dispozitivul care transformă direct energia chimică
conţinută de un com
rezultatul procesului de oxidare a combustibilului la anod şi reducere a oxidantului la
catod.
Tabelul 7.2 Caracteristicile pilelor de combustie
Temp. de TipuTip Electrolit funcţionare
[°C]
PEMFC Membrană
(P P schimbătoare de protoni
70 - 80 HCMS ) 0,3 - 1 2 + CO2
A Alcalin 80 - 100 HFC CA) Aer fără CO2
0,1 2 - pur (PPAFC (PCAF) Acid fosforic 190 - 200 H2 + CO
(< 0,5% CO) 0,1 - 0,8
MCFC (PCCT) Carbonat topit 600 - 65 - - 0
SOFC (PCOS) Oxid solid - 800 - 1000 -
PCMSP - pilă de combustie cu membrană schimbătoare de protoni;
PCCF - pilă de combustie cu carbonat topit; PCOS - pilă de combustie cu oxid solid.
PCA - pilă de combustie alcalină; PCAF - pilă de combustie cu acid fosforic;
PARTEA I – COMBUSTIBILI ALTERNATIVI
126
Avantajul unic şi absolut al pilei de combustie este funcţionarea cu hidrogen
drept combustibil. Hidrogenul poate fi stocat la bordul autovehiculului comprimat,
în idruri etalic
la b rdul
nţei la bordul autovehiculului a unei
stalaţii de reformare pentru obţinerea hidrogenului, pot exista emisii de CO2 (de
rsat în
tmosferă).
.2.1. Pila de combustie alcalină (AFC) Această pilă utilizează drept electrolit o soluţie apoasă de KOH. Reacţiile
lectrochimice sunt:
- Anod: H2 + 2OH- → 2H2O + 2e- (7.1)
- Catod: 1/2O2 + H2O + 2e- → 2OH- (7.2)
- Reacţia globală: H2 + 1/2O2 → H2O (7.3)
Performanţele electrozilor sunt ridicate dacă se adoptă un bun compromis
tre o conductivitate ridicată şi activitatea catalitică a acestora la 70 - 80 °C.
Ambele gaze, H2 şi aer sunt circulate în sistem la presiuni reduse: 2 - 4 kPa.
În aerul atmosferic co ximativ 300 ppm; pentru a
ia acestuia cu electrolitul, conţinut de CO2 din aer trebuie diminuat la
<50 ppm.
Materialul electrozilor se bazează pe politetrafluoretilenă acoperită cu un strat
de carbon şi susţinută de o grilă de Ni. Materialul activ îl constituie cristalele de Pt
absorbite pe particulele de carbon.
Pentru ca gazele ce alimentează pila să ajungă la cristalele de Pt este
necesar ca acestea să nu conţină vapori de apă. Scurgerea electrolitului spre
compartimentele gazelor este împiedicată de către un separator poros din
politetrafluoretilenă.
Cristalele de Pt ale anodului pot fi scoase din funcţiune dacă hidrogenul
conţine CO.
Randamentul unei unităţi standard variază între 69% (la 25 A) şi descreşte la
2% (la 120 A) pentru o temperatură de lucru de 70 °C. La temperatura de 25 °C
ndamentul este de 67% (la 25 A) şi 48% (la 87,5 A).
lichefiat în rezervoare criogenice sau h m e sau poate fi obţinut la bordul
autovehiculului. În cazul stocării hidrogenului o autovehiculului, emisiile
poluante ale acestuia sunt zero. În cazul existe
in
exemplu, reformarea metanolului produce 25% CO2, care va fi deve
a
7
e
în
nţinutul de CO2 este de apro
se evita reacţ
5
ra
Utilizarea hidrogenului in pila de combustie
127
Tensiunea unităţii standard este:
- la 70 °C : 5,4 V pentru 0 A şi 3,87 V pentru 120 A;
- la 25 °C : 5,5 V pentru 0 A şi 3,5 V pentru 88 A.
Pornirea pilei de combustie se realizează în câteva minute.
Fig. 7.1. Schema pilei de combustie alcaline
7.2.2. Pila de combustie cu acid fosforic (PCAF) Principalele reacţii electrochimice care au loc într-o pilă de combustie cu acid
fosforic sunt:
- Anod: H2 → 2H+ + 2e- (7.4)
- Catod: 1/2O2 + 2H+ + 2e- → H2O (7.5)
- Reacţia globală: H2 + 1/2O2 → H2O (7.6)
În figurile 7.2. şi 7.3. se prezintă configuraţia unei celule a pilei de combustie.
PARTEA I – COMBUSTIBILI ALTERNATIVI
128
Fig. 7.2. Configuraţia celulei
a m terial lor la ncţionarea la temperatura de
încorporate în pudra de carbon depusă pe suport din politetrafluoretilenă sub formă
Fig 7.3. Dispunerea elementelor celulei
Din cauză că apare coroziune a e fu
200 °C, numai carbonul sau grafitul poate fi folosit pentru componentele structurale
ale pilei de combustie cu acid fosforic.
Electrozii utilizează platină, mai recent aliajele pe bază de platină care sunt
Utilizarea hidrogenului in pila de combustie
129
de hârtie, pâslă sau spumă, cu separatori din grafit. Cantitatea de platină utilizată
este de 0,25 mg/cm2 pentru anod şi 0,5...1 mg/cm2 pentru catod.
În pila de combustie cu acid fosforic se poate utiliza hidrogen care conţine
CO2 şi CO, CO2 acţionând ca un diluant şi reducând presiunea parţială a H2.
CO este tolerat de către anod datorită temperaturilor ridicate de funcţionare (la
ţinere în
ind de
Membrana schimbătoare de protoni este o reţea polimerică la care se
capabile să schimbe cationi sau anioni. În general materialul este
id la care
nionii
190 °C impurificarea hidrogenului cu 0,5% C este tolerată de anod).
Pentru a porni o pilă de combustie cu acid fosforic este necesar ca aceasta să
fie încălzită la 130 °C. Mai mult, celula trebuie menţinută sub o sarcină parţială
pentru a preveni coroziunea suportului de carbon al catodului. Pornirea de la
temperatura ambiantă durează în jur de o oră iar de la temperatura de men
câteva minute.
Sunt utilizate mai multe metode de răcire, în funcţie de construcţia sistemului.
Performanţele electrochimice al pilei de combustie cu acid fosforic dep
presiunea şi temperatura sistemului.
7.2.3. Pila de combustie cu membrană schimbătoare de protoni
ataşează grupuri
un acid la care grupul acid se include în matrice. Toate membranele schimbătoare de
protoni acide sunt geluri şi cer prezenţa moleculelor de apă pentru conductivitatea
protonilor.
Raportul H2O la H+ pentru a realiza conductivitatea este 3:1. În aceste condiţii,
membrana schimbătoare de protoni poate fi privită ca un simplu electrod ac
a sunt imobilizaţi în structura polimerului.
Secţiunea transversală a unei celule a pilei de combustie cu electrolit
polimeric este prezentată în figura 7.4.
PARTEA I – COMBUSTIBILI ALTERNATIVI
130
Fig. 7.4. Schema pilei de combustie cu membrană schimbătoare de protoni
Celula constă dintr-o placă conductivă bipolară (de exemplu grafit) care este presată
→ 2H2O (7.8)
ie c mem rană schimb
bus cu emb nă schimbă
este absorbit, ceea ce face posibilă
bu tibili sili ( etan, hidrocarburi, metanol,
itul combustibilului; circuitul de răcire; circuitul aerului.
pe ansamblul membranei electrod. Pe faţa anodului, hidrogenul suportă reacţia :
H2 → 2H+ + 2e- (7.7)
Protonii rezultaţi trec prin electrolitul polimeric spre catod, unde sunt catalitic
combinaţi cu O2 şi electroni după reacţia:
4H+ + O2 + 4e-
Încercările au arătat ca cel mai bun material catalitic este platina pentru ambii
electrozi.
Avantajul major al pilei de combust u b ătoare de protoni
este că poate funcţiona la temperatura mediului ambiant. Randamentul acestei pile
de combustie este de 46% până la 57%.
La sistemul de pilă de com tie m ra toare de protoni,
datorită acidităţii electrolitului CO2 nu
funcţionarea cu H2 derivat din com s fo m
cărbuni). Deoarece sistemul funcţionează la temperaturi scăzute, este extrem de
sensibil la prezenţa CO în hidrogen, determinând "otrăvirea" catalizatorului.
Sistemul conţine: circu
Utilizarea hidrogenului in pila de combustie
131
Temperatura de funcţionare este de 80 °C la presiune de 0,35 MPa dar poate
fi şi mai ridicată de 1,0 MPa. Presurizarea necesită existenţa unui compresor.
putere.
7.2 bustie
ă atingă 99,95%.
La pornirea pilei de combustie trebuie să se debiteze combustibil şi aer.
Sistemul se încălzeşte în câteva minute şi poate debita întreaga
.4. Reactanţii utilizaţi în pila de com
a) Combustibilul
Pila de combustie utilizează ca unic combustibil hidrogenul, care poate fi
stocat în rezervoare comprimat, lichefiat sau în hidruri metalice sau poate fi produs la
bordul autovehiculului.
Puritatea hidrogenului depinde de metoda de obţinere şi de tipul pilei. Pentru
pila de combustie alcalină, puritatea hidrogenului trebuie s
În pila de combustie cu acid fosforic se poate utiliza un amestec de H2 şi CO2
obţinut prin reformarea metanolului sau a gazelor naturale. Asemenea amestec
poate fi utilizat şi în pila de combustie cu membrană schimbătoare de protoni.
Tabelul 7.3. Restricţiile de impurificare a hidrogenului
PCA PCAF PCMSP CO2 <50 ppm fără restricţii fără restricţii CO <50 ppm <0,5% câteva ppm H2O - - saturat PCMSP - pilă de combustie cu membrană schimbătoare de protoni.
b) Oxigenul
În pilele de combustie cu acid fosforic şi cu membrană schimbătoare de
rotoni se utilizează aerul ambiental. În cazul pilei de combustie alcaline , trebuie să
50 ppm la sub 50 ppm.
p
se reducă conţinutul de CO2 al aerului ambiental de la 250…3
c) Instalaţia de generare a hidrogenului
Alcoolii şi combustibilii fosili susceptibili de a fi folosiţi la alimentarea pilei de
combustie nu au reactivitate electrochimică şi din această cauză ei nu pot fi folosiţi
direct. De aceea este nevoie de o instalaţie de procesare (reformare) catalitică
pentru a se obţine hidrogenul necesar alimentării pilei de combustie.
PARTEA I – COMBUSTIBILI ALTERNATIVI
132
Instalaţiei de reformare catalitică I se impun o serie de cerinţe la utilizarea pe
autovehicul: livrarea hidrogenului în funcţie de regimul de funcţionare al pilei de
combustie, să intre rapid în funcţiune, să urmărească comenzile rapid, să realizeze
conversie totală a combustibilului pentru toate valorile de sarcină, în procesul de
reformare să se obţină cantităţi neglijabile de CO pentru a se evita otrăvirea
anodului, să aibă emisii poluante zero, să fie uşoară, compactă şi ieftină.
Instalaţia de reformare catalitică include întotdeauna un reactor unde
combustibilul este descompus într-un amestec de H2, CO2 şi urme de alte gaze
n hidrogen, foloseşte procesul numit
formarea aburilor care este endotermic. Reacţia globală este de forma:
CH3OH + H2O → 3H2 + CO2 (7.9)
ă reacţie este rezultatul a două trepte în reacţia de descompunere a
CH3OH → CO + 2H2 (7.10)
C H2O → CO2 + H2 (7.11)
°C. La reactor se obţin 75% volumice H2 şi 25% volumice CO2 conţinând
ător sau
sunt: etanolul, benzina şi gazele naturale.
reform
• CO2;
•
rezulta
redus anţi pot fi soluţii apoase de mono sau dietanolamină care
dintre care principalul este CO. În funcţie de tipul pilei de combustie este posibil să
se folosească amestecul aşa cum a fost obţinut sau să fie trecut printr-o instalaţie de
purificare amplasată după reactor.
Reactorul, pentru a converti metanolul î
re
Aceast
metanolului, prima treaptă fiind endotermică de forma:
iar, a doua reacţie este uşor exotermică:
O +
Aceste reacţii au loc cu un catalizator Cu-Zn la temperaturi mai mari de 180
ieşirea din
urme de CO şi alţi compuşi.
Necesarul de căldură pentru reacţia endotermă este furnizat de un arz
un sistem elastic de încălzire.
Alţi combustibili cu potenţial de a fi folosiţi la alimentarea pilei de combustie
Instalaţia de purificare a amestecului de gaze rezultat din procesul de
are poate folosi o multitudine de procedee, printre care:
absorbţia
• preoxidare şi injecţie de oxigen;
difuzia prin membrane Pd/Ag.
Pentru a diminua conţinutul de CO2 pot fi utilizaţi mai mulţi absorbanţi. Gazele
te pot fi spălate cu apă în turnuri presurizate unde conţinutul de CO2 poate fi
la 0,1%. Alţi absorb
Utilizarea hidrogenului in pila de combustie
133
pot fi regenerate folosind căldura. Utilizarea de solvenţi în locul apei pentru
rea conţinutului de COreduce ăldură
ecesară regenerării agentului de spălare.
Pentru reducerea conţinutului de CO se utilizează instalaţii de oxidare
catalitică care utilizează o cantitate de aer controlată cu precizie pentru a nu afecta
debitul de hidrogen. Instalaţia poartă numele de unitate de oxidare preferenţială. În
această unitate, drept catalizator se utilizează platina pe suport de Al2O3. Cantitatea
de oxigen injectată trebuie să depăşească ă ori conţinutul de CO din gazele
şite din reactor.
O metodă de purificare a hidrogenului o constituie t
gaze obţinut prin reformare prin membrane Pd/Ag. Principiul de func
bazează pe faptul ca membrana este impenetrabilă la gaze, numai ionii de hidrogen
XILIARE PILEI DE COMBUSTIE
tinuu
apă, p
2 poate determina reducerea cantităţii de c
n
de dou
ie
recerea amestecului de
ţionare se
putând migra prin paladiu. Hidrogenul obţinut prin acest procedeu de purificare are o
puritate de 99,9999%.
7.3. ECHIPAMENTELE AU
Instalaţia de control al aerului are rolul de a furniza oxigenul necesar
funcţionării pilei de combustie. Elementul principal al acestei instalaţii îl constituie
compresorul şi motorul de antrenare al acestuia care trebuie să asigure presiunile
necesare funcţionării pilei. În instalaţia de control al aerului sunt amplasate şi o serie
de schimbătoare de căldură prin care se reglează temperatura şi umiditatea
acestuia.
Un element important în funcţionarea pilei de combustie îl constituie controlul
temperaturilor şi circulaţia apei. În celulele pilei de combustie se produce în con
rin combinaţia electrochimică a hidrogenului şi a oxigenului, care trebuie
înlăturată. Gazele utilizate în pilă trebuie să conţină vapori de apă pentru a preveni
uscarea membranelor. Deci, apa este produsă şi consumată în sistem. Atât
elementele pilei de combustie cât şi cele ale instalaţiei de reformare funcţionează cu
temperatură controlată iar circuitul apei realizează acest lucru dispunând de un
sistem complex de schimbătoare de căldură.
Controlul parametrilor de funcţionare ai unei instalaţii de obţinere a energiei
electrice cu pilă de combustie este dificil datorită complexităţii. trebuie reglate
PARTEA I – COMBUSTIBILI ALTERNATIVI
134
debitele, temperaturile şi presiunile gazelor şi fluidelor care participă în proces pentru
a obţine eficienţa globală maximă a sistemului.
[3] Le
ecomposition.Haldor Topsoe
requirements
vol.23A,1989.
[6] Proceedings of the 24th ISATA International Symposium on Automotive
brid drive. 3.Aachener Colloquium Automobile and Engine Technology,
Bibliografie [1] Linden, D. Handbook of Baterries and Fuel Cell. Mc.Graw-Hill Book Company
.1983
[2] Appleby,A.J., Foulkes,F.R. Fuel Cell Handbook. Van Nostrand Rheinhold. New
York. 1988
mons,R.A. Fuel Cell for Transportation. Journal of Power Sources 29.1990
p.251-264.
[4] Laursen,J.K. Hydrogen Generation by Methanol D
A/S DK-2000 Lyngby, Copenhagen, Denmark.
[5] DeLuchi,M., Wang, Q.,Sperling,D.. Transportation Research, Electric Vehicles:
Performances, Life Cycle Costs, Emissions, and recharging
Technology and Automation. Florence, Italy, 20-24 May 1991. Electric/Hybrid
Vehicles.
[7] Kaberlah, Q. Hybrid drives systems for cars. Automotive Engineering
Vol.99,No 7 July 1991.
[8] Harbola,B.,Buschhaus,W. Concept selection and development of a passenger
car hy
Aachen, Oct.1991.
[9] Maggetto,G., Van den Bossche,P. Advanced Electric Drive Systems for Buses,
Vans and Passenger Cars to Reduce Pollution. Summary Report .1992
Utilizarea hidrogenului la alimentarea MAI
135
Autori: Roger SIERENS Sebastian VERHELST
8. UTILIZAREA HIDROGENULUI LA ALIMENTAREA MOTOARELOR CU A
chipate cu catalizatoare cu 3 căi şi cu sisteme
compli
cred – care sunt deja foarte rari au trebuit să admită
posibil
25% din totalul emisiilor de CO2) la 140 g/km în
2008.
RDERE INTERNĂ
8.1. DE CE HIDROGEN? Încurajările pentru dezvoltarea unei economii bazată pe hidrogen ca purtător
de energie sunt foarte bine cunoscute, cele mai importante argumente fiind emisiile
scăzute şi varietatea de termen lung a metodelor de producere. Pot exista diferende
pe tema emisiilor „curate”, care au devenit din ce în ce mai nepoluante în cazul
motoarelor moderne pe benzină, e
cate de management al motorului. S-a demonstrat că unele autovehicule
aflate deja pe piaţă au un nivel foarte scăzut al emisiilor poluante, noile tehnologii
permiţând autovehiculelor chiar să cureţe aerul din zona în care se deplasează.
Totuşi, emisiile rămân o problemă ţinând cont că numărul poluanţilor este în
creştere, lăsând la o parte tehnologiile de reducere a poluării. Al doilea interes pentru
hidrogen îl reprezintă combustibilii fosili. Aceştia sunt în general hidrocarburi, din
compoziţia cărora rezultă CO2, care a fost numit ca fiind cel mai radioactiv pentru
atmosfera pământului, rezultând încălzirea globală sau aşa numitul “efect de seră”[
termenul “forţare radioactivă” este folosit în ştiinţă pentru a arăta tulburările radiaţiilor
atmosferice prin comparare a energiei primite (soarele) şi cea cedată (radiaţia în
spaţiu).]. Chiar şi cei ce nu
itatea efectelor dezastruoase rezultate din continuarea emiterii sau chiar
creşterea emisiilor de CO2 având provenienţă activităţile umane.
Toate părţile protocolului de la Kyoto, s-au angajat să reducă antropogeneza
emisiilor de dioxid de carbon sub nivelul celui din 1990 în perioada 2008-2012, astfel
eficienţa transformării energiei va trebui s[ crească sau trebuie promovate sursele
alternative de energie ce nu produc dioxid de carbon. Asociaţia Constructorilor de
Automobile Europeni au ajuns la un acord privind reducerea emisiilor de CO2 din
transportul rutier (cu aproximativ
PARTEA I – COMBUSTIBILI ALTERNATIVI
136
Hidrogenul este privit ca un agent de mărire securităţii energiei, fiindcă
rezerv
faptul că producţia
MIA DE HIDROGEN
i rezolvată de orice ţară care are surse de
energi
bustie) cât şi mari facilităţi de producţie. Înlocuirea bateriilor laptop-urilor
şi tele
te surse sunt
ele de combustibili fosili sunt concentrate geografic, cea mai mare concentrare
a resurselor energetice fiind în regiunile instabile politic.
Mai mult rezervele energetice clasice sunt finite, este evident
petrolieră a atins un maxim sau va fi atins în viitorul foarte apropiat În sfârşit,
combustibili fosili vor deveni materie primă pentru industria polimerilor.
8.2. ECONOAceastă lucrare ar fi incompletă fără câteva remarci asupra economiei de
hidrogen, un cuvânt cheie privind numeroasele posibilităţi de utilizare a hidrogenului
ca purtător de energie. Aceste posibilităţi au fost create datorită numărului mare de
utilizare a tehnologiilor de producere de hidrogen. Câteva ilustraţii sunt prezentate
aici, pentru cititorii interesaţi sunt referiri în alte lucrări detailate prezentate în
bibliografie.
Dacă hidrogenul poate fi obţinut din combustibili fosili şi din surse
regenerabile, problema energiei poate f
e suficient de mari. Câteva dintre insulele retrase cu surse regenerabile, pot
avea primele economii bazate pe hidrogen, ţinând cont că sectorul de transport al
acestora se bazează pe importuri de uleiuri scumpe şi ameninţarea cu schimbarea
climei, şi-au manifestat interesul şi au făcut şi primii paşi în acest sens, Islanda,
Hawaii şi Noua Zeelandă, care pot să se confrunte cu mari greutăţi în viitor
(creşterea nivelului marilor).
Hidrogenul poate fi ars în motoarele cu ardere internă sau în turbinele cu gaze
sau în combinaţii cu oxigenul în pilele de combustie, producând electricitate. Astfel,
hidrogenul poate (în teorie) înlocui surse mici de energie (înlocuind bateriile cu mici
pile de com
foanelor mobile, poate fi foarte profitabilă, astfel încât creşterea autonomiei
dată de pilele de combustie poate fi un avantaj competitiv la un nivel mai mare.
Cuvinte de precauţie sunt amintite în literatura şi în informaţiile generale
privind economia de hidrogen şi pile de ardere. Se pare că cele mai mul
foarte optimiste sau vin de la oponenţi fanatici. Omiterea datelor esenţiale
(intenţionat sau nu), false sau adevărate, înţelegeri greşite, etc. sunt din păcate
destul de comune. Studiile Sondă la roată “Well To Wheels” (WTW) au astfel de
Utilizarea hidrogenului la alimentarea MAI
137
înclinaţii şi rezultatele depind în mare măsură de grupurile de interese, publicând
(sau plătind) studiile ( de exemplu studiile privind alegerea celui mai bun combustibil
pentru
a interesului publicului şi persoanelor neimplicate în
ştiinţă,
este justificată
de teh
TERNĂ?
rea a
hidrogenului. Alimentarea motoarelor cu ardere internă cu hidrogen precum şi a
crare s-a ocupat de utilizar enului la motoarele cu ardere internă
otoarele cu e internă au beneficiat de o dezvoltare
mai mult de un seco că mai prez otenţial pentru optimizări
ogia pile e combustie încă la început; aceasta
lor d bustie fiind prohibitiv. Cei ce încurajează
mbustie, spun că preţul va scădea (preţul curent face diferenţa
pilele de ardere, vezi Dunn).
Cu toate că aceste rezultate sunt controversate, ele au fost în parte
responsabile pentru creştere
în continuare trebuie avut grijă să nu se piardă credibilitatea publicului
general. Este important să aibă o privire realistă asupra posibilităţilor, la fel asupra
problemelor asociate cu utilizarea hidrogenului. Una peste alta, putem spune că
hidrogenul oferă potenţial pentru a câştiga o parte din piaţă. Aceasta
nologiile curente bazate pe hidrogen, la fel şi părţile care au investit ( sau au
de gând să investească) sume mari în proiecte de cercetare, dezvoltare, demonstraţii
şi educaţie. Părţile implicate cuprind guverne (U.S., E.U., Japonia, ş.a), companii
petroliere (Shell, BP, Amoco, ş.a.), ţări producătoare de petrol(Dubai) si marii
producători de autovehicule.
Cele mai importante provocări pentru dezvoltarea economiei de hidrogen, se
poate împărţi în trei categorii, economic, de exemple: costul producţiei de hidrogen,
transport, stocare unde pila de combustie şi motoarele termice pe hidrogen trebuie
să devină competitive; tehnologic, aici problemele privind stocarea sunt cele mai
presante şi în fine dar nu cea din urmă categorie socială unde percepţia publicului
asupra hidrogenului trebuie sa fie legată strâns legată de lanţul producere de energie
şi utilizatorul final (datorită descentralizării producerii energiei sau chiar forţării pentru
utilizarea energiei regenerabile)
8.3. DE CE HIDROGEN ÎN MOTOARELE CU ARDERE IN
Aşa cum s-a menţionat înainte, sunt un număr de tehnologii de utiliza
pilelor de combustie, sunt două căi propuse sectorului transport.
Această lu ea hidrog
din următoarele motive: m arder
continuă timp de l şi în intă p
viitoare.
Pe de altă parte, tehnol lor d este
se reflectă şi în preţ, costul al pile
utilizarea pilelor de co
e com
PARTEA I – COMBUSTIBILI ALTERNATIVI
138
între pile de combustie şi motoare ardere in ) prin intermediul unor
econ e , dar treb ă se ia în c rile
lelor electrice care nu au reuşit să devin ate. În
nui mo cu ardere in în motor cu hidrogen îi
dar acest cost este limitat.
ard internă, permite funcţionarea cu doi
ă cât şi pe hidrogen)
şi cerinţele de autonomie. Acest lucru ar
putea facilita începutul unei economii bazate pe hidrogen, unde experienţa
acumulat
mbustie, randamentul total fiind astfel mai scăzut.
În plus, eficien
ţiile cu regim de lucru uşor deoarece ele sunt încărcate parţial
majoritatea timpului, dar poate deveni un lucru important din punct de vedere al
cu hidrogen.
Frecvent se face menţiunea că pila de combustie nu este limitată de
randamentul ciclului Carnot al motoarelor termice, ceea ce este în fond adevărat, dar
cei mai mulţi uită că randamentul Carnot este expresia celei de a doua lege a
le cu ternă
dezvoltări ulterioare şi diferenţe omic uie s alcul păre
despre preţurile bateriilor vehicu ă realit
mod normal, transformarea u
creşte costul
tor ternă
Folosirea motoarelor cu ere
combustibili (ex. motorul poate funcţiona atât pe benzin
crescând densitatea staţiilor de benzină
ă în legătură cu transportul, alimentarea şi depozitarea se transferă în mod
direct asupra vehiculelor alimentate cu hidrogen.
Pilele de combustie au încă handicapul problemelor legate de pornirea la rece
(îngheţarea pilelor de combustie) şi de necesitatea utilizării unui hidrogen pur pentru
a evita otrăvirea pilelor de combustie. Motorul cu ardere internă nu are asemenea
probleme.
Eficienţa teoretică reprezintă cel mai mare avantaj al pilelor de combustie.
Totuşi, pilele de combustie încă nu ating această eficienţă ridicată. Stiva de pile de
combustie (al cărui randament este de cele mai multe ori menţionat) este o parte a
sistemului pilei de co
ţa scade o dată cu creşterea sarcinii (pierderile din cadrul pilelor cresc
cu pătratul curentului din pila de combustie). Acesta nu este un dezavantaj major
pentru aplica
aplicaţiilor cu regim de lucru greu.
Diferenţa mare dintre eficienţa teoretică a stivei de pile de combustie şi
eficienţa efectivă a unui motor cu ardere internă apare doar pe hârtie, în practică,
aceasta fiind mult mai mică.
În plus, motoarele cu hidrogen au potenţial pentru a creşte puterea motorului,
cu un randament indicată demonstrat de 52%, pentru un motor cu aprindere prin
scânteie alimentat cu hidrogen şi cu un randament pentru puterea generată de 49%,
pentru un motor cu aprindere prin comprimare alimentat
Utilizarea hidrogenului la alimentarea MAI
139
termodinamicii, ceea ce este valabil şi pentru pila de combustie şi atunci totul
condu
Tabel
ce spre un randament teoretic maxim.
În concluzie, atât motoarele cu ardere internă cât şi pilele de combustie care
sunt alimentate cu hidrogen au amândouă avantaje şi merită să fie cercetate pentru
a li se demonstra adevăratul potenţial. Motorul cu ardere internă alimentat cu
hidrogen poate fi folosit ca o tehnologie de tranziţie spre pilele de combustie sau
poate avea propria parte de piaţă alături de acestea (şi alte tehnologii). În principal
această secţiune tratează proprietăţile hidrogenului importante pentru M.A.I,
comparaţia între hidrogen şi combustibilii convenţionali şi prezintă starea actuală a
cercetărilor legate de m.a.i.-ul pe bază de hidrogen.
8.4. PROPRIETĂŢI RELEVANTE ALE HIDROGENULUI
Hidrogenul are proprietăţi foarte diferite faţă de combustibilii tradiţionali.
8.1. Comparaţia proprietăţilor hidrogenului cu cele ale metanului şi ale benzinei
Proprietăţi Hidrogen Metan Benzină
Greutate moleculară (g/mol) 2.016 16.043 ~107
Densitate (kg/m3 ) 0.08 0.65 ~750
Difuzitatea masică în aer (cm2/s) 0.61 0.16 0.05
Viscositatea cinematică (mm2/s) 110 17.2 1.18
Proporţia volumică pentru amestec 29.5 9.5
stoichiometric (în aer)
1.65
Energia minimă de aprindere (mJ) 0.02 0.28 0.25
Temperatura de auto aprindere(K) 858 813 ~500-750
Temperatura flăcării adiabatice(K) 2390 2225 ~2275
Emisivitatea flăcării normalizate
(200K,1atm)
1 1.7 1.7
Limita de inflamabilitate în aer (vol.%) 4-75 5-15 1.0-7.6
Distanţa de stingere a flăcării (mm) 0.64 2.03 ~2.0
Valoarea calorică inferioară(MJ/kg) 120 50 45
Valoarea calorică superioară (MJ/kg) 142 55 48
Tabelul 8.1 prezintă cele mai importante proprietăţi fizice şi cele legate de
ardere ca punct de referinţă pentru următoarea prezentare. Toate temperaturile şi
presiunile dependente sunt date în condiţii de temperatură şi presiune normală,
PARTEA I – COMBUSTIBILI ALTERNATIVI
140
proprietăţile legate de ardere citate sunt în condiţii stoichiometrice de ardere. Mare
parte din date sunt fie rotunjite, fie aproximate pentru a facilita compararea lor.
Datele exacte pot fi găsite în bibliografia citată.
Temperatura de autoaprindere a hidrogenului este mai mare decât cea a
metanului şi decât cea a benzinei. Acest lucru face ca hidrogenul să fie potrivit mai
ales pentru procesul de aprindere cu scânteie şi nepotrivit pentru aprinderea prin
comprimare.
Restul lucrării va trata în consecinţă exclusiv motoarele cu aprindere cu
rin care un
motor
şi o formă
incipie
scânteie mai puţin în cazul în care se afirmă explicit că se va vorbi despre un alt
element.
8.5. SINTEZĂ LITERATURĂ: CERCETAREA EXPERIMENTALĂ
Literatura de specialitate care tratează motoarele cu ardere internă alimentate
cu hidrogen este foarte stufoasă, lucrări pe acest subiect au fost publicate începând
cu anul 1930 şi până în prezent, majoritatea concentrându-se în anumite perioade de
timp (ex. în timpul şi după perioada crizei petrolului). Un rezumat al celor mai
importante descoperiri este realizat în următoarele secţiuni cu scopul de a clarifica
unele afirmaţii contradictorii şi de a oferi o imagine asupra trăsăturilor p
pe bază de hidrogen diferă de unul convenţional.
8.5.1 Arderea anormală
Suprimarea arderii anormale în motoarele cu hidrogen s-a dovedit a fi foarte
provocatoare şi măsurile luate pentru a evita aceste arderi au implicaţii asupra
proiectării motorului, formării amestecului şi controlul umplerii. Pentru M.A.S. există
trei tipuri de ardere anormală: detonaţia (autoaprinderea amestecului aflat în faţa
frontului de flacără), aprindere în avans înainte de scânteie (ardere necontrolată
indusă de către un punct cald, prematur al aprinderii cu scânteie) şi întoarcerea
flăcării (aprinderea prematură în timpul de admisie care poate fi privită ca
ntă a pre-aprinderii).Efectele detonaţiei şi pre-aprinderii sunt bine cunoscute:
în cel mai bun caz zgomotul si vibraţia, iar în cel mai rău caz afectarea majoră a
motorului. Efectele întoarcerii flăcării sunt un zgomot puternic în cel mai bun caz , o
oprire a motorului datorată consumului de combustibil înainte ca acesta să poată
intra în cilindrii şi să lucreze sau o distrugere a colectorului de admisie în cel mai rău
caz.
Utilizarea hidrogenului la alimentarea MAI
141
Întoarcerea flăcării a fost un obstacol dificil de surmontat în dezvoltarea
motoarelor cu hidrogen. Majoritatea, dacă nu chiar toată literatura de specialitate
timpurie menţionează cauzele întoarcerii flăcării deoarece se produce foarte des în
cazul
şi particulele provin din arderea (parţială) uleiului lubrifiant
şi/sau
aprinderea într-un alt cilindru
când c
rinderea este des întâlnită în motoarele cu hidrogen datorită
energi
vansului a pre-aprinderii continuă până ajunge în cursa de admisie ceea
ce va determină întoarcerea flăcării determinând rateuri. Mecanismul este numit
motoarelor pe bază de hidrogen cu formarea externă a amestecului
(întoarcerea flăcării se poate produce când combustibilul este prezent în canalul de
admisie).Cauzele citate pentru întoarcerea flăcării sunt:
• Puncte calde în camera de ardere: depuneri şi particule, bujia, gazele reziduale,
supape de evacuare, etc. Aceste puncte calde sunt citate ca fiind cauzele întoarcerii
flăcării “datorită energiei scăzute de aprindere a hidrogenului” care este în ordinea
magnitudinii mai mică decât a hidrocarburilor şi a limitelor largi de inflamabilitate (vezi
Tabel 1.1.) Depunerile
formării de rugină pe parcursul unei neutilizări prelungite (motoare mai vechi).
• Energie reziduală în circuitul de ardere datorită concentraţiei scăzute de ioni a
flăcării hidrogen/aer comparată cu flacăra hidrocarbură/aer ,este posibil ca energia
de ardere să nu fie complet cuprinsă în flacără şi să rămână în circuitul de aprindere
până când condiţiile cilindrului sunt în aşa fel încât o a doua nedorită aprindere se
poate produce mai ales în timpul destinderii sau al admisiei când presiunea este
scăzută.
• Inducţia în cablul de aprindere, la motoarele cu mai mulţi cilindrii aprinderea
controlată într-unul dintre cilindrii poate cauza şi induce
ablurile de aprindere sunt plasate unul lângă celalalt.
• Arderea în zona superioară a capului pistonului persistă până în momentul
deschiderii supapei de admisie aprinzând noua încărcătură. Aceasta este cauzată de
un strat limită mai redus stingere a flăcării a amestecurilor de hidrogen comparat cu
cel al hidrocarburilor tipice, acest fapt dă ocazia flăcării de hidrogen să se propage la
suprafaţă.
• Pre-aprinderea: pre-ap
ei scăzute pentru aprindere şi a limitelor de inflamabilitate largi ale
hidrogenului. Ca şi o ardere prematură care cauzează arderea majorităţii
amestecului în timpul compresiei, temperatura în camera de ardere creşte, ceea ce
determină apariţia punctelor calde care conduc spre pre-aprindere la o temperatură
mărită, rezultând pre-aprinderea amestecului mai devreme la ciclul următor. Această
înaintare a a
PARTEA I – COMBUSTIBILI ALTERNATIVI
142
funcţio
rinde în mod spontan. Din
mome
easta înseamnă că distanţa de stingere a hidrogenului (împreună cu
limitele
fără rateuri este atribuită de constructorii soluţiilor privind răcirea intensivă, controlul
nare anormală a preaprinderii şi poate rezulta şi de la un ciclu cu detonaţie
care creşte temperatura camerei de ardere şi care creează puncte calde.
Opinia autorului este aceea că energia de aprindere cu nivel scăzut este
deseori considerată drept cauza principală a rateurilor. Energia necesară aprinderii
se defineşte ca energia minimă necesară pentru a aprinde amestecul. Pentru ca
amestecul să se aprindă, în timp ce aprinderea maselor precum supapele sau gazele
reziduale influenţează temperatura de autoaprindere a amestecului, temperatura
trebuie să atingă nivelul la care amestecul se va ap
nt ce temperatura de autoaprindere a hidrogenului este destul de ridicată (mai
mare decât cea a metanului si a benzinei, vezi Tabelul 8.1), pare aproape imposibil
ca aceste mase termice să determine rateul, deoarece, în cazul în care motorul este
setat corespunzător, ele ating foarte greu temperatura de autoaprindere.
S-a demonstrat că pentru a asigura autoaprinderea în cazul motoarelor cu
ardere internă care folosesc hidrogen, sunt necesare raporturi foarte mari de
comprimare. Din acest motiv, este puţin probabil ca gazele reziduale, spre exemplu,
să determine în mod termic aprinderea (în cazul unor condiţii normale de funcţionare,
având un timp optim pentru scânteie, etc). În plus, acest lucru nu explică apariţia
rateurilor în condiţii de temperaturi mici. De asemenea, în cazul unui motor ce
funcţionează în condiţii bune, apar depuneri şi particule deşi concentraţia acestora
este foarte mică la motoarele cu hidrogen. Praful din aer este totuşi prezent, în ciuda
funcţionării filtrului de aer.
Au avut loc experimente în care au fost eliminate aprinderile necontrolate, dar
şi toate punctele calde (prin curăţarea cu mare atenţie a motorului, un control
avansat al uleiului sau chiar operaţiuni nelubrifiate, evacuarea gazelor reziduale, bujii
reci, supape de evacuare răcite...) şi totuşi au apărut întoarceri ale flăcării, deci,
rateuri . Ac
largi de inflamabilitate) care determină arderea amestecului aflat în zona
superioara a pistonului este de fapt un parametru care a fost trecut cu vederea de
către mulţi constructori.
De asemenea, s-a demonstrat că motoarele funcţionând cu hidrogen în
amestec stoichiometric nu au avut întoarceri ale flăcării printr-o selectare atentă a
segmenţilor de piston şi a volumului interstiţiilor, nefiind nevoie de injecţie
sincronizată sau de răcirea supapelor de evacuare . Creşterea zonei de funcţionare
Utilizarea hidrogenului la alimentarea MAI
143
uleiului prin montarea de diferiţi segmenţi de piston, baleiaj intensiv al camerei de
ardere etc. Atribute prin care se obţine o funcţionare fără rateuri pentru a reduce
puncte
rii camerei de ardere. Alţii însă, consideră că este necesară o creştere a
portului de comprimare, ce rezultă într-o creştere a raportului dintre suprafaţa şi
tfel determinând creşterea transferului de căldură şi a
răcirii g
. Amândouă sunt mecanisme valide şi indică existenţa unui raport de
com r a puterii datorită creşterii
ran
pentru
motoru
cauzele
enu e
motor cestui fenomen, având în
ved e
norma uită ca rezultat al zonelor fierbinţi,
apa i pre-aprinderea
ceea
„hidrogenul are o cifra octanica efectivă mare” iar alta că „cifra octanică echivalentă a
le calde dar în acelaşi timp însă, constructorii au luat măsuri (chiar poate fără
a o realiza) de diminuare a arderii cauzată de interstiţii.
În literatura de specialitate ce se referă la legătura dintre rateuri-raportul de
comprimare există totuşi unele ambiguităţi. Unii autori menţionează o scădere a
raportului de comprimare pentru a creşte rezistenţa la rateuri prin scăderea
temperatu
ra
volumul camerei de ardere, as
azelor reziduale.
Un raport de comprimare mărit determină scăderea cantităţii de gaze
reziduale
p imare optim: mărirea lui determină o creştere
damentului până la un anumit punct, în timp ce amestecul trebuie să fie mai sărac
a evita pre-aprinderea amestecului în acest caz va apare o scădere a puterii
lui.
Pentru a încheia discuţia cu fenomenul de întoarcere a flăcării: toate
m rate mai sus pot avea ca rezultat aprinderea inversă şi prin proiectarea unui
alimentat cu hidrogen se poate încerca evitarea a
er ca sunt posibile şi alte condiţii de funcţionare ale motorului decât cele
le. Chiar dacă aprinderea inversă care e atrib
riţ a zonelor fierbinţi trebuie să fie prevenită deoarece pot cauza
ce determină creşterea încărcării termice a motorului şi poate avea efecte
dăunătoare chiar fără să conducă la aprindere inversă.
Comportamentul la detonaţie al motoarelor cu hidrogen a fost înţeles greşit
mai mult decât fenomenul de aprindere inversă. Cu aprindere inversă, câteva cauze
au fost încurcate sau efectele lor au fost supraestimate, dar având în vedere
detonaţia, există afirmaţii contradictorii în literatura de specialitate. Majoritatea
lucrărilor nu reuşesc să sublinieze faptul că rezistenţa la detonaţie este o proprietate
a amestecului aer/combustibil, specificând cifrele octanice dar fără a da rapoartele
de echivalenţă corespunzătoare. Unele lucrări pretind că cifra octanică are valori
foarte scăzute, altele ca au valori foarte ridicate. O lucrare a afirmat atât că
PARTEA I – COMBUSTIBILI ALTERNATIVI
144
hidrogenului este destul de scăzută”!. Doar câteva lucrări menţionează cifrele
octanice ca funcţie a unui amestec bogat. Experimentele au indicat şi faptul că
hidrogenul poate acţiona ca un antidetonant atunci când este adăugat într-un
amestec de iso-octan fără plumb.
Există dovezi care arată cauzele detonaţiei hidrogenului pot fi diferite de cele
ale detonaţiei benzinei, fiind cauzată de vitezele foarte mari ale flăcării şi nu ca o
reacţie a gazelor aflate în faţa frontului flăcării. Astfel, reducerea gradientului presiunii
ar fi o măsură mai eficientă pentru a controla detonaţia decât să se limiteze perioada
de ardere.
Din literatura experimentală despre M.A.S.-urile alimentate cu hidrogen, pre-
aprinderea pare să fie factorul de limitare al rapoartelor de comprimare, avansului la
aprindere şi al amestecului şi nu detonaţia. Au fost publicate rezultatele măsurărilor
realiza
amestecurile
stoichi
Au fost testate mai multe modalităţi de formare a amestecurilor pentru
oritatea urmărind funcţionarea fără aprindere
inversă
te pe motor cu raport de comprimare de 11:1 şi presiune de supraalimentare
de 0.85 bar la amestecuri stoichiometrice şi de asemenea rezultatele la utilizarea
unor amestecuri sărace la rapoarte de comprimare de 14:1 sau mai mult fără apariţia
detonaţiei. Astfel, se pare că se poate spune că hidrogenul are o cifra octanica
efectivă mai mare decât benzina regular şi ar fi interesant dacă ar fi disponibile date
cantitative.
Se poate nota că munca experimentală şi teoretică a lui Karim şi a colegilor
săi indică regiuni foarte largi de detonaţie, unde se spune că
ometrice pot detona şi la rapoarte de comprimare de 6:1. Deoarece aceste
rezultate contrazic toate experimentele raportate în literatura de specialitate acestea
par a fi foarte neverosimile şi sunt probabil afectate de alte cauze, necunoscute
autorilor.
8.5.2 Formarea amestecului
motoarele alimentate cu hidrogen, maj
• Amestec format în exterior folosind un carburator;
• Amestec format în exterior prin „inducţie paralelă”: câteva modalităţi de
întârziere a alimentarii cu hidrogen, ex. conducta de alimentare este închisă
de o supapă separată poziţionată deasupra supapei de admisie care se
deschide doar când supapă de admisie s-a deschis suficient de mult ;
Utilizarea hidrogenului la alimentarea MAI
145
• Amestec format în exterior folosind un carburator şi injecţia de apa, câteodată
folosind şi recircularea gazelor de evacuare (EGR);
• Amestec format în exterior cu injecţie de combustibil în colector sau în poarta
supapei câteodată şi cu „inducţie paralelă;”
• Amestec format în interior prin injecţie directă de combustibil.
Injecţia de apa, introducerea întârziată a hidrogenului şi injecţia directă sunt
toate menite să întârzie sau să prevină aprinderea inversă fie prin răcire
suplimentară sau evitând un amestec ce se poate aprinde în timpul ciclului de
admisie. În ultimul deceniu, doar injecţia în poarta supapei şi injecţia directă (în
timpul compresiei sau mai târziu) au fost utilizate deoarece alte metode nu sunt la fel
de flexibile şi nu pot fi controlate atât de uşor. Formarea amestecului în exterior prin
injecţia în poarta supapei a dovedit a avea eficienţa crescută, funcţionare prelungită
cu amestecuri sărace, variaţii ciclice mici şi niveluri mai scăzute de NOx în
comparaţie cu injecţia directă. Aceasta este consecinţa creşterii omogenităţii datorate
itată din cauza scăderii coeficientului de umplere: din
cauza
e întârzie momentul
injecţiei. Formarea amestecului în exterior oferă un grad de libertate crescut privind
perioadelor prelungite de amestecare pentru injecţia în poarta supapei ,de asemenea
şi amestecarea mai ineficientă pentru injecţia directă deoarece turbulenţa generată
de admisie contribuie mai puţin la formarea amestecului. În plus, costul şi
complexitatea sunt semnificativ mai scăzute pentru injecţia în poarta supapei faţă de
injecţia directă şi este posibilă echiparea ulterioară a echipamentului pe un motor
existent. Pe de alta parte, puterea unui motor cu hidrogen a cărui amestec se
formează în exterior este lim
densităţii scăzute a hidrogenului şi cerinţele scăzute de aer pentru amestecuri
stoichiometrice, volumul ocupat de hidrogen în cilindru în amestec stoichiometric
poate ajunge la 29.5% (Tabelul 8.1) Aceasta duce la o scădere a nivelului de energie
cu 18% a hidrogenului în comparaţie cu benzina. Dacă injecţia directă este folosită
pentru a introduce hidrogenul după ce supapa de admisie a fost închisă, puterea
maximă poate fi cu până la 17% mai mare decât la utilizarea benzinei.
Avantajul important al injecţiei directe faţă de injecţia în poarta supapei este
imposibilitatea apariţiei autoaprinderii. Şi aceasta determină creşterea puterii maxime
a motorului în cazul injecţiei directe faţă de injecţia în poarta supapei, deoarece pot fi
folosite amestecuri mai bogate fără riscul de a apărea aprindere inversă. Pre-
aprinderea poate totuşi apărea, exceptând cazul în care s
PARTEA I – COMBUSTIBILI ALTERNATIVI
146
stocarea hidrogenului: Injecţia directă în timpul compresiei necesită hidrogen sto
la presiuni înalte, deci necesită stocarea hidrogenului în stare lichidă.
Astfel, atât
cat
formarea exterioară cât şi interioară a amestecului au avantaje şi
dezava
valuări recente ale tehnicilor
trolul
arcinii. Vitezele ridicate ale flăcării amestecului hidrogenului şi nivelul sau ridicat de
mestecuri sărace şi substanţial diluate.
Randa
uşor de utilizat şi poate realiza uşor amestecuri sărace.
Hid r
poate
rezerv
Compr
şi o cr
clapeta de accelera ie deschisă la maxim este folosită pentru a utiliza avantajul
cre
loc de
din po
maxim
foarte
strang
creşte
Mai m
scăder
strang
atunci
ntaje. Injecţia directă este mai bună pentru performanţe în sarcină maximă
(putere maximă) şi injecţia în poarta supapei este mai bună la sarcini parţiale
(randament maxim al motorului). Au fost propuse proiecte diferite de motoare,
folosind ambele modalităţi de formare a amestecului. E
de formare a amestecului pentru hidrogen pot fi găsite în bibliografia prezentată
8.5.3 Strategii de control al sarcinii Hidrogenul este un combustibil foarte instabil când e vorba de con
s
inflamabilitate permite funcţionarea sa în a
mentul motorului şi emisiile de NOx sunt cei doi parametrii folosiţi pentru a
stabili strategia de control a sarcinii A fost folosit un raport constant de echivalenţă
pentru funcţionare clapetei de acceleraţie, în special pentru scopuri demonstrative
deoarece este destul de
ru ile metalice pot furniza doar hidrogen la presiune joasă, hidrogenul comprimat
fi utilizat dar aceasta limitează conţinutul efectiv al rezervorului deoarece
orul nu poate fi golit decât la presiunea de injecţie a combustibilului.
imarea hidrogenului gazos la bordul autovehiculului ar necesita un compresor
eştere substanţială de energie necesară. Unde este posibil, funcţionarea cu
şterii randamentului, reglând sarcina şi bogăţia amestecului (controlul calitativ) în
coeficientul de umplere (controlul cantitativ) deci evitând pierderile rezultate
mpaj. Limitările privind funcţionarea cu clapeta de acceleraţie deschisă la
sunt datorate lipsei aprinderii, hidrogen nears şi stabilitate scăzută la sarcini
mici (ralanti) şi emisiile de NOx crescute la sarcini medii şi mari. Astfel,
ularea prin închiderea clapetei este utilizată la sarcini foarte mici pentru a
stabilitatea arderii şi să scadă nivelul de emisii de hidrogen nears.
ult, aceasta creşte randamentul în aceste condiţii: creşterea randamentului prin
ea emisiilor de hidrogen nearse compensează scăderea randamentului prin
ulare datorată de închiderea clapetei de acceleraţie. Randamentele motoarelor
când sunt strangulate şi atunci când funcţionează cu clapeta de acceleraţie
Utilizarea hidrogenului la alimentarea MAI
147
deschi
amest la care se foloseşte strangularea depinde de motor şi variază între λ =
3/Φ
genera
accele
folosea
NOx d
Motoru
putând r cu căi pentru reducerea NOx urmând astfel o
scă
gazelo
stoichi
depen
faţă de
nivelul
nu est
turaţie
serie, nt
ulte
Sunt p
motoru
posibil
amest
8.5 M
cuprin
hidrog
vedere
•
ile reci pot fi folosite deoarece aproape
ca nici nu exista depuneri pe bujie şi care trebuie să fie arse. Nu folosesc bujii
să la maxim sunt comparate în materialele bibliografice prezentate, limita de
ec sărac
=0.33 şi λ =4/ Φ =0.25.
Pentru sarcini mai mari, temperaturile flăcării depăşesc rapid limitele de
re a NOx. Aceasta duce la o limită a NOx la funcţionarea cu clapeta de
raţie deschisă la maxim. S-ar putea limita calitatea amestecului şi să se
scă amestecuri suficient de sărace pentru ca aceste emisii să fie sub limita de
e 10 sau 100 ppm, dar aceasta implică o scădere mare a puterii maxime.
l poate fi sugrumat peste această limită folosind amestec stoichiometric,
astfel folosi un catalizato
dere a randamentului motorului. O altă strategie implică utilizarea recirculării
r arse(RGA) pentru a putea controla sarcina: folosind amestecuri
ometrice dar în locul sugrumării, refolosind gazele de evacuare într-o proporţie
dentă de cerinţa de putere. Aceasta creşte randamentul
sugrumare. Injecţia de apă poate de asemenea fi folosită pentru a reduce
de emisii NOx de la amestecurile bogate şi este mai eficientă decât (RGA) dar
e practică.
Dacă un motor cu hidrogen este proiectat pentru funcţionare la o singura
/putere, ex. pentru generarea de putere staţionară într-un vehicul hibrid în
se poate obţine o funcţionare foarte curată şi foarte eficientă fără tratame
rior (al cărui randament ar putea scădea cu timpul)
osibile emisii de NOx situate sub 10 ppm sau chiar 1 ppm, cu randamente ale
lui de 50%. Hidrogenul este singurul combustibil cu care acest lucru este
(la utilizarea hidrocarburilor emisii reduse de NOx se obţin la arderea de
ecurilor sărace care implică creşteri ale emisiilor de hidrocarburi nearse )
.4 AS alimentate numai cu hidrogen În această parte a lucrării, se realizează o prezentare pentru a oferi o vedere
zătoare asupra proiectării motoarelor pentru a profita de avantajele
enului şi să contracareze dezavantajele sale, elementele care trebuie avute în
la proiectare sunt:
Bujii-folosirea bujiilor reci pentru a evita temperaturi ale electrodului ce
depăşesc limita de autoaprindere. Buji
PARTEA I – COMBUSTIBILI ALTERNATIVI
148
cu electrozi de platină deoarece acestea pot acţiona ca şi catalizator pentru
oxidarea hidrogenului (platina a fost utilizată la evacuare pentru a oxida
hidrogenul nears)
Sistemul de aprindere- se evită aprinderea necontrolată datorate energiei
reziduale de aprindere prin împământarea corespunzătoare a sistemului de
aprindere sau schimbând rezistenţa cablului de înaltă tensiune, se evită
aprinderea prin inducţie într-un cablu învecinat, prin utilizarea unui sistem
bobina - bujie se poate obţine o ten
•
siune mai ridicată în secundarul sistemului
sta nu reprezintă o problemă pentru motoarele cu hidrogen
•
folosind injecţie directă în
•
elor de evacuare; folosirea chiulaselor cu mai multe
în colector, fie injecţie directă); asigurarea unui baleiaj corespunzător (ex.
folosind distribuţie variabilă) pentru a scădea temperatura gazelor reziduale
(probabil din cauza concentraţiei mai reduse de ioni de hidrogen în flacără)
sistemul bobină bujie poate satisface această condiţie. Alternativ, distanţa
dintre electrozii bujiei poate fi micşorată pentru a scădea tensiunea de
aprindere, acea
deoarece nu vor fi depuneri aproape deloc. Distanţe între electrozi de 0.25mm
au fost folosite (deşi ulterior au fost mărite la 0.5 mm din cauza dificultăţilor
întâmpinate la pornirea la rece a motorului datorită apei condensate pe vârful
bujiei)
Sistemul de injecţie: pentru temporizarea injecţiei se utilizează, fie injecţie în
poarta supapei şi injecţia să fie programată astfel încât perioada iniţială de
răcire cu aer să aibă loc în faza iniţială a cursei de admisie şi sfârşitul injecţiei
să fie astfel încât tot hidrogenul sa fie aspirat, fără să rămână hidrogen în
colector când supapă de admisie se închide, fie
timpul compresiei. Injectoare cu debit foarte mare sunt necesare în ambele
cazuri, mai multe injectoare pentru fiecare cilindru putând astfel uşura
îndeplinirea acestei cerinţe
Regiunile fierbinţi: existenţa acestora în camera de ardere ar putea iniţia pre-
aprinderea sau aprinderea inversă pentru a se evita aceste procese se
realizează răcirea supap
supape pentru a reduce şi mai mult temperatura supapelor de evacuare;
asigurarea unui control corespunzător al lubrifiantului; realizarea unor camere
de trecere a lichidului de răcire suplimentare în jurul supapelor şi a altor zone
cu încărcare termică mare (dacă este posibil); întârzierea introducerii
combustibilului pentru a crea o perioada de răcire cu aer (folosind fie injecţie
Utilizarea hidrogenului la alimentarea MAI
149
•
olum, se folosesc
toleranţe de 0.152 mm pentru a stinge flacăra de hidrogen. Schimbarea
volumului interstiţiilor şi/sau a segmenţilor cu scopul de a reduce curgerea
ţi.
ţia pozitivă în carter
cât de
Segmenţii si volumul interstiţiilor: scăderea jocului dintre capul pistonului şi
cilindru pentru a preveni ca flacăra să ajungă în acest v
secundară a amestecului nears către capul pistonului (prevenind „alimentarea”
unei flăcări din acest spaţiu în timpul evacuării si admisiei)
• Scaunele de supapă şi injectoarele: nivelul foarte scăzut de lubrifiere al
hidrogenului trebuie luat în considerare iar proiectarea injectoarelor trebuie să
ţină cont de acest lucru. Aceasta este problema cu orice combustibil gazos
uscat (cum ar fi gazul natural) dar problema este mai mare pentru hidrogen
(gazul natural comprimat conţine mici cantităţi de uleiuri din ceaţa de ulei a
compresorului, pe când compresoarele de hidrogen au toleranţe mai mici
pentru a evita scurgerile de hidrogen)
• Lubrifierea: trebuie ales un lubrifiant compatibil cu o concentraţie mai mare
de apă în carter, un raport al unui drive test în Germania realizat de către TUV
a utilizat doua opţiuni: un ulei de demulsifiere şi un ulei sintetic care formează
o soluţie cu apa. De Luchi pretinde o durată de viaţă crescută a uleiului
deoarece uleiul nu este diluat de către hidrogen şi se formează mai puţini
acizi. Un ulei fără calciu este recomandat pentru evitarea regiunilor fierbin
Efectul hidrogenului asupra compoziţiei şi structurii chimice nu a fost încă
relatat în literatura de specialitate.
• Ventilaţia carterului: este în general recomandată ventila
datorită funcţionării fără clapetă (presiune ridicată a aerului în colector) şi
descreşterii concentraţiei de hidrogen din carter (prin scurgerile datorate
neetanşeităţii).
• Raportul de comprimare: alegerea raportului optim de comprimare este
asemănătoare cu aceea a oricărui alt combustibil, trebuie ales pe
avantajos posibil pentru a creşte randamentul motorului, limita fiind stabilită
prin creşterea transferului de căldură sau prin prezenţa arderii anormale (în
cazul hidrogenului, în principal pre-aprinderea). Alegerea poate depinde de
utilizare, deoarece raportul de comprimare optim pentru randamentul
motorului poate fi diferit faţă de cel mai înalt punct al puterii la ieşire. În
PARTEA I – COMBUSTIBILI ALTERNATIVI
150
general raportul de comprimare al unui motor pe bază de hidrogen poate fi
mai mare decât al unui motor pe bază de benzină.
e de ardere
eldovich. Viteza de ardere
lamina
• Turbulenţa în cilindri: datorită vitezei mari de ardere a hidrogenului pot fi
folosite, camerele de ardere cu turbulenţa redusă (camer
orizontale sau camere de ardere cu forma de disc sau galerii de admisie
aliniate axial simetric), şi care aduc beneficii asupra randamentului motorului.
Ele sunt necesare pentru a evita ardere anormală în timpul funcţionării cu
amestec stoichiometric.
• Acceleraţia electronică: după cum s-a menţionat mai sus, motoarele pe bază
de hidrogen ar trebui să funcţioneze cu clapeta de acceleraţie deschisă la
valoarea maximă în orice moment, dar diminuarea secţiunii de curgere este
necesară pentru a menţine la încărcări joase stabilitatea arderii şi limita
emisiilor de hidrogen nears. În cazul sarcinilor medii până la înalte, diminuarea
secţiunii de curgere poate fi necesară pentru a limita emisiile NOx. Acest lucru
poate fi realizat doar cu un sistem de conducere electronic.
8.6. LITERATURĂ DE SPECIALITATE:CERCETĂRI ANALITICE Literatura de specialitate care se referă la simularea motoarelor cu hidrogen
este destul de limitată. Fagelson şi colegii săi folosesc un model cvasi-dimensional
pentru a calcula puterea la ieşire şi emisiile NOx la un M.A.S. pe bază de hidrogen. Ei
folosesc un model aproape empiric de ardere turbulentă de forma ut = AReBul, unde A
si B sunt constante, Re este numărul Reynolds bazat pe diametrul pistonului, viteza
medie a pistonului şi proprietăţile gazelor arse; ut şi ul sunt vitezele arderii turbulente
şi respectiv arderii laminare. Se consideră propagarea sferică a frontului de flacără,
transferul de căldura este neglijat şi formarea NOx este calculată folosind 10 zone
constante de masă ale gazelor arse şi mecanismul Z
ră este calculată dintr-o reacţie generală de ordinul doi şi energia estimată
pentru activare. Modelul este validat numai pentru măsurătorile efectuate prim
variaţia raportului de echivalenţă şi avans la aprindere. Prahbu-Kumar şi colegii săi
folosesc acest model pentru a determina performanţele unui motor pe bază de
hidrogen supraalimentat, dar nu au făcut nici o schimbare asupra modelului original.
Ei notează o supraestimare a ratei creşterii presiunii (şi implicit a vitezei de ardere).
Utilizarea hidrogenului la alimentarea MAI
151
Keck prezintă măsurătorile pe un motor accesibil optic, ce funcţionează şi pe
ază de propan şi de hidrogen şi foloseşte un model cu turbulenţă pentru a compara
tendin
vansului la aprindere şi turaţie a motorului.
Dezvo
eacţiei bazate pe cele doua rate globale ale
reacţiil idrogenului şi ale benzinei.
Valida
un model semi-
ănător celui PDF bazat pe o rată măsurată a căldurii disipat e
poziţie făcută pentru a
nu a putut fi
folosit primul model al arderii pentru optimizări, dat fiind faptul că el permite un număr
b
ţele prevăzute cu cele ale observaţiilor experimentale.
Johnson foloseşte codul de simulare a motorului Kiva-3V creat la Los Alamos
National Laboratory cu modelul standard de mişcare ciclică eddy pentru a simula un
motor pe bază de hidrogen la dozaj şi coeficient de umplere fixe. Modelul standard
conţine un parametru liber care este adaptat pentru hidrogen şi este menţinut
constant pentru diferite valori ale a
ltările următoare se vor axa pe aceste referinţe urmărind să includă
dependenţa modelului constant în funcţie de raportul amestec aer-combustibil,
presiune şi temperatura în viteza de ardere laminară. Cei de la Fontana au modificat
codul Kiva-3V pentru a putea simula cu el un motor cu aprindere prin scânteie
alimentat cu un amestec de benzina şi hidrogen. Modelul folosit, a fost un model
hibrid pentru care rata globală a reacţiei este dată fie de modelul standard
transformat, fie de o rată masică a r
or de ardere ale h
rea modelului s-a realizat pe baza funcţionării pe benzina şi apoi au fost
calculate efectele adăugării diferitelor cantităţi de hidrogen în benzina.
Modelele zero si multi-dimensionale au fost folosite la Universitatea Tehnica
din Cehia pentru a simula un motor ce funcţionează cu hidrogen. Un model zero-
dimensional bazat pe codul GT-Power este folosit împreună cu legea lui Wiebe
adaptată pentru a măsura ratele de disipare a căldurii, mecanismele Zeldovich
extinse folosite în calcularea emisiilor de NOx. Un aşa numit model avansat eulerian
cu zone multiple a fost dezvoltat pentru simulările multidimensionale. Acest model
este un amalgam de elemente zero-dimensionale şi multidimensionale: camera de
ardere pare a fi limitată la nişte geometrii simple din cauza limitărilor date de
generarea reţelei de elemente finite, iar transferul de căldura este modelat pentru
conţinutul cilindrului ca un volum compact. Modelul arderii, este
empiric asem e şi p
supoziţia că frontul de flacără are o forma semisferică, su
localiza propagarea flăcării. A doua opţiune pentru modelarea arderii se bazează pe
un mecanism al reacţiei foarte detailat, dar se pare ca momentan
integrat în codul complet al motorului din cauza unor „dificultăţi numerice”. Autorii au
PARTEA I – COMBUSTIBILI ALTERNATIVI
152
limitat de calcule, dar scopul final este acela de a integra şi cinetica reacţiei chimice
în cod. În orice caz, momentan rămâne incertă cantitatea de informaţii suplimentare
câştigată din combinarea unui model zero-dimensional al arderii cu un model
multidimensional din punct de vedere al calculelor referitoare la dinamica fluidelor,
părând la prima vedere că cele doua nu au nici o legătură; de asemenea, dacă
cinetica reacţiei chimice este şi ea integrată în cod, timpii necesari efectuării
calculelor nu vor mai justifica folosirea sa în optimizare.
tor
cu hid
e că
neliniarităţile regimurilor sunt dependente de definiţia dată grosimii laminare a flăcării,
permiţând deci variaţia limitelor sale.
Se dau relaţiile:
δl < ηK (8.1)
ηK <dl <Λ (8.2)
δl > Λ (8.3)
În sfârşit, cei de la Maetal. folosesc un model zero-dimensional, bazat pe
legile lui Wiebe. Nu este însă clar căror legi se supun aceste date. Modelul este
folosit pentru a calcula efectele modificării raportului de compresie şi a avansului la
aprindere şi pentru a determină un „diametru optim al cilindrului” pentru un raport de
echivalenţă fix. Nu este dată nici o validare cu date experimentale şi nici o justificare
pentru extrapolările condiţiilor, care sa fie potrivite cu modelul dat. De aceea calitatea
rezultatelor din raport este îndoielnice.
8.7 STRUCTURA FLĂCĂRII ÎN MOTOARELE CU HIDROGEN
În aceasta secţiune se încearcă o clasificare a structurii flăcării într-un mo
rogen. Această estimare este făcută pentru a afla efectele diferitelor proporţii
de hidrogen în comparaţie cu hidrocarburile într-un regim de ardere turbulentă.
Analiza este făcută folosind o diagrama a regimului de ardere, folosind presupuneri
simple. Singurul scop este ilustrarea diferenţelor dintre modul de ardere al
hidrogenului şi al hidrocarburilor.
Bazându-se pe raportul dintre scările chimice şi turbulente se pot deosebi în
regimurile turbulente ale amestecurilor pre-formate. O clasificare folosită pe scară
largă a lungimilor de baza ale scărilor va conduce la trei zone în structura flăcării
date de următoarele caracteristici. Se presupune că avem de-a face cu o reacţie
chimică într-un singur pas şi cu un singur reactant. De asemenea se presupun
Utilizarea hidrogenului la alimentarea MAI
153
Aici δl este grosimea frontului laminar de flacără (definită aici ca ν/ul) cu viscositatea
cinematică şi ul ul viteza de ardere laminară. .ηK este scala de lungime a lui
Kolmogorov şi Λ scala integrală de lungime. Scara integrală Λ este o măsură a
structurilor ce conţin cea mai multă energie în cazul unei arderi turbulente,
dimensiunea ei este determinată de geometria ce conţine curgerea. Scara de
lungime a lui Kolmogorov .ηK determină dimensiunea celor mai mici curenţi. În
această scală, disiparea viscozităţii moleculare depăşeşte energia cinetică
turbulentă, astfel încât nu pot exista structuri mai mici. Definiţia scării ηK este dată de
rata disipării energiei turbulente Є, şi de viscositatea cinematică ν:
ηK =(ν3/Є)0.25 (8.4)
Ca o alternativă, . ηK poate fi calculat din relaţia Λ dată de :
Λ /ηK=(Ret)0.75 (8.5)
unde Ret este numărul lui Reynolds pentru curgeri turbulente, dat de:
Ret =u’Λ/ν (8.6)
unde u’ este radicalul vitezei turbulente. Spectrul scării lungimii turbulente este deci
limitat de Λ şi erea printr-o
oar să deformeze şi să bruieze
grosim
de ηK.. Cele mai mari scări de lungime sunt date de curg
geometrie dată, dimensiunea lor fiind deci menţionată mai sus şi fiind determinată de
geometrie. Scările mai mici îşi au originea în cascadă a energiei turbulente: ele sunt
formate în momentul scăderii curenţilor de turbulenţa datorită disipării. Scara lungimii
lui Kolmogorov reprezintă limita de jos pentru acest nivel, energia turbulentă fiind
disipată în căldură.
Pentru a relua clasificarea regimului de ardere laminar ec.(8.1) scoate în
evidenţă o regiune în care grosimea flăcării δl este mai mică decât cea mai mică
măsura pe scara . ηK. Aceasta este cunoscută sub numele de criteriul Klimov-
Williams. În această regiune mişcările turbulente pot d
ea flăcării laminare. O serie de termeni sunt folosiţi pentru a denumi aceasta
regiune (front laminar de flacăra bruiat , regim superficial de reacţie, regim de flacără
mixt ), de asemenea sunt date şi diverse descrieri (flacăra laminară înconjurată de o
curgere turbulentă, flacăra laminară bruiată, suma flăcărilor laminare înconjurate de
un câmp de curgere turbulentă), dar în final toate descriu aceeaşi structură. În
această lucrare, referirile la aceasta regiune se fac prin regimul de flacără bruiată.
Ecuaţia (8.3) marchează o regiune în care toate regimurile turbulente pe o
scară a lungimii sunt mai mici decât grosimea laminară a frontului de flacără. Aceasta
ecuaţie este cunoscută sub numele de criteriul Damköhler. În această regiune,
PARTEA I – COMBUSTIBILI ALTERNATIVI
154
fenomenul de transport în zona de reacţie a flăcării nu mai este determinat în mod
singular de un proces molecular ci este în egală măsura determinat de o mişcare
turbulentă. Aceasta mişcare poate fi descrisă ca o împletire de curenţi în zona de
reacţie, ceea ce explică faptul că denumirea de ”front de flacără” nu mai poate fi
considerată folositoare. Diferite nume sunt folosite din nou în literatura de specialitate
pentru a descrie această regiune (reactorul de amestec omogen, reactorul de
amestec perfect , regimul distributiv de reacţie, regimul flăcărilor cu front gros).
Figura 8.1. Regimurile unei arderi turbulente preformate
Printre aceste regiuni, în zona marcată prin ecuaţia (8.2), se găseşte o regiune în
care o parte din curenţii turbulenţi sunt înconjuraţi de frontul de flacără, curenţii
respectivi au o scară a lungimii mai mică decât δl. Numele folosite în literatura de
specialitate pentru a indica această regiune pot crea confuzii ca în ref.[73] ,această
regiune poate fi găsită sub numele de „zona de reacţie distribuită”, nume care, după
cum s-a menţionat anterior, este folosit de numeroşi autori pentru a descrie regiunea
descrisă în ec. (8.3). Pentru alţi autori această zonă nu are un nume, referirile la ea
făcându-se cu „regiune intermediară”. În alte lucrări este folosit numele de „front de
flacăra înconjurat de un regim de curenţi turbulenţi”.
Regimurile de flacără pot fi reprezentate în diagrame care vor arăta relaţiile
dintre diferite mărimi adimensionale, de exemplu în diagrama Borghi, raportul u' /ul
Utilizarea hidrogenului la alimentarea MAI
155
reprezentat împreună cu raportul Λ /δl este folosit pentru a arăta graniţele fiecărui
regim de flacără. Altă posibilitate este aceea de a plota o diagramă cu numărul lui
Reynolds pentru regimuri turbulente pe abscisa şi numărul lui Damköhler pe
ordonată. O astfel de diagramă este prezentată în figura 8.1. Aici numărul lui
Damköhler este reprezentat de raportul timpului caracteristic unei curgeri turbulente
raportat la timpul caracteristic al reacţiilor chimice. În funcţie de aplicaţia aleasă, se
poate
cără se vor deosebi, deci pe baza scărilor
de lun
u nu poate exista în aceste condiţii.
regiunea intermediară (‘B’ în figură) mecanismul arderii poate fi reprezentat
de un
opta pentru diverse scări de timp, o opţiune posibilă fiind reprezentată de
integrarea scării uzuale a timpului τI dată de Λ / u' ,care este o măsura a timpului de
viaţă a unei structuri vortex din componenţa curgerii. Scara timpului în cazul reacţiei
chimice τI poate fi aleasă ca timp de referinţă în regimul flăcării laminare δl/ul l.
Urmatorul număr Damköhler este apoi derivat:
Da=τI/ττl = =(Λ/u’ )/(δl/ul ) (8.7)
În figura 8.1, diferitele regimuri de flacăra sunt separate de drepte ce reprezintă
egalităţile ηK = δl şi Λ = δ. Regimurile de fla
gime asemănătoare cu discuţiile de mai sus. În regiunea Λ <δl, deci sub linia Λ
<δl = 1, este valabil regimul distribuit de reacţie (regiunea ‘C’ în figura). Aceasta
regiune este pătrunsă în cazul scărilor de lungime mici integrate şi în cazul valorilor
mici ale numărului Damköhler. Combinaţia dintre scările de lungime mici integrate,
deci a pasajelor de curgere mici, şi cu intensităţi de turbulenţă mari, deci viteze mari,
nu apar la motoarele cu ardere internă. Pentru această problemă nu există încă o
părere clară dacă acest fel de ardere poate sa
Pentru regiunea ηK > δl, deci deasupra liniei ηK / δl =1, regimul de ardere este
valabil (regiunea ‘A’ în figura). În acest regim Da > 1, lucru care indică faptul că în
regiune există o reacţie chimică rapidă (în comparaţie cu amestecul turbulent).
Modelarea arderii turbulente permite separarea chimiei din turbulenţă, lucru ce
simplifică mult modelul. Modelarea reacţiilor chimice poate fi grupată în corelaţie cu
viteza de ardere laminară, influenţa turbulenţelor se limitează la suprafaţă arderii şi la
creşterea suprafeţei frontului de flacără.
În
aşa numit model „de curenţi frânţi”. Aici ideea se leagă de faptul ca rata arderii
este determinată de rata cu care regiunile cu gaze nearse sunt divizate în regiuni mai
mici (fapt determinat de rata turbulenţei de disipare Є), astfel fiind mărită suprafaţă de
contact dintre amestecul nears şi gazele calde, până ce aceasta devine destul de
PARTEA I – COMBUSTIBILI ALTERNATIVI
156
mare pentru a porni reacţia chimică. Rata arderii este extinsă mult datorită ratelor de
amestec turbulent şi deci de lungimile scărilor turbulente.
Abraham et al. au determinat valorile minime şi maxime ale numărului lui
Reynolds şi ale numărului lui Damköhler ce pot exista în condiţiile unei arderi în
otoarele cu amestecul pre-format. În figura.8.1, aceste valori sunt reprezentate prin
dreptunghiul cu linii subţiri în care este situată flacăra în motoarele cu ardere internă.
rită limitelor de inflamabilitate)
ordinele de mărime ale u’ şi Λ sunt similare şi în alte
referinţe, după cum sunt considerate variaţiile turaţiei motorului şi dimensiunile
acestu
m
În această categorie intră şi motoarele comerciale şi motoarele de cercetare. S-a
ajuns la concluzia că procesul de ardere în motoarele considerate se situează în
regimul de flacără bruiată şi că procesul de ardere în motoarele comerciale se
situează în regiunea intermediară, excepţie făcând motoarele cu viteze de rotaţie mai
mici de 1500 rpm, pentru care regimul de ardere se situează în regimul de flacăra
bruiată. Deci regimul de flacără bruiată împreună cu regimul de ardere intermediar
sunt regimurile ce prezintă importanţă pentru studiul arderii în motoarele cu aprindere
prin scânteie.
Referinţa [72] este folosită ca bază pentru calculul valorilor minime şi maxime
ale numerelor Damköhler şi Reynolds în motoarele cu hidrogen. Valorile lor se vor
schimba datorită diferitelor motive: viscositatea cinematică a hidrogenului este mai
mare decât cea a hidrocarburilor, vezi Tabelul 1.1 (viscositatea cinematică mai mică
se compensează cu densitatea mai mică), şi variaţia vitezei de ardere laminară este
mai mare cu mai mult de un ordin de mărime (viteze foarte mari de ardere la
amestecul stoechiometric, în plus este posibil şi un mod de operare cu amestec
sărăcit dato
Presupunerea legată de
ia. Pentru un raport de comprimare se consideră o variaţie mai mare (7 -14),
de asemenea pentru fracţiunea de gaze reziduale (0- 50 vol%) şi de asemenea
pentru raportul de echivalenţă (.λ=1 → 4 sau Φ =0.25 → 1). Proprietăţile amestecului
au fost calculate utilizându-se codul ecuaţiei gazelor (Gas eq code). Viteza de ardere
laminară a fost luată din datele găsite în [1].
Valorile rezultate sunt reprezentate de linia îngroşată din diagrama vitezei
flăcării în figura. 8.1. După cum se poate vedea apare o creştere semnificativă în
suprafaţa regimului de funcţionare (scara logaritmică!). Acest fapt se datorează în
principal variaţiilor mari ale raportului de echivalenţă, care determină viteza de ardere
laminară, dar care poate cauza de asemenea variaţii în proprietăţile amestecului
Utilizarea hidrogenului la alimentarea MAI
157
(vezi Tabelul 1.1, aprox. 30% din volumul cilindrului pentru un amestec stoichiometric
de hidrogen în cazul condiţiilor uşoare de funcţionare λ = 4.0/ Φ, ceea ce reprezintă
9.5%).
Prima observaţie este aceea că regiunea de ardere bruiată creşte. Acest fapt
este cauzat de vitezele de ardere mai mari posibile la hidrogen (regim chimic rapid).
În orice caz, suprafaţa aflată în regim de ardere intermediar se măreşte şi ea (variaţii
mai mari în Ret datorate variaţiilor mai mari în viscositatea amestecului). Deci ambele
regimuri pot co-exista în cazul unui motor alimentat cu hidrogen. Structura flăcării va
depinde de condiţiile de funcţionare ale motorului (sarcină mică- amestec sărac-
regim intermediar, sarcina mare- amestec aproape stoichiometric- regim de ardere
bruiată. Heywood and Vilchis confirmă experimental apartenenţa amestecurilor
stoichi
cu privire la prezentul studiu este prezentată în continuare.
oate motoarele menţionate sunt în patru timpi cu aprindere prin scânteie. Munca
eral Motors descrisă în Secţiunea 8.8.2 este de
ăsurii necesare de precauţie a motoarelor
limentate cu hidrogen. În continuare, Secţiunea 8.8.3 prezintă munca pe motorul
CFR c
ogen
dovedeau un concept. Pe scurt spus a fost luat un motor diesel cu injecţie directă
ometrice de hidrogen la regimul de ardere turbulentă.
8.8 CERCETAREA EXPERIMENTALĂ Departamentul autorului are în spate o istorie în cercetările asupra motoarelor
cu aprindere prin scânteie alimentate cu hidrogen de aproape 15 ani. O scurtă
prezentare asupra activităţii anterioare este prezentată în Secţiunea 8.8.1. Munca
experimentală executată
T
experimentală pe motorul Gen
ansamblu general, posibilităţi şi m
a
u atenţie specială acordată măsurătorilor presiunii din cilindru, care au fost
colectate pentru a forma o baza de date contra cărora sa fie validate rezultatele
simulărilor. În final, Secţiunea 8.8.4.discută despre munca iniţială şi viitoare pe
motorul Audi. Viitoare operaţii asupra strategiilor de lucru a motorului cu hidrogen
privitoare la puterea dezvoltată şi emisiile de NOx care urmează sa fie executate pe
motorul CFR si Audi, sunt de asemenea discutate. Toate datele despre emisii sunt
date brute, ieşite din motor, măsurătorile gazelor evacuate (fără tratamente
ulterioare)
8.8.1. Istoria experimentelor
Chiar primele experimente făcute pe motoare alimentate cu hidr
PARTEA I – COMBUSTIBILI ALTERNATIVI
158
(marca Valmet torina au fost
rap l de comprimare t scăzut (de la rin
a de diferite pentru a tare a fost mont de
fluenţa parametrilor motorului asupra arderii hidrogenului a fost studiată
ega ăldura pe baza măsurării presiunii din cilindru. Studiul
presiunii în cilindru înainte şi în timpul apariţiei exploziilor datorate întoarcerii flăcării
prinder ntrolate care d teuri. Pre era în
ă de detonări şi a fost propus un algoritm de detectare a detonaţiilor
datele presi pentru a evita detonaţiile şi întoarcerea flăcării.
arburatorul de gaz e fost, într-un final, schimbat cu un sistem de injecţie
secvenţială, implicând si testarea injectoarelor pentru hidrogen (la momentul
u de găsit în comerţ şi erau nefiabile). Supraalimentarea motorului a
ă dar se nu putea dezvolta o putere mai ridicată comparativ
cu motorul normal as
ărac comparativ cu funcţionarea pe gaz natural. Interesant,
adăugarea unei anumite cantit
autobuzul menţionat în secţiunea precedentă era doar dovada unui concept, iar
, patru cilindri în linie, 4.4 litri), injectoarele de mo
înlocuite cu bujii, ortu a fos 16:1 la 8.7:1) p
montare pistoane iar limen at un carburator
gaz. In
folosind analiza d jării de c
arătau auto-a
general însoţit
i neco uceau la ra -aprinderea
bazat pe unii din cilindru
C
respectiv nu era
fost de asemenea testat
pirat din cauza utilizării amestecului sărac necesar pentru a
evita întoarcerea flăcării. În paralel, dovada de concept a fost demonstrată într-un
program Belgian şi European prin modificarea unui autobuz diesel, folosit la transport
public, la funcţionarea cu hidrogen. Modificările au constat în cele descrise mai sus,
şi instalarea unui rezervor de hidrogen cu hidruri metalice fiind instalate şi măsuri de
siguranţă.
Avantajele alimentarii cu hidrogen la motoarele cu gaz natural cu aprindere
prin scânteie au fost cercetate de către General Motors şi prezentate în Secţiunea
2.3. Alimentarea cu hidrogen a crescut randamentul motorului si a mărit gama de
funcţionare cu amestec s
ăţi de gaz natural la hidrogen (aproximativ 20% în
volume) rezultă într-o funcţionare fără întoarcerea flăcării indiferent de concentraţia
amestecului carburant.
8.8.2 Motorul General Motors
8.8.2.1 Cercetări Experimentale
Un motor General Motors de tipul 454 (mai cunoscut sub denumirea de
Chevrolet BigBlock) a fost adaptat pentru combustibili gazoşi. Interesul pentru acest
motor s-a trezit deoarece era folosit la un autobuz alimentat cu gaz natural,
Utilizarea hidrogenului la alimentarea MAI
159
sponso
Tabe tors
ipul motorului V8 DSA 42 oRAC IPMS
rul laboratorului de lucrări cu hidrogen a dorit continuarea proiectului cu un
pas mai înainte, prin convertirea unui autobuz de pe gaz natural pe hidrogen. Motorul
a fost iniţial echipat cu un carburator de gaz, experimentele cu amestecuri de gaz
natural şi hidrogen menţionate în secţiunea precedentă foloseau acestui ansamblu.
Ca parte din experimentele făcute de prezentul autor, a fost montat un sistem de
injecţie multi-punct secvenţial cu un sistem programabil de control. Caracteristicile
motorului sunt prezentaţi în Tabelul 8.2
lul 8.2. Caracteristicile motorului General Mo
T
Alezaj 107.95 mm ISA 95 oRAC DPMI
Cursa 101.6 mm DSE 93 oRAC IPMI
Cilindree totală 7.4 litri ISE 62 oRAC DPMS
Raportul de comprimare
8.5:1 ordinea de aprindere
18436572
Turaţia 750-4000 rpm
8.8.2.2 Injecţia Controlul sarcinii
După cum este menţionat în introducere (Secţiunea 1.4), limitele mari de
inflamabilitate ale hidrogenului în aer permit un control al sarcinii prin variaţia calităţii
amestecului aer/hidrogen. Acest control calitativ este benefic pentru randamentul
motorului comparativ cu amestecul cantitativ folosind o clapetă de acceleraţie. De
altfel, la turaţia de mers în gol a fost măsurată emisia de hidrogen nears în evacuare
din cauza rateurilor cu amestec s
ţie de variaţiile mediului de
ărac folosit. Ca atare accelerarea este folosită la
turaţia de mers în gol pentru a asigura arderea completă şi stabilă. În toate celelalte
condiţii clapeta de acceleraţie este larg deschisă. Toate experimentele precizate în
acest capitol sunt făcute cu clapeta de acceleraţie larg deschisă, numai dacă nu este
menţionat altfel.
Sistemul de control al motorului calculează începutul, durata precum şi
reglarea injecţiei în funcţie de variabilele principale, care sunt turaţia şi puterea
motorului. Valorile astfel calculate sunt corectate în func
PARTEA I – COMBUSTIBILI ALTERNATIVI
160
funcţionare: presiunea (de obicei 3 bari) şi temperatura combustibilului, presiunea şi
temperatura aerului şi temperatura agentului de răcire. A fost utilizat un accelerator
ilară cu caracteristica unei pompe diesel: independent de
turaţia motorului şi dependent liniar faţă de poziţia pedalei de acceleraţie.
Caracteristica duratei de injecţie este prezentată în figura 8.2. A fost obţinută o
funcţionare mai stabilă la relanti prin programarea unei durate de injecţie mai lungă
atunci când turaţia motorului scade sub turaţia de relanti, astfel încât motorul să
revină la turaţia de funcţionare la relanti.
ca parametru de sarcină, utilizând un generator funcţie de unde pentru a produce o
undă pătrată cu o frecvenţă reglabilă pentru a simula semnalul senzorului de
presiune a aerului din colectorul de admisie. Sistemul de control al motorului (Zytek)
foloseşte o scara de încărcare de la 0 la 2000 mbar. Astfel în graficele rezultate
puterea este proporţională cu presiunea aerului din colector, dată în mbar, 0 bar
pentru sarcină 0% si 2000vmbar pentru sarcină de 100%.
Datorită controlului sarcinii asemănător motoarelor diesel, caracteristica
duratei de injecţie este sim
Figura 2.1: Caracteristica duratei de injecţie
Ardere inversă
Instalarea unui sistem de injecţie secvenţial multipunct măreşte rezistenţa
împotriva întoarcerii flăcării deoarece cantitatea de hidrogen la un moment dat în
colectorul de admisie este mai mică în comparaţie cu un motor cu carburator. Mai
mult, utilizând o injecţie întârziată, atunci când injectoarele sunt dimensionate
corespunzător: sfârşitul injecţiei este setat în aşa fel încât tot combustibilul este
injectat înainte de închiderea supapei de admisie. Dacă injectoarele sunt suficient de
Utilizarea hidrogenului la alimentarea MAI
161
mari a
stfel camera de ardere şi zonele cu temperatura ridicată
care a
ecesar. Această variabilă a limitat caracterul bogat al amestecului pentru a garanta
o funcţionare sigură în vederea evitării înto rcerii flăcării λ. ~ 2 (Φ ~ 0.5) şi astfel se
obţine o putere de aproximativ 105kW (la 3750rot/min).
8.8.2.3 Aprinderea mal pentru valoarea cea mai mică la care
se ob
moment ridicat şi în acelaşi timp se
limitea
stfel încât sa distribuie cantitatea necesară de combustibil într-un timp scurt,
începutul injecţiei poate fii setat astfel încât iniţial, în timpul cursei de admisie, să fie
introdus doar aer, răcind a
r putea declanşa întoarcerea flăcării. Sunt necesare mari curgeri masice de
combustibil în condiţii de sarcină totală şi turaţie ridicată, dacă injectoarele sunt alese
pentru a obţine o injecţie întârziată, trebuie menţionat însă că la sarcină si turaţie
redusă reproducerea ciclică a evenimentului apar probleme. Utilizând injectoarele
prototip folosite la motoarele GM, s-au constatat probleme pentru funcţionarea la
relanti printr-o deviere a duratei de injecţie între fiecare injector.
Astfel au fost montate versiuni mai noi cu o cursă mai mică pentru a asigura
un timp de răspuns egal pentru duratele de injecţie mai scurte. Unghiul conului acului
injectorului a fost modificat pentru a fi mai obtuz, astfel încât sa nu se diminueze
curgerea maximă de combustibil. Cu toate acestea , la sarcina totală şi turaţie mare,
nu s-a putut folosi o injecţie întârziată datorită volumului mare de combustibil
n
a
Avansul la aprindere este setat nor
ţine momentul optim (Maximum Brake Torque timing)(MBT timing).
Compromisul făcut pentru cel mai bun cuplu este asemănător pentru motoarele cu
hidrogen ca pentru orice motor cu aprindere prin scânteie. Acest lucru este prezentat
în figura 2.2. Graficul este pentru sarcină totală (aşa cum a fost menţionat mai sus,
setările sunt pentru λ. ~ 2 / Φ ~ 0.5) şi turaţie ridicată (3500 rot/min)). Astfel, un reglaj
al aprinderii de aproximativ 15° RAC va da un
ză emisiile de NOx.
PARTEA I – COMBUSTIBILI ALTERNATIVI
162
Figura 2.2: Momentul motor si emisii NOx în funcţie de reglarea aprinderii
l
amestecului, gazele de evacuare conţin emisii mici de NOx sub valoarea de 100 ppm
(echivalentul a 1g/ekWh).
ele folosite, au fost făcute câteva modificări la sistemul
origina
Pentru amestecuri sărace (sarcini reduse si turaţii mici), reglarea optimă a
aprinderii se obţine până la 50° RAC înainte de PMS, puterea motorului având o
influenţa considerabila. Pentru sarcini totale si turaţii mari (puterea maximă), reglarea
optimă a aprinderii se obţine la aproximativ 20° înainte de PMS. Astfel în figura 2.3
este reprezentată reglarea aprinderii în funcţie de puterea si turaţia motorului.
Randamentul unui motor alimentat cu hidrogen depinde de reglarea cât mai corectă
a aprinderii în funcţie de controlul cantitativ al amestecului (de exemplu, puterea, aşa
cum a fost menţionat mai sus). Figura 8.4. reprezintă influenţa considerabilă a puterii
faţă de turaţia motorului.
Utilizând reglajul pentru cuplul optim (MBT) şi controlul cantitativ limitat a
Referitor la dispozitiv
l de aprindere: distribuitorul si bobina de aprindere separată au fost înlocuite
cu un sistem bobină - bujie. Prin folosirea bobinelor individuale pentru fiecare cilindru
şi montarea lor deasupra bujiei, se evită interferenţele care ar putea duce la
inversarea flăcării. De asemenea se obţin tensiuni de aprindere ridicate (pentru
amestecuri sărace) fără a apărea probleme legate de izolaţie. Datorită tensiunilor
mari de aprindere măsurate în anumite condiţii (Capitolul 1.5.4), distanţa între
Utilizarea hidrogenului la alimentarea MAI
163
electrozi a fost redusă substanţial de la valoarea originală de 0.9mm la 0.4mm. Acest
lucru a dus la diminuarea tensiunii necesare pentru aprindere şi a îmbunătăţit
stabilitatea arderii. Pentru motoarele alimentate cu hidrogen, distanţa dintre electrozi
poate fi diminuată datorită cantităţii reduse de depuneri (cauzate numai de lubrifiant).
Figura 8.4: Diagrama aprinderii
8.8.2.4. Ungerea şi ventilaţia carterului În timpul măsurării compoziţiei gazelor din carter, s-a observat un procent
ridicat de hidrogen (+ 5vol%, depăşind scara dispozitivului de măsurare), datorită
scăpărilor datorită neetanseităşii segmenţilor. Scăpările pot fi foarte accentuate
datorită creşterii mari de presiune si densitatea mică a hidrogenului. Compoziţia
lubrifiantului (ulei semi sintetic ‘universal’, clasa de viscozitate 15W50) a fost
analizată şi comparată cu lubrifiantul nefolosit.
.
Concentraţiile diferiţilor adit a rezistenţei la uzură, de
sfat de zinc) au scăzut iar esterii prezenţi în lubrifiantul nefolosit
n totalitate în lubrifiantul folosit. Concluziile au fost trase
analizâ
Proprietăţile lubrifiantului s-au schimbat prin diminuarea calităţilor de lubrifiere
ivi (de lubrifiere si de mărire
exemplu dialkilditiofo
au dispărut aproape î
nd absorbţia diferitelor elemente în spectrul infraroşu. Acest lucru se poate
înţelege atunci când se ştie că hidrogenul este utilizat în industrie pentru a
transforma uleiurile în grăsimi hidrogenate (prin desfacerea legăturilor duble de
carbon).
PARTEA I – COMBUSTIBILI ALTERNATIVI
164
Viscozitatea lubrifiantului a crescut în condiţii atmosferice (având ca rezultat
forţe de frecare mari la pornire) si a scăzut atunci când temperatura a crescut (având
ca rezultat o lubrifiere insuficientă când motorul a ajuns la temperatura de
funcţionare). Viscozitatea cinematică înregistrată la 40°C a lubrifiantului folosit a fost
de 141.9 mm2/s , în comparaţie cu valoarea înregistrată pentru lubrifiantul nefolosit de
111.8mm2/s.
La 100°C au fost înregistrate valori de 14.33 mm2/s respectiv 17.25 mm2/s.
Indexul de viscozitate pentru lubrifiantul folosit s-a ridicat până la 99, cu mult mai mic
decât cel pentru lubrifiantul nefolosit cu valoarea de 163.
La analiza cu s fost detectate uzuri
pentru comp otorului, fiind normal pentru un motor cu timp de
tfel a caracte lubrifiantului es
influenţa gazelor scăpate în carter.
mai bună fi utilizarea unui lubrifiant spe re
hidrogen, însă momentan nu este disponibilă. D
ecuritate s-a utilizat un sistem de ventilaţie forţată a carterului pentru a menţine
rului comprimat şi supapa de by pass de la intrarea pompei de vacuum.
Concentraţia de hi ub 1vol%.
5 Supraalimentarea Aşa cum a mai fost menţionat, motorul de la GM a fost conceput pentru
ă puterea şi momentul motoarelor aspirate natural erau prea
ă care folosită pe aceste autobuze. S-au efectuat
şi un
pectrometru fluorescent cu raze X nu au
majore onentele m
testare redus. As sch aimb re risticii te strict legată de
Cea soluţie ar cial pentru motoa
alimentate cu in considerente de
s
concentraţia de hidrogen mult sub limita de inflamabilitate. Aerul este introdus în
carter utilizând reţeaua de ventilaţie a laboratorului, setată la o suprapresiune redusă
prin folosirea unor supape de reglare. Pentru a elimina gazele din carter s-a folosit o
pompă de vacuum, nu înainte de a trece gazele printr-un separator de ulei.
Presiunea din carter este controlată pentru a obţine o uşoara subpresiune prin
controlul ae
drogen în carterul cu ventilaţie a fost înregistrată s
8.8.2.
autobuze urbane. Îns
mici pentru transmisia automat
studii pentru a evalua potenţialul de supraalimentare al motorului. Pentru experiment
a fost ales un compresor antrenat mecanic. Viteza de rotaţie al compresorului
VortechV1 a fost controlată cu un invertor care controlează frecvenţa semnalului la
motorului electric asincron folosit la antrenarea compresorului. A fost folosit
Utilizarea hidrogenului la alimentarea MAI
165
intercooler pentru a reduce temperatura aerului comprimat până la valoarea în
condiţii normale.
În figura 8.5 este prezentat momentul maxim obţinut la un motor
supraalimentat în comparaţie cu cel aspirat natural. Se poate observa că
supraalimentarea nu este în totalitate dorită pentru acest motor. Diminuarea bruscă a
momentului motor peste 2000 rot/min, aşa cum se vede şi pe curbă, pentru varianta
cu supraalimentare, se datorează unui amestec sărac, necesar pentru a evita
întoarcerea flăcării şi probabil parţial datorită asimetriei colectorului de admisie,
rezultând într-o ardere mai bogată în cilindrii 1 si 2 (arderea inversă se înregistrează
întotdeauna într-unul din aceşti cilindrii). Momentul rezultat reprezentat pentru
motorul supraalimentat este momentul efectiv, în aşa fel încât sa compenseze
momentul necesar antrenării compresorului. Aceste rezultate au arătat că utilizând
un agregat de supraalimentare îmbunătăţit se pot obţine valori mai ridicate ale puterii
şi momentului (ceea ce nu era valabil pentru motorul Valmet descris în subcapitolul
8.8.1).
Figura 8.5: Comparaţie între momentul motor la motorul supraalimentat si motorul
aspirat natural productie GM
8.8.3 M
t pentru combustibili
ul curelei
de transmisie – pentru test a fost folosită turaţia de 600 rot/min) şi variaţia raportului
otorul CFR
8.8.3.1 Experimental Motorul CFR (Cooperative Fuel Research), a fost echipa
gazoşi şi este folosit de obicei pentru determinarea cifrei octanice a combustibilului.
Acest lucru se realizează prin menţinerea unei turaţii constante a motorului, prin
cuplarea acestuia cu un motor electric (600 sau 900 rot/min în funcţie de tip
PARTEA I – COMBUSTIBILI ALTERNATIVI
166
de comprimare. Iniţial a fost folosită o instalaţie specială aferenta standului de
încercare pentru alimentarea cu comb fost montat un sistem de
injecţie secvenţial. Pentru configuraţia cu instalaţie separată de alimentare,
caracterul bogat al amestecului a fost reglat prin variaţia presiunii de alimentare.
Pentru versiunea cu injecţie caracterul bogat al amestecului a fost reglat prin variaţia
duratei de injecţie la o presiune constantă a combustibilului. Specificaţiile principale
pentru acest motor sunt date în Tabelul 8.3..
Tabelul 8.3. Specificaţiile motorului CFR
Alezaj 82.55 mm DSA 10 oRAC DPMS
ustibil, după care a
Cursă 114.2 mm ISA 34 oRAC DPMI Lungimea bielei 254 mm DSE 40 oRAC IPMI
Cilindree 612.5 cm3 ISE 15 oRAC DPMS Raport comprimare
variabil Turaţie 600 rpm (constantă)
Controlul distribuţiei dat în Tabelul 8.3. este distribuţia standard prescrisă de
manua zura
componentelor din ansamblul pele se deschid mai târziu şi
se închid mai devreme în comparaţie cu valorile date. Valorile distribuţiei măsurate
sunt date în tabelul 8.4. Un factor important este dispariţia timpului de suprapunere a
supapelor.
Tabelul 8.4.Distribuţia măsurată pe motorul CFR o
lul ASTM pentru motorul CFR . Datorită jocului cauzat de u
acţionarii supapelor, supa
DSA 18 RAC IPMS
ISA 25 RAC DPMI o
DSE 34 oRAC IPMI
ISE 7 oRAC DPMS
Aşa cum este prezentat în Tabelul 8.3 avem o suprapunere a deschiderii supapelor
e 5 0RAC în configuraţia originală. Totuşi, datorită uzurii, supapa de admisie se
lucru
diminuează substanţial coeficientul de umplere.
În chiulasă s-a instalat un traductor de presiune piezoelectric răcit cu apa,
proiectând combustibilul pe peretele camerei de ardere. Un amplificator transformă
semnalul de la traductorul de presiune în tensiune. Semnalul este apoi citit de un
d
deschide la 110RAC după ce supapă de evacuare se închide. Acest
Utilizarea hidrogenului la alimentarea MAI
167
sistem înregistrare de date prin intermediul unui senzor de marcaj de unghi
(CrankAngleMarker -CAM) şi un interpolator care permite o acurateţe în măsurare de
1, 0.5, 0.25 sau 0.1oRAC. Presiunea de referinţa a fost obţinută prin egalarea
presiunii medii efective din cilindru în timpul schimbului de gaze cu presiunea
atmosferica minus căderea de presiune din ghidajul si supapă de admisie minus
căderea de presiune din canalul de admisie, determinat în funcţie de debitul de aer
(aceasta procedura a atins cerinţele necesare pentru un motor CFR cu turaţie
constanta).
Debitul de aer si de hidrogen au fost măsurate cu debitmetre masice. Datorită
caracterului puls , un rezervor
ştire a fost poziţionat între debitmetrul de aer şi motor pentru a obţine valori
sate pe stand sunt utilizate pentru a
calcula
ru amestecuri bogate cu viteza
de ard
atoriu al curgerii pentru un singur cilindru la turaţie mică
de lini
precise. Valorile obţinute cu debitmetrele ampla
raportul aer/combustibil. Un senzor de oxigen cu banda largă a fost plasat pe
conducta de evacuare pentru a transmite valoarea iniţială a caracterului bogat al
amestecului, însă toate calculele sunt făcute utilizând valorile date de debitmetre.
8.8.3.2 Rezultate obţinute pentru versiunile cu carburator A fost măsurată influenţa raportului aer/combustibil (cu sarcina) la diferite
valori ale distribuţiei şi rapoarte de comprimare asupra puterii indicate Pi şi
randamentului indicat ηi. Domeniul rapoartelor de comprimare utilizate a fost de 7:1
la 9.5:1, rapoartele de echivalenţă aer/combustibil λ de la 1.4 la 2.7 (Φ între 0.37 şi
0.72) şi avans la aprindere de la 10 to 20 0RAC înainte de PMS. Figura 8.6(a)
reprezintă puterea indicată (normalizat la 293K şi 1 atm pentru a compensa variaţiile
din mediul de funcţionare) şi figura. .8.6(b) reprezintă randamentul indicat în funcţie
de raportul de aer/combustibil şi pentru diferite valori ale avansului (pentru un raport
de comprimare de 9:1).
Reglarea avansului este foarte importantă: pent
ere mare, avansul trebuie sa fie mic pentru a evita punctul de presiune
maximă care este dispus prea devreme în ciclu de funcţionare.
Pentru amestecuri mai sărace cu viteza de ardere mică avansul trebuie mărit. În
figura 8.7 sunt reprezentate emisiile de NOx. Acestea se măresc când avem un
amestec mai bogat decât λ =2(Φ =0.5), datorită măririi temperaturii flăcării.
PARTEA I – COMBUSTIBILI ALTERNATIVI
168
(a) Putere indicată
(b) Randament indicat
Fig. 8.6: Puterea indicată şi randamentul în funcţie de raportul echivalent
aer/combustibil şi avans
Utilizarea hidrogenului la alimentarea MAI
169
Figura 8.7. Emisii NOx v.s. raport echivalent aer combustibil
8.8.3.3Variantele de injec
a) Joncţiune-T ; b) Joncţiune-Y; c) Joncţiune la 45o; d) Joncţiune inversă la 45o.
Rezultate obţinute pentru versiunile cu injecţie ţie a hidrogenului permit o libertate mai mare pentru condiţiile
iniţiale, utilizând un control variabil al injecţiei şi presiunii. Influenţa geometriei de
injecţie a fost de asemenea măsurată, injectorul fiind poziţionat la diferite unghiuri
relativ la direcţia de curgere a aerului în admisie Figura 8.8 prezintă cele patru
geometrii de admisie examinate ( diferite joncţiuni):
Fig. 8.8: Geometrii ale admisiei – poziţii ale injectorului
PARTEA I – COMBUSTIBILI ALTERNATIVI
170
Geometria admisiei şi începutul injecţiei (II) Figura 8.9 arată puterea indicată produsă pentru diferite joncţiuni ca funcţie de
momentul de începere al injecţiei în grade IPMS- schimb de gaze ( pentru .λ = 2/Φ
=0.5, MA = 15 grade IPMS, RC=8:1) Joncţiunea Y la momentul de începere al
injecţiei de 80 de grade produce cea mai mare putere ( o minima este atinsa la II ~
40 grade) Diferenţa dintre cea mai mare şi cea mia mică valoare este de aproape
10%. Importanţa momentului de începere al injecţiei poate fi observat la consumul de
aer şi de combustibil în raport cu momentul începerii injecţiei. Debitele de aer şi
combustibil, şi asemenea presiunea în camera de ardere sunt maxime la momentul
închiderii supapei de admisie, pentru începerea injecţiei la 80 de grade, şi atunci de
asemenea presiunea în cilindru este cea mai ridicată la momentul începerii injecţiei,
după cum poate fi văzut în figura 8.10 Din aceasta rezultă cel mai ridicat coeficient
de umplere şi implicit cea mai ridicată putere. Explicaţia pentru aceasta evoluţie es
intera
(de la închiderea şi deschiderea supapei de admisie).
La momentul deschiderii supapei de admisie (18 grade IPMS), presiunea din
cilindru este puţin scăzută faţă de cea din canalul de admisie. Presiunea din canalul
de admisie scade şi se produce o destinde r undele de depresiune circulă prin
cana
se p
sunt întărite nea este
scăzut , apar „interferenţe distructive”. Acestea pot fi văzute în figura 8.11 unde
începu
ximativ 150
e grade, în timp ce pentru momentul de început al injecţiei la 80 de grade (puterea
dezvoltată mai mare) presiunea maximă apare mai târziu. Pentru momentul de
început al injecţiei la 80 de grade, maximul este de asemenea mai mare, presiunea
continuă să crească după 150 de grade şi la momentul închiderii supapei de admisie,
în cilindru este o presiune de 1.1 bar. Astfel rezultând un câştig al puterii de 10%.
Influenţa joncţiunii (a geometriei admisiei) asupra puterii este mai mică decât
începutul injecţiei şi toate joncţiunile dezvoltă puterea maximă aproximativ la
te
cţiunea dintre jetul de H2 injectat şi presiunea undelor din canalul de admisie
re, ia
l, ca apoi să fie respinse la deschidere ca o unda de comprimare. Dacă injecţia
roduce când undele de presiune la admisie sunt la valoarea maximă, undele
şi presiunea va creşte. Dacă injecţia începe când presiu
ă
tul injecţiei este optim (80 de grade), prea devreme (40 de grade) şi prea
târziu (100 de grade). Începutul injecţiei se remarcă prin creşterea bruscă a
semnalului presiunii. Nu doar amplitudinea undelor este influenţată, dar şi poziţia în
timpul maximului de presiune se schimbă semnificativ. Cu începutul injecţiei la 40 de
grade (puterea dezvoltată este mai mică) presiunea maximă este la apro
d
Utilizarea hidrogenului la alimentarea MAI
171
momentul începerii injecţiei de 80de grade.(vezi figura 8.8). Joncţiunea Y dezvoltă
cea mai ridicată putere iar joncţiunea inversă de 45 de grade dezvoltă cea mai mică
putere. În cea din urmă, fluxul de aer (cel mai mare debit de aer) trebuie să facă cea
mai mare cotitură, rezultând cele mai mari pierderi de presiune. Joncţiunea Y pare să
fie cea mai bună combinaţie între omogenizarea amestecului şi pierderile în
presiune, dezvoltând cea mai mare putere.
ite joncţiuFig.8.9. Puterea dezvoltată cu difer ni, în funcţie de începerea injecţiei
Fig.8.10 Presiunea maximă în cilindru cu diferite joncţiuni în funcţie de începutul
inje ţiei
Figura 8.12 prezintă ran rite joncţiuni în funcţie de
începutul injecţiei ( din nou . .λ = 2/Φ = 0.5,.=2/f=0,5, MA=15 grade IPMS, RC= 8:1)
c
damentul indicat pentru dife
PARTEA I – COMBUSTIBILI ALTERNATIVI
172
Influenţa începutului injecţiei asupra randamentului este mai scăzută decât asupra
puterii dezvoltate. Joncţiunea de 45 de grade a dat cele mai bune rezultate
randament. Cele mai ridicate randamente sunt cu începerea injecţiei la 40 de grade
IPMS. O posibilă explicaţie este că pentru un început al injecţiei la 40 de grade
undele de presiune sunt răsfirate, apare o creştere a turbulenţelor care dau un
amestec mai omogen al aerului cu combustibilul rezultând, astfel, o ardere mai
completă (din nefericire măsurători asupra emisiilor care să confirme acest lucru nu
s-au efectuat în timpul acestor experimente).
Raportul de echivalenţă şi momentul aprinderii Figura 8.13 arată influenţa raportului de echivalenţă aer/combustibil şi a
momentului aprinderii asupra puterii indicate pentru doua momente de început ale
injecţiei ( joncţiune Y şi RC=8:1). Momentul aprinderii a fost schimbat de la 2 la 20 de
grade IPMS. Cu momentul de aprindere optim puterea dezvoltată variază aproape
liniar cu raportul de echivalenţă aer/combustibil.
Fig. 8.11. Curbele de presiune în canalul de admisie (la 8 cm de supapă de
admisie) pentru II=400 RAC, II=80 oRAC, II = 100 oRAC
Momentul aprinderii este dependent de raportul de echivalenţă aer/combustibil
(schimbând de la 2 0RAC la λ. =1.7/Φ =0.6 la 20 0RAC la λ =2.5/ Φ =0.4).
Din nou influenţa MII se observă în figură, este de asemenea remarcat că la
fieca
re raport de echivalenţă, MII de 80 de grade dezvoltă cea mai ridicată putere.
Utilizarea hidrogenului la alimentarea MAI
173
Fig.8.12. Randamentul indicat pentru diferite joncţiuni în funcţie de II(începutul
injecţiei)
Fig.8.13 Puterea dezvoltată în funcţie de raportul de echivalenţă aer/combustibil
pentru momentul aprinderii variind de la 2 la 20 de grade IPMS (MA optim este
mai crescut pentru amestec mai sărac) joncţiune Y, RC= 8:1.
PARTEA I – COMBUSTIBILI ALTERNATIVI
174
Figura 8.14 redă randamentul indicat pentru diferite joncţiuni în funcţie de
raportul de echivalenţă aer/combustibil (şi momente de aprindere diferite).
Bineînţeles cel mai ridicat randament a fost obţinut pentru un moment de aprindere
optimizat (acelaşi cu care se dezvoltă cea mai ridicată putere). Cel mai ridicat
randament obţinut pentru joncţiunea de 45 de grade este din nou obţinut.
Fig.8.14 Randamentul indicat în funcţie de raportul de echivalenţă aer/combustibil
cu MA variind de la 2 la 20 de grade IPMS (MA mai mare pentru amestecuri mai
i devreme pentru presiuni joase de injecţie.
sărace)
Presiunea de injecţie Toate testele de mai sus au fost realizate cu o presiune de injecţie de 3 bar.
Figura 8.15. arată influenţa presiunii de injecţie şi a începerii injecţiei asupra
puterii indicate pentru joncţiunea de 45 de grade la . λ = 2/Φ= 0.5, MA=10 grade
şi RC=8:1.
Figura 8.15 arată că la cea mai joasă presiune a injecţiei interacţiunea dintre
jetul de combustibil şi undele de presiune din canalul de admisie scade, fapt care
determină şi scăderea influenţei momentului injecţiei asupra puterii dezvoltate.
Momentul optim de injecţie este ma
Utilizarea hidrogenului la alimentarea MAI
175
Influenţa presiunii de injecţie asupra randamentului este foarte mică (mai puţin de
0,1%)
Fig.8.15. Puterea dezvoltată în funcţie de momentul de începere al injecţiei la
diferite presiuni de injecţie.
Strategia injecţiei târzii Injectorul folosit pe motorul CFR pentru m surătorile prezentate în aceasta parte a
fost de acelaşi model cu cel folosit şi pe motorul GM, cu mici modificări, pentru a
îmbunătăţi reproductibilitatea rezultatelor pentru durate scurte ale injecţiei.
Dimensiunile mari ale injectorului au permis testarea tuturor strategiilor de injecţie
prezentate în Secţiunea 8.8.2.2. Figura 8.16 arată evoluţia puterii indicate în funcţie
de raportul de echivalenţă aer/combustibil pentru 2 MA, demonstrând capacitatea de
a funcţiona în condiţii stoichiometrice (λ = 1) fără ca flacăra să se întoarcă. Aici, a
fost utilizată joncţiunea Y, lungimea canalului de admisie a fost scăzută comparativ
cu măsurătorile prezentate anterior (injectorul a fost dispus aproape de supapă de
admisie),a fost utilizată presiunea de injecţie de 7 bar, cu momentul de injecţie la 170
de grade IPMS (schimb de gaze). Funcţionarea cu MII=150 de grade şi raportul de
echivalenţă aer/combustibil de 0,92 (Φ =1.09) a fost stabilă pentru o funcţionare
stabilă fără întoarceri ale flăcării. Experimente efectuate mai târziu au arăta că există
posibilitatea de a funcţiona stoichiometric fără întoarceri ale flăcării până la un raport
ă
PARTEA I – COMBUSTIBILI ALTERNATIVI
176
de -
aprinderea
comprimare de 12:1. la raportul de comprimare 13:1 a început să apară auto
Puterea indicată în funcţie de raportul de echivalenţă aer/combustibil,
8.8.3.4unt privitoare în mare parte la reducerea
. GA)
este o trivită pentru
rii pe trei-căi
astfel
pierde
pentru a studia posibilităţile de reducere a NOx la funcţionarea stoichiometrică
rţial oxidate (ex
CO) c nsează prin existenţa agentului puternic reducător
ara
funcţio u amestecuri stoichiometrice +
nţei la
întoar convertoare catalitice cu trei căi pentru
amestecuri sărace precum şi filtre pentru NOx. Catalizatori cu reducere catalitică
Fig.8.16.
strategia injecţiei târzii.
. Strategii de reducere a NOx
Lucrările executate pe motorul CFR s
NOx După cum s-a menţionat în Secţiunea 1.5.3. recircularea gazelor arse (R
metoda eficientă pentru reducerea NOx şi este o opţiune foarte po
funcţionarea stoichiometrică, pentru că astfel se pot utiliza catalizato
(CTC) pentru reducerea NOx. Mai mult de atât, se poate modifica puterea dezvoltată
prin modificarea cantităţii de gaze recirculate, în loc de accelerare, evitând
rile la randament. Un sistem RGA a fost montat pe motorul CFR de încercări
folosind CTC, ar putea fi dezavantajat prin absenţa hidrocarburilor pa
u toate că acesta se compe
H2. În această perioadă se execută lucrări de cercetare pentru a comp
narea cu amestecuri sărace şi funcţionare c
RGE, asupra randamentului, puterii dezvoltate, emisiilor de NOx şi reziste
cerea flăcării. Sunt planificate teste cu
Utilizarea hidrogenului la alimentarea MAI
177
selectivă (RCS) nu vor fi consideraţi ţinte principale pe motoarele vehiculelo
eri unde nu este de dorit rezervorul în plus.
r de
pasag
8.8.4.1estul de folositor
a pregătirii motoarelor pentru
limentarea cu hidrogen, dar în timp a definit impropriu ca motor de cercetare. Cei 8
e (şi scump) de
hidrog făcută la toţi 8 cilindri. Cu atât mai mult că pentru
arte,
iunea 8.8.3. este mai adecvat din punct de vedere al
senzo
consta este prea scăzută-şi nu este reprezentativă pentru
sa se
fost folosit un motor de cercetări de la firma Audi-NSU utilizat în anii 80 pentru studiul
tor,
numit aţiile motorului sunt
prin
preluc
pentru a monta o bujie.
teristicile motorului Audi
A
8.8.4. Motorul Audi
Cercetări experimentale Motorul General Motors prezentat la Secţiunea 8.8.2 a fost d
pentru a căpăta experienţă la aspectele practice
a
cilindri şi capacitatea cilindrică mare însemnă un consum mar
en şi fiecare adaptare trebuia
datele de presiune din cilindru nu era nevoie decât de un cilindru. Pe de alta p
monocilindrul de la CFR din Secţ
cercetărilor pentru că poate accepta diverşi senzori de presiune (sau altfel de
ri) şi variază foarte puţin în gama de turaţii. Pe de alta parte, această turaţie
ntă este un dezavantaj:
motoarele de autovehicule, şi nu poate redă date la diferite turaţii. Ca atare s-a decis
construiască un stand de încercare cu un monocilindru de turaţie ridicată. A
curgerii în motoarele diesel cu injecţie directă pentru autovehicule, Acest mo
motorul Audi a fost ales ca bază pentru noul stand. Specific
prezentate în tabelul 8.5 Raportul de comprimare a fost redus de la 16:1 la 11:1
rarea pistoanelor, orificiul de montare original pentru injector a fost utilizat
Tabel 8.5. Carac
lezaj 77.02 mm DSA 23o RAC IPMS
Cursă 86.385 mm ISA 50o RAC DPMS
C I ilindree 402.5 cm3 DSE 80o RAC IPMo RAC DPMI Raport de 11:1 ISE 15
comprimare
Turaţie 1000-4500 rpm
PARTEA I – COMBUSTIBILI ALTERNATIVI
178
O schemă a standului de încercare a motorului Audi este prezentat în figura
8.17 Momentul de aprindere şi momentul de injecţie (de începere al injecţiei şi durata
i
simula i
răcire,
carter sferat pe motorul Audi (Section 8.8.2.4).
ificilă
decât ire pentru
tă). O
diafrag ui
senzo ă, pentru că doar un capăt al
arbore ibraţiilor a complicat şi mai mult prelungirea arborelui
locui
pe cea a obţine astfel un
t pă
o alini
piezor eaşi
cu cea imbului
de ga de presiune dintre ele este mică. Influenţa duratei şi a
ie între
20 de
motoarele cu hidrogen
de
ardere nd momentul MBT în funcţie
a
contro la
frână (pmef) cu raportul de echivalenţă aer/combustibil.
Momentan, cel mai bogat amestec nedetonant este în jurul valorii . λ =1.4/Φ =0.7
injecţ ei) sunt controlate de o unitate de control MoTec M4Pro, cu turaţie şi sarcina
tă MAP (vezi Secţiunea 8.8.2.2.) ca parametrii de bază. Temperatura lichidulu
de răcire uşor ajustabilă de către o supapă automată, controlând debitul de lichid de
temperatura lichidului fiind stabilită la 75 grade C. Sistemul de ventilaţie al
ului folosit la motorul GM a fost tran
Montarea unui senzor de presiune în cilindru pe motorul Audi a fost mai d
pe motorul CFR. Într-un final s-a optat pentru un senzor fără răc
compactitate, produs în special pentru a limita şocul termic (precizie crescu
mă specială permite precizii de nivelul senzorilor răciţi cu lichid. Montarea un
r pe arborele cotit s-a dovedit de asemenea dificil
arborelui cotit era liber. Cu atât mai mult ca un al doilea arbore era condus de către
le cotit pentru reducerea v
cotit. O noua contragreutate cu diametrul mai mic a fost calculată pentru a o în
originală pentru a permite prelungirea arborelui cotit pentru
capă liber. Aceasta a permis ca un senzor de rotaţie al arborelui să fie montat, du
ere precisă a extensiei arborelui.
Pentru citirea presiunii de referinţă, a fost folosită metoda senzorilor
ezistivi montaţi în canalul de admisie. Aici presiunea din cilindru este ace
(absolută) din canalul de admisie la punctul mort inferior în timpul sch
ze, când diferenţa
poziţ i intervalului pentru referinţă a fost verificată, un interval optim a fost găsit
grade şi 50 de grade DPMS. (aceasta valoare depinde de motor).
8.8.4.2 Rezultate iniţiale
O gamă largă de momente de aprindere a folosită la
(datorită gamei largi a raportului de echivalenţă aer/combustibil, implicit viteze
) Acest fapt este demonstrat în figura 8.18, arătâ
de raportul de echivalenţă aer/combustibil la 2800 rpm
Relaţia dintre raportul de echivalenţă şi puterea dezvoltată, folosită pentru
la sarcina este prezentată în figura 8.19 calculând presiunea medie efectivă
Utilizarea hidrogenului la alimentarea MAI
179
Fig.8.17. Schema standului de încercare a motorului Audi
Figura 2.18: Momentul MBT în funcţie de reportul de echivalenţă aer/combustibil
PARTEA I – COMBUSTIBILI ALTERNATIVI
180
Figura 2.19 Controlul calitativ al sarcinii
Munca actuală şi de vii8.8.4.3 tor udi,
experi ermiţând o
durată ultatele iniţiale arată
a flăcă
ii în cilindru la motorul Audi au fost făcute pentru a
tem
[1] g in waterstofverbrandingsmotoren -
[2] B., Heck R.M., and Poles T.C. PremairR catalyst system – a new
[3] , UK edition, 2002.
int/.
Se prevede a evalua eficacitatea strategiei injecţiei târzii pe motorul A
mente iniţiale au fost făcute folosind 2 injectoare în loc de unul, p
mai scurtă a injecţiei şi o injecţie mai târzie. Rez
posibilitatea folosirii unor amestecuri mai bogate fără a exista procesul de întoarcere
rii, în special la turaţii mai mari.
Măsurători ale presiun
obţine date la diferite turaţii (la motorul CFR nu se puteau obţine)
Se prevăd schimbări la standul de încercare prin care să se prevadă un sis
de recirculare a gazelor arse (RGA) şi un compresor.
Bibliografie
Verhelst S. Onderzoek naar de verbrandin
A Study of the Combustion in Hidrogen-Fuelled Internal Combustion Engines.
PhD thesis, Ghent University, 2005.
Hoke J.
approach to cleaning the air. SAE, paper nr 1999-01-3677, 1999.
Rifkin J. The hidrogen economy. Polity Press
[4] United Nations Framework Convention on Climate Change, http://unfccc.
Utilizarea hidrogenului la alimentarea MAI
181
[5]
scenario. Int. J. Hidrogen Energy, 28:267–
[6]
[9] New Zealand for use of
[10]
[11]
[12]
http://www.eere.energy.gov/hidrogenandfuelcells/.
[13]
[14] NEDO New Energy and Industrial Technology Development Program,
[15]
ble hidrogen –a research objective for Shell. Int. J. Hidrogen Energy,
ogen
cture, Montreal,
s affecting the acceptance of
[18]
Automotive Congress, paper nr F2004F397,
[19] ,
r 2002-01-0242, 2002.
Barreto L., Makihira A., and Riahi K. The hidrogen economy în the 21st
century: a sustainable development
284, 2003.
Lovins A.B. Twenty hidrogen myths. White paper published at
http://www.rmi.org, 2003. ´
[7] Arnason B. and Sigf´usson T.I. Iceland – a future hidrogen economy. Int. J.
Hidrogen Energy, 25:389–394, 2000.
[8] Dunn S. Hidrogen futures: towards a sustainable energy system. Int. J.
Hidrogen Energy, 27:235–264, 2002.
Kruger P., Blakeley J., and Leaver J. Potential in
hidrogen as a tranportation fuel. Int. J. Hidrogen Energy, 28:795–802, 2003.
Cherry R.S. A hidrogen utopia? Int. J. Hidrogen Energy, 29:125–129, 2004.
State of the union address of the president to the joint session of
congress,January 28, 2003, USA.
Hidrogen, Fuel Cells & Infrastructure Technologies Program,
The European Hidrogen and Fuel Cell Technology Platform,
http://www.HFPeurope.org.
–
http://www.nedo.go.jp/english/.
Gosselink J.W. Pathways to a more sustainable production of energy:
sustaina
27:1125–1129, 2002. 35
[16] Segal L. Transition infrastructure for hidrogen fuel. 14th World Hidr
Energy Conference, plenary session on hidrogen infrastru
June 2002.
[17] Schulte I., Hart D., and van der Vorst R. Issue
hidrogen fuel. Int. J. Hidrogen Energy, 29:677–685, 2004.
Kazuyukin. et al. Study on fuel cell poisoning resulting from hidrogen fuel
containing impurities. Fisita World
2004.
Tang X. et al. Ford P2000 hidrogen engine dynamometer development. SAE
paper n
PARTEA I – COMBUSTIBILI ALTERNATIVI
182
[20] Akagawa H. et al. Development of hidrogen injection clean engine. 15th World
Hydrogen Energy Conference, paper nr 28J-05, Yokohama, Japan, July 2004.
Lutz A.
[21] E., Larson R.S., and Keller J.O. Thermodynamic comparison of fuel
[22] .
Hidrog 3, 1990.
on. Int. J. Hidrogen Energy, 21:703–715, 1996.
gy,
4th
ed paper, Montreal, Canada, 2002.
h IECEC
ural application. Int. J. Hidrogen Energy, 27:479–487, 2002.
mbustion engine group,
King’s College, London, UK, 1980.
[29] Berckm¨uller M. et al. Potentials of a charged SI-hidrogen engine. SAE, paper
nr 2003-01-3210, 2003.
0] Stockhausen W.F. et al. Ford P2000 hidrogen engine design and vehicle
development program. SAE, paper nr 2002-01-0240, 2002.
1] Swain M.R., Swain M.N., and Adt R.R. Consideration in the design of an in
expensive hidrogen-fueled engine. SAE, paper nr 881630, 1988.
[32] Project Coordinator Motor Vehicles and Road Transport, T UV Rheinland e.V.
for the Federal Ministry for Research and Technology. Alternative energy
sources for road transport -hidrogen drive test. Technical report, T UV
Rheînland, 1990.
[33] Kondo T., Iio S., and Hiruma M. A study on the mechanism of backfire in
external Mixture formation hidrogen gines –about back fire occurred by the
cause of the spark plug–. SAE, paper nr 971704, 1997.
cells to the Carnot cycle. Int. J. Hidrogen Energy, 27:1103–1111, 2002.
Das L.M. Hidrogen engines: a view of the past and a look into the future. Int. J
en Energy, 15:425–44
[23] DasL.M. Hidrogen-oxygen reaction mechanism and its implication to hidrogen
engine combusti
[24] KarimG.A. Hidrogen as a spark ignition engine fuel. Int. J. Hidrogen Ener
28:569– 577, 2003.
[25] Bardon M.F. and Haycock R.G. The hidrogen research of R.O. King. 1
World Hidrogen Energy Conference, invit
[26] MacCarleyC.A. A study of factors influencing thermally induced back firing in
hidrogen fuelled engines, and methods for backfire control. 16t
conference, Atlanta, USA, 1981.
[27] Das L.M. Near-term introduction of hidrogen engines for automotive and
agricult
[28] LucasG.G. andMorrisL.E. The back fire problem of the hidrogen engine.
Symposium organized by the university’s internal co
[3
[3
en
Utilizarea hidrogenului la alimentarea MAI
183
[34] Swain M.R.,SchadeG.J.,and Swain M.N. Design and testing of a dedicated
hidrogen fueled engine. SAE, paper nr 961077, 1996.
5] KoyanagiK.,HirumaM.,and FuruhamaS. Study on mechanism of back fire in
hidrogen engines. SAE, paper nr 942035, 1994.
6] Lee J.T., Kim Y.Y., Lee C.W., and Caton J.A. An investigation of a cause of
backfire and its control due to crevice volumes în a hidrogen fueled engine.
USA, 2000.
[37] Lee S.J., Yi H.S., and Kim E.S. Com stion characteristics of intake port
injection type hidrogen fueled engine Int. J. Hidrogen Energy, 20:317–322,
1995.
[38] Heywood J.B. Internal Combustion Engine Fundamentals. McGraw-Hill, 1988.
[39] Jorach R.W. Low nitrogen oxide emission combined with high power density
by using the hidrogen combustion m with advanced internal micuture
formation. MTZ Worldwide, 58-4:5–8, 1997.
0] Jing-Ding L., Ying-Qing L., and Tian-Shen D. Improvement on the combustion
of a hidrogen fueled engine. Int. J. Hidrogen Energy, 11:661–668, 1986.
1] Natkin R.J. et al. Hidrogen IC engine boosting performance and NOx study.
SAE, paper nr 2003-01-0631, 2003.
2] Binder K. and Withalm G. Mixture formation and combustion in hidrogen
engine using hidrogen storage technology. Int. J. Hidrogen Energy, 7:651–659,
1982.
3] Li H. and Karim G.A. Knock in spark ignition hidrogen engines. Int. J. Hidrogen
ergy, 29:859–865, 2004.
4] Heffel J.W., Johnson D.C., and Shelby C. Hidrogen powered Shelby Cobra:
vehicle conversion. SAE, paper nr 2001-01-2530, 2001.
[45] Smith J.R., Aceves S., and Van Blarigan P. Series hybrid vehicle and
optimized hidrogen engine design. SAE, paper nr 9
[46] Li H. and Karim G.A. Hidrogen fuelled spark ignition engines: pr
ex-perimental performance. ASME Spring Technical Conference, paper nr
.
Olavson L.G., Baker N.R., Lynch F.E., and Meija L.C. Hidrogen fuel for
underground mining machinery. SAE, paper nr 840233, 1984.
[3
[3
ASME Spring Technical Conference, paper nr 2000-ICE-284, San Antonio,
bu
.
ethod
[4
[4
[4
[4
En
[4
51955, 1995.
edictive and
ICES2003-548, Salzburg, Austria, 2003
[47]
PARTEA I – COMBUSTIBILI ALTERNATIVI
184
[48] Davidson D., Fairlie M., and Stuart A.E. Development of a hidrogen-fuelled
[53]
d passenger automobile. SAE,
designed for single speed/power operation. SAE, paper nr 961690, 1996.
[59]
combustion proces. Fisita World Automotive Congress, paper
nr F2004V113, Barcelona, Spain, 2004.
farm tractor. Int. J. Hidrogen Energy, 11:39–42, 1986.
[49] Heffel J. W.,Mc Clanahan M.N.,and Norbeck J.M. Electronic fuel injection for
hidrogen fueled internal combustion engines. SAE, paper nr 981924, 1998.
[50] Meier F. et al. Cycle-resolved hidrogen flame speed measurement with high-
speed Schlieren technique in a hidrogen direct injection SI engine. SAE, paper
nr 942036, 1994.
[51] Furuhama S. Problems of forecasting the future of advanced engines and
engine characteristics of the hydrogen injection with LH2 tank and pump.
Journal of Engineering for Gas Turbines and Power, 119:227–242, 1997.
[52] Guo L.S., Lu H.B., and Li J.D. A hydrogen injection system with solenoid
valves for a four-cylinder hidrogen-fuelled engine. Int. J. Hydrogen Energy,
24:377–382, 1999.
Kim J.M., Kim Y.T., Lee J.T., and Lee S.Y. Performance characteristics of
hidrogen fueled engine with the direct injection and spark ignition system.
SAE,paper nr952498, 1995.
[54] Yi H.S., Min K., and Kim E.S. The optimized mixture formation for hydrogen
fuelled engines. Int. J. Hidrogen Energy, 25:685–690, 2000.
[55] Peschka W. and Escher W.J.D. Germany’s contribution to the demonstrated
technical feasibility of the liquid-hydrogen fuele
paper nr 931812, 1993.
[56] RottengruberH.etal. A high-efficient combustion concept for direct injection
hidrogen internal combustion engine. 15th World Hidrogen Energy
Conference, paper nr28J-01, Yokohama, Japan, 2004.
[57] Heffel J.W. NOx emission reduction în a hidrogen fuelled internal combustion
engine at 3000 rpm using exhaust gas recirculation. Int. J. Hidrogen Energy,
28:1285–1292, 2003.
[58] Van BlariganP. Development of a hydrogen fueled internal combustion engine
Aceves S.M. and Smith J.R. Hybrid and convenţional hidrogen engine vehicles
that meet EZEV emissions. SAE, paper nr 970290, 1997.
[60] GerbigF.et al. Potentials of the hydrogen combustion engine with innovative
hidrogen specific
Utilizarea hidrogenului la alimentarea MAI
185
[61]
bustion Science
Theoretical
charged hidrogen engine. Int. J. Hidrogen
tructure and speed în spark-ignition engines. 19th
ymp. es 1451–1466, 1982.
as a zero-emission, high-efficiency fuel: uniqueness,
Int. Conf. ICE97, Internal combustion engines:
, Naples, Italy, 1997.
7]
premixed lean gasoline-hidrogen-air mixtures. 14th
eal, Canada, 2002.
eled reciprocating engine as an automotive prime
tive Congress, paper nr F98T/P693, Paris,
ats M., and V´itek O. Application of advanced
simulation methods ans their combination with experiments to modeling
ngine emission potentials. SAE, paper nr 2002-01-0373,
n on the
structure in premixed charges. SAE, paper nr 850345, 1985.
[73] Warnatz J., Maas U., and Dibble R.W. Combustion. Springer, 1996.
DeLuchi M.A. Hidrogen vehicles: an evaluation of fuel storage, performance,
safety, environmental impacts, and cost. Int. J. Hidrogen Energy, 14:81–130,
1989.
[62] Strebig K.C. and Waytulonis R.W. The bureau of mines’ hidrogen powered
mine vehicle. SAE, paper nr 871678, 1987.
[63] Fagelson J.J., McLean W.J., and de Boer P.C.T. Performance and NOx
emissions of spark-ignited combustion engines using alternative fuels — quasi
one-dimensional modeling. I. hidrogen fueled engines. Com
and Technology, 18:47–57, 1978.
[64] Prabhu-Kumar G.P., Nagalingam B., and Gopalakrishnan K.V.
studies of a spark-ignited super
Energy, 10:389–397, 1985.
[65] Keck J.C. Turbulent flame s
S (Int.) on Combustion, pag
[66] Johnson N.L. Hidrogen
experiments and simulation. 3rd
experiments and modelîng
[6 Fontana G., Galloni E., Jannelli E., and Minutillo M. Numerical modeling of a
spark ignition engine using
World Hydrogen Energy Conference, Montr
[68] Tak´ats M. et al. Hidrogen fu
mover? Fisita World Automo
France, 1998.
[69] Pol´a.sek M., Macek J., Tak´
ofhidrogenfueled e
2002.
[70] MaJ.,SuY.,ZhouY., and Zhang Z. Simulation and predictio
performance of a vehicle’s hidrogen engine. Int. J. Hidrogen Energy, 28:77–83,
2003.
[71] Turns S.R. An Introduction to Combustion. McGraw-Hill, 2000.
[72] AbrahamJ.,Williams F.A., and BraccoF.V.A discussion of turbulent flame
PARTEA I – COMBUSTIBILI ALTERNATIVI
186
[74] Gaseq, http://www.c.morley.ukgateway.net/.
[75] Heywood J.B. and Vilchis F.R. Comparison of flame development in a spark-
ignition Engine fueled with propane and hidrogen. Combustion Science and
7]
8] Sierens R.and Rosseel E. Back fire mechanism in a carburetted hidrogen
12th World Hidrogen Energy Conference, pages 1537–1546,
idrogen engine. SAE,paper nr
ns R.Greenbus: a hidrogen fuelled citybus. Int. J.
fficiency and decreased emissions. Journal of
Engineering for Gas Turbines and Power, 122:135–140, 2000.
rating motor fuels by motor and research methods.
Technology,38:313– 324, 1984.
[76] Sierens R. Installation and first experimental results of a hidrogen fuelled
engine. 9th World Hidrogen Energy Conference, pages 31–40(Addendum),
1992.
[7 Sierens R.and Rosseel E. The computation of the apparent heat release for a
hidrogen fuelled engine. ASME Fall Technical Conference, ICE 27-3:99–108,
1996.
[7
fuelled engine.
Buenos Aires, 1998.
[79] Rosseel E.and Sierens R .Knockd etection in a h
970039, 1997.
[80] Sierens R. and Rosseel E. Sequential injection of gaseous fuels. 5th EAEC
European Automotive Congress, paper nr SIA 9506A03, 1992.
[81] Vandenborre H.and Siere
Hidrogen Energy, 21-6:521–524, 1996.
[82] Sierens R. and Rosseel E. Variable composition hidrogen/natural gas mixtures
for increased engine e
[83] ASTM. ASTM manual for
1964.
[84] Brunt M.F.J. and Pond C.R. Evaluation of techniques for absolute cylinder
pressure correction. SAE, paper nr 970036, 1997.
Poluarea mediului ambiant
187
EVALUAREA IMPACTULUI ASUPRA MEDIULUI
PARTEA A-II-A -
PARTEA II – EVALUAREA IMPACTULUI ASUPRA MEDIULUI
188
Autori: Corneliu COFARU
Anghel CHIRU
9. POLUAREA MEDIULUI AMBIANT
9.1. POLUAREA AERULUI Activitatea umană generează emisia a numeroşi poluanţi gazoşi în atmosferă.
În societatea modernă industrială într-o economie globalizată mobilitatea este un
factor de prim ordin. Transportul de suprafaţă asigură mobilitatea a mai mult de 90%
e rata de creştere a traficului motorizat
avut factorul 100, şi încă are tendinţă de creştere. Creşterea traficului motorizat a
creşterea populaţiei, iar pe de altă parte de
de dioxid de carbon contribuie la efectul de seră cu
Alte surse evaluează
din transportul de pasageri (pasager x km) şi peste 40% din totalul mărfurilor
transportate (tone x km). Mijloacele de transport folosite utilizează motoare
alimentate cu combustibili fosili. În ultimul secol rata de creştere a populaţiei a fost
caracterizată de un factor egal cu 4, în timp c
a
fost determinat pe de o parte de
industrializarea şi motorizarea ţărilor în curs de dezvoltare, de distribuţia globală a
producţiei industriale, de inovaţiile tehnologice şi de creşterea continuă a schimburilor
comerciale internaţionale.
Mijloacele de transport contribuie la poluarea globală a mediului înconjurător
(aer, sol, apă) cu o serie de poluanţi primari cum ar fi: monoxidul de carbon(CO),
oxizi de azot (NOx) hidrocarburi (HC), particule (PM) şi contribuie cu precursori la
formarea poluanţilor secundari (ozon troposferic, smog fotochimic, particule şi ploi
acide). De asemenea emisiile
efectul bine cunoscut de încălzire globală a atmosferei. Emisiile de zgomot şi vibraţii
vin să agraveze efectele datorate emisiilor chimice.
Pentru a evalua contribuţia traficului rutier asupra emisiilor gazelor cu efect de
seră, a precursorilor ozonului şi a particulelor sub formă de aerosoli trebuie să se
stabilească un cadru de referinţă pentru a putea realiza comparaţia. Mulţi compuşi
atmosferici pot avea surse naturale, iar alţi compuşi se pot forma prin reacţii chimice
între diferite specii precursoare (ex. CO) dar tot atât de bine sursa poate fi traficul
rutier. În anul 1996 Agenţia Internaţională a Energiei stabilea că traficul rutier
contribuie cu 11% din emisiile gazelor cu efect de seră.
contribuţia combustibililor fosili la emisiile poluante la 80% pentru NO şi 43% pentru
CO.
Poluarea mediului ambiant
189
În ţările industrializate contribuţia traficului rutier la poluare este mai ridicată,
ia la nivelul anului 1999 contribuţia transportului la emisiile
îmbunătăţirile tehnologice aduse autovehiculelor, combustibililor,
număr de poluanţi iar studiile efectuate la nivel
erna
oluanţi asupra sănătăţii umane,
unt:
- oxidul de carbon (CO);
c (As);
nic cu combustibil lichid sau cărbune şi industria).
lf. Reglementări relativ recente au limitat drastic
spre exemplu în German
totale era de 21% pentru CO2, 61% pentru NO, 52% pentru compuşi organici volatili
şi 20% pentru aerosoli.
Cu toate
infrastructurii rutiere şi managementului traficului rutier, contribuţia acestuia la
poluarea globală rămâne importantă.
Autovehiculele emit un mare
int ţional permit cuantificarea poluanţilor emişi de traficul rutier.
Datorită riscurilor reprezentate de diferiţii p
pentru faună şi floră, s-au adoptat reglementări naţionale şi internaţionale care
specifică valorile limită ale concentraţiilor poluanţilor atmosferici.
În Europa reglementările prevăd limite pentru şapte poluanţi atmosferici (OMS
recomandă limitarea a 28 de poluanţi dăunători sănătăţii) care s
- dioxidul de sulf (SO2);
- particulele în suspensie (PM10);
- plumb (Pb);
- dioxidul de azot (NO2);
- ozonul (O3);
- benzenul (C6H6);
La nivel european se poartă tratative să se reglementeze şi emisia în
atmosferă a următorilor poluanţi:
- hidrocarburi aromatice policiclice;
- cadmiu (Cd);
- arseni
- nichel (Ni);
- mercur (Hg);
9.1.1. Dioxidul de sulf Emisiile de SO2 provin în special din instalaţiile care ard combustibili fosili
(încălzitul cas
O lungă perioadă de timp vehiculele dotate cu motoare diesel au contribuit la
poluarea atmosferei cu dioxid de su
PARTEA II – EVALUAREA IMPACTULUI ASUPRA MEDIULUI
190
co tul de sulf din motorina utilizată drept combustibil în transporturi. Astfel
participarea traficului rutier la poluarea globală cu dioxid de sulf a scăzut simţitor.
În consecinţă, luarea în considerare a acestui poluant la studiile de mediu
privind o infrastructură rutieră se va limita la evidenţierea surselor industriale
emiţătoare şi că valorile cumulate pot atinge valorile limită sau le pot d
nţinu
epăşi.
ajor al ploilor acide care contribuie la
ndul lor la acidificarea solului, apelor, accelerează coroziunea clădirilor şi
c vizibilitatea atmosferică.
ănătăţii prin
men mai
icătur
loare închisă ca să fie observate ca funingine sau fum.
ltele sunt atât de mici că pot fi detectate numai cu un microscop electronic.
dimensiuni mai mici de 2,5 µm (PM2,5) şi ele au ca origine
e şi măcinare precum şi de antrenarea prafului de vânt.
Concentraţii înalte de SO2 pot altera funcţiile respiratorii pentru copiii şi adulţii
bolnavi de astm. Expunerea îndelungată la SO2 asociată cu un nivel ridicat de
particule în suspensie poate altera funcţiile plămânilor şi agrava bolile
cardiovasculare existente.
Emisiile de SO2 constituie un precursor m
râ
monumentelor şi redu
9.1.2. Oxizii de azot Mai mult de jumătate din emisiile de oxizi de azot se datorează traficului rutier,
restul fiind datorat instalaţiilor de încălzire şi industriei.
Dioxidul de azot este recunoscut pentru impactul negativ asupra s
afectarea căilor respiratorii. Efectele asupra faunei sau florei nu sunt identificate cu
claritate. Oxizii de azot intervin însă la formarea ozonului de suprafaţă, feno
important în mediul interurban.
Oxizii de azot contribuie de asemenea la formarea ploilor acide, la acidificarea
apelor dulci şi a celor costiere şi la creşterea nivelului de toxine din corpul peştilor şi
a altor vieţuitoare acvatice.
1.1.3. Particule în suspensie Termenul de particule este utilizat pentru un amestec de particule solide şi
p i lichide care se găsesc în suspensie în atmosferă. O serie de particule sunt
de dimensiuni mari sau au cu
A
Particulele “fine” au
arderea în motoarele autovehiculelor, instalaţiile energetice, instalaţiile industriale
precum şi instalaţiile de încălzit casnice. Particulele cu dimensiuni mai mici de 10 µm
(PM10) sunt generate de traficul pe străzi nepavate, la manipularea unor materiale,
la operaţiile de sfărâmar
Poluarea mediului ambiant
191
Anumite particule sunt emise direct de la sursă, coşuri sau eşapamentul
autovehiculelor. În alte cazuri, gazele cum ar fi oxidul de sulf, SO2, NOx şi compuşii
solane agravează bolile sistemului respirator cum ar fi astmul. Inhalarea
Dintre autovehicule, cele dotate cu motoare diesel sunt socotite ca principale
substanţe toxice cum ar fi
prafaţă este un poluant secundar care se formează prin reacţiile
nici volatili au drept sursă emitentă autovehiculele, fabricile chimice,
finăr
idului de azot în gazele de evacuare ale
piere a unei
frastructuri rutiere are un nivel cu mult inferior valorilor limită.
se pot găsi în aglomeraţii urbane, în zonele cu
organici volatili, interacţionează cu alţi compuşi aflaţi în aer şi formează particule fine.
Compoziţia chimică şi fizică a particulelor variază în funcţie de locaţia geografică,
anotimp şi vreme.
Particulele fine şi grosolane pot fi inhalate şi pot fi acumulate în sistemul
respirator putând da numeroase efecte negative asupra sănătăţii. Expunerea la
particule gro
particulelor fine conduce la descreşterea funcţiilor plămânilor şi poate produce
moartea prematură.
Particulele, pe lângă problemele de sănătate pe care le induc, determină şi o
reducere a vizibilităţii în multe regiuni. Particulele formate în atmosferă pot determina
deteriorarea picturilor şi a materialelor clădirilor.
surse emitente de particule (funingine) care conţin
metalele grele şi hidrocarburile.
9.1.4. Ozonul
Ozonul de su
dintre NOx şi compuşii organici volatili în prezenţa căldurii şi radiaţiei solare. Oxizii de
azot sunt emişi de către autovehicule, instalaţii energetice şi alte surse de ardere iar
compuşii orga
ra iile, fabricile, produse comerciale şi alte surse industriale.
Formarea ozonului este un mecanism foarte complex în care intervin numeroşi
parametri chimici şi climaterici care îngreunează stabilirea cu certitudine a implicării
diferitelor surse.
Se cunoaşte că prezenţa monox
autovehiculelor limitează formarea ozonului (NO reacţionează cu ozonul pentru a
forma NO2). Aşa se explică că nivelul de ozon măsurat în imediata apro
in
Nivele mai ridicate de ozon
trafic uşor şi la periferia oraşelor, deoarece ozonul şi precursorii poluanţi formării
PARTEA II – EVALUAREA IMPACTULUI ASUPRA MEDIULUI
192
ozonului pot fi transportaţi la distanţe mari. Deci, o autostradă este susceptibilă de a
tri distanţă.
caracter regional. Expunerile pe termen scurt (1 – 3
re) şi
ozon sunt reducerea funcţiilor
ricole şi forestiere. Ozonul de suprafaţă distruge frunzele pomilor şi ale
estetică şi ornamentală a pomilor precum şi
erea incompletă a combustibilului în motoarele
emisii de CO şi poate
tovehiculelor. Vârfurile concentraţiilor de CO în
culelor sunt mai mari.
dul de carbon are serioase efecte asupra sănătăţii umane, el pătrunde
lelor se combină cu hemoglobina formând un compus
e CO poate
nătatea indivizilor este afectată apărând manifestări ca:
xpunere pot conduce la decesul indivizilor.
genera ozon la mai mulţi kilome
Ozonul este un poluant cu
o prelungit (6 – 8 ore) într-o atmosferă ce conţine ozon de suprafaţă pot cauza
creşterea spitalizărilor pentru probleme respiratorii. Expunerile repetate la ozon pot
determina subiecţilor infecţii respiratorii şi / sau agravarea unor boli de plămâni
existente. Alte efecte de sănătate atribuite expunerii la
plămânului, creşterea simptomelor respiratorii ca: dureri de piept şi accese de tuse.
Expunerea pe termen lung la nivele moderate de ozon poate produce
schimbări ireversibile la nivelul plămânilor care pot determina apariţia prematură a
bolilor cronice de plămâni.
Ozonul afectează vegetaţia şi ecosistemele, conducând la reducerea
producţiilor ag
altor plante, distruge valoarea
frumuseţea parcurilor şi spaţiilor de recreere.
9.1.5. Monoxidul de carbon (CO) Monoxidul de carbon (CO) este un gaz incolor şi inodor cu un grad înalt de
nocivitate şi este generat prin ard
autovehiculelor, instalaţiile energetice şi instalaţiile de încălzire casnice.
Traficul rutier este una din principalele surse de
participa cu mai mult de 60% la poluarea globală cu CO. În oraşe, aproximativ 95%
din emisiile de CO sunt datorate au
atmosferă se întâlnesc în lunile reci ale anului când emisiile de CO ale
autovehi
Monoxi
în plămâni unde la nivelul celu
stabil numit carboxihemoglobină care nu este capabil de a transporta oxigenul la
nivelul organelor şi ţesuturilor. Expunerea chiar la concentraţii reduse d
afecta grav persoanele cu afecţiuni cardiovasculare cum ar fi angina pectorală. La
expuneri mai serioase, să
reducerea acuităţii vizuale, reducerea capacităţii de muncă, reducerea dexterităţii
manuale, abilitatea de a învăţa scade, apar dificultăţi de îndeplinire a sarcinilor.
Nivelele înalte de e
Poluarea mediului ambiant
193
Concentraţii ridicate de CO se măsoară în vecinătatea infrastructurii rutiere; pe
ţiile scad prin transformare în CO2.
oliere şi se
ât orine zate la alimentarea motoarelor
ui chiar în cazul în care
nz ce onstrează formarea lui în timpul
activităţi industriale. Benzenul este
ţ .
ă la ii a concentraţie şi timp de
vi d Alte efecte asupra sănătăţii
ot fi: distrugerea sistemului imunitar, neurologic şi reproductiv, efecte care se
us pe sol sau pe suprafaţa apelor poate avea un
lui; ca şi oamenii, animalele pot avea probleme de
la care au fost expuse.
o tibilii auto la 0.8% volumic printr-
ite de particulele aflate în suspensie în
aromatice
licic
măsură ce distanţa creşte, concentra
9.1.6. Benzenul (C6H6) Benzenul este un constituent de origine al produselor petr
regăseşte atât în benzinele c şi în mot le utili
autovehiculelor.
Analiza gazelor de evacuare arată prezenţa benzenul
combustibilul nu a conţinut be en, ea ce dem
proceselor ce au loc în motor.
Emisiile de bezen apar şi de la alte
clasificat de OMS printre substan ele cancerigene
Populaţia expus emis le de benzen de o numită
expunere are şanse mărite de a se îmbolnă e cancer.
p
dezvoltă încet în timp, după luni şi ani de la expunerea iniţială.
Benzenul din aer, dep
puternic impact asupra mediu
sănătate în timp, dacă au fost ridicate concentraţiile
Prezenţa benzenului a fost limitată în c mbus
o directivă CEE în anul 2000.
9.1.7. Hidrocarburile aromatice policiclice Această categorie de hidrocarburi grupează substanţe constituite din 2 până la
6 cicluri aromatice juxtapuse. Dacă numărul de cicluri este până la 3, hidrocarburile
aromatice policiclice sunt considerate uşoare, dacă numărul ciclurilor este mai mare
de 4 atunci ele sunt considerate grele, prezentând caracteristici fizico-chimice şi
toxicologice diferite.
Hidrocarburile aromatice sunt absorb
atmosferă (îndeosebi de particulele emise de motoarele diesel).
În mediul urban principalele surse de emisie ale hidrocarburilor
po lice sunt autovehiculele.
O mare parte din substanţele din această categorie au un puternic caracter
cancerigen.
PARTEA II – EVALUAREA IMPACTULUI ASUPRA MEDIULUI
194
Nivelul de concentraţie al acestor substanţe nu este încă legiferat şi sistemul
de monitorizare este slab dezvoltat.
În mediul urban, prezenţa, conţinutul şi impactul hidrocarburilor aromatice
licic
utier, există posibilităţi de calcul şi de determinare
nţa lor la formarea ozonului de suprafaţă.
uia principala sursă de emisii de plumb. La ora
entraţii ridicate de Pb se găsesc în apropierea
ilor de baterii.
La studiile de impact trebuie să se ţină seama de fenomenul bioacumulării în
plante şi sol şi trebuie dete a stării iniţiale.
Expunerea l în inhalarea lui din aer, prin
ea alimen plumb sau, prin praf, apă ş e
oase şi ţ cipal ficatul, sistemul nervos şi alte
ivă la plumb poate determina deteriorări neurologice ca:
tardare ulburări ntale
i de învăţare şi o reducere a gradului de inteligenţă.
tru proprietăţile fizice, chimice şi
electrochimice la fabricarea aliajelor metalice, acumulatoarelor nichel – cadmiu, a
po lice asupra florei şi faunei încă fac obiectul unor cercetări. Progresul ştiinţific
rapid va permite într-un viitor apropiat luarea în considerare a hidrocarburilor
aromatice policiclice la întocmirea studiilor de mediu, luând în considerare condiţiile
de conservare ale resurselor naturale regenerabile (faună, floră, sol).
În ceea ce priveşte traficul r
a totalului hidrocarburilor nemetanice. În acest caz, la întocmirea studiilor de impact
asupra mediului înconjurător ale traficului rutier, este corect să se ia în considerare
totalul hidrocarburilor nemetanice, având în vedere reglementările în vigoare şi
influe
9.1.8. Plumbul (Pb) În trecut, traficul rutier constit
actuală, datorită eforturilor de eliminare din benzină a adiţiunilor pe bază de plumb,
concentraţiile medii anuale ale emisiilor de Pb se situează sub cifra de 0.5 µg / m3,
fixată de normele europene. Conc
turnătoriilor de metale feroase şi neferoase şi a producător
rminat conţinutul de Pb la stabilire
la plumb poate avea loc în principa
ingerar telor cu i sol. Plumbul s acumulează în
sânge, esuturi. El poate afecta în prin
organe. Expunerea exces
acces, re mentală, t comportame .
În cazul unor expuneri la doze reduse, apar deteriorări ale sistemului nervos al
fetusului iar la copii apar dificultăţ
Plumbul se poate depozita în frunzele vegetaţiei şi pe sol, ceea ce va conduce
la intrarea sa în lanţul trofic.
9.1.9. Cadmiul (Cd) Cadmiul şi sărurile sale sunt utilizate pen
Poluarea mediului ambiant
195
pigmenţilor, a stabilizanţilor sau coloranţilor pentru materiale plastice şi pentru
tratamentul suprafeţelor.
Principalele surse sunt legate de arderea gunoiului menajer sau activităţi
buie să se analizeze concentraţiile de cadmiu pentru că acesta
Nivelul concentraţiei de zinc din atmosferă va fi reglementat în viitor. Zincul
este prezent în apele care se scurg de pe infrastructura rutieră şi în solul apropiat
industriale (metalurgie, rafinarea zincului) şi agricole (aplicarea de amendamente).
În comparaţie cu alte surse, automobilul emite foarte puţin cadmiu. El se
găseşte în aditivii lubrifianţilor şi în pneuri. Pentru studiile de mediu în localităţi,
cadmiul produs de traficul rutier nu prezintă interes. În cazul studiilor de mediu pentru
ariile interurbane tre
se acumulează în plante şi poate constitui un pericol pentru om dacă plantele sunt
alimentare.
La ora actuală sunt cercetări care vizează determinarea zonei de influenţă a
infrastructurii rutiere precum şi conţinutul de cadmiu din sol şi vegetaţie datorat
traficului rutier. Rezultate preliminare au arătat că nivelul de poluare datorat traficului
se situează la valori minime. Rămâne ca să se urmărească în viitor nivelul de cadmiu
din sol datorită pericolelor care le prezintă acest metal.
9.1.10. Arsenicul (As), nichelul (Ni) şi mercurul (Hg) La studiile de impact aferente traficului rutier aceste elemente nu vor fi luate în
considerare pentru că ele nu sunt emise în gazele de evacuare ale autovehiculelor şi
nici prin uzura pieselor.
9.1.11. Zincul (Zn)
infrastructurii.
Emisiile de zinc pe infrastructura rutieră şi în zona acesteia se datorează
pierderilor de lubrifiant şi eroziunii glisierelor infrastructurii rutiere. Zincul se poate
găsi şi în gazele de evacuare ale autovehiculelor, sub formă de particule. Sunt în
curs cercetări pentru a se stabili responsabilitatea autovehiculelor la concentraţiile de
zinc în zona de influenţă a infrastructurii.
Concentraţiile de zinc din zona infrastructurii rutiere scot în evidenţă că şi
originea celorlalte metale sunt autovehiculele şi echipamentele străzilor.
PARTEA II – EVALUAREA IMPACTULUI ASUPRA MEDIULUI
196
9.1.12. Dioxidul de carbon (CO2) Dioxidul de carbon nu are un impact direct asupra calităţii aerului şi nici asupra
nătă
Prin poluare fotochimică se înţelege un amestec complex de poluanţi formaţi
chimic în atmosferă sub efectul radiaţiei solare cu lungime de undă scurtă, pornind
li şi monoxid de carbon).
n atmosferă
ţie cu ozonul stratorsferic:
până l
zonul format în troposferă are ca origine geneza oxigenului atomic, ca
rezultat al disociaţiei dioxidului de azot sub efectul radiaţiei ultraviolete.
Poluarea fotochimică (smogul fotochimic) poate fi explicată printr-o serie de
reacţii chimice înlănţuite.
să ţii umane. El intervine în efectul de seră, prin care planeta se încălzeşte.
9.1.13. Alte tipuri de poluare
9.1.13.1. Poluarea fotochimică
de la precursori emişi de surse naturale sau datorate activităţilor umane (oxizi de
azot, compuşi organici volati
Principalul poluant fotochimic este ozonul, care în procesul de apariţie este
însoţit şi de alte substanţe cu proprietăţi acide sau oxidante, cum ar fi: aldehidele,
compuşii organici nitraţi, acidul nitric, apa oxigenată. Acest tip de poluare este
cunoscut şi sub alte denumiri: smog fotochimic, smog de Los Angeles, smog de vară,
ceaţă oxidantă. Ozonul astfel format se acumulează în păturile joase ale atmosferei.
Repartiţia ozonului î
Ozonul stratosferic este rezultatul acţiunii razelor ultraviolete asupra oxigenului
molecular. El prezintă o concentraţie maximă la o altitudine de aproximativ 25 km.
Ozonul format în păturile joase ale atmosferei (troposferă) cuprinse între
suprafaţa Pământului şi o altitudine de 7 până la 12 km prezintă alte caracteristici în
compara
- concentraţia ozonului de suprafaţă este mai mică, el reprezentând
aproximativ 10 % din totalul de ozon existent în atmosferă;
- în regiunile industrializate, pe timpul verii, nivelul de ozon poate creşte cu
a 10 ori faţă de fondul natural;
- nivelul fondului de ozon s-a dublat în emisfera nordică datorită activităţilor
umane;
Formarea poluării fotochimice
O
Poluarea mediului ambiant
197
Substanţele precursoare sunt hidrocarburile, oxizii de azot, şi monoxidul de
carbon. Smogul fotochimic are trei componente: ozonul (O3), aldehidele şi
peroxinitratul acil.
1. NO + H2O → NO2 + OH
2. NO2 + hnν → NO + O
3. O + O2 → O3
4. O3 + NO → NO2 + O2
5. O3 + CmHn → RCHO + RCO2
6. O + NO2 → NO + O2
7. O + CmHn → R + RCHO
8. R + O2 → RO2
9. RO2 + NO → RO + NO2
10. RO → R + O
11. RO + NO2 → RONO2
12. RCO2 + NO → NO2 + RCO
13. RCO + NO2 + O2 → RCO 3NO2
Reacţi
NO + OH → NO2 + H
compuşilor
organi
ile 2, 3, 4 sunt rapide şi la echilibru formarea ozonului depinde de raportul
NO2/NO şi de radiaţia solară.
hnν
O3 + H2O → 2OH + O2
CO + OH → COOH
Formarea ozonului începe în cantităţi mici dar ea creşte prin existenţa
proceselor adiţionale capabile să regenereze NO2 fără a mai trece prin reacţia 4.
Aceasta se realizează datorită prezenţei în aer a speciilor oxidante de tipul H2O, RO2,
RCO2 după reacţiile 1, 9 şi 12. Radicalii implicaţi provin din degradarea
ci volatili şi a monoxidului de carbon sub efectul radicalului hidroxil format
pornind de la ozon şi vaporii de apă sub efectul radiaţiei ultraviolete. Schematic,
bilanţul poluării fotochimice este următorul :
COV + NOx + CO + hnν → O3 + peroxinitratul acil + aldehide +
acid nitric + apă oxigenată.
PARTEA II – EVALUAREA IMPACTULUI ASUPRA MEDIULUI
198
În general, elementul măsurabil al poluării fotochimice este ozonul.
Fenomenele care intervin în poluarea fotochimică sunt complexe pentru că pot
interveni şi alte gaze emise de trafic şi surse industriale.
or, existând reacţii
are favorizează sau inhibă procesul.
ele izolate şi puţin influenţate de activităţile umane, concentraţiile de
Ox sunt scăzute, prin creşterea conţinutului de compuşi organici volatili (COV),
de az termina intensificarea
de az (în special NO), procesul de formare a ozonului fiind încetinit
O2.
ici volatili
însă o rită transportului
zona urbană
Angel
de ozon (O3) [mg/m3]
O caracteristică importantă a chimiei atmosferice este neliniaritatea. Formarea
ozonului nu este proporţională cu conţinutul iniţial al precursoril
c
În zon
N
formarea tinde să se diminueze. În zonele cu o atmosferă cu conţinut ridicat de oxizi
ot creşterea conţinutului de compuşi organici volatili de
procesului de formare a ozonului.
În zonele urbane şi în proximitatea infrastructurilor rutiere, concentraţia oxizilor
ot este ridicată
datorită excesului de NO care determină desfăşurarea reacţiei : O3 + NO → NO2 +
Traficul rutier este o importantă sursă de NOx şi de compuşi organ
zonul se formează departe de infrastructura rutieră dato
acestor precursori la mari distanţe.
În anumite condiţii, poluarea fotochimică se poate manifesta şi în
cum ar fi condiţii pronunţate anticiclonice, oraşe foarte întinse şi însorite (Los
es, Mexico, Atena, Marsilia).
Concentraţiile de ozon troposferic în Europa sunt :
Tabelul 9.1 Concentraţia de ozon
ConcentraţiaZona Medie Max. pe oră Max. pe 8 ore Max. pe 24
ore Izolată - 20 – 60 - - Rural /
bane 35 – 90 150 – 400 100 – 350 100 – 250 eSuburUrbane 20 – 60 100 – 350 - 50 – 200
Poluarea fotochimică este ciclică şi este legată de var iaţiile zilnice şi sezoniere
le gradului de radiaţie solară.
Ciclul zilnic – în regiunile europene în mediul urban, formarea ozonului
troposferic formează un ciclu care prezintă n maxim al concentraţiei după amiază şi
a
u
Poluarea mediului ambiant
199
un minim noaptea. În zonele izolate, ni lul de ozon troposferic este mai puţin
fluctuant pe timpul zilei.
Ciclul sezonier – se constată o concentraţie maximă a ozonului troposferic pe
timpul verii în zonele cu emisii puternice ale precursorilor şi un minim pe anotimpul
de iarnă.
Precursorii poluării fotochimice provin din emisii naturale sau activităţi umane
în proporţii variabile regional. În regiunile industrializate sursele naturale de emisii ale
ecursorilor ozonului joacă un rol marginal. Pentru aceste zone, reducerea poluării
tochimice nu se poate obţine decât prin diminuarea precursorilor emişi de către
activităţile umane.
Complexitatea proceselor fotochimice impune utilizarea unor modele de
simulare pentru studierea corectă a relaţiei dintre emisiile de precursori şi formarea
poluanţilor fotochimici. Aceste modele pot fi aplicate la scară locală sau la o scară
mai mare pentru elaborarea unor scenarii de luptă contra poluării fotochimice.
Modelele de simulare servesc la determinarea corectă a participaţiei reale a traficului
rutier la poluarea globală şi pentru a evalua efectele benefice ale introducerii noilor
soluţii tehnologice asupra motoarelor şi carburanţilor precum şi acţiunile întreprinse
pentru gestionarea traficului şi diminuarea emisiilor NOx şi COV.
Introducerea modelării fizico-chimice a atmosferei necesită date detaliate
asupra situaţiei meteorologice şi a emisiilor precursorilor în zona studiată. Rezultatele
unei astfel de modelări nu sunt transferabile spre alte regiuni, deoarece sunt legate
de condiţiile strict specifice regiunii pentru care s-a realizat modelarea. Se apreciază
că în Europa este necesar să se reducă cu aproximativ 50 % emisiile de NOx şi COV
pentru a diminua în mod semnificativ nivelul de ozon.
9.1.13.2. Ploile acide Prin ploi acide sau depuneri acide se înţeleg căderile de compuşi cu caracter
acid rezultaţi din reacţiile atmosferice ale dioxidului de sulf (SO2) şi oxizilor de azot
(NOx) cu apa, oxigenul şi compuşii oxidanţi. Aceşti compuşi cad pe Pământ sau ape
sub formă uscată (gaze sau particule) sau sub formă umedă (ploaie, zăpadă sau
ceaţă). Aceşti compuşi se formează şi sunt transportaţi de curenţii de aer la mari
depărtări de locul de emisie al precursorilor ploilor acide.
ve
pr
fo
PARTEA II – EVALUAREA IMPACTULUI ASUPRA MEDIULUI
200
Înainte de a cădea pe pământ, SO2 şi NOx precum
i nitraţi) contribuie la înrăutăţirea vizibilităţii atmosferice şi afectează sănătatea
respirator contribuind la
devine un mediu ostil faţă de o serie de peşti şi animale
patrimoniul fiecărei naţiuni.
CĂTRE TRAFICUL RUTIER structurii pot fi poluate de către transportul rutier
upă s
idenţiat că în Europa rata de -1 -1
n volum al traficului zilnic de 50.000 vehicule cum este
in emisii,
Depunerea poluanţilor se poate realiza într-un proces uscat sau
med.
de plumb din compoziţia combustibililor
se acumuleze în pânza freatică.
nici prezenţi în gazele evacuate de autovehicule pot să
ri nearse alifatice şi hidrocarburi poliaromatice ca rezultat
in motor şi de pe traiectul de evacuare. Scurgerile de ulei şi
şi 2,8 g pe milă.
şi particulele acide (sulfaţi
ş
umană. Precursorii ploilor acide afectează sistemul
distrugerea ţesuturilor plămânilor provocând moartea prematură a subiecţilor expuşi.
Ploile acide determină creşterea nivelului de aciditate al solului (deteriorând
vegetaţia) şi a apelor (apa
acvatice). De asemenea, ploile acide contribuie la distrugerea rapidă a clădirilor,
statuilor şi monumentelor care fac parte din
9.2. POLUAREA APELOR DEApele din vecinătatea infra
d chema din figura 1.1
Rata de acumulare a poluanţilor pe suprafaţa infrastructurii rutiere se studiază
având ca parametru bază, particulele de material depuse şi care variază în funcţie de
categoria de drum. Cercetările efectuate au ev
acumulare variază de la un minim de aproximativ 2000 kg.ha .an pentru o densitate
a traficului de 5000 vehicule pe zi valabil pentru o infrastructură rutieră rezidenţială, la
peste 10.000 kg.ha-1.an-1 la u
cazul autostrăzilor.
Poluanţii de pe infrastructura rutieră pot avea o depunere directă d
uzura pieselor vehiculului, scurgeri de lichide (combustibil, ulei, lichide hidraulice de
la diferite sisteme) şi poluarea provenind de lucrările de mentenanţă sezonieră a
infrastructurii rutiere.
u
Datorită eliminării aditivilor pe bază
poluarea cu plumb s-a diminuat considerabil. Este posibil ca aditivii care au înlocuit
plumbul cum ar fi metil terţ butil eter (MTBE) să
Alţi compuşi orga
includă emisii de hidrocarbu
al reacţiilor chimice d
fluide hidraulice în condiţii normale de funcţionare sunt apreciate ca fiind într-un
interval cuprins între 0,2
Poluarea mediului ambiant
201
Fig.9.1. Schema de poluare a apei de către transportul rutie
r.
ţei asfaltice produce eliberarea de
tral sau este
împrăştiată în zonele adiacente infrastructurii sau este aruncată în cursurile de apă.
Uleiul uzat conţine o serie de metale cum ar fi: Ba,Ca, Mg, Yn, Cu, Fe, Cd şi
Pb. Principalii poluanţi care provin din procesele abrazive şi corozive sunt metale,
particule de polimeri provenind din uzura pneurilor. Procesele de uzură ale pieselor
produc particule metalice, piesele de motor(Cr,Cu, Fe, Mn) lagărele şi bucşe (Pb, Cu
şi Ni).
Au fost identificaţi trei factori care influenţează particulele fine de la suprafaţa
infrastructurii rutiere: vârsta şi condiţia suprafeţei şoselei, condiţiile climatice locale şi
scurgerile de combustibil sau ulei. Uzura suprafe
hidrocarburi aromatice şi ceva metale (Ni) care este asociat la materialele de
construcţii. Marcajele rutiere conţin metale cum ar fi : Cr, Cu, Ti şi Zn. Dacă
marcajele sunt în stare proastă contribuţia acestora la poluare este mică.
În anotimpul rece se execută o serie de lucrări de mentenanţă cum ar fi
curăţarea zăpezii şi a gheţii pentru a menţine condiţii de siguranţă a circulaţiei.
Impactul asupra mediului depinde de zăpada mutată şi dacă acesta este sau nu
asociată cu poluanţi şi dacă este transportată la un depozit local sau cen
PARTEA II – EVALUAREA IMPACTULUI ASUPRA MEDIULUI
202
Pentru dezgheţ se folosesc agenţi de dejivrare a căror compoziţie depinde de
condiţiile de îngheţare. Aceşti agenţi se pot transforma în anumite condiţii în
substanţe toxice.
Pentru distrugerea vegetaţiei din apropierea infrastructurii se folosesc ierbicidele,
care pot polua . Pentru împrăştierea lor se alege o vreme uscată.
Bibliografie [1] Apostolescu, N., Sfinţeanu, D. - Automobilul cu combustibili neconvenţionali. -
Editura Tehnică, Bucureşti, 1989. ISBN 973-31-0049-8.
[2] Bobescu, Gh.,şa - Tehnici speciale pentru reducerea consumului de
. - Universitatea din
Braşov,1989.
-3-1.
]
.N. Anglin, - Automotive Emission Control - McGraw Hill,
SAE Paper No. 690502, 1969,11 p.
0] P.F. Nelson and S.M. Quigley, - The hydrocarbon composition of exhaust
emitted from gasoline fuelled vehicles - Atmosph. Environm., 18, 1984, 79-87.
from modern European vehicles
combustibil şi limitarea noxelor la autovehicule
[3] Cofaru, C., ş.a.. - Autovehiculul şi mediul. Editura Universităţii Transilvania
Braşov, 1999. ISBN 973-98512
[4] Cofaru.C. –Legislatia şi ingineria mediului in transportul rutier Editura
Universităţii Transylvania Brasov 2002 ,ISBN 973-635-185-8
[5] Degobert, P. – Automobiles and Pollution – SAE International, 1995.
[6] *** Les études d'environment. ADEME, Angers, référence 4050.
[7 W.E. May et al., - Characterization of polycyclic aromatic hydrocarbons in air
particulate extracts by liquid gas chromatographic methods - identification and
analysis of organic pollutants in air, L.H. Keith, Butterworth Publications,
Boston, 1984, pp. 159-169.
[8] W H. Crouse and D
New York, 1977, 278 p.
[9] S.W. Martens, - Evaporative emission measurements with the SHED, A
second progress report -
[1
[11] Mc Arragher et al., - Evaporative emissions
and their control - SAE Paper No. 880315, 1988, 9 p.
Poluarea mediului ambiant
203
Exemplu de poluare datorat autovehiculelor
PARTEA II – EVALUAREA IMPACTULUI ASUPRA MEDIULUI
204
Autor: Corneliu COFARU
9.3. EMISI Autovehic
A SONORĂ PR TOVEHICULE ulul este lă de poluare sonoră
autovehiculelor depind de i care determină intensitatea
sonor.
O serie de factori s tovehiculelor, alţii sunt generaţi de construcţia
drumului şi interacţiunea om-vehicul-drum.
Emisia de zgomot e mătorii factori:
onstructiv
- factori de exploata
lui;
Fa grupului
de suspensie, frânare, direcţie, sis
precum şi de construcţia caroseriei autovehiculului.
torii de exploatare - p cial dozajul amestecului, combustibilul
ina, turaţia, regimul termic al motorului şi de asemenea viteza de
deplasare a autovehiculului.
Caracteristicile drumului - influenţează emisiile sonore prin particularităţile
acţiunii om-vehicul-drum - caracterizează
terac
te fi generat pe următoarele căi:
în
mişcare ale motorului.
ODUSĂ DE AU o sursă mobi . Emisiile sonore ale
o serie de factori interconectaţ
şi forma spectrului
unt proprii au
ste influenţată de ur
- factori c i;
re;
- caracteristicile drumu
- factorii de influenţă ai interacţiunii om-vehicul-drum.
ctorii constructivi - ţin de principalele caracteristici constructive ale
motopropulsor, sistemelor temului de rulare
Fac rivesc în spe
utilizat, sarc
constructive: pante, curbe etc. care impun schimbarea regimului de viteză.
Factorii de influenţă ai inter
in ţiunea dintre acoperământul drumului şi pneu precum şi stilul de conducere al
conducătorului auto.
9.3.1. Emisiile de zgomot ale motorului Ansamblul motorului constituie principala sursă de zgomot a autovehiculului.
Zgomotul poa
- mecanic;
- aerodinamic;
- termic;
Generarea mecanică a zgomotelor se datorează contactului pieselor
Poluarea mediului ambiant
205
Procesele de schimb de gaze - admisia fluidului proaspăt şi evacuarea gazelor
arse, datorită vitezelor mari de curgere şi a fenomenelor ondulatorii care au loc în
tubulaturile de admisie şi de evacuare generează unde sonore cu un spectru larg.
Arderea amestecului aer-combustibil în cilindrii motorului este însoţită de
esiunii fluidului cu viteze mari care generează pulsaţii care se propagă
de tip otorul cu aprindere prin comprimare, datorită particularităţilor
aprind rindere prin comprimare cu cameră de
imare cu
camer
imul rând
compr constructive, sistemul de distribuţie.
itatea blocului
teristicile constructive ale
stalaţiilor auxiliare (alimentare, supraalimentare, răcire, ungere, etc.).
Vibraţia suprafeţei exterioare a motorului este provocată de creşterile rapide
de presiune din timpul arderii şi de şocurile produse pe reazemele interioare de
organele în mişcare care se propagă prin structura motorului. Şocurile dintre piston şi
cilindru, dintre fusurile arborelui şi lagăre, dintre bolţ şi reazeme, dintre capul bilei şi
maneton sunt datorate acţiunii forţelor variabile şi jocurilor funcţionale.
Zgomotul generat de sistemul de distribuţie depinde de: numărul, poziţionarea
şi tipul de antrenare al arborelui cu came ( ţi dinţate, lanţ, curea dinţată), numărul de
supape pe cilindru şi de jocul termic al supapelor.
La motoarele turbosupralimentate, prezenţa turbocompresorului are o influenţă
contradictorie: pe de o parte el este o sursă de zgomot prin funcţionarea la turaţii
ridicate şi prin influenţa pe care o introduce asupra proceselor de admisie a fluidului
proaspăt (presiune, temperatură) şi de ardere (presiune, temperatură a fluidului în
motor) iar pe de altă parte el se comportă ca un atenuator de zgomot deoarece o
parte din energia gazelor evacuate este transformată în lucru mecanic de antrenare a
suflantei diminuând astfel nivelul energetic al gazelor arse după turbină.
creşteri ale pr
sub formă de vibraţii la nivelul structurii motorului şi în unde sonore în exterior.
La analiza nivelului emisiilor sonore, trebuie să se ţină seama în primul rând
ul motorului. M
constructive şi funcţionale are un nivel de emisii sonore mai ridicat decât motorul cu
ere prin scânteie iar motorul cu ap
ardere unitară este mai zgomotos decât motorul cu aprindere prin compr
ă de ardere divizată.
Nivelul de emisii sonore emis de un anumit motor este influenţat în pr
de: numărul de cilindri, ordinea de aprindere, raportul cursă alezaj, raportul de
imare, jocurile
Zgomotul şi vibraţiile emise sunt influenţate de materialul şi rigid
motor şi chiulasei, materialele diferitelor capace şi carac
in
ro
PARTEA II – EVALUAREA IMPACTULUI ASUPRA MEDIULUI
206
O pondere importantă în emisia sonoră a motorului o
cauzată îndeosebi de vibraţia palelor ventilatorului. La motoarele răcite cu lichid,
e
uxiliare se constată o generare de vibraţii şi unde sonore datorită antrenării acestora
idelor pe care acestea le vehiculează.
is de motor este influenţat şi de factorii de exploatare cum ar fi:
ozajul amestecului, calitatea combustibilului, sarcina şi turaţia motorului care
luen
dere sau avansului la injecţie.
nturii, reglajele jocurilor funcţionale (la
a
ă.
de frânare, direcţie, suspensie
are instalaţia de răcire
cămăşile de răcire se comportă ca un atenuator fonic. La nivelul celorlalte sistem
a
şi variaţiilor de presiune a flu
Zgomotul em
d
inf ţează procesele din motor şi implicit nivelul forţelor care iau naştere în
mecanismele motorului. În această categorie poate fi inclusă şi variaţia în funcţie de
factorii funcţionali ai avansului la aprin
9.3.2. Emisiile de zgomot ale sistemelor autovehiculului
9.3.2.1. Transmisia autovehiculului Nivelul emisiei sonore a transmisiei depinde în mare măsură de tipul de
transmisie: faţă, spate sau integrală.
La transmisia “faţă” se simplifică transmisia fluxului de putere către roţi.
Zgomotele şi vibraţiile sunt influenţate de: numărul de roţi dinţate aflate în angrenare,
tipul danturii, modul de prelucrare al da
angrenajele conice şi rulmenţii conici), tipul de ungere şi calitatea uleiului utilizat.
La transmisia “spate” prezenţa arborelui cardanic amplifică nivelul de vibr ţii
transmis caroseriei. Existenţa pe spate a mai multor punţi motoare şi prezenţa
diferenţialului interaxial poate amplifica nivelul de emisii sonore, acelaşi lucru
întâmplându-se şi prin utilizarea unor transmisii finale cu roţi cilindrice sau planetare
plasate la roţile motoare.
Transmisia “integrală” în funcţie de tipul de distribuţie a fluxului de putere
poate avea un număr sporit de roţi în angrenare şi de arbori cardanici care determină
o emisiune sonoră superioar
9.3.2.2. SistemulNivelul sonor emis de aceste sisteme depinde în general de soluţia tehnică
adoptată pentru servo-asistare (hidraulic sau pneumatic) prin prezenţa dispozitivelor
de antrenare şi existenţa pompelor, compresoarelor, regulatoarelor de presiune.
Poluarea mediului ambiant
207
9.3.2.3
i şi ale celorlalte subansamble ale autovehiculului iar
la vite
9.3.2.4. Caracteristicile drumului depinde şi de caracteristicile drumului.
oselele c
hiculului.
c
9 r sonore datorate autovehiculelor este reglementat în funcţie
d
e
p
. Caroseria În primul rând caroseria preia o parte din vibraţiile surselor generatoare şi o
poate converti la suprafaţa acesteia în unde sonore iar în al doilea rând prin forma sa
poate crea la înaintare curenţi şi turbioane de aer a căror energie poate fi convertită
în energie sonoră.
Viteza autovehiculului poate fi o sursă de poluare fonică, la viteze reduse
predominând emisiile motorulu
ze ridicate predominând zgomotul generat de interacţiunea pneului cu drumul
şi zgomotul datorat curenţilor de aer generaţi de înaintarea autovehiculului.
Poluarea fonică datorată traficului rutier
Ş u pante şi curbe strânse influenţează emisiile în sensul creşterii intensităţii
acestora prin adaptarea vitezei de mers la cerinţele acestora având loc o multitudine
de schimbări de viteză, accelerări, decelerări şi mers turat al motorului. Şoselele
plane permit deplasări cu viteze ridicate şi în acest caz poluarea fonică se datorează
îndeosebi interacţiunii roată - drum şi curenţilor de aer generaţi de deplasarea
autovehiculului.
9.3.3. Interacţiunea om - roată – drum
Stilul de conducere influenţează poluarea fonică prin regimurile de accelerare
şi turaţie a motorului şi prin nivelul de viteză al autove
Construcţia pneului şi îmbrăcămintea drumului (asfalt neted, poros, piatră
ubică) influenţează nivelul de poluare sonoră datorată traficului rutier.
.3.4. Reglementări privind emisia sonoră la autovehicule
Nivelul emisiunilo
e categoria din care face parte şi caracteristicile acestora.
În oraşe, unde vitezele de deplasare ale autovehiculelor sunt mici predomină
misiunile sonore ale motorului iar reglementările ţin seama de această
articularitate.
PARTEA II – EVALUAREA IMPACTULUI ASUPRA MEDIULUI
208
T
8
Categoria Caracteristica Nivelul de zgomot max. [dB]
abelul 9.2. Nivelul maxim permis de zgomot măsurat în conformitate cu Directiva
1/334/EC bazată pe Directiva 92/97/EC
autovehiculului nr. pasageri <9 (inclusiv şoferul) 74 nr. pasageri >9 (inclusiv şoferul) Gt < 2000 kg 76
2000 < Gt < 3500 kg 77 Pe < 150 kW 78
Transport pasageri
Pe >150 kW 80 Gt < 2000 kg 76 2000 < Gt < 3500 kg 77 Gt > 3500 kg; Pe < 75 kW 77 75 < Pe <150 kW 78
Transport marfă
Pe > 150 kW 80 Gt - greutatea totală a autovehiculului; Pe - puterea maximă a motorului;
Tabelul 9.3. Nivelul maxim permis de zgomot pentru vehiculele cu două roţi în
conformitate cu Directiva 81/334/EC bazată pe directiva 87/56/EC
Categoria autovehiculului Caracteristica Nivelul de zgomot max. [dB]
Vt < 80 cm3 75 80 < Vt < 175 cm 77 3
Motorete Moto lcic ete
Vt > 175 cm3 78 Vt - cil metrului şi măsurarea se
efect
mplet echipat, neîncărcat,
staţio t ând valorile nu diferă cu mai mult
de 2 ă la o distanţă de 7,5 m de la
ieşire gimul de funcţionare al motorului este următorul:
rimare la turaţia maximă prescrisă de
const
din turaţia maximă.
ai mare de 5000 rot/min,
măsu 0
a se efectuează la 3/4 din turaţia maximă a motorului.
indreea totală a motorului;
Nivelul de zgomot se măsoară cu ajutorul sono
uează pe curba de ponderare (A).
Nivelul de zgomot se măsoară cu autovehiculul co
na . Se utilizează maximum două măsurători c
dB(A). Microfonul sonometrului se amplaseaz
a conductei de eşapament. Re
- motor cu aprindere prin comp
ructor;
- motor cu aprindere prin scânteie accelerat la 3/4
- motociclete: dacă turaţia maximă a motorului este m
rarea se execută la 1/2 din turaţia maximă; dacă turaţia este mai mică de 500
rot/min atunci măsurătoare
Poluarea mediului ambiant
209
or. Există metodologii de
măsu reducerea activă a
acest
Bibliografie [1] h.,şa - Tehnici speciale pentru reducerea consumului de
a noxelor la autovehicule. - Universitatea din
[2]
[3]
l, 1995.
[5]
[6] *** Les études d'environment. ADEME, Angers, référence 4050.
[7] *** Noise. European Parliament Fact Sheets, 2002.
În Europa nu există valori limită de zgomot pentru mot
rare a zgomotului motoarelor, utile constructorilor pentru
uia.
Bobescu, G
combustibil şi limitare
Braşov,1989.
Cofaru, C., ş.a.. - Autovehiculul şi mediul. Editura Universităţii Transilvania
Braşov, 1999. ISBN 973-98512-3-1.
Cofaru.C. –Legislatia şi ingineria mediului in transportul rutier Editura
Universităţii Transylvania Brasov 2002 ,ISBN 973-635-185-8
[4] Degobert, P. – Automobiles and Pollution – SAE Internationa
Timothy, T., Maxwell, Jesse, C., Jons. - Alternative fuels. SAE 1995. ISBN 1-
56091-523-4.
PARTEA II – EVALUAREA IMPACTULUI ASUPRA MEDIULUI
210
Autor: Adrian NOVAC
9.4. COMPATIBILITATEA ELECTROMAGNETICA A AUTOVEHICULELOR ŞI A ECHIPAMENTELOR ELECTRICE/ELECTRONICE DE BORD
9.4.1. Informaţii generale
9.4.1.1. Preambul
Mediul electromagnetic este spaţiul planetei unde se desfăşoară viaţa
(biosfera), precum şi spaţiul (domeniul) unde trebuie să funcţioneze dispozitivele
electrice şi electronice create de om.
Mediul electromagnetic este determinat atât de natura fizică a planetei cum ar
fi: câmpul magnetic al planetei, descărcările electrostatice din atmosferă, razele şi
undele cosmice, lumina solară, depozitele radioactive, cât şi de activitate umană, de
exemplu generarea şi transportul energiei electrice, re omunicaţii militare şi
paţiale, emiţătoarele radio şi TV, telefonia pe fir şi fără fir, GSM, GPS, tehnologia
igitale sau analogice) ale
autovehiculelor comerciale şi de pasageri.
Compatibilitatea electromagnetică “CEM”, în sens larg, poate fi interpretată ca
şi coexistenţa neconflictuală între sursele de energie electromagnetică şi
receptoarele acestor energii. În această categorie sunt incluse biosfera precum şi
dispozitivele electrice/electronice destinate pentru a funcţiona satisfăcător în
ambientul lor electromagnetic. Trebuie subliniat că domeniul “CEM” este într-o
continuă, rapidă şi cuprinzătoare dezvoltare, incluzând în aceasta şi activitate umană
în ansamblul ei, precum şi biosfera. Este necesară stabilirea prin standarde a unor
mite de securitate şi sig ilitate), care să limiteze
prezintă aptitudinea
unui
(imunita
(emisii) acestui mediu sau altor dispozitive aflate în acel mediu.
ţelele de c
s
informatică (IT), echipamente electrocasnice (cuptoarele cu microunde) şi nu în
ultimul rând dispozitivele electrice şi electronice (d
li uranţă (interferenţă şi susceptib
poluarea electromagnetică.
9.4.1.2. Definiţii Compatibilitatea electromagnetică, abreviată “CEM”, re
dispozitiv sau echipament să funcţioneze în mediul său electromagnetic
tea acestuia), fără ca el să introducă perturbaţii electromagnetice intolerabile
Poluarea mediului ambiant
211
“CEM” reprezintă un criteriu important în aprecierea calităţii autovehiculelor în
ansa l sceptibilitatea) şi emisii
ale d ulelor, prin generarea de
câmp
ţa (perturbator “EMI”) şi de imunitate
(susc
C
L
pentru imunitate ”EMS”. Valorile limită, metodele de măsurare precum şi
instru
9.4.2.“C
În prezent marea majoritate a autovehi
electronice digitale (microproces ţiilor acestora
şi pentru a transmite date la
cu reţeaua local
(modulul e
general ac şi
ţiei emisiilor de radio frecvenţă (RF) şi a cerinţelor privind
ea ambianţei cu interferenţe electromagnetice cu nivele peste nivelele
ormale a fost suficient de vagă în decursul istoriei.
− Int
ă “IEM”, este de 3volt/metru
(V/m)
mai multe ori, au limite mult mai ridicate (severe)
decât majoritatea actualelor medii industriale sau altor ambianţe. Nivelul test, de
imunitatea la câmp electromagnetic radiat este de 10(v/m). Această valoare este
mb ul lor, dar şi evidenţierea nivelelor de imunitate (su
ispozitivelor electrice/electronice de la bordul autovehic
uri electromagnetice de conducţie şi radiaţie. În acord cu definiţia, “CEM” se
subdivide în câmp electromagnetic de interferen
eptibilitate) “EMS”, astfel “CEM” poate fi privit ca sumă a EMI şi EMS:
EM=EMI+EMS
egislaţiile recomandă valori maxime pentru interferenţă “EMI” şi valori minime
mentele de măsură sunt specificate în standarde.
EM” în proiectarea autovehiculelor
culelor sunt echipate cu dispozitive
oare) şi analogice pentru controlul func
dispozitivele periferice asociate. De exemplu conexiunile
ă a modulului electric al motorului, cutiei de viteze, suspensiei “MEC”
lectronic de control), ABS, liniile de telecomunicaţii GSM, GPS etc. În
este produse aparţin clasei de produse din tehnologia informaticii (IT)
sunt supuse legisla
imunitatea acestui domeniu, atât în SUA, cât şi în ţările din Uniunea Europeană.
Definir
n
ensitatea câmpului electric de interferenţă, de comun acceptat ca un prag al
unui ambient de ridicată interferenţă electromagnetic
. În mod normal nivelele de interferenţă mai mari de 3(V/m) depăşesc limitele
de imunitate la zgomot a dispozitivelor digitale şi a sensibilităţii dispozitivelor
electronice analogice.
− Imunitatea (susceptibilitatea) “SEM”, în multe situaţii, permite selectarea
defectelor unor produse. Limitele utilizate la testele de imunitate variază dependent
de intensitatea semnalului. În multe cazuri testele au concluzionat că directivele
privind mediul “CEM”, de cele
PARTEA II – EVALUAREA IMPACTULUI ASUPRA MEDIULUI
212
arhisuficientă pentru testele de imunitate pentru o largă categorie de dispozitive şi
c ctuale.
9.4.3.“CEM” teorie generală
ă c lă
între emiţătoarele şi receptoarele de energie electromagnetică. Aceasta se traduce
pţionată fără
nici o
rice / electronice. Transmiţătoare de energie
lectromagnetică sunt de asemenea şi acele dispozitive electrice / electronice, care
d poluanţi electromagnetici ai
me
netice
(emiţători), sunt incluse şi echipamentele electrice / electronice ale autovehiculelor.
Prezentăm pentru exemplificare o parte din aceste echipamente:
− echipamentele de aprindere prin scânteie ale autovehiculelor;
− scânteierile colectoarelor motoarelor electrice de acţionare;
− regimurile tranzitorii ale comutărilor sub sarcină;
− contactele releelor la comutare;
− controlul câmpului de excitaţie al alternatoarelor;
− convertoare DC/DC, surse de alimentare;
− lămpi cu descărcare în gaze (fluorescente);
− echipamentele
− radar anti-coliziune, mers înapoi;
−
:
−
e hipamente electrice / electronice ale autovehiculelor a
9.4.3.1. Interferenţă electromagnetică Compatibilitatea electromagnetică (CEM) reprezint oexistenţa neconflictua
prin aceea că emiţătorul transmite o anumită informaţie, care este rece
perturbare (interferenţă). Termenii de transmiţător şi receptor nu se referă
numai la dispozitivele de comunicaţie, acestea se utilizează în sens larg şi pentru
toate dispozitivele elect
e
emit perturbaţii electromagnetice nedorite, reprezentân
diului.
În această categorie de transmiţători de perturbaţii electromag
de alarmă;
descărcări electrostatice ”DES”;
− module electronice digitale de control ( ECM);
− sisteme de comunicaţie si poziţionare (GSM,GPS).
În categoria receptoarelor susceptibile la emisii electromagnetice, altele decât
aparatele de radio şi TV
echipamentele electrice / electronice de automatizare şi măsură ;
− dispozitivele electronice de bord digitale şi analogice;
Poluarea mediului ambiant
213
− module electronice de control ale motorului (MEC);
− modulul electronic de control al cutiei de viteze (MEC);
− modulul electronic de control al suspensiei (MEC);
− ABS-ul;
− GPS-ul;
− GSM-ul;
− calculatorul de bord;
− telefoanele fixe şi telefoanele mobile.
Noţiunea de “CEM” este actualmente mai cuprinzătoare în era digitală
comparativ cu noţiunea anterioară de antiparazitare radio.
P
ra.9.2. se prezintă un model general al interferenţei electromagnetice
între transmiţător (sursa perturbatoare) şi receptor (obiectul perturbat).
.9.2 Modelul interferenţei electromagnetice între emiţător şi receptor printr-un mediu fizic de cuplaj
În
rin înţelegerea mai sugestivă a interferenţelor electromagnetice (perturbaţiilor)
între transmiţător (dispozitivul perturbator) şi receptor (dispozitivul perturbat), vom
încerca să ilustrăm modelele acestor fenomene electromagnetice.
În figu
Fig
Există două situaţii diferite de interferenţe electromagnetice (IEM)
− Interferenţe de sistem
− Interferenţe inter-sistem
figura. 9.3.a şi figura. 9.3.b sunt prezentate modelele acestor două tipuri de
interferenţe.
PARTEA II – EVALUAREA IMPACTULUI ASUPRA MEDIULUI
214
Fig. 9.3.a Interferenţa “Inter-sistem”
În figura9.3.a este ilustrat modelul interferenţei electromagnetice între sistemul
e exemple:
− Variaţia curentului de-a lungul circuitelor surselor de alimentare, liniile (bus-
uri) de date apropiate ale modulelor electrice digitale (clock-urile
microprocesoarelor, relee );
− Între diferitele etaje de amplificare ale aceluiaşi echipament;
transmiţător “T” şi “n” sisteme receptoare perturbate “R”
Fig. 9.3.b Interferenţă de sistem
În figura. 9.3.b este ilustrat modelul interferenţei electromagnetice de sistem
între obiectul elementul / perturbator şi obiectul / elementul perturbat, componente
ale aceluiaşi echipament.
În această categorie se pot prezenta o serie d
Poluarea mediului ambiant
215
− Tensiuni de inducţie la variaţia curenţilor de sarcină;
− Scânteierile colectoarelor motoarelor de acţionare.
Ca o consecinţă, transmiţătoarele (emiţătoarele) şi receptoarele pot fi
considerate electromagnetic compatibile dacă:
− Transmiţătoarele emit numai pe frecvenţele alocate, fără armonici
importante, iar energia electromagnetică radiată scade cu distanţa, astfel ca
un alt transmiţător care emite pe aceeaşi sau pe o frecvenţă apropiată să nu
fie perturbat;
− Transmiţătoarele, care emit perturbaţii electromagnetice nedorite, pot fi
considerate compatibile atunci când intensitatea perturbatoare nu depăşeşte
un anumit nivel .N ate este stabilit astfel ca
nivelului perturbator
rimile principale
tensiuni, intensităţi ale câmpului electric şi magnetic, de curenţi şi al puterilor. În
domeniul “CEM” se utilizează logaritmul acestor rapoarte, care este de mare ajutor
ii.
xemplu, la tensiunea de referinţă “U0=1µV”, raportul de sistem al tensiunii este
ivelul limită al intensităţii radi
receptoarele să poată funcţiona în condiţii acceptabile, la anumită distanţă
sau ambianţa, faţă de interferenţa electromagnetică “IEM”;
− Receptoarele sunt considerate compatibile atunci când acestea sunt apte să
recepţioneze semnalul util într-un mediu electromagnetic perturbator cu un
raport semnal / zgomot sau prag al nivelului de zgomot compatibil şi acestea
(receptoarele) să nu genereze şi ele perturbaţii proprii incompatibile.
9.4.3.2. Nivelele de interferenţă – domeniul semnal+perturbaţii – limita
Pentru a se aprecia nivelele “CEM” trebuie plecat de la mă
care definesc adecvat interferenţele electromagnetice.
Interferenţele “CEM” pot fi cu exactitate apreciate cu ajutorul rapoartelor de
pentru tratarea “CEM” prin simplă adiţiune a nivelelor de semnal şi perturbaţ
rimi. De Valorile “CEM” absolute sunt divizate la valori de referinţă ale fiecărei mă
e
denumit “nivel de tensiune”.
PARTEA II – EVALUAREA IMPACTULUI ASUPRA MEDIULUI
216
- Raportul mărimilor de sistem – Niveluri absolute
Nivel de tensiune: udB=20 lg [ ]vx dB
uu
µ0
; unde u0=1 µV;
Nivel de curent: idB=20 lg [ ]vx dB
II
µ0
; unde I0=1µA;
Nivelul intensităţii de câmp electric: EdB= 20 lg [ ]mvx dB
EE
/0
µ : unde E0=1 µv/m ;
Nivelul intensităţii de câmp magnetic: HdB= 20 lg [ ]mAx dB
HH
/0
µ ; unde H0=1 µA/m
Atunci când nivelul raportului de semnal util este mai mic decât nivelul de
zgomot, receptorul percepe aceasta ca o perturbaţie, acest nivel este definit ca
nivelul pragului de zgomot .
- Raportul mărimilor de sistem – Niveluri relative Nivelele relative sunt reprezentate prin diferenţele între nivelele semnalului util şi
.
şi zgomot. În
nivelul semnalului util.
nivelul pragului de zgomot (perturbaţia) aşa numitul raport semnal/zgomot
Fig.9.4. Limitele de nivel relative “CEM”
În figura 9.4 este prezentată diagrama nivelelor relative “CEM” în dependenţă
de frecvenţele câmpului electromagnetic (f). Diagrama defineşte domeniul de zgomot
(perturbaţii), domeniul de securitate la perturbaţii şi domeniul de semnal
diagramă se prezentă şi nivelele de zgomot, nivelul pragului de zgomot precum şi
Poluarea mediului ambiant
217
Nivelurile relative, spre deosebire de nivelurile absolute sunt determinate de
diferenţele între niveluri. În cazul semnalelor analogice, în tehnica măsurătorilor, sunt
acceptate diferite valori pentru rapoartele semnal / zgomot, dependent de mediul
“CEM”. De exemplu în radio şi TV se acceptă valori între 30 şi 60 dB, însă în
telefonie nu se acceptă un raport mai mare de 10 dB. Limitele şi metodele de
măsurare ale perturbaţiilor electromagnetice sunt recomandate în standarde
interna
it
nivel de imunitate specific (dependent de tipul şi familia circuitului logic, TTL sau
CMOS), nu sunt perturbate sub nici o formă, dar peste acest nivel ele sunt perturbate
indubitabil. Trebuie subliniat aici că limitele de securitate depind substanţial de starea
câmpului perturbator, dacă este în stare staţionară, cvasi-staţionară sau dinamică.
În situaţia în care timpul de acţiune al perturbaţiei este mai mic decât timpul de
întârziere la propagare al unui anumit circuit (delay time), se poate accepta o limită
mai mare a perturbaţiei, comparativ cu cerinţele pentru nivelul limită al stării
staţionare.
9.4.3.3 Interferenţa “EMI” – metode de cuplare
ilizat în mod
şi
refer ii
distincte:
− Sursa electromagnetica perturbatoare. Amplitudinile tensiunilor, curenţilor,
fronturile
pulsaţiilor;
− Metodele de cuplaj, suportul fizic (conducţie, mutual, radiaţie);
− “SEM” (susceptibilitatea) dispozitivelor perturbate (receptori). Nivelele
acceptate ale perturbaţiilor în domeniul frecvenţă şi timp.
Dacă emiţătoare şi receptoare perturbaţiile pot fi tratate prin măsurarea
nivelelor emise respectiv prin nivelele de perturbaţii receptate, căile de cuplaj (mediul
fizic / suportul fizic) de cele mai multe ori necesită abordări mai profunde şi
ţionale specifice fiecărui domeniu.
În comparaţie cu sistemele analogice, echipamentele digitale sub un anum
Modelul general al interferenţei prezentat în fig. 1 nu poate fi ut
practic. Multe tipuri de circuite electronice emit (radiază) sau sunt sensibile la “IEM”
ar trebui ecranate pentru a li se asigura performanţele indicate. Stabilirea unor
inţe a CEM, pentru un proiect de echipament electronic, necesită trei direcţ
intensităţii câmpului electromagnetic, spectrul frecvenţelor,
PARTEA II – EVALUAREA IMPACTULUI ASUPRA MEDIULUI
218
cunoştinţe intime de electrotehnică şi experienţă în tehnica analizei reţelelor şi
circuitelor electrice.
Modurile de cuplare a energiei electromagnetice, de la sursă la receptoare, se
încadrează într-unul din cele patru categorii, după cum urmează:
Conducţie (curent electric / galvanic);
Inducţie (câmp magnetic);
Capacitiv (câmp electric);
Radiaţie (câmp electromagnetic).
Căile de cuplare identificat calea de
cuplar
sunt un complex de moduri, dificil de
e dominanta, chiar dacă set cunosc emiţătoarele şi receptoarele. Sunt mulţi
paşi pentru a atenua o anume cale de cuplaj, care implicit amplifică altă cale de
cuplaj. Interferenţele pot fi radiate dintr-un anumit echipament pe mai multe căi,
dependent de frecvenţele acestor interferenţe. Modul căilor de cuplare între sursa
(emiţător) de perturbaţii de energie electromagnetică şi receptoarele perturbate este
ilustrat în figura 9.5.
Fig. 9.5. Metode de cuplare a “IEM” a) La frecvenţe joase (sub 30 MHz), interferenţele pot apărea cel mai frecvent pe
calea cablajelor de conectare a echipamentelor (cuplaj galvanic), cum ar fi circuitele
de semnal sau de alimentare aşa numite emisii prin conducţie. Aceste interferenţe
pot apărea între două circuite electrice care au o impedanţă comună “Z”, care poate
fi un simplu segment de circuit, o impedanţă de transfer sau un anumit dipol. În figura
1.6 a este ilustrat acest tip de cuplaj prin conducţie.
Poluarea mediului ambiant
219
Fig.9.6.a Cuplaj prin conducCurentul (circuitul sursă de perturbaţii) generează pe
impedanţa com siune perturbato (∆Uz), care se suprapune
peste semnalu orul perturbat)
b) Cuplajul prin câmp magnetic, cuplajul inductiv, are loc între două sau mai multe
circuite parcurse de curenţi electrici. În figura 9.5b sunt ilustrate două moduri diferite
t
.C) şi celălalt pe calea cuplajului inductiv mutual (M) prin intermediul a
ouă inductanţe L1 şi L2, elemente a două circuite distincte I şi II.
2 Cuplaj mutual inductiv
În
magneti
compon ura 9.6.b2 circuitul “I” perturbă circuitul “II” prin
cuplaj mutual inductiv “M”, între bobina cu inductanţa “L1” din circuitul “I” cu bobina cu
inductanţa “L2” din circuitul “II”, circuitul perturbat.
ţie “i1” al circuitului I
ună “Z” o cădere de ten are
l util al circuitului II (recept .
de cuplaj inductiv, cuplaj pe calea câmpului magnetic cvasi-staţionar (curen
alternativ / A
d
Fig.9.6.b1 Cuplaj prin câmp magnetic Fig. 9.6.b cvasi- staţionar
figura 9.6.b1 curentul alternativ i1 (A.C) din circuitul “I” generează un câmp
c variabil care induce o tensiune perturbatoare în circuitul “II”, circuit
ent al echipamentului “II”. În fig
PARTEA II – EVALUAREA IMPACTULUI ASUPRA MEDIULUI
220
c) C a
Cu
căror tra gura9.6.c1 şi figura 9.6.c2 sunt
ilustr
modelul
câmp ele
din circuitul II. În teoria
circuitelor este dific alc p electric, este
mult mai uşor cu tensiunile surselor, curenţilor din fiecare circuit, precum şi cu
mărimile componentelor active şi pasive ale acestora. În această situaţie cuplajul prin
câmp electric este convertit în cuplaj prin conducţie al circuitelor din fiecare reţea, cu
menţiunea că este totuşi foarte important să cunoască originea reală a cuplajului
pentru a se efectua o modelare cât mai exac iecărui circuit.
d) Cuplaj prin câmp magnetic radiat
Cuplajul prin câmp electric radiat este un mod de cuplaj prin medii
neconductive. Această metodă de cuplaj, separat prin cuplaj câmp magnetic şi prin
upl j prin câmp electric (cuplaj capacitiv)
plajul prin câmp electric sau cuplaj capacitiv are loc între două circuite a
see conductive sunt la potenţiale diferite. În fi
ate două modele de cuplaj prin câmp electric. În figura 9.6.c1 se prezintă
unui cuplaj prin câmp electric “E” şi în fig. 9.6.c2 modelul unui cuplaj prin
ctric perturbator prin capacităţi parazite Cp1 şi Cp2.
Fig. 9.6.c1 Cuplaj prin câmp electric Fig. 9.6.c2 Reţea de circuite cuplaj
prin capacităţi parazite
În fig. 9.6.c 1 este ilustrat modelul circuitului perturbator “I” şi a circuitului
perturbat “II”. Potenţialul liniei de circuit “I” este mai ridicat decât al liniei de circuit “II”,
care este mai aproape de potenţialul masei. Interferenţele între cele două circuite
sunt prin intermediul cuplajului câmp electric “E”.
În fig. 9.6.c2 este ilustrat un model al circuitelor de reţea, care sunt cuplate
prin capacităţi parazite. Aceste două capacităţi parazite echivalente Cp1 şi Cp2 apar
între liniile perturbatoare din circuitul I şi liniile perturbate
il să se trateze (să se c uleze) cu mărimi de câm
se
tă a f
Poluarea mediului ambiant
221
câmp electric în regim cvasi-staţionar, a fost descris la punctul b şi c în care câmpul
electric
constituit din
mbele câmpuri: câmp electric ”E” şi câmp magnetic “H”, care oscilează
perpendicular unul distanţe mult mai
m
ra 9.6.d1 este ilustrată s mpului electromagnetic
tic), precum i metoda de propagare în mediu neconductiv.
Fig. 9.6.d1 Schema de prezentare a câmpului electromagnetic compus, câmp
electric ”E” şi câmp magnetic “H” şi modul de propagare (cuplaj)
În figura 9.6.d2 este ilustrat modelul interferenţei prin cuplaj prin radiaţie.
şi magnetic interferă independent în imediata apropiere a circuitelor sursă şi
receptoare. Cuplajul prin radiaţie al câmpului electromagnetic care este
a
faţă de celălalt şi interferă cu receptoarele şi la
ari.
În figu chematic dualitatea câ
(câmp electric şi magne ş
PARTEA II – EVALUAREA IMPACTULUI ASUPRA MEDIULUI
222
Fig. 9.6.d2 Model de cuplaj prin radiaţie
În figura 9.6.d2 sistemul perturbator (emiţător) ”I” şi sistemul perturbat
(receptor) II nu trebuie priv ţie.
Interferenţa electromagnetic tele electrice care
nu se prezintă
un complex de combina şi este foarte
dificil să se stabileas
atinge performanţ
Interferenţ trice / electronice ale
autovehiculelor depind de frecven ţe mai joase
(<30MHz), interferen uitelor conductoare, cum ar fi
cablajele pentru circuitele de semnal urbatoare
de conducţ se propage la distanţe
mai mari în forma de emisii prin radia ţie şi cele
prin radiaţie a fost acceptată ca fiind în jurul frecvenţei de 30 MHz, sub această
valoare sunt dominante emisiile prin conducţie, iar peste aceasta devin dominante
emisiile prin radiaţie.
La frecvenţe ridicate căile de circuit pot deveni în mod direct surse de radiaţie.
Perturbaţii electrice de radio frecvenţă apar în perioada funcţionării simultane a mai
multor componente ale echipamentelor electrice / electronice ale autovehiculelor.
Emisiile acestor componente sunt generate într-un domeniu larg de frecvenţe cu
diferite caracteristici electrice şi pot fi distribuite echipamentelor şi sistemelor electrice
şi electronice de la bordul autovehiculelor prin conducţie sau radiaţie. Caracteristicile
de imunitate la perturbaţii ale autovehiculelor la perturbaţii prin radiaţie, generate de
surse de la bordul sau din afara autovehiculului, includ un domeniu de frecvenţe de
ite în mod necesar ca antene de emisie / recep
ă se poate realiza şi direct prin circui
în mod explicit ca antene. Căile de cuplaj deseori sunt determinate de
ţii a celor patru (4) moduri de cuplaj prezentate
că, care dintre acestea pot fi reduse (atenuate) pentru a se
ele prescrise ale echipamentelor electrice / electronice.
ele prin radiaţie ale echipamentelor elec
ţa interferenţelor. La frecven
ţele se pot transmite pe calea circ
şi alimentare în formă de emisii pert
ie. Aceste emisii prin conducţie pot foarte uşor să
ţie. Tranziţia între emisiile prin conduc
Poluarea mediului ambiant
223
la 0,1 MHz până la 18.000 MHz. Metodele de evaluare a imunităţii autovehiculului la
perturbaţii prin radiaţie se efectuează dependent de frecvenţă cu variaţie continuă,
pe benzi de frecvenţă îngustă, cu diferiţi paşi pe fiecare bandă.
În tabelul 9.4 sunt prezentate benzile de frecvenţă şi mărimea maximă a
paşilor de frecvenţă pentru fiecare bandă (conform standardului ISO11451).
Tabelul 9.4. Benzile de frecvenţă şi paşii maximi
Bandă de frecvenţă Paşii maximi de frecvenţă
9.4.3.4. Clasificarea stării de performanţă a funcţionării – niveluri de severitate a încercării Clasificarea stării de funcţionare
Clasificarea stării de funcţionare a dispozitivelor şi echipamentelor electronice
ale autovehiculelor după expunerea acestora în anumite medii de interferenţă
electromagnetică “IEM”, oferă un important criteriu în evaluarea imunităţii
(susceptibilităţii) electromagnetice (SEM) la cuplaj prin conducţie şi radiaţie.
Starea de performanţă a funcţionării se clasifică astfel:
− Clasa A : Toate funcţiile unui dispozitiv / sistem se realizează aşa cum au
fost proiectate în timpul şi după expunerea la perturbaţii.
− Clasa B : Toate funcţiile unui dispozitiv / sistem se realizează aşa cum au
fost proiectate; totuşi una sau mai multe dintre ele pot merge dincolo de
toleranţele specificate. Toate funcţiile revin automat în limitele normale după
ce este înlăturată expunerea.
[MHz] [MHz]
> 0,01 până la ≤ 0,1 0,01
> 0,1 până la ≤ 1 0,1
> 10 până la ≤ 200 2
> 200 până la ≤ 1000 20
> 1.000 până la ≤ 18.000 200
PARTEA II – EVALUAREA IMPACTULUI ASUPRA MEDIULUI
224
− Clasa C : O funcţie a dispozitivului / sistemului nu se realizează aşa cum a
fost proiectată, în timpul expunerii, dar revin automat la funcţionarea
normală, după ce este înlăturată expunerea.
− Clasa D : O funcţie a dispozitivului / sistemului nu se realizează aşa cum a
fost proiectată, în timpul expunerii şi nu revine la funcţionarea normală până
nu es itivul / sistemul nu este repus în starea
iniţială prin simpla acţiune “operator / utilizator”.
− Clasa E : Una sau mai multe funcţii ale dispozitivului / sistemului nu se
realizează aşa cum a fost proiectată în timpul şi după expunere şi nu poate fi
adusă la funcţionarea normală fără reparări sau înlocuiri a dispozitivului /
sistemului.
Nivelul de severitate a încercării Nivelul de severitate specifică nivelele de încercare ale intensităţii câmpului,
tensiunii, curentului sau puterii aplicate dispozitivului supus testării (DUT- Device
Under Test) pentru o metodă de încercare dată. Dispozitivul / echipamentul supus
încercării va funcţiona în conformitate cu clasificarea stării de funcţionare în timpul şi
după încercare. Clasele de selecţie a nivelului de severitate tipic sunt listate în
tabele. Valorile diferitelor nivele de severitate vor fi stabilite prin acord între
producător şi furnizor, tipice pentru diferitele familii de echipamente electrice.
În tabelul 1.5 este prezentată schematic o selecţie a metodelor pentru
încercări.
Tabelul 9.5. Niveluri de severitate
Nivel de severitate al încercării
Valori (V, mA, V/m, W)
te înlăturată expunerea şi dispoz
I *
II **
III ***
IV ****
V Valori specifice agreate
de utilizatorii ISO 11.451
Poluarea mediului ambiant
225
În tabelul 9.6 este dată o schemă de prezentare a nivelelor de severitate ale
încercării conform cu clasificarea funcţională si a benzilor de frecvenţă.
Tabelul 9.6. Niveluri de severitate a încercării
Nivelul de severitate a încercării corespunzător cu clasificarea stării de funcţionare
Banda de frecvenţă
A B C D E
F1 I II
F2 II III IV
F3
F4 I V
9.3.4. Metode pentru reducerea interferenţelor electromagnetice ale autovehiculelor şi a dispozitivelor /echipamentelor lor electrice / electronice
Dispozitivele electronice, care funcţionează în parametri normali în mediul
pentru care au fost destinate, fără a emite valori excesiv de mari de energie
electromagnetică, prin conducţie sau radiaţie şi nu sunt susceptibile la aceste energii
provenite din interiorul sistemului sau din surse exterioare, se definesc a fi în stare de
compatibilitate electromagnetică “CEM”.
În concordanţă cu explicaţiile de mai sus “CEM” reprezintă o sumă dintre
“IEM” (interferenţă) şi “SEM” (susceptibilitate) .
O mare parte dintre tipurile de dispozitive electrice radiază sau sunt
susceptibile la interferenţe electromagnetice “IEM”. Pentru a funcţiona la parametrii
stabiliţi, aceste dispozitive trebuie ecranate.
Stabilirea unei baze, în ceea ce priveşte compatibilitatea electromagnetică a
unui dispozitiv electromagnetic, impune două direcţii distincte de abordare:
a) reducerea interferenţelor” IEM” generate de sursele interioare
sistemului;
b) eficientizarea filtrării şi ecranării.
a) Interferenţele electromagnetice IEM de la surse interne ale dispozitivelor electrice
pot fi reduse din fazele incipiente de realizare a produsului şi anume din faza de
PARTEA II – EVALUAREA IMPACTULUI ASUPRA MEDIULUI
226
proiectare astfel ca dispozitivele să genereze intrinsec cât mai puţine interferenţe
electromagnetice. Prin îmbunătăţirea imunităţii dispozitivelor electronice
(reducerea susceptibilităţii) la interferenţe de la surse externe se poate realiza
prin proiectarea adecvată a traseelor electrice pe circuitul placat “PCB” (Plate
Circuit Band) şi prevederea de componente electronice (circuite integrate), care
intrinsec să fie cât mai puţin sensibile la interferenţe.
b) Cele mai multe probleme legate de sursele de interferenţe electromagnetice
“IEM” s-au dovedit a fi cablajele circuitelor electrice interioare şi exterioare ale
dispozitivelor electrice / electronice.
Semnalele de intrare şi ieşire, din interiorul echipamentelor, trebuie adecvat
filtrate şi tipul conductoarelor cablajelor trebuie să fie alese specific pentru fiecare
aplicaţie, chiar şi în situaţia în care se impune ecranarea sau torsadarea
acestora. O ecranare eficientă a cablajelor şi filtrarea semnalelor transmite prin
aceste cablaje, conduc la evitarea apariţiei unor probleme “CEM”. În mod obişnuit
dispozitivele funcţionează la frecvenţe ridicate, prin urmare sunt necesare filtre
adecvate care să respingă frecvenţele mari, care să nu fie radiate în exteriorul
dispozitivului prin intermediul cablajelor de intrare sau ieşire. Filtrele pasive pentru
eliminarea interferenţelor “IEM/RTI” constau din inductanţe, condensatoare şi, în
anumite situaţii, rezistoare selectate în combinaţii care să permită trecerea sau
respingerea anumitor frecvenţe. Radiaţia electromagnetică primară a cablajelor
este datorată câmpurilor electromagnetice generate de trecerea curenţilor prin
acestea, care nu sunt anulate de câmpuri electromagnetice de sens opus. Ideal,
curenţii care traversează cablajele care conduc semnale la frecvenţe mari trebuie
bine echilibraţi, astfel curenţii de ieşire din interiorul dispozitivului să fie egali cu
cei de intrare, rezultând o anulare totală a câmpurilor electromagnetice generate
de aceştia. Practic, în conceptul modern de realizare a cablajelor aceasta se
realizează prin torsadarea a câte două conductoare. Actualmente interferenţele
electromagnetice “IEM“ sunt un subiect “tare“ pentru cercetătorii în domeniu
pentru a fi bine elucidat. Ansamblul problematicii legate de “CEM“ poate fi în mare
pericol datorită limitelor practice şi a complexităţii teoretice a acestui domeniu,
elemente primare care pot contribui la reducerea interferenţelor “IEM“ şi la
creşterea imunităţii (susceptibilităţii) “SEM“ a echipamentelor electrice /
electronice.
Poluarea mediului ambiant
227
Din aceste motive, compatibilitatea electromagnetică “CEM“ trebuie să fie tratată
într-un echilibru între abilităţile echipamentelor moderne de a funcţiona adecvat în
ambianţa noastră cu zgomot electromagnetic fără a introduce intrinsec perturbaţii
nepermise şi preţul de cost al acestora. Cerinţele “CEM“ ale autovehiculelor
precum şi metodele de testare cuprinse în standardele internaţionale trebuie
tratate ca recomandări. Aceste standarde nu sunt acceptate ca verificabile pe
fiecare piaţă de desfacere a autovehiculelor, dar formează o bază de discuţie a
fabricanţilor de autovehicule, ca un minim acord privind comercializarea
autovehiculelor pe diverse pieţe.
9.4.5. Standarde „CEM” relevante
De la 1 ianuarie 2007 România este membru al Comunităţii Europene, astfel
autovehiculele precum şi echipamentele acestora nu se pot comercializa decât dacă
respectă anumite “Directive CE”. Procedura legală, necesară, pentru a fi îndeplinite
cerinţele referitoare la “CEM“ este obţinerea marcajului “CE“. Marcajul “CE“ este o
etichetă pe care fabricantul o amplasează pe un echipament, pentru a certifica că
acel produs îndeplineşte cerinţele diverselor standarde cum ar fi cele de securitate
precum şi cele “CEM“, care sunt cuprinse printre acestea. Procedura care se
recomandă pentru obţinerea marcajului “CE“ trebuie să plece de la stabilirea
standardelor „CEM” care se aplică tipului de autovehicul, precum şi echipamentelor
electrice / electronice de la bordul acestora, funcţie de cerinţele pe care trebuie să le
respecte. Echipamentul care are marcajul “CE“ este o indicaţie a fabricantului că
produsul îndeplineşte cerinţele privind omologările de tip.
În acest caz echipamentul nu necesită o testare de o terţă parte, dar din
motive de încredere, trebuie să fie certificat de laboratoare de testare acreditate.
Recomandările privind căror standarde trebuie să corespundă produsul sau
echipamentul, de cele mai multe ori, sunt greu de stabilit.
În tabelele care urmează se încearcă să se prezinte standardele “CEM“
relevante, aplicabile autovehiculelor în ansamblu, precum şi echipamentelor /
dispozitivelor de la bordul acestora.
PARTEA II – EVALUAREA IMPACTULUI ASUPRA MEDIULUI
228
Tabelul 9.7. Standarde internaţionale
Aplicabilitate Standard Titlu Parte Data Veh. Echipa-
ment 0 1 2 3 4 5
Vehicule rutiere – Perturbaţii electrice din conducţie şi cuplaj Toate 2002
Definiţii şi consideraţii generale 1 2002
ISO 7637
Conducţia electrică tranzitorie de-a lungul liniilor de alimentare 2 2004
nu da
Autoturisme şi vehicule comerciale uşoare cu alimentare la 12V – conducţia electrică tranzitorie de-a lungul liniilor de alimentare
1 1990
Vehicule comerciale cu alimentare la 24V – conducţia electrică tranzitorie de-a lungul liniilor de alimentare
2 1990
ISO 7637
Vehicule alimentate la tensiunea nominală de 12V şi 24V –transmisie tranzitorie prin cuplaj capacitiv prin alte cabluri decât cele de alimentare
3 1995
nu da
TR 1995 da da ISO 10605
Vehicule rutiere – Metode de testare pentru perturbaţiile electrice datorate descărcărilor electrostatice 1 2001 da da
Vehicule rutiere – Metode de testare a vehiculului pentru perturbaţiile electrice produse de energia electromagnetică radiată în bandă îngustă
Toate -
Partea 1: Definiţii şi consideraţii generale 1 2001
Partea 2: Surse de radiaţii exterioare vehiculului 2 2001
Partea 3: Simularea transmiţătorului de la bord 3 1994
ISO 11451
Partea 4: Injecţia de curent în substrat 4 1995
da nu
Vehicule rutiere – Metode de testare a componentelor pentru perturbaţiile electrice produse de energia electromagnetică radiată în bandă îngustă
Toate -
Partea 1: Definiţii şi consideraţii generale 1 2001
Partea 2: Cameră de absorbţie liniară (1995) 2 2001
ISO 11452
Partea 3: Celula electromagnetică transversală (TEM) 3 2001
nu da
Poluarea mediului ambiant
229
Partea 4: Injecţia de curent în substrat (BCI) 4 2001
Partea 5: Linia “strup” 5 2002 Partea 6: Antena plata paralelă 6 1997 Partea 7: Injecţia de putere directă de radio frecvenţă (RF) 7 1995
CISPR-12
Vehicule, bărci cu motor şi dispozitive acţionate cu motoare cu aprindere prin scânteie –Caracteristicile perturbaţiilor radio - Limite şi metode de măsură
1 2001-09 da da
CISPR-25
Caracteristica perturbaţiilor radio pentru protecţia receptoarelor utilizate la bordul vehiculelor, bărcilor şi altor dispozitive - Limite şi metode de măsură
1 2002-08 da da
1978 R10ECE-
UN
Prescripţii asupra aprobării
autovehiculelor referitoare la filtrele
RF
Toate 1994
da nu
Tabelul 9.8. Standarde europene ( Directive CEM-CE)
Aplicabilitate Standard Titlu Parte Data Vah.
Echipa-mint
0 1 2 3 4 5
Directiva
95/54/EC
Aproximarea legilor de stare a filtrării
interferenţei radio produsă de
motoarele cu aprindere prin scânteie
care echipează autovehicule
1 1995 da da
Directiva
95/56/EC
Dispozitive pentru prevenirea utilizării
neautorizate a autovehiculelor 1 1995 nu da
Directiva
97/24/EC
Componente şi caracteristici ale
autovehiculelor cu două sau trei punţi 1 1997 da da
Directiva
2000/2/E
C
Filtrarea interferenţei radio produsă
de motoarele cu aprindere prin
scânteie care echipează tractoare
agricole sau forestiere
1 2000 da da
PARTEA II – EVALUAREA IMPACTULUI ASUPRA MEDIULUI
230
Directiva
2002/24/
EC
Certificarea de tip a autovehiculelor
cu două sau trei punţi 1 2002 da da
Directiva
2003/77/
EC
Certificarea de tip a autovehiculelor
cu două sau trei punţi 1 2003 da da
Directiva 2004/104
/EC
Aproximarea legilor Ţărilor Membre referitoare la CEM (Directiva 2004/104/EC şi Directiva 89/336/REC)
1 2004 da da
Directiva 2005/49/
EC
Interferenţa (CEM) vehiculelor şi aproximarea legilor Ţărilor Membre referitoare certificarea de tip a autovehiculelor şi remorcilor (amendamente pentru radarul anticoliziune la distanţă mică, de 24 GHz şi 79 GHz )
1 2005 da da
Tabelul 9.9. Standarde americane (SUA)
Aplicabilitate Standard Titlu Parte Data Veh.
Echi-pament
0 1 2 3 4 5
Niveluri de performanţă şi metode de
măsură a CEM a vehiculelor, bărcilor
(până la 15m) şi maşinilor (50HZ
până la 18GHZ)
1 2002
SAE 551
Limite de testare şi metode de
măsură a caracteristicilor de
perturbare radio a vehiculelor,
bărcilor şi a dispozitivelor antrenate
de motoare cu aprindere prin
scânteie
2 1994
da nu
Poluarea mediului ambiant
231
Limite de testare şi metode de
măsură a caracteristicilor de
perturbare radio a vehiculelor şi a
dispozitivelor, de bandă largă şi,
150KHz până la 1000MHz
4 2000
Niveluri de performanţă şi metode de
măsură a câmpului magnetic şi
electric a vehiculelor electrice, de
bandă largă, 9KHZ până la 30MHz
5 1997
Imunitatea electromagnetică a
vehiculului la sursele de pe vehicul 11 2000
Imunitatea electromagnetică a
vehiculului la simularea transmiterii la
bord
12 1996
Imunitatea electromagnetică a
vehiculului injecţia de curent de
substrat
13 2003
Imunitatea electromagnetică a
vehiculului-descărcarea electrostatică
(ESD)
15 2002
Imunitatea electromagnetică a
vehiculului câmpuri magnetice ale
liniilor de alimentare
17 2003
Măsurarea CEM şi limite pentru
componente (exceptând avioanele)
(50Hz până la 18GHz)
1 2002
Măsurarea CEM şi limite pentru
componente (exceptând avioanele) –
imunitate condusă, 30HZ până la
250KHz- toate cablurile
2 1996
SAE
J1113
Imunitate condusă, 250Hz până la
500MHz, injecţie directă de frecvenţă
radio (RF)
3 1995
nu da
PARTEA II – EVALUAREA IMPACTULUI ASUPRA MEDIULUI
232
Imunitate la câmpuri
electromagnetice radiate –metoda
curentului de injecţie de substrat
4 1998
Imunitate la conducţie tranzitorie a
cablurilor de alimentare 11 2000
Interferenţă electrică prin conducţie şi
cuplaj 12 2000
Imunitate la descărcare electrostatică 13 2002
Imunitate la câmpuri
electromagnetice, 10Hz până la
18GHz, cameră cu absorbţie lineară
21 1998
Imunitate la câmpuri
electromagnetice radiate 22 2003
Imunitate la câmpuri
electromagnetice radiate, 10Hz lăţime
de bandă cu celula TEM
24 2000
Imunitate la câmpuri
electromagnetice radiate, 10 Hz până
la 500MHz- metoda liniei triple
25 1999
Imunitate la câmpuri electrice de
curent alternativ 26 2001
Imunitate la câmpuri
electromagnetice radiate, metoda
reverberaţiei
27 1995
Limite şi metode de măsură a
caracteristicilor perturbaţiilor radio a
componentelor utilizate la bordul
vehiculelor
41 2000
SAE
J1113
Emisii tranzitorii prin conducţie 42 2000
nu da
Poluarea mediului ambiant
233
Bibliografie
[1] Adolf J. Schwab – “Compatibilitatea Electromagnetică” – ED.III-a 1993, Editura
tehnica 1996
[2] Cezar Ionescu – “Antiparazitarea instalaţiilor electrice de pe autovehicule” -
Editura Tehnică – Bucureşti 1963
[3] M Preda – “Bazele electrotehnicii” – ED. Didactică şi pedagogică” 1969
[4] Norman Bolobanian, T.A. Bickart – “Electrical network theory” 1969 John
Wiley&Sons. Inc.
[5] P.E. Grey, C.L. Searle. – “Principles Physics, and circuits” 1969 John Wiley
&Sons. Inc.
[6] ISO Standards: 7637 – 1, 2, 3,/2003, 11.451-1/2001
[7] CISPR Standards: 12/2001 and 25/2004
[8] IEC – Standard – 801-2/1991
[9] “SAE” Standards J 551 and J 1113
[10] “Directive” 2004/108/EC
[11] “Directive” 98/34/EC
[12] Measurement product catalog: Rhode – Schwartz/2003
[13] ICMET – Craiova EMC Laboratory. http\\www.ICMET.ro/lab_EMC_test _html
PARTEA II – EVALUAREA IMPACTULUI ASUPRA MEDIULUI
234
Autori: Corneliu COFARU Daniela FLOREA
9.5. EFECTELE POLUĂRII
9.5.1. Efectele asupra sănătăţii
9.5.1.1. Efectele pe termen scurt Numeroase studii pun în evidenţă efectele poluării urbane asupra sănătăţii.
Începând cu anii ’50 s-au luat în studiu efectele poluării atmosferice asupra
mortalităţii (în particular cele legate de patologia respiratorie si cardiovasculară).
Aceste studii au fost efectuate in diverse ţări cum ar fi : Statele
Unite,Franţa,Grecia, Polonia, Marea Britanie şi Germania. Ca indicatori ai poluării
atmosferei au fost emisiile de SO2, fumul negru, particulele, oxizii de azot, oxidanţii şi
mai rar CO. Aceste emisii nu se referă numai la cele care au ca origine autovehiculul
(spre exemplu : SO2 este un indicator al poluării industriale şi al instalaţiior de
încălzire). Aceşti indicatori au fost înregistraţi si permit o bună analiză a evoluţiei in
timp a poluării şi se pot corela cu mortalitatea asociată acesteia.
În Statele Unite un studiu publicat în 1993 arată că o creştere cu 10 µg/m3 a
nivelului zilnic de particule este asociată cu o creştere de ordinul a 1% a mortalităţii
neaccidentale, cu 3,4% a mortalităţii respiratorii şi cu 1,4% a mortalităţii
cardiovasculare.
Într-o altă analiză publicată in anul 1994 se arată ca o creştere de 100 µg/m3 a
particulelor aflate în suspensie determină o creştere de 6% a mortalităţii totale
neaccidentale. De asemenea se arată că riscul relativ este constant de la un oraş la
altul în funcţie de climat şi independent de variaţiile sezoniere.
În Germania s-a demonstrat că trecerea de la conţinutul de particule observat
în 18 zile cu poluarea cea mai scăzută a anului la conţinutul de particule înregistrat în
18 zile cu cea mai mare poluare a anului determină o creştere a mortalităţii
neaccidentale cu 22% (cu 10% pentru SO2).
La Atena s-a pus în evidenţă o legătură între nivelul de SO2, fum şi CO din aer
şi mortalitate. Relaţia observată nu poate fi explicată prin condiţiile climatice asociate
şi nici prin variaţiile sezoniere. S-a constatat că o reducere cu 10% a fumului negru
(media zilnică fiind de 83 µg/m3) este legată de o reducere a mortalităţii cu 0,75%.
Efectele SO2 şi ale fumului sunt independente.
Poluarea mediului ambiant
235
O analiză efectuată pentru perioada 1987-1992 în Ile de France pune în
evidenţă o creştere a numărului de decese în relaţie cu creşterea nivelului de
particule, SO2 şi O3. Prin luarea în considerare a 18 zile ale anului cu cea mai
scăzută poluare si raportând-o la 18 zile cu cea mai ridicată poluare dintr-un an se
constată o creştere a mortalităţii cu 3 – 6%. Mortalitatea legată de cauzele respiratorii
este strâns legată de concentraţia de particule aflate în suspensie în atmosferă. Se
poate afirma că în ţările dezvoltate după eliminarea efectelor temperaturii şi umidităţii,
mortalitatea zilnică generala se corelează cu nivelul de poluare măsurat de staţiile de
supraveghere a oraşelor. Creşterea mortalităţii zilnice poate fi de ordinul a 6% pentru
o creştere de 100 µg/m3 de particule în suspensie măsurate de reţeaua de
supraveghere. Mortalitatea din cauze respiratorii şi cardiovasculare apare în special
la subiecţii în vârstă sau la persoane care prezintă afecţiuni respiratorii sau
cardiovasculare. Decesul acestor persoane este precipitat cu o durată de câteva
săptămâni.
Relaţiile între poluarea atmosferică urbană şi mortalitate au fost stabilite şi prin
studii epidemiologice.
Studiile efectuate în Ile de France pentru intervalul 1987-1992 au evidenţiat un
decalaj variind intre 0 si 2 zile a creşterii spitalizărilor pentru cauze respiratorii
datorate ridicării nivelului de poluare cu SO2, NO2 şi O3. Manifestări mai importante
apar la persoanele vârstnice spitalizate pentru bronhopneumonii cronice datorită
nivelului de ozon de suprafaţă (nivelul mediu pentru 8 ore fiind 20 µg/m3). Aceste
spitalizări cresc cu 3% faţă de zilele din an cu cea mai scăzută poluare, iar la
creşterea nivelului de ozon la 81 µg/m3 respectiv 103 µg/m3 , creşterea spitalizărilor
este de 14,5 si 19%. Acelaşi lucru se întâmplă şi în cazul persoanelor cu astm
bronşic care este legat de nivelul de NO2 (medie zilnica pentru NO2, 43µg/m3).
Spitalizările pentru astm la copii sunt corelate cu nivelul de SO2 din atmosferă.
Creşterea spitalizărilor pentru cauze cardio – vasculare este legată de
creşterea poluării acido – particulare şi în mai mică măsură de nivelul de NO2. Pe
măsură ce se atinge nivelul zilnic de poluare (46 µg/m3 particule, 13,23 µg/m3 SO2 şi
38 µg/m3 NO2) se constată creşterea internărilor pentru cardiopatii ischemice cu
3,5%, 4,5% şi 2,49% în raport cu nivelul de poluare cel mai scăzut înregistrat în 18
zile din an. Această creştere variază între 4,6 şi 9,5% pentru nivelele de poluare cele
mai ridicate înregistrate in an.
PARTEA II – EVALUAREA IMPACTULUI ASUPRA MEDIULUI
236
Studiile efectuate au evidenţiat o strânsă legătură între evoluţia nivelului de
poluare de fond măsurată de reţelele de supraveghere şi sănătate. În aceste studii
trebuie să se ţină seama şi de modul de viaţă al populaţiei (fumători, profesiune,
poluare casnică) deoarece analizele se aplică aceleiaşi populaţii. De aceea este încă
dificil să se acuze un poluant sau altul, o sursă sau alta, deoarece nu se dispune
decât de câţiva indicatori pentru toţi poluanţii prezenţi în atmosfera oraşelor.
Corelaţiile între varianta poluării atmosferice urbană pe termen scurt şi
sănătate sunt constante chiar pentru concentraţii scăzute ale poluanţilor în toate
anotimpurile şi independente de variaţiile meteorologice (temperatură şi umiditate).
Patologia respiratorie cu caracter alergic sau infecţios este raportată în special
la copii şi persoanele în vârstă.
9.5.1.2. Efectele pe termen lung
Influenţa expunerii la poluarea urbană pe termen lung este greu de pus în
evidenţă din cauza dificultăţilor de măsurare sau evaluare deoarece intervin o
mulţime de factori variabili.
În California, un studiu efectuat asupra populaţiei adventiste (nefumătoare)
referitor la incidenţa bolilor obstructive ale căilor respiratorii, bronşitelor cronice şi
astmului, a evidenţiat nivelul ridicat la persoanele care au fost expuse mai mult de
1000 de ore la 200µg/m3 total particule (riscul relativ fiind 1,36, 1,33 şi 1,74).
În Italia s-a efectuat un studiu care a comparat simptomatica respiratorie intre
o zonă rurală şi trei zone urbane (dintre care în două poluarea atmosferică a fost
atribuită traficului rutier iar la cea de-a treia zonă urbană poluarea atmosferică a fost
atribuită traficului rutier şi industriei). După luarea în considerare a vârstei,
tabagismului, predispoziţiei familiale la boli respiratorii şi alergice, expunerii
profesionale şi familiare, nivelului de educaţie, s-a constatat că ratele simptomelor
astmatice, dispnee şi rinitelor sunt mai ridicate în zonele urbane poluate de traficul
rutier existând riscuri relative cuprinse între 1,2 şi 2,0. Pentru a treia zonă urbană,
poluată atât de traficul rutier cât şi de industrie, riscul relativ este mult mai ridicat, fiind
cuprins între 1,7 şi 4,0.
Un studiu publicat în Statele Unite asupra particulelor fine (< 2,5µ) care dau
calitatea aerului pe un eşantion de 8000 de adulţi din şase oraşe americane într-un
Poluarea mediului ambiant
237
interval de timp de 15 ani arată că diferenţa de supravieţuire între oraşele cele mai
puţin poluate şi cele mai poluate este de 26%.
Rezultate comparabile au fost obţinute într-un studiu recent care a vizat o
perioadă de 7 ani asupra populaţiei a 151 de oraşe americane folosind 552000 de
subiecţi. De asemenea, rezultatele au fost confirmate şi de studii efectuate în
Polonia.
Studii efectuate în diferite ţări ale lumii au evidenţiat că modul de viaţă urban
conduce la ridicarea ratei de incidenţă a cancerului de esofag, ficat, plămân, col
uterin, prostată, sistem limfatic şi a tuturor cancerelor combinate la populaţia
rezidentă în oraşe. Cauzele încă nu sunt stabilite cu precizie din cauza factorilor
variabili care intervin pe o perioadă lungă de timp. Se cunoaşte cu certitudine
incidenţa ridicată la cancerul de plămâni la populaţia fumătoare însă nu s-a stabilit cu
precizie interacţiunea dintre fumat şi poluarea atmosferică, cu toate că studiile
efectuate în diferite oraşe cu populaţii nefumătoare distincte (mormoni, adventişti)
sugerează o interacţiune asociativă între fumat şi poluare atmosferică.
Tabelul 9.10 - Valori limită ale poluării aerului (Europa)
Poluanţi Parametrul statistic considerat
Valoare limită [µg/m3]
Valoare ghid [µg/m3]
98% din conţinutul
zilnic de SO2 pe anul
tropic
250 dacă fumul
negru > 150
300 dacă fumul
negru < 150
98% din conţinutul
zilnic de fum negru
pe anul tropic
250
Conţinutul median
zilnic de SO2 pe anul
tropic
80 dacă conţinutul
median de fum negru
> 40
120 dacă media
conţinutului de fum
negru < 40
SO2
Particule fine în
suspensie (fum
negru sau particule
solide)
Conţinutul median
zilnic de fum negru
pe anul tropic
80
PARTEA II – EVALUAREA IMPACTULUI ASUPRA MEDIULUI
238
Conţinutul median
zilnic de SO2 pe
perioada de iarnă
(oct. – mart.)
130 dacă conţinutul
median de fum negru
> 60
180 dacă conţinutul
median de fum negru
< 60
Conţinutul median
zilnic de fum negru
pe perioada de iarnă
(oct. – mart.)
130
Media aritmetică a
conţinutului zilnic de
SO2 şi de fum negru
în timpul anului tropic
40 – 60
Conţinutul maxim
zilnic de SO2 şi fum
negru în timpul anului
tropic
100 – 150
Plumb Media conţinutului
zilnic pe un an civil 2
98% din conţinutul
orar pe anul civil 200 135
NO2 Conţinutul median al
mediei orare pe anul
civil
Anul tropic = 1 aprilie – 31 martie ; Median = 50%
Poluarea mediului ambiant
239
Tabelul 9.11 - Recomandări ale OMS asupra nivelului de poluare al aerului
Durata măsurătorii Poluant U/M 10 -15
min. 30 min.
1 oră 8 ore 24 ore 1 an
SO2 µg/m3 500 - 350 - 125 50
Total
particule în
suspensie
µg/m3 - - - - 120 -
SO2 + fum
negru µg/m3 - - - -
125 +
125 50 + 50
CO µg/m3 100 60 30 10 - -
NO2 µg/m3 - - 200 - 150 40
O3 µg/m3 - - 150 –
200
100 –
120 - -
Pb µg/m3 - - - - - 0,5 – 1
Formaldehidă
(HCHO) µg/m3 - 100 - - - -
Toluen
(CH3C6H5) µg/m3 - - - - 7500 -
O3 (protecţie
vegetaţie) µg/m3 - - 200 - 65
60 -
anotimp
vegetaţie
NO2
(protecţie
vegetaţie)
µg/m3 - - 95 – pe durată
de 4 ore - 30
PARTEA II – EVALUAREA IMPACTULUI ASUPRA MEDIULUI
240
9.5.2. Efectele asupra florei, faunei şi solului
Studiile efectuate au arătat că 65% din poluanţii emişi de traficul rutier pe o
infrastructură rutieră interurbană se dispersează în vecinătatea străzii contaminând
culturile şi fauna, direct sau indirect, traversând alimentaţia.
Impactul poluării aerului, legat de infrastructura rutieră, asupra ecosistemelor
şi resurselor biologice poate fi abordat prin două tipuri de expunere la poluanţi :
- direct, prin aer
- indirect, rezultând din posibilitatea de transfer a poluanţilor prin intermediul
apei sau solului la faună sau floră şi prin lanţul alimentar poate ajunge la om;
La nivelul biocenoză se disting trei categorii de organisme definite de funcţiile
ecologice pe care le îndeplinesc :
1. producătorii primari (vegetali), capabili să sintetizeze materii organice
plecând de la elementele minerale;
2. consumatori (erbivore, carnivore, omnivore) care nu pot trăi decât în
dependenţă cu materia organică fabricată de producătorii primari;
3. descompunătorii, care asigură transformarea materiei organice moarte în
elemente minerale;
Aceste trei categorii de organisme depind foarte strâns unele de altele sub formă
liniară, relaţiile alimentare existente între ele constituind un lanţ trofic. Contaminarea
mediului ambiant cu agenţi poluanţi se va traduce cu transferul lor în fiinţele vii.
9.5.2.1. Efectul asupra florei De la începutul secolului şi până în anii ’80, efectul poluării atmosferice asupra
vegetaţiei a fost legat de puternica concentraţie de SO2 care provenea în principal
din emanaţiile gazoase datorate industriei şi a instalaţiilor de încălzire şi s-a
caracterizat printr-un puternic impact : necroza florală, mortalitate ridicată la speciile
sensibile, dispariţia lichenilor în oraş.
După 1980, concentraţia de SO2 din atmosferă se diminuează, însă vegetaţia
este expusă la o nouă agresiune a poluanţilor atmosferici datorită creşterii poluării
datorate transporturilor.
Poluarea atmosferică are două acţiuni asupra florei :
- o acţiune în proximitatea infrastructurilor rutiere;
Poluarea mediului ambiant
241
- o acţiune globală, departe de sursele punctuale, care determină pierderea
randamentului culturilor de cereale (datorită prezenţei ozonului de suprafaţă) sau
creşterea efectului de seră;
Poluanţii primari, CO, NOx, HC si particulele sunt puţin fitotoxice. Acţiunea
asupra vegetaţiei este datorată transformării lor în poluanţi secundari :
- fenomenul de ploi acide;
- ozonul de suprafaţă;
În mediul urban concentraţia poluanţilor secundari este scăzută şi efectele
asupra vegetaţiei urbane sunt slabe. Aici se pune mai mult problema sărăturării
solului datorită aplicării pe infrastructura rutieră a materialelor de curăţenie şi
implementarea acestora în sol.
În mediul interurban poluanţii (în principal ozonul) se repartizează pe un
teritoriu întins. Chiar şi la concentraţii scăzute ale poluanţilor, datorită reacţiilor de
apărare ale vegetaţiei, vitalitatea acestora scade, ceea ce antrenează o scădere a
randamentului exploatărilor agricole şi forestiere.
Poluarea gazoasă pătrunde în plante prin intermediul unor mici orificii situate
pe frunze (stomate). Plantele reacţionează la acest stres oxidant prin închiderea
stomatelor şi prin eliberarea de enzime. După absorbţie, poluanţii antrenează
perturbaţii la nivelul unui mare număr de procese fiziologice celulare şi planta
reacţionează punând în funcţiune procese de restabilire. Pericolul apare când planta
nu poate repara sau compensa disfuncţiile celulare. La doze mari ale poluanţilor
disfuncţiile celulare pot deveni ireversibile şi pot provoca mortalitatea celulară şi
apariţia necrozei frunzelor.
Sensibilitatea la fiecare poluant variază în funcţie de speciile vegetale şi în
funcţie de factorii abiotici (temperatură, umiditate, lumină) şi biotici (boli, paraziţi,
genotip, vârstă) care modifică fiziologia plantei şi răspunsul la poluant.
Fitotoxicitatea poluanţilor este diferită: astfel, O3 este mai toxic decât SO2 care
este şi el mai toxic decât NO2. Efectele acestor poluanţi depind înainte de toate de
doza de poluant preluată, adică de concentraţia acestuia în aer şi de timpul de
expunere. De asemenea la doze egale sa constată că reacţia plantei la poluant
depinde de dinamica dozei. Valorile de vârf ale poluării pe un timp scurt au efectele
cele mai puternice. Valorile scăzute ale poluanţilor dau doze slabe ce produc
perturbaţii metabolice care pot să nu aibă efecte vizibile dar ele se vor traduce intr-o
pierdere de randament.
PARTEA II – EVALUAREA IMPACTULUI ASUPRA MEDIULUI
242
Ozonul de suprafaţă este poluantul principal care are o influenţă majoră
asupra randamentului culturilor agricole. Ozonul contribuie cu 90% la pierderea
randamentului agricol datorat poluării atmosferice. Nivelele ridicate ale concentraţiei
ozonului de suprafaţă se întâlnesc în perioada de vară şi pot determina diminuarea
randamentelor recoltelor şi arborilor forestieri între 5 şi 15%.
9.5.2.2. Poluarea în vecinătatea infrastructurii de transport Studii şi analize au scos în evidenţă impactul pe care-l are poluarea datorată
traficului rutier în jurul infrastructurii de transport. Prin analiza fotografiilor aeriene s-a
evidenţiat nivelul de defoliere al molizilor în limita a 200 m în raport cu o autostradă la
depăşirea nivelului de zgomot de fond al traficului. Efectele poluării chimice gazoase
sunt încă puţin studiate.
Se cunoaşte însă sigur că sarea utilizată pentru curăţirea de zăpadă a
străzilor interurbane are un efect de reducere generală a creşterii vegetaţiei.
Pe o stradă de mare viteză sarea împrăştiată pentru curăţire este proiectată la
mai mult de 100 m şi ea constituie sursa principală de poluare.
Asupra coniferelor efectul vizibil al acestui tip de poluare apare la sfârşitul
iernii. La răşinoasele cu frunză permanentă, acele de un an iau o culoare brun-
roşiatică începând de la extremitatea acestora, cele mai în vârstă cad prematur
afectând capacitarea fiziologica a arborilor. Se mai poate constata că ramurile care
primesc proiecţii saline se usucă şi mugurii mor. De asemenea, ramurile devin tot
mai scurte şi în final se constată dispariţia lor.
Asupra foioaselor stricăciunile apar la creşterea primăvăratică şi la începutul
înfloririi. La arborii şi arbuştii care schimbă frunza şi asupra cărora au fost proiectate
soluţii saline se remarcă moartea unei părţi din muguri şi întârzierea apariţiei
frunzelor. Anumite ramuri pot rămâne în totalitate fără frunze. După o iarnă, ramurile
moarte sunt înlocuite de noi vlăstare pornind de la muguri neatinşi de sare. La
trecerea mai multor ierni noile mlădiţe devin din ce in ce mai scurte şi se localizează
la baza tijei ramurii. Ramificaţia rezultată la această creştere în tufă este cunoscută
sub denumirea de “mătura vrăjitoarei“.
Impactul proiecţiilor de sare este mai important pe partea expusă drumului şi
este influenţat de direcţia vântului dominant. Partea cea mai afectată a arborilor şi
arbuştilor se situează între 0 şi 2 m înălţime.
Poluarea mediului ambiant
243
9.5.2.3. Contaminarea solului datorită infrastructurii de transport
Contaminarea solului este datorată prezenţei poluanţilor care sunt dispersaţi
de traficul rutier şi care se depun pe sol.
Poluanţii sub formă solubilă sunt cei mai toxici deoarece ei sunt asimilaţi de
către plante după ce au fost absorbiţi prin rădăcini. Aceşti poluanţi se pot acumula în
plante şi pot contamina lanţul trofic.
Posibilitatea de acumulare în plante a metalelor variază în funcţie de numeroşi
parametri cum ar fi : tipul solului (pH, compoziţie, etc.), tipul elementului, specia din
care face parte planta, tipul organului considerat.
Pentru a se studia impactul contaminării solului trebuie întâi să se studieze
caracteristicile pedologice ale solului şi speciile prezente pe acest sol. Pe de altă
parte trebuie să se inventarieze caracteristicile drumului pentru că s-a constatat
contaminarea diferită a solului în funcţie de geometria infrastructurii rutiere (debleu,
rambleu) fără a neglija rolul vegetaţiei înconjurătoare şi a condiţiilor climatice locale.
S-a demonstrat relaţia între conţinutul de metale din ecosistem şi distanţa de
infrastructura de transport rutier.
S-a efectuat studiu pe o traiectorie perpendiculară pe o autostradă cu puncte
de măsurare situate la 5, 10, 20, 40, 80 şi 200 m de autostradă pe o adâncime de 10
cm. Determinarea conţinutului de metale grele ale fondului geochimic al diferitelor
formaţiuni superficiale întâlnite a permis să caracterizeze nivelul de contaminare în
funcţie de distanţa de la autostradă. Poluarea maximă autorizată pentru solurile
agricole se obţine scăzând conţinutul fondului geochimic standard din conţinutul
maxim admisibil (pentru unele ţări europene atât conţinutul de metale grele al
fondului geochimic standard cât şi conţinutul maxim admisibil de metale grele sunt
legiferate). Rezultatele studiului pe traiectul luat în considerare sunt :
zinc : Poluarea este maximă la primele puncte de măsurare (5 si 10 m), după
care ea descreşte şi devine nesemnificativă sau nulă la distanţa de 20 la 100 m de
autostradă. Poluarea maximă este pe partea de sub vânt şi nu a depăşit 65 ± 10 ppm
şi rămâne inferioară maximului permis de 250 ppm pentru terenurile agricole (in
Franţa conţinutul maxim este de 300 ppm iar în Germania fondul geochimic standard
situează conţinutul de zinc la 50 ppm).
plumb : Poluarea este maximă la nivelul taluzului, după care descreşte câte
puţin cu distanţa de la autostradă ca să dispară începând cu distanţa de 20 până la
PARTEA II – EVALUAREA IMPACTULUI ASUPRA MEDIULUI
244
80 m. Poluarea măsurată rămâne moderată ea situându-se la valoarea de 30 ± 15
ppm şi este inferioară maximului permis de 70 ppm.
cadmiu : Nu s-a înregistrat o poluare vizibilă, valorile situându-se în jurul
conţinutului fondului geochimic standard.
nichel, arsenic : Până în prezent aceşti poluanţi au fost puţin studiaţi însă ei
vor fi luaţi în calcul prin reglementările viitoare.
Studiul a evidenţiat că poluarea este maximă pentru primii 10 cm de sol la o
distanţă de 5 – 10 m de autostradă.
9.5.2.4. Contaminarea vegetaţiei datorită traficului rutier
Metalele grele pot fi toxice pentru plante. Din punct de vedere fiziologic,
metalele grele se pot grupa în două clase : elemente necesare metabolismului
plantelor şi care pot deveni toxice dacă ele sunt absorbite în cantităţi mai mari decât
necesar (ex : zincul) şi elemente care nu sunt necesare metabolismului plantelor (ex
: cadmiu, plumb) şi care absorbite sunt toxice la concentraţii foarte mici.
Un caz aparte de poluare îl constituie praful. Depozitele de praf pot fi la
originea stresului asupra vegetaţiei situate în lungul străzii şi care se traduce prin
multiplicarea înfrunzirii arborilor sau prin dificultăţi de plantare a unor arbuşti tineri.
Culturile de pomi fructiferi, grădinile de zarzavat şi culturile furajere din
proximitatea infrastructurii rutiere sunt cele mai expuse şi prezintă riscul transferului
poluanţilor la animale şi om. Culturile de cereale sunt relativ protejate de
caracteristicile seminţelor.
Acoperirea suprafeţelor din proximitatea infrastructurii rutiere cu
bioacumulatori pasivi de tipul gramineelor are avantajul de a pune în evidenţă
importanţa metalelor grele depuse pe frunze sau incorporate în părţile interne ale
vegetaţiei.
9.5.2.5. Contaminarea faunei datorită traficului rutier
Emisiile automobilelor sunt susceptibile să contamineze fauna direct sau
indirect, prin alimentaţie. Studiile efectuate asupra populaţiei de animale sălbatice au
scos în evidenţă faptul că iepurii care trăiesc în vecinătatea unei autostrăzi prezintă
în blană o concentraţie de plumb de trei ori mai mare decât cei care trăiesc în zone
Poluarea mediului ambiant
245
mai îndepărtate. Din aceste situaţii a reieşit că odată cu mărirea traficului şi a pantei
autostrăzii contaminarea se agravează iar precipitaţiile puternice o diminuează.
Rezultatele preliminare ale unui studiu asupra micromamiferelor ce trăiesc în zona
bordurii infrastructurii rutiere (şoarecele de câmp roşiatic, şoarecele de pădure,
chiţcanul pigmeu şi chiţcanul încoronat) prezintă o rată de contaminare cu plumb mai
ridicată cu 78,7 % a două organe analizate (ficat şi rinichi).
Rezultatele obţinute arată o bună corelare între regimul alimentar şi
contaminare. La chiţcani (carnivori), contaminarea este mai puternică decât la
şoarecele de pădure (granivor) şi şoarecele de câmp roşcat (omnivor). Deci,
acumularea contaminanţilor are loc în lanţul trofic.
La nivelul speciilor domestice, un studiu efectuat asupra oilor care păşteau în
apropierea infrastructurii rutiere de la periferia Londrei a evidenţiat că lâna acestora
avea un conţinut de metale net superior acelora care păşteau la distanţe
considerabile. Concentraţia de plumb din sângele acestora se corelează foarte bine
cu expunerea la emisiile autovehiculelor. Aceleaşi efecte s-au constatat şi la caii care
păşteau în imediata vecinătate a autostrăzii, asimilarea metalelor făcându-se fie pe
cale respiratorie, fie pe cale alimentară.
În studiile de impact al unei infrastructuri rutiere asupra mediului, starea iniţială
se adoptă aceea a mediului care va fi traversat de aceasta, ţinând seama de zonele
sensibile şi care trebuie protejate (culturi specializate, grădini de zarzavat, culturi
fructifere) prin măsuri de reducere a poluării (panouri, ecrane).
9.5.2.6. Efectele emisiilor transportului rutier asupra clădirilor
În aglomerările urbane sau industriale, clădirile, edificiile şi diversele
monumente prind în general, cu timpul, o patină care contribuie la frumuseţea
patrimoniului. Uzura naturală a clădirilor prin îmbătrânirea materialelor, eroziune,
ploaie sau îngheţ este lentă.
În prezenţa unui poluant atmosferic suprafaţa clădirilor se murdăreşte şi
materialele se distrug mai rapid, apare o înnegrire inestetică şi trebuie intervenit
frecvent pentru a se evita degradarea în profunzime a materialelor, picturilor şi pentru
păstrarea frumuseţii şi bogăţiei patrimoniului istoric.
Acest efect al poluării poate fi observat atât la clădirile expuse direct emisiilor
autovehiculelor (poluare de proximitate) cât şi la faţadele clădirilor neexpuse (poluare
PARTEA II – EVALUAREA IMPACTULUI ASUPRA MEDIULUI
246
de fond), contribuţia transportului rutier la efectele asupra clădirilor fiind diferită în
cele două cazuri.
Deteriorarea faţadelor clădirilor expuse circulaţiei rutiere se manifestă prin :
- murdărirea provocată de depozitele de funingine (gazele Diesel) şi a altor
particule provenind de la uzura pneurilor, ambreiajului, frânelor şi îmbrăcăminţii
străzii;
- fărâmiţarea pietrelor de faţadă;
- coroziunea picturilor şi metalelor dată de către NOx şi SO2;
- fisuri şi distrugeri cauzate de vibraţii;
S-a demonstrat că în zonele rurale (Elveţia) durata medie de viaţă a faţadelor
clădirilor expuse unei intense circulaţii rutiere este cu 20 – 30 % mai redusă decât
cea a faţadelor neexpuse.
La expunerea indirectă deteriorarea constă într-o înnegrire inestetică a
suprafeţelor clădirilor însoţită de dezvoltarea unei cruste de culoare neagră sulfatată
constituită dintr-un ciment gipsos care include particule provenind din poluarea
aerului cum ar fi cenuşa din atmosferă, emisă la arderea cărbunilor şi combustibilului
greu în marile instalaţii industriale, microfuninginea, emisă la arderea combustibililor
uşori (motoare Diesel, instalaţii de încălzire casnice) şi a arderii produselor vegetale.
Cu timpul, la suprafaţa clădirilor, statuilor şi a altor construcţii se constată o
alternanţă a zonelor de culoare albă, la partea expusă la ploaie, cu zone negre, la
partea adăpostită. Zonele albe spălate de ploaie sunt supuse fenomenelor de
eroziune şi dizolvare a pietrei direct legată de aciditatea precipitaţiilor. Sub crusta
formată piatra rămâne intactă în zonele adăpostite (excepţie făcând pietrele poroase
care se degradează prin pătrunderea în material a gipsului). Formarea crustei negre
nu este legată de materialul clădirii : piatră calcaroasă sau silicoasă, sticlă, metal sau
lemn.
Un alt mecanism de degradare a suprafeţelor este legat de poluarea cu SO2 a
atmosferei, care determină transformarea carbonatului de calciu în sulfat de calciu,
ceea ce dă naştere la fenomene de dilatare şi de apariţie a crăpăturilor.
Prin studierea compoziţiei crustei formate la suprafaţa zidurilor se poate
determina participaţia transportului rutier la deteriorarea clădirilor.
Poluarea mediului ambiant
247
Bibliografie [1] Bobescu, Gh.,şa - Tehnici speciale pentru reducerea consumului de
combustibil şi limitarea noxelor la autovehicule. - Universitatea din
Braşov,1989.
[2] Cofaru, C., ş.a.. - Autovehiculul şi mediul. Editura Universităţii Transilvania
Braşov, 1999. ISBN 973-98512-3-1.
[3] Cofaru.C. –Legislatia şi ingineria mediului in transportul rutier Editura
Universităţii Transylvania Brasov 2002 ,ISBN 973-635-185-8
[4] Degobert, P. – Automobiles and Pollution – SAE International, 1995.
PARTEA II – EVALUAREA IMPACTULUI ASUPRA MEDIULUI
248
Autor: Corneliu COFARU
10. LEGISLAŢIA REFERITOARE LA EVALUAREA IMPACTELOR DE MEDIU
10.1. INTRODUCERE Directiva 2001/42/EC a Parlamentului European şi a Consiliului, care se referă
la evaluarea efectelor anumitor planuri şi programe asupra mediului („Directiva
SEA”), acestă directivă a intrat în vigoare la 21 iulie 2001. Directiva obligă autorităţile
publice să considere dacă planurile sau programele pe care le pregătesc vin în
întâmpinarea scopului acestei Directive şi, deci, dacă este necesară realizarea unei
evaluări de mediu a acestor propuneri, în conformitate cu procedurile din Directivă.
Directiva 2001/42/EC a fost transpusă în legislaţia română prin HG 1076/2004 privind
stabilirea procedurii de realizare a evaluării de mediu pentru planuri şi programe
(publicată în Monitorul Oficial, partea I, nr. 707 din 5 august 2004).
Experienţa Directivei 85/337/EEC, în ceea ce priveşte evaluarea efectelor
anumitor proiecte publice şi private asupra mediului („Evaluarea impactului asupra
mediului sau Directiva EIA”) a arătat că este important să se asigure o aplicare şi o
implementare consecventă în toată Comunitatea pentru a realiza potenţialul maxim
în ceea ce priveşte protecţia mediului şi dezvoltarea durabilă.
Acest document nu-şi propune să explice cum se realizează o evaluare de
mediu, deşi oferă unele sfaturi practice despre cum pot fi îndeplinite anumite cerinţe.
Documentul este util autorităţilor care trebuie să aplice Directiva şi deci HG
nr.1076/2004 (HG SEA), în pregătirea planurilor şi programelor lor. Poate fi util şi
atunci când autorităţile iau în considerare şi Protocolul UNECE asupra evaluării
strategice de mediu, care a fost semnat şi de România la 21 mai 2003 în cadrul celei
de-a cincia Conferinţe Ministeriale „Mediu pentru Europa”, la Kiev, în Ucraina.
Prezentul manual are la bază Ghidul privind implementarea Directivei 2001/42/EC
privind evaluarea efectelor anumitor planuri şi programe asupra mediului, elaborat de
Directoratul General-Mediu al Comisiei Europene.
Legislatia referitoare la evaluarea impactelor de mediu
249
10.2. OBIECTIVUL H.G. 1076/2004 Obiectivul H.G. 1076/2004 este de a asigura un nivel înalt de protecţie a mediului şi
de a contribui la integrarea consideraţiilor cu privire la mediu în pregătirea şi
adoptarea anumitor planuri şi programe, în scopul promovării dezvoltării durabile,
prin efectuarea unei evaluări de mediu a planurilor şi a programelor care pot avea
efecte semnificative asupra mediului, prin :
• asigurarea unui nivel înalt de protecţie a mediului;
• contribuirea la integrarea aspectelor de mediu în pregătirea şi adoptarea
anumitor planuri şi programe care promovează dezvoltarea durabilă.
Transpunerea acestei Directive prin HG 1076/2004 realizează integrarea
obiectivelor de protecţie a mediului în celelalte sectoare ale activităţii economice,
asigurând concordanţa legislaţiei naţionale în domeniu cu cea comunitară.
Bibliografie [1] www.mmediu.ro/legislatie/legislatie.
[2] http://eur-lex.europa.eu/en/index.htm
PARTEA II – EVALUAREA IMPACTULUI ASUPRA MEDIULUI
250
Autor: Corneliu COFARU 11. BAZELE TEORETICE ALE EVALUĂRII IMPACTULUI DE MEDIU
11.1. PRINCIPIILE EVALUĂRII IMPACTULUI DE MEDIU (EIM) 11.1.1. Natura evaluării impactului de mediu
Evaluarea impactului de mediu poate fi definit în sens restrâns ca fiind
procesul prin care se identifică consecinţele asupra mediului datorate activităţilor
umane înainte ca aceste activităţi să înceapă. Comisia economică pentru Europa a
ONU dă următoarea definiţie:
“evaluarea impactului este o activitate planificată asupra mediului”.
11.1.1.1. Evaluarea impactului de mediu(EIM) - proces În esenţă, EIM este un proces sistematic prin care se examinează
consecinţele acţiunilor de dezvoltare asupra mediului, paşii de procesului sunt
descrişi în Tabelul 11.1
Tabelul 11.1.Paşii procesului de evaluare a impactului asupra mediului
Nr crt.
Paşii procesului de evaluare
Activităţi
1 Prezentarea proiectului;
Se realizează o descriere a aplicării evaluării impactului asupra mediului asupra impactelor majore ale proiectului
2 Întindere;
In stadiul incipient la orice proiect se iau în considerare toate posibilele impacte pornind de la toate alternativele ale acestuia
3 Luarea în considerare a alternativelor;
Se prezintă toate alternativele fezabile ale proiectului ca: locaţii, mărime, procese, aşezare,condiţii de funcţionare.
4 Descrierea acţiunilor de dezvoltare a proiectului;
Se realizează o clarificare raţională a proiectului pentru a înţelege mai bine diferitele caracteristici incluzând stadii de dezvoltare , locaţie şi procese.
5 Descrierea liniei de bază a mediului;
Se stabilesc stările prezente şi viitoare ale mediului în absenta proiectului luând în considerare schimbările care survin datorita evenimentelor naturale şi din alte activităţi umane.
6 Identificarea principalelor impacte;
In acest stadiu se aduc împreună paşii anteriori cu scopul de a se evidenţia identificarea tuturor impactele potenţiale
Bazele teoretice ale evaluarii impactului de mediu
251
asupra mediului şi că ele au fost luate în procesul de evaluare..
7 Previziune a impactelor
Scopul este de a identifica mărimea sau alte dimensiuni ale schimbării mediului prin implementarea proiectului in comparaţie cu situaţia fără proiect.
8 Evaluarea si aprecierea impactelor semnificative
Se realizează o evaluare a relevanţei impactelor previzionate focalizată în special pe impactele negative.
9 Diminuare
Se prezintă măsurile de anulare, reducere remediere sau compensare pentru orice impact negativ semnificativ.
10 Consultarea si participarea publicului
Scopul consultării publicului este de a asigura calitate , înţelegerea si eficienţă a evaluării impactului asupra mediului. Opiniile publicului trebuie luate in considerare la adoptarea deciziei.
11 Prezentare evaluării impactului de mediu
Este pasul vital al procesului, deoarece în cazul în care nu este întocmit adecvat el poate fi contestat
12 Revizuire
Implică o evaluare sistematică a EIM ca o contribuţie la luarea deciziei.
13 Luarea deciziei
Luarea deciziei privind implementarea unui proiect se realizează pe baza EIM şi a altor documente relevante
14 Monitorizare după luarea deciziei
Se realizează înregistrarea rezultatelor asociate cu dezvoltarea impactelor după ce decizia a fost luată. Contribuie la managementul efectiv al proiectului.
15 Audit Auditul urmează după monitorizare. Poate implica compararea rezultatelor previzionate cu cele efective si poate compara daca masurile de diminuare previzionate corespund celor efective.
11.1.1.2. Prezentarea impactului de mediu – documentaţie
Documentele de prezentare a impactului de mediu prezintă informaţii şi
estimări ale impactelor care derivă din diferiţii paşi în proces.
În general la întocmirea documentaţiei privind evaluarea impactului asupra
mediului se aplica principiul “ prevenţia este mai bună decât remedierea”.
In dezvoltarea raportului se pot scoate in evidenţă impacte negative care pot
conduce la anularea sau modificarea proiectului.
În conţinutul documentaţiei este necesară o descriere nontehnică prin care să
se îmbunătăţească comunicarea cu diferitele părţi implicate. De asemenea trebuie sa
PARTEA II – EVALUAREA IMPACTULUI ASUPRA MEDIULUI
252
se rescrie metodele de elaborare ale studiului încă de la început pentru a clarifica
informaţiile de bază ale acestuia. Cuprinsul studiului obligatoriu va conţine programul
de monitorizare, conţinutul raportului EIM variază de la caz la caz.
Dezvoltarea activităţilor unui proiect pot avea impact nu numai asupra
mediului fizic dar şi asupra mediului economic şi social. Pot fi afectate oportunităţile
locurilor de muncă, serviciile ( ex:. sănătate învăţământ) structura comunităţii, stilul
de viaţă, etc.
Ca parte integrantă a studiului de impact se poate adăuga un capitol care să
privească evaluarea impactului socio-economic sau evaluare a impactului social.
Evaluarea strategică a mediului extinde EIM de la proiect la politici, planuri şi
programe. Există proiecte la care EIM trebuie să conţină un capitol special dedicat
Managementul riscului datorită riscurilor potenţiale pe care le implica implementarea
proiectului.
11.1.1.3. Scopurile evaluării impactului asupra mediului
Factor de luarea deciziei
Pentru organismele decizionale (autorităţi locale, autorităţi departamentale ,
autorităţi guvernamentale) alături de documentele de planificare, studiile de evaluare
a impactelor asupra mediului oferă o examinare sistematică a implicaţiilor asupra
mediului a activităţilor de implementare a proiectelor de dezvoltare şi alternativele la
aceste proiecte, cu mult timp înainte de luarea deciziei.
Studiile de impact asupra mediului nu se substituie luării deciziei ci aduce
clarificări asupra implementării proiectelor de dezvoltare ceea ce determina luarea
deciziilor raţionale şi bine structurate. Luarea deciziilor se constituie atunci, intr-un
proces de negociere între iniţiatorul proiectului, grupuri de interese , public şi
organismul planificator. Decizia va reflecta o balanţă între interesele de dezvoltare şi
mediu.
Factor în formularea acţiunilor de dezvoltare
Luarea în considerare a impactelor asupra mediului în activitatea de
planificare ale dezvoltării zonale şi regionale poate conduce la o dezvoltare axată pe
mediu. Această abordare poate duce la îmbunătăţirea relaţiilor dintre iniţiatorul
proiectului care vede în EIM o îngrădire suplimentară şi restul actorilor interesaţi de
Bazele teoretice ale evaluarii impactului de mediu
253
mediu ( organismele de planificare, autorităţi locale şi public). In aceste condiţii EIM
oferă un avantaj major deoarece iniţiatorul proiectului are cadrul necesar stabilirii
locaţiei proiectului , a cerinţelor de realizare a proiectului şi îndeplinirea cerinţelor de
mediu.
La ora actuala cererea crescândă de bunuri fără efecte negative asupra
mediului a impus iniţiatorilor de proiecte de dezvoltare o abordare flexibilă prin care
sa negocieze câştigul ecologic al soluţiilor prin care se poate elimina sau diminua
impactele negative pentru a reduce opoziţia locala la implementarea proiectelor şi să
anuleze eventualele costuri datorate reclamaţiilor ulterioare.
Factor de dezvoltare durabilă
Rolul principal şi central al studiului de impact este de instrument pentru
obţinerea unei dezvoltări durabile deoarece principiul care-l ghidează este „mai bine
previi decât să repari”.
Scopul economic principal este creşterea Produsului Naţional Brut utilizând
mai multe intrări pentru a obţine mai multe produse şi servicii, însă acest scop este
însoţit de efectul propriei distrugeri, deoarece creşterea intrărilor necesită mai multe
resurse, iar rezultatele nu sunt numai o cantitate mărită de bunuri şi servicii ci ţi o
cantitate sporita de deşeuri ( gazoase, lichide ,solide). O lungă perioada de timp
dezvoltarea economică a fost însoţită de poluare a mediului şi secătuire a resurselor
naturale.
în ultimii ani s-a recunoscut de la nivel local la nivel internaţional interacţiunea dintre
dezvoltarea economică şi socială şi mediul înconjurător şi impactul mutual între
activităţile umane şi lumea biofizică.
Primele programe europene de acţiune în domeniul mediului au pus bazele
unei legislaţii în diverse domenii cum ar fi: poluarea aerului, protecţia naturii,
managementul deşeurilor, evaluarea impactului de mediu, etc.
Procesul de dezvoltare în corelaţie cu mediul este prezentată în următoarea
figură.
PARTEA II – EVALUAREA IMPACTULUI ASUPRA MEDIULUI
254
Fig.11.1. Corelarea procesului de dezvoltare cu mediul
Cel de al cincilea program de acţiune în domeniul mediului „Către dezvoltarea
durabilă” pune accentul pe integrarea performanţelor tehnologice cu protecţia
mediului în diferite sectoare economice cum sunt industria, energia,transportul,
agricultura şi turismul. Politica de mediu pentru aceste sectoare se bazează pe
principiul precauţiei, în acest context toate atingerile asupra mediului trebuie
rectificate la sursă, pentru atingerea obiectivelor propuse au fost implementate
instrumente noi care fexibilizează intervenţiile asupra mediului.
11.1.2. Proiectele de dezvoltare şi impactul de mediu
11.1.2.1. Natura proiectelor de dezvoltare
Proiectele de dezvoltare au o mare varietate atingând toate sectoarele
economice, ele implicând investiţii majore .Aceste proiecte putând fi: proiecte pentru
activităţi extractive cum ar fi: fabrici petrochimice, fabrici siderurgice, sonde, mine şi
cariere; obiective industriale; infrastructură rutieră; facilităţi diferite pentru deşeuri;
centre comerciale; noi facilităţi din domeniul sănătăţii şi învăţământului, utilităţi şi
infrastructură cum ar fi: centrale electrice, rezervoare, conducte baraje etc.
Proiectele care privesc infrastructura se pot împărţi în proiecte punctiforme şi
proiecte bandă sau liniare.
Proiectele punctiforme pot include: centrale electrice, poduri, porturi etc.
Proiectele liniare (bandă) includ: linii de înaltă tensiune, drumuri si canale.
Bazele teoretice ale evaluarii impactului de mediu
255
O schemă cadru a unei dezvoltări durabile se prezintă în următoarea figură.
11.2. Proiecte de dezvoltare şi impactul de mediu
Aceste proiecte au în vedere ocuparea unei mari suprafeţe şi utilizarea unui
număr de personal atât în faza de construcţie cât şi în faza de funcţionare a
obiectivului.
Tabelul 11.2. Caracteristicile proiectelor de dezvoltare
Nr.crt. Caracteristici 1. Investiţie majoră de capital 2. Ocupă o suprafaţă mare şi implică un număr ridicat de personal 3. Dispunere complexă a legăturilor organizaţionale 4. Gama largă a impacturilor 5. Impacturi semnificative 6. Cere proceduri speciale 7. Domenii: extracţie, industrie primară inclusiv agricultură, servicii,
infrastructură, utilităţi 8. Sursă: liniară, punctiformă
PARTEA II – EVALUAREA IMPACTULUI ASUPRA MEDIULUI
256
Proiectele de dezvoltare au un ciclu de viaţă de proiectare şi dezvoltare
incluzând o mare varietate de stadii. Cunoaşterea stadiilor este importantă deoarece
impactele asupra mediului variază semnificativ de la stadiu la stadiu.
Principalele stadii de dezvoltare a unui proiect se prezintă in schema
următoare:
Fig.11.3.Schema planificării şi dezvoltării unui proiect de dezvoltare Proiectele sunt iniţiate să răspundă unor nevoi, ele pot fi înaintate urmând diferite căi:
• Să răspundă la oportunităţile pieţei (ex. oraşe de vacanţă, centre comerciale,
staţii distribuţie gaze);
• Să răspundă unor necesităţi publice;
• Să răspundă unor necesităţi de prestigiu ( reabilitări de muzee, clădiri istorice,
etc.);
• Iniţiative ale sectorului public.
Bazele teoretice ale evaluarii impactului de mediu
257
Stadiul de planificare poate să dureze mai mulţi ani li în urma studiilor de
planificare se adoptă locaţia cea mai potrivită pentru obiectivul prevăzut.
11.1.2.2. Componentele si dimensiunile mediului Există o mare varietate de căi de a structura mediul după componente
principale fizice, biologice, culturale, economice şi sociale în spaţiu şi timp. În primul
rând se pot evidenţia componentele biofizice ale mediului care pot fi axate pe mediile
care pot fi poluate şi care includ: aer, apă, şi sol; floră, fauna, şi sănătate umană;
zone peisagistice, conservarea mediului urban , rural şi a patrimoniului, în al doilea
rând pot fi incluse componentele mediului care au impact economic şi socio-cultural,
cum ar fi: structura economică, piaţa muncii, demografie, construcţia de locuinţe şi
servicii (sănătate, educaţie, poliţie, pompieri, etc.). Un exemplu de evidenţiere a
componentelor mediului se prezintă în tabelul următor.
Tabelul 11.3. Componentele mediului
Nr.crt Componenta Caracteristica 1. Aer Calitatea aerului 2. Apă Cantitatea şi calitatea aerului 3. Sol Clasificare, riscuri 4. Flora şi fauna Vegetaţie terestră şi acvatică, păsări, animale,
peşti, animale acvatice 5. Peisaj Caracteristici şi calitate 6. Sănătate umană Sănătatea fizică şi mentală 7. Moştenire culturală Arii protejate, clădiri istorice, situri istorice si
arheologice. 8. Climat Regimul pluvial, vânt, temperatură, etc. 9. Energie Iluminat, zgomot, vibraţii, etc. 10. Economică+ influenţă directă Locuri de muncă, caracteristicile pieţei de muncă şi
tendinţele locale şi nonlocale 11. Economică + influenţă
indirectă Oferta şi cererea de muncă, ocuparea în servicii, etc.
12. Demografie Structura populaţiei şi tendinţe 13. Construcţia de locuinţe Ofertă şi cerere 14. Servicii locale Ofertă şi cerere de servicii sănătate, învăţământ,
poliţie, etc. 15 Socio-culturală Stil de viaţă, calitate a vieţii, probleme sociale
( situaţii conflictuale)
Dimensiunile mediului pot fi analizate atât din punct de vedere al extinderii
geografice cât şi din punct de vedere temporal. O asemenea analiză se prezintă în
figura următoare.
PARTEA II – EVALUAREA IMPACTULUI ASUPRA MEDIULUI
258
Fig.11.4 Dimensiunile mediului
La cele mai multe proiecte impactul asupra mediului este local. Însă sânt
proiecte la care impactul poate fi regional şi global, aici se înscriu proiectele de
infrastructură rutieră care contribuie la poluarea locală prin emisiile de HC, NOx şi
CO, la poluarea regională cu O3 şi la efectul de seră prin emisiile de CO2.
Mediul are o scară temporală prin faptul că orice analiză începe cu perioada
prezentă ca bază şi se analizează fenomenele în timp, fără implementarea
proiectului şi cu implementarea acestuia.
11.1.2.3. Natura impactelor Impactele asupra mediului datorate proiectelor sunt acele rezultate care
conduc la schimbarea parametrilor mediului comparativ cu situaţia neimplementării
acestuia.
Aceşti parametrii ai mediului pot fi de orice tip cum ar fi: calitate a aerului, calitate a
apei, zgomot, nivel local al şomajului, etc.
La un proiect de dezvoltare trebuie să se analizeze cu o deosebită atenţie
natura şi magnitudinea impactelor pe componente pentru a se alege cel mai bun
compromis.
Un proiect poate avea beneficii fizice în cazul în care poluare previzionată este
diminuată şi efectele asupra solului sunt îndepărtate şi adus în starea de producţie,
similar şi în cazul impactelor socio-economice când există o presiune asupra
sănătăţii populaţiei ,asupra pieţei locuinţelor şi asupra creşterii conflictelor locale.
Bazele teoretice ale evaluarii impactului de mediu
259
Fig.11.5. Natura impactului de mediu
Proiectele pot avea impact direct şi imediat precum şi impacte secundare,
indirecte care se manifestă mult mai târziu.
Impactele directe şi indirecte pot fi corelate cu impactele pe termen scurt şi pe
termen lung, insă trebuie să se realizeze o distincţie între acestea pentru a le separa
în diferitele stadii de implementare a proiectului (construcţie, funcţionare).
Impactele au o dimensiune spaţială şi trebuie să se realizeze o distincţie între
dimensiunea locală , regională, naţională şi chiar internaţională.
Tipurile de impact sunt prezentate în următorul tabel
Tabelul 11.4. Tipurile de impact de mediu Nr.crt. Tip impact 1 Fizic şi socio-economic 2 Direct şi indirect 3 Termen scurt , termen lung 4 Local, regional, naţional,
internaţional 5 Benefic, dăunător 6 Reversibil , ireversibil 7 Cantitativ, calitativ 8 Distribuţie de către un grup şi-sau
suprafaţă 9 Real sau previzionat 10 În corelaţie cu alte dezvoltări
PARTEA II – EVALUAREA IMPACTULUI ASUPRA MEDIULUI
260
În general resursele de mediu nu pot fi înlocuite, odată ce au fost distruse sunt
pierdute pentru totdeauna. De aceea este important să se realizeze o separaţie între
impacturile reversibile şi cele ireversibile şi care nu au soluţii de remediere, acestea
din urmă fiind foarte bine scoase în evidenţă în studiul de impact.
În anumite cazuri poate fi posibilă înlocuirea, compensarea ori reconstrucţia
resurselor de mediu pierdute, ideal ar putea fi substituirea acestora.
Unele impact pot fi măsurabile altele sunt mai puţin tangibile şi de multe ori
acestea din urmă sunt neglijate.
In fapt toate impactele trebuie comparate cu situaţia în care nu se realizează nimic şi
totul se analizează fără proiect, proiectul bazându-se pe o estimare data de furnizorii
de echipamente
În fapt denumirile de impact şi efect sunt sinonime şi apar în toate studiile
privind mediul înconjurător.
11.1.2.4. Cerinţele evaluării impactului de mediu Scopul evaluării
Legislativul impune limite asupra poluării, iar studiul de impact presupune
utilizarea celor mai bune practici: Deci un proiect trebuie sau nu să fie evaluat ? Dacă
da impactul negativ biofizic al dezvoltării proiectului şi impacturile socio-economice
constituie sau nu constrângeri în luarea deciziei pentru implementarea proiectului
a) Natura metodelor evaluării impactului de mediu
În multe studii de impact pot lipsi anumite capitole, de aici şi dificultăţi în
aprecierea paşilor de urmat în realizarea studiului. Estimarea impacturilor asupra
mediului determina numeroase probleme conceptuale şi tehnice, cum ar fi stabilirea
poziţia de bază a mediului. Poate fi dificilă de asemenea stabilirea dimensiunii şi
stadiilor de dezvoltare a proiectului. Mai mult trebuie estimat ceea ce se întâmplă cu
mediul fără implementarea proiectului precum şi stabilirea interacţiunilor complexe
care au loc. O alta problemă dificilă o constituie lipsa datelor şi tendinţa de
accentuare pe latura cantitativă şi pe un singur indicator. De asemenea există
întârzieri şi discontinuităţi între cauză şi efect şi discontinuităţi între politicile de mediu
şi proiect.
Bazele teoretice ale evaluarii impactului de mediu
261
Pentru a elimina aceste incertitudini s+au dezvoltat metode inovative pentru
estimarea impacturilor asupra mediului plecând de la simple liste de verificare şi
matrici şi ajungând la modele matematice complexe.
b) Rolul participanţilor în evaluarea impactului
Diferiţii actori care au acces şi intervenţii in procesul de evaluare a impactului
asupra mediului, cum ar fi iniţiatorul proiectului, părţile afectate, publicul, organismele
guvernamentale de la diferite nivele pot influenţa rezultatele studiului de impact.
In general iniţiatorul proiectului de dezvoltare pregăteşte un studiu de impact
prin care evaluează cum proiectul va interacţiona cu mediul înconjurător, dar îi va fi
greu să menţioneze efectele dezastruoase asupra mediului. Iniţiatorul proiectului va
reclama lipsa de timp şi costurile pentru realizarea studiului de impact.
Participarea publicului la realizarea studiului de impact poate fi graduală,
acesta situându-se între o participare activă prin înţelegerea fenomenelor şi o
participare formală.
Organismele locale de cele mai multe ori au experienţă şi cunoştinţe limitate
de aceea accesul lor la realizarea studiului de impact trebuie să fie analizat cu
atenţie deoarece îi va fi dificil să manevreze cu scopul şi complexitatea studiului de
impact. Organismele guvernamentale centrale pot oferi studiului de impact un ghid
limitat a celor mai bune practici în domeniu.
Calitatea evaluării
Studiul de impact trebuie să conţină toate capitolele tehnice si nontehnice, iar
din studiile efectuate trebuie să se acumuleze experienţă. Calitatea studiilor de
impact poate varia în funcţie de tipul de proiect de dezvoltare, de asemenea poate fi
diferit în funcţie de ţară şi tradiţie în condiţiile aceluiaşi cadru legislativ.
Iniţiatorii proiectelor puse in operă pot solicita un audit al evaluărilor
impacturilor precum şi monitorizarea acestora ca bază pentru viitoarele proiecte.
11.1.3. Metodologia de realizare evaluării impactului de mediu Metodologia de realizare a evaluării a impactului de mediu trebuie să atingă
obiectivele propuse urmărind sistematic principiile cadru pentru procesul decizional
într-o strategie particulară utilizând metode şi tehnici specifice.
PARTEA II – EVALUAREA IMPACTULUI ASUPRA MEDIULUI
262
Procesul de evaluare a impactului de mediu implică utilizarea unei echipe care
să abordeze studiul multidisciplinar, pentru a se asigura integrarea ştiinţelor naturale
şi sociale intr-o în contextul mediului înconjurător. Abordarea multidisciplinară nu
reflectă numai scopul principal al evaluării impactului de mediu pornind de la datele
biofizice la cele socio-economice ci şi procesele complexe care au loc.
Echipa care va realiza Bilanţul impactului de mediu poate fi formată din
specialiştii firmei care iniţiază proiectul, poate fi condusă de un consultant extern,
echipa poate fi formata din consultanţi externi angajaţi prin subcontractare la proiect
sau echipa poate fi formată din specialişti independenţi. Mărimea echipei poate
cuprinde între doi şi doisprezece membrii sau chiar mai mulţi în cazul unor proiecte
de anvergură. Specializările membrilor trebuie să corespundă scopului propus şi să
acopere ariile fizic-chimic, biologic-ecologic, cultural-socio-economic, astfel va
cuprinde: un specialist în planificare urbană, ecologist, , chimist, inginer de mediu,
arheolog, avocat, iar din aceştia cel puţin unul trebuie să fie
11.1.3.1. Elementele cadrului metodologic Schema cadru se bazează pe elementele metodologiei evaluării impactului
de mediu. Elementele principale ale evaluării impactului de mediu sunt prezentate în
schema prezentată în figura 11.6.
11.1.3.2.Iniţierea evaluării Decizia de realizare a unei evaluări de impact este complexă. Când evaluarea
impactului de mediu este folosit într-o organizaţie ca parte a politicii sau ca procedură
a dezvoltării proiectelor, atunci exista la nivelul organizaţiei un ghid intern care să
dimensioneze evaluarea impactului de mediu care va fi realizată.
Bazele teoretice ale evaluarii impactului de mediu
263
Fig.11.6. Elementele evaluării impactului de mediu
Bibliografie [1] Bruton, M.J. Introduction to transportation planning. London UCL Press.1985
[2] Glasson, J. Methods of EIA. London UCL Press.1995
[3] Glasson, J and al. Introduction to Environmental Impact assessment. London
UCL Press.1999
[4] Morgan, R., Environment Impact Assessment .Kluwer. Academic Publisher.
ISBN 0-412-72990-3
[5] Street, E., planning and Environmental Impact Assessment in Practice.
Logman Scientific and Technical, Harlow. 1997.
[6] Wood, C., Environment impact assessment: a comparative review. Logman
Scientific and Technical, Harlow. 1995.
[7] Weston,J Planning and Environmental impact assessment in practice. Logman
Scientific and Technical, Harlow. 1997.
PARTEA II – EVALUAREA IMPACTULUI ASUPRA MEDIULUI
264
Autor: Corneliu COFARU
11.2. IDENTIFICATEA IMPACTURILOR 11.2.1. Identificarea sistematică a impacturilor
Scopul principal al identificării impacturilor într-un studiu de evaluare a
mediului îl constituie stabilirea efectelor asupra mediului înconjurător datorate
activităţilor propuse în cadrul unui proiect ca bază pentru colectarea opiniilor
publicului despre proiect şi de previzionare a impacturilor datorate activităţilor
propuse.
În literatura de specialitate o serie de autori scot în evidenţă o serie de raţiuni
pentru a realiza identificarea impacturilor, după cum urmează:
• Să existe concordanţă cu legislaţia in vigoare;
• Să asigure o acoperire a întregii game de impacturi inclusiv cele sociale,
economice şi fizice;
• Să distingă între: pozitiv şi negativ, mare şi mic, termen lung şi termen scurt,
reversibil şi ireversibil;
• Să identifice impacturile directe , indirecte, secundare şi cumulative;
• Să distingă între impacturile semnificative şi cele nesemnificative;
• Să prevadă o comparaţie a propunerilor de dezvoltare alternative;
• Să considere impacturile ca şi constrângeri;
• Să conţină informaţii cantitative şi calitative;
Impacturile să fie utilizate în sumar şi raportul de impact.
Metodele şi tehnicile de identificare a impacturilor sunt cunoscute de mai mult
de 25 ani, din păcate însă se tinde să se aplice tehnici specifice studiilor de impact
care aplică una sau mai multe tehnici în mod mecanic. Un evaluator de impact se
confruntă cu o serie de necunoscute care se referă la mediu, la activităţile propuse ,
la posibile alternative şi despre interacţiunea dintre proiectul propus şi mediu, de
aceea este nevoie de o abordare a studiului de impact intr-un mod riguros si
sistematic pentru a găsi răspunsurile corecte din informaţiile disponibile, a le sorta
pentru a începe procesul de organizare şi structurare a activităţilor studiului de
impact.
Beneficiile abordării sistematice sunt :
Bazele teoretice ale evaluarii impactului de mediu
265
1. Acesta ajută evaluatorul să treacă în revistă toate aspectele principale ale
propunerii şi ale mediului fără să omită aspectele cu adevărat importante;
2. Ajută ca în procesul de evaluare să se realizeze o diferenţiere a aspectelor
importante de cele nesemnificative.
3. Metodele şi tehnicile utilizate în studiul de evaluare a impacturilor nu sunt
tehnici matematice care să conducă la un rezultat precis pe baza datelor de
intrare, ci ele ajută să se structureze şi sa se aprecieze o varietate mare de
informaţii.
4. Evaluatorul precum şi alţi participanţi au o sarcină importantă la procesul de
evaluare a impacturilor asupra mediului ţinând cont de gama mare de posibile
impacturi şi de deciziile ce trebuie luate în funcţie de importanţa lor.
11.2.2. Metodele şi tehnicile de identificare a impacturilor
11.2.2.1. Listele de verificare Cele mai simple instrumente utilizate de evaluator sunt listele de verificare
pentru activităţile proiectului şi componentele de mediu.
Listele de verificare pot fi împărţite în : liste generale, liste generice şi liste
specifice.
Listele generale pot acoperi orice proiect şi orice tip de mediu pe când listele
generice sunt realizate pentru diferite proiecte cu caracter particular (ex. autostrăzi)
sau mediu (ex. bălţi).
Listele de verificare specifice sunt dezvoltate pentru un proiect dat sau pentru
caracteristicile unui anumit mediu.
În funcţie de structura lor listele de verificare pot fi împărţite în patru categorii:
1. Liste de verificare simple;
2. Liste de verificare descriptive;
3. Liste de verificare de măsurare sau notare;
4. Liste de verificare chestionare.
Listele de verificare simple trec în revistă componentele sau aspectele de
mediu însă nu oferă un ghid sau un ajutor în procesul de identificare a impacturilor.
Listele descriptive de verificare oferă un ajutor suplimentar printr-un surplus de
indicaţii, spre exemplu variabile specifice care pot fi măsurate pentru a caracteriza
fiecare componentă.
PARTEA II – EVALUAREA IMPACTULUI ASUPRA MEDIULUI
266
Liste de verificare de măsurare sau notare aduc în plus sisteme simple pentru
evaluarea importanţei ori semnificaţiei impacturilor previzionate. Aceste sisteme pot
utiliza o scală literală sau numerică repartizate după comparaţii cu criteriile oferite de
lista de verificare pentru a indica importanţa unui impact.
Lista de verificare tip chestionar este o formă a listei de verificare de măsurare
sau notare care utilizează o serie de întrebări pentru a obţine informaţii despre
posibilele impacturi şi a importanţei lor.
Punctul forte al listelor de control constă în faptul că stimulează descoperirea
posibilelor impacturi înainte chiar ca evaluarea să fie efectuată.
Punctele slabe ale listelor de control sunt legate de faptul că sunt statice, nu
cuantifică impacturile şi interacţiunea dintre ele se referă mai ales la caracteristicile
componentelor mediului şi la posibilele impacturi
11.2.2.2.Matricea
Matricile utilizate se pot plasa într-o gama largă de complexitate (de la simple
la complexe). Matricea utilizată pentru studiile de impact este matricea Leopold. O matrice simplă care investighează o componentă specifică de mediu este
constituită dint-o celulă divizată pe diagonală care are trecută intr-o parte
magnitudinea (amplitudinea ) impactului iar în cealaltă importanţa (gravitatea)
impactului utilizând criterii de ierarhizare specifice (mărimi scalare, litere sau culori)
Fig.11.7. Matricea Leopold
La utilizarea matricilor simple pot apărea o serie de probleme:
• Nu pot evidenţia impacturile indirecte precum şi aspectele temporale ale
impacturilor;
• Rigiditate potenţială a categoriilor;
Bazele teoretice ale evaluarii impactului de mediu
267
• Natura restrânsă a matricei când se includ mai multe variabile pe axele
acesteia;
• Posibilitatea de a greşi în acordarea valorilor numerice ale magnitudinii şi ale
importanţei impactului;
• Dificultate în însumarea informaţiilor despre impact şi în compararea
alternativelor.
Un alt tip de matrice dezvoltat din analiza reţelelor de transport îl constituie matricea de interacţiune a componentelor.
Matricea cuprinde componentele de mediu găsite în zona de studiu, acestea
fiind listate pe ambele axe ale matricei, atunci celulele formate vor reprezenta
legăturile posibile între componente. Evaluatorul va coda legăturile directe dintre
componente înscriind în celulele respective „1” iar în celelalte celule „0”. Prin
multiplicarea matricei cu ea însăşi, matricea rezultantă indicând acele componente
care sunt pe treapta 1 (legături directe) şi treapta 2 (legături indirecte) în comparaţie
cu alte componente. Multiplicările ulterioare pot identifica treptele 3-,4-,5- ale
legăturilor între componentele mediului. Dacă multiplicarea continuă până când toate
celule au o valoare diferită de zero matricea rezultantă este matricea legăturilor
minime. În anumite cazuri sunt celule care rămân după multiplicări cu valoarea zero
aceasta indică că nu există legături directe sau indirecte între componentele
existente.
Utilizarea matricilor de interacţiune a componentelor permite să se evidenţieze
conexiunile existente în cadrul unui sistem de mediu şi constituie baza investigării
posibilelor impacturi datorate de proiectul propus asupra componentelor de mediu .
Un exemplu pentru un ecosistem de baltă este prezentat în tabelul 11.5
PARTEA II – EVALUAREA IMPACTULUI ASUPRA MEDIULUI
268
Tabelul 11.5 Interacţiunea unor componente de mediu
Componenta Componente dependente Tipul dependenţei
Plantele acvatice de sedimente
Sursă de nutrienţi
Fauna acvatică Nutrienţi Peşte Nutrienţi
1 Vegetaţie cu rădăcină
Păsările locale Nutrienţi 2 Plantele acvatice de
sedimente Vegetaţie cu rădăcină Sursă de nutrienţi
3 Fauna acvatică Plantele acvatice de sedimente
Hrană
Vegetaţie cu rădăcină Hrană Plantele acvatice de sedimente
Hrană 4 Peşte
Fauna acvatică Hrană 5 Păsările locale Plantele acvatice de
sedimente Hrană
6 Oameni Peşte Hrană /recreare 1 2 3 4 5 6 1. Vegetaţie cu rădăcină 0 1 1 1 1 0 4 2. Plantele acvatice de sedimente
1 0 0 0 0 0 1
3. Fauna acvatică 0 1 0 0 0 0 1 4. Peşte 1 1 1 0 0 0 3 5. Păsările locale 0 0 1 1 0 0 2 6. Oameni 0 0 0 1 0 0
1
2 3 3 4 1 0
Fig.11.8. Matricea de interacţiune a componentelor
1 2 3 4 5 6 1. Vegetaţie cu rădăcină 2 1 1 1 1 0 2. Plantele acvatice de sedimente
1 2 2 2 2 0
3. Fauna acvatică 2 1 3 3 3 0 4. Peşte 1 1 1 2 2 0 5. Păsările locale 2 2 1 1 3 0 6. Oameni 2 2 2 1 3 0
Fig.11.9 Matricea legăturilor minime ale componentelor de mediu
Bazele teoretice ale evaluarii impactului de mediu
269
11.2.2.3. Reţelele de identificare Reţelele de identificare provin din tehnica matricilor , ele trasează legăturile
dintre componentele de mediu direct afectate şi alte aspecte de mediu şi dau harta
principalelor consecinţe ale unei acţiuni care afectează mediul în termenii intensităţii
şi a implicaţiilor lor.
În cadrul acestor tehnici se disting două abordări:
• Prima abordare se bazează pe conceptul cauză-efect a acţiunii, principalele
metode de identificare a impacturilor se referă la reţele, diagramele fluxurilor şi matricele în trepte.
• A doua abordare se bazează pe interconexiunile existente în cadrul mediului
ca bază de înţelegere a interacţiunii cu proiectul propus şi ca metode pot fi
utilizate diagramele sistemului sau modelele sistemului. A.) Reţele
Reţelele sunt derivate din tehnica matricilor şi ele trasează legăturile între
componentele de mediu afectate direct şi alte aspecte ale mediului. Se trasează o
hartă a principalelor consecinţe ale unei acţiuni care afectează o componentă a
mediului stabilindu-se ordinul de mărime al efectelor şi implicaţiile acestora.
Un exemplu îl constituie reţeaua care stabileşte impactul tăierii pădurii asupra solului
care este prezentată în figura 11.10
Se constată din aceasta reţea că din acţiunea de defrişare decurg toate
consecinţele asupra solului cum ar fi: reducerea de substanţe organice nutritive cu
efecte negative pentru viitorul solului, tot ca efect al defrişărilor apare sărăcirea
solului precum şi reducerea grosimii acestuia .
Punctul slab al reţelelor îl constituie lipsa feed-back-ului în diagrama cauză –
efect, precum şi faptul că se complică foarte mult în cazul în care se înscriu şi
consecinţele efectelor.
Metoda nu include măsurarea cantitativă a mărimii impacturilor sau importanţa
acestora, prin această metodă se evidenţiază totalitatea impacturilor şi se poate
compara alternativele propuse.
Datorită lipsei de răspuns şi caracterului uni direcţional al reţelelor analiştii în
domeniul mediului se îndreaptă spre cel de al doilea grup de metode, adică spre
metodele bazate pe sistemul de mediu.
PARTEA II – EVALUAREA IMPACTULUI ASUPRA MEDIULUI
270
B) Modelele sistem şi diagramele sistem Metodele bazate pe sistem pentru identificarea impacturilor sunt mai puţin
formale decât alte metode şi tehnici prezentate anterior.
Metoda se bazează pe modelele sistemului de mediu şi sunt constituite din diagrame
care prin căsuţe şi săgeţi se creează un model complex prin care se pot previziona
impacturile cuantificate asupra mediului. Evaluatorii de mediu preferă să utilizeze
modele conceptuale ale sistemului de mediu deoarece pot evidenţia pe baze
ştiinţifice din perspective ecologice problemele care apar în analizele de mediu.
Dezvoltarea fazei de model de simulare coincide cu faza de identificare a
impacturilor iar prin aplicarea cuantificării se poate ajunge la previziunea acestora.
Modelele bazate pe sistemele de mediu cer un înalt nivel de înţelegere al
componentelor de mediu şi al proceselor care au loc care necesită în ultimă instanţă
simplificări, iar dacă necesită introducerea cuantificărilor, datele necesare au un
volum ridicat ceea ce poate îngreuna procesul de evaluare. Cu toate aceste dificultăţi
modelele sistemelor de mediu reflectă totuşi realitatea şi sunt folosite pentru
acurateţea lor. În acest proces de modelare a sistemelor de mediu verificarea şi
validarea modelelor este foarte importantă cu toate că implică costuri suplimentare la
procesul de evaluare.
11.2.2.4. Strategia de identificare a impacturilor de mediu
Activitatea de identificare a impacturilor asupra mediului constituie baza unui
studiu al stării mediului prin implementarea unui proiect de dezvoltare economică, şi
trebuie să existe o strategie de planificare bine stabilită.
Paşii în realizarea acestei planificări sunt:
Pasul 1. Se referă în principal la stabilirea graniţelor spaţiale şi temporale ale studiului
de impact care va fi realizat. Participanţii sunt în general specialişti în domeniul
mediului, iar stabilirea graniţelor de urmat se realizează pe baza ideilor şi discuţiilor
întregii echipe.
Bazele teoretice ale evaluarii impactului de mediu
271
Fig.11.10. Diagrama reţea cauză – efecte a acţiunii de despădurire asupra solului.
PARTEA II – EVALUAREA IMPACTULUI ASUPRA MEDIULUI
272
Luarea deciziilor urmăreşte printr-o procedură pas cu pas ideile specifice
subiectului prin discuţii asupra acestor idei într-un mod structurat pentru a le putea
ordona în funcţie de priorităţi.
Fig. 11.11. Schema de planificare a identificării impacturilor
Pasul 2. Se identifică interacţiunile, utilizând matricea interacţiunilor definită prin două
liste de verificare dezvoltate de coordonatorul studiului de impact, una din liste
referindu-se la activităţile proiectului iar a doua referindu-se la componentele de
mediu din zona de studiu.
Rezultatul va fi o “matrice demonstrativă” care va fi discutată şi revizuită până
în momentul când va exista un consens din partea echipei de analiză asupra tuturor
interacţiunilor.
Impacturile posibile sunt clasificate pe această bază de către specialişti în
impacturi de prioritate scăzută sau înaltă. Impacturi de prioritate înaltă sunt
Bazele teoretice ale evaluarii impactului de mediu
273
considerate sunt acelea care dau schimbări majore asupra mediului sau există o
mare incertitudine asupra evoluţiei lor, impacturile de prioritate scăzută sunt acelea a
căror efecte sunt nesemnificative.
Pasul 3. Fiecare impact direct este identificat în matrice şi dacă este considerat ca
având o înaltă prioritate este analizat printr-o diagramă cauză – efect. Aceste
diagrame sunt realizate de specialişti în domeniul mediului în sfera de competenţă şi
rezultatul va fi o prezentare a efectelor indirecte datorate unor impacturi directe.
Pasul 4. Este stadiul care precede stadiul de evaluare propriu zisă şi presupune două
activităţi: prima se referă la identificarea indicatorilor variabili care pot fi utilizaţi
pentru caracterizarea efectelor evidenţiate anterior. Aceşti indicatori sunt parametrii
măsurabili şi care sunt utilizaţi pentru a detecta schimbările de mediu indicate de
matrice şi diagrame, în acelaşi timp cu aceşti parametri se poate analiza şi evalua
efectele asupra mediului.
Criteriile considerate de specialişti fiind: dispunerea efectelor în timp şi spaţiu,
dacă efectele sunt directe sau indirecte , mărimea şi durata efectelor.
În cadrul paşilor 5, 6 şi 7, se pleacă de la identificarea nevoilor de informaţii ca să se
ajungă la studiul propriu zis pe baza evaluării impacturilor reale.
Bibliografie [1] Bruton, M.J. Introduction to transportation planning. London UCL Press.1985
[2] Glasson, J. Methods of EIA. London UCL Press.1995
[3] Glasson, J and al. Introduction to Environmental Impact assessment. London
UCL Press.1999
[4] Morgan, R., Environment Impact Assessment .Kluwer. Academic Publisher.
ISBN 0-412-72990-3
[5] Street, E., planning and Environmental Impact Assessment in Practice.
Logman Scientific and Technical, Harlow. 1997.
[6] Wood, C., Environment impact assessment: a comparative review. Logman
Scientific and Technical, Harlow. 1995.
[7] Weston,J Planning and Environmental impact assessment in practice. Logman
Scientific and Technical, Harlow. 1997.
PARTEA II – EVALUAREA IMPACTULUI ASUPRA MEDIULUI
274
Autor: Corneliu COFARU
11.3. PARTICIPAREA PUBLICULUI
Implicarea publică într-o evaluare a impactului asupra mediului datorat unui
proiect de dezvoltare poate fi cheia succesului acestuia deoarece pentru iniţiatorii şi
proiectanţii proiectului este importantă atitudinea şi opinia publicului care poate fi
afectat prin implementarea proiectului. Această implicare devine mai importantă in
cazul în care evaluarea impactului asupra mediului este cerută pentru obţinerea unor
licenţe, iar cei care trebuie să ia deciziile în acest caz au nevoie de implicarea
comunităţilor locale intr-un anumit climat politic.
11.3.1 Scopul şi obiectivele implicării publicului în evaluarea impactului asupra mediului
Implicarea publicului poate fi analizată ţinând cont de următoarele perspective:
• Filozofică Politică, implicarea publicului are loc în contextul unei bune
guvernări precum şi a rolului cetăţenilor la acest proces;
• Îmbunătăţirea planificării, în acest context se consideră participarea publicului
la luarea deciziilor;
• Reglarea conflictelor politice, implicarea publicului reduce sau elimină
conflictele datorită participării la luarea deciziilor.
Studiile efectuate au evidenţiat următoarele funcţii ale implicării publicului la
realizarea evaluării impactului de mediu:
1. Rolul de validare - publicului îi sunt prezentate informaţii despre
propunerea de proiect şi despre procesul de evaluare al impactului cu
intenţia de a participa la evaluarea care va fi realizată cu intenţia de a
se reduce eventualele obiecţii şi litigii;
2. Funcţia de internalizare – participarea este utilizată pentru a aduce
valorile şi preferinţele publicului în procesul de evaluare a impactului de
mediu;
Bazele teoretice ale evaluarii impactului de mediu
275
3. Funcţia de definire a proiectului de mediu – publicul ajută la educarea
iniţiatorilor despre datele proiectului şi principalele emisii, dar în acelaşi
timp publicul începe să-şi apere mediul înconjurător.
În alte studii scopul participării publicului este văzut mai mult sub aspectul
socio-politic care implică
1. Oportunitatea persoanelor pentru a-şi exprima opiniile;
2. Furnizarea de informaţii suplimentare factorilor de decizie;
3. Consolidarea factorilor de decizie politici şi administrativi;
4. Creşterea încrederii publicului în factorii de decizie.
Alţi autori identifică alte raţiuni ale participării publicului la evaluarea impactului
de mediu, cum ar fi :
• Creşterea competenţei deciziei finale dacă sunt încorporate în proces
nivelul de cunoştinţe locale, decizia fiind în concordanţă cu limitele
emisiilor locale;
• Creşterea legitimităţii rezultatelor finale din cauză că părţile afectate au
avut ocazia să exprime opinia lor;
• Luarea deciziilor au loc într-un cadru democratic;
• Ajută cetăţenii să devină mai responsabili şi să adopte cadru
democratic.
Formele de implicare ale publicului depind în primul rând de relaţiile stabilite
cu factorii de decizie, iar acestea pot să varieze în limite largi de la un control total al
factorilor de decizie până la un control slab sau de loc. În acest spectru larg se
manifestă un proces consultativ, în care publicul este alimentat cu informaţii şi el
oferă răspunsuri, la extrema controlului public, publicul devine partener în luarea
deciziilor. Acest model de implicare de un înalt nivel al publicului trebuie văzut de
către iniţiatorii de proiecte care afectează comunităţi locale ca un potenţial în
promovarea acestor proiecte.
În cazul în care iniţiatorii de proiecte provin din mediul privat, iar proiectele
propuse afectează nu numai comunităţile la nivel local ci şi pe cele regionale sau
naţionale, atunci implicarea publicului se va desfăşura după modelul controlului slab
asupra factorilor de decizie. Model care implică informarea publicului, preluarea
preferinţelor şi a valorilor acestuia şi incorporarea acestor informaţii în evaluarea
impactului.
PARTEA II – EVALUAREA IMPACTULUI ASUPRA MEDIULUI
276
În general iniţiatorii de proiecte de dezvoltare nu agreează implicarea
publicului în luarea deciziilor, deoarece se tem că pierd timp şi bani prin întârzieri în
luarea deciziei considerând că diferite grupuri de interese au preocupări şi priorităţi
diferite iar deciziile care se iau reflectă interese de grup şi nu interesul publicului
larg., de aceea iniţiatorii stabilesc bune relaţii cu autorităţile de planificare locală.
Majoritatea iniţiatorilor iau contact cu publicul la stadiul iniţial de planificare şi
efectuarea primelor cereri la autorităţi de cele mai multe ori participarea publicului se
rezumă la a stopa proiectul, din această cauză iniţiatorii de proiecte nu văd
participarea publicului în sens pozitiv
O serie de autori prezintă următoarele argumente susţinute fie de iniţiatorii de
proiecte fie de birocraţi pentru a limita implicarea publicului.
11.3.2. Comunicarea in procesul de evaluare a impactului. O mare importanţă o prezintă circuitul informaţiilor care privesc activităţile
evaluării impactului asupra mediului între diferiţii actori implicaţi. Diferiţii participanţi în
proces trebuie să comunice efectiv unii cu alţii iar informaţiile să fie transmise corect
pentru ca întregul proces să se desfăşoare corect. Una din cele mai importante
legături ale sistemului de comunicare care de fapt este şi partea dificilă de condus o
reprezintă relaţia dintre experţii tehnici şi public (în care sunt incluşi si reprezentanţii
politici ai publicului).
Pentru o bună înţelegere a procesului de comunicare trebuie să se abordeze
distinct cele două componente fundamentale ale procesului de comunicare a)
informaţia, b) mecanismul de transmitere al informaţiei.
11.3.2.1. Informaţia în procesul de evaluare a impactului de mediu
Pe parcursul evaluării impactului de mediu se vehiculează o multitudine de
informaţii care includ: date ştiinţifice, interpretări ale experţilor, opinii personale şi
valori stabilite.
Cele mai multe informaţii generate de procesul de evaluare a impactului de
mediu sunt de natură tehnică, ştiinţifică, inginerească, economică sau umanistică.
Informaţiile sunt prezentate în termeni specializaţi pentru a fi interpretate uşor de alţi
specialişti din domeniu, în plus conţin detalii despre metode şi tehnici utilizate,
Bazele teoretice ale evaluarii impactului de mediu
277
condiţii de măsurare, ipoteze pentru ca în procesul de comunicare dintre specialişti
să se utilizeze aceleaşi convenţii tehnice de specialitate
Se consideră că un expert este eficient când are capacitatea să comunice
informaţii unui public care nu are expertiza într-un domeniu sau altul. Este o greşeală
de neiertat să se considere neînţelegerea informaţiei ca stupiditate din partea
interlocutorului neavizat.
O sarcină majoră o reprezintă transferul informaţiilor necesare despre
aspectele tehnice ale evaluării impactului de mediu părţilor interesate într-o formă
care să permită înţelegerea acestora. De cele mai multe ori raportul de evaluare a
impactului cuprinde colajul rapoartelor diferiţilor specialişti tehnici participanţi în
proces care conţin în detaliu prezentarea tehnică specifică.
Când persoanele care citesc un raport tehnic de impact nu-l înţeleg înseamnă
că specialiştii nu au ştiut să comunice şi acest lucru nu se întâmplă din cauza
ignoranţei ceea ce ar fi un blam.
Directorul de proiect trebuie să se asigure că raportul privind impactul de
mediu este unitar chiar dacă este construit din părţi separate şi poate fi înţeles de
persoanele interesate.
11.3.2.2. Mecanismele de transfer ale informaţiei
Rapoartele privind evaluarea impactului trebuie să comunice informaţiile spre
o largă audienţă. Rapoartele de impact sau bilanţurile de mediu au câteva
caracteristici care le fac atractive pentru rolul lor: sunt produse inexpresiv; pot fi
distribuite uşor; nu solicită tehnologie în plus pentru a accesa informaţiile; cât ar fi de
lungi ele pot fi citite.
Îmbunătăţirea redactării şi prezentării poate ridica gradul de înţelegere al
documentului, însă nu totdeauna este cea mai bună cale de informare a publicului.
Există mai multe stadii în procesul de elaborare a evaluării impactului de mediu în
care informaţia trebuie să circule, în stadiul raportării finale, informaţia este
disponibilă publicului şi cu care ocazie pot fi folosite şi alte mijloace de distribuţie
În stadiul de explorare a posibilităţii de iniţiere a unui proiect propunerea trebuie să
fie cunoscută de public, broşurile distribuite la domiciliul populaţiei au un impact mai
redus decât o prezentare video realizată la sediul primăriei ori în şcoli ori în pieţe
publice. O prezentare publică are un impact mai ridicat decât un material bazat pe un
text scris.
PARTEA II – EVALUAREA IMPACTULUI ASUPRA MEDIULUI
278
Chiar pentru stadiul final se recomandă ca pe lângă forma de raport scris să
se utilizeze şi alte metode de informare, cum ar fi: formatul electronic pe suport CD,
prezentare video, prezentare internet utilizând mijloacele multimedia.
În general pe lângă raportul tehnic se prezintă şi un scurt raport scris într-un limbaj
non-tehnic în stil jurnalistic pentru a studiul de impact să fie înţeles mai uşor.
În raportul de bază materialul trebuie organizat în aşa fel încât cititorul să înţeleagă
materialul uşor şi repede. Tabelele, figurile şi hărţile trebuie să fie plasate cât mai
apropiate de text.
Există recomandări privind modul de redactare a rapoartelor de impact ca să
fie uşor lizibile:
• Mărime literă 11 sau 12 Times New Roman;
• Lungimea rândului nu mai mult de 70% din lungimea rândului;
• Distanţa dintre rânduri = un rând;
• Pagina să nu conţină prea mult text;
• Imprimare bună;
• Aranjament coerent în pagină;
• Prezentare stilistică a paginii, dacă este posibil color.
Bibliografie [1] Bruton, M.J. Introduction to transportation planning. London UCL Press.1985
[2] Glasson, J. Methods of EIA. London UCL Press.1995
[3] Glasson, J and al. Introduction to Environmental Impact assessment. London
UCL Press.1999
[4] Morgan, R., Environment Impact Assessment .Kluwer. Academic Publisher.
ISBN 0-412-72990-3
[5] Street, E., planning and Environmental Impact Assessment in Practice.
Logman Scientific and Technical, Harlow. 1997.
[6] Wood, C., Environment impact assessment: a comparative review. Logman
Scientific and Technical, Harlow. 1995.
[7] Weston,J Planning and Environmental impact assessment in practice. Logman
Scientific and Technical, Harlow. 1997
Bazele teoretice ale evaluarii impactului de mediu
279
Autor: Corneliu COFARU
11.4. METODOLOGIA DE PREVIZIUNE PROGNOZĂ ŞI METODELE UTILIZATE
În studiile de impact o problemă de real interes o constituie prognoza
schimbărilor datorate implementării unui proiect de dezvoltare, deoarece trebuie să
scoată în evidenţă toate modificările care sunt aduse mediului sub toate aspectele.
Stadiile procesului de previziune sunt:
1. Identificarea efectelor potenţiale;
2. Investigarea preliminară a efectelor;
3. Definirea cerinţelor pentru informaţiile privind efectele;
4. Selectarea metodelor de previziune;
5. Utilizarea metodelor de previziune alese;
6. Organizarea şi prezentarea rezultatelor.
Primele trei stadii sunt în general parcurse în procesul de prezentare a
studiului de impact şi este important pentru ca priveşte integrarea activităţilor de
evaluare a impacturilor. Următorul stadiu este utilizat în procesul de evaluare şi luare
a deciziei a celei mai bune căi de urmat, iar ultimele două stadii constituie de fapt
procesul de previziune în procesul de evaluare.
Procesul de previziune are trei sarcini de bază, după cum urmează:
• Stabilirea condiţiilor liniei de bază a mediului şi previziunea schimbărilor
naturale ale acestuia, în cazul în care nu se realizează schimbări socio-
economice;
• Previziunea schimbărilor viitoare ale mediului datorită schimbărilor socio-
economice generale;
• Previziunea schimbărilor viitoare ale mediului datorită efectelor datorate
implementării proiectului propus şi schimbărilor socio-economice generale.
11.4.1. Starea actuală Pentru procesul de prognoză sunt importante pe de o parte informaţiile privind
starea mediului la nivelul începutului studiului de impact considerată ca bază pentru
următoarele evaluări. Pe de altă parte sunt necesare informaţii despre activităţile şi
procesele ce se vor desfăşura la implementarea proiectului şi care sunt suspectate
că vor afecta mediul şi pentru care se solicită o abordare ştiinţifică de previziune a
impactului.
PARTEA II – EVALUAREA IMPACTULUI ASUPRA MEDIULUI
280
Informaţiile colectate şi care privesc starea actuală a mediului (linia de bază a
studiului) sunt folosite pentru a previziona starea mediului la orizontul proiectului
ţinând seama de evoluţia factorilor de influenţă existenţi. De aici derivă activitatea de
întocmire a unui plan de monitorizare. Este important să se stabilească încă de la
început un număr limitat de variabile specifice care să poată fi monitorizate. O altă
raţiune pentru colectarea datelor privind starea de bază o constituie stabilirea datelor
de calibrare a procesului de monitorizare.
11.4.2. Eşantionare În afara factorului timp, principala constrângere metodologică pentru
colectarea datelor privind starea liniei bază o constituie natura schemei de
eşantionare utilizate.
După stabilirea schemei de eşantionare este nevoie să se urmeze următoarele căi
cheie pentru a avea rezultatele solicitate de studiu:
1. Care sunt caracteristicile activităţilor propuse şi cum vor influenţa cu mediul
înconjurător? Cum va reacţiona mediul ţinând seama de natura, durata şi
periodicitatea fiecărui rezultat al unei activităţi propuse?
Efectele pe termen lung la un nivel redus de al poluanţilor vor fi diferite de
efectele produse de acelaşi nivel al poluanţilor asupra mediului local pe o perioadă
scurtă de timp.
2. Care vor fi variabilele măsurabile?
Nu poare fi real, practic şi de dorit să se măsoare tot ce afectează mediul,
trebuie să se realizeze o selecţie a factorilor măsurabili şi care privesc procesul de
eşantionare. Alegerea variabilelor va depinde: natura impacturilor produse de
activităţile propuse, de experienţa şi judecata specialiştilor care vor alege acele
variabile care vor fi considerate ca cei mai buni indicatori, în funcţie echipamente, de
pregătirea personalului şi de costurile implicate de culegerea datelor.
3. Care va fi zona geografică care va fi eşantionată?
Aceasta va fi zona care se aşteaptă ca efectele proiectului să se facă simţite.
Dacă evaluatorul va lua în considerare numai efecte directe atunci aria de
eşantionare va fi foarte restrânsă. În general luarea în considerare şi a efectelor
indirecte conduc la extinderea ariei de studiu. Aceste probleme trebuie stabilite
înainte de începerea colectării datelor pentru stabilirea linie de bază. Eşantionarea
Bazele teoretice ale evaluarii impactului de mediu
281
trebuie proiectată pentru a detecta variaţiile naturale înainte ca să se previzioneze
schimbări datorită impacturilor activităţilor propuse.
4. În ce perioadă va începe eşantionare?
Sistemele de mediu prezintă o multitudine de schimbări temporale, cum ar fi :
schimbări sezoniere, schimbări zilnice şi chiar schimbări orare. Este important ca
perioada de eşantionare să cuprindă principalele cicluri de variaţie. Spre exemplu
fiinţele care migrează sau hibernează trebuie să fie studiate pe un ciclu anual pentru
a se asigura că toate efectele asupra stadiilor de viaţă au fost evidenţiate. La un alt
nivel, populaţia dintr-o comunitate poate scăpa atenţiei studiului la nivelului unei zile
deoarece pe durata zilei pot fia anumite grupuri activează în afara casei, fie la
muncă, fie la şcoală fie să fie ocupaţi în diferite activităţi sociale. Eşantionarea
trebuie să evite super reprezentarea unui grup din cauza timpului luat pentru studiul
unei comunităţi.
5. Studierea unei populaţii pe un ciclu complet poate fi nesemnificativă.
Spre exemplu, studierea unei specii de animal mare, perioada de studiu poate
coincide cu o perioada bună din punctul de vedere al asigurării hranei. Acesta lucru
elimină stresul asupra mediului care are coincidenţă cu specia respectivă. Din
această cauză evaluatorul trebuie să considere condiţiile normale de mediu, iar la un
înalt nivel de impact populaţia luată in studiu poate fi vulnerabilă.
6. Se intenţionează să se controleze situl luat în studiu pentru monitorizare?
Una din metodele puternice utilizate pentru detectarea schimbărilor o
constituie comparaţia cu un alt sit neafectat de activităţi.
11.4.3. Metodele de previziune Studiile de impact nu utilizează metode şi tehnici proprii de predicţie ale
impacturilor asupra mediului, de fapt predicţia impacturilor se realizează cu metode şi
tehnici utilizate în mai mute discipline şi care sunt aplicate sistemelor de mediu şi
sociale
Metodele de previziune pot fi clasificate în funcţie de complexitate, după cum
urmează:
PARTEA II – EVALUAREA IMPACTULUI ASUPRA MEDIULUI
282
11.4.3.1. Utilizarea experienţei acumulate prin extrapolare la situaţia curentă
Aceasta este cea mai simplă metodă de previzionare a impacturilor. La
aplicarea metodei există pericolul ca informaţiile să fie insuficiente şi la fel şi
experienţa în domeniu.
11.4.3.2. Aprecierea experţilor
În acest caz previziunea impacturilor se bazează pe intuiţia personală, pe
competenţa profesională şi experienţa acumulată de către specialist. În acest caz se
pune întrebarea dacă expertul a înţeles pe deplin condiţiile locale de mediu pentru a
aplica cunoştinţele sale în procesul de previziune. De aceea aplicarea acestei
metode implică un grad înalt de incertitudine, iar rezultatele trebuie să fie confirmate
de studii ştiinţifice.
11.4.3.3.Utilizarea experimentelor de laborator
Această metodă de previziune aduce o rigoare de abordare. Metoda este
aplicată în general când există cunoştinţe puţine despre interacţiunea proceselor
unui proiect şi mediul local, în special dacă acest mediu este complex. Experimentele
vor fi canalizate pentru investigarea proceselor specifice pentru a simula efectele
acestor procese asupra sistemului de mediu luat în studiu. Există cazuri în care
anumite impacturi previzionate nu sunt confirmate de experimente, în acest caz
trebuie să se realizeze o investigaţie de detaliu.
11.4.3.4. Utilizarea modelelor teoretice
Aceste modele sunt dezvoltate pentru a descrie aspecte specifice ale
interacţiunilor activităţilor propuse şi sistemul local de mediu de unde se dezvoltă
diverse ipoteze. Aceste investigaţii se pot realiza folosind date din teren sau date
rezultate în urma experimentelor.
11.4.3.5.Utilizarea modelelor cantitative
Metoda este o alternativă la metoda experimentală. Aceste modele sunt
reprezentări simplificate ale lumii reale şi sunt utilizate la previziunea sistemelor din
lumea reală. Cele mai simple modele sunt empirice, relaţiile utilizate în procesul de
modelare nu reprezintă procesele reale sau caracteristicile lumii reale însă se obţin
Bazele teoretice ale evaluarii impactului de mediu
283
răspunsuri apropiate de valorile din lumea reală. Modelul este dezvoltat utilizând
relaţii matematice standard cu date culese din teren pentru a obţine cele mai bune
relaţii de previziune. Apoi modelele matematice sunt testate utilizând datele obţinute
şi confirmate în alte situaţii.
11.4.3.6.Utilizarea modelelor fizice
Aceste modele sunt simplificări ale lumii reale dar explicate în termeni fizici
mai bine decât în termeni matematici şi ele sunt utilizate pentru a simula lumea reală.
Este posibil să se realizeze la scară structuri fizice şi apoi să se reproducă diferite
procese. Modelele fizice tind să confirme anumite tipuri de evaluări, cum ar fi :
curgerea curenţilor de aer în jurul clădirilor, investigarea posibilelor schimbări ale
râurilor datorită reducerii debitelor, evaluarea impactului vizual datorită noilor
construcţii. Modelarea poate în mod efectiv să rezolve problemele privind previziunea
impacturilor asupra mediului iar dacă utilizează date culese din teren modelul se
poate apropia de condiţiile de mediu locale luate în studiu. În plus odată dezvoltat un
model poate fi folosit şi în alte cazuri determinând economii de resurse financiare.
Modelele odată dezvoltate pot fi îmbogăţite pentru a simula situaţii complexe pentru
care metodele experimentale nu se pot aplica,( ex. accidente cu substanţe
periculoase).
Utilizarea unei metode de previziune sau a alteia poate să difere în funcţie de
contextul studiului de impact. Spre exemplu, evaluarea impactului unui proiect mic nu
va presupune utilizarea unor metode sofisticate, decizia putând fi luată pe baza
analizei experienţei acumulate la evaluarea unor proiecte similare.
11.4.4. Efectele cumulate
La realizarea unui studiu de impact, o atenţie deosebită trebuie acordată
previziunii efectelor cumulate. Analiza efectelor cumulate sau a impacturilor cumulate
trebuie abordată sistematic luând în considerare factorii cauzali, factorii disturbatori,
răspunsurile sistemului şi impacturile potenţiale. La previziunea efectelor cumulate,
problema principală o constituie compunerea acestora într-o mare varietate, cu
evoluţie în timp şi spaţiu.
Pentru evaluarea efectelor cumulate se pot aborda două grupe de metode:
a) Abordare analitică; b) Abordare planificată.
PARTEA II – EVALUAREA IMPACTULUI ASUPRA MEDIULUI
284
În cazul primei abordări pentru identificarea şi caracterizarea efectelor cumulate se
aplică metode ştiinţifice sau tehnice, iar în cel de al doilea caz efectele cumulate sunt
caracterizate utilizând metodele şi informaţiile folosite la evaluarea opţiunilor de
management sau planificare.
11.4.4.1 Metodele de evaluare a efectelor cumulate
Există două abordări pentru evaluarea efectelor cumulate:
• Metode cantitative – matrice
Metodele sunt mai mult cantitative şi utilizează matricile pentru evaluarea
interacţiunilor proiectului şi efectele cumulative ale acestor interacţiuni.
• Metode orientate pe efecte
Această abordare este mai mult calitativă şi utilizează reţelele pentru determinarea
interacţiunilor şi caracterizarea efectelor cumulate.
11.4.5. Monitorizare Scopul activităţii de monitorizare într-un studiu de impact este de a măsura în
timp variabilele identificate, de a stabili frecvenţa acestor măsurători precum şi modul
în care datele obţinute vor fi utilizate. În managementul mediului monitorizarea se
referă la colectarea informaţiilor asupra sistemelor majore de mediu pornind de la
nivel local la nivel global pentru a detecta schimbările de mediu şi a identifica
tendinţele pe termen lung.
Necesitatea introducerii activităţii de monitorizare într-un studiu de impact este
determinată de următoarele raţiuni:
• Realizarea unei avertizări timpurii asupra unor impacturi neprevizionate,
informaţiile obţinute sunt folosite în cadrul managementului impacturilor;
• Verificarea implementării măsurilor de reducere a impacturilor;
• Verificarea eficacităţii măsurilor de reducere a impacturilor;
• Prevede suport pentru acordarea sau refuzul cererilor de compensare a
daunelor cauzate de impacturi asupra populaţiei sau proprietăţilor;
• Să avertizeze când valorile unor variabile ating nivelul de atenţie
predeterminat;
• Să furnizeze informaţii pentru public;
• Să furnizeze informaţii tuturor participanţilor la studiul de impact pentru ca
previziunile să fie corectate iar managementul să ia deciziile corect;
Bazele teoretice ale evaluarii impactului de mediu
285
• Să examineze aspecte distributive,adică : cum sunt afectate diferitele sectoare
ale comunităţii ?
• Să verifice procesul de previziune prin evaluarea preciziei previziunii şi să
evalueze performanţele tehnicilor şi metodelor de previziune;
• Să evalueze performanţele întregului proces de evaluare a impacturilor;
• Să documenteze impacturile reale ale unei activităţi pentru utilizare în situaţii
similare ;
• Să prevadă o bază de date privind istoria impacturilor şi care să fie utilizată la
înnoirea licenţei obiectivului care a necesitat studiul de impact sau pentru a
planifica activităţi viitoare.
Programul de monitorizare, în general, reflectă influenţele a două seturi de
factori şi anume:
1. Factori instituţionali şi administrativi;
2. Factori metodologici.
11.4.5.1. Influenţa factorilor instituţionali şi administrativi
În această categorie sunt incluşi o multitudine de factori importanţi, cel mai
important factor fiind stabilirea momentului când să aibă loc monitorizarea datorită
interesului scăzut al autorităţilor care administrează cerinţele studiului de impact, cel
de al doilea factor important îl reprezintă faptul c agenţia care administrează
programul de monitorizare să nu aibă resursele necesare pentru acesta. Cel de al
treilea factor care are o influenţă majoră îl reprezintă costurile monitorizării. În fapt
dacă se demonstrează faptul că informaţiile obţinute sunt utilizate parţial în folosul
publicului, atunci cei care realizează propunerea de proiect pot argumenta şi susţine
ca publicul să susţină o parte din costurile implicate de procesul de monitorizare.
11.4.5.2. Influenta factorilor metodologici
Din punct de vedere metodologic monitorizarea trebuie să fie concepută şi
implementată ca o activitate de producere de informaţii. Această activitate trebuie
concepută înainte de alte faze ale studiului de impact pentru a fi inclusă în toate
fazele studiului şi în principal în faza de prezentare şi de previzionare a impacturilor.
În fapt cheia în conceperea unui proces de monitorizare îl constituie decizia prin care
sunt selectate variabilele care vor fi măsurate şi adoptarea programului de
eşantionare.
ă
PARTEA II – EVALUAREA IMPACTULUI ASUPRA MEDIULUI
286
Principalele puncte importante în adoptarea unui program de monitorizare sunt:
alegerea variabilelor în funcţie de natura impacturilor şi care au fost definite în
prezentarea proiectului şi în activităţile de previzionare, aceste variabile pot sau să
fie măsurate în practică. O atenţie deosebită trebuie acordată conceptului de
variabilă indicator, care în fapt este o variabilă selectată pentru monitorizare ca
indicator specific a unei resurse sau a unui proces de mediu.
În general, într-un studiu de impact este necesar să se măsoare o multitudine
de variabile pentru a oferi o bună înţelegere şi o identificare a schimbărilor în cadrul
variabilelor indicator.
Adoptarea unei eşantionări distribuite spaţial şi temporal care să surprindă
variaţiile variabilelor indicator.
Alegerea ariei de monitorizare trebuie să reflecte aria unde se manifeste
impacturile de mediu.
Activitatea de monitorizare trebuie să răspundă cerinţelor de calitate.
Metodele şi tehnicile utilizate în programul de monitorizare trebuie să includă
colectarea datelor de bază care trebuie să corespundă scopului propus şi care
trebuie să fie folosite cu acurateţe. Pentru activităţile de măsurare tehnică sunt
utilizate proceduri standardizate, în special pentru analiza chimică a eşantioanele de
mediu. Metodele analitice definite şi aprobate de organismele de mediu devin de
facto proceduri standardizate de analiză a eşantioanelor. Răspândite sunt şi
materialele standard utilizate pentru validarea realităţii metodelor analitice precum şi
a procedurilor utilizate.
Procesul de monitorizare este rulat pe o perioadă lungă de timp, iar personalul
implicat poate să suporte schimbări, din acest punct de vedere aplicarea unor
proceduri standardizate elimină influenţele negative datorate acestor schimbări de
personal, datele acumulate de la începutul programului trebuie să fie accesibile şi
inteligibile şi la sfârşitul programului. Datele colectate în procesul de monitorizare
trebuie să fie disponibile pe întreaga durată de viaţă a proiectului şi să fie stocate
într-un format care să permită prelucrări statistice.
Bibliografie
[1] Bruton, M.J. Introduction to transportation planning. London UCL Press.1985
[2] Glasson, J. Methods of EIA. London UCL Press.1995
Bazele teoretice ale evaluarii impactului de mediu
287
[3] Glasson, J and al. Introduction to Environmental Impact assessment. London
UCL Press.1999
[4] Morgan, R., Environment Impact Assessment .Kluwer. Academic Publisher.
ISBN 0-412-72990-3
[5] Street, E., planning and Environmental Impact Assessment in Practice.
Logman Scientific and Technical, Harlow. 1997.
[6] Wood, C., Environment impact assessment: a comparative review. Logman
Scientific and Technical, Harlow. 1995.
PARTEA II – EVALUAREA IMPACTULUI ASUPRA MEDIULUI
288
Autor: Corneliu COFARU
11.5. EVALUARE
Evaluarea este stadiul procesului de elaborare studiului de impact asupra
mediului în care toate informaţiile despre impacturi sunt aduse împreună , sunt
analizate şi se constată dacă acestea sunt acceptate sau nu din punct de vedere
social. Pe această bază este luată decizia asupra activităţilor propuse şi asupra
măsurilor de minimizare a schimbărilor care apar datorită acestora.
Factorii de decizie sunt chemaţi să judece propunerea, inclusiv alternativele la
aceasta, pe baza unei mari cantităţi de informaţii incorporând tipuri diferite şi
semnificaţia socială a impacturilor. Având în vedere toate acestea rezultă ca
evaluarea este un proces extrem de complex. Din punct de vedere tehnic evaluarea
solicită factorii de decizie să compare alternativele care pot fi caracterizate prin
diferite proiecte, diferite caracteristici funcţionale, posibile locaţii şi să selecteze cea
mai bună alternativă în conformitate cu criteriile de mediu, economice, tehnice şi
politice.
Abordarea promovării de proiecte se poate realiza în doua moduri:
a) de la început se prevăd diferite alternative la proiect;
b) se prevede o singură propunere.
Înaintarea propunerii de proiect cu alternative dă posibilitatea factorilor de
decizie să aplice metode tehnice de evaluare, iar soluţia aleasă să poată fi uşor
justificată.
În cazul în care se promovează o singură propunere de proiect, factorii de decizie
sunt chemaţi să decidă acceptabilitatea sau nu a acesteia, de asemenea au puterea
de a recomanda modificări la propunere pentru a reduce efectele negative. În acest
caz atitudinea publicului prin participarea la luarea deciziei este mai importantă decât
procesul de apreciere a impacturilor.
Ambele abordări sunt supuse criticilor care îmbracă două aspecte:
1. În ce situaţii şi cum informaţia de mediu este simplificată?
2. Cum se vehiculează semnificaţia socială a impacturilor previzionate?
Prin aplicarea metodelor tehnice formale de evaluare, informaţia este
simplificată prin procesul de amalgamare sau agregare iar valorile publice sunt
încorporate în procesarea informaţiei de impact cu ajutorul procedurilor tehnice. Se
Bazele teoretice ale evaluarii impactului de mediu
289
agreează ideea că factorii de decizie trebuie să fie capabili de a utiliza informaţii
complexe de impact într-o cantitate apreciabilă, de aceea ei trebuie să fie organizaţi,
cu o activitate raţională care ducă la un bilanţ echilibrat dintre nevoia de a simplifica
informaţia şi luarea în considerarea a atitudinii publicului.
Pentru evaluare se utilizează metodele tehnico-ştiinţifice care cuprind două
grupuri:
• Metode de evaluare monetare;
• Metode de evaluare nemonetare.
11.5.1. Metodele de evaluare monetare Metodele de evaluare monetare se bazează pe analiza cost-beneficiu utilizată
în economie şi care au rolul de a plasa aspectele de mediu într-un consistent cadru
conceptual pentru a uşura sarcinile factorilor de decizie. Metoda analizei cost –
beneficiu nu poate reflecta valorile nemonetare din domeniul mediului , spre
exemplu: cum să apreciezi valoric un peisaj frumos, sau cum sa apreciezi valoric o
specie de păsări când nu exista echivalent de piaţă.
La presiunile organismelor financiare şi a guvernelor de a aplica principiile
economice şi contabilizarea cheltuielilor publice, economiştii au depus eforturi
deosebite pentru a găsi metode de evaluare a entităţilor intangibile şi necomerciale,
dezvoltând metode şi concepte de bogăţie economică speciale. În consecinţă creşte
importanţa utilizării metodelor de evaluare monetară în studiile de impact
11.5.1.1. Valoarea economică
O schimbare importantă din domeniul aprecierii valorii economice a fost
mutarea de la utilizarea conceptului comparativ îngust al valorii bazat pe un puternic
utilitarism al mediului şi resurselor spre o perspectivă mai largă, marcată de
introducerea conceptului de valoare economică totală (VET). Valoarea economică totală arată că mediul are o valoare care se situează în
afara analizei cost-beneficiu tradiţională şi că ea promovează includerea şi a altor
mărimi neutilizate în analiza cost – beneficiu, ca patrimoniu de mediu şi social.
PARTEA II – EVALUAREA IMPACTULUI ASUPRA MEDIULUI
290
Tabelul 11.6. Valori utilizate şi neutilizate care pot fi cuprinse în valoarea economică totală
Valori utilizate Valori neutilizate Utilizare directă
Utilizare indirectă
Valori opţionale
Valori moştenite Valori existente
Rezultate direct consumabile
Beneficii funcţionale
Valori viitoare directe şi indirecte
Valori utilizate şi neutilizate ale moştenirii de mediu
Valori ale cunoştinţelor existenţei continue
Hrană Biomasă Recreare Sănătate
1) Controlul inundaţiilor 2) Protecţia contra furtunilor 3) Cicluri de nutriţie
1)Biodiversitate, 2)Habitat conservat
Habitat Prevenirea schimbărilor ireversibile
1)Habitat 2)Specii 3)Genetic 4)Ecosistem
Valori utilizate
Trebuie să se realizeze o distincţie între valorile bazate pe consumul direct al
unui anumit sort de resursă şi valorile bazate pe beneficii reale însă indirecte ale
activelor resurselor naturale (de exemplu: pădurea care protejează integritatea
solului şi calitatea apelor din bazinele hidrografice). Mai puţin evidentă este valoarea
opţională , prin care se înţelege preţul pe care cetăţenii agreează să-l plătească
pentru a menţine o resursă sau un activ natural pentru viitor şi care vor fi disponibile
ca opţiune de utilizare în viitor.
Valori neutilizate Valorile neutilizate cuprind valorile moştenite şi valorile existente. Valorile
moştenite sunt acele care măsoară beneficiile care ar reveni unui individ cunoscând
că resursa sau activul natural va fi disponibil beneficiului populaţiilor viitoare.
Valorile existente reprezintă acele valori care ar reveni unui individ cunoscând că
activul natural există, fără nici-o posibilă utilizare economică directă sau indirectă.
Această abordare extinde analiza cost - beneficiu tradiţională care ia în calcul
preferinţele private orientate pe câştigul individul spre includerea preferinţelor publice
orientate spre beneficiul social.
În cazul evaluării impactului de mediu al proiectelor de dezvoltare aceste doua
orientări pot intra in conflict. Se recunoaşte faptul că este nevoie să se treacă de la
Bazele teoretice ale evaluarii impactului de mediu
291
beneficiile individuale la beneficiile comunităţii, ia conceptul mai larg de valoare
economică totală poate face acest lucru mai explicit.
Mulţi cercetători consideră că a atribui o sumă pentru distrugerile făcute
mediului este ilicit sau chiar imoral. Justificarea pentru atribuirea unei valori monetare
este că arată în ce măsură s-a câştigat sau s-a pierdut din bogăţie, aşa că banii sunt
mijlocul de măsură şi este cel mai bun indicator de care se dispune. Economiştii de
mediu pot explica cum utilizează banii ca mijloc de măsură.
11.5.1.2. Metodele de evaluare monetară
Economiştii care lucrează în domeniul mediului împart metodele de evaluare
monetară în metode directe care implică exprimarea monetară directă şi metode indirecte care implică comparare cu bunuri şi servicii care au piaţă. Aceste metode
au fost aşa împărţite pentru a face faţă situaţiilor când nu este o piaţă clară pentru
bunuri şi servicii aşa cum sunt schimbările de mediu şi care nu sunt bunuri de piaţă
în adevăratul sens al cuvântului.
Metodele directe Metoda experimentală:
Cea mai simplă metodă să se evalueze un bun sau un serviciu este ca acesta
sa fie supus ca într-un experiment la regimuri de încărcare diferite pentru a afla cât
de mult se poate plăti pentru bunul sau serviciul respectiv.
Această metodă poate fi aplicată cu succes pentru evaluarea posibilelor măsuri de
reducere a impacturilor.
Studii prin chestionare:
Constituie principala metodă de a identifica valoarea Există două tipuri de
studii care sunt aplicate valoarea contigentală şi ierahizarea contigentală.
A) Metoda valorii contigentale. Este folosită de economiştii din domeniul mediului deoarece oferă o stabilitate
rezonabilă şi rezultate utile, putând fi aplicată pentru estimarea valorilor neutilizate.
Metoda valorii contigentale are la bază punerea de scenarii (în cazul mediului
posibilele schimbări ale acestuia cu beneficii şi pierderi care pot rezulta din
implementarea proiectului de dezvoltare) şi solicitarea prin chestionar publicului cât
ar fi dispus să plătească pentru un beneficiu specificat sau cât de mari ar trebui să fie
PARTEA II – EVALUAREA IMPACTULUI ASUPRA MEDIULUI
292
schimbările sau pierderile pentru a fi acceptate. Chestionarele pot cere răspunsuri de
la utilizatorii specifici existenţi de servicii şi bunuri .
Metoda permite să se exploreze valoarea opţională, valoarea existentă şi
valoarea moştenită, prin modificarea scenariilor cât şi a întrebărilor. Plecând de la
valoarea individuală este posibil să se calculeze valoarea totală pentru fiecare
componentă de mediu pentru o populaţie ţintă de o anumită mărime cunoscută.
Informaţiile despre avantaje pot fi utilizate pentru a explora analitic structurile valorilor
grupurilor în concordanţă cu caracteristicile socio-economice ca răspuns la situaţiile
puse de scenarii. Rezultă un număr mare de situaţii când populaţia este solicitată să
plaseze bani într-o situaţie ipotetică, de cele mai multe ori ei estimează foarte larg
dorinţa de a plăti un rezultat deoarece doresc sa-l vadă înregistrat şi ca urmare să
conteze la luarea deciziei, în acest caz banii sunt nominali, şi ca atare la atribuirea lor
nu există o mare responsabilitate.
S-au dezvoltat mai multe strategii pentru ca evaluarea să se fie cât mai
apropiată de lumea reală:
• Jocul de a licitaţia:
În acest caz se solicită indivizilor să ofere o sume de bani ( suma de deschidere)
care poate fi fixată la un nivel foarte ridicat sau foarte scăzut, apoi progresiv prin
scădere sau prin adunare să ajungă la suma pe care ar dori s-o plătească
individul. Prin acesta se cere individului să răspundă la o întrebare simplă, vrei să
plăteşti această sumă preţ, aceiaşi întrebare este pusă mai multor indivizi
utilizând diferite sume sau preţuri. Răspunsurile da-nu obţinute sunt prelucrate
prin producerea unei distribuţii a frecvenţei lor, după care se poate evalua
valoarea medie a sumei sau preţului
• Jocul de opţiune:
Se cere unui individ să considere două bunuri: unul este o sumă de bani
considerată ca un cadou, iar altul este un atribut al mediului ( exemplu calitatea
apei din lacul local). Individul trebuie să le ierarhizeze unele sub altele sau să-şi
exprime opţiunea pentru unul din cele două bunuri. Suma de bani este modificată
şi după o serie de comparaţii este posibil să se identifice punctul la care individul
doreşte să opteze pentru atributul de mediu pentru o sumă de bani. Acelaşi
exerciţiu poate include diferite atribute ale mediului, pentru a explora valori
comparative.
• Alegerea fără costuri:
Bazele teoretice ale evaluarii impactului de mediu
293
Metoda este asemănătoare cu precedenta numai că se înlocuieşte suma de bani
cu un bun familiar indivizilor din eşantion.
• Metoda de evaluare a priorităţilor:
Metoda este complexă, ea utilizează un număr de bunuri familiare împreună cu
atributele de mediu pentru a crea o piaţă pentru aceste bunuri, pentru care se
prevăd atribute de mediu în diferite cantităţi. Acesta pentru a stabili o piaţa cu
oportunităţi de cumpărare restrictive. Preţurile sunt fixate pentru bunuri şi atribute
în diferite cantităţi, individul este prevăzut cu sumă nominală de bani cu care
cumpără, fie bunuri, fie atribute. Scopul exerciţiului este să se modifice preţurile la
cumpărăturile disponibile până când nivelurile de preţ pentru fiecare cumpărătură
este la fel ca la celelalte cumpărături. Aşa ca atributele de mediu pot fi estimate.
B) Metoda ierarhizării contigentale
Acesta metoda este similară cu metoda valorii contigentale, însă scopul
studiului este de a stabili o ierarhie a preferinţelor şi care în diferite faze pot fi legate
de bunuri comerciale de către analist pentru a câştiga bani.
Metodele indirecte a)Abordarea de piaţă
În multe situaţii efectele impacturilor de mediu pot fi văzute ca un curent
descendent cu valoare de piaţă. Aceste informaţii pot fi utilizate pentru estimarea
unei valori monetare pentru impactul de mediu.
Există două tipuri de abordări: prima trebuie să identifice impacturile cu acele
bunuri care au preţ de piaţă şi să se calculeze costul impacturilor de mediu utilizând
acele valori (aşa numita abordare răspuns doză), a doua abordare o reprezintă
calculul costului restaurării,reparării sau înlocuiri bunurilor deteriorate ( abordare
cost reparare înlocuire).
Metoda abordare răspuns doză este simplă , ea poate fi aplicată cu uşurinţa
la orice resursă naturală la care rezultatul are o valoare de piaţă şi are definite
legături între activitate şi scăderea producţiei. De exemplu:o cultură cerealieră este
afectată de impactul de mediu cum ar fi poluarea. Costul producţiei pierdute poate fi
calculat utilizând preţul de piaţa al produsului, în acest mod poate fi apreciată
valoarea impactului de mediu.
PARTEA II – EVALUAREA IMPACTULUI ASUPRA MEDIULUI
294
Asemănător se poate aprecia costul impactului asupra sănătăţii populaţiei prin
aplicarea salariului zilelor de muncă pierdute, apreciază că acest cost este minim
deoarece nu ia în calcul copii, părinţii care îngrijesc copii, bătrânii la pensie. Acest
calcul nu ia în seama scăderea de productivitate datorită impactului asupra sănătăţii,
însă se poate aprecia luându-se în considerare creşterea cheltuielilor de sănătate .
Abordarea prin cost de reparare înlocuire estimează costurile bunurile
mediului stricate de activitatea umană, costurile referindu-se la muncă şi materiale,
iar aceste costuri pot fi utilizate la aprecierea costurilor impacturilor.
b)Abordare prin piaţă surogat
În cazul în care nu există bunuri şi servicii care să fie utilizate la aprecierea
impacturilor, se apelează la piaţa surogat prin care se rulează bunuri şi servicii care
interesează evaluarea impacturilor.
Abordarea prin cheltuieli defensive
Costul impactului se stabileşte ca suma ce ar fi plătită pentru a diminua sau
elimina efectele negative. În general, costurile stabilite sunt costuri agregate pentru
mai multe măsuri de reducere a efectelor negative.
Costuri de realocare.
Această metodă calculează costul mutării facilităţilor, parţial sau în întregime
pentru a elimina efectele adverse ale proiectului de dezvoltare. Exemplu mutarea
unui sat din cauza unui lac artificial, costul este complex deoarece trebuie să
acopere cheltuielile cu pământul, materiale , transport, dar şi alte componente
intangibile cum ar fi pierderea structurii comunităţii, întreruperea culturală şi efectele
psihologice asupra sănătăţii.
Metoda costului călătoriei
Este o metodă aplicată de economişti din domeniul mediului pentru evaluarea
bunurilor din parcurile naţionale, situri arheologice, facilităţi de recreare şi la care nu
se percepe taxă de intrare. Conceptul se bazează pe ideea ca facilităţile pot fi
estimate prin costurile pe care indivizii doresc să le plătească călătorind până la
facilitate. Metoda este scumpă în termeni de timp şi resurse.
Metoda preţului hedonic
Se bazează pe faptul că bunurile de mediu vor influenţa preţul de piaţă al
bunurilor asociate. Principala sarcină este să se găsească componentele de preţ ale
bunurilor vândute pe piaţă şi care pot fi atribuite bunurilor de mediu şi care de
Bazele teoretice ale evaluarii impactului de mediu
295
asemenea pot fi utilizate pentru a evalua efectele schimbărilor bunurilor de mediu
datorate proiectelor de dezvoltare. Metoda este complexă, utilizează un număr de
analize statistice ca să se izoleze contribuţia individuală a bunurilor de mediu.
11.5.2. Metode de evaluare nemonetare
11.5.2.1. Metodele de evaluare tehnico-ştiinţifică
Evaluarea ştiinţifică se poate realiza prin metodele de cântărire – ponderare.
Metodele cântărire – ponderare pentru evaluarea informaţiilor despre impacturile de
mediu şi luarea deciziilor sunt de fapt aplicaţii ale metodelor multicriteriale Abordarea multicriterială clasică presupune:
• Fixarea alternativelor propuse, fiecare caracterizate de atribute proprii;
• Greutatea poate fi utilizata de factorul de decizie ca un criteriu de valoare;
• Fiecărei alternative atributele îi sunt înmulţite cu greutatea;
Informaţiile sunt utilizate să se compare alternativele. Cea mai simpla regulă
de decizie este să se adune atributele fiecărei alternative şi să se selecteze
alternativa cu cel mai mic total
Pentru a înţelege metodele dezvoltate pentru a fi folosite în evaluarea
impactului de mediu trebuie să se ia în considerare trei paşi utilizaţi în metodologia
de evaluare: cântărire/măsurare (scaling), ponderare (weighting), şi regula deciziei.
a)Cântărirea În procesul de evaluare a impacturilor de mediu intervin o multitudine de date
privind informaţii cantitative asupra proceselor şi sistemelor. Produsul final este o
cantitate mare de date rezultate în urma măsurătorilor care sunt prezentate într-o
largă varietate de unităţi de măsură. În aceste condiţii este dificil pentru public şi
factorii de decizie să interpreteze importanţa diferitelor nivele a diferitelor variabile şi
să compare alternativele propuse. Pentru a evita acest lucru este nevoie de a stabili
o bază comună obţinută prin care convertirea tuturor măsurătorile cuantificabile,
acest proces este cunoscut drept cântărire. O serie de cercetători au sugerat că energia poate fi folosită monedă surogat
pentru evaluarea impacturilor de mediu. Aplicaţiile ulterioare au arătat că o serie de
PARTEA II – EVALUAREA IMPACTULUI ASUPRA MEDIULUI
296
procese biofizice pot fi apreciate în termeni energetici în timp ce procesele sociale şi
culturale nu pot fi caracterizate în acelaşi mod.
Pentru a rezolva problema au fost dezvoltate alte două metode :
• Metoda calităţii mediului;
• Metoda utilităţii.
Ambele metode stabilesc o bază comună metrică ori o baza de măsurare prin
care fiecărei variabile sau atribut utilizat pentru caracterizarea variantelor este
dezvoltată o funcţie prin care evaluatorul transformă un impact specific în unităţi
metrice comune.
În cazul metodei calităţii mediului unităţile sunt în general pe o scală de la 0 la
1, funcţia de conversie fiind dezvoltată de un grup de specialişti din domeniul
variabilei luate în considerare.
Metoda utilităţii foloseşte funcţii de conversie similare metodei anterioare în
care locul unităţilor metrice sunt „utilităţi”. Teoria utilităţii cu atribute multiple se
bazează pe cât factorul de decizie consideră să fie preferat un anumit nivel pentru un
atribut al unei activităţi propuse. În procesul de evaluare a impactului de mediu
funcţia de conversie este stabilită de specialiştii de mediu în acelaşi mod ca şi
funcţiile de calitate.
b) Ponderare Ponderarea este pasul prin care se realizează distincţia dintre atributele
impactului de mediu.
O metodă simplă este ca fiecărui atribut să i se acorde un notă, utilizând o
scală numerică simplă, cum ar fi de la 0 la 10 sau de la 0 la100.
O altă metodă prin care se poate realiza ponderarea o constituie analiza
regresiei multiple.
c) Regula deciziei S-au dezvoltat o multitudine de metode pentru a stabili o bază pentru a
selecta alternativa cu cele mai bune caracteristici.
Una din regulile cele mai simple şi utilizate o constituie metoda adunării simple
ponderilor, cunoscută ca “suma ponderală”. Regula este să se aleagă opţiunea sau
alternativa care produce cea mai mare sau cea mai mică sumă (în funcţie de
Bazele teoretice ale evaluarii impactului de mediu
297
procedura aleasă) pentru care toate atributele au fost multiplicate cu ponderea
corespunzătoare şi însumate. Metoda presupune că atributele sunt independente
unele de altele şi modelul sumativ este aplicabil.
În cazul impacturilor de mediu atributele sunt în general interdependente într-
un sistem de caracteristici biofizici şi sociali. În acest caz de asemenea se presupune
ca ponderile sunt independente de mărimea impactului şi de mărimea altor impacturi.
11.5.2.2. Metodele de evaluare socio-economice
Abordările tehnico-ştiinţifice cantitative bazate sau nu pe criteriul monetar sunt
criticate deoarece o evaluările impacturilor de mediu realizate trebuie să fie mai
eficiente decât sunt prezentate. Se solicită o mai consistentă prelucrare a
informaţiilor privind impacturile de mediu care afectează grupuri umane sau indivizi la
luarea deciziilor. În fapt se solicită o strategie prin care să se echilibreze balanţa, pe
de o parte, între metodele tehnice de evaluare şi pe de altă parte între metodele de
detaliu. Acesta presupune utilizarea mecanismelor sociale prin implicarea publicului,
grupurilor de interese ca metode socio-ştiinţifice.
În procesul de evaluarea a impacturilor de mediu se pot aplica metode sociale
care conduc la rezultate pertinente tot atât de bine ca şi metodele tehnice.
Aceste metode sunt:
• Metoda SAGE;
• Metoda de evaluare panel;
Metoda SAGE Metoda SAGE ( Social judgement capturing, Adaptive Goal achievment
Environmental assessment) a fost dezvoltată ca răspuns la slăbiciunile metodei de
evaluare multicriteriale. Această metodă are scopul de a realiza un proces de
evaluare flexibil care să ia în considerare atât faptele cât şi valorile şi asigură că
valorile aduse proces au fost reprezentative părţilor afectate.
Metoda presupune patru faze:
1. Previziunea efectelor, acesta fază se realizează după algoritmul clasic;
2. Cântărirea atributelor în profit (câştig). Acesta fază presupune separarea
atributelor în grupuri care vor reflecta anumite obiective pentru factorii de
decizie (ex. maximizarea eficienţei economice). Atributele cu valoare
PARTEA II – EVALUAREA IMPACTULUI ASUPRA MEDIULUI
298
monetară sunt grupate într-un grup de profit (câştig) cărei i se stabileşte
valoarea. Celelalte atribute sunt grupate pe grupe de profit ( ex. calitatea
mediului, accesibilitatea publicului la servicii). Atributele sunt cântărite utilizând
metodele prezentate, mărimea impacturilor este convertită pe o scală de la 0
la 1, şi atunci ponderea (numită în SAGE coeficient relativ de importanţă) este
calculată utilizând procedura ierarhizării prin comparaţii pereche (pair-wise
ranking procedure) Cântărirea şi ponderarea se realizează în interiorul
grupului de profit şi este făcut de experţii din domeniu. În acesta fază se
realizează o ierarhizare a alternativelor în interiorul fiecărui grup de profit.
3. Identificarea ponderii sau preferinţelor care sunt considerate ca afectând
indivizii sau grupurile în relaţie cu grupurile de profit. Metoda se bazează pe
teoria judecăţii sociale. Reprezentanţi provenind din grupurile afectate propun
o serie alternative, fiecare descrise în termenii contribuţiei la fiecare obiectiv
principal de luare a deciziei ( la diferite grupuri de profit). Alternativele propuse
în mod deliberat sunt formulate ca prezentând contribuţii slabe, medii sau
puternice la fiecare obiectiv pentru a realiza variate combinaţii de alternative.
Reprezentanţii ierarhizează alternativele în concordanţă cu preferinţele lor
utilizând o scală de la 0 la 100. Analize de regresie multiple sunt utilizate
pentru a analiza ierarhizarea fiecărui reprezentant. Valorile dependente sunt
distribuite ierarhizat alternativelor (de la 0 la100), valorile independente sunt
contribuţii numerice la obiectivele alternativelor măsurate pe o scală potrivită
(ex. valoare monetară pentru impacturi economice, valori de la 0 la 1 pentru
impacturi nemonetare). Scala de unităţi este definită înainte de efectuare
analizei. Coeficienţii de regresie generaţi prin analiză va arăta importanţa
reprezentanţilor desemnaţi pentru a ierarhiza un anumit obiectiv specific, iar
aceştia vor fi valorile de ponderare pentru reprezentantul respectiv. În
consecinţă în faza treia se realizează o analiză pentru a stabili valoare
ponderii acordate de grupurile de interese pentru luarea deciziei asupra unor
obiective ale alternativelor propuse, factorii de decizie vor identifica nevoile
printre obiectivele propuse pentru a satisface diverse grupuri de interese.
4. Întocmirea raportului cu concluzii pentru factorii de decizie. Acesta va cuprinde
o parte care va descrie valorile de ponderare şi cum trebuie să fie interpretate.
De asemenea în această parte se mai pot include mai multe informaţii care
Bazele teoretice ale evaluarii impactului de mediu
299
privesc investigarea şi calcularea ponderilor. Sunt interesante atât variaţiile
ponderilor în interiorul grupurilor de interese cât şi variaţiile între grupuri.
Metoda de evaluare panel
Metoda de evaluare panel a fost dezvoltată din necesitatea de a uşura luarea
deciziilor în alocarea resurselor unde se lucrează cu o multitudine de incertitudini
privind posibilele impacturi şi unde este dificil să se colecteze informaţiile publicului
asupra importanţei impacturilor precum şi meritul social al activităţilor propuse.
Obiectivele metodei sunt:
• Să identifice şi să se definească orice impact posibil precum şi orice parte
afectată;
• Să se realizeze judecăţi de valoare explicite într-o formă cantitativă;
• Să se identifice ce mai potrivită propunere prin utilizarea diferitelor criterii de
evaluare.
Aplicarea metodei de evaluare panel presupune parcurgerea a trei faze:
1. Definirea şi identificarea impacturilor;
2. Măsurarea importanţei;
3. Stabilirea criteriilor.
1. Definirea şi identificarea impacturilor
În această fază fiecărui membru al panelului i se dau informaţii despre
propunere, date despre condiţiile de mediu şi se vizitează locul prevăzut pentru
implementarea proiectului propus.
Fiecare membru separat şi anonim va întocmi două liste cu impacturile pe
care le identifică ca fiind posibile ( lista impacturilor nefavorabile, lista impacturilor
folositoare).
Aceste liste se predau coordonatorului activităţii de evaluare. Coordonatorul ia
toate listele cu impacturi nefavorabile şi împreună cu grupurile în legătură cu
impacturile definesc impacturile în termenii rezultatelor asupra stării sociale, lista
rezultată este recirculată şi comentată. Acelaşi proces îl suportă şi listele cu
impacturile folositoare.
PARTEA II – EVALUAREA IMPACTULUI ASUPRA MEDIULUI
300
Rezultatul final îl constituie două liste a impacturilor care prevăd termenii de referinţă
pe baza cărora specialiştii vor realiza investigaţii şi vor întocmi raportul de impact
care va fi prezentat membrilor panelului înainte de începerea celei de a doua faze.
2. Măsurarea importanţei
Pentru a se evalua importanţa socială a impacturilor previzionate membrii
panelului parcurg trei stadii:
Stadiul 1: fiecare membru al panelului notează importanţa impacturilor individuale pe
o scală de la 1 (foarte neimportant) la 7 (foarte important) într-un formular special
pregătit. Acest procedeu se aplică celor două liste separate : lista impacturilor
nefavorabile şi lista impacturilor folositoare. Pentru a realiza o judecată asupra
importanţei, membrilor panelului li se solicită să reflecte cum o comunitate mai largă
trebuie să privească impactul, în consecinţă să reprezinte un mai larg interes al
comunităţii. Utilizând procedeul Delphi se realizează notarea fiecărui impact de către
întregul panel, această notare este reprezentată într-o histogramă care va circula la
membrii panelului pentru comentarii. Un membru din panel la care propria notare
este pronunţat diferită de ceilalţi membrii ai panelului poate solicita coordonatorului
mai multe informaţii despre impact. Atunci membrii panelului repeta ierarhizarea
impacturilor şi procesul continuă până nu mai există mai multe convergenţe în
notare.
Stadiul 2: Fiecare membru al panelului notează impacturile pe baza notării
importanţei care a fost realizată în faza precedentă.
Stadiul 3:Fiecare membru al panelului imaginează ponderi pentru a indica importanţa
socială a fiecărui impact existent în cele două liste.
Pentru a realiza o prelucrare a ponderilor acordate de membrii panelului intr-o
mărime compozită se recomandă următoarea procedură:
a. Membrii panelului alocă nota zero sau o pondere fiecărui impact notat la
limita inferioară a listei considerat ca neavând o importanţă reală pentru
comunitate. Pentru celelalte impacturi considerate cu impact scăzut care totuşi
au importanţă se atribuie nota10 şi constituie punctul de plecare pentru
notarea celorlalte.
b. Realizarea listei de impacturi notate. Membrii panelului acordă note
celorlalte impacturi indicând raportul importanţei lor cu impactul considerat ca
Bazele teoretice ale evaluarii impactului de mediu
301
punct de plecare ( ex. un impact considerat de patru ori mai important i se va
acorda nota 40).
Notele sunt revizuite pe parcurs şi se realizează ajustările necesare de către
membrii panelului până când ei vor fi satisfăcuţi comparativ cu nota finală
fixată.
c. Procesul de ponderare este aplicat ambelor liste de impact şi impacturile
considerate ca puncte de plecare din cele două liste sunt comparate. În cazul
în care membrii panelului nu le găsesc o importanţă egală, nota care reflectă o
importanţă mai scăzută este ajustată în sensul creşterii importanţei la un nivel
acceptabil. În acest caz celelalte note din lista în care s-a realizat ajustarea
sunt crescute în acelaşi raport pentru a păstra consecvenţa notării. Procentul
mediul al ponderii impacturilor nefavorabile şi folositoare servesc factorilor de
decizie ca indicator precis a preferinţelor unui grup de oameni bine structurat
care poate fi considerat reprezentativ pentru comunitate.
Bibliografie [1] Bruton, M.J. Introduction to transportation planning. London UCL Press.1985
[2] Glasson, J. Methods of EIA. London UCL Press.1995
[3] Glasson, J and al. Introduction to Environmental Impact assessment. London
UCL Press.1999
[4] Morgan, R., Environment Impact Assessment .Kluwer. Academic Publisher.
ISBN 0-412-72990-3
[5] Street, E., planning and Environmental Impact Assessment in Practice.
Logman Scientific and Technical, Harlow. 1997.
[6] Wood, C., Environment impact assessment: a comparative review. Logman
Scientific and Technical, Harlow. 1995.
[7] Weston,J Planning and Environmental impact assessment in practice. Logman
Scientific and Technical, Harlow. 1997.
PARTEA II – EVALUAREA IMPACTULUI ASUPRA MEDIULUI
302
Autori: Corneliu COFARU
Daniela FLOREA
12. ELEMENTELE STUDIULUI PRIVIND EVALUAREA IMPACTULUI DATORAT TRAFICULUI RUTIER
12.1. ORGANIZAREA STUDIILOR DE MEDIU LA NIVELUL TRANSPORTULUI RUTIER Studiile de mediu fac parte din studiile tehnice care însoţesc proiectele
realizării infrastructurilor rutiere şi care pot fi împărţite în două clase: autostrăzi
concesionate şi reţeaua rutieră naţională neconcesionată.
Pentru aceste două categorii se organizează diferite nivele de studii de mediu.
12.1.1. Autostrăzi concesionate Tabelul 12.1 Caracteristicile organizării EIA pe străzi concesionate
Nivelul 1 Studii preliminare
Cuprinsului anteproiectului
Aceste studii fixează opţiunile majore din domeniul mediului şi permit definirea caietului de sarcini al anteproiectului sau al operaţiilor de despăgubire.
Nivelul 2 Cuprinsul anteproiectului , Dosar de aglomerare serviciului de drumuri
Studiile de mediu servesc ca bază la redactarea studiului de impact. Obiectivul principal al documentului este de a pregăti ancheta prealabilă declaraţiei utilităţii publice.
Declaraţia utilităţii publice
Nivelul 3 Anteproiectul autostrăzii Acest dosar este întocmit sub responsabilitatea societăţii concesionare. El defineşte cu precizie caracteristicile proiectului şi a modalităţii de implantare a acestuia.
12.1.2. Străzi naţionale neconcesionate
Tabelul 4.2. Caracteristicile organizării EIA pe străzi neconcesionate
Nivelul 1 Studii preliminare Aceste studii fixează opţiunile majore de amenajare rutieră şi integrează
Elementele studiului de impact datorat traficului rutier
303
elementele majore în domeniul mediului şi amenajării teritoriului.
Nivelul 2 Cuprinsul anteproiectului Aceste studii au ca principal obiectiv pregătirea anchetei prealabile declaraţiei de utilitate publică sau înscrierea în documentele de urbanism. Aceste studii conţin toate elementele studiului de impact.
Declaraţia de utilitate publică
Nivelul 3 Studiile de proiect Definesc de o manieră precisă toate lucrările care se vor desfăşura, costurile pe care le implică, angajarea achiziţiilor funciare şi pregăteşte dosarele pentru consultarea antreprizelor.
12.1.3. Elementele studiilor preliminare
12.1.3.1. Principii
Studiile de mediu din fazele preliminare constituie primul nivel al studiilor
tehnice în vederea realizării unui proiect şi trebuie să se realizeze pe următoarele
principii: continuitate, progresivitate, selectivitate şi dezvoltare durabilă.
Continuitate – Poluarea atmosferică trebuie să fie luată în considerare pe parcursul
desfăşurării diferitelor faze ale studiilor proiectului.
Progresivitate – Pe măsura dezvoltării studiilor, datele acumulate trebuie să fie
desăvârşite independent de natura proiectului şi de aria geografică la care se
raportează. Studiile preliminare trebuie înainte de toate să identifice prezenţa
puternicelor mize sau zonele delicate în raport cu calitatea aerului în zona de studiu
şi care să facă posibilă o analiză mai precisă într-o fază ulterioară.
Selectivitate – Culegerea de date corespunzător acestei prime faze poate fi cu
dificultate selectivă. De aceea trebuie să se încerce să fie cât mai exhaustive pentru
ca în faza următoare selectivitatea să fie mai pertinentă.
Principiul precauţiei şi dezvoltarea durabilă – Ca în toate cazurile când se tratează
nocivitatea vieţii moderne urbane şi poluarea, aceste studii trebuie să se guverneze
după principiul precauţiei. Dezvoltarea durabilă, concept prin care se urmăreşte
PARTEA II – EVALUAREA IMPACTULUI ASUPRA MEDIULUI
304
conservarea resurselor pentru generaţiile viitoare, are în obiectiv pentru luarea
deciziei de dezvoltare rutieră stabilirea cu precizie a tuturor riscurilor grave sau
ireversibile şi a posibilităţilor de diminuare şi eliminare iar tratarea acestor cauze
trebuie efectuată ca şi în cazul incertitudinii ştiinţifice.
12.1.3.2. Sursele de date şi culegerea datelor
În general, toate demersurile în aceste studii trebuie să privească zonele unde
poluarea atmosferică reprezintă o miză puternică pentru sănătatea publică sau
pentru mediul natural iar pentru aceasta pot fi folosite datele disponibile ale diferitelor
organisme, acestea la rândul lor putând fi desfăşurate într-un detaliu utilizabil :
• Definirea suprafeţelor sectoarelor sensibile, repartiţia construcţiilor folosind
planurile de urbanism şi eventual tipologia clădirilor sensibile.
• Localizarea echipamentelor şi spaţiilor sensibile, natura folosirii, frecvenţa şi
constrângerile particulare. Anumite echipamente, prin folosirea lor au o
puternică influenţă asupra calităţii aerului mai ales dacă în apropiere există
şcoli, centre medicale, case de recuperare, spaţii sportive şi culturale.
• Identificarea în spaţiul urban şi interurban a zonelor protejate: culturi supuse
riscurilor la poluare, agricultură biologică.
• Determinarea calităţii aerului. Identificarea principalelor surse emitente
(industriale sau rutiere) şi natura emisiilor nocive.
• Identificarea principalelor caracteristici topografice şi climatice (topografia
generală, vânturi dominante, temperatura medie).
Datele utilizate pentru a analiza poluarea atmosferică la alte obiective aflate în
aceeaşi zonă pot fi utilizate pentru a se evita investigarea dublă.
12.1.3.3. Prelucrarea datelor
Toate datele acumulate sunt prelucrate şi analizate pentru a elimina sau limita
riscurile previzibile asupra poluării mediului.
Studiul poluării atmosferice pentru faza iniţială trebuie să conţină un inventar
al poluanţilor şi al consumului energetic legat de transportul rutier. Datele pot fi
completate prin măsurări în teren (măsurarea poluanţilor gazoşi sau a poluanţilor în
sol) şi de asemenea se poate realiza o modelare matematică a dispersiei poluanţilor.
Elementele studiului de impact datorat traficului rutier
305
12.1.3.4. Aria geografică de studiu
a) Zona urbană
Alegerea ariei de studiu (sau perimetrul de studiu) asupra căruia se evaluează
impactul proiectului asupra mediului este pentru conducătorul lucrării o etapă
importantă care condiţionează analizele şi deci, şi rezultatele.
Aria de studiu nu este unică şi ea variază în funcţie de tema de mediu
abordată.
Emisiile poluante în atmosferă sunt generate de traficul rutier. Impactul unui
proiect de infrastructură rutieră se va măsura deci peste tot unde proiectul
antrenează modificări sensibile ale traficului în plus sau în minus.
Aria geografică de studiu se delimitează prin ansamblul axelor rutiere în care
traficul se modifică cu ±10% ca urmare a realizării proiectului. Această modificare de
trafic se apreciază evaluând situaţia la un anumit orizont fără implementarea
proiectului şi situaţia la acelaşi orizont cu realizarea proiectului atât la orele de vârf
cât şi pentru ore de trafic mediu.
Modelele de trafic urban permit compararea diferitelor scenarii şi variante.
Banda de studiu considerată sub influenţa poluanţilor gazoşi emişi de traficul
rutier (de o parte şi de alta a axului infrastructurii rutiere) este fixată la :
- 300 m – pentru un drum cu mai mult de 5000 vehicule / oră
- 200 m – pentru un trafic cuprins intre 2500 – 5000 vehicule / oră
- 100 m – pentru un trafic inferior a 2500 vehicule / oră
Pentru poluarea cu metale grele a solului şi vegetaţiei, lărgimea benzii de
studiu de o parte şi de alta a axului infrastructurii este de 50 m, la un trafic inferior a
5000 vehicule / oră sau de 100 m la un trafic superior a 5000 vehicule / oră.
b) Zona interurbană
Proiectele de infrastructură interurbană pot fi de la o simplă amenajare a unei
şosele la o autostradă pe un traseu nou, putând să afecteze traficul la nivel regional
şi naţional. În funcţie de impactul care se doreşte a fi studiat, se disting două
categorii de studii.
Pentru analiza costurilor colective ale nocivităţii şi poluării, analiza avantajelor
induse şi evaluarea consumurilor energetice rezultând din exploatarea proiectului
studiul întocmit trebuie să fie cât mai larg posibil şi trebuie să cuprindă ca şi pentru
zona urbană toată reţeaua rutieră care cunoaşte un plus al traficului de 10%.
PARTEA II – EVALUAREA IMPACTULUI ASUPRA MEDIULUI
306
Pentru analiza impactului asupra calităţii aerului şi efectelor asupra mediului
înconjurător, aria de studiu trebuie redusă la o bandă în jurul infrastructurii rutiere noi
sau nou amenajate. Lungimea acestei bande de studiu trebuie să acopere ansamblul
proiectului interurban şi această lungime va fi modulată în funcţie de poluarea
studiată.
Banda supusă studiului considerată sub influenţa poluanţilor gazoşi emişi de
trafic (de o parte şi de alta a axului infrastructurii rutiere) este :
- 300 m pentru un drum cu un trafic mai mare de 50000 vehicule / zi
- 200 m pentru un drum cu un trafic cuprins între 25000 şi 50000
vehicule / zi
- 100 m pentru un drum cu un trafic inferior la 25000 vehicule / zi
Lărgimea benzii studiate de o parte şi de alta a axei infrastructurii pentru
poluarea cu metale grele este de 100 m la un trafic superior la 50000 vehicule / zi şi
50 m pentru un trafic inferior la 50000 vehicule / zi.
12.2 CONŢINUTUL STUDIULUI DE MEDIU ÎN CAZUL INFRASTRUCTURII
RUTIERE
Conţinutul studiului este condiţionat de următoarele criterii :
- traficul mediu zilnic;
- clasificarea sonoră a viitoarei infrastructuri;
- în zona urbană, traficul la ora de vârf.
Tabelul 12.3 Clasificarea infrastructurii şi studiului în funcţie de traficul rutier
Clasificarea sonoră a
infrastructurii
Vehicule unitare / oră Oră de vârf (în ambele sensuri)
Vehicule / zi (ambele sensuri)
Tip studiu Lărgimea de
studiu
1 > 5000 > 50000 I 300
2 ≤ 5000 ≤ 50000 II 200
3 ≤ 2500 ≤ 25000 III 100
4, 5 ≤ 1000 ≤ 10000 IV 100
Elementele studiului de impact datorat traficului rutier
307
Conţinutul studiului pentru diferitele tipuri se prezintă în modul următor:
12.2.1. Studiul de tip I 1. Estimarea emisiilor principalilor poluanţi şi consumul energetic la nivelul ariei
de studiu;
2. Estimarea concentraţiilor în banda de studiu;
3. Analiza costurilor colective ale nocivităţii poluării şi a avantajelor induse de
proiect colectivităţii;
4. Studiu detaliat asupra sănătăţii cu comparaţii ale calităţii aerului;
5. Studiu al efectelor asupra vegetaţiei şi solului;
6. Studiu privind instalarea capturilor pentru reţeaua de monitorizare a emisiilor
datorate traficului rutier.
12.2.2. Studiul de tip II 1. Estimarea emisiilor principalilor poluanţi şi a consumului energetic la nivelul
ariei de studiu;
2. Estimarea simplă a concentraţiilor poluanţilor la nivelul bandei de studiu;
3. Analiza costurilor colective ale nocivităţii poluării şi avantajele induse de
proiect asupra colectivităţii;
4. Studiu simplificat asupra efectelor asupra sănătăţii;
5. Studiu simplu asupra efectelor poluării asupra vegetaţiei şi solului.
12.2.3. Studiul de tip III 1. Estimarea emisiei principalilor poluanţi şi a consumului energetic la nivelul
ariei de studiu;
2. Analiza costurilor colective ale nocivităţii poluării şi a avantajelor induse de
infrastructură asupra colectivităţii;
3. Trecerea în revistă a efectelor asupra sănătăţii;
4. Trecerea în revistă a efectelor asupra vegetaţiei şi solului.
12.2.4. Studiul de tip IV 1. Estimarea emisiei principalilor poluanţi şi a consumului energetic la nivelul
ariei de studiu;
2. Analiza costurilor colective şi a avantajelor induse de proiect;
3. Informaţii asupra poluării atmosferice şi efectelor sale asupra sănătăţii.
PARTEA II – EVALUAREA IMPACTULUI ASUPRA MEDIULUI
308
12.3. CAZURI SPECIFICE
12.3.1. Configuraţia de excepţie a reţelei rutiere urbane Există în zona urbană cazuri de implantare particulare a reţelei rutiere cum ar
fi: străzi în formă de “U”, capete de tunel, lucrări subterane sau cămine de eliminare
a aerului viciat din tunele, străzi supraînălţate la nivelul ferestrelor sau existenţa în
apropierea străzilor a unităţilor cu populaţie sensibilă (creşe, şcoli, spitale sau case
de bătrâni).
În acest caz, studiile de impact trebuie să cuprindă rezultatele simulării
dispersiei poluanţilor şi efectele acestor poluanţi asupra sănătăţii.
12.3.2. Cazul unor lucrări de anvergură În cazul unor lucrări importante care afectează reţeaua rutieră şi traficul rutier
într-o aglomerare urbană, mai multe aglomerări urbane sau între mai multe
aglomerări urbane, studiul de impact trebuie realizat la scară regională şi în funcţie
de specific, să trateze prin modelare, posibilitatea de apariţie a ploilor acide sau
poluării fotochimice.
12.3.3. Cazul amenajărilor la străzi existente În cazul executării de lucrări de amenajare a unei străzi existente (lărgiri,
optimizare a intersecţiilor), studiile de impact pot să se limiteze la o comparaţie a
emisiilor şi a consumurilor energetice, completate cu măsuri de diminuare a poluării
de proximitate. Aplicarea relaţiilor de calcul permite obţinerea concentraţiilor
poluanţilor care vor fi monitorizate după terminarea lucrărilor.
12.3.4. Cazul existenţei culturilor agricole alimentare lângă infrastructura rutieră În acest caz, studiul trebuie să evidenţieze efectele poluării datorate
infrastructurii, proiectate asupra solului şi culturilor (la nivelul cunoştinţelor ştiinţifice).
Elementele studiului de impact datorat traficului rutier
309
12.4. MODELAREA EMISIILOR POLUANTE
12.4.1. Modelarea traficului rutier Previziunile traficului rutier trebuie să fie făcute în mod separat pentru mediul
urban şi mediul interurban.
12.4.1.1. În mediul urban
Toate lucrările efectuate în timp au avut ca scop gestionarea saturaţiei
periodice a reţelei stradale pentru a se evita blocajele. Aceste perioade vulnerabile
din punctul saturării traficului sunt: ora de vârf de dimineaţă (OVD) şi ora de vârf de
seară (OVS). Metodologiile de previziune dezvoltate în ultimii ani au abordat aceste
ore de vârf ale traficului, care au prezentat densităţi maxime de trafic. Pentru a
realiza studiile, autovehiculele sunt aduse la vehicule etalon (V.E), la care orice alt
vehicul (motocicletă, autobuz, autocamion) este adus la vehiculul etalon (k*V.E).
Coeficientul de echivalare k ţine seama de categoria autovehiculului care circulă în
mediul urban.
Studiile şi modelarea traficului rutier în mediu sunt evaluate pentru o zi din
săptămână exceptând zilele de weekend, pentru o oră de vârf (de preferat ora de
vârf de ele mai cunoscute modele de trafic urban sunt: “Trips”, “Minutip”, “Polydrom”,
“Davisum”, “Emme 2”.
12.4.1.2. În mediul interurban În mediul interurban, preocupările şi obiectivele privind traficul rutier sunt
centrate pe buna funcţionare a reţelelor stradale, atât în perioadele normale cât şi în
perioadele de nivel maxim al traficului.
Pe infrastructura rutieră interurbană, perioadele în care fluxul rutier este la
saturaţie sunt numeroase şi privesc zilele de weekend şi de vacanţă.
Metodele de previzionare a traficului rutier interurban privesc media anuală
zilnică a traficului.
Ca şi în mediul urban, traficul vehiculelor grele reprezintă un factor important
în decizia oportunităţii, eficacităţii şi interesului amenajării infrastructurilor rutiere.
Cele mai cunoscute modele de trafic interurban sunt “Ariane” şi “Sami”.
PARTEA II – EVALUAREA IMPACTULUI ASUPRA MEDIULUI
310
12.4.2. Limitele şi adaptarea modelelor de trafic Previziunile pe termen mediu ale traficului rutier depind de numeroase ipoteze
economice, sociale, demografice şi de oferta de transport în funcţie de condiţiile
infrastructurii rutiere. În aceste condiţii, previziunile de trafic rutier sunt dificile şi nu
pot reprezenta o situaţie perfectă pentru orizontul studiat. Însă, aceste studii au rolul
de a pune în discuţia actorilor implicaţi datele privind o evoluţie posibilă.
Studiile de trafic furnizează date privind fluxul şi viteza de croazieră a
vehiculelor şi ele servesc ca bază pentru a susţine o multitudine de aspecte ale
proiectului de infrastructură, asigurându-i totodată coerenţa necesară.
Pentru a obţine toate datele necesare întocmirii unui studiu privind calitatea
aerului, trebuie să se stabilească o corespondenţă între informaţiile brute ale
modelului, bazate pe ora de vârf şi datele despre traficul oră cu oră pentru a obţine
traficul total în 24 ore ale unei zile lucrătoare din săptămână.
Culegerea datelor despre trafic se realizează prin observaţii directe, în mediul
pentru care se realizează studiul sau din baza de date a unor situri similare. Aceste
date trebuie să evidenţieze caracteristicile traficului, evidenţiind vehiculele uşoare,
vehiculele grele şi tipul infrastructurii rutiere.
La stabilirea modelului trebuie să se ia în considerare punctele singulare cum
ar fi : şcoli, spitale, centre comerciale.
12.4.2.1. Tipurile de autovehicule aflate în trafic
I - Traficul vehiculelor uşoare Categoria vehiculelor uşoare cuprinde vehiculele cu greutate totală mai mică
de 3,5 t şi poate fi divizată în două sub categorii :
- vehiculele uşoare personale;
- vehiculele uşoare utilitare.
Aceste două sub categorii se comportă diferit din punctul de vedere al
emisiilor poluante. Caracteristicile specifice de trafic ale vehiculelor uşoare utilitare
sunt puţin cunoscute şi de aceea în studiile de impact se consideră o singură
categorie, “vehicule uşoare” (VU).
Pentru calculul emisiunilor şi consumului energetic se utilizează în general
chei de repartiţie standard stabilite la nivel naţional între vehiculele uşoare personale
şi vehiculele uşoare utilitare.
Elementele studiului de impact datorat traficului rutier
311
II - Traficul vehiculelor grele La efectuarea studiilor de impact al infrastructurii interurbane se porneşte de
la datele prezente şi previzionale ale mediei anuale zilnice a traficului şi având ca
ipoteză creşterea traficului pe orizontul de studiu.
În mediul urban traficul de mărfuri este mai puţin cunoscut iar studiile de trafic
trebuie să stabilească fluxurile de mărfuri şi parcursul vehiculelor utilitare (uşoare şi
grele) luând în calcul următoarele mărimi : traficul mediu zilnic, traficul de mărfuri la
ora de vârf de dimineaţă şi traficul la ora de vârf de seară al vehiculelor grele.
12.4.2.2. Orizontul studiului
Orizontul studiilor privind traficul rutier trebuie să fie pe cât posibil realizat pe
durata de viaţă tehnică a infrastructurii rutiere. Însă dificultăţile de analiză prospectivă
a traficului şi a nivelelor viitoare ale emisiunilor poluante limitează orizontul studiilor
de trafic şi de impact la o durată inferioară duratei de viaţă a infrastructurii rutiere.
Ştiut fiind ca fluctuaţiile activităţilor economice influenţează puternic cererea de
transport şi aceste fluctuaţii sunt greu de previzionat, previziunile de trafic pe termen
mediu (5 – 10 ani) vor indica tendinţele pe termen lung.
Se apreciază faptul că datorită îmbunătăţirilor tehnologice, creşterea traficului
rutier să nu determine o creştere a emisiilor poluante iar impactul maxim asupra
mediului ambiant să nu coincidă cu traficul maxim.
Este important ca studiile de impact să aibă acelaşi orizont ca şi studiile de
simulare a previziunilor traficului rutier.
Pentru reţelele stradale naţionale orizontul studiului poate fi de 20 ani.
12.4.2.3. Influenţa emisiilor datorate traficului rutier
Emisiile diferitelor vehicule aflate în trafic sunt diferite şi sunt influenţate de:
- tipul vehiculului (vehicul uşor personal, vehicul uşor utilitar, vehicul
greu);
- tipul motorului (M.A.S sau M.A.C);
- vârsta vehiculului;
- cilindree;
- sistemul de tratare a gazelor de evacuare (catalizator cu 3 căi,
catalizator oxidant);
PARTEA II – EVALUAREA IMPACTULUI ASUPRA MEDIULUI
312
- compoziţia combustibilului (conţinut de plumb, sulf, benzen);
- sarcina autorizată a vehiculelor grele.
O serie de factori pot modifica emisiile poluante ale vehiculelor aflate în trafic,
cum ar fi:
- temperatura motorului şi a convertorului catalitic;
- declivitatea infrastructurii rutiere;
- temperatura mediului ambiant;
- sarcina îmbarcată în vehiculele utilitare.
Cuantificarea emisiilor unitare ale diferitelor vehicule prezente pe o
infrastructură rutieră poate fi realizată după metodologia europeană “Copert”.
12.4.2.4. Compoziţia parcului de autovehicule
Compoziţia parcului de autovehicule (uşoare şi grele) pentru diferitele
categorii de infrastructură rutieră este importantă pentru determinarea emisiilor
unitare medii. Aceasta permite repartiţia traficului rutier în clase omogene de vehicule
din punct de vedere al emisiilor poluante determinate de rata prezenţelor pe
infrastructură a fiecărei clase.
Compoziţia parcului de vehicule variază in fiecare an datorită intrării în
circulaţie a noi modele mai puţin poluante care utilizează noi tehnologii, introduse ca
răspuns la normele privind emisiile poluante, norme din ce în ce mai severe.
Repartiţia parcului de vehicule în clase tehnologice şi în funcţie de kilometrajul
parcurs de fiecare clasă, permite o ponderare corectă a factorilor emisiilor unitare în
funcţie de prezenţa în trafic a fiecărei clase.
12.4.3. Emisiile poluante datorate traficului rutier Cantitatea medie a unui poluant emis de traficul rutier se poate determina cu
relaţia:
Qi = Σ(Vkj*eij) (12.1)
unde :
i - reprezintă indicele poluantului studiat;
j - caracterizează clasa vehiculului;
Qi - reprezintă masa de poluant emisă de ansamblul vehiculelor ;
[grame] ;
Elementele studiului de impact datorat traficului rutier
313
Vkj - este distanţă parcursului cumulat de vehiculele din clasa “j”;
[vehicule * km];
eij - reprezintă factorul emisiei unitare caracteristice poluantului “i” de
vehiculele din clasa “j”; [g / km];
Factorul eij incorporează diferiţii factori de corecţie cum ar fi: temperatura
motorului, declivitatea infrastructurii, etc.
Emisia globală a poluanţilor este direct proporţională cu densitatea traficului şi
variază considerabil cu viteza medie de parcurs.
Legile de agregare a zgomotelor datorate traficului rutier sunt logaritmice în
contrast cu variaţia emisiilor poluante chimice.
Se remarcă faptul că în mediul urban emisiile poluante depind de starea
termică a motorului vehiculului deci, a lungimii medii a parcursului vehiculului pe
infrastructura studiată. În condiţiile în care infrastructura este subterană, emisiile
vehiculelor sunt diferite de cele constatate în aer liber, datorită condiţiilor specifice de
circulaţie.
La cuantificarea emisiilor datorate traficului rutier intervin o multitudine de
factori de influenţă, de unde rezultă o puternică incertitudine asupra valorilor
absolute. Pentru a elimina acest neajuns, în studiile de mediu este bine să se lucreze
cu comparaţii între scenarii sau variante şi nu cu valori absolute.
Procesul de evaluare a emisiilor poluante şi a consumului energetic trebuie
efectuat în două etape:
1. Pentru diferite orizonturi de studiu se compară emisiunile datorate traficului,
poluant cu poluant, cu starea de referinţă.
2. După stabilirea orizonturilor de studiu este posibil să se compare variantele
şi scenariile cu starea de referinţă sau între ele.
În urma procesului de evaluare a emisiilor poluante pot apărea următoarele
cazuri:
- se realizează sau nu un anume proiect;
- se realizează un anume proiect mai curând decât altul;
- se realizează un anume proiect înaintea altuia;
- se demarează un şantier al unui anumit proiect la o anumită dată.
Se remarcă faptul că rezultatele pentru diferite scenarii şi variante sunt diferite
atât pentru emisiile poluante cât şi pentru consumurile energetice şi că nu există un
factor de ponderare între poluanţi pentru a permite agregarea poluanţilor între ei
PARTEA II – EVALUAREA IMPACTULUI ASUPRA MEDIULUI
314
pentru a obţine un indice global al poluării atmosferice legat de traficul rutier, de
aceea analiza se realizează poluant cu poluant.
12.4.4. Modelarea concentraţiilor poluanţilor În cazul proiectelor pentru infrastructuri rutiere importante o simplă estimare a
emisiilor poluante nu este suficientă pentru a trage concluzii asupra impactului
asupra mediului ambiant şi este necesar să se evalueze repartiţia spaţială şi
temporală a concentraţiei poluanţilor în zona geografică studiată şi ce modificări ale
concentraţiilor poluante vor implica realizarea proiectului.
Situaţia iniţială a concentraţiilor poluanţilor pentru zona geografică studiată se
stabileşte prin măsurători. Estimarea acestor concentraţii pentru orizontul temporal al
studiului se stabileşte utilizând modele matematice care simulează structura
atmosferică, emisiile şi transportul poluanţilor. În general modelele utilizate simulează
fenomenele fizice de transport şi dispersie, neluând în seamă interacţiunile chimice
la care poluanţii sunt supuşi în atmosferă.
12.4.4.1. Principiile de modelare
Modelarea permite determinarea câmpurilor concentraţiei poluanţilor pentru
diferite scenarii de studiu.
Simularea proceselor de transport şi dispersie a poluanţilor necesită luarea în
calcul a unei multitudini de parametri, cum ar fi:
- condiţiile meteorologice;
- descrierea fizică a zonei de studiu;
- descrierea surselor de poluare.
12.4.4.2. Condiţiile meteorologice
Au o mare importanţă la simularea dispersiei poluanţilor căci ele determină
condiţiile de curgere a poluanţilor emişi. Condiţiile atmosferice sunt definite de o
mulţime de parametri şi care sunt importanţi în procesul de modelare a dispersiei
poluanţilor, cum ar fi:
- înălţimea stratului de inversie de la stratul de bază;
- gradientul termic vertical (sub şi deasupra stratului de inversie);
- viteza şi direcţia vântului;
Elementele studiului de impact datorat traficului rutier
315
- profilul vertical al vântului.
Stabilitatea atmosferică - este factorul care influenţează major dispersia
poluanţilor. Stratul limită al atmosferei este porţiunea de bază a atmosferei care
suportă în mod direct influenţa solului. Acest strat are o înălţime variabilă (de la
câţiva metri până în jur de 2 km), în el dispersându-se majoritatea poluanţilor, fiind
antrenaţi de turbulenţa maselor de aer.
Turbulenţa creată în stratul limitei atmosferice poate avea două origini:
dinamică (datorată iregularităţii sau rugozităţii suprafeţei solului) sau termică
(datorată repartiţiei verticale a temperaturii aerului).
Turbulenţele aerului au efecte favorabile procesului de dispersie a poluanţilor
emişi.
Stabilitatea atmosferică este legată de gradientul termic vertical. Pasquill a
definit o clasificare a structurii verticale a atmosferei care utilizează parametri
accesibili cum ar fi: viteza vântului, nebulozitatea şi ora / poziţia soarelui.
Un caz particular îl constituie inversiunea termică în stratul de bază al
atmosferei deoarece este defavorabil dispersiei poluanţilor. Inversiunea termică se
caracterizează prin inversiunea gradientului termic vertical care este în mod normal
negativ în sensul creşterii altitudinii şi el devine pozitiv. Prin inversiunea termică se
generează un strat stabil de aer cald la un nivel superior stratului de bază al
atmosferei iar poluanţii emişi sunt reţinuţi în stratul atmosferic dintre sol şi stratul de
inversiune. Inversiunea termică se poate produce aproape de sol sau la altitudine.
- Vântul - pentru simularea procesului de dispersie al poluanţilor este
important să se cunoască direcţia, viteza şi frecvenţa vântului. Direcţia vântului va
determina axa de transport a poluanţilor iar viteza acestuia dă informaţii asupra
procesului de diluţie al concentraţiei poluanţilor (cu cât vântul este mai puternic, cu
atât este mai favorabil dispersiei).
Datele privind caracteristicile vântului pot fi în forme diferite şi care au o
reprezentare variabilă temporal (de la date statistice multianuale până la date orare).
- Profilul vertical al vântului - profilul vitezei vântului este în funcţie de altitudine
şi permite să se calculeze viteza vântului în toate punctele zonei de studiu, oricare ar
fi relieful, altitudinea şi acoperământul solului. Datele pot fi obţinute de la serviciile
meteo dar modele de dispersie ale poluanţilor pot genera diferite tipuri de profiluri ale
vântului care vor fi adaptate studiilor de impact.
PARTEA II – EVALUAREA IMPACTULUI ASUPRA MEDIULUI
316
12.4.4.3. Descrierea fizică a zonei de studiu
Datele meteorologice sunt primele care sunt luate în calcul la realizarea
modelării dispersiei poluanţilor dar micro meteorologia este puternic influenţată de
topografia sitului şi de ocuparea solului zonei de studiu (construcţii, păduri, lacuri,
fluvii, zone urbane).
Spre exemplu, construcţiile creează o rugozitate importantă, care generează
turbulenţe care induc schimbări notabile în câmpul vitezelor vântului şi care sunt
dificil de evaluat. Parametrii care pot interveni şi trebuie analizaţi sunt:
- efectul zidurilor prin care trebuie precizată natura curgerii aerului în
apropierea clădirilor sau efectul acustic;
- luarea în calcul a fluxului de căldură emis de zonele urbane, absorbţia sau
remisia de către suprafeţele înconjurătoare;
- efectele de depozit şi turbulenţă determinate de prezenţa vegetaţiei;
- efectele de depunere.
12.4.4.4. Descrierea surselor de poluare
Sursele de poluare pot fi clasificate în trei categorii:
- surse punctuale (coşuri industriale);
- surse suprafaţă (zone urbane, păduri, culturi);
- surse liniare (infrastructuri de transport).
Studiile de impact asupra mediului analizează infrastructura rutieră ca o sursă
liniară insă în general proiectele de infrastructură rutieră trec prin sau pe lângă
aglomerări urbane sau industriale şi atunci este necesar să se evalueze partea care
revine infrastructurii rutiere în raport cu alte surse emitente şi în consecinţă trebuie
analizate toate tipurile de surse.
Pentru descrierea unei surse trebuie să se cunoască pentru fiecare poluant
următoarele:
- scara de timp şi de spaţiu utilizată pentru a descrie sursele de emisie;
- localizarea exactă a surselor emitente (coordonate 3D pentru sursele
punctuale, suprafaţa surselor suprafaţă, traseul pentru sursele liniare);
- cantitatea emisă în unitatea de timp (debitul poluantului);
- temperatura de emisie;
- viteza de emisie;
- evoluţia pentru diferite orizonturi ale ansamblului acestor date.
Elementele studiului de impact datorat traficului rutier
317
12.4.4.5. Date necesare pentru modelare
Se iau în considerare valori pentru mai mulţi parametrii care trebuie să fie
definiţi în modelele de dispersie a poluanţilor:
- viteza vântului [m/s] = variabilă cu un min. 2,5 m/s;
- înălţimea vântului [m] = 10;
- direcţia vântului = variabilă în funcţie de datele locale;
- temperatura mediului ambiant [°C] = între 5 şi 20;
- presiunea mediului [kPa] = 1,013.
Direcţia vântului se alege în funcţie de datele meteorologice locale. Pentru
simulări se iau în considerare două diferite scenarii: a) - direcţia vântului celui mai
frecvent şi viteza vântului asociat; b) - o altă direcţie care poate fi defavorabilă (este
cazul vitezelor mici de vânt sau vânt de a doua frecvenţă).
Datele constante ale modelului sunt:
- rugozitatea suprafeţei [m] = 0,05 - 1;
- clasa Pasquill = se alege în funcţie de condiţiile locale;
- profilul vertical al vântului = logaritmic;
- gradientul termic [°/m] = -0,007;
- înălţimea de inversie = nu se ia în considerare;
- modelul de turbulenţă atmosferică = se alege în funcţie de nivelul modelării;
- turbulenţa traficului cu luarea în calcul a efectului de piston = se ia în
considerare numai la scară locală.
Rezultatele modelării dispersiei poluanţilor depind de alegerea corectă a
domeniului de studiu, înţelegând prin aceasta alegerea unui domeniu tridimensional,
suficient în raport cu caracteristicile geometrice ale zonei studiate. Se va acorda o
atenţie deosebită concentraţiei poluanţilor la limitele domeniului de studiu.
12.4.4.6. Poluanţii
Poluanţii sunt definiţi în programele de modelare prin caracteristicile fizico-
chimice (masă moleculară, solubilitate, viteză de depunere).
Poluanţii pentru care se realizează modelarea dispersiei sunt:
- oxidul de carbon (CO);
- oxizii de azot (NOx) şi care sunt transformaţi în NO2;
- particulele emise în gazele de evacuare;
PARTEA II – EVALUAREA IMPACTULUI ASUPRA MEDIULUI
318
- dioxidul de sulf (SO2) în cazul în care în apropierea infrastructurii rutiere se
află o sursă industrială şi unde trebuie să se determine contribuţia traficului rutier;
- benzenul (C6H6).
Oxidul de carbon (CO) este un poluant de proximitate şi are avantajul că este
bine cunoscut şi că este măsurat de reţelele de monitorizare a calităţii aerului.
Oxizii de azot reprezintă un amestec de monoxid şi dioxid de azot. Compoziţia
acestui amestec evoluează rapid după emisie datorită reacţiilor fotochimice iar
modelele de dispersie nu ţin seama de aceste reacţii.
Hidrocarburile grupează un număr mare de compuşi cu proprietăţi fizico-
chimice foarte diferite. Este deci un proces costisitor să se modeleze ansamblul
acestor substanţe aşa că este de dorit modelarea dispersiei numai acelor
hidrocarburi dăunătoare, cum ar fi benzenul (benzenul este un poluant datorat
traficului care are efecte negative asupra sănătăţii şi concentraţia sa în atmosferă
este reglementată).
Particulele cele mai fine (diametre mai mici de 2 µm) au un comportament
dinamic apropiat de cel al gazelor şi deci pot fi modelate ca acestea, acesta fiind
cazul particulelor emise de motoarele diesel.
Particulele mai mari, datorate uzurii pieselor mecanice, a pneurilor şi şoselelor
sunt modelate apelând la modelele difazice incluzând o fază în zbor şi o fază de
depunere.
12.4.5. Modele utilizate
12.4.5.1. Modelele matematice
Dispersia poluanţilor în atmosferă se supune legilor dinamicii fluidelor şi pot fi
reprezentate de un ansamblu de ecuaţii cu derivate parţiale: ecuaţiile de mişcare a
fluidelor, ecuaţiile de conservare a masei şi energiei, ecuaţia de difuzie. Aceste
ecuaţii în general nu sunt liniare, nu se pot obţine soluţii prin metodele analizei
matematice. De aceea se apelează la metodele numerice de rezolvare.
În realizarea procesului de modelare, un prim element care trebuie definit este
scara spaţială şi este puternic legat de efectele poluării atmosferice.
Se pot defini patru scări spaţiale:
Elementele studiului de impact datorat traficului rutier
319
- scara locală (de la 10 m la 1 km) - se adoptă pentru a studia efectele asupra
sănătăţii, vegetaţiei şi clădirilor în proximitatea surselor de poluare (rutiere sau
industriale);
- scara urbană (de la 1 km la 50 km) - se utilizează pentru a studia efectele
asupra sănătăţii, vegetaţiei şi clădirilor pe o zonă urbană, luând în considerare mai
multe surse de poluare precum şi parametrii climatici şi topografici;
- scara regională (de la 50 km la 5000 km) - se adoptă pentru studiul efectelor
asupra vegetaţiei şi ecosistemelor într-un ansamblu de regiuni ale unui continent (ex.
concentraţia ozonului de suprafaţă);
- scara globală (mai mult de 5000 km) - se utilizează pentru studiul efectelor
asupra climei şi ozonului stratosferic.
12.4.5.2. Modelele deterministe
Elaborarea acestor modele este bazată pe punerea în ecuaţii a unui ansamblu
de fenomene fizice care nu reflectă decât simplificat realitatea.
În general aceste modele sunt reprezentate de un sistem de ecuaţii
diferenţiale cu derivate parţiale având condiţii iniţiale şi condiţii la limite. Condiţiile
sunt date sistemului prin datele reale măsurate şi care vor intra în ecuaţiile sistemului
sub formă statistică. Un asemenea sistem de ecuaţii este neliniar şi este imposibilă
obţinerea de soluţii analitice. Utilizând ipoteze simplificatoare este posibilă
liniarizarea ecuaţiilor sub formă matricială şi să se obţină soluţii analitice
aproximative.
Modelele deterministe sunt folosite în studiile de impact ale unui proiect
asupra mediului ambiant (inclusiv o infrastructură rutieră).
12.4.5.3. Modelele previzionale
Aceste modele realizează o modelare statistică pentru a prevedea nivelul de
poluare într-un viitor apropiat. Modelarea statistică are ca obiect combinarea mai
multor parametri pentru a aprecia efectele cumulative. Parametrii utilizaţi în mod
curent sunt pe de o parte datele meteorologice de la diferite altitudini cum ar fi:
temperatura, gradientul termic şi viteza vântului iar pe de altă parte concentraţiile
poluanţilor măsuraţi în trecut. Nu se iau în considerare legile de dispersie a
poluanţilor.
PARTEA II – EVALUAREA IMPACTULUI ASUPRA MEDIULUI
320
Aceste modele sunt dezvoltate pentru previzionarea în timp de 24 de ore a
nivelului de ozon.
Modelele previzionale nu sunt utilizate pentru studiile de mediu ale unei
infrastructuri deoarece ele au la bază o serie de observaţii anterioare şi nu permit să
se lucreze cu orizonturi de până la 20 de ani.
12.4.6. Descrierea modelelor deterministe
Scara spaţială impune utilizarea unui tip de model sau a altuia în funcţie de
rezultatele care sunt urmărite.
Tabelul 12.4 Alegerea tipului modelului în funcţie de scara spaţială
Tipul modelului Scara spaţială Eulerian Lagrangian Gaussian Numeric 3D Locală • • • Urbană • • • • Regională • • Globală •
12.4.6.1. Modelul eulerian Modelul eulerian permite simularea dispersiei poluanţilor în conformitate cu un
sistem de coordonate terestre şi se bazează pe conservarea masei unui poluant.
(12.2)
unde: c - concentraţia unui poluant; v - viteza vântului; D - coeficientul de difuzie
moleculară.
Utilizând anumite ipoteze simplificatoare, soluţiile analitice ale unui model
eulerian pot fi gaussiene de forma :
(12.3)
cDcvtc
∇∇+∇−=∂∂
⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ −
Π= 2
2
2exp
21),(),,(
yy
yzxCzyxC
σσ
Elementele studiului de impact datorat traficului rutier
321
12.4.6.2. Modelul lagrangian
Modelul lagrangian permite simularea dispersiei poluanţilor de o manieră
analitică în conformitate cu un sistem de coordonate legat de mişcarea atmosferică.
Ecuaţia care descrie dispersia în atmosferă a unui poluant este de forma:
(12.4)
unde: <C(r,t)> - media ansamblului concentraţiilor la distanţa r şi la momentul t
(domeniul de integrare se întinde la toată atmosfera); S(r’,t’) - debitul masic al sursei
de poluare (masa pe unitatea de volum şi pe unitatea de timp); p(r,t / r’,t’) - funcţia de
densitate de probabilitate (dimensiune: volum - 1) până la care o particulă de aer se
deplasează de la M’(r’,t’) Æ M(r,t) pentru tot M’(r’,t’) şi t > t’.
Când se ţine seama de reacţiile chimice sau depunerea particulelor:
(12.5)
Dacă nu se iau în considerare reacţiile chimice sau depunerile particulelor:
(12.6)
În cazul unui poluant primar, S(r’,t’) > 0 numai la punctul M’ de emisie al
poluantului, în rest S(r’,t’)=0.
Pentru un poluant secundar S(r’,t’) ≠ 0 pentru întreg domeniul analizat.
Ecuaţia (b) reprezintă conservarea masei şi ea trebuie satisfăcută şi în cazul
primari şi secundari.
e a probabilităţii este parametrul cheie al ecuaţiilor
modelului care pentru poluanţii nereactivi depinde numai de atmosferă şi de tipul
poluantului dacă există fenomene de depunere.
Ecuaţiile modelului dau o riguroasă descriere a proceselor de transport şi
difuzie a poluanţilor în termeni probabilistici.
Modelul gaussian este larg utilizat pentru simularea dispersiei poluanţilor în
atmosferă la scară locală. El utilizează o formulă simplă, care descrie în trei
dimensiuni câmpul concentraţiei unui poluant de către o sursă punctiformă într-o
atmosferă staţionară.
∫∫∞−
=>< '')','()','/,(),( dtdrtrStrtrptrC
∫ < 1)','/,( drtrtrp
∫ =1)','/,( drtrtrp
12.4.6.3. Modelul gaussian
amestecului poluanţilor
Funcţia de densitat
PARTEA II – EVALUAREA IMPACTULUI ASUPRA MEDIULUI
322
(12.7)
punct; M(x,y,z) - spaţiul; Q -
debitul de emisie; u - viteza vântului; σy, σz - ecartul tip al distanţei spaţiale a
concentraţiei.
Aceste modele decurg din modelele precedente aplicând ipotezele
simplificatoare care conduc la o rezolvare uşoară a ecuaţiilor. Ipotezele care sunt
luate în calcul privesc: emisia unui poluant pasiv (incapabil să aibă transformări
chimice) de către o sursă punctiformă asupra unei suprafeţe plane, fără obstacole,
într-o , cu un vânt constant.
il în determinarea dispersiei poluanţilor în proximitatea
unei autostrăzi sau străzi situate în zona externă a unei aşezări urbane.
12.4.6.4. Modelul numeric 3D
Modelul se bazează pe modelul eulerian numeric care ia în considerare
mecanica fluidelor.
Ecuaţia de transport a poluanţilor este descrisă de următoarea ecuaţie:
(12.8)
unde: ρm - masa volumetrică a poluantului m; ρ - masa volumetrică a
amestecului; u - viteza vântului; D - coeficientul de difuzie; Sρm - termenul sursă
pentru poluantul m.
Programele numerice 3D se aplică studiilor la scară medie (ex. o stradă
aglomerată) care permit să se ia în calcul topografia, obstacolele (clădiri, păduri,
etc.), stratificarea termică şi turbulenţa atmosferică, acest mod de modelare
aplicându-se mediilor urbane.
unde: C(x,y,z) - concentraţia poluantului într-un
atmosferă omogenă
Modelul este utilizab
⎥⎥⎦
⎤
⎢⎢⎣
⎡⎟⎠⎞
⎜⎝⎛−⎟⎟
⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛−=
22
21
21exp),,(
zz
yy
uzyQzyxC
σσσσπ
mm
mm SgradDdivudivt ρρ
ρρρ
ρ=⎥
⎦
⎤⎢⎣
⎡⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛−+
∂∂
)(
Elementele studiului de impact datorat traficului rutier
323
12.5. CUPRINSUL STUDIULUI DE IMPACT Studiul de impact al traficului rutier pe o infrastructurã proiectatã cuprinde o
ţa obiectivului.
pact asupra mediului datorat unui
1. Rezumat nontehnic al studiului de impact;
2. Aprecieri ale impactului asupra mediului;
3. Autorii studiului;
4. Studiul vast al variantelor;
• Stabilirea stării iniţiale – miză şi constrângeri ;
• Analiza variantelor la planul de mediu;
• Studii de sinteza, rezultate ale concentrărilor poluanţilor, decizia
asupra adoptării variantei;
5. Definirea soluţiilor propuse;
• Desăvârşirea stării iniţiale – miză si constrângeri;
• Analiza sub variantelor la planul de mediu;
• Studii de sinteză, rezultate ale concentraţiei poluanţilor, decizia asupra
soluţiei alese;
6. Prezentarea proiectului supus anchetei, cu efectele asupra mediului şi
Măsurile de inserţie;
7. Costul măsurilor de inserţie;
12.5.1. Descrierea principalelor capitole ale studiului de impact
12.5.1.1. Rezumat nontehnic al studiului de impact
În acest capitol se descrie simplu că studiul de impact este condus după legile
de mediu în vigoare şi după reglementările privind utilizarea raţionala a energiei. Se
vor menţiona concluzii generale asupra calităţii aerului şi un bilanţ asupra sănătăţii.
12.5.1.2. Aprecieri ale impactului asupra mediului
Se menţionează impactul celor 6 componente poluante datorate poluării
automobilelor.
8. Analiza metodelor de evaluare utilizate;
9. Influenţa asupra sănătăţii;
serie de capitole care pot fi adaptate in funcţie de importan
Principalele capitole ale studiului de im
proiect de infrastructură rutieră sunt :
PARTEA II – EVALUAREA IMPACTULUI ASUPRA MEDIULUI
324
Se vor înfăţişa diferitele aspecte ale poluării datorate automobilelor:
• Efectele de proximitate (sănătate şi vegetaţie, poluare sensibilă);
• Efectele regionale (poluare fotochimică, ploi acide);
• Efectele planetare (efect de seră, găuri in stratul de ozon);
Studiul de impact trebuie să prezinte în primul rând efectele de proximitate şi
consumurile energetice şi mai puţin efectele regionale şi planetare care sunt
dezvoltate mai degrabă în studii majore de amenajare a teritoriului.
12.5.1.3. Autorii studiului Sunt menţionaţi toţi participanţii la studiul de mediu.
12.5.1.4. Studiul vast al variantelor • Stabilirea stării iniţiale – miză si constrângeri
Se prezintă concluziile analizei stării existente a mediului şi a evoluţiei
previzibile a acestuia in absenţa implementării proiectului considerat; această situaţie
din urma va constitui situaţia de referinţă cu care vor fi comparate diferitele variante
de implementare ale proiectului. Se va menţiona pentru fiecare poluant luat in studiu
participaţia traficului rutier.
• Analiza variantelor la planul de mediu
Se va realiza o comparaţie a diferitelor variante la nivelul fiecărui poluant. Acelaşi
lucru va fi realizat pentru bilanţul sănătăţii si costurilor.
• Studii de sinteză, rezultate ale concentraţiei poluanţilor, decizia asupra
adoptării variantei .
Se prezintă rezultatele concentraţiei poluanţilor care in corelare cu bilanţul de
sănătate vor conduce la alegerea soluţiei finale in raport cu alte scenarii sau variante.
12.5.1.5. Definirea soluţiei propuse
• Desăvârşirea stării iniţiale – mize şi constrângeri
Studiul va prezenta :
Concluziile analizei finale a stării iniţiale a sectorului geografic afectat de
implementarea proiectului de infrastructură rutieră şi evoluţia previzibilă a acestui
sector in absenţa implementării proiectului, care va deveni situaţia de referinţa;
Rezultatele măsurătorilor metrologice efectuate pentru stabilirea stării iniţiale. De
asemenea se vor prezenta şi concentraţiile medii ale poluanţilor care ţin seama de
condiţiile meteorologice;
Elementele studiului de impact datorat traficului rutier
325
• Analiza sub variantelor la planul de mediu
Sub variantele vor fi descrise în planul calităţii aerului şi al consumului
energetic (comparaţii ale concentraţiilor) şi în planul de sănătate.
• 5.3 Studii de sinteză, rezultatele concentraţiilor, decizia asupra soluţiei
alese.
Se vor indica concluziile generale ale studiului de mediu cuantificând calitatea
aerului şi consumul energetic.
12.5.1.6. Prezentarea proiectului supus anchetei cu efectele asupra mediului şi
măsurile de inserţie
Se vor prezenta concluziile generale ale proiectului in planul de analiză a
costurilor si nocivităţii şi influenţa calităţii aerului asupra sănătăţii precum şi alte
forme de poluare atmosferică (efectele asupra florei şi faunei, efectele asupra
clădirilor, poluare sensibilă, ploi acide, efect de seră). De asemenea se abordează
problema consumurilor energetice.
12.5.1.7. Costul măsurilor de inserţie
În cazul în care se prevăd ecrane antipoluare sau ecrane antifonice, vor fi
indicate costurile sau supracosturile antrenate.
12.5.1.8. Analiza metodelor de evaluare utilizate
Alegerea metodelor utilizate pentru studiu va fi bine prezentată. Se
recomandă prudenţă la interpretarea rezultatelor.
12.5.1.9. Efectele asupra sănătăţii
Pentru un studiu privind calitatea aerului se vor aborda problemele de
sănătate la zona studiată (la nivel local) şi la banda studiată (în proximitatea
infrastructurii).
Bibliografie [1] Cofaru, C., ş.a.. - Autovehiculul şi mediul. Editura Universităţii Transilvania
Braşov, 1999. ISBN 973-98512-3-1.
[2] Cofaru.C. –Legislaţia şi ingineria mediului in transportul rutier Editura
Universităţii Transilvania Braşov 2002 ,ISBN 973-635-185-8
[3] Degobert, P. – Automobiles and Pollution – SAE International, 1995.
PARTEA II – EVALUAREA IMPACTULUI ASUPRA MEDIULUI
326
Autori: Corneliu COFARU Daniela FLOREA
13. PROCEDURA DE REALIZARE A UNUI STUDIU DE IMPACT AL ZGOMOTULUI ASUPRA MEDIULUI ÎNCONJURĂTOR
13.1. BAZA LEGALĂ PENTRU ZGOMOT Un studiu de zgomot trebuie să fie realizat în conformitate cu legislaţia în
vigoare şi în special în domeniul protecţiei mediului.
13.2. SCOPUL STUDIULUI Într-un studiu de impact al zgomotului asupra mediului trebuie să se evalueze
consecinţele noului proiect asupra oamenilor. Efectele zgomotelor asupra plantelor
nu s-au pus în evidenţă. Se admite că animalele sălbatice pot fi deranjate de
zgomote însă fiind dat gradul lor de mobilitate sănătatea lor nu este pusă în pericol.
Animalele domestice sunt protejate prin măsurile luate pentru protecţia oamenilor.
13.3. VALORILE LIMITĂ DE EXPUNERE LA ZGOMOT Se pot defini trei tipuri de valori limită ale imisiunilor sonore:
• Valori limită ale imisiunilor referitoare la zgomotele şi vibraţiile impuse pe
baze ştiinţifice;
• Valori de alarmă - acestea sunt superioare valorilor limită şi necesită o
analiză pentru a interveni în reducerea nivelului imisiunilor zgomotelor şi
vibraţiilor;
• Valori planificate - pentru a se asigura protecţia contra zgomotelor printr-o
nouă instalaţie se stabilesc pentru aceasta limite de zgomot inferioare valorilor
limită ale imisiunilor;
13.4. NIVELUL DE EVALUARE LR
Măsurătorile şi calculele furnizează nivelul de zgomot Leq al imisiunilor care
trebuie să ţină seama de numeroşii factori de influenţă. De cele mai multe ori este
dificilă modelarea pentru a lua măsurile de diminuare. Această dificultate apare
datorită diferenţelor între sursele de acelaşi tip sau de diferenţele legate de
însumarea mai multor surse de acelaşi tip. De exemplu: toate autovehiculele nu
produc acelaşi zgomot, ceea ce face ca însumarea zgomotului produs de
Elementele studiului de impact datorat zgomotului
327
autovehicule să nu fie egal cu produsul dintre numărul de autovehicule şi emisiunea
de zgomot a unui autovehicul.
Imisiunile de zgomot calculate sau măsurate Leq trebuie să fie transformate în
valori de expunere la zgomot corespunzând nivelului de evaluare Lr.
Pentru a se rezolva problema în mod uniform sunt fixate următoarele valori
limită de expunere la zgomot:
- valori limită ale imisiunilor;
- valori de alarmă;
- valori planificate.
Relaţia de calcul a nivelului de evaluare Lr pe baza nivelului Leq este:
Lr = Leq + K (13.1)
unde: Leq - nivelul de zgomot echivalent; K - corecţia nivelului.
Valorile Lr limită şi nivelul de apreciere depind de spectrul de zgomot deci, de
natura sursei. În consecinţă valorile limită şi metodele de calcul ale nivelului de
evaluare se stabilesc pentru fiecare categorie de sursă:
• zgomotul traficului rutier;
• zgomotul traficului rutier combinat cu traficul feroviar;
• zgomotul traficului feroviar; unde se poate combina circulaţia trenurilor cu
traficul de manevră;
• zgomotul aeroporturilor;
• zgomotul atelierelor şi fabricilor;
• zgomotul instalaţiilor de tir.
Identificarea impactului se reduce la calculul nivelului de evaluare Lr şi
asigurarea că el este inferior valorii limită de expunere.
Lr < Lr limită (13.2)
13.5. ETAPELE ÎNTOCMIRII STUDIULUI DE IMPACT AL ZGOMOTULUI
ASUPRA MEDIULUI AMBIANT
13.5.1. Ancheta preliminară Ancheta preliminară a unui studiu de impact al unei instalaţii permite
separarea domeniilor importante şi critice pentru mediul înconjurător, deci se
efectuează o evaluare primară.
PARTEA II – EVALUAREA IMPACTULUI ASUPRA MEDIULUI
328
Principalele criterii care permit să se aprecieze că zgomotul nu va afecta
sensibil mediul înconjurător în cadrul unui proiect sunt:
1. Nu se constituie într-o sursă importantă de zgomot pe durata fazei de
construcţie;
2. Nu se constituie într-o sursă importantă de zgomot pe durata fazei de
exploatare;
3. Nu produce efecte secundare substanţiale în domeniul zgomotului (în
particular un trafic suplimentar pe o instalaţie de trafic existentă);
4. Nu este implantat într-o zonă deja expusă la zgomot.
Dacă condiţiile de mai sus sunt satisfăcute atunci nu mai este necesară
efectuarea anchetei principale iar rezultatele pot fi introduse în raportul de impact.
În cazul în care aceste condiţii nu sunt satisfăcute, atunci se va definitiva un
caiet de sarcini care va preciza:
• obiectivele de studiat în special (situri sensibile, zonele atinse);
• completarea bazelor de date (studii de trafic, identificarea surselor de zgomot,
determinarea emisiunilor, studiul mijloacelor de protecţie etc.);
• mijloacele şi metodele care vor fi folosite, măsurători în sit sau modele;
• perimetrul stabilit pentru studiul de zgomot;
13.5.2. Ancheta principală Proiectul constituie baza efectuării studiului de impact. De exemplu, proiectul
unei infrastructuri rutiere trebuie să definească în mod clar elementele geometrice în
plan, în elevaţie, profilul transversal şi concepţia generală a lucrării de artă.
Proiectul trebuie să cuprindă descrierea detaliată a măsurilor de protecţie
contra zgomotului. Reducerile cerute şi justificările lor trebuie să fie introduse în
partea descriptivă a proiectului.
La capitolul - justificarea proiectului - raportul de impact trebuie să evidenţieze
aspectele de protecţie contra zgomotului de fiecare dată când se obţine o ameliorare
la o situaţie mai puţin satisfăcătoare din punct de vedere sonor, de exemplu,
construcţia unei infrastructuri rutiere ocolitoare sau mutarea unei surse sonore.
Perimetrul de studiu trebuie să fie limitat geografic, ţinând cont de efectele
directe şi indirecte datorate proiectului. Pentru faza de construcţie se prevede un
perimetru special. Dacă efectele directe se manifestă la câţiva zeci de metri în jurul
Elementele studiului de impact datorat zgomotului
329
instalaţiei, efectele indirecte afectează zone aflate la mare distanţă de proiect. Acesta
este cazul asanării satelor sau a depresiunilor datorită creării de noi căi rutiere.
În stabilirea pronosticului de trafic rutier trebuie să se prevadă cât mai precis
posibil traficul orar mediu de zi şi de noapte pe instalaţie (infrastructura rutieră) ţinând
seama de tipul autovehiculelor.
13.5.3. Starea de referinţă Descrierea stării actuale trebuie realizată ţinând seama de cadastrul de
zgomot. În fapt, imisiunile de zgomot datorate infrastructurii rutiere, instalaţiilor
feroviare şi aerodroamelor trebuie să fie determinate şi consemnate în cadastrele de
zgomot. Autorităţile regionale pot stabili cadastre de zgomot şi pentru alte instalaţii
cum ar fi instalaţiile industriale sau artizanale şi instalaţiile de tir.
În stabilirea stării actuale trebuie să se ţină cont în mod separat de diferitele
genuri de zgomot. Nu există o mărime de evaluare şi nici valori limită de expunere
care să permită evaluarea expunerii globale la diferite genuri de zgomot.
În cazul mai multor instalaţii care produc acelaşi gen de zgomot, influenţa
sonoră poate fi calculată prin suma imisiunilor. Această sumă se referă la nivelul
energetic mediu de evaluare (Leq) şi nu este o sumă aritmetică.
Suma logaritmică pentru două zgomote Leq1 şi Leq2 este:
Leq1 = 10·lg(100,1·Leq1 + 100,1·L
eq2) (13.3)
În plus, această sumă nu va fi aceeaşi dacă ea are loc în diferite benzi
spectrale. Însumarea energetică a zgomotului provenind de la două şosele paralele
(cu acelaşi spectru sonor) nu va da acelaşi rezultat cu suma energetică a zgomotelor
provenind de la o şosea şi o cale ferată cu un trafic de aceeaşi intensitate cu
şoseaua precedentă.
Întotdeauna la stabilirea stării actuale trebuie să se ţină seama şi de alte
genuri de zgomote care pot interveni în zona de anchetă. De cele mai multe ori este
suficientă menţionarea cu o scurtă caracterizare calitativă (indicaţii asupra
măsurătorilor, fluctuaţiile zilnice, săptămânale, sezoniere etc.).
PARTEA II – EVALUAREA IMPACTULUI ASUPRA MEDIULUI
330
13.5.4. Determinarea stării viitoare fără instalaţie Separarea între starea actuală şi starea viitoare fără instalaţie nu este
întotdeauna necesară în studiile de zgomot. În general starea actuală este cunoscută
autorităţilor de execuţie, aşa că este posibil să se treacă direct la determinarea stării
de referinţă (starea fără instalaţie). Această determinare se realizează cu ajutorul
modelelor, fără a efectua măsurători în teren. În acest caz calculele sunt efectuate cu
date de intrare corespunzătoare stării viitoare. Dacă se cere un control al modelului
cu date măsurate, atunci se va descrie şi starea actuală.
În toate cazurile pentru calculele de zgomot trebuie să se efectueze o analiză
de sensibilitate considerând un evantai suficient de larg de date de intrare. De
exemplu, diferite date ale traficului rutier, deoarece între starea actuală şi starea
viitoare este un interval important de timp şi în acest timp apar modificări previzibile
datorate dezvoltării.
13.5.5. Starea viitoare cu instalaţie Analiza trebuie să urmărească determinarea imisiunilor sonore datorate
instalaţiilor şi să evalueze măsurile de protecţie necesare.
Se va proceda la cercetarea gradului de sensibilitate la zgomot în interiorul
perimetrului atins de către instalaţie şi în care traficul va fi direct influenţat prin
punerea în funcţiune a acesteia. Această cercetare se va realiza pe harta zonei
respective, valorile limită de expunere la zgomot, valorile limită ale imisiunilor, valorile
de alarmă sau valorile planificate depinzând de gradul de sensibilitate.
În cadrul unei anchete preliminare sau în caietul de sarcini al unui studiu de
impact, în prima etapă trebuie să se ia în considerare indicaţiile provenind din
următoarele surse:
informaţiile generale şi directivele în vigoare, starea de derulare a procedurilor de
atribuire a gradului de sensibilitate;
cadastrele de zgomot;
planurile şi reglementările de construcţie şi amenajare a teritoriului;
Se va determina nivelul previzibil al imisiunilor sonore în perimetrul de studiu
la starea de referinţă şi la starea de punere în funcţiune a instalaţiei.
Nivelul imisiunilor sonore datorate traficului rutier de zi şi de noapte sunt
determinate ţinând cont de traficul orar mediu corespunzător pe diferite axe conform
pronosticurilor stabilite.
Elementele studiului de impact datorat zgomotului
331
Calculul se efectuează pe baza unui model fizic care trebuie să permită
determinarea în toate punctele a nivelului sonor de referinţă Leq în dB(A) la înălţimea
de 1,5 m deasupra solului pentru zona construibilă şi neocupată şi la nivelul
ferestrelor expuse pentru zonele construite.
La analiza propagării zgomotelor datorită noilor instalaţii, se va lua în
considerare configuraţia geografică a terenului, plantaţii sau alte obstacole cum ar fi
taluzuri, ziduri sau alte lucrări indispensabile la implementarea unui drum.
Prezentarea rezultatelor previziunilor imisiunilor sonore se realizează cu
ajutorul planurilor de situaţie care cuprind:
• Perimetrul terenului supus unui nivel sonor superior valorii planificate
de zi şi de noapte;
• Indicarea acestei valori admisibile planificate, Lr;
• Evaluarea nivelului sonor pentru anumite case situate în apropierea
instalaţiei; aceste construcţii se identifică prin numerotare. Valorile Lr de
zi şi de noapte sunt calculate pentru faţadă, situată la X m deasupra
solului (înălţimea corespunzătoare primului etaj, eventual la o înălţime
mai mare dacă zgomotul calculat nu atinge decât etajele superioare ale
construcţiei). Se vor indica cu precizie punctele de măsurare;
• Determinarea şi reprezentarea sistematică a curbelor izofonice pentru
ansamblul perimetrului şi prezentarea configurării exacte a terenului în
imediata apropiere a drumului (pantă şi înălţimea taluzului, ziduri,
borduri).
Modelele utilizate furnizează nivelul echivalent al zgomotului (Leq db(A)) al
instalaţiei. Pentru a putea efectua identificarea cantitativă a impactului trebuie să se
calculeze nivelul de evaluare (Lr) şi să se compare cu valorile limită sau cu valorile
de alarmă pentru zona construibilă. Compararea valorilor Lr calculate cu valorile
planificate, valorile limită ale imisiunilor, va permite determinarea limitelor zonelor
conflictuale seară), exprimând traficul în vehicule etalon / oră.
Alegerea orei de vârf a traficului rutier pentru studiile de mediu este importantă
deoarece în această perioadă densitatea traficului rutier este maximă, ceea ce
induce concentraţii maxime ale poluanţilor în proximitatea axei de circulaţie.
Pentru studiile de impact trebuie avut în vedere şi traficul total pe 24 ore care
este de 10 – 12 ori mai mare decât traficul orei de vârf. Traficul rutier total dă
PARTEA II – EVALUAREA IMPACTULUI ASUPRA MEDIULUI
332
posibilitatea evaluării emisiunilor totale ale poluanţilor şi îndeosebi CO2, care
contribuie la agravarea efectului de seră.
Datele privind traficul autovehiculelor grele sunt importante pentru a lua o
decizie privind oportunitatea, eficacitatea şi interesul pentru o amenajare de
infrastructură rutieră.
Bibliografie
[1] Cofaru, C., ş.a.. - Autovehiculul şi mediul. Editura Universităţii Transilvania
Braşov, 1999. ISBN 973-98512-3-1.
[2] Cofaru.C. –Legislaţia şi ingineria mediului in transportul rutier Editura
Universităţii Transilvania Braşov 2002 ,ISBN 973-635-185-8
[3] Degobert, P. – Automobiles and Pollution – SAE International, 1995.
[4] EC-Good Practice Guide for Strategic Noise Mapping and the Production of
Associated Data on Noise Exposure GPG june2006 EN.doc Brussels 2006.
Atenuator de zgomot
Elementele studiului de impact datorat zgomotului
333
Intersecţie de autostrăzi
PARTEA II – EVALUAREA IMPACTULUI ASUPRA MEDIULUI
334
PARTEA A-III-A - REDUCEREA POLUĂRII
Mijloace active de reducere a emisiilor poluante la MAI
335
Autori:Corneliu COFARU Daniela FLOREA
14. MIJLOACE ACTIVE DE REDUCERE A EMISIILOR POLUANTE LA MAI
14.1. MIJLOACE DE REDUCERE ACTIVĂ A EMISIILOR POLUANTE LA MAS
Studiile care vizează îmbunătăţirea parametrilor energetici şi ecologici ai
motoarelor cu aprindere prin scânteie privesc procesele de schimb de gaze, formare
a amestecului de arderea şi urmărindu-se următoarele direcţii:
• Intensificarea turbionării amestecului în camera de ardere prin intervenţii
asupra sistemului de admisie şi camerei de ardere;
• Îmbunătăţirea pulverizării combustibilului şi asigurarea dozajului dorit de toate
regimurile de funcţionare inclusiv la regimurile tranzitorii şi la mersul în gol
forţat (amestec stoichiometric pentru a se asigura tratarea eficientă a gazelor);
• Mărirea temperaturii pereţilor camerei de ardere şi micşorarea suprafeţei
acesteia pentru a reduce volumul de amestec din stratul limită unde flacăra se
stinge;
• Reducerea volumului interstiţiilor care reţin amestec carburant şi în care
flacăra nu pătrunde;
• Controlul temperaturii maxime de ardere la motoarele cu amestec omogen
printr-un unghi optim de aprindere, recircularea gazelor arse pentru a frâna
procesele de formare a poluanţilor;
• Mărirea duratei şi puterii scânteii electrice în vederea lărgirii domeniilor de
funcţionare ale motorului cu amestecuri sărace;
• Organizarea formării stratificate a amestecului aer-combustibil pentru a
permite funcţionarea stabilă a motorului utilizând amestecuri sărace;
14.1.1 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:
PARTEA III – REDUCEREA POLUARII
336
• 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.
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.
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).
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;
Mijloace active de reducere a emisiilor poluante la MAI
337
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 distribuţiei gazelor prin intermediul unei unităţi electronice de control în
funcţie de parametrii funcţionali ai motorului.
a) b) c)
Fig. 14.1 Distribuţie variabilă: a) cu camă spaţială; b) camă cu profil variabil radial; c)
defazarea camei cu dispozitiv cu lanţ.
14.1.2. Utilizarea amestecurilor omogene
14.1.2.1. 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
PARTEA III – REDUCEREA POLUARII
338
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;
Sistemul electronic de comandă şi control este utilizat deoarece permite
controlul funcţionării optime a motorului la toate regimurile.
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 (λ>1) este posibilă prin utilizarea
unor rapoarte ridicate de comprimare ale motorului (ε=11 -16) şi o turbionare intensă
in o cantitate ridicată de oxigen
e preţ
funcţionare eficientă şi trebuie înlocuite cu si
pentru gazele arse net oxidante.
14.1.2.2. Camera de ardere
Pentru a reduce procese de formare a compu
parametrii energetici ai motorului cu amestec omogen trebuie ca suprafaţa camerei
de ardere să fie minimă pentru a se evita pierderile de căldură. Camera de ardere
trebuie să permită amplasarea bujiei în centrul acesteia ca distanţele parcurse de
frontul de flacără până la pereţi să fie egale.
Îmbunătăţirea regimului termic al camerei de ardere se poate realiza prin
aplicarea unor acoperiri termoizolante pe capul pistonului, suprafaţa supapelor de
evacuare şi suprafaţa aferentă camerei de ardere din chiulasă. Prin acoperirea
acestor suprafeţe cu dioxid de zirconiu pe un strat intermediar de Ni,Co,Cr, AlY se
ioase (Pt, Rh, Pd) nu mai au o
steme de tratare catalitică dezvoltate
şilor poluanţi şi a maximiza
şi sistemele de tratare a gazelor cu metal
a amestecului. În acest caz, gazele de evacuare conţ
Mijloace active de reducere a emisiilor poluante la MAI
339
poate obţine o creştere a performanţelor motorului cu 10%, reducerea emisiilor
poluante cu 20 - 50%, reducerea particulelor din gazele de evacuare cu până la 52%
şi reducerea emisiei sonore cu până la 3dB.
14.1.3. Utilizarea amestecurilor stratificate Prin stratificarea amestecului se înţelege obţinerea în camera de ardere a
unor amestecuri cu dozaje diferite. În zona bujiei se organizează amestecuri bogate,
în limita de inflamabilitate iar spre pereţii camerei de ardere amestecul este din ce în
ce mai sărac (ideal este ca în stratul limită un flacăra se stinge să existe numai aer).
Principalul avantaj al stratificării amestecului îl constituie utilizarea unor
amestecuri global sărace care în condiţii omogene s-ar aprinde cu dificultate şi ar
pune probleme la propagarea flăcării.
Amestecul bogat din zona bujiei este uşor de aprins iar frontul de flacără se
propagă spre amestecurile sărace datorită creşterii temperaturii gazelor din camera
de ardere.
În zona de amestec bogat se formează mici cantităţi de CO şi HC care vor
avea timpul să fie oxidate pe durata procesului de ardere şi pe o porţiune a cursei de
destindere. În zona de amestec bogat datorită deficitului de oxigen se formează mici
cantităţi de oxid de azot.
La arderea amestecurilor sărace, datorită excesului de oxigen, se formează
cantităţi reduse de CO şi HC iar oxizii de azot formaţi sunt în cantităţi mici datorită
nivelului redus de temperatură la care are loc arderea.
Stratificarea amestecului aer-combustibil se poate realiza prin:
• Utilizarea camerei de ardere divizate, la care există o separare fizică a celor
două camere care comunică printr-un canal;
• Realizarea de amestecuri stratificate în cameră unitară prin injecţie directă.
14.1.3.1. Camera de ardere divizată
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 care este una clasică. aceasta este alimentată cu amestec
PARTEA III – REDUCEREA POLUARII
340
bogat care este uşor inflamabil. Amestecul parţial ars părăseşte antecameră sub
formă de jeturi şi intră în camera principală care este alimentată cu amestec sărac.
Această soluţia a fost aplicată în producţia de serie cu mare succes. Iniţial
conceptul a fost propus de Ricardo în anii 20 şi dezvoltat ulterior în Rusia şi Japonia.
Soluţia (fig. 1.2) permite reducerea emisiilor de HC dar măreşte într-o oarecare
măsură nivelul emisiilor de NOX.
Fig. 14.2 Desfăşurarea proceselor în MAS cu cameră de ardere divizată.
14.1.3.2. Injecţia directă de benzină
Cu toate că ideea injectării combustibilului la motoarele cu aprindere prin
scânteie direct în cilindrul motorului este veche, doar recent ea a fost introdusă la
producţia de serie a motoarelor de autoturisme. Introducerea acesteia la motoarele
moderne a fost posibilă datorită progreselor în domeniul electronicii, al controlului
computerizat al motorului.
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. Reprezentative pentru
această perioadă sunt motoarele Daimler Benz pentru Formula 1 şi pentru modelul
300 SL. 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.
Revenirea injecţiei directe a fost marcată de prezentarea prototipului IRVW
Futura din 1989. Cu această ocazie a fost consacrată şi titulatura GDI (Gasoline
Direct Injection). Motorul prezentat de constructorul german era destul de
Mijloace active de reducere a emisiilor poluante la MAI
341
revoluţionar, una dintre noutăţi era şi injecţia directă de benzină, dotat cu o pompă ce
furniza presiunea maximă de 450 bar.
În ultima vreme, datorită restricţiilor din ce în ce mai severe în domeniul
poluării impuse motoarelor cu ardere internă, injecţia directă se preconizează a fi
soluţia de formarea a amestecului spre care se for îndrepta toţi constructorii de
motoare cu aprindere prin scânteie.
Avantaje: 1. Coeficientul de exces de aer global poate fi substanţial supraunitar permiţând
obţinerea unei bune economii;
2. Arderea se realizează în condiţii ce defavorizează formarea NOx;
3. Cantităţile de monoxid de carbon şi hidrocarburi produse la începutul
procesului de ardere pot fi oxidate complet în interiorul camerei de ardere;
4. Amestecul ce pătrunde în interstiţii este foarte sărac sau chiar nu conţine
deloc benzină diminuându-se cantitatea de hidrocarburi formate pe această
in varierea
se
a) Soluţii constructive Aplicarea injecţiei directe a impus dezvoltarea unor soluţii constructive
deosebite de cele pentru motoarele cu injecţie indirectă. Principalele sisteme care
suferă modificări sunt modul de organizare a mişcării încărcăturii, formarea
amestecului la diferitele regimuri de funcţionare, modul de control al sarcinii motorului
şi bineînţeles echipamentul de injecţie.
Alte sisteme cum ar fi cel de recirculare al gazelor arse, au fost îmbunătăţite
din punct de vedere al preciziei controlului şi eficienţei funcţionării. Alte sisteme cum
ar fi cele de tratare al gazelor de evacuare au trebuit să fie total regândite datorită
condiţiilor total diferite de funcţionare.
Un sumar al soluţiilor tehnice utilizate în prezent este prezentat în tabelul 14.1.
cale;
5. Controlul sarcinii motorului poate fi efectuat, cel puţin parţial, pr
îmbogăţirii amestecului şi nu prin obturarea admisiei, minimizându-
pierderile prin pompare;
6. Amestecul care arde la sfârşit este foarte sărac şi de aceea este mult mai
puţin susceptibil la detonaţie. Se pot utiliza rapoarte de comprimare mai mari
PARTEA III – REDUCEREA POLUARII
342
Tabelul 14.1 Concepte şi obiective pentru motoarele cu injecţie directă şi soluţiile pentru realizarea lor
Concepte Obiective Soluţii
Mişcarea aerului Tumble invers
Transportul vaporilor de benzină către bujie Coeficient de curgere prin supapă ridicat
Canal de admisie vertical Îmbunătăţirea gazodinamicii prin utilizarea canalului vertical
Presiune scăzută
Pierderi reduse pentru comprimarea combustibilului
Injector cu swirl
Injecţia
Pompă antrenată de motor
Consum de putere pentru injecţie redus
Pornire cu pompa de alimentare
Tabelul 14.1 (continuare) Concepte Obiective Soluţii
Sarcini mari
Amestec omogen (injecţie pe cursa de admisie) Eliminarea udării pereţilor Răcirea intermediară a aerului
Reducerea funinginii la amestecuri stoichiometrice şi bogate Eliminarea detonaţiei Randament volumetric mărit
Limitarea penetrabilităţii jetului Jet larg dispersat Mişcare de tumble invers intensificată
Form
area
am
este
culu
i
Sarcini parţiale
Amestec stratificat (injecţie pe cursa de compresie) Evaporare îmbunătăţită
Ardere stabilă pentru amestecuri sărace Reducerea funinginii pentru sarcini mari
Cameră de ardere compactă Transportul jetului de către tumble Controlul avansului injecţiei
Aprinderea Sistem de aprindere convenţional cu fiabilitate confirmată
Emisii Procent ridicat de gaze recirculate
Reducerea NOx prin utilizarea amestecurilor stratificate
Supapă de recirculare a gazelor arse controlată electronic
Admisia Control rapid şi precis al debitului de aer
Funcţionare uniformă Interval larg de aplicare a recirculării gazelor
Clapetă de acceleraţie acţionată electronic
Sistemul de injecţie este cel care conferă motorului avantajele substanţiale în
domeniul economicităţii, puterii, emisiilor. Faţă de sistemele de injecţie indirectă
acestea trebuie să fie comandate cu o precizie mai mare şi să interacţioneze mult
Mijloace active de reducere a emisiilor poluante la MAI
343
mai profund cu celelalte sisteme (aprindere, supraalimentare, recirculare a gazelor
arse, tratare a gazelor arse).
În tabelul 14.2 sunt prezentate principalele caracteristici pe care la are un
motor dotat cu un astfel de sistem de injecţie.
Injectoarele folosite sunt de construcţie specială, diferită de cele pentru
injecţia indirectă. Ele trebuie să lucreze în condiţii grele de presiune şi temperatură.
Problema principală care se pune este realizarea unei pulverizări cât mai fine dar
fără creşterea exagerată a presiunii. Pentru aceasta au fost încercate diferite
configuraţii ale 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 (Fig. 14.3). 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. Aceasta va fi
apoi introdusă în cilindrul motorului.
Tabelul 14.2. Sumarul caracteristicilor sistemului de injecţie directă propus de Mitsubishi
Caracteristici Tehnologii Componente
Economicitatea
++
Amestec sărac stratificat, tumble invers Raport de comprimare ridicat, răcire intermediară Ardere stoichiometrică cu procent ridicat de gaze recirculate
Injector cu swirl electromagnetic Cameră de ardere compactă Canalizaţie de admisie verticală
Puterea +
Canal ce admisie rectiliniu Răcirea încărcăturii prin evaporarea combustibilului Raport de compresie mare
Canal de admisie vertical Controlul formării amestecului
Răspunsul ++
Controlul momentului prin cantitatea de combustibil injectat (nu este influenţat de inerţia coloanei de aer)
Injecţie directă Obturator aer
Emisiile ± Ardere stabilă în condiţii de funcţionare cu procent ridicat de gaze recirculate
Control rapid şi precis al recirculării gazelor arse Control rapid şi precis al dozajului
Vibraţii şi zgomot ±
Compensarea forţelor de inerţie ale maselor aflate în mişcare de translaţie de către forţa gazelor mărită
Injector cu swirl electromagnetic Clapetă de aer
PARTEA III – REDUCEREA POLUARII
344
Fig. 14.3 Tipuri de orificii de pulverizare pentru injecţia directă.
Prin utilizarea acestei metode se îmbunătăţeşte substanţial fineţea pulverizării
şi de asemenea se facilitează evaporarea. Totodată creşterea presiunii jetului injectat
se poate realiza prin utilizarea de aer de înaltă presiune, soluţie tehnică mai la
îndemână decât injecţia de benzină de înaltă presiune.
În figurile 14.4 şi 14.5 sunt prezentate două injectoare realizate de Bosch şi
Siemens.
Fig. 14.4 Injector electromagnetic Bosch
Mijloace active de reducere a emisiilor poluante la MAI
345
Fig. 14.5 Injectorul motorului Renault F5R IDE 16V produs de Siemens
Potenţialul cel mai remarcabil al motorului cu injecţie directă, îl constituie
funcţionarea acestuia la sarcini parţiale şi la mersul în gol încet. Cu cât strategiile de
control al proceselor din motor sunt mai performante, cu atât rezultatele obţinute sunt
mai bune. În figura 14.6 este prezentat un model de strategie de control a formării
amestecului.
Fig. 14.6. Strategii de formare a amestecului
PARTEA III – REDUCEREA POLUARII
346
b) Consumul de combustibil Cel mai important obiectiv în realizarea motoarelor cu injecţie directă este
economicitatea. În figura 14.7 este prezentată comparativ reducerea consumului de
combustibil, relativ la un motor cu injecţie indirectă. Potenţialul teoretic al injecţiei
directe este clar demonstrat, cu scăderi ale consumului de combustibil cu 20% la
sarcini parţiale şi de până la 35% la mersul în gol încet. Injecţia de amestec aer-
combustibil poate realiza un consum de combustibil cu aproximativ 4% mai scăzut
faţă de injecţia simplă de benzină. Se observă că cele mai importante reduceri ale
consumului se realizează la mersul în gol încet şi la sarcini parţiale, în principal
datorită nivelului ridicat de stratificare a amestecului.
Cel mai spectaculos rezultat se obţine pentru mersul în gol încet datorită
modului diferit de realizare al controlului sarcinii. Pe lângă acţiunea clapetei de aer
(mult redusă de această dată) modificarea sarcinii se realizează prin varierea
cantităţii de benzină injectate pe ciclu.
La sarcină plină, când amestecul format este omogen, motorul cu injecţie
directă se comportă aproximativ identic cu cel cu injecţie indirectă.
Explicaţia consumului mai scăzut al injecţiei directe de amestec rezidă în mult mai
buna vaporizare, care prin durata ei redusă în timp permite o ardere mai completă,
deci un randament superior al arderii.
Fig. 14.7 Îmbun ionare,
relativ la motorul cu injec
benzină, ID – injecţie directă de benzină).
ătăţirea consumului de combustibil la diferite regimuri de funcţ
ţie multipunct (IDA – injecţie directă de amestec aer-
Mijloace active de reducere a emisiilor poluante la MAI
347
c) Emisiile motoarelor cu injecţie directă de benzină Situaţia emisiilor pentru aceste motoare este puternic afectată de regimul de
ardere complet diferit faţă de motorul cu injecţie indirectă şi amestec omogen.
La funcţionarea la mersul în gol încet, motorul cu injecţie directă are un nivel de
emisii de HC cu 50% mai redus datorită evitării udării pereţilor, a pătrunderii
combustibilului în interstiţii şi vitezei mare de ardere. Regimurile de funcţionare cu un
nivel crescut de HC sunt mersul în gol încet şi la sarcini parţiale datorită timpului
extrem de scurt avut la dispoziţie pentru formarea amestecului ceea ce determină
arderea combustibilului direct din starea de picături, deci o viteză de ardere scăzută.
Folosirea recirculării gazelor arse determină după cum era de aşteptat creşterea
substanţială a emisiilor de HC.
Emisiile de NOx ale motoarele cu injecţie directă, atât în cazul injecţiei de
benzină cât şi de emulsie benzină-aer, sunt semnificativ 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 aproximativ50 % fără recircularea gazelor de evacuare şi de până
la 90% cu recirculare. Cu toate că nivelul emisiilor de NOx este semnificativ redus,
principala problemă a motoarelor cu injecţie directă rămâne reducerea în continuare
a acestora. Datorită coeficientului de exces de aer global supraunitar aplicarea
catalizatorilor cu trei căi obişnuiţi este neeficientă, motiv pentru care tratarea gazelor
arse devine o problem şi nivelul redus
al temperaturii acestora.
d) Tratarea îmbunătăţiri în
tehnologia de tratare viitoarele limitele de emisii.
Pentru încadrarea emisiilor de NO inerea unui randament
al arderii de 65-75% ri. Sunt explorate o serie de
că ţi şi metale
preţ i sisteme de stocare
şi filtrare a NOx.
În prezent sunt puţine date publicate care să sugereze faptul ca eficienţa
conversiei şi durabilitatea catalizatorilor de reducere a NOx convenţionali sunt
compatibile cu cerinţele viitoare.
ă dificil de rezolvat, mai ales dacă considerăm
gazelor arse la MAS cu injecţie directă Folosirea amestecurilor sărace şi stratificate necesită
a gazelor arse pentru încadrarea în
x în limite este necesară obţ
şi chiar mai mult pentru hidrocarbu
i pentru tratarea gazelor printre care catalizatori de reducere cu zeoli
ioase, pentru regimurile de funcţionare cu amestec sărac, ş
PARTEA III – REDUCEREA POLUARII
348
O altă soluţie care promite sunt dispozitivele de stocare a NOx care pot capta
NOx când gazele de evacuare sunt bogate în oxigen şi îi pot converti în timpul
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.
O metodă pentru controlarea creşterii de putere este regalarea aprinderii cu
întârziere mare, perioada de întârziere trebuie atent calibrată pentru a menţine
valoarea momentului motor. Din nefericire, sensibilitatea motorului cu injecţie directă
cu amestec stratificat faţa de momentele injecţiei şi aprinderii face practic imposibilă
aplicarea acestei metode. Este posibilă combinarea utilizării unei supape de
recirculare a gazelor arse cu comandată electronică şi clapetă de aer cu acţionare
electrică pentru a realiza îmbogăţiri ale amestecului. Această metodă necesită o
calibrare extrem de precisă a sistemului de comandă.
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 14.8. 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. 14.8 Sistem de tratare al gazelor arse cu plasmă. Eficienţa conversiei pentru un
dozaj aer-combustibil 38:1
Mijloace active de reducere a emisiilor poluante la MAI
349
14.1.4. Instalaţia de aprindere O metodă importantă de creştere a perfecţiunii procesului de ardere, în
special în cazul amestecurilor sărace o constituie îmbunătăţirea aprinderii în sensul
scăderii întârzierii la aprinderii şi a probabilităţii de aprindere. De-a lungul timpului au
fost concepute o varietate mare de sisteme de aprindere, câteva dintre cele mai
importante vor fi enumerate mai jos.
14.1.4.1. Sistemul PJC – aprinderea cu jet de flacără Iniţialele provin de la prescurtarea denumirii în limba engleză Pulsed Jet
Combustion, sistem care este cunoscut şi sub denumirea de “Aprinderea cu jet de
flacără”.
În cazul acestui sistem, aprinderea se produce într-o antecameră, care este
separată de camera principală de ardere de deasupra pistonului şi comunică cu
aceasta 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 multe jeturi de flacăra în camera principală, jeturi care au o suprafaţă
substanţială şi care pot aprinde amestecuri foarte sărace într-o manieră repetabilă.
Au fost dezvoltate mai multe sisteme diferite pentru atingerea acestui obiectiv, unele
dintre acestea au fost utilizate în motoarele cu aprindere prin scânteie de serie.
Cele trei si sunt prezentate în cele
de mai jos. Figura 14.9 prezint simplu tip de aprindere cu
jet de flacără ă torţă (torch cell).
Cavitatea nu are supap i un fel de determinare
a cantităţii de combustibil ce p
steme majore de aprindere cu jet de flacără
ă un exemplu al celui mai
, concept care este cunoscut sub denumirea de celul
ă separată, deci este nebaleiată, şi nic
ătrunde în antecameră.
PARTEA III – REDUCEREA POLUARII
350
Fig.14.9 Sistemul de aprindere cu jet de flacără “torch cell”.
Funcţia cavităţii de turbionare este de a mări viteza iniţială de creştere a
frontului de flacără imediat după descărcarea electrică a bujiei, prin faptul că flacăra
se va dezvolta într-o zonă cu o turbionare mai intensă decât în volumul camerei de
ardere. Jetul sau jeturile de flacără care ies din cavitate generează o mare suprafaţă
iniţială a frontului de flacără, pentru iniţierea facilă a procesului de ardere în masa
principală a amestecului din cameră.
O altă variantă a acestui sistem prevede incorporarea cavităţii de turbionare în
corpul bujiei. Au fost dezvoltate sisteme cu volume de antecameră variind între 20 %
şi mai puţin de 1% din volumul total al camerei de ardere.
O problemă majoră constă în faptul că antecamera nu este niciodată spălată
de încărcătura proaspătă. Din acest motiv coeficientul gazelor reziduale din
antecameră este cu mult superior faţă de media generală pentru întregul volum al
camerei de ardere.
Fig. 14.10 Procedeul de aprindere cu jet de flacără cu camera divizată nebaleiată.
Mijloace active de reducere a emisiilor poluante la MAI
351
În figurile 14.10 şi 14.11 sunt exemplificate două variante de camere de
ardere cu antecameră, cu amestec stratificat şi aprindere cu jet de flacără. La aceste
soluţii amestecul din antecameră este îmbogăţit prin adaos de combustibil, astfel, că
în momentul descărcării bujiei amestecul din antecameră este uşor îmbogăţit.
Procesul iniţial de ardere din antecameră se produce astfel mai repede şi mult mai
repetabil. Volumul antecamerei este de obicei între 20 şi 25 % din volumul total al
camerei de ardere.
În cazul sistemului prezentat în figura 14.10 camera nu este baleiată. Astfel se
menţine dezavantajul sistemului din figura 14.9 şi coeficientul gazelor reziduale, în
antecameră este ridicat. Prin aplicarea unei supape suplimentare, cazul sistemului
din figura 14.11, acest dezavantaj este înlăturat. Soluţia determină complicaţii
constructive, apărând necesitatea unui al doilea sistem de alimentare, care să
furnizeze amestec îmbogăţit către antecameră. Antecamera este baleiată foarte
eficient, coeficientul gazelor reziduale atât pentru antecameră cât şi generalizat pe
tot volumul camerei de ardere este redus faţă de cazurile precedente.
Numărul şi dimensiunile orificiilor de legătură dintre antecameră şi camera
principală de ardere au o importanţă mare asupra dezvoltării flăcării în camera
principală. Două variante sunt prezentate în cele ce urmează. În figura 14.12a
numărul orificiilor este redus, de asemenea şi dimensiunile acestora. Se generează
astfel jeturi cu penetrabilitate mare favorizând viteza de ardere, cresc totuşi pierderile
gazodinamice la trecerea prin canalele de legătură; antecamera are un volum de 2-
3% din volumul total al camerei de ardere.
Fig. 14.11 Procedeul de aprindere cu jet de flacără cu camera divizată baleiată.
PARTEA III – REDUCEREA POLUARII
352
În cazul invers, prezentat în figura 14.12b, în care numărul şi dimensiunile
orificiilor de legătură sunt mari, jeturile au o penetrabilitate mai redusă. Viteza de
ardere este mai redusă decât în cazul precedent. Această soluţie a fost utilizată şi la
motorul Honda CVCC. Volumul antecamerei este de această dată de 5-12% din
volumul total al camerei de ardere.
Toate aceste sisteme extind limita de funcţionare cu amestecuri sărace a
motoarelor cu până la câteva unităţi. De exemplu, soluţia cu cameră nebaleiată şi
fără sistem auxiliar de injecţie (figura 14.9) 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 λ∈[1,1÷1,3]. Totuşi la toate aceste sisteme
de aprindere cu jet de flacără suntem penalizaţi de creşterea pierderilor de căldură
către pereţi, datorită creşterii raportului S/V al camerei de ardere, şi creşterii vitezelor
de curgere.
Fig. 14.12a şi 14.12b Posibilităţi de comunicare între camera divizată şi camera
principală.
Un dispozitiv special pentru iniţierea aprinderii amestecurilor aer-benzină este
prezentat în figura 14.13. Acesta poartă denumirea de Generator de jet de flacără
(Flame Jet Generator). El constă dintr-o bujie, incorporând o cavitate de 0,5 cm3
(fabricată de IRKS – Polonia) şi o supapă Servojet (produsă de BKM Inc. – San
Diego SUA).
Mijloace active de reducere a emisiilor poluante la MAI
353
Fig. 14.13 Generator de jet de flacără.
În figura 14.13 au fost folosite următoarele notaţii:1-injector aer-combustibil, 2-
supapă, 3-conductă combustibil, 4-terminal de înaltă tensiune, 5-izolator, 6-corpul
bujiei, 7-cavitate, 8-electrod, 9-electrod de masă, 10-orificiu de ieşire.
1.1.4.2. Sistemul APIR Denumirea provine de la iniţialele ˝Auto-Inflamation Pilotée par Injection de
Radicaux˝, ceea ce însemnă Autoaprindere iniţiată de injecţia de radicali. Acest
concept încearcă combinarea avantajelor oferite atât de motoarele cu aprindere prin
scânteie cât şi de cele cu aprindere prin comprimare.
Sistemul a fost dezvoltat in Franţa, la Universitatea din Orleans.
Fig. 14.14 Dispozitivul APIR
Aplicarea acestui sistem la un motor standard cu aprindere prin scânt
conduce la îmbunătăţirea semnificativă a performanţelor de aprindere
ine o diminuare dramatică a dispersiei ciclice, aprinderea ş
eie
şi ardere. Se
obţ i arderea se produc cu
viteze şi cu o repetabilitate incomparabil mai bune faţă de cazul utilizării bujiei. Un alt
avantaj important îl constituie extinderea limitei de funcţionare cu amestecuri sărace.
PARTEA III – REDUCEREA POLUARII
354
Un câştig interesant îl constituie şi reducerea consumului de combustibil pentru
funcţionarea la ralanti şi la sarcini reduse.
Principalul dezavantaj, ce urmează a fi eliminat în dezvoltările ulterioare, îl
constituie emisiile de hidrocarburi nearse, mai mari decât la folosirea sistemelor
convenţionale de aprindere. Faţă de poluarea datorată arderii parţiale şi neaprinderii
amestecului, în cazul utilizării APIR geneza hidrocarburilor nearse este localizată
putând fi astfel uşor de eliminat.
Sistemul APIR rămâne în tradiţia motoarelor cu amestecuri stratificate datorită
antecamerei. Amestecul bogat, apropiat de limita de inflamabilitate, este introdus în
antecameră. Amestecul este fie benzină-aer fie gaz-aer. În timpul cursei de
comprimare, o anumită cantitate de amestec sărac curge dinspre camera principală
spre antecameră. Astfel în momentul iniţierii scânteii în antecameră, amestecul este
ceva mai sărac faţă de cel iniţial injectat. Mai mult decât atât, gazele reziduale din
antecameră nu trebuie să deterioreze procesul de iniţiere a aprinderii. Arderea
incompletă a amestecului bogat în antecameră (fig. 14.15) induce o creştere
puternică a presiunii şi o varietate mare de produşi intermediari de ardere .
Fig. 14.15 Aprinderea în antecameră
Până în acest moment al descrierii procesului, APIR-ul nu se deosebeşte faţă
de PJC. Partea novatoare a APIR-ului, constă în diametrul orificiilor de legătură între
antecameră şi camera principală de ardere. Diametrul acestora este, în mod
deliberat, de maxim 1 mm. Pentru acest concept orificiile cu diametru redus sunt
obligatorii din următoarele motive:
Pe de o parte, diametrul redus al orificiilor împiedică propagarea către camera
principală şi previne reapariţia flăcării în vârtejul jetului ce se formează la ieşirea din
antecameră precum în cazul PJC-ului;
Mijloace active de reducere a emisiilor poluante la MAI
355
Pe de altă parte 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;
Al treilea obiectiv constă în 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.
Astfel, datorită multiplelor orificii înguste, camera principală este ˝însămânţată˝
cu produşi intermediari de ardere din antecameră (fig. 14.16). Cursa de comprimare
permite condiţii termodinamice şi chimice satisfăcătoare în câteva zone preferenţiale
în care se găsesc radicali. ˝Însămânţarea¨ cu radicali 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 (fig.14.17). Astfel, momentul
˝însămânţării˝ poate fi controlat cu precizie. Raportul de comprimare utilizat în cazul
sistemului APIR variază în intervalul 10 -14.
Fig. 14.16 “ Însămânţarea” cu radicali a camerei principale de ardere.
Fig. 14.17 Formarea mai multor nuclee de aprindere în sistemul APIR.
PARTEA III – REDUCEREA POLUARII
356
Fig. 14.18 Propagarea fronturilor de flacără multiple.
Motorul APIR este relativ diferit de motorul cu aprindere prin scânteie. Arderea
cantităţii principale de combustibil este asigurată de mai multe fronturi de flacără (fig.
14.18).
Contrar aprinderii cu scânteie şi altor sisteme neconvenţionale de aprindere,
în cazul APIR, cursa de comprimare este absolut necesară pentru autoaprindere şi
ardere în camera principală de ardere.
Calitatea arderii asigurată de dispozitivele PJC şi de APIR pare a fi identică,
comparativ cu rezultatele obţinute cu un sistem de aprindere convenţional, cu bujie.
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.
Un motor cu sistem APIR nu este asemănător cu motorul cu aprindere prin
ă o succesiune relativ
lungă de paş te întârziere la autoaprindere. În cazul
sistemului APIR se arde un ames arderi difuzive, multiple
fronturi de flacără rderea amestecului
preformat permite o sc a nivelului fumului din gazele de
evacuare.
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. au fost făcute experimente cu diametre ale orificiilor de 0,5-0,8 mm al
căror număr a variat între 1-9. Toate aceste configuraţii conduc la acelaşi
comportament al arderii.
comprimare. Autoaprinderea la motorul Diesel se produce dup
i, într-un interval ce se numeş
tec preformat. În locul unei
trec prin zone cu amestec preformat. A
ădere considerabilă
Mijloace active de reducere a emisiilor poluante la MAI
357
În lumina discuţiei de mai sus, sistemul APIR poate fi definit ca fiind o
combinare a unor concepte anterioare cu excepţia utilizării orificiilor de legătură
extrem de reduse între antecameră şi camera principală de ardere pentru a
dezactiva complet compuşii intermediari ai arderii şi expulzarea lor departe în
camera principală de ardere. Succesiunea de paşi între declanşarea procesului
(scânteia în antecameră) şi procesul de ardere dorit este redusă comparativ cu cazul
motorului cu aprindere prin comprimare. Faza de ardere este mai bine asigurată
decât în cazul motorului cu aprindere prin scânteie. Astfel conceptul APIR permite
combinarea 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.
14.1.4.3. Aprinderea cu jet de plasmă
Folosirea amestecurilor puternic sărăcite determină probleme de
inflamabilitate a amestecului, în cazul folosirii sistemelor de aprindere convenţionale.
O metodă sigură de a creşte probabilitatea de aprindere a amestecului este
creşterea aportului energetic al sistemului de aprindere. Folosirea plasmei asigură o
creştere semnificativă a energiei de aprindere.
Bujia cu plasmă este executată dintr-o bujie normală la care se modifică forma
electrozilor (fig. 14.19). Cel de masă este înlocuit cu o placă metalică cu un orificiu
de 2mm. Electrodul central este parţial găurit şi ca rezultat se formează 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.
Ca principale avantaje se pot enumera: reducerea întârzierii la aprindere,
posibilitatea aprinderii amestecurilor sărace şi nu în ultimul rând faptul că implică
modificări minore pentru aplicarea unui motor de serie.
Problema majoră care de altfel a împiedicat folosirea acestui dispozitiv de aprindere
în producţia de serie este durabilitatea. Datorită temperaturilor mari şi a energiei
cinetice mari a jetului de plasmă uzura electrozilor, în special a celui de masă este
foarte pronunţată.
PARTEA III – REDUCEREA POLUARII
358
Fig. 14.19 Bujie cu plasmă.
14.2. MIJLOACE DE REDUCERE ACTIVĂ A EMISIILOR POLUANTE LA MAC
Motorul cu aprindere prin comprimare prezintă serioase rezerve de optimizare
pentru îmbunătăţirea parametrilor energetici şi ecologici.
Datorită faptului că funcţionează cu un consum redus de combustibil emisiile
de CO2 sunt reduse şi este de aşteptat ca pe viitor acest tip de motor să-şi extindă
utilizarea în tracţiunea rutieră.
Mijloacele de reducere activă a emisiilor poluante vizează în primul rând
perfecţionarea proceselor care au loc în motor.
Formarea poluanţilor în motorul cu aprindere prin comprimare este influenţată
de particularităţile proceselor de formare a amestecului aer-combustibil şi de ardere.
În acest caz trebuie să se acţioneze asupra procesului de schimb de gaze, camera
de ardere şi procesul de injecţie a combustibilului.
Supraalimentarea şi răcirea intermediară a încărcăturii proaspete pot influenţa
pozitiv asupra nivelului de emisii nocive.
Recircularea gazelor arse are rolul de a inhiba formarea oxizilor de azot.
Mijloace active de reducere a emisiilor poluante la MAI
359
14.2.1. Procesele de formare a amestecului aer combustibil şi arderea
La motorul cu aprindere prin comprimare procesele de formare a amestecului
aer-combustibil şi arderea sunt greu de controlat pe de o parte datorită timpului scurt
în care acestea au loc iar pe de altă parte datorită suprapunerii parţiale a acestor
procese.
Energia cinetică necesară formării amestecului aer-combustibil este dată de
energia cinetică a aerului şi de energia cinetică a jetului de combustibil. La o anumită
stare termodinamică accelerarea şi favorizarea proceselor legate de formarea
amestecului este determinată de nivelul energetic atins de cele două fluide (aer şi
combustibil) în diferitele momente ale proceselor. Întregul proces are un pronunţat
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 (turbulenţă) 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.
Motoarele avansate tehnologic posedă un management electronic care poate
controla procesele de formare a amestecului şi de ardere în funcţie de parametrii
funcţionali ai motorului.
14.2.1.1. Procesul de schimb al gazelor
Procesul de schimb al gazelor la motorul cu aprindere prin comprimare poate
influenţa decisiv procesele ce se desfăşoară în cilindrii motorului (formarea
amestecului şi arderea).
Canalizaţia de admisie determină la nivelul macroscărilor încărcăturii
proaspete intensitatea mişcărilor tangenţiale (de vârtej - swirl) care va influenţa
nivelul energetic al procesului de formare a amestecului aer-combustibil.
PARTEA III – REDUCEREA POLUARII
360
Cerinţele de funcţionare optime a motorului impun amplificarea mişcării de
vârtej ale încărcăturii proaspete la turaţii reduse ceea ce implică utilizarea unui canal
de admisie elicoidal.
Fig. 14.20 Generarea mişcării de vârtej a încărcăturii cu ajutorul canalului de admisie
elicoidal.
Creşterea intensităţii mişcării de vârtej prin 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).
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
Mijloace active de reducere a emisiilor poluante la MAI
361
Canalul deadm isietangential
Canalul deadm isieelicoidal
Fig. 14.21 Dispunerea canalelor de admisie. Canalele de admisie Canalele de evacuare
Prezoanelepentrufixareachiulasei
Fig. 14.22 Dispunerea supapelor de admisie şi evacuare pe cilindru
Clapeta deschisa(raport de vartej mic)
Clapeta inchisa (raport de vartej mare)
Fig. 14.23 Reglarea raportului de vârtej prin controlul secţiunii canalului tangenţial.
Modificarea cifrei de vârtej se poate realiza fie prin controlul secţiunii de intrare
a canalului de admisie elicoidal fie prin controlul secţiunii canalului tangenţial.
PARTEA III – REDUCEREA POLUARII
362
Prezenţa clapetei de control pe traiectul canalelor de admisie determină
scăderea coeficientului de umplere al motorului.
În figura 14.24 se prezintă variaţia raportului de vârtej şi a coeficientului global
al pierderilor gazodinamice în funcţie de ridicarea supapei şi de obturarea unui canal.
Canalele de admisie deschiseUn canal descis
Ridicarea supapei [mm]
Coe
ficie
nt d
e de
bit
Rap
ort d
e va
rtej
Fig. 14.24 Influenţa ridicării supapei şi a obturării unui canal de admisie
La nivelul microscărilor încărcăturii proaspete trebuie să se acorde o
deosebită atenţie mişcărilor turbulente induse 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.
O altă măsură tehnică care poate influenţa pozitiv funcţionarea motorului şi
diminua emisiile poluante o constituie aplicarea distribuţiei variabile a gazelor.
14.2.1.2. Camera de ardere
La motoarele Diesel cu injecţie directă s-au utilizat două tipuri de cameră
divizată: antecameră şi camera de turbulenţă (de vârtej). Cu toate că motoarele
Diesel cu cameră divizată sunt mai puţin sensibile la imperfecţiunile procesului de
formare a amestecului, există numeroase limite ale acestui tip de motor care au
condus la perfecţionarea motorului Diesel cu cameră unitară. Aceste limite se referă
în primul rând la:
Mijloace active de reducere a emisiilor poluante la MAI
363
1. Pierderi mari de căldură prin pereţii camerei de ardere ceea ce impune
utilizarea unor rapoarte mari de comprimare;
2. Utilizarea unor coeficienţi de exces de aer inferiori motorului cu cameră
unitară (consum de combustibil şi emisii de CO2 ridicate);
3. Posibilităţi reduse de optimizare a proceselor din motor prin utilizarea noilor
dezvoltări tehnologice.
Motorului cu injecţie directă, datorită economicităţii ridicate i-au fost aduse
îmbunătăţiri constructive care să răspundă normelor de poluare.
Forma camerei de ardere la motorul Diesel cu injecţie directă diferă de la firmă
la firmă şi în cadrul aceleiaşi firme de la un tip de motor la altul în funcţie de
caracteristicile constructive şi de exploatare.
Camerele de ardere întâlnite la motoarele Diesel cu injecţie directă sunt:
sferice, cilindrice, pătrate, în formă de "ω".
Predomină totuşi formele de cameră "ω" datorită particularităţilor mişcării
încărcăturii proaspete în formă de tor.
Gradul de amplificare al mişcărilor încărcăturii proaspete la sfârşitul cursei de
comprimare depinde de: gradul de deschidere al camerei de ardere definit prin
raportul dintre diametrul de intrare al camerei de ardere şi alezajul cilindrului, forma şi
înălţimea deschiderii camerei de ardere, adâncimea camerei de ardere, forma
camerei de ardere, existenţa renurilor de turbulenţă, etc.
2 3 41
Fig. 14.25. Variante de cameră de ardere tip ω
14.2.1.3. Injecţia combustibilului
Un element cheie al motorului Diesel din punct de vedere energetic şi ecologic
este echipamentul de injecţie.
PARTEA III – REDUCEREA POLUARII
364
În mod normal un sistem clasic de injecţie a combustibilului cuprinde o pompă
de înaltă presiune (cu elemenţi în linie sau cu distribuitor rotativ) şi un injector care
realizează pulverizarea combustibilului în camera de ardere.
Echipamentul de injecţie prin caracteristicile sale constructive determină
parametrii de calitate ai jetului de combustibil şi parametrii temporali de desfăşurare
ai acestuia.
Calitatea pulverizării combustibilului în camera de ardere poate fi apreciată
prin: fineţea pulverizării, omogenitatea pulverizării, penetraţia şi dispersia jetului de
combustibil. Calitatea pulverizării depinde de: presiunea de injecţie, viteza
combustibilului prin orificiile de ieşire, diametrul şi lungimea orificiilor de pulverizare.
Parametrii temporali de desfăşurare ai procesului de injecţie se referă în
primul rând la momentul începerii procesului de injecţie în raport cu ciclul motor, la
durata procesului de injecţie şi la legea de injecţie. Aceşti parametri depind în primul
rând de caracteristicile constructive ale pompei de injecţie şi în al doilea rând de
caracteristicile constructive ale pulverizatorului injectorului.
La sistemele clasice de injecţie se poate corecta caracteristica de injecţie prin
intermediul unor dispozitive mecanice, hidraulice sau pneumatice. Corecţia se
realizează după legi simple.
Dezvoltarea motoarelor Diesel de turaţie ridicată a scos în evidenţa faptul ca
echipamentele de injecţie clasice nu mai fac faţă cerinţelor de formare optimă a
amestecului aer-combustibil pentru fiecare regim de funcţionare al motorului, atât din
punct de vedere energetic cât şi din punctul de vedere al emisiilor poluante.
În aceste condiţii s-a acţionat în primul rând în mai multe etape asupra
injectorului prin modificarea numărului, diametrului şi lungimii orificiilor de pulverizare,
eliminarea sacului injectorului, micşorarea maselor în mişcare (ac, tije, talere, etc.)
pentru a mări viteza de ridicare a acului pulverizatorului, mărirea presiunii de
deschidere a injectorului. Aceste intervenţii au vizat îmbunătăţirea calităţii pulverizării
combustibilului. O altă măsură constructivă care a dus la diminuarea emisiilor de
zgomot datorate arderii şi a emisiilor poluante a constituit-o injectorul cu două arcuri
la care injecţia combustibilului se desfăşoară în două faze. Prima fază a injecţiei
(injecţia pilot) începe prin învingerea rezistenţei primului arc cu forţa corespunzătoare
presiunii de injecţie de 16 până la 18 MPa şi o ridicare a acului de 0,02 până la 0,06
mm. Combustibilul injectat în această fază suferă transformări fizice şi chimice
constituind nuclee fizice de autoaprindere la injecţia dozei principale de combustibil.
Mijloace active de reducere a emisiilor poluante la MAI
365
În faza a doua a injecţiei se învinge rezistenţa celui de-al doilea arc prin forţa dată de
o presiune de 32 - 35 MPa. Ridicarea acului injectorului în această fază este de 0,2 -
0,3 mm.
Fig. 14.26 Injectorul cu pulverizare în două faze. 1. Corpul injectorului;
2. Şaibă de reglaj;
3. Arcul primei faze;
4. Taler;
5. Şaibă de reglaj pentru faza principală;
6. Arcul celei de-a doua faze;
7. Tija acului;
8. Talerul acului;
9. Piesă intermediară;
10. Acul pulverizatorului;
11. Corpul pulverizatorului;
12. Piuliţa pulverizatorului.
Utilizarea pulverizării combustibilului în două faze determină datorită
optimizării proceselor de formare a amestecului şi de ardere o reducere a emisiilor
de hidrocarburi nearse cu 15 - 20%, a oxizilor de azot de 10 - 15% faţă de motoarele
dotate cu injectoare clasice.
Sistemele de reglare ale pompei de injecţie clasică de tip mecanic, hidraulic
sau pneumatic acţionează după legi simple, au elemente cu o inerţie ridicată iar
forţele de frecare între elemente au valori ridicate. De aceea s-a apelat la utilizarea
sistemului de reglare a pompei de injecţie electronic.
Sistemele electronice de control au un volum de funcţii mult mai ridicat decât
la sistemele clasice şi realizează separarea funcţiei de dozare de funcţiile de reglaj.
Sistemele de control electronic ale pompelor de injecţie au următoarele funcţii de
reglare:
• Corectarea dozei de combustibil funcţie de caracteristica de sarcină şi turaţie
a motorului;
PARTEA III – REDUCEREA POLUARII
366
• Asigură o caracteristică de debit de injecţie corectată în funcţie de
temperatura lichidului de răcire;
• Asigură valori ale debitului pe ciclu şi moment de început al injecţiei precis
debitul regimului de mers în gol independent de încărcare;
ţiei;
teza de deplasare a autovehiculului;
debitul gazelor recirculate;
debitul de combustibil funcţie de presiunea de supraalimentare;
debitul de combustibil funcţie de altitudine;
mportamentul dinamic al motorului;
manda electronică a echipamentului de injecţie (pedală de
ă);
Fig. 14.27 Pompa cu rotor
distribuitor cu regulator
electronic.
1. Senzor de cursă;
2. Dispozitiv de reglare debit;
3. Electrovalvă de oprire;
4. Piston de pompare;
5. Electrovalvă pentru începutul
injecţiei;
6. Tija regulatorului;
7. Variator de avans.
Următorul pas în dezvoltarea echipamentului de injecţie a fost sistemul de
injecţie cu rampă comună de înaltă presiune (Common Rail). Acest sistem se
caracterizează printr-o înaltă flexibilitate. Pompa de înaltă presiune are numai rolul
de a ridica în rampa comună presiunea combustibilului la nivelul presiunii de injecţie.
Momentul de început, durata injecţiei nu mai de depind de forma unei came ci ele pot
fi modelate în funcţie de semnalul primit de injectorul cu deschidere electromagnetică
de la unitatea electronică de control. Doza de combustibil şi parametrii procesului de
injecţie sunt stabiliţi în funcţie de parametrii funcţionali ai motorului.
stabilite;
• Reglează
• Reglează avansul injec
• Reglează vi
• Reglează
• Reglează
• Corectează
• Reglează co
• Asigură co
acceleraţie electronic
Mijloace active de reducere a emisiilor poluante la MAI
367
Pentru îmbunătăţirea calităţii amestecului aer combustibil pe întreaga plajă a
regimurilor de funcţionare ale motorului trebuie ca şi jeturile de combustibil să
îndeplinească condiţiile de calitate în corelaţie cu mişcarea aerului din cilindrii şi cu
forma camerei de ardere.
Una din măsuri o constituie mărirea presiunii de injecţie care la sistemele
clasice este dificil de realizat datorită complicaţiilor constructive. Pompa injector
poate realiza condiţiile de presiune ridicată însă nu poate beneficia de controlul
electronic.
În figura 14.28 se prezintă comparativ variaţia presiunii de injecţie funcţie de
turaţia motorului. S-au comparat presiunile de injecţie date de: o pompă de injecţie
cu distribuitor rotativ cu control electronic (Bosch VP37), o pompă de injecţie cu
pistoane radiale (Bosch VP44) şi un sistem cu rampă comună (Bosch Common Rail).
Turatia motorului [min-1]
Potentialulsistemuluicurampa comuna
Sitemulcu rampa comunacalibrat
Pres
iune
de
inje
ctie
max
ima
[MPa
]
Fig. 14.28 Variaţia presiunii de injecţie maxime în funcţie de turaţia motorului
Se remarcă faptul că sistemul de injecţie cu rampă comună oferă presiuni de
injecţie mai ridicate pe întreaga gamă de funcţionare a motorului şi ca există
posibilităţi de creştere şi de menţinere la valori ridicate a presiunii de injecţie şi la
turaţii reduse de funcţionare ale motorului.
Sistemul de injecţie cu rampă comună are o structură mecanică relativ simplă
(fig. 14.29)
PARTEA III – REDUCEREA POLUARII
368
Rezervor de combustibil
senzor Rampa comuna supapa siguranta
Injectoare
lim itatorde debit
ECUsenzori
pompa electrica decombustbil
pompa de inalta presiune cu regulator de presiune
filtru
Fig. 14.29 Sistemul de injecţie cu rampă comună
Motorina este preluată din rezervorul de combustibil de către pompa de
presiune şi refulată în rampa comună. Pompa de presiune este prevăzută cu trei
pistonaşe plonjoare dispuse radial. Pistonaşele sunt acţionate de către o camă de
înălţime mică prin intermediul unor tacheţi cu rolă. Pistonaşele plonjoare au o
dispunere simetrică pentru a se evita introducerea de unde de presiune de
amplitudine ridicată în volumul rampei comune. Pompa de presiune preia puterea
necesară comprimării combustibilului de la arborele cotit al motorului.
Mijloace active de reducere a emisiilor poluante la MAI
369
Alimentarea cu combustibil
Retur spre rezervor
Conexiuneacu regulatorulde presiune
Conexiuneacu rampa deinalta presiune
Supapa desiguranta
Supapa pentrucontroluladmisiei
Fig. 14.30 Schema pompei de înaltă presiune
Pompa de înaltă presiune este prevăzută cu un regulator de presiune. Acesta
are rolul de a modifica nivelul presiunii combustibilului din rampa comună. Reglarea
presiunii se realizează cu ajutorul unei supape electromagnetice a cărei ridicare este
în funcţie de intensitatea curentului de alimentare comandat de către unitatea
electronică de control (fig. 14.31).
Evacuare
Admisie
Fig. 14.31 Regulatorul de presiune al pompei de înaltă presiune
PARTEA III – REDUCEREA POLUARII
370
Fig. 14.32 Elementele injectorului cu deschidere electromagnetică
A- orificiu deschis sau închis prin acţionarea electromagnetului;
P- piston de control;
D- pulverizator;
Z- orificiu pentru alimentarea cu combustibil a pistonului de control.
Combustibilul sub presiune refulat de către pompa de înaltă presiune ajunge
în rampa comună. Volumul cuprins în tubulatura dintre pompa de înaltă presiune şi
injectoare (conducta de alimentare a rampei comune, rampa comună, conductele de
alimentare ale injectorului) serveşte drept acumulator de presiune. Acest volum are
rolul de a amortiza undele de presiune induse de către pompa de înaltă presiune. O
valoare inferioară valorii optime a volumului amplifică undele de presiune induse de
către pompa de presiune, o valoare superioară valorii optime a volumului măreşte
timpul de răspuns la variaţiile de presiune cerute de funcţionarea motorului la
regimurile tranzitorii (la un motor cu cilindree de 2l volumul de acumulare este de 30-
40 cm3).
Rampa comună este prevăzută cu un senzor piezoelectric care emite un
semnal spre unitatea electronică de control (UEC) indicând nivelul de presiune din
aceasta. UEC compară valoarea semnalului primit cu valoarea memorată conformă
cu regimul de funcţionare al motorului. Dacă valoarea măsurată diferă de valoarea
memorată, atunci UEC emite un semnal spre regulatorul de presiune al pompei de
Mijloace active de reducere a emisiilor poluante la MAI
371
înaltă presiune, unde un orificiu de descărcare poate fi închis sau deschis după cum
presiunea din rampa comună trebuie mărită sau micşorată.
Sistemul de injecţie cu rampă comună este prevăzut cu injectoare cu
deschidere electromagnetică (fig. 14.32).
Circuitul electromagnetic de deschidere al injectorului este alimentat de către
unitatea electronică de control.
Momentul de început al injecţiei şi durata acesteia sunt stabilite de către UEC
prim compararea informaţiilor funcţionale ale motorului cu valorile memorate pentru
aceleaşi regimuri funcţionale.
Fig. 14.33 Unitatea electronică de control a injecţiei
PARTEA III – REDUCEREA POLUARII
372
Doza de combustibil pe ciclu este stabilită de către UEC pe baza valorii
presiunii combustibilului din rampa comună, durata injecţiei şi suprafaţa secţiunii
echivalente de curgere a combustibilului prin injector şi pulverizator.
Avantajul major al sistemului de injecţie cu rampă comună este flexibilitatea
acestuia care poate modifica legea de injecţie în funcţie de particularităţile regimului
de funcţionare al motorului.
Comanda electromagnetică a deschiderii injectorului poate asigura multiple
injecţii în diferite momente ale ciclului motor (figura 14.34).
Cu acest sistem se poate realiza injecţia pilot iar plasarea acesteia în ciclu
este independentă de caracteristicile sistemului de injecţie. Prin injecţia pilot se
introduce în cilindrii motorului o mică cantitate de combustibil (1-5 mm3) înaintea
pulverizării dozei principale, combustibilul introdus în această fază suportă
transformări fizice şi chimice asigurând centrii activi ai procesului de autoaprindere la
introducerea dozei principale. Prin injecţia pilot se pot controla procesele de formare
a poluanţilor chimici, se reduce zgomotul datorat arderii amestecului carburant şi se
îmbunătăţesc calităţile de pornire ale motorului la temperaturi reduse.
Cercetări recente au demonstrat că şi postinjecţia are efecte pozitive
(cantitatea de combustibil la postinjecţie este de 1-2 mm3). Postinjecţia se poate
plasa în cursa de destindere sau in cursa de evacuare şi are rolul de a asigura
reducerea NOx în convertorul catalitic şi de a reduce nivelul de particule din gazele
de evacuare.
Deschiderea acului injectorului aferentă injecţiei dozei principale poate fi
modulată în funcţie de parametrii funcţionali ai motorului şi de necesitatea reducerii
nivelului emisiilor poluante (fig. 14.35).
Zona dedeschidere Zona de
inchidere
Timp
Rid
icar
ea a
culu
i
Postinjectie
Injectieprincipala
Injectorcu douafazeInjectie
pilot
Fig. 14.34 Profilul ridicării acului injectorului la sistemul cu rampă comună
Mijloace active de reducere a emisiilor poluante la MAI
373
Timp [ms]
Rid
icar
ea a
culu
i [m
m]
Fig. 14.35 Modele ale curbei de ridicare a acului injectorului
Noi dezvoltări ale echipamentelor de injecţie prevăd injectoare de gabarit
redus care au pulverizatoare cu orificii de pulverizare din ce în ce mai mici.
1.2.2. Supraalimentarea MAC Supraalimentarea motoarelor cu aprindere prin comprimare se aplică pentru
îmbunătăţirea parametrilor de putere şi consum.
O modalitate eficientă de supraalimentare o constituie utilizarea
turbocompresorului.
Îmbunătăţirile tehnologice aduse turbinei cu gaze de presiune variabilă au
condus la o utilizare eficientă a energiei gazelor arse evacuate din motor pe întreaga
gamă de regimuri de funcţionare ale motorului.
O primă intervenţie a vizat utilizarea materialelor ceramice pentru rotorul
turbinei. Această modificare a permis reducerea inerţiei rotorului şi a dat posibilitatea
utilizării gazelor arse cu un nivel de temperatură mai ridicat.
La motoarele Diesel de turaţie ridicată "acordarea" agregatului de
supraalimentare cu motorul este dificilă. Acordarea la regimul de cuplu maxim
furnizează pentru regimul de putere nominală presiuni ridicate de supraalimentare
care sunt inacceptabile din punctul de vedere al rezistenţei motorului. Acordarea la
regimul de putere nominală induce o insuficienţa a debitului de aer livrat de către
compresor la turaţii scăzute şi la regimul cuplului maxim al motorului.
Pentru a elimina neajunsurile de acordare s-a introdus supapa de scăpare
(waste gate). În acest caz turbocompresorul este acordat la regimul cuplului maxim şi
se asigură aerul necesar funcţionării motorului la turaţii reduse iar pe intervalul de
PARTEA III – REDUCEREA POLUARII
374
turaţii dintre cuplul maxim şi puterea nominală, o parte din gazele arse sunt deviate
de către supapa de scăpare iar presiunea de supraalimentare se menţine constantă.
O soluţie constructivă care permite utilizarea eficientă a energiei gazelor de
evacuare la orice regim de funcţionare al motorului îl constituie turbina cu gaze cu
geometrie variabilă. La acest tip de turbină ajutajul este paletat iar unghiul dintre
palete poate fi modificat în funcţie de regimul de funcţionare al motorului printr-un
dispozitiv care primeşte semnalul de comandă de UEC. Prin supraalimentare
presiunile şi temperaturile caracteristice ciclului motor au valori mai ridicate
comparativ cu cele ale ciclului motorului cu aspiraţie naturală. În consecinţă emisiile
de CO şi HC se reduc iar emisiile de NOx cresc. Emisia de particule este mai redusă
datorită oxidării acestora pe timpul cursei de destindere şi evacuare datorită nivelului
de temperatură ridicat al gazelor arse.
Fig. 14.36 Schema turbinei cu geometrie variabilă.
14.2.3. Răcirea intermediară La motorul supraalimentat nivelul de temperatură al aerului reţinut în cilindrii
motorului este mult mai ridicat decât în cazul motorului cu aspiraţie naturală datorită
comprimării aerului în agregatul de supraalimentare.
Pentru a îmbunătăţi parametrii de putere ai motorului supraalimentat este
necesar ca densitatea încărcăturii să fie mărită. Aceasta se poate realiza prin răcirea
aerului pe traiectul dintre compresorul de supraalimentare şi intrarea în motor.
Răcirea aerului de supraalimentare se poate realiza cu schimbătoare de
căldură aer-aer sau aer-apă. Reducerea nivelului de temperatură al încărcăturii
proaspete reţinute în cilindrii motorului reduce şi temperatura de ardere, ceea ce va
conduce la emisii de NOx mai reduse.
Mijloace active de reducere a emisiilor poluante la MAI
375
14.2.4. Recircularea gazelor arse Motorul cu aprindere prin comprimare funcţionează cu amestecuri sărace,
deci gazele de evacuare sunt bogate în oxigen. Datorită conţinutului ridicat de
oxigen, oxizii de azot nu pot fi reduşi eficient în convertoarele catalitice pe baze de
metale preţioase Pt, Rh, Pd.
Măsura prin care se poate frâna procesul de formare a oxizilor de azot
prevede reintroducerea în camera de ardere a unei cantităţi de gaze arse care în
prealabil au fost răcite.
Gazele arse sunt inerte din punct de vedere chimic şi ele acţionează ca un
diluant al cantităţii de oxigen din camera de ardere, determinând modificări ale
dinamicii procesului de ardere şi în consecinţă micşorând temperatura de ardere.
Procesul de formare a oxizilor de azot este frânat pe de-o parte de diluţia
oxigenului (fenomen similar arderii amestecurilor bogate) iar pe de altă parte datorită
reducerii temperaturii de ardere.
Cantitatea de gaze arse reintrodusă în cilindrii motorului este reglată de UEC
în funcţie de parametrii care caracterizează regimul de funcţionare al motorului.
Recircularea gazelor arse are ca efect creşterea uşoară a emisiilor de CO, HC
şi particule (care pot fi diminuate cu dispozitive de tratare a gazelor arse: convertor
de oxidare şi filtru de particule) şi reducerea drastică a emisiilor de oxizi de azot.
PARTEA III – REDUCEREA POLUARII
376
Bibliografie [1] Abăităncei, D. şi alţii. - Motoare pentru Automobile şi Tractoare. - Editura
Tehnică, Bucureşti, 1978.
[2] Abăităncei, D. şi Bobescu, Gh. - Motoare pentru automobile. - Editura
Didactică şi Pedagogică, Bucureşti, 1975.
[3] Aligrot, C., Champooussin, J. C., Guerassi, N., Claus, G. - A correlative model
to predict autoignition delay of Diesel fuels. - SAE Paper 970638, 1997.
[4] Annand, W. J. D. - Heat Transfer in Reciprocating Internal Combustion
Engines. - Proceeding of the Institution of Mechanical Engineers, vol. 177, no.
36, pp. 973-990, 1963.
[5] Aoi, K. and all. - Optimization of Multi-Valve, Four Cycle Engine Design - The
Benefit of Five - Valve, - in Design of Racing and High Performances Engines,
SAE, PT-53, 860032, 1995.
[6] Apostolescu, N., Chiriac, R. - Procesul arderii în motorul cu ardere internă.
Economia de combustibil. Reducerea emisiilor poluante. - Editura Tehnică,
Bucureşti, 1998.
[7] Apostolescu, N., Taraza, D. - Bazele cercetării experimentale a maşinilor
termice.- Editura Didactică şi Pedagogică, Bucureşti, 1979.
[8] Arai, M., Tabata, M., Hiroyasu, H., Shimizu, M. - Disintegrating Process and
Spray Characterization of Fuel Jet Injected by a Diesel Nozzle. - SAE
International Congress and Exposition, Detroit, Michigan, SAE Paper, No.
840275, 1984.
[9] Aramă, C. şi Grünwald, B. - Motoare cu ardere internă. Procese şi
caracteristici. - Editura Tehnică, Bucureşti, 1966.
[10] Assanis, D. N. - A Computer Simulation of the Turbocharged
Turbocompounded Diesel Engine System for Studies of Low Heat Rejective
Engine Performance. - Ph. D. thesis, Massachusetts Institute of Technology,
Cambridge, 1985.
[11] Baert, R.S.G. - Autoignition of a Diesel spray at highs pressures and
temperatures. - SAE Paper 890417, 1989.
[12] Baev, B. K., Bazhaikin, A. N. and all. - Induction Time Measured For Ignition of
Liquid Fuel Jets in Air at High temperatures and Pressures. - in Dynamics of
Mijloace active de reducere a emisiilor poluante la MAI
377
Flame and Reactive Systems, Progress in Astronautics and Aeronautics, vol.
95, pp.554-562, AIAA, New York, 1984.
[13] Benson, R. - Internal Combustion Engines. - Pergamon Press, London, 1984.
[14] Bobescu, Gh.,şa - Tehnici speciale pentru reducerea consumului de
combustibil şi limitarea noxelor la autovehicule. - Universitatea din
Braşov,1989.
[15] Bobescu, Gh., şa - Motoare pentru automobile şi tractoare - Vol III. Editura
Tehnica - Info, Chişinău, 2000. ISBN 9975-63-015-4.
[16] Carapanayotis, M., Sălcudean, M. - Thermodynamic Simulation of a Two-
Stroke Direct-Injection Turbocharged Diesel Engine and Comparison with
Experimental Measurements. - Department of Mechanical Engineering,
University of British Columbia, Vancouver, B. C., Canada,1986.
[17] Cheng, C. Y. - Simulation for a Four-Stroke, Direct-Injection Diesel Engine.-
M.S. thesis, University of Rhode Island, Kingston, 1985.
[18] Chiru, A.,...Ispas, N., - Sur la corelation du debit de combustible injecte
pendent le cycle avec le coefficient d’excés d’air pour forcer le moteur 797-05.
A V-a Conferinţă de Motoare, Automobile, Tractoare şi Maşini Agricole,
Universitatea din Braşov, Braşov, 1985, Vol.I, p. 71-78.
[19] Cofaru, C., Ispas, N., - Cercetări privind îmbunătăţirea parametrilor energetici
la motorul Diesel supraalimentat. - A VI-a Conferinţă Naţională de
Autovehicule Rutiere, Piteşti, 1994, p.25-30.
[20] Cofaru, C., Ispas, N., - Cercetări privind optimizarea proceselor de formare a
amestecului şi arderii la motorul Diesel cu injecţie directă supraalimentat. - A
XIV Sesiune de comunicări ştiinţifice a cadrelor didactice, Academia Navală
“Mircea cel Bătrân”, Constanţa, Vol.I, p.535-546.
[21] Cofaru, C., Ispas, N., - Normele de poluare-cerinţe de bază în proiectarea şi
cercetarea motoarelor cu ardere internă forţate. - A VI-a Conferinţă Naţională
de Autovehicule Rutiere, Piteşti, 1994, p.135-110.
[22] Cofaru, C., Ispas, N., - Studii şi cercetări privind îmbunătăţirea proceselor de
schimb de gaze la motoarele Diesel supraalimentate. - A VI-a Conferinţă
Naţională de Autovehicule Rutiere, Piteşti, 1994, p.31-35.
[23] Cofaru, C., Ispas, N., - The effects of intake system on performances and
emission levels of a supercharged D.I.engine. - 8th Conference with
international participation - CONAT ’96, Braşov, 1996, Vol.I, p. 185-190.
PARTEA III – REDUCEREA POLUARII
378
[24] Cofaru, C., Ispas, N., ş.a. - Proiectarea motoarelor pentru autovehicule.-
Universitatea TRANSILVANIA Braşov, 1997.
[25] Cofaru, C., Ispas, N., Constantinescu,B. - Effects of fuel-air mixture
preparation on combustion process, energetic parameters and exhaust
emission in a D.I. Diesel engine. - Proceedings of 1st International Conference
on “Control and diagnostics in automotive application“, Genova, Italy, 1996,
ISBN 88-86281-16-1 p. 533-543.
[26] Cofaru, C.,Ispas, N., - The effects of intake system on D.I. Diesel engine
combustion, performances and emissions. - In 6th European Congress
“Lightweight and small cars The answer of future need”, Vol.I, Cernobio, Italy,
1997.
[27] Cofaru, C.,Ispas, N., - The impact of injection system on D.I.Diesel engine
combustion, performances and emissions. - In XVI International Conference
Science and Motor Vehicles NMV, Belgrad, 1997, Yugoslavia, ISBN 86 80
941-19-0, p.69-72.
[28] Cofaru, C.,Ispas, N.,ş.a. - Cercetări privind îmbunătăţirea parametrilor
energetici la m.a.c. supraalimentat prin modificarea raportului S/D. - Buletinul
ESFA’ 95, Vol.2, p.228-235.
[29] Cofaru, C.,Ispas, N.,ş.a. - Cercetări privind posibilităţi de reducere a nivelului
de fum la un m.a.c. supraalimentat. - Buletinul ESFA’ 95, Vol. 2, p. 236-243.
[30] Cofaru, C., ş.a.. - Autovehiculul şi mediul. Editura Universităţii Transilvania
Braşov, 1999. ISBN 973-98512-3-1.
[31] Cofaru.C. –Legislatia şi ingineria mediului in transportul rutier Editura
Universităţii Transylvania Brasov 2002 ,ISBN 973-635-185-8
[32] Degobert, P. – Automobiles and Pollution – SAE International, 1995.
[33] Fraid, G.K., Piock, W.F. , Wirth, M. – Gasoline Direct Injection. Actual trends
and Future Strategies for Injection and Combustion Systems - SAE technical
paper, 960465.
[34] Garett, W. - Effects of highly heated fuel on Diesel Combustion, SAE Technical
Papers Services, Nr. 850088, 1985.
[35] Glikin, P. E. - An electronic fuel injection system for Diesel engines, SAE
Technical Papers Services, Nr. 850453, 1985.
[36] Grünwald, B. - Teoria, calculul şi construcţia motoarelor pentru autovehicule
rutiere, - Editura Didactică şi Pedagogică, Bucureşti, 1980.
Mijloace active de reducere a emisiilor poluante la MAI
379
[37] Grünwald, B. şi Apostolescu, N. - Neomogenitatea termică şi chimică a gazelor
din motoarele cu ardere internă, - Editura Academiei R.S.R., Bucureşti, 1975.
[38] Gulder, O. L., Glavincevski, B. - Ignition Quality Determination of Diesel Fuels
from Hydrogen Type Distribution of Hydrocarbons. - in Combustion and Flame,
vol. 63, pp. 231-238, 1986.
[39] Harada, A., Shimazaki, N., ş.a. - The Effects of Mixture Formation on Premixed
Lean Diesel Combustion. - SAE, SP 1326, 980533, 1998, p. 191- 200.
[40] Heywood, J. B. - Internal combustion engine fundamentals. - McGraw-Hill
Book Comp., New York, 1989.
[41] Hiraki, H., Rife, J. M.- Model of a Direct Injection Stratified Charge Engine.-
SAE International Congress and Exposition, Detroit, Michigan, SAE Paper, No.
800050, 1980.
[42] Hiroyasu, H., Arai, M. - Development and Use of a Spray Combustion
Modeling to Predict Diesel Engine Efficiency and Polluant Emissions. -
Proceedings of the Fifth International Automotive Propulsion System
Symposium, pp. 264-288, SAE, Warrendale, Pa. 1980.
[43] Hiroyasu, H., Kadota, T., Arai, M. - Development and Use of a Spray
Combustion Modeling to Predict Diesel Engine Efficiency and Polluant
Emissions; Part 2; Computational Procedures and Parametric Study. - Bulletin
of the JSME, vol. 26, no.214, pp. 576-583, 1983.
[44] Hiroyasu, H., Kadota, T., Arai, M. - Development and Use of a Spray
Combustion Modeling to Predict Diesel Engine Efficiency and Polluant
Emissions; Part 1; Combustion Modeling, Bulletin of the JSME, vol. 26,
no.214, pp. 569-575, 1983.
[45] Hiroyasu, H., Kadota, T., Arai, M. - Supplementary Comments: Fuel Spray
Characterization in Diesel Engines. - Combustion Modeling and Reciprocating
Engines, pp.369-408, Plenum Press, New York, 1980.
[46] Ispas, N., Ambrosi, G., - Regarding the universal order analysis of chemical
kinetics of burning process in the thermical engines with piston. - A VII-a
Conferinţă Naţională de Automobile şi Tractoare, Universitatea Transilvania
Braşov, Braşov, 1993, Vol.I, p. 199-204.
[47] Ispas, N., Cofaru, C., - Motoare Diesel cu injecţie directă - prezent şi
perspectivă în motorizarea autovehiculelor. - A XV Sesiune de Comunicări
PARTEA III – REDUCEREA POLUARII
380
Ştiinţifice a Cadrelor Didactice, Academia Navală “Mircea cel Bătrân”,
Constanţa, 1997, Vol.III.
[48] Ispas, N., Cofaru, C., - The injection system characteristics and D.I. Diesel
engines performances and emissions. - A VII-a Conferinţă de Autovehicule
Rutiere cu participare internaţională, CAR’97, Universitatea din Piteşti, 1997,
p. 149-158.
[49] Ispas, N., Cofaru, C., - The new D.I. Diesel engines for passengers cars.
Statistical features. - A VII-a Conferinţă de Autovehicule Rutiere cu participare
internaţională, CAR’97, Universitatea din Piteşti, 1997, p.139-148.
[50] Ispas, N., Cofaru, C., Dogariu, M. - Air-Fuel Mixing Process and Combustion in
Supercharging D.I. Diesel Engine. - A 6-a Conferinţă internaţională ESFA'98,
Bucureşti,1998, Vol.I, p.385 - 390.
[51] Ispas, N., Cofaru, C., Dogariu, M. - Performanţele energetice şi ecologice ale
actualelor şi viitoarelor motoare Diesel cu injecţie directă pentru autoturisme.-
A 6-a Conferinţă internaţională ESFA'98, Bucureşti,1998, Vol.II, p.455 - 460.
[52] Ispas, N., Florescu, M., ş.a. - Critical analysis of the present offer regarding
autovehicles of Diesel engines. - 8th Conference with international participation
- CONAT ’96, Braşov, 1996, Vol.II, p. 195-202.
[53] Ispas, N. - Motoare Diesel cu injecţie directă pentru autoturisme. Editura C2
Design, Braşov 1999. ISBN 973-99443-2-9.
[54] Jackson, N. S., Stokes, J., Whitaker, P .A., Lake, T. H. – Stratified and
Homogeneous Charge Operation for the Direct Injection Gasoline Engine –
High Power with Low Fuel Consumption and Emissions - SAE technical paper,
970543.
[55] John, B., Heywood. International Combustion Engines Fundamentals. Mc
Graw-Hill Book Company, New York. ISBN 0-07-100499-8.
[56] Karl, G., Kemmler, R., Bargende, M., Abthoff, J. – Analysis of a Direct Injected
Gasoline Engine - SAE technical paper, 970624.
[57] Kumar, K., Babu, M. K. G. and all. - A Thermodynamic Simulation Model for a
Four Stroke Medium Speed Diesel Engine. - SAE International Congress and
Exposition, Detroit, Michigan, SAE Paper, No. 840516, 1984.
[58] Kuo, T. W., Bracco, F. V. - On the Scaling of Transient Laminar, Turbulent,
and Spray Jets.- SAE International Congress and Exposition, Detroit,
Michigan, SAE Paper, No. 820038, 1982.
Mijloace active de reducere a emisiilor poluante la MAI
381
[59] Kwon, S., Arai, M., Hiroyasu, H. - Effect of fumigated fuel on the ignition and
initial combustion stages in a D.I. Diesel, - SAE Trans., Vol. 98, 1989.
[60] M. Pontoppidan, G.Gaviani, G. Bella, V. Rocco – Direct Fuel Injection – A
Study of Injector Requirements for Different Mixture Preparation Concepts -
SAE technical paper, 970628.
[61] Mansouri, S. H., Heywood, J. B., Radhakrishnan, K. - Divided-Chamber Diesel
Engines: Part 1. A Cycle-Simulation Which Predicts Performance and
Emissions. - SAE International Congress and Exposition, Detroit, Michigan,
SAE Paper, No. 820273, 1982.
[62] Masao, K., Kimitaka, S., Masatoshi, B.,asaki, Matsushita, S., Takeshi, G. –
Analysis of Mixture Formation of Direct Injection Galosine Engine - SAE
technical paper, 980157.
[63] Mitsubishi In-cylinder Direct Injection Gasoline Engine – Mitsubishi Motors
Technical Information.
[64] Miyamoto, N., Chikahisa, T, and all. - Description and Analysis of Diesel
Engine Rate of Combustion and Performance Using Vibe's Functions. - SAE
International Congress and Exposition, Detroit, Michigan, SAE Paper, No.
850107, 1985.
[65] Negrea, V., D., Sandu, V. - Combaterea poluării mediului în transporturile
rutiere. Editura Tehnică, Bucureşti, 2000. ISBN 973-31-1455-3.
[66] Oases, M., Andrews, G. E., Greenhough, J. H., - Diesel Fumigation Partial
Premixing for Reducing Particulate Soot Fraction Emissions. - SAE Paper,
980532, 1998.
[67] Pierpont, D. A., Reitz, R. D. - Effects of Injection Pressure and Nozzle
Geometry on D.I. Diesel Emissions and Performance. - SAE, SP 1092,
960035, 1995, p.16 - 24.
[68] Pischinger, F., Reuter, U., Scheid, E. Selfignition of Diesel sprays and its
dependence of fuel properties and injection parameters. - J. Eng. for Gas
Turbines and Power, Vol. 110, 1988, p.399 - 404.
[69] Poulos, S. G. and Heywood, J. B. - The Effect of Chamber Geometry on
Spark-Ignition Engine Combustion. - SAE International Congress and
Exposition, Detroit, Michigan, SAE Paper, No. 830334, 1983.
PARTEA III – REDUCEREA POLUARII
382
[70] Preussner, C., Döring, S., Fehler , S., Kampmann, S. – GDI: Interaction
Between Mixture Preparation, Combustion System and Injector Performance -
SAE technical paper, 980498.
[71] Radu, Alex.-Gh. şi Ispas, N. - Calculul şi construcţia instalaţiilor auxiliare ale
autovehiculelor, - Universitatea din Braşov,1989.
[72] Radu, Gh-Alex.,...Ispas, N., - Qualitätseinschätzung bei der gemischbildung
und dessen verbrennung im Dieselmotor auf grund des
verbrennungsgesetzes. A V-a Conferinţă de Motoare, Automobile, Tractoare şi
Maşini Agricole , Universitatea din Braşov, Braşov, 1985, Vol.I, p. 79-88.
[73] Ramos, J. I. - Internal Combustion Engine Modeling. - Hemisphere Publishing
Corporation, 1989.
[74] Roger, B. and all. - Diesel Engines: One Option to Power Future Personal
Transportation Vehicle, în Future Transportation Technology Conference, San
Diego, California, U.S.A., august, 1997.
[75] Sitkei, G. - Kraftstoffaufbereitung und Verbrennung bei Dieselmotoren. -
Springer-Verlag, Berlin, 1964.
[76] Spadaccini, L. J., TeVelde, J. A. - Autoignition characteristics of aircraft-type
fuels. - Comb. and Flame, Vol. 46, 1982, p. 282-300.
[77] T. Kume, Y. Iwamoto, K. Lida, M. Murakami, K. Akishino – Combustion Control
Technologies for Direct Injection SI Engine - SAE technical paper, 960600.
[78] W H. Crouse and D.N. Anglin, - Automotive Emission Control - McGraw Hill,
New York, 1977, 278 p.
Emisiile datorate calitatii combustibililor
383
Autori:Corneliu COFARU Daniela FLOREA
15. EMISIILE DATORATE CALITĂŢII COMBUSTIBILILOR
15.1. BENZINA Noua directivă consolidată a EC privind emisiile autovehiculelor a eliminat
toate ambiguităţile tehnologiilor de control a emisiilor. Astfel, nivelul de emisii se
aliniază la cele mai severe standarde US şi japoneze, ceea ce a impus ca începând
din ianuarie 1993 toate autoturismele vândute în Europa de Vest să aibă montat
catalizator cu trei căi. Mai mult, directiva cere ca rezervorul de combustibil să fie
dotat cu filtre care să prevină utilizarea benzinelor adiţionate cu compuşi ai
plumbului.
Directiva impune utilizarea de echipamente pentru controlul emisiilor de
combustibil prin evaporare şi cere ca toate autovehiculele după 1993 să fie dotate cu
cutie cu cărbune activ.
Automobilele având motoare cu aprindere prin scânteie constituie a doua sursă
importantă de poluare prin emisiile de hidrocarburi de evaporare, după emisiile de
solvenţi. Emisiile de hidrocarburi din gazele arse contribuie cu 25 %, emisiile prin
evaporare cu 10 %, iar realimentarea autovehiculelor cu 1,8 % din totalul
hidrocarburilor emise în atmosferă.
Ţările din Europa au o politică de control al emisiilor vaporilor de hidrocarburi
pe timpul distribuţiei combustibilului la utilizatori (treapta I). Unele ţări ca Elveţia,
Suedia şi Germania doresc să controleze emisiile la realimentare, pentru a elimina
expunerea publicului la benzen. Aceste emisii pot fi controlate fie prin intermediul
unor staţii de colectare a vaporilor şi trimiterea lor la rezervoare speciale (sisteme de
treapta a II-a), fie prin variante mai mari ale cutiei cu cărbune activ. Sistemele ce
folosesc cărbune activ la bordul automobilelor sunt cele mai eficiente în controlul
emisiilor la realimentare.
În Statele Unite, EPA a recomandat utilizarea sistemelor de colectare a
vaporilor de combustibil la bordul autoturismelor, fapt consemnat şi în noul Clean Air
Act.
PARTEA III – REDUCEREA POLUARII
384
La ora actuală există o presiune crescândă pentru a reduce conţinutul de
benzen din benzină sub nivelul de 5 %. Benzenul, ca şi alţi compuşi aromatici, sunt
constituenţi naturali ai petrolului şi astfel se explică prezenţa lor în benzină.
În procesul de rafinare, pentru a se îmbunătăţi calităţile antidetonante ale
benzinei prin mărirea cifrei octanice, se măreşte conţinutul de compuşi aromatici;
această tehnologie are şi o parte bună, deoarece se generează hidrogenul necesar
reducerii conţinutului de sulf şi a altor produşi de rafinare. Trebuie amintit faptul că,
benzenul se poate forma şi prin arderea altor compuşi ai benzinei în motor şi astfel
poate fi explicată prezenţa sa în gazele de evacuare.
Utilizarea catalizatorilor pentru gazele de evacuare şi a cutiei cu cărbune activ pentru
controlul hidrocarburilor, reduc drastic emisiile de benzen. În aceste condiţii,
reducerea în continuare a conţinutului de benzen din benzină va influenţa numai într-
o mică măsură emisiile.
Controlul asupra genezei emisiilor trebuie să constituie strategia prioritară a
viitorului. Îmbunătăţirea compoziţiei chimice a combustibililor se poate constitui ca o
direcţie secundară a strategiilor de reducere a concentraţiilor de compuşi nocivi din
gazele de evacuare ale motoarelor autovehiculelor.
15.2. MOTORINA
Calitatea motorinei a început să fie controlată în contextul creşterii
preocupărilor privind nivelul emisiilor motorului Diesel.
Calitatea motorinei este influenţată în mod determinant de: procesul de
rafinare, calitatea petrolului supus procesării, amestecul de produse final impus şi
temperatura minimă de congelare a motorinei. Proprietăţile motorinei, cum ar fi:
caracteristicile de distilare, viscozitatea, densitatea şi cifra cetanică, diferă în Europa
ca şi în Statele Unite.
La o analiză atentă se constată că multe din proprietăţile motorinei sunt
interdependente şi că ele nu pot fi ajustate prin tehnologii dedicate. Pentru a îngusta
plaja de variaţie a acestor proprietăţi este nevoie de reprocesarea combustibilului pe
instalaţii costisitoare.
Motorina va rămâne o parte atractivă a gamei combustibililor utilizaţi în
transporturi. Îmbunătăţirea calităţilor acesteia este posibilă însă la costuri ridicate.
Trebuie să se recunoască că o creştere a preţului motorinei poate influenţa negativ
Emisiile datorate calitatii combustibililor
385
într-o măsură ridicată preţurile şi serviciile din Europa. Deci, îmbunătăţirea calităţii
motorinei are implicaţii socio-economice care trebuie cântărite foarte atent într-un
bilanţ între dorinţa de îmbunătăţire a mediului înconjurător şi costurile pe care le
implică această îmbunătăţire.
Studii recente au confirmat faptul că efectele proprietăţilor motorinei asupra
emisiilor şi funcţionalitatea unor motoare Diesel optimizate sunt mici. În consecinţă, şi
în viitor se prevede ca îmbunătăţirea proiectării motoarelor rămâne calea cea mai
eficientă de reducere a emisiilor la motorul Diesel.
Compuşii aromatici se găsesc şi în motorine şi ei nu pot fi în totalitate
eliminaţi. Rezultatele experimentelor obţinute în urma testării motor/autovehicul au
arătat că, conţinutul de compuşi aromatici din motorinele comerciale, poate fi
considerat ca un parametru secundar al nivelului emisiilor. Parametrul principal,
strâns legat de conţinutul de aromatice, este densitatea motorinei. Efectul de variaţie
a densităţii motorinelor este compensat prin ajustarea dozei masice de combustibil
injectat; în aceste condiţii efectul nivelului compuşilor aromatici asupra emisiilor (NOx
şi particule) devine nesemnificativ.
În petrol se găseşte o anumită cantitate de sulf care poate fi eliminată, în mare
parte, în procesul de rafinare prin hidrodesulfurare. Costul reducerii conţinutului de
sulf depinde de nivelul concentraţiei care trebuie atinsă.
Utilizarea catalizatorilor, pentru tratarea gazelor arse la motoare Diesel, va creşte
presiunile asupra industriei petroliere pentru scăderea drastică a conţinutului de sulf
din combustibil.
Sulful din motorină este eliminat din motor prin gazele de evacuare sub formă
de SO2 , iar o mică cantitate (1…3%) este convertit în trioxid de sulf şi eliminat sub
formă de particule de sulfat. Contribuţia sulfaţilor asupra cantităţii totale de particule
emise depinde de nivelul absolut al particulelor emise de motor.
Începând cu octombrie 1993, s-a introdus motorina cu conţinut redus de sulf,
reformulată, în 49 de state din S.U.A (cu excepţia Californiei). Acest combustibil are
următoarele limite:
• Maxim 0,05 % în greutate conţinut de sulf;
• Cifră cetanică maximă 40;
• Conţinut maxim de hidrocarburi aromatice 30 % în volum.
PARTEA III – REDUCEREA POLUARII
386
La aceeaşi dată, California introduce o limitare şi mai severă a nivelului de
hidrocarburi aromatice, de maxim 10 %, păstrând nivelul maxim de sulf din
combustibilii Diesel.
Utilizarea combustibililor fosili cu altă compoziţie chimică poate determina
reducerea semnificativă a emisiilor de hidrocarburi nearse şi monoxid de carbon şi
neimportantă în ceea ce priveşte NOx. Efectul minim al reformulării combustibilului
asupra emisiei de NOx îngustează şi mai mult căile prin care viitoarele restricţii
legislative, referitoare la aceşti poluanţi primari, pot fi îndeplinite.
Un studiu actual al European Auto/Oil estimează efectele proprietăţilor
combustibililor Diesel (densitate, conţinut de poliaromatice, cifră cetanică) asupra
nivelului emisiilor a 17 modele de autoturisme şi două de autocamioane, toate cu
motoare Diesel. 14 din acestea au motoare cu injecţie indirectă, iar restul motoare cu
injecţie directă. Toate modelele au sisteme catalitice de oxidare a gazelor arse.
Automobilele au fost încercate utilizând ciclul european MVEG, care combină testări
în regimul urban cu cele în regim extraurban. Prin regresie liniară, s-au estimat
efectele posibile ale reformulării combustibililor Diesel. asupra emisiilor motoarelor
acestor automobile (tabelul 15.1).
Tabelul 15.1 – Efecte ale reformulării combustibililor Diesel
HC [%] CO [%] NO [%] Particule [%]
-34 -42 +3 -24
Reducerile au fost obţinute prin modificările arătate în tabelul 15.2
Tabelul 15.2 – Tendinţe în reformularea combustibililor Diesel
Densitate [kg/m3]
Poliaromatice [% masă]
Cifră cetanică T95[0C]
855 → 826 8 → 1 50 → 58 370 → 325 Interesant, emisia de NOx creşte uşor, la funcţionarea motoarelor cu motorina
având modificările din tabelul 15.2. Rezultatele din tabelul 15.1 sunt determinate, în
mare parte, de particularităţile funcţionale ale motoarelor cu cameră de ardere
divizată, predominante, ca număr, în grupul de autovehicule testate. La motoarele
Diesel cu injecţie directă, de turaţie ridicată, emisia de NOx descreşte uşor odată cu
Emisiile datorate calitatii combustibililor
387
creşterea cifrei cetanice a combustibilului (după cum este confirmat de alte cercetări
ce au studiat efectele reformulării combustibilului).
În cazul în care se va reuşi reducerea importantă a valorilor emisiilor de CO,
HC, şi particule, prin reformularea combustibililor Diesel, se deschide posibilitatea
concentrării eforturilor cercetătorilor asupra reducerii NOx, tratamentul gazelor arse în
sistemul de evacuare făcându-se cu acest obiectiv prioritar. Concentraţiile
particulelor organice solubile, ale formaldehidelor, se reduc odată cu reformularea
constituenţilor motorinei.
Au fost estimate şi efectele asupra nivelelor de emisii poluante pe care le are
modificarea radicală a compoziţiei combustibilului Diesel. Probabil, ultima posibilitate
de reformulare a combustibilului Diesel bazat pe hidrocarburi este obţinerea
acestuia, nu ca derivat al petrolului primar, ci din gaze naturale, de exemplu prin
tehnologia Fischer-Tropsh. Au fost astfel obţinuţi combustibili Diesel cu o cifră
cetanică de aproape 70, cu mai puţin de 0,1% conţinut de hidrocarburi aromatice şi
mai puţin de 10 ppm ( părţi pe milion) conţinut de sulf. Procedeul de obţinere este o
versiune a tehnologiei Fischer-Tropsh utilizată de firma Sasol.
Alcoolii au fost utilizaţi şi ei pentru reformularea combustibilului Diesel, dar,
cifra octanică mare şi corespunzător cifra cetanică mică, au determinat obţinerea
unor calităţi necorespunzătoare la utilizarea în motoarele Diesel.
Combustibili Diesel oxigenaţi se pot obţine prin adăugarea în motorină a unor
uleiuri vegetale modificate (de exemplu uleiul de rapiţă sau uleiul de soia
esterificate), cu bune calităţi în funcţionarea motoarelor (cifră cetanică mare).
Alte proprietăţi ale acestor uleiuri vegetale (vâscozitate mare, variabilitatea
proprietăţilor cu modificarea temperaturii) fac ca procentul în care ele sunt folosite în
amestec cu combustibilii Diesel clasici să fie de maxim 20 %. Utilizarea acestor
amestecuri în motoarele Diesel a determinat reduceri ale nivelului de particule şi CO
dar creşteri ale indicelui NOx. În plus, aceşti combustibili sunt mai scumpi decât cei
clasici, iar obţinerea lor în cantităţi comparabile cu cele ale combustibililor petrolieri
clasici determină implicaţii care se pot greu evalua.
Tendinţa general acceptată în redefinirea combustibililor Diesel constă în
scăderea continuă a conţinutului de sulf din compoziţia acestora. Reducerea
conţinutului de sulf diminuează şi distrugerile cauzate sistemelor catalitice de tratare
a gazelor arse; sunt astfel posibile construcţii care să realizeze simultan atât
oxidarea CO şi HC cât şi reducerea NOx. Volkswagen a fost prima firmă care a
PARTEA III – REDUCEREA POLUARII
388
introdus pe piaţă un sistem catalitic de reducere a NOx din gazele arse ale unui
motor Diesel HSDI, dar alte firme nu se grăbesc încă să sacrifice o parte din
economicitatea modelelor Diesel HSDI pentru încadrarea în limitele viitoarelor
legislaţii ecologice.
Bibliografie [1] Cofaru, C., ş.a.. - Autovehiculul şi mediul. Editura Universităţii Transilvania
Braşov, 1999. ISBN 973-98512-3-1.
[2] Cofaru.C. –Legislatia şi ingineria mediului in transportul rutier Editura
Universităţii Transylvania Brasov 2002 ,ISBN 973-635-185-8
Poluarea sonora . Strategii antizgomot
389
Autor: Nicolae VASILOVICI Corneliu COFARU
16. POLUAREA SONORĂ.
16.1. GLOSAR
dispozitiv de protecţie - dispozitiv care reduce sau elimină riscul, singur sau în
asociere cu un protector;
echipament individual de protecţie - totalitatea mijloacelor individuale de protecţie
cu care este dotat executantul în timpul îndeplinirii sarcinii de muncă, în vederea
asigurării protecţiei sale împotriva pericolelor la care este expus;
ecou - fenomen fizic care apare ca o consecinţă a reflexiei sunetului, la întâlnirea
unui obstacol;
nivel de tărie - scară de măsură pentru evaluarea subiectivă a tăriei sunetului ;
nivel de zgomot continuu echivalent - nivelul unui zgomot constant în timp, care
acţionând pe toată durata săptămânii de lucru, dă acelaşi indice compus de
expunere la zgomot ca şi nivelurile de zgomot globale ponderate ale zgomotelor
reale măsurate în cursul săptămânii de lucru;
octava - diferenţa care separă două frecvenţe ale sunetului, dintre care una este
dublul celeilalte;
sunet - fenomen fizic care stimulează simţul auzului, reprezintă o vibraţie a
particulelor unui mediu, capabilă să producă o senzaţie auditivă: în aer viteza de
propagare este de 340 m/s (dependentă de temperatură);
zgomot - sunet nedorit, subprodus al activităţii zilnice a societăţii; vibraţie mecanică
a unui mediu elastic solid, lichid sau gazos, prin care energia se transmite de la
sursă prin unde sonore progresive (fenomen acustic care produce o senzaţie auditivă
considerată ca jenantă şi dezagreabilă).
16.2. ZGOMOTUL AMBIENTAL DIN MEDIUL ÎNCONJURĂTOR 16.2.1. Generalităţi
Sunetele, fiind percepute prin simţul auzului, sunt dependente de două grupe
mari: a) de sistemul auditiv care este direct dependent de posibilităţile organului de
simţ şi de sistemul nervos al persoanei şi b) de sistemul sonor care depinde în
exclusivitate de condiţiile tehnice şi organizatorice ale mediului de muncă, în care se
PARTEA III – REDUCEREA POLUARII
390
desfăşoară activitatea individului şi trebuie astfel conceput, încât să răspundă
cerinţelor şi posibilităţilor sistemului auditiv. Propagarea sunetelor este influenţată de
sursa de zgomot, de atmosferă, de distanţă şi de obstacolele întâlnite.
Zgomotul este un ansamblu de sunete care pune în mişcare de vibraţie aerul
cât şi forme solide. Cuvintele, vorbirea, reprezintă un ansamblu de sunete
particulare, încărcate de informaţii utile comunicării dintre indivizi. În numeroase
situaţii de muncă, comunicarea verbală este imposibilă din cauza zgomotului
ambiant.
Zgomotul se caracterizează prin: intensitate, compoziţie spectrală şi durată. O
clasificare a oscilaţiilor acustice (sunete pure, complexe sau zgomote - definite ca
variaţii ale presiunii mediului) având în vedere diferite criterii: natura forţelor care
produc vibraţii acustice (ciocniri, frecări, aerodinamice şi hidrodinamice, etc.), modul
de propagare a diverselor tipuri de undă în medii fluide şi solide, fenomene fizice în
câmpuri acustice închise şi deschise este prezentată în figura 3.1.
Clasificarea continuă cu mărimile fizice liniare şi logaritmice, cu tipurile de
radiaţie, cu variaţia şi durata de propagare în timp, cu modul de reducere a unor
parametri şi de funcţionare a surselor de zgomot, etc.
Organul de percepţie al zgomotului, urechea, este formată din trei compartimente:
urechea externă cu canalul auditiv, care conduce undele sonore la membrana
timpanului, urechea medie, cu cele trei oase ale auzului şi care comunică cu gâtul
prin trompa lui Eustachio şi urechea internă, unde vibraţiile sonore, undele sonore
sunt convertite în impulsuri nervoase (fig.3.2). Urechea umană este mai sensibilă la
frecvenţele medii decât la cele joase şi înalte. Pentru a ţine seama de acest
comportament fiziologic al urechii, instrumentele de măsură sunt dotate cu un filtru
numit de ponderare A al cărui răspuns în frecvenţă este acelaşi cu cel al urechii.
Unitatea de măsură se numeşte decibel ponderat A, notat cu dB(A), şi permite
descrierea globală a senzaţiei atunci când excitaţia acustică acoperă o plajă largă de
frecvenţe. Zgomotele cu o frecvenţă de circa 20 kHz sunt de regulă percepute doar
de copiii mici. Odată cu înaintarea în vârstă, se pierde capacitatea de a percepe
zgomotele cu o frecvenţă atât de înaltă. Urechea umană nu percepe nici
ultrasunetele (oscilaţii acustice cu frecvenţa peste 16 kHz) şi nici infrasunete (oscilaţii
cu frecvenţa sub 16 Hz), ci doar sunetele din domeniul audibil (16 ÷ 16 kHz).
Poluarea sonora . Strategii antizgomot
391
CIOCNIRE
TRANSLAŢ IE ROTAŢ IE
FRECARE
MECANICE
JET / LAMINARE TURBULENTE
SCURGERI
AERODINAMICE
FLUCT. de PRES. CAVITAŢ IE
HIDRODINAMICE
ARDERE CICLU
INJECŢ IE PARAMETRI
TERMICE
MAGNETICE
FORŢE
PRESIUNE ZG. FOND
VÂNT TEMPERATURĂ
INF. ZG. AEROD.
AER LIBER Î NCĂPERI
CONDUCTE
GAZE LICHIDE
FLUIDE
NATURĂ DIMENSIUNI
OMOGENITATE SECŢ IUNI
AMORTIZĂRI MASĂ
RUGOZITĂŢ I REACŢ IUNI
INF. ZG. STRUCT.
SOLIDE
PROPAGARE
ATENUARE ABSORBŢ IE
REFEXIE DIFUZIE
REFRACŢ IE REVERBERAŢ IE
FENOMENE FIZ.
LONGITUDINALE TRANSVERSALE
CVASILONG. Î NCOVOIERE
DE SUPRAFAŢĂ PROGRESIVE
UNDE
INFRASONOR
JOASE MEDII
INALTE
SONOR
ULTRASONOR
FRECVENŢĂ
LINII CONTINUU
COMBINAT
FORMĂ
SPECTRU
LIBER APROPIAT
Î NDEPĂRTAT REVERBERANT
CÂMP ACUSTIC
LUNG. DE UNDĂ PRESIUNE
FRECVENŢĂ PUTERE
VITEZĂ INTENSITATE
LINIARE
PRESIUNE PUTERE
INTENSITATE ENERGIE
NIVELE INDICE DIRECT.
LOGARITMICE
MĂRIMI
DISCONTINUĂ CONTINUĂ
RADIAŢ IE
PERSISTENTĂ VARIABILĂ
DURATĂ
LENTĂ RAPIDĂ
VARIAŢ IE Î N TIMP
PERIODICĂ TRANZITORIE
PULSATORIE ALEATOARE
FORMĂ SEMNAL
Î N GOL Î N SARCINĂ
FUNCŢ IONARE SURSĂ
Î N EXPLOATARE PROBABILISTICĂ
DIAGNOSTICARE
ACTIVĂ PASIVĂ
COMBATERE / IZOLARE
SUNETE
Fig.16.1.Clasificarea oscilaţiilor acustice după diferite criterii
PARTEA III – REDUCEREA POLUARII
392
Fig.16.2. Structura urechii
1- urechea externă, 2- urechea medie, 3- urechea internă
Studii de specialitate au determinat limitele inferioare (pragul de audibilitate) şi
superioare (pragul senzaţiei dureroase) ale sunetelor receptate de om, precum şi
faptul că aceste praguri variază odată cu frecvenţa sunetului. Astfel urechea omului
este mai puţin sensibilă la frecvenţe joase decât la sunetele cuprinse între 1 ÷ 6 kHz.
Un sunet de 60 dB la 100 Hz nu este perceput la fel de puternic ca un sunet de 60
dB la 2 kHz (fig.16.3).
Nivelul zgomotului se măsoară ţinându-se seama atât de intensitatea
acestuia, cât şi de frecvenţa sunetelor care-l compun. Aceste însuşiri conferă
zgomotului potenţe nocive, indiferent de preferinţe şi de starea psihică a individului.
Efectele resimţite de om sunt: a) reducerea atenţiei, a capacităţii de muncă, implicit
creşterea riscului de producere a accidentelor, b) instalarea oboselii auditive, care
poate dispărea odată cu dispariţia zgomotului (zgomotul cu intensitatea de peste 92
dB şi cu frecventa cuprinsă între 0,5 ÷ 0,8 kHz poate produce după 60 de minute de
expunere o scădere temporară destul de accentuată a audiţiei), c) traumatisme, ca
urmare a expunerii la zgomote de intensitate ridicată, chiar dacă expunerea este de
scurtă durată (ameţeli, dureri, lezarea aparatului auditiv şi chiar ruperea timpanului);
după vindecarea leziunii surditatea poate persista pentru sunete cu frecvenţe de
peste 9 kHz, d) scăderi în greutate, nervozitate, tahicardie, tulburări ale somnului,
deficienţă în recunoaşterea culorilor, e) pe termen lung, zgomotul provoacă
hipoacuzii (uni- sau bilaterale) şi surdităţi profesionale şi/sau f) prin efectul său de
mascare, zgomotul poate acoperi mesaje de alertă, favorizând apariţia incidentelor
Poluarea sonora . Strategii antizgomot
393
sau a accidentelor de muncă. Multe persoane percep absenţa zgomotului ca un
factor esenţial de confort.
Fig.16.3. Curbele de nivel acustic funcţie de frecvenţă
Pe lângă efectele directe asupra organului auditiv, când organismul uman este
expus la zgomot, apar şi alte efecte fiziologice, ca de exemplu: a) contracţii ale
vaselor de sânge, b) mărirea pupilelor şi c) afectarea funcţiei respiratorii. Efectele de
acest gen apar chiar de la un nivel al intensităţii acustice relative reduse, de 40 ÷ 60
dB, dacă expunerea are loc timp foarte îndelungat, de ordinul anilor, zilnic la locul de
muncă.
Aceste efecte măresc riscul accidentelor de muncă şi a accidentelor de
circulaţie şi prin urmare se impune ca limită maximă admisă la locurile de muncă
pentru expunere zilnică la zgomot valoarea de 87 dB. Pentru locurile de muncă cu
solicitare neuropsihică şi psihosenzorială crescută şi deosebită, această limită se
reduce la 75 dB şi respectiv 60 ÷ 50 dB. Se poate ajunge la surditate în urma unei
expuneri cotidiene pe mai mulţi ani, la zgomote cu nivel sonor mai ridicat de 90 dB.
Pentru comparaţie nivelul sonor al unei conversaţii normale se încadrează în limita a
60 dB.
Literatura de specialitate precizează că folosirea dopurilor pentru protejarea
urechii, de tipul celor spumoase sau flexibile, reduc nivelul de zgomot cu cel puţin
20% ( fig.16.4). Există antifoane interne (dopuri de vată parafinate care realizează o
atenuare de 8 ÷ 30 dB sau siliconate care realizează în medie o atenuare de 30 dB)
şi antifoane externe care pot atenua cu 40 ÷ 50 dB intensitatea zgomotului ajuns la
ureche. Inconvenientul folosirii antifoanelor interne este dat de iritaţia pe care o pot
PARTEA III – REDUCEREA POLUARII
394
produce la nivelul conductului auditiv extern. Eficienţa lor variază în raport cu
frecvenţa sunetului. În cazul nivelurilor ridicate de zgomot şi în cazul unor activităţi cu
solicitare redusă a atenţiei se recomandă antifoane externe, iar în cazul unor depăşiri
mici ale nivelurilor limită admise se recomandă antifoanele de tip intern.
Studii ale problematicii legate de protecţia împotriva efectelor nocive ale
zgomotului, prin folosirea mijloacelor individuale la receptori, au pus în evidenţă
următoarele două tendinţe: a) utilizarea selectivă a antifoanelor, în funcţie de nivelul
zgomotului, de natura muncii prestate şi de durata de expunere, de particularităţile
receptorilor şi b) realizarea unor antifoane selective, care să permită desfăşurarea
unei convorbiri normale şi care să neutralizeze frecvenţele înalte ale zgomotului (cele
mai dăunătoare).
Fig.16.4. Atenuarea în dB produsă de un antifon de bumbac simplu şi de unul
parafinat, plasat în conductul auditiv extern.
Prin analogie cu nivelul acustic al zgomotului mărimile corespunzătoare
vibraţiilor sunt date în tabelul 16.1,de mai jos:
Poluarea sonora . Strategii antizgomot
395
Tabelul 16.1. Mărimi caracteristice exprimate în dB şi mărimile lor de referinţă
Denumirea nivelului relativ Relaţia de calcul Mărimea de referinţă
Intensitatea acustică 0
I IIlg10L =
212
0 mN10I −=
Acceleraţia vibraţiei 0
a aalg20L = a m
s05
210= −
Viteza vibraţiei 0
v vvlg20L =
sm10v 8
0−=
Deplasarea vibraţiei 0
ζ ζζlg20L = m10ζ 11
0−=
Forţa în vibraţie 0
F FFlg20L = N10F 6
0−=
Energia 0
E EElg10L = J10E 12
0−=
16.3. SURSE DE POLUARE SONORĂ URBANĂ, INDUSTRIALĂ ŞI ÎN
CONSTRUCŢII
16.3.1. Aspecte calitative şi cantitative cu privire la zgomot Sursele de poluare sonoră sunt foarte numeroase şi diferite. Acestea pot fi: a)
circulaţia sau transporturile, b) industria, c) construcţiile d) terenurile sportive şi
stadioanele (zgomotul acestora depăşind adesea 100 dB), e) animalele (câinii,
pisicile, păsările) care pot tulbura liniştea, mai ales în timpul nopţii. Intensitatea unor
surse de zgomot este cuantificată în tabelul 16.2.
Tabelul 16.2. Intensitatea diferitelor surse de zgomot Sursa Intensitate
(dB) Cel mai uşor sunet perceput de urechea umană 0
Zgomot în biblioteca publică, şoaptă uşoară, sau ticăitul de ceas 30
Sufrageria sau un birou liniştit 40
Semnale în traficul rutier, frigiderul sau o conversaţie 50
Plânsul unui copil 60
Trafic rutier aglomerat, zgomotul dintr-un restaurant 70
Zgomot curent într-o uzină, lătrat de câine, alarma la ceas, sau maşină de îndepărtat zăpada - Aceste zgomote devin periculoase dacă expunerea la ele continuă mai mult de 8 ore
80
Maşina de tuns iarba, trafic de camioane sau orchestra simfonică - Pe 90
PARTEA III – REDUCEREA POLUARII
396
măsura ce intensitatea zgomotului creşte, timpul de expunere periculos scade sub 8 ore Masă vibratoare în industria materialelor de construcţii, maşini unelte, fierăstrăul mecanic, pick-hammer, aparat de suflat frunzele, camion de gunoi sau căşti stereo - Chiar şi numai 2 ore de expunere la aceste zgomote pot fi periculoase la 100 dB
100
Masă vibratoare şi ciur vibrator în industria materialelor de construcţii 105 Concerte rock, explozii miniere, decolarea unui avion - Pericolul poate fi imediat; expunerea la 120 dB poate dăuna instantaneu şi grav urechilor 120
Împuşcătura, artificii sau pistol cu capse - Orice durată de expunere la zgomot de 140 dB este periculoasă şi poate provoca dureri ale urechii 140
Armă de foc puternică sau de vânătoare - Fără protecţie pentru urechi, zgomotul produce daune ireversibile (pierderea auzului poate fi inevitabilă) 170
16.3.2. Zgomote şi vibraţii în aglomerările urbane Principalele surse cauzatoare de zgomot sunt: traficul aerian şi terestru - rutier
şi feroviar, şantierele de construcţii, obiectivele comerciale şi cele industriale.
Acestea sunt sursele de poluare sonoră care se fac responsabile de numeroase
neplăceri care afectează populaţia.
Rezultatele acţiunii de monitorizare a poluării sonore urbane, desfăşurate de
către Agenţiile de Protecţie a Mediului au evidenţiat o dinamică continuu ascendentă
a nivelurilor de zgomot - valori ale Leq, max în Braşov, Târgu Mureş şi Sibiu: 83,10
dB(A), 76,05 dB(A) şi respectiv 77,44 dB(A). Valorile nivelului de zgomot echivalent
datorate traficului rutier, măsurate în anul 2005 pe teritoriul judeţului Mureş sunt mai
mari decât cele măsurate în anul 2004, în medie cu cca. 3,5 dB (A).
Aşa cum rezultă din studiile efectuate, ponderea cea mai mare în zgomotul
urban o deţine transportul rutier. Creşterea puterii motoarelor cu care se echipează
autovehiculele şi creşterea vitezei traficului, corelate cu creşterea numărului de
autovehicule sunt de natură să complice problema combaterii zgomotului în oraşele
mari. Figura 16.5. indică harta rutieră a oraşului Braşov şi două din cele mai
aglomerate şi zgomotoase intersecţii.
Poluarea sonora . Strategii antizgomot
397
Centrul civic
PARTEA III – REDUCEREA POLUARII
398
Zona gării
Fig.16.5. BRAŞOV
Aşezare: în partea centrală a ţării, suprafaţa: 5363 km2
Relief: accidentat. Climă: continental-moderată. Populaţie: 596.140 în judeţ / 284.653
în oraşul Braşov
Traficul feroviar reprezintă un alt tip de poluare sonoră. Zgomotul produs de
materialul rulant aflat în mişcare, semnalele sonore practicate de personalul de
locomotivă în scopuri de avertizare sau tehnologice afectează zonele locuite.
Ca exemplu de trafic aerian, care constituie o sursă de poluare pentru zona de
vest a oraşului Sibiu, îl reprezintă legăturile aeriene ale municipiului asigurate prin
Aeroportul internaţional Sibiu, amplasat pe drumul naţional DN 1, la o distanţă de 3
km de oraş.
16.3.2.1. Autovehicule Zgomotele motoarelor au tonalităţi specifice fiecărui model de vehicul.
Schimbarea rapidă a treptelor transmisiei, la demarările puternice, face ca zgomotul
din habitaclu să se apropie de tonalităţile unui autoturism sportiv. Există deosebiri
Poluarea sonora . Strategii antizgomot
399
între modul cum sunt percepute zgomotele de către pietonii de pe stradă şi de către
pasagerii din interiorul vehiculelor, pasagerii aud în special componentele de joasă
frecvenţă.
Uleiurile (lubrifianţii) asigură o operare mult mai lină a schimbătorului de viteze
şi o funcţionare fără probleme a vehiculelor cu tracţiune integrală într-o gamă largă
de temperaturi şi aplicaţii (lubrifiere în transmisii convenţionale şi diferenţiale);
acestea reduc şi zgomotul din angrenaje implicit cel al cutiilor de viteze din
componenţa grupurilor de forţă. În general ungerile deficitare produc solicitări şi
zgomote suplimentare.
Zgomotul anvelopelor se evidenţiază clar pe fondul celorlalte zgomote ale
vehiculului începând cu viteze de deplasare care trec peste 50 km/h ale acestuia.
Diferenţa dintre nivelurile de zgomot produs de diferite tipuri de anvelope (cu strat
protector absolut neted, cu patru canale drepte pe periferia stratului protector, cu
învelişul antiderapant format din crestături transversale şi canale circulare, de tipul tot
teren cu aderare la sol nedirecţională) poate să atingă 10 dB, iar componentele care
se manifestă cel mai clar sunt cele de la 30 la 50 Hz.
La deplasarea cu viteză maximă pe şosea asfaltată cu criblură sau pe şosea
cu asfalt neted zgomotul total generat de autoturisme este cu doar 1 ÷ 2 dB (A) mai
mare decât zgomotul motorului (zgomotul de rulare depăşeşte zgomotul motorului).
La viteze mari zgomotul total este determinat în principal de tipul anvelopei şi de
structura îmbrăcăminţii şoselei.
În cazul deplasării în treptele de viteză II şi III, zgomotul predominant este cel
al motorului. Prin urmare, rezultă că nivelul de zgomot datorat circulaţiei urbane este
determinat de zgomotul motoarelor vehiculelor.
Se deduce că, pentru a diminua nivelul zgomotului în interiorul localităţilor se
va acţiona asupra motoarelor vehiculelor, iar pentru diminuarea nivelului de zgomot
pe şosele şi autostrăzi, se va acţiona în sensul modificării îmbrăcăminţii şoselei şi a
profilului anvelopelor.
16.3.2.2. Construcţii În acest domeniu există multe activităţi care presupun lucrul în condiţii de zgomot
ridicat, în multe cazuri peste limita admisă de 87 dB (A). Lucrătorii pot fi expuşi nu
numai zgomotului produs de propria activitate, ci şi zgomotului ambiental sau de
fond, provenind de la alte activităţi din şantier. Câteva din cele mai importante surse
PARTEA III – REDUCEREA POLUARII
400
de zgomot în construcţii sunt: uneltele cu impact (cum sunt perforatoarele de beton),
utilizarea explozibililor (cum sunt detonarea încărcăturilor explozive pentru demolări
sau uneltele cu cartuş exploziv), echipamentele acţionate pneumatic sau cu ajutorul
motoarelor cu ardere internă, etc.
O caracteristică a muncii în construcţii, este aceea legată de efectuarea multor
lucrări în interiorul clădirilor, fapt care implică o particularitate aparte zgomotului şi
efectului acestuia asupra organismului uman: apariţia fenomenului de ecou. Astfel,
sunetul produs în faţa pereţilor despărţitori din cadrul clădirii se reflectă la întâlnirea
cu aceştia ajungând din nou la cel care la provocat.
Pentru ca sunetul reflectat să fie perceput distinct, el trebuie să ajungă la
ureche după ce a încetat perceperea sunetului iniţial. Senzaţia auditivă, produsă de
sunetul iniţial, persistă în ureche cel puţin o zecime de secundă, astfel că sunetul
reflectat va fi perceput ca ecou, doar dacă ajunge la ureche după un interval de cel
puţin 1/10 secunde faţă de primul. Pentru un sunet foarte scurt, distanţa până la
obstacol trebuie să fie deci de cel puţin 17 m, deoarece sunetul care are viteza în aer
de circa 340 m/s va parcurge distanţa de 34 m în aproximativ o zecime de secundă.
În cazul în care, distanţa de la sursa de zgomot la peretele reflectator, este
mai mică decât distanţa minimă pentru producerea ecoului, sunetul reflectat va sosi
înainte de încetarea senzaţiei auditive a sunetului direct, producând o prelungire şi o
întărire a acestuia. Fenomenul poartă numele de reverberaţie şi este des întâlnit în
cazul lucrărilor de construcţii, care au loc în interiorul clădirilor, unde în cele mai
multe cazuri, chiar dacă sunet produs iniţial este discontinuu, organismul uman
percepe un zgomot permanent cu efectul negativ în consecinţă, datorat duratei de
expunere la zgomot.
Zgomotul produs în construcţii trebuie eliminat prin schimbarea metodei de
lucru sau de construcţie, iar dacă acest lucru nu este posibil, zgomotul trebuie
combătut prin mijloace tehnice.
16.4. CALCULUL, MODELAREA ŞI MĂSURAREA ZGOMOTULUI AMBIENTAL
16.4.1. Descrierea zgomotului în mediul înconjurător ISO 1996/1, 2 şi 3:1995 Caracterizarea şi măsurarea zgomotului ambiental din
mediul înconjurător (1 - Mărimi şi procedee de bază, 2 - Obţinerea de date
corespunzătoare pentru utilizarea terenurilor şi 3 - Aplicaţii la limitele de zgomot) este
standardul central, de referinţă în evaluarea zgomotului din mediu. El defineşte
Poluarea sonora . Strategii antizgomot
401
terminologia de bază şi descrie cele mai bune metode pentru măsurarea zgomotului
din mediu. În concordanţă cu acest standard, se definesc mai multe tipuri de surse
de zgomot care pot fi măsurate cu sonometrele şi analizoarele B&K sau Norsonic.
Cele mai comune surse de zgomot sunt: zgomotul de trafic (rutier, feroviar şi aerian),
zgomotul industrial (fabrici, uzine, parcuri industriale), zgomotul recreativ (concerte şi
meciuri pe stadioane, parcuri de distracţii), zgomotul provenit de la vecini, zgomotul
de la şantierele de construcţii.
Monitorizare zgomotului (software si hardware) din traficul rutier sau feroviar
este utilizată pentru evaluarea impactului zgomotului luând în calcul diferiţi factori:
numărul, tipul, viteza vehiculelor, suprafaţa drumurilor şi condiţiile meteorologice, etc.
Monitorizarea zgomotului în industrie se foloseşte pentru determinarea regimurilor de
lucru şi a condiţiilor de operare optime din punct de vedere al expunerii omului la
zgomot şi vibraţii. Monitorizarea zgomotului şi vibraţiilor pe şantierele de construcţii
este utilizată pentru a preveni atingerea nivelurilor de prag, pentru a asigura
respectarea duratei de lucru autorizată şi identificarea surselor importante de zgomot
şi vibraţii. Evaluarea zgomotului la concerte, spectacole în aer liber şi evenimente
sportive este utilizată pentru a proteja locuitorii din vecinătate, prin determinarea
zgomotului ambiental, rezidual şi particular, pentru a alerta pe cei care conduc
evenimentele în cazul depăşirii nivelurilor permise de legislaţie.
Fig.16.6. NOR 121
NOR 121 este un sistem complex cu două canale special conceput pentru
monitorizarea şi analiza zgomotului ambiental cu aplicaţii în acustica construcţiilor şi
calculul intensităţii / puterii sonore.
16.4.2. Cartografierea acustică Cartografierea acustică începe cu introducerea datelor de intrare, fişiere GIS
sau AutoCAD pentru construcţii şi topografie, datele despre trafic, scanarea aeriană
pentru a găsi înălţimea clădirilor, măsurările de nivel acustic, până la produsul final -
harta acustică.
PARTEA III – REDUCEREA POLUARII
402
Fig.16.7. Sistemul GIS
Hărţile la scară mare sunt baza de plecare pentru dezvoltarea infrastructurii
naţionale. Producţia de planuri urbane este optimizată pentru producerea scărilor 1:
500 … 1:5.000. Ca exemplu ideal de cartografiere urbană a oraşului Braşov este
harta cu scara cea mai mare (1:1.000) la care sunt în mod obişnuit utilizate datele
pentru aplicaţii GIS.
În sensul cel mai strict un GIS este un calculator capabil să asambleze, să
păstreze, să manipuleze şi să afişeze informaţii geografice specifice, de exemplu
informaţii identificate în funcţie de locaţii. În plus, practicienii consideră că un GIS
include şi personalul operant şi informaţiile care intră în sistem.
AutoCAD Map versiunea 3 este un produs de desenare, prezentare şi
consultare a hărţilor integrând tehnologia GIS direct în AutoCAD. Oferă suport OLE
2. Soluţia creează, menţine, analizează, prezintă şi modifică hărţile şi informaţiile GIS
(KIF/MID, Shape, DXF, DWG şi DGN) în mediu CAD. Sunt incorporate numeroase
funcţii GIS specializate ca: digitizare de reţele, hărţi tematice, conexiuni cu baze de
date, import de date GIS şi transformări de coordonate. Are browser WEB încorporat
Poluarea sonora . Strategii antizgomot
403
(Autodesk WHIP) pentru vizualizare, trimitere şi partajare a desenelor vectoriale 2D
prin Internet în format DWF.
Pe lângă evaluarea situaţiei prezente se pot analiza diverse situaţii virtuale
posibile de viitor ca de exemplu: la construcţia unei autostrăzi lângă o zonă locuită,
cunoscând datele de trafic ale proiectului autostrăzii, se pot recomanda măsurile
care trebuie luate pentru a protejarea locuitorii din vecinătate sub aspectul minimizării
efectelor nocive ale zgomotului şi al vibraţiilor.
Izolarea zgomotului aerian reprezintă măsura a cât de bine este redus efectul
negativ al sunetului provenit de la sursele acustice la transmiterea dintr-o cameră în
alta. Măsurările se efectuează în cele două camere, calculele sunt efectuate în benzi
de frecvenţă de o treime de octavă sau de octavă şi sunt apoi mediate pentru un
număr de poziţii din cameră. În final, se calculează un indice de izolare acustică brut
a camerei . Pe lângă zgomotul transmis de la o cameră la alta, un factor important
de luat în seamă la construcţii este zgomotul de la faţada acestora. Acesta este un
caz particular al situaţiei de mai sus, cu deosebirea că o cameră este înlocuită de
spaţiul exterior clădirii. În cazul în care după măsurări se constată că izolarea
acustică este deficitară din punctul de vedere al respectării limitelor impuse de
legislaţie se impune identificarea surselor de zgomot. Cu ajutorul unei sonde de
intensitate sonoră se fac mai multe măsurări în zona de interes şi se realizează o
cartografiere acustică. Rezultatele sunt prezentate grafic, atât printr-un cod al
culorilor (vezi Zone de zgomot, reprezentare rezultate din ISO 1996/2:1995) cât şi
printr-o serie de tabele de valori în zonele măsurate. Pe baza acestor hărţi acustice
şi a valorilor obţinute se poate face identificarea sursei predominante (direcţie, sens
şi mărime) asupra căreia pot fi luate măsuri de reducere.
Modelarea virtuală a camerelor, a sălilor pentru concerte şi conferinţe sau a
halelor industriale permite identificarea greşelilor de proiectare din punct de vedere
acustic a încăperii respective şi permite să se facă virtual simulări şi modificări în
vederea îndeplinirii condiţiilor de calitate impuse.
16.4.2.1. Echipamente de măsurare a zgomotelor şi a vibraţiilor Pentru identificarea locurilor de muncă zgomotoase trebuie efectuate măsurări
de zgomot periodic sau ori de câte ori au loc modificări în locaţia respectivă.
Măsurările de zgomot trebuie planificate şi efectuate în mod competent la intervale
regulate. În acest caz, eşantionarea trebuie să fie reprezentativă pentru expunerea
bD
PARTEA III – REDUCEREA POLUARII
404
zilnică la zgomot a unei persoane. Metodele şi aparatura utilizate trebuie să fie
adaptate condiţiilor locale în special în ceea ce priveşte caracteristicile zgomotului
care trebuie măsurat, durata expunerii, factorii de mediu şi caracteristicile aparaturii
de măsurare.
Instrumentul cel mai des folosit pentru măsurarea nivelului de presiune
acustică, portabil sau de laborator, este sonometrul. Acest aparat are un răspuns faţă
de sunet ca şi răspunsul urechii umane, dar poate efectua şi măsurări obiective şi
reproductibile ale nivelului de presiune acustică. Valoarea citită pe instrument este
nivelul de presiune acustică în decibeli. Semnalul este disponibil, de asemenea, la o
mufă de ieşire, pentru alimentarea unui înregistrator de nivel. Un detector de vârf
poate fi inclus pentru determinarea valorii de vârf a semnalelor de impulsuri. Un
circuit de reţinere poate menţine acul instrumentului la valoarea maximă apărută, în
condiţiile de măsurare a valorilor de vârf. O măsurare, fără reţeaua de ponderare A,
B, C sau D şi fără setul de filtre de octavă sau 1/3 octavă, va indica o valoare globală
a nivelului de presiune acustică în decibeli. Utilizarea reţelei de ponderare
permite măsurarea nivelului de zgomot global ponderat, în decibeli şi evaluarea
nivelului echivalent continuu – , o formă standardizată a unui nivel de zgomot
mediu pe termen lung.
LINL
echL
Fig.16.8. Sonometru
Gama de sonometre Solo (SLM, Premiu, Master) şi Blue SOLO (comandă de
la distanţă Pocket PC, înregistrare –redare) sunt aparate de măsură acustice, care
întrunesc cerinţele stipulate în Directiva 2002/49/EC şi HG 321/2005 privind
evaluarea şi managementul zgomotului ambiental precum şi normativele în vigoare
pentru determinarea nivelurilor de zgomot la locurile de muncă. Arhitectura lor
permite să se treacă de la sonometrul de bază la analizorul în timp real.
Poluarea sonora . Strategii antizgomot
405
Cu toate că sonometrul este un instrument de precizie el necesită o calibrare
pentru a putea obţine rezultate reproductibile şi constant precise. Pistonfonul
reprezintă un etalon compus dintr-un difuzor miniatural care oferă un nivel de
presiune acustică bine definit cu o precizie de ± 0,3 dB.
Lanţuri de măsură specializate B&K sunt prezentate în cele care urmează
pentru:
A. Măsurarea zgomotului produs de vehicule în mişcare şi în staţionare;
măsurarea zgomotului interior şi exterior, nivelul de intensitate a pneurilor,
precum şi identificarea cauzelor:
- sistem de testare a zgomotului la trecerea vehiculului 3560 C - S41 (2 x 3560
C, 2 x 7533, 2 x 3032 A, 7700 N – 008, 7788 C 7701, 7769, 7707),
- lanţuri de măsură complementare (meteo, turaţie, acceleraţie): WQ 1256, WL
1340, WQ 2350, MM 0097 şi WB 3468; lista se completează cu: KIT 0618 (ZZ 0231,
AO 0413, UA 1522, 2 x WU 0584, 2 x AO 0475, 2 x SB 1537), accesoriile generale
(4189 L – 001, 2669 L, EL 4004 şi UA 0803) şi cele de LAN (UL 0196, UL 0199, UL
0197, UL 0226 şi UL 0225) şi
- sistem pentru măsurarea zgomotului la evacuare 3638 A (2238 şi A 4231) şi
turometru electromagnetic 2979.
Fig.16.9.Termohigrometru cu înregistrare de date.
Afişează valorile de temperatura şi umiditate relativă, cu posibilitate de
conectare (fără fir) cu max. 3 senzori şi temperatura punctului de rouă (temperatura
la care apare condensul). Alarmă programabilă pentru valori limită (superioare /
inferioare) de temperatură şi umiditate. Domeniul de măsură pentru temperatură: 0 ÷
60 0C şi umiditate: 0 ÷ 99%. Memorie pentru 3000 valori măsurate. Redarea
memoriei pe display sau pe PC. Se livrează împreună cu softul pentru interfaţa PC.
PARTEA III – REDUCEREA POLUARII
406
B. Măsurarea puterii şi a intensităţii acustice - sistemul de testare a nivelului de putere acustică 3560 C – S28 (3560 C,
7533, 3032 A, 7771 – N6, 7707, BZ 5305). Lista poate fi dezvoltată cu accesorii
privind efectuarea de măsurări după cele trei metode clasice: în câmp liber, în câmp
reverberant şi/sau de intensitate sonoră (vezi Product Catalog Pulse Analyzers &
Solutions).
C. Analiză modală şi analiza ordinelor - sistem de analiză modală multireferinţă 3560 C – S32 (3560 C, 7533, 3109,
7770 – N4, 7753, 7754 J), accesoriile de tip hardware si SW upgrade. Funcţie de
aplicaţia (dimensiunile de structurii) se va alege ciocanul de impact 5961, 2303 sau
2304.(Observaţie. Tipul 3560 C – S33 se compune din 3560 C, 7705, 7753, 7760 E,
7533, 3032 – A, 7770 – N7.)
- sistem de analiză a ordinelor FFT (viteze critice, excitări ale rezonanţelor,
instabilităţi, etc.) bazat pe spectre de frecvenţă 3560 C – S36 (3560 C, 7702 – N2,
7533, 3032 – A, 7770 – N4).
Fig.16.10.BZ 5503
Utility Software pentru Hand-held Analyzers ver. 2.1 (soft pentru administrarea
datelor măsurate cu sonometrele B&K).
D. Diagnoza stării de funcţionare a maşinilor şi a componentelor acestora; analiza în timp real şi FFT
- sistem de diagnoză 3560 C – S38 (3560 C, 7533, 3032 – A, 7770 – N2,
7773) şi accesoriile de tip SW .
E. Diagnoza vibraţiilor corpului uman după cele trei direcţii. - vibrometru cu trei canale 1700 (accesorii 4506, EE 0388 şi AO 0526) şi filtru
WB 1438 cu AO 0441 (accesorii 4381 şi AO 0122).
Poluarea sonora . Strategii antizgomot
407
Ca sisteme conexe menţionăm înregistratorul portabil 2322 cu accesorii sale
din catalog. Alte accesorii şi piese de schimb: microfoane, carduri de memorie,
conectoare şi cabluri (pentru 2260: 4189, UL 1008, AO 0441, AO 0442, EL 4018-V,
AO 0440, AO 0585, AO 0522, AO 0543, AQ1700, AQ 1698), trepiede, măşti de vânt
şi adaptoare (pentru 2260: UA 0801, UA 0237, UA0459, UA 1236, UA 0588).
NOTĂ. Lista poate fi dezvoltată cu diverse alte sisteme privind:
- efectuarea de măsurări care au în vedere acustica clădirilor (metoda camerei
reverberante prin măsurarea timpului de reverberaţie şi a răspunsului în impuls) 3560
C- S43,
- caracterizarea proprietăţilor acustice ale materialelor cu ajutorul tuburilor
3560 C – S29 cu opţiunea 4206 A (coeficienţi de absorbţie, impedanţe acustice,
coeficienţi de transmisie, etc.),
- identificarea surselor de zgomot 3560 D – S19 (cu accesoriile specifice
pentru intensimetrie sonoră, sisteme de fixare şi poziţionare a microfoanelor, etc.),
- testarea şi control al vibraţiilor 16 In/4Out,
- determinarea formelor deplas
- testarea calităţ
16.5. METODE DE COMBAT Prevederi exprese gomotului fac referire la
obligativitatea luării une suri tehnice după cum se impune: a)
măsuri de combatere a care se realizează prin modificări
constructive aduse echipamentului tehn ea unor dispozitive
atenuatoare speciale, b) măsuri de izolare a surselor de zgomot realizate prin
creşterea rezistenţei mediului la transmisia energiei acustice, iar soluţiile cele mai
des utilizate constau în amplasarea de ecrane fonoizolante sau în carcasarea
fonoizolantă a echipamentului tehnic şi c) măsuri de combatere a zgomotului la
receptor – constau în izolarea persoanelor care lucrează într-o zonă zgomotoasă,
soluţia cea mai cunoscută fiind utilizarea cabinelor fonoizolante.
Principalele soluţii de combatere a zgomotului la sursă şi pe căile de
propagare, constau în:
ărilor 3560 C – S25,
ii sunetului 3560 C – S21, etc.
ERE A ZGOMOTULUI pentru reducerea acţiunii nocive a z
ia sau a mai multor mă
zgomotului la sursă
ic sau prin adoptar
PARTEA III – REDUCEREA POLUARII
408
A. Montarea sursei de zgomot pe elemente vibroizolante măsură care
sigură o atenuare a nivelului de zgomot, în principal pe componenta de joasă
frecvenţă a oscilaţiei acustice, între 75 ÷ 1,2 kHz.
B. În cazul în care este necesar să se micşoreze nivelul de zgomot într-
un anumit punct, între acesta şi sursa de zgomot se interpune un ecran
fonoabsorbant şi fonoizolant (barieră acustică între sursa de zgomot şi receptor). Prin
amplasarea unui asemenea ecran se obţine o atenuare a nivelului de zgomot
aproape pe întreaga gamă de frecvenţe, atenuările mai mari fiind înregistrate la
frecvenţele de peste 2,4 kHz (se va avea în vedere ca acesta să nu deranjeze
procesul tehnologic şi să permită supravegherea funcţionării maşinii şi accesul la
elementele de comandă). Se recomandă ca lăţimea ecranului să fie de 1,5 ÷ 2 ori
mai mare ca înălţimea lui.
C. Pentru a realiza o atenuare mai mare a nivelului de zgomot sursa
respectivă trebuie prevăzut cu o carcasă fonoizolantă. Prin această măsură se obţin
atenuări pe întreaga gamă de frecvenţe.
D. În cazul în care sunt necesare condiţii deosebite de izolare fonică,
sursa se poate monta într-o carcasă dublă cu posibilitatea să se asigure răcirea
componentelor, atât sursa cât şi carcasa interioară fiind montate pe elementele
vibroizolante. Prin aceste măsuri nivelul de zgomot la componentele de frecvenţă de
peste 600 Hz scade sub 40 dB, iar atenuarea minimă realizată este de 22 dB la
frecvenţe de 150 Hz.
Observaţie. Prezenţa fantelor în pereţii carcaselor diminuează capacitatea de
atenuare a zgomotului. Pentru a se evita acest fenomen, este necesar ca orificiile
prin care se face accesul aerului de răcire să fie prevăzute cu atenuatoare de
zgomot.
Utilizarea atenuatoarelor de zgomot (active şi reactive/rezonanţă) se
încadrează în metodele de combatere a zgomotului la sursă şi constituie o soluţie
eficientă şi frecvent folosită pentru diminuarea efectelor surselor de zgomot de natură
aerodinamică.
În cazul în care, închiderea completă a sursei de zgomot se realizează printr-o
carcasă fonoizolantă zgomotul aerian se poate propaga în exteriorul ei prin pereţii
carcasei şi prin deschiderile tehnologice, iar zgomotul structural prin structura
carcasei şi prin elementele componente ale sursei.
a
Poluarea sonora . Strategii antizgomot
409
Atenuarea nivelului de zgomot aerian în acest caz este cu atât mai mare cu
cât absorbţia acustică a interiorului carcasei este mai mare. Pentru reducerea
zgomotului structural transmis în exteriorul carcasei trebuie ca toate legăturile dintre
elementele maşinii şi carcasă, respectiv faţă de pardoseală, să fie realizate prin
elemente vibroizolante.
Pentru combaterea zgomotului la receptor se recomandă pe lângă mijloacele
individuale de protecţie şi protejarea acestuia în cabine fonoizolante. Acest lucru este
posibil în cazul unor procese tehnologice care pot fi comandate, controlate şi
supravegheate de la distanţă, reducând la minimum perioada de expunere la zgomot
a persoanelor.
Realizarea de cabine fonoizolante impune respecta unor reguli: a) materialele
utilizate trebuie să asigure capacitatea de izolare la zgomotul aerian, b) uşile şi
ferestrele se realizează în construcţie fonoizolantă, c) sistemele de etanşare a uşilor,
ferestrelor nu trebuie să diminueze caracteristica de atenuare a cabinei, e)
decupajele din pereţi sau plafon, pentru conducte, cabluri, trebuie etanşate adecvat,
f) dotarea cabinelor cu sistem de ventilare sau de circulaţie a aerului şi cu
atenuatoare de zgomot şi h) legătura cabinei cu structura clădirii trebuie realizată
printr-un sistem vibroizolant.
16.6. OBIECTIVE ŞI MĂSURI CU PRIVIRE LA ZGOMOT Ca obiectiv se are în vedere diminuarea impactului poluării sonore şi a
vibraţiilor prin reducerea nivelurilor de zgomot ale surselor mobile (traficul rutier) şi
fixe (agenţi industriali). Ca măsuri de importanţă generală se impun: a) proiectarea şi
realizarea lucrărilor de bypass rutier, b) elaborarea unor propuneri de limitare a
traficului prin devierea traseelor, limitarea orelor de acces etc., c) elaborarea studiilor
de fezabilitate privind traseele de ocolire a oraşelor, d) atragerea fondurilor necesare
şi realizarea lucrărilor de deviere a traficului de tranzit în afara oraşelor, e) reducerea
poluării sonore la sursă prin utilizarea tehnicilor şi a tehnologiilor de vârf, f)
informarea publicului cu privire la zgomotul ambiental şi efectele sale şi g) adoptarea,
pe baza datelor din hărţile de zgomot, a planurilor de acţiune, care au ca scop
prevenirea şi reducerea zgomotului ambiental.
În figura 16.11 este exemplificată o procedură de reducere a poluării la sursă
pentru un autovehicul. Este utilizată tehnica ecranărilor parţiale.
PARTEA III – REDUCEREA POLUARII
410
12
10
3
4
1112
5
6
78910
Fig.16.11.Poziţionarea de panouri fonoabsorbante la un vehicul utilitar. A - În montaj pe şasiu: 1 - panou fonoabsorbant lateral inferior stg/dr, 2 - panou
fonoabsorbant lateral inferior ventilator, 3 - panou fonoabsorbant lateral superior stg/dr
motor, 4 - panou fonoabsorbant ventilator, 5 - panou fonoabsorbant spate motor, 6 - panou
fonoabsorbant superior c.v., 7 - panou fonoabsorbant lateral stg/dr c.v., 8 - panou
fonoabsorbant inferior c.v., 9 - panou fonoabsorbant inferior motor. B - În montaj pe cabină:
10 - panou fonoabsorbant lateral stg/dr cabină, 11 - panou fonoabsorbant superior motor, 12
- panou fonoabsorbant spate cabină.
16.7. LIMITE ADMISIBILE ALE NIVELULUI DE ZGOMOT Amplasarea obiectivelor economice cu surse de zgomot şi vibraţii şi
dimensionarea zonelor de protecţie sanitară se vor face în aşa fel încât în teritoriile
protejate nivelul acustic echivalent continuu măsurat la 0,1 m de peretele exterior al
locuinţei, la 1,5 m înălţime de sol, să nu dep ească 55 dB(A) şi curba de zgomot Cz =
45. În timpul nopţii (orele 22,00 ÷ 6,00), nivel l acustic echivalent continuu trebuie să fie
redus cu 5 dB(A) faţă de valorile din ti zilei. Pentru locuinţe, nivelul acustic
echivalent continuu , măsurat în interiorul camerei de dormit cu ferestre închise, nu
trebuie să depăşeasc 35 dB(A) şi curba de zgomot 30 în timpul zilei; în timpul nopţii
(orele 22,00 ÷ 6, hivalent continuu trebuie redus cu 5 dB(A). Aceleaşi
eqL
ăş
u
mpul
eqL
ă
00) nivelul ec eqL
Poluarea sonora . Strategii antizgomot
411
valori trebuie respectate şi în spitale, policlinici, dispensare atât ziua cât şi noaptea.
Pent coli nivelul acustic echivalent continuu , măsurat în interiorul clasei cu
ferestrele închise, să nu depăşească 40 dB(A) ş curba de zgomot 35. Aceste valori
sunt obligatorii şi pentru alte unităţi de învăţământ ioteci.
Pentru mediul de lucru, acolo unde expunerea personală zilnică la zgomot
depăşeşte 80 dB(A) sau valoarea maximă a presiunii acustice instantanee
neponderate este mai mare de 112 Pa (pascali) se vor utiliza echipamente
individuale de protecţie împotriva zgomotului. Dac expunerea personală zilnică la
zgomot depăşeşte 85 dB(A) sau valoarea maxim a presiunii acustice instantanee
neponderate este mai mare de 200 Pa, purtarea echipamentului individual de
protecţie împotriva zgomotului este obligatorie. Echipamentele individuale de
protecţie sunt considerate potrivite atunc elul de zgomot la urechea
persoanei este sub 80 dB(A).
16.8. MIJLOACE DE REDUCERE A EMISIILOR SONORE LA AUTOVEHICULE
Tehnicile aplicate pentru diminuarea emisiilor sonore ale autovehiculului pot fi:
active şi pasive. Tehnicile active vizează reducerea zgomotului la sursă pe când
tehnicile pasive urmăresc mărirea rezistenţei mediului de transmitere a undelor
sonore.
16.8.1. Mijloace active de reducere a emisiei sonore la motor Aceste tehnici vizează reducerea zgomotului produs pe cale aerodinamică,
termică şi mecanică.
În primul caz tehnicile se aplică procesului de schimb de gaze. Atât la
curgerea încărcăturii proaspete în cilindrii motorului cât şi la curgerea gazelor arse
din cilindri apar emisii sonore care trebuie atenuate. Zgomotul generat la admisie şi
evacuare prezintă similitudini şi atenuarea se poate realiza prin mijloace
asemănătoare.
Caracteristicile zgomotelor admisiei şi evacu rii depind de numărul de cilindri,
ordinea de aprindere, de durata fazelor de schimb de gaze, turaţia motorului şi de
caracteristicile constructive ale supapelor de admisie şi evacuare precum şi a
canalelor şi tubulaturii care le deservesc.
eqL
ru ş eqL
i
şi bibl
ă
ă
i când niv
ă
PARTEA III – REDUCEREA POLUARII
412
Energia acustică maximă a emisiei sonore este distribuită pe un număr mare
de armonice ale unei frecvenţe fundamentale. Restul de energie acustică este
repartizată relativ uniform pe un număr mare de componente superioare frecvenţei
de 2000 Hz, produse de turbioanele şi vibraţiile proprii care apar la curgerea gazelor
prin orificiile supapelor de admisie şi de evacuare.
Mărirea sarcinii motorului amplifică nivelul emisiilor sonore.
Diminuarea nivelului de zgomot la schimbul de gaze se realizează prin
plasarea pe traiectul gazelor proaspete şi pe traiectul gazelor arse unor atenuatoare
de zgomot.
Atenuatoarele de zgomot după fenomenul fizic utilizat pot fi:
- atenuatoare de absorbţie - la care reducerea nivelului de zgomot are loc prin
disiparea energiei oscilaţiilor presiunii prin frecarea de pereţii conductei şi prin
trecerea gazelor printr-un manşon realizat din materiale absorbante;
- atenuatoare de interferenţă sau reactive - la care are loc interferenţa dintre
unda sonoră incidentă şi cea reflectată în momentul întâlnirii unui obstacol;
- atenuatoare de rezonanţă - care determină un proces continuu de reflectare
a undelor acustice în scopul diminuării energiei lor;
- atenuatoare de rezistenţă sau dispersive - funcţionează pe principiul difuziei,
reducerea zgomotelor datorându-se dispersiei debitului de gaze cu presiune
pulsatorie prin tuburi lungi, perforate spre un volum mai mare.
Alegerea atenuatoarelor de zgomot se realizează în funcţie de nivelul de
reducere preconizat, de componenta spectrală a zgomotului, de debitul de gaze
care-l străbate, de influenţa asupra performanţelor motorului, de dimensiunile de
gabarit şi greutate.
La admisia gazelor, rezistenţele gazodinamice trebuie să fie cât mai reduse
pentru a nu se afecta umplerea cilindrilor cu amestec proaspăt. Pentru a diminua
zgomotul se utilizează atenuatoare dispersive sau combinate (atenuatoare dispersive
şi atenuatoare de absorbţie).
La evacuare, nivelul de zgomot este mult mai ridicat şi deci eficacitatea
reducerii trebuie să fie mai mare, pentru aceasta utilizându-se o combinaţie de
atenuatoare de zgomot. Unul permite trecerea sunetelor de frecvenţă joasă şi le
atenuează pe cele de frecvenţă înaltă (atenuatoare “trece jos”) iar altul atenuează
sunetele de frecvenţă joasă (atenuatoare “trece sus”). O altă măsură activă care
poate fi aplicată zgomotului produs la schimbul de gaze este reglarea optimă a
Poluarea sonora . Strategii antizgomot
413
fazelor de distribuţie în funcţie de regimul de funcţionare al motorului, dimensionarea
optimă a deschiderii supapelor, canalelor, colectoarelor şi a tubulaturilor de admisie
şi evacuare.
Pentru a se evita transmiterea la caroserie a zgomotelor şi vibraţiilor datorate
schimbului de gaze, tubulaturile, amortizoarele şi celelalte elemente sunt montate
prin intermediul unor elemente elastice.
Zgomotele motorului produse pe cale termică şi mecanică în motoare sunt
datorate variaţiei presiunii gazelor rezultate în urma arderii şi contactelor dintre
piesele motorului şi instalaţiilor acestuia datorită aplicării unor forţe şi momente
variabile.
Zgomotele datorate arderii amestecurilor aer-combustibil din cilindrii motorului
pot fi diminuate prin perfecţionarea proceselor de formare şi ardere a acestora care
să conducă la reducerea gradientului presiunii gazelor din cilindri. Asigurarea unui
avans optim al aprinderii la MAS şi a unui avans la injecţie, a unei durate de injecţie
şi legi a injecţiei optime la MAC pot determina o reducere a emisiilor sonore
(sistemele cu control electronic răspund acestor cerinţe).
Zgomotul mecanic produs de mecanismul motor îşi are originea în existenţa
jocurilor funcţionale şi în acţiunea de forţe variabile pe parcursul ciclului motor.
O atenţie deosebită se acordă cuplei piston - cămaşa cilindrului; la cele mai
multe motoare aceste piese sunt confecţionate din materiale diferite (aliaje de
aluminiu - fontă). Materialul pistonului şi cel al cămăşii de cilindru au coeficienţi de
dilatare diferiţi, în plus temperatura în lungul pistonului este variabilă, mai mare la
capul pistonului şi mai redusă spre marginea inferioară a mantalei acestuia. Pentru a
se evita gripajul pistonului, acestuia i se prevăd jocuri funcţionale diferite pentru capul
pistonului şi manta, acestea căpătând o formă de butoi sau tronconică.
La nivelul bolţului, forţa rezultantă care acţionează asupra pistonului (forţa
gazelor şi forţa de inerţie) se descompune într-o componentă care aplică pistonul pe
cilindru şi o componentă care acţionează asupra bielei. Aceste componente variază
în timpul ciclului motor. Pistonul intră în contact cu cămaşa, când pe o parte, când pe
cealaltă, după cum variază sensul forţei normale; forţa de frecare creează un
moment de răsturnare care provoacă bascularea pistonului. Aceste fenomene
produc vibraţii însoţite de zgomote caracteristice denumite “bătaia pistonului”.
Diminuarea zgomotului produs de ansamblul piston - cămaşă se poate realiza
prin:
PARTEA III – REDUCEREA POLUARII
414
- poziţionarea dezaxată a bolţului în piston;
- reducerea jocului dintre piston şi cămaşă;
- utilizarea unor construcţii speciale de piston;
- utilizarea unor acoperiri de suprafaţă la piston;
Dezaxarea bolţului în piston are ca efect micşorarea nivelului forţei normale
care atenuează efectul de basculare a pistonului. Dezaxarea se practică în sensul
forţei normale în cursa de destindere când presiunea din cilindru este maximă.
Reducerea jocurilor în ansamblul piston - cilindru fără a afecta siguranţa în
funcţionare este posibilă prin controlul dilatării pistonului. Una din măsurile utilizate
pentru micşorarea jocului între cilindru şi manta o constituie micşorarea temperaturii
mantalei prin utilizarea mantalei elastice, obţinută prin practicarea unei tăieturi în
formă de “T” sau “П”. La montaj, pistonul se aşează astfel încât forţa normală de
valori ridicate să fie preluată de partea fără tăietură. O altă măsură se constituie în
controlul dilatării pistonului. Acesta este posibil prin utilizarea pistonului “autoterm”
care are plasate în zona bosajelor pentru bolţ plăcuţe din metal cu coeficient mic de
dilatare liniară. Plăcuţele şi aliajul de aluminiu al pistonului lucrează ca o lamă
bimetalică, la încălzire sistemul se curbează puţin în sensul evazării (jocul dintre
manta şi cilindru se reduce la 0,012...0,024 mm).
O soluţie care permite micşorarea jocurilor pistonului o constituie pistonul
articulat pe bolţ. Capul pistonului cu zona portsegmenţi este o parte separată de
mantaua pistonului. Această separare permite limitarea transmiterii fluxului de
căldură spre manta diminuând dilatarea acesteia. În acest fel jocul dintre manta şi
cilindru se reduce la valori minime funcţionale. În acelaşi timp, şi jocurile capului şi
zonei portsegmenţi se pot reduce şi uniformiza pe circumferinţă deoarece dispare
concentrarea de material din zona pasajelor pentru bolţ.
Reducerea zgomotului ansamblului piston - cilindru se poate realiza prin
utilizarea unor acoperiri ale pistonului cu materiale plastice (teflon sau teflon acoperit
cu oxid de crom) utilizând cămăşi de cilindru din aliaje uşoare, necromate.
Reducerea zgomotului a fost de 0,5 - 2 dB(A).
Reducerea zgomotului de contact al celorlalte componente ale mecanismului
motor poate fi obţinută prin micşorarea jocurilor funcţionale. Reducerea jocurilor este
posibilă prin diminuarea abaterilor de formă şi poziţie a arborilor şi alezajelor şi prin
îmbunătăţirea stării suprafeţelor.
Poluarea sonora . Strategii antizgomot
415
Reducerea zgomotului datorat sistemului de distribuţie se poate obţine încă
din faza de concepţie prin adoptarea amplasării arborelui sau arborilor cu came,
antrenarea acestuia, profilul camelor şi sistemul de acţionare a supapei.
Distribuţia în cap cu arborele cu came plasat în blocul motor este zgomotoasă
pe de o parte datorită antrenării arborelui cu came prin roţi dinţate sau prin lanţ iar pe
de altă parte datorită existenţei unor jocuri termice mari datorită lanţului lung de
antrenare a supapei (camă - tachet - tije împingătoare - culbutor - supapă).
Amplasarea arborelui pe chiulasă scurtează lanţul cinematic de acţionare a supapei,
cama acţionând direct sau prin intermediul unui culbutor asupra supapei, în acest
caz jocul termic reducându-se iar prin utilizarea unor dispozitive automate (tachet
hidraulic) jocul poate fi eliminat complet, această soluţie determinând o reducere a
zgomotului produs de distribuţie. Adoptarea unei antrenări a arborelui cu came prin
curea dinţată duce la diminuarea suplimentară a zgomotului distribuţiei.
Profilul camei este important pentru că determină legea de variaţie a
accelerării elementelor de acţionare supapei. Zgomotul datorat aşezării supapei pe
scaun poate fi diminuat prin adoptarea unui profil al camei care să asigure o variaţie
lină a acceleraţiei de deschidere şi închidere a supapelor.
Vibraţiile produse în interiorul motorului sunt transmise prin structura motorului
la suprafaţa acestuia. Reducerea zgomotului structurii motorului se obţine prin
rigidizarea pereţilor blocului motor. Studii efectuate au arătat că la creşterea rigidităţii
blocului cresc şi valorile frecvenţelor de rezonanţă la care excitaţia este de
amplitudine mai scăzută. Creşterea rigidităţii prin nervurare poate determina mărirea
masei blocului cu 3% obţinându-se în schimb o scădere a nivelului de zgomot de 3,5
dB(A). Analiza prin metoda elementelor finite a blocului motor poate da informaţii
precise asupra comportării acustice a blocului motor.
Capacele motorului (capacul distribuţiei, baia de ulei şi capacul antrenării
distribuţiei) au o contribuţie importantă la transmiterea zgomotelor structurii motorului.
Reduceri importante (3,5...5,8 dB(A)) ale zgomotului pot fi obţinute prin utilizarea
materialelor plastice sau materialelor compozite la confecţionarea capacelor
motorului.
Reduceri ale nivelului de zgomot al motorului se pot obţine şi la nivelul
instalaţiilor auxiliare ale motorului prin adoptarea unor sisteme de antrenare
silenţioase, utilizarea unor materiale care să elimine transmiterea vibraţiilor şi prin
reducerea jocurilor. Antrenarea ventilatorului în funcţie de necesităţi contribuie la
PARTEA III – REDUCEREA POLUARII
416
reducerea nivelului global de zgomot al motorului. Adoptarea unei construcţii din
materiale plastice a ventilatorului poate îmbunătăţi regimul aerodinamic de
funcţionare al acestora cu o reducere importantă a emisiilor sonore.
16.8.2. Mijloace active de reducere a emisiei sonore la sistemele autovehiculului În cazul transmisiei autovehiculelor se pot aplica pentru reducerea vibraţiilor şi
zgomotelor următoarele măsuri:
- utilizarea pentru roţile dinţate a unor danturi care să asigure intrarea
progresivă a dinţilor în angrenare;
- prelucrarea optimă a danturilor cu asigurarea corectă a petei de contact a
dinţilor;
- la angrenajele conice asigurarea unor reglaje corecte;
- asigurarea unor reglaje optime ale rulmenţilor conici;
- utilizarea unor uleiuri cu calităţi bune de ungere;
- utilizarea unor arbori cardanici echilibraţi static şi dinamic;
- optimizarea procesului de fabricare a pieselor transmisiei care să permită
reducerea jocurilor funcţionale;
- în cazul dispozitivelor de servo-asistare se pot aplica măsuri de reducere a
zgomotului la antrenare. O altă măsură o constituie reducerea numărului de
elemente antrenate (la autoturismele Citröen sistemul de frânare, sistemul de
suspensie şi servodirecţia utilizează lichid sub presiune furnizat de o singură pompă
de presiune).
Poluarea sonora . Strategii antizgomot
417
Bibliografie [1] Cofaru.C. –Legislaţia şi ingineria mediului in transportul rutier Editura
Universităţii Transilvania Braşov 2002 ,ISBN 973-635-185-8
[2] Cofaru, C., ş.a.. - Autovehiculul şi mediul. Editura Universităţii Transilvania
Braşov, 1999. ISBN 973-98512-3-1.
[3] **** ISO 1996:1995 –Characteristics and measurement of ambient noise
[4] Bădărău, E., M. Grumăzescu - Acoustics fundamentals. Ed. Academiei, 1961.
[5] Filippi, F. Industrial vehicles and environment, ATA, April 1990.
[6] Vasilovici, N. – Exterior noise reduction of commercial medium class trucks
INAR study no.34603-2001
[7] Vasilovici,N. – Passive solutions regarding vehicle noise reduction.
Conference’’Vehicle – safety , comfort and reliability ’’, SMAT 2001.
[8] Vasilovici, N. - Vehicle testing, complex multivalent architecture. National
Session ’’Henri Coandă’’ Academy Braşov, 2004.
PARTEA III – REDUCEREA POLUARII
418
Autor: Corneliu COFARU
17. MIJLOACE PASIVE DE REDUCERE A EMISIILOR POLUANTE LA MAI În ultimii ani, reglementările privind emisiile poluante ale automobilelor sunt tot
mai restrictive. Cu toate că se depun eforturi intense pentru perfecţionarea
proceselor care au loc în motoarele cu ardere internă, a instalaţiilor şi tehnologiilor
utilizate, nu se pot obţine, la ieşirea din motorul cu ardere internă, valorile limită ale
concentraţiilor compuşilor poluanţi impuse de prevederile legislative actuale şi, mai
ales, de cele preconizate. În aceste condiţii sunt necesare sisteme care să fie
capabile să reducă nocivitatea gazelor arse pe traseul dintre cilindrii motorului şi
ieşirea sistemului de evacuare.
Primele dispozitive de tratarea a gazelor de evacuare au fost aplicate la
motoarele cu aprindere prin scânteie. Cerinţele privind limitarea concentraţiei
monoxidului de carbon şi a hidrocarburilor nearse au condus la utilizarea unor
sisteme de oxidare. Iniţial, motoarele Diesel satisfăceau condiţiile impuse gazelor de
evacuare.
O dată cu impunerea unor limite pentru emisiile de oxizi de azot s-au dezvoltat
sisteme care realizează simultan atât oxidarea CO şi HC cât şi reducerea NOX
(catalizatorul cu trei căi). Ideal ar fi ca după tratarea gazelor de evacuare să se
obţină un amestec de gaze atmosferice, adică O2, N2, vapori de apă şi CO2. La ora
actuală se pune şi problema reducerii emisiei de CO2 pentru diminuarea “efectului de
seră”.
La motoarele Diesel s-au limitat iniţial emisiile de particule prin utilizarea
filtrelor. În ultimul timp se pune cu stringenţă necesitatea dezvoltării unor sisteme
pentru gaze net oxidabile (la motoare care funcţionează cu λ > 1).
17.1. PROPRIETĂŢILE FIZICO – CHIMICE ALE GAZELOR LA IEŞIREA DIN MOTOARELE CU ARDERE INTERNĂ
În cazul motoarelor cu aprindere prin scânteie, proprietăţile gazelor de
evacuare depind direct de turatia şi sarcina motorului, de valoarea dozajului
amestecului aer-combustibil din cilindrii acestuia.
Temperatura gazelor arse variază între 300-400 0C la mersul în gol şi 900 0C
la sarcină plină. Debitul gazelor evacuate are o fluctuaţie cuprinsă între 10 şi 150
Mijloace pasive de reducere a emisiilor poluante la MAI
419
m3/h în funcţie de cilindree, de valorile turaţiei şi sarcinii motorului ca şi de condiţiile
concrete de funcţionare (accelerare sau decelerare).
Compoziţia chimica a gazelor arse este influenţată de condiţiile de funcţionare
ale motorului, în primul rând, de calitatea amestecului aer-combustibil.
Complexitatea compoziţiei chimice a gazelor arse înainte de tratarea lor pe
traseul de evacuare poate fi exemplificată în cazul MAS. Astfel, la acest tip de
motoare pot fi evidenţiate următoarele clase de compuşi:
Tabelul 17.1.Compoziţia gazelor arse la motoarele cu aprindere prin scânteie
Compuşi chimici oxidanţi: Concentraţie oxigen 0,2…2 % vol.; oxidul de azot NO 0,01…0,4 % vol. Protoxidul de azot N2O <100 ppm Compuşi chimici reducători: Concentraţie monoxid de carbon CO 0,1…6 % vol. Hidrogen H2 0,5…2 % vol. hidrocarburi nearse HC 0,5…1 % vol. Alţi compuşi: Concentraţie Azot N2 70…75 % vol. vapori de apă 10…12 % vol. dioxid de carbon CO2 10…13 % vol. dioxid de sulf SO2 15…60 % ppm alţi compuşi concentraţii ce depind de calitatea
aditivilor din combustibil şi ulei.
17.2. DISPOZITIVE DE TRATARE A GAZELOR DE EVACUARE 17.2.1. Reactorul termic Monoxidul de carbon şi hidrocarburile nearse formate în camera de ardere
sunt parţial oxidate în timpul curselor de destindere şi evacuare.
Reactorii termici sunt dispozitive care, prin menţinerea gazelor de evacuare la
temperatură ridicată, favorizează oxidarea CO şi HC din gazele arse. Constructiv,
reactorul termic este un colector de evacuare fixat de chiulasa motorului, cu volumul
mărit, prevăzut la interior cu un sistem de tuburi care prelungeşte drumul parcurs de
gazele de evacuare prin reactor, în scopul creşterii duratei de menţinere a acestora
la temperatură ridicată. Temperatura minimă necesară pentru oxidarea HC şi CO
este de 600…700 0C, mult mai ridicată decât în cazul conversiei catalitice. Această
temperatură nu este atinsă de gazele de evacuare la toate regimurile de turaţii şi
sarcini ale motorului. În aceste condiţii, pentru a se realiza reacţiile de oxidare,
PARTEA III – REDUCEREA POLUARII
420
trebuie să crească timpul de menţinere la temperaturi ridicate, utilizându-se frecvent
soluţii de izolare termică a reactorului (fig. 17.1).
Fig. 17.1 Construcţia reactorului izolat termic.
Reactorul trebuie să aibă o inerţie termică scăzută pentru a se încălzi rapid după
pornirea motorului. Pentru a se asigura acest deziderat, reţeaua interioară de tuburi
este realizată din oţel refractar.
Eficienţa reactorului termic depinde de nivelul de temperatură, volumul său şi
oxigenul rezidual din gazele evacuate. Temperatura atinsă în reactor este influenţată
de temperatura gazelor la intrare, de pierderile de căldură şi de cantităţile de HC, CO
şi H2 care sunt arse în interiorul acestuia. Se apreciază că, prin arderea unei cantităţi
de CO reprezentând 1 % din volumul reactorului, temperatura în reactor creşte cu 80 0C.
Reactorul termic are eficienţa maximă la oxidarea CO şi HC rezultate din arderea
amestecurilor bogate, oxigenul necesar fiind furnizat prin injecţie de aer secundar în
reactor în proporţie de 10...20%.
Utilizarea amestecurilor sărace la alimentarea motorului nu mai face necesară
injecţia de aer suplimentar în reactor, cantitatea oxigen din gazele evacuate fiind
suficientă pentru oxidarea compuşilor poluanţi. În acest caz, eficienţa reactorului este
diminuată ca efect al temperaturii mai reduse de lucru (cu aproximativ 100 0C).
Prin utilizarea reactorului termic nu se obţine o oxidare totală a cantităţilor de
HC şi CO, datorită variabilităţii condiţiilor de funcţionare ale motorului şi imperfecţiu-
nilor constructive ale reactorului.
Mijloace pasive de reducere a emisiilor poluante la MAI
421
17.2.1.1. Dispozitive pentru injecţia aerului secundar Sistemul implică utilizarea unei pompe (compresor) de aer antrenată de motor
care să trimită printr-o canalizaţie specială un curent de aer în gazele arse din zona
supapei de evacuare. Aerul injectat în fluxul de gaze de evacuare aduce oxigenul
necesar oxidării cantităţilor de HC şi CO care părăsesc cilindrii motorului.
Metoda este eficientă numai în cazul funcţionării motorului cu amestecuri bogate şi în
cazul unei temperaturi ridicate a gazelor evacuate.
Sistemul injecţiei de aer adiţional trebuie să întrerupă aportul de aer în timpul
decelerării automobilului, pentru evitarea exploziilor din sistemul de evacuare
(posibile în cazul funcţionării motorului la astfel de regimuri caracterizate de
îmbogăţiri accentuate ale amestecului proaspăt). Întreruperea debitării aerului
secundar se realizează printr-o supapă “controlată” de presiunea negativă, prezentă
în colectorul de admisie la închiderea clapetei de acceleraţie; aerul debitat de pompă
este direcţionat în acest caz în afara sistemului de evacuare. Pompa de aer este
protejată faţă de fenomenul întoarcerii flăcării printr-o supapă.
Alte sisteme folosesc fenomenele ondulatorii din colectorul de evacuare
pentru aportul de aer suplimentar. Aerul pătrunde în colectorul de evacuare printr-un
orificiu controlat de o supapă cu inerţie redusă, în perioada când unda de presiune
se situează sub nivelul presiunii atmosferice. Acest sistem este mai puţin eficient
decât cel care foloseşte pompă de aer.
Complexitatea constructivă, necesitatea prezenţei sursei de aer secundar
antrenată de motor, dependenţa directă a eficienţei reactorului termic faţă de
variaţiile calităţii amestecului aer-combustibil din cilindrii motorului, sunt elemente
care au determinat limitarea utilizării acestuia, preferându-se folosirea convertoarelor
catalitice, acestea având în plus şi avantajul diminuării concentraţiei compuşilor
poluanţi din gazele de evacuare prin reacţii de reducere (cazul convertoarelor
catalitice cu trei căi ).
17.2.2. Convertorul catalitic
17.2.2.1. Bazele teoretice ale proceselor de conversie catalitică
Funcţionarea sistemelor de conversie catalitică se bazează pe acţiunea
catalitică a unor metale preţioase (platina, rodiu, paladiu) care sunt capabile să
diminueze energia chimică necesară reacţiilor de reducere şi oxidare, mărind implicit
PARTEA III – REDUCEREA POLUARII
422
viteza de desfăşurare a acestor reacţii. Accelerarea catalitică a reacţiilor de oxidare
şi/sau reducere are loc la temperatura relativ scăzută a gazelor arse, evacuate la
diversele regimuri de funcţionare ale motoarelor cu ardere internă.
Mecanismele reacţiilor chimice care au loc în sistemele catalitice se pot rezuma la
următoarele scheme:
a) Mecanismul de oxidare a hidrocarburilor
În prezenţa oxigenului şi catalizatorului se poate dezvolta următoarea reacţie:
OH2mnCOO)
4mn(HC 222mn +⇒++ . (17.1)
b) Mecanismul de oxidare a monoxidului de carbon:
22 COO21CO ⇒+ . (17.2)
Se consideră că oxidarea monoxidului de carbon are loc în patru etape:
; (17.3)
(17.4)
; (17.5)
. (17.6)
Datorită polarităţii puternice, molecula de monoxid de carbon este absorbită în
stratul de metal nobil al catalizatorului. La o temperatură cuprinsă între 100 şi 200 0C
apare o absorbţie a monoxidului de carbon care lasă locul oxigenului, molecula de
oxigen disociază şi, la nivelul stratului catalitic, au loc reacţii de oxidare ale
monoxidului de carbon, urmate de absorbţia dioxidului de carbon. Monoxidul de
absgaz COCO ⇒
;O2O absgaz2 ⇒
gaz2absabs COCOO ⇒+
gaz2gazabs2 COCOO ⇒+
Mijloace pasive de reducere a emisiilor poluante la MAI
423
carbon reacţionează după o reacţie de tipul (11.6) finalizându-se astfel procesul de
oxidare.
c) Mecanismul reducerii oxidului de azot
Din punct de vedere termodinamic, molecula de oxid de azot este instabilă,
exceptând prezenţa acesteia în medii cu temperaturi foarte ridicate. Reacţia de
reducere teoretică este de tipul:
22 O21N
21NO +⇒ . (17.7)
Viteza de desfăşurare a acestei reacţii exotermice se poate amplifica pe cale
termică sau în prezenţa metalelor catalitice. Descoperirea catalizatorului care poate
asigura reducerea NO, în prezenţa oxigenului, ramâne o sarcină primordială a
cercetătorilor din domeniu. Deficienţa principală a materialelor încercate până acum
(metale preţioase, oxizi, etc.) constă în disocierea moleculelor de NO absorbite de
catalizator şi fixarea acestor produşi de disociere pe suprafaţa catalizatorului.
Desorbţia oxigenului format limitează continuarea reacţiilor de reducere. Pentru
restaurarea acţiunii catalitice este necesară ridicarea nivelului temperaturii gazelor de
evacuare sau prezenţa unui agent chimic reducator. Agenţii reducători pot fi compuşi
chimici care însoţesc NO în gazele de evacuare (CO, H2, şi hidrocarburi nearse).
Hidrogenul molecular poate rezulta din reacţia CO cu vaporii de apă, în prezenţa
catalizatorului:
. (17.8)
Reacţiile de reducere a NO se pot dezvolta dupa următoarele scheme:
222 HCOOHCO +⇒+
NO CO N CO+ ⇒ +12 2 2 ; (17.9)
NO H N H O+ ⇒ +2 212 2 ; (17.10)
PARTEA III – REDUCEREA POLUARII
424
NO HC N H O CO+ ⇒ + +( ) 12 2 2 2 ; (17.11)
22 5 3 2 52 3NO CO H O NH CO+ + ⇒ + ; (17.12)
; (17.13)
; (17.14)
. (17.15)
Oxidarea agenţilor reducători CO, HC şi H2 are loc prin utilizarea oxigenului
rezultat din disocierea NO sau a oxigenului molecular existent în gazele de evacuare.
În cazul în care tensiunea parţială a oxigenului molecular depăşeşte substanţial
presiunea parţiala a NO, rata de disociere a NO se diminuează considerabil. Aceasta
este cauza pentru care, cu tehnologiile actuale, nu este posibilă reducerea NO din
gazele de evacuare ale motoarelor care funcţionează cu exces de aer (MAS cu
amestecuri sărace şi motoare Diesel) (fig. 4.2).
La motoarele care funcţionează cu amestecuri bogate, agenţii reducători se
găsesc în cantităţi ridicate, iar azotul atomic rezultat din disocierea NO poate
reacţiona cu aceşti compuşi. De nedorit, în urma reacţiilor de reducere poate rezulta
amoniac, prin una din următoarele reacţii:
2 2 2NO CO N O CO+ ⇒ +
OH2NH2H5NO2 232 +⇒+
2 2 2 2NO H N O H O+ ⇒ +
OHNHH25NO 232 +⇒+ , (4.16)
232 CO5NH2OH3CO5NO2 +⇒++ . (4.17)
Fig. 17.2 Oxidarea agenţilor reducători în catalizator.
Mijloace pasive de reducere a emisiilor poluante la MAI
425
17.2.2.2. Convertorul catalitic dual În cazul în care agenţii reducători sunt prezenţi în exces, pentru limitarea
emisiei de amoniac, este necesara utilizarea a două reactoare legate în serie (fig.
17.3).
Fig. 17.3 Sistem cu reactoare legate în serie.
Primul reactor are rolul de a reduce NO (rezultând în acelasi timp cantităţi
variabile de amoniac). Amestecul de gaze ce părăseşte primul reactor intră în
urmatorul reactor, în care se realizează procesele de oxidare. Pentru dezvoltarea
acestui tip de reacţii, se introduce aer adiţional în gazele ce pătrund în reactorul de
oxidare. Amoniacul format în timpul reacţiilor de reducere ar trebui sa fie oxidat (în
ultimul reactor) dupa reacţiile:
NH O N H O3 2 234
12
32
+ ⇒ + 2 , (17.18)
sau
NH O NO H O3 2 254
32
+ ⇒ + . (17.19)
Cantitatea de NO formata dupa ultima schemă de reacţie depinde de tipul
catalizatorului folosit, de nivelul temperaturii şi de valoarea presiunii parţiale a
oxigenului.
17.2.2.3. Convertorul catalitic cu trei căi Denumirea acestui sistem catalitic provine din abilitatea acestuia de a elimina
(sau diminua) simultan trei compuşi poluanţi din gazele de evacuare: CO, HC, NOx.
Eficienţa maximă în neutralizarea celor trei noxe se obţine la funcţionarea motorului
cu amestecuri stoichiometrice (λ ≅ 1). Dacă valoarea coeficientului excesului de aer
PARTEA III – REDUCEREA POLUARII
426
al amestecului proaspăt este diferită de unitate atunci se diminuează eficienţa
sistemului catalitic cu trei căi (fig. 4.4).
Fig. 17.4 Eficienţa catalizatorului cu trei căi ca funcţie de calitate amestecului.
În cazul în care în motor sunt arse amestecuri sărace, se micşorează eficienţa
reducerii NO. Dacă amestecul proaspăt este bogat, atunci este sesizată reducerea
eficienţei reacţiilor de oxidare a HC şi CO; cantităţile remanente din respectivii
compuşi pot fi eliminate prin adiţia vaporilor de apă, dupa mecanismele chimice:
2 , (17.20)
2 . (17.21)
Domeniul de variaţie a calităţii amestecului aer - combustibil, pentru care
catalizatorul funcţionează eficient – aşa-numita "fereastră λ" - este extrem de
restrâns, ceea ce impune utilizarea unui sistem electronic de control şi reglare a
calităţii amestecului, pentru menţinerea acestuia în domeniul de eficienţă al
sistemului catalitic. Senzorul care culege informaţia relativ la cantitatea de oxigen
remanentă în gazele de evacuare este sonda λ. Mărimea timpului de răspuns al
sistemului poate determina oscilaţii ale dozajului la funcţionarea motorului în regimuri
tranzitorii. În aceste cazuri, frecvenţa semnalului de răspuns variază cu 0,5...5 Hz, în
jurul valorii fixate, ceea ce determina o variaţie a coeficientului de exces de aer în
intervalul [0,93...1,07].
CO H O H CO+ ⇒ +2 2
( )HC H O CO CO H+ ⇒ + +2 2
Mijloace pasive de reducere a emisiilor poluante la MAI
427
Semnalul generat de sonda λ, la deviaţia dozajului de la calitatea stoichiometrică,
este transmis unităţii de control electronic, care, după procesarea informaţiilor,
transmite semnalul de comandă a reglării calităţii amestecului pentru obţinerea unui λ
≅ 1.
În cazul absenţei sondei λ, convertorul cu trei căi poate procesa gazele de
evacuare numai dacă se injectează aer secundar. În prima zonă a sistemului se
reduc oxizii de azot. Aerul adiţional este injectat într-o zonă secundară, în care
oxigenul este prezent într-o concentraţie corespunzătoare amestecului
stoichiometric, astfel încât este posibilă oxidarea hidrocarburilor nearse şi a
amoniacului. În cea de-a treia zonă a sistemului există, de asemenea, oxigen
remanent, ceea ce face posibilă desăvârşirea reacţiilor de oxidare a hidrocarburilor.
Această modalitate de utilizare a sistemului catalitic cu trei căi a fost practic
abandonată în favoarea sistemului cu monitorizare a excesului de oxigen din gazele
de evacuare şi controlul calităţii amestecului pentru funcţionarea motorului cu λ ≅ 1.
Aditivii adăugaţi în combustibil pot îmbunătăţi rezultatele obţinute în tratarea gazelor
arse prin sistemul catalitic cu trei căi.
1) Suportul catalizatorului Suportul sistemului catalitic utilizat la tratarea gazelor de evacuare emise de
motoarele autovehiculelor trebuie să răspundă unor cerinţe specifice dintre care cele
mai importante sunt:
• Să permită depunerea stratului catalitic prin minimizarea contactului dintre
acesta şi suport, fără ca elementul catalitic să sinterizeze cu materialul
suportului, pentru a nu se diminua eficienţa reacţiilor catalitice. Reacţiile
catalitice au loc la nivelul atomilor din stratul de suprafaţă al depunerii de
element catalitic;
• Să inducă un nivel de contrapresiune cât mai redus pe traseul gazelor
evacuate prin sistem, pentru a nu diminua semnificativ performanţele
energetice ale motorului;
• Să asigure o cât mai mare suprafaţă de contact între gazele arse şi stratul de
compus catalitic, în scopul maximizării eficienţei sistemului;
• Să răspundă cât mai bine solicitărilor mecanice şi termice.
PARTEA III – REDUCEREA POLUARII
428
Structura suportului catalitic poate fi sub formă granulată sau monolitică.
Ultimele construcţii folosesc în exclusivitate structuri monolitice. O asemenea
structură este constituită dintr-o piesă unică realizată fie din material ceramic fie din
metal.
1a) Suportul monolitic ceramic Pentru realizarea suportului monolitului ceramic se foloseşte aproape în
exclusivitate cordieritul ( 232o SiO5OAl2OM2 ⋅⋅ ), cu toate că au fost încercate şi alte
materiale cum ar fi: alumina, titanatul de aluminiu, carbura de siliciu şi altele.
Materialele de bază sunt măcinate sub formă de pulbere (cu diametrul
particulelor < 50 µm) după care acestea sunt încorporate într-un agent liant
(metilceluloza sau carboximetilceluloza) cu un lubrifiant (etilenglicol) şi un agent
fondant (hidroxizi ai pământurilor alcaline) pentru a favoriza sinterizarea. Amestecul
obţinut este sinterizat în forma finală. Structura obţinută este introdusă apoi în
cuptorul de sinterizare; în faza de presinterizare sunt eliminaţi compuşii volatili,
agenţii lianţi şi lubrifianţi. Secvenţele la temperaturi ridicate (între 800 şi 1300 la 1450 0C) determină nivelul de porozitate al materialului ceramic pe care se va aplica stratul
de material catalitic.
Cordieritul are un coeficient de dilatare termică redus ceea ce oferă
monolitului o bună rezistenţă la şocuri termice. Punctul său de topire se plasează în
jurul valorii de 1450 0C, ceea ce îi permite structurii monolitice să-şi păstreze
elasticitatea până la temperaturi de 1300 0C, rezistând astfel rezonabil la solicitările
mecanice specifice tuturor regimurilor de funcţionare ale motorului.
Monoliţii se extrudează ca volume cilindrice cu secţiunea circulară, eliptică sau
“turf”. Canalele de trecere a fluxului de gaze evacuate (secţiune triunghiulară sau
pătrată) sunt aranjate sub formă de fagure. Volumul monolitului ia valori cuprinse în
intervalul [0,2…0,3] dm3 pentru fiecare kW de putere efectivă a motorului. Secţiunea
în formă de “turf” se utilizează la motoare cu puteri de până la 100kW, pentru
motoare cu puteri mai mari se folosesc doi manoliţi identici montaţi în paralel.
Valoarea diametrului suportului se constituie în factorul principal ce determină nivelul
căderii de presiune pentru un volum dat al monolitului, comparativ cu lungimea
canalelor şi numărul de canale pe unitatea de suprafaţă. Micşorarea grosimii pereţilor
Mijloace pasive de reducere a emisiilor poluante la MAI
429
despărţitori reduce inerţia termică a suportului şi diminuează nivelul presiunii gazelor
de evacuare din amontele sistemului catalitic.
Caracteristicile principale ale monoliţilor ceramici sunt următoarele:
• număr de canale pe cm2 - 46…62;
• grosime de perete – 0,1, 0,15 sau 0,3 mm;
• porozitate - ≅ 30%;
• aria suprafeţei active a canalelor raportată la unitatea de volum – 2,19 sau
2,79 m2 / dm3;
• densitatea materialului ceramic – 1,68 kg / m3;
• temperatura maximă de exploatare – 1100 0C;
• mărimea macroporilor – 7000…10000 Å;
• mărimea microporilor – 70,,,90 Å.
1b) Suportul monolitic metalic Monolitul metalic este realizat din oţel inoxidabil cu conţinut de crom şi
aluminiu, obţinându-se grosimi ale pereţilor canalelor de 40,,,50 µm. Se utilizează un
oţel aliat, cu structură perlitică, inoxidabil, cu o bună rezistenţă la coroziunea indusă
de gazele cu temperaturi ridicate evacuate din motor. Ca efect al conţinutului relativ
ridicat de aluminiu (aproximativ 4%) la suprafaţa monolitului se formează un strat
protector de alumină rezultată prin oxidare la temperatură ridicată.
Se apreciază că, prin introducerea în compoziţia aliajului a 0,2 - 0,3 %
zirconiu, rezistenţa monolitului la solicitări caracteristice oxidării la temperaturi
ridicate creşte; se împiedică, de asemenea, fenomenul desprinderii de particule din
structura monolitică metalică de bază. Adaosul de calciu are efecte pozitive asupra
adeziunii stratului de oxid la suprafaţele canalelor de trecere. În proporţie de
aproximativ 0,3 %, introducerea ytriului în compunerea aliajului, are ca efect ridicarea
durabilităţii materialului supus solicitărilor date de gazele fierbinţi. Deoarece ytriul
este un material scump, se utilizează în proporţie de maxim 0,05 %, restul fiind
înlocuit de un amestec conţinând pământuri rare şi ceriu.
După recoacere la 12000C, folia de tablă, având compoziţia descrisă mai sus,
este ondulată într-un laminor special pentru a i se asigura o configuraţie de suprafaţă
sinusoidală sau trapezoidală. Asamblarea foliilor pentru obţinerea structurii principale
se poate realiza fie prin sudură cu flux de electroni, fie prin brazare la o temperatură
PARTEA III – REDUCEREA POLUARII
430
de maxim 12000C, direct în carcasa suportului. Brazarea este recomandată deoarece
previne deformarea structurii sub acţiunea şocurilor termice. Folia este răsucită în
formă de spirală sau sub formă de "3", această ultimă aranjare oferind o mai bună
anduranţă mecanică.
Aria secţiunii transversale echivalente oferită pentru curgerea gazelor arse
creşte de la 57%, în cazul monolitului ceramic, la 72%, în cazul monolitului metalic.
Se reduce astfel, la utilizarea monolitului metalic, contrapresiunea din sistemul de
evacuare al motorului, ceea ce determină o îmbunătăţire a performanţelor motorului.
Rezultate experimentale indică un câştig de 4 kW, la o putere iniţială a motorului de
160 kW, în cazul folosirii în sistemul catalitic a monolitului metalic.
Spargerea curentului principal de gaze arse, la intrarea în sistemul catalitic cu
suport metalic, creşte intensitatea turbulenţei curgerii, ceea ce conduce la un contact
mai bun între gazele evacuate şi suprafaţa cu metal catalitic. Efectul final este o
creştere a eficienţei catalizatorului sau o posibilă diminuare a volumului şi greutăţii
suportului.
Principalele caracteristici ale monolitului metalic sunt:
• compoziţia materialului - 15 ÷ 20% Cr, 4 ÷ 5% Al, 0 ÷ 2% Şi, 0,1 ÷ 0,3% Y,
restul până la 100%Fe;
• număr de canale pe cm2 - 62 sau 93;
• grosime de perete - 0,05 mm;
• aria suprafeţei canalelor - 3.2 m2 / dm3;
• densitatea materialului - 1,25 kg / dm3;
• temeratura maximă de exploatare - 1100 0C.
Suportul metalic este mai scump decât suportul ceramic; opţiunea pentru
prima soluţie este favorizată de flexibilitatea mai ridicată în alegerea numărului de
canale şi de volumul mai redus al monolitului metalic (cu aproximativ 56% faţă de
monolitul ceramic convenţional şi cu 25% faţă de structurile ceramice obţinute cu
noile tehnologii). Alte caracteristici favorizante ale structurii metalice constau in:
1. căderea de presiune din sistemul catalitic mai mică cu 15 ÷ 20% faţă
de suportul ceramic cu îmbrăcăminte activă depusă;
2. conductivitate termică ridicată ce impiedică supraîncălzirea locală şi
eventuala topire zonală a structurii;
Mijloace pasive de reducere a emisiilor poluante la MAI
431
3. inerţie termică redusă, ceea ce asigură un timp minim de atingere a
temperaturii optime de funcţionare (imediat după pornirea motorului).
Ca şi în cazul suportului din material ceramic, suprafaţa canalelor se acoperă cu un
strat de Y alumină, înainte de impregnarea cu elementul catalitic.
2) Materialul activ La sistemele catalitice cu trei căi sunt utilizate ca agenţi catalitici numai
metalele preţioase (cu toate că s-au desfăşurat cercetări pentru folosirea unor oxizii
ai metalelor uzuale ca materiale catalitice).
Metalele preţioase au o intensă reactivitate chimică atât la temperaturi reduse
cât şi la temperaturi ridicate; ele rezistă foarte bine tendinţelor de sinterizare prin care
se reduce aria suprafeţei specifice de activitate.
Oxizii metalici, cum ar fi: CoO4, CuO, Cr2O3, ZnO, SiMnO2, singuri sau în
combinaţie prin alţi oxizi, pot realiza o activitate catalitică, însă, pentru a realiza
aceeaşi rată de conversie (ca în cazul utilizării metalelor preţioase) trebuie să se
utilizeze o cantitate de două până la trei ori mai mare. Utilizarea oxizilor metalici este
limitată în principal de lipsa de stabilitate la temperaturi ridicate şi de marea
sensibilitate a acestora la acţiunea chimică a sulfului.
La sistemul catalitic cu trei căi, catalizatorul de oxidare conţine ca elemente
active platina şi paladiul, singure sau în combinaţie. La oxidarea dioxidului de carbon,
hidrocarburilor olefine sau pentanului, activitatea paladiului este mai intensă decât
cea a platinei. La oxidarea hidrocarburilor aromatice activitatea celor două metale
preţioase este asemănătoare, în schimb, oxidarea hidrocarburilor parafinice este mai
eficient realizată de platină.
Reacţiile catalitice încep cu un stadiu de absorbţie prin care se impune
dehidrogenarea hidrocarburilor saturate. Platina este foarte eficientă in acest proces.
La temperaturi cuprinse în intervalul [600...900] 0C, într-un mediu oxidant, platina
tinde să sinterizeze. Sinterizarea platinei este mult diminuată într-un mediu
reducător. Paladiul rezistă mai bine tendinţelor de sinterizare într-un mediu oxidant
şi, combinat cu stratul intermediar, prezintă aceeaşi durabilitate cu perechea de
metale platină-rodiu.
Prezenţa plumbului sau a fosforului blochează ireversibil suprafaţa activă a
catalizatorului, platina dezactivându-se mult mai uşor decât paladiul.
PARTEA III – REDUCEREA POLUARII
432
Rata de conversie a NOX şi CO este mult mai scăzută în cazul paladiului, la regimuri
de funcţionare caracterizate de amestecuri bogate. Tendinţa actuală, în tehnologia
sistemelor catalitice, este de a înlocui perechea platină-rodiu cu pereche paladiu-
rodiu deoarece au eficienţe comparabile însă costul paladiului este mai mic decât cel
al platinei.
În cazul sistemului catalitic cu trei căi, este necesară utilizarea rodiului, pe
lângă perechea de metale preţioase platină-paladiu, pentru a îmbunătăţi reacţiile de
reducere. Din cauza prezenţei monoxidului de carbon, activitatea platinei şi paladiului
este insuficientă în reacţiile de reducere a NOX la N2. Rodiul are o mai mare
capacitate de a stoca oxigenul, în plus rodiul este imun la efectul de inhibiţie
determinat de CO producând şi mai puţin amoniac la funcţionarea motorului cu
amestecuri bogate. Rodiul este foarte sensibil la contaminarea cu plumb şi fosfor. La
temperaturi ridicate, rodiul formează RhO3 care se poate combina sub forma unei
soluţii solide cu alumina din suport. Acest oxid are tendinţa de a acoperi cristalele de
platină, catalizatorul fiind astfel scos din funcţiune.
Ruteniul este considerat drept cel mai bun catalizator de reducere a NOX la
N2, însă el nu este utilizat deoarece formează un oxid volatil în mediul oxidant; acest
oxid nu a putut fi încă stabilizat într-un amestec de oxizi.
3) Aditivi catalizatori În suportul intermediar, precum şi în stratul activ de metale preţioase, se pot
adăuga o mare varietate de aditivi cum ar fi: Ni, Ce, La, Ba, Zr, Fe, şi Şi. Aceşti aditivi
realizează accentuarea efectului catalitic, stabilizarea chimică a suportului şi
inhibarea procesului de sinterizare a metalelor preţioase.
Prezenţa atea pl şi paladiului la reducerea
N ul şi ceriul au efecte asem
sinterizarea aluminei din stratul intermediar şi diminuează intensitatea lor dintre
r lumină ntariul, adăuga diului, îmbu ţeşte procesul de reducere a
NO într-un mediu reduc tor. Silici bune prop i de inhibare a reacţiilor de
sinterizare ale aluminei şi oxidului de ceriu. Lantariu vine desprind istalelor
e pla
nichelului intensifică activit atinei
O. Oţel ănătoare cu cele ale nichelului, ele previn
reacţii
odiu şi a . La t pala nătă
ă ul are rietăţ
l pre erea cr
d tină. Încorporarea rodiului în suport de ZrO2 pe matrice acoperită cu y Al2O3
previne difuzia rodiului în alumină.
Mijloace pasive de reducere a emisiilor poluante la MAI
433
4) Tehnologia de obţinere a convertorului catalitic 4a)Stratul intermediar O zonă de canal se prezintă în secţiune în figura 17.5
Fig. 17.5 Depunerea stratului intermediar.
Aria suprafeţei canalelor oferite atât de suportul ceramic cât şi de suportul
metalic este insuficientă pentru aplicarea stratului activ de metale preţioase. Pentru a
se mări suprafaţa de depunere a catalizatorului, pereţii canalelor sunt îmbrăcaţi cu un
material intermediar care de cele mai multe ori este alumina. Masa stratului
ă 5…20% din masa suportului iar aria suprafeţei
canalelor este amplificată cu un factor de aproximativ 100.
intermediar depus reprezint
la materialul suportulu
precursor este un amestec de Al2(OH)5Cl, hidrosoli
ă şi posibili oxizi de siliciu sau zirconiu sau acest lichid precursor este o
suspensiei la suport poate fi îmbunătăţită
ugarea la suspensia precursoare de
nitrat d
Principalul factor îl constituie proprietăţile de adeziune ale stratului intermediar
i, deoarece se elimină riscul spargerii şi detaşării în timp a
stratului activ. Este necesar ca mărimea coeficientului de dilatare al materialului
suportului şi al stratului intermediar să nu difere prea mult.
Stratul intermediar se aplică în trei etape: pregătirea lichidului precursor pentru
acoperire; imersia suportului în acest lichid; uscarea şi sinterizarea combinaţiei
precursoare pe suport. Lichidul
de alumin
suspensie apoasă de y alumină. Adeziunea
prin adăugarea unor aditivi cum ar fi: silicat de sodiu, proteine, răşini sintetice,
acestea putând fi adăugate în soluţie sau să fie aplicate pe suprafaţa canalelor
înainte de aplicarea soluţiei precursoare. Adă
e aluminiu îmbunătăţeşte adeziunea particulelor suportului prin descompunere
când temperatura creşte la aproximativ 500°C. Adaosul de CeO2 (4,5 % din
greutatea stratului precursor) şi de BaO (<1% din greutatea suportului) reduce
PARTEA III – REDUCEREA POLUARII
434
proces rsia metalului preţios depus. Aceste
daosuri determină diminuarea la jumătate a cantităţii de metal preţios depus.
cursor produce o creştere
uşoară a căderii de presiune
se ţei de CeO2 datorită scăderii
oxigenului. În anumite reţete se incor
greutatea suportului.
Stratul intermediar se depune prin imersia suportului în soluţia precursoare
sau prin injecţia soluţiei precursoare în canalele
p utorul aerului comprimat sau
rin centrifugare. Stratul precursor este uscat cu un curent de aer având temperatura
de 100
. Anumite
tehnol
preveni migrarea acestora spre capătul canalului. Aciditatea mediului de
impreg
obţine o suprafaţă de
suficientă pentru a preveni desprinderea cristalelor prin
braziune şi prin contactul cu plumbul şi fosforul.
Pentru a reduce sărurile la sta
ca C. alte tehnici prevăd ca prin canale să
ul de sinterizare al aluminei şi dispe
a
Dublarea cantităţii specifice a materialului pre
în convertor dar rata de conversie a CO şi NOx creşte şi
îmbunătăţesc calităţile de anduranţă datorită prezen
porează în suport până la 7% Ce şi 7% La din
suportului. Surplusul de soluţie
recursoare este eliminat prin canalele monolitului cu aj
p
…150°C care parcurge canalele monolitului.
La monolitul metalic este necesar ca suprafeţele canalelor să fie bine
degresate pentru ca stratul intermediar să adere la suprafaţa metalică
ogii prevăd pentru îmbunătăţirea stratului intermediar oxidarea suprafeţelor
metalice ale monolitului.
4b) Stratul activ Catalizatorul platină-paladiu se depune în raport de 15:1 până la 3:1.
Tehnologiile de depunere se adoptă în funcţie de suprafeţele suportului pentru a se
asigura eficienţă maximă.
După ce stratul intermediar a fost depus pe suprafeţele canalelor monolitului
stratul activ se depune prin cufundare sau injecţie utilizând o soluţie de metale
preţioase (de exemplu: H2PtCl6, PdCl2, Rh(NO3)3 şi RhCl3) sau soluţii pe bază de
acetonă conţinând (n-butil4N)2Rh(CO)2Br8 sau H2PtCl6-6H2O.
În timpul uscării este necesar ca particulele active să fie fixate pe suprafaţă
pentru a
nare influenţează adâncimea de pătrundere a catalizatorului în suport.
Adâncimea de pătrundere trebuie să fie redusă pentru a se
spălare cu gaze arse a cristalelor de metal preţios cât mai mare, însă această
penetrare trebuie să fie
a
diul metalic, platină/paladiu este necesar ca prin
nale să treacă în curentul de H2/H2O la 75°
Mijloace pasive de reducere a emisiilor poluante la MAI
435
treacă un curent de H2S pentru a fixa metalele preţioase pe suprafaţa canalelor într-o
soluţii apoase şi
upă această operaţie urmează operaţia de calcinare pentru a ajunge la starea
metalică.
Există şi tehnologii care prevăd depunerea stratului intermediar şi activ
simulta
jării. Carcasa se confecţionează din oţel inoxidabil refractar
austen
pede după pornire rezultând o
ampla
tre cele două carcase
fiind pl
recţioneze uniform gazele către monolit pentru a se obţine o rată
de con
formă coloidală de precipitat de sulfiţi care apoi sunt descompuşi termic.
Aditivi cum ar fi nichelul sunt adăugaţi sub formă de nitraţi în
d
n sub formă de hidrosol amestecat cu precursori catalitici însă o parte din
cristalele active sunt acoperite de stratul intermediar şi eficienţa de conversie poate fi
mai redusă.
4c) Montarea suportului în carcasă Suportul impregnat cu cristale de metale preţioase este montat într-o carcasă
metalică destinată prote
itic sau feritic. Carcasa se obţine din două semicarcase realizate prin presare.
Convertorul catalitic se poziţionează pe conducta de evacuare ţinând seama că
suportul trebuie să se încălzească cât mai re
sare cât mai apropiată de motor, însă ţinând seama de nivelul de temperatură
atins (800-900 °C) el trebuie depărtat de motor la o distanţă de siguranţă.
Pentru a se încălzi rapid carcasa convertorului poate fi dublă, în
asat material izolant.
Suportul metalic este fixat direct de carcasă. Carcasa, la ambele tipuri de
suport, trebuie să di
versie optimă.
PARTEA III – REDUCEREA POLUARII
436
Fig. 17.6 Montarea monolitului
17.2.2.4. Temperatura de intrare în activitate a materialului catalitic
La temperatura mediului ambiant convertorul catalitic nu acţionează asupra
ebuie să atingă temperatura minimă
vacuare care depinde de: raportul aer-
vacuării, distanţa de la colectorul de evacuare la convertor şi caracteristicile
e te ică, olare termi
poluanţilor emişi de către motor. Catalizatorul tr
de funcţionare, cuprinsă între 200 şi 300 °C. Până la atingerea temperaturii de
funcţionare, emisiile sunt deversate în atmosferă fără a fi supuse procesului de
conversie completă.
Timpul necesar convertorului catalitic pentru a atinge eficienţa de conversie
depinde de:
• proprietăţile catalizatorului: formula şi starea lui (stadiul de oxidare, prezenţa
diferiţilor compuşi pe suprafaţa sa);
• compoziţia gazelor de evacuare;
• căldura conţinută de gazele de e
combustibil, avansul la aprindere, căldura transferată la pereţi pe timpul
e
convertorului (geometrie, capacitat rm iz că, conductivitate
termică);
Mijloace pasive de reducere a emisiilor poluante la MAI
437
a) Influenţa catalizatorului La catalizatoarele de oxidare paladiul are o temperatură mai scăzută de
intrare în funcţiune decât platina. În convertoarele cu trei căi, combinaţia Pt/Rh
reduce temperatura de acţionare faţă de combinaţiile Pt/Pd, Pd/Rh sau Pt/Pd/Rh.
Temperatura de intrare în funcţionare descreşte şi la creşterea dispersiei platinei pe
acestora şi coboară temperatura de intrare în funcţiune a
izii pământurilor rare) şi a coborî temperatura de funcţionare.
c) I u
conţinu depinde de gradul de îmbogăţire al
am
ridicat ă de CO în gazele arse (gazele de evacuare
ale
nearse variază în funcţie de procesele care au loc
în mbustibilului utilizat. Prezenţa
hid
funcţiu
stuia.
ă util area e ae
estecului la pornire.
rodiu (Rh), deoarece rodiul este mai puţin sensibil la conţinutul de CO decât Pt şi Pd.
suprafaţa canalelor monolitului. Acelaşi efect se obţine şi prin creşterea concentraţiei
de metale preţioase.
b) Acţiunea aditivilor materialului suportului Aditivii materialului suportului inhibă sinterizarea metalelor preţioase,
încetinesc îmbătrânirea
catalizatorului. Această temperatură se diminuează aproape liniar cu conţinutul
CeO2, în special dacă particulele de oxid sunt mai mici. Alţi aditivi sunt utilizaţi pentru
a mări capacitatea de stocare a oxigenului (Fe2O3) sau pentru a stabiliza metalele
active (ox
nfl enţa compoziţiei gazelor arse La pornirea motorului, prin convertorul catalitic curg gazele arse care au un
t variabil de CO, O2, NO şi HC care
estecului aer-combustibil, temperatură şi presiunea mediului ambiant. Un conţinut
de oxigen şi o concentraţie scăzut
MAC) coboară temperatura de oxidare a catalizatorului.
Compoziţia hidrocarburilor
cilindrii motorului şi în funcţie de compoziţia co
rocarburilor olefinice în gazele de evacuare reduce temperatura de intrare în
ne a materialului activ.
Reacţia catalizatorilor la aceşti factori nu este sistematică şi ea depinde de
formula de material activ şi de starea de îmbătrânire a ace
d) Influenţa raportului aer-combustibil La un catalizator de oxidare Pt/Pd, făr iz d r adiţional sau a
amestecurilor sărace, temperatura de intrare în funcţiune a acestuia creşte cu gradul
de îmbogăţire al am
Acest efect este mai puţin important la convertoarele catalitice care conţin
PARTEA III – REDUCEREA POLUARII
438
La un convertor de oxidare cu Pt, la creşterea conţinutului de CO de la 0,5% la 7%
face posibilă menţinerea
nt
) Influ(Pb P, S Zn) au un efect ireversibil.
umularea efectelor termice (sinterizare) cu depozitele de impurităţi conduc la o
ărire
lui şi poziţia în instalaţia de evacuare trare în fun ţiune a catalizatorului într-un
mp cât mai scurt după pornirea motorului rece, convertorul catalitic trebuie să fie
e de motor.
lzirea acestuia la funcţionarea motorului la sarcini mari.
temperatura pentru a obţine 50% conversie creşte de la 160 °C la 300 °C.
Pe lângă CO, şi hidrocarburile nearse pot exercita un efect variabil de inhibiţie
care depinde de compoziţia lor.
Controlul rapid al dozajului prin senzorul de oxigen
catalizatorului în limitele de funcţionare eficie ă.
e enţa suprafeţei catalizatorului Depozitele de metale şi metaloizi , ,
C
m progresivă a temperaturii de intrare în funcţiune a materialului activ.
f) Influenţa tipului suportu Pentru a atinge temperatura de in c
ti
amplasat cât mai aproape de colectorul de evacuare, trebuind să aibă o capacitate
termică scăzută. De cele mai multe ori însă, aceste condiţii sunt contraindicate
datorită riscului supraîncălzirii convertorului la funcţionarea motorului la sarcină plină.
La sistemele catalitice pe bază de Pt/Rh, temperatura gazelor arse nu trebuie să
depăşească 950 °C, datorită avantajelor plasarea lângă colectorul de evacuare fiind
aleasă în acest caz de constructorii de autovehicule.
O soluţie de compromis o constituie separarea convertorului catalitic în două
componente: un miniconvertor cu capacitate termică redusă care este amplasat cât
mai aproape de colectorul de evacuare unde este încălzit rapid şi atunci se iniţiază
oxidarea CO şi HC iar în aval se amplasează convertorul catalitic principal.
Convertoarele cu monoliţi metalici, datorită rezistenţei mari la supraîncălzire
pot fi amplasate cât mai aproap
O altă soluţie combină un microconvertor ca monolit amplasat în colectorul de
evacuare cu un monolit ceramic amplasat pe traiectul de evacuare pentru a se evita
supraîncă
Mijloace pasive de reducere a emisiilor poluante la MAI
439
Fig. 17.7 Amplasarea convertorului catalitic
Pentru a aduce convertorul la temperatura de funcţionare se prevăd sisteme
electrice de încălzire a acestuia înainte de pornirea motorului.
Între monolitul ceramic al convertorului catalitic şi carcasa acestuia, pentru
rotecţia contra vibraţiilor, se amplasează un strat de fibre minerale care poate juca
şi rolul de izolaţie termică pentru intrarea rapidă în funcţiune a materialului activ. În
ţiune după ce temperatura de funcţionare a
cţionarea arzătorului este de aproximativ 20 s şi necesită 50 -
ă la 350 °C.
ţiune a catalizatorului se poate obţine şi prin încălzirea
- 55 °C). Elementul de încălzire este deconectat când
ă cuprinsă între 60 şi 65 °C.
p
alte cazuri se poate izola termic conducta de legătură dintre colectorul de evacuare şi
convertorul catalitic.
O altă metodă prin care se obţine intrarea rapidă în funcţiune a convertorului
catalitic după pornirea la rece utilizează insuflarea de aer adiţional în aval de
supapele de evacuare pe durata cât motorul funcţionează cu amestecuri bogate.
Pompa de aer este scoasă din func
convertorului a fost atinsă.
Încălzirea convertorului catalitic se poate realiza şi prin utilizarea unui arzător
cu flacără plasat în faţa convertorului şi care este pornit cu 1 până la 3 s înaintea
pornirii motorului. Fun
90 ml benzină iar convertorul catalitic se încălzeşte pân
Intrarea rapidă în func
aerului admis în colector (la 40
lichidul de răcire atinge o temperatur
PARTEA III – REDUCEREA POLUARII
440
O altă metodă prevede întârzierea aprinderii care determină arderea
onduce la creşterea temperaturii gazelor arse.
flarea de aer adiţional care conduce la postarderea HC şi
tru tratarea gazelor net oxidante area taliz te eficienţa
ţilor reduşi ai CO şi HC, pe
prin scânteie care funcţionează cu amestecuri sărace şi la
obţine reduceri eficiente ale emisiilor poluante numai
tori speciali pentru gaze de evacuare net
ate la formarea NOx sunt limitate şi privind în viitor limitele
NR)
atalitică non-selectivă (NCR)
ă (SCR)
7.2.3.1. Reducerea selectivă non-catalitică
Se utilizează în centralele termoelectrice şi agentul reducător este amoniacul
re la utilizarea amoniacului au loc la temperaturi
N6 2+ (17.22)
sau
242 +→+ (17.23)
amestecului în destindere ceea ce va c
Metoda se combină cu insu
care încălzeşte convertorul catalitic rapid.
17.2.3. Catalizatori penLa utiliz ca atorului cu trei căi pentru tratarea gazelor net oxidan
reducerii NOx descreşte şi apare oxidarea echivalen
catalizatorul din metal nobil.
La motoarele cu aprindere
motoarele Diesel se pot
dezvoltând o nouă generaţie de cataliza
oxidante.
Măsurile care pot fi aplic
care vor fi impuse, aceştia nu vor fi capabile să înscrie emisiile în noile standarde.
Există trei posibilităţi de reducere a NOx în mediul oxidant.
• Reducere selectivă non-catalitică (S
• Reducere c
• Reducere catalitică selectiv
1
sau ureea. Reacţiile de reduce
cuprinse între 800-1000 °C.
5NH4O →+ OH6N 23
OH 2 12N7NH8NO6
În cazul în care se utilizează ca agent reducător ureea temperatura de desfăşurare a
reacţiilor de reducere se găseşte în aceeaşi gamă (800…1100 °C).
Mijloace pasive de reducere a emisiilor poluante la MAI
441
Necesitatea de a avea temperaturi ridicate precum şi implicaţiile pe care le prezintă
utilizarea amoniacului asupra sănătăţii fac ca această metodă să fie inoperantă în
cazul autovehiculelor.
O altă metodă propusă şi care lucrează la temperaturi mai reduse utilizează
compunere
un catalizator cu trei căi şi o serie de agenţi reducători. În general
catalizatorii pentru reducerea NOx sunt din metale nenobile. Aplicabilitatea cea mai
cător fiind hidrocarburile. Eficienţa conversiei
de funcţionare [°C]
Conversie NO [%]
Agent reducător
ca agent reducător acid cianuric. Acidul cianuric la temperaturi mai ridicate de 330°C
se descompune şi formează acid isocianic care reacţionează cu NOx la temperaturi
de peste 450°C. Dezavantajul metodei constă în faptul că reacţia de des
are loc la o temperatură mai redusă decât temperaturile de reducere a NOx, iar
fereastra de temperatură pentru reducere este foarte strânsă, în plus dacă
temperaturile gazelor sunt sub 310°C concentraţia de NO creşte.
17.2.3.2. Reducerea catalitică non-selectivă
Utilizează
răspândită o au zeoliţii iar agentul redu
se prezintă în tabelul 17.2.
Zeoliţii sunt aluminosilicaţii cu suport conţinând cationi ca: alcani sau pământuri
alcaline. Suportul este obţinut sintetic prin combinaţia AlO4 şi SiO4.
Tabelul 17.2. Eficienţa de conversie a NO
Tip Zeolit Elemente Temperatura
Modernit Cu 150-230 66 etilenă Cr, Fe, Mn, V, Cu
400-600 <15 etilenă
Co, Ni, Ag 400-600 <20 etilenă y Zeolit
Cu 630 44 butan x Zeolit Cu 280 60 propilenă
Ir, Pt, Ph 300 <40 etilenă Ni, Co 350 50 etilenă ZSM-5 Cu 350 50 etilenă
La utilizarea zeolitului modernit cu Cu se poate obţine o reducere a emisiilor
e NO de 66% în intervalul de temperatură 150-230°C folosind agent reducător
tilena. În cazul în care temperatura gazelor de evacuare depăşeşte limita
d
e
PARTEA III – REDUCEREA POLUARII
442
superioară a intervalului de reducere eficacitatea de reducere se diminuează.
ezavantajul principal al acestui tip de catalizator îl reprezintă scăderea bruscă a
ficienţei în prezenţa apei.
Zeolitul cu Cu de tip ZSM-5 are proprietăţi hidrofobice însă eficacitatea
maximă este atinsă la aporilor de apă în
azele de evacuare diminuează şi în acest caz eficacitatea de reducere, astfel, 10%
(λ>1) au demonstrat că reducerea NOx este dependentă de
de conversie pentru gazele nitrate a fost de 45%. La
şterea vitezei
i
rbun
D
e
o temperatură mai ridicată. Prezenţa v
g
vapori de apă determină reducerea ratei de reducere de la 50% la 37% faţă de
modernit la care rata de reducere scade da la 37% la 17%.
Cercetări experimentale efectuate pe MAS după ciclul FTP care au funcţionat
cu amestecuri sărace
raportul dintre emisiile de hidrocarburi şi emisiile de hidrocarburi şi emisiile de oxizi
de azot. Cea mai ridicată rată
pornirea la rece, deoarece nu s-a atins temperatura optimă de reducere, rata a fost
de 15%. În timpul fazei calde a ciclului rata de reducere a NOx a fost de 30%. În faza
de accelerare raportul NOx şi HC a fost defavorabil reducerii NOx.
Utilizarea zeolitului drept catalizator la MAS este limitată de cre
gazelor prin catalizator. Îmbunătăţirea funcţionării catalizatorului poate fi realizată
prin mărirea volumului catalizatorului.
În cazul în care acest tip de catalizator se utilizează pentru reducerea NOx la
motoarele Diesel datorită emisiilor de hidrocarburi, pentru a se realiza procesul de
reducere trebuie să se introducă agentul de reducere. Cercetări experimentale au
arătat ca prin introducerea a 4700 ppm etilenă rata de reducere s-a mărit cu 15%.
Convertorul cu catalizator zeolitic este ineficient pentru reducerea NOx la motorul cu
aprindere prin comprimare.
17.2.3.3. Reducerea catalitică selectivă
Utilizează catalizatoare din metale nenobile bazate pe TiO2/V2O5, zeoliţi ş
că e activ. Convertoarele cu cărbune activ nu se aplică la reducerea NOx la
autovehicule din cauza pericolului de incendiu.
Reducerea catalitică selectivă poate utiliza ca agent reducător amoniacul. În
convertorul de reducere au loc o serie de reacţii paralele la care procentul depinde
de temperatura gazelor, concentraţia de oxigen, viteza gazelor prin convertor şi
selectivitatea catalizatorului utilizat.
Mijloace pasive de reducere a emisiilor poluante la MAI
443
Reacţiile care au loc sunt următoarele:
OH6N5NO64 22 +→+ (17.24)
OH3ON5NO8NH2 223 +→+ (17.25)
OH6N4ONO4NH4 +→++
NH3
(17.26)
(17.28)
nu este dorit deoarece contribuie la efectul de seră.
tre 300 şi 380 °C. La
mperaturi superioare acestui interval, în prezenţa oxigenului au loc cu
preponderenţă reacţiile (17.24), (17.28) şi (17.30).
Utilizarea catalizatorului din V2O5 cu agent reducător amoniac este limitată de
gama îngustă de temperatură la care au loc reacţiile de reducere şi vitezele spaţiale
reduse (6000…10000 h-1).
Catalizatorii din zeolit utilizează amoniac realizează conversia NOx
independent de concentraţia de oxigen pe întreaga gamă de temperatură. În plus,
zeoliţii au o mare capacitate de a absorbi amoniacul şi în acest fel convertorul
stochează o cantitate relativ ridicată de agent reducător. Stocarea unei cantităţi
ridicate de amoniac dar întârzie intrarea în funcţiune a catalizatorului la temperaturi
reduse.
Procesul de reducere catalitică selectivă poate avea loc utilizând în locul
amoniacului care este toxic ureea care este mult mai sigură.
La temperaturi mai reduse de 160°C stratul de uree se descompune şi hidrolizează
după următoarele reacţii:
(17.31)
2223
OH6N4O3NO4NH4 2223 +→++ (17.27)
OH6N2O3NH4 2223 +→+
OH3ONO2NH2 2223 +→+ (17.29)
OH6NO4O5NH4 22 (17.30)
Reacţiile de la (17.24) la (17.28) reprezintă reducerea selectivă a oxidului de
azot iar reacţiile de la (17.29) la (17.30) sunt considerate reacţii secundare şi nu sunt
dorite. Compusul N
3 +→+
2O
Pentru reducerea emisiilor de NOx la motorul Diesel prezintă interes numai
reacţia (17.26) care are loc în gama de temperatură cuprinsă în
te
CONH2NHCONH 222 +•→−−
PARTEA III – REDUCEREA POLUARII
444
222 OHNHCONH 23 CONH2 +→ (17.32)
reactiv NH2 poate reacţiona cu NO după ecuaţia:
(17.28). Prin
ate din descompunerea ureei cum ar fi
acidul cianuric, acidul cianic, cianatul de amoniu şi alte amine şi amide pot participa
întreaga gamă de temperatură de funcţionare. Peste 90% din oxizii de azot sunt
onolit de zeolit
ă de tipul Al2O3(H2) pe care s-a
at catalizatorul format din alumină gama (Al2O3)(β) pe un motor Diesel cu injecţie
x sunt reduse când se lucrează cu temperaturi ale
+−−
Descompunerea termică este confirmată de faptul că se dezvoltă CO iar NOx se
reduce. Radicalul
OHNNONH 222 +→+ (17.33)
Amoniacul format reacţionează cu NO după reacţiile (17.24) la
utilizarea ureei ca agent reducător NO poate fi redus până la 100% în gama de
temperaturi de 300-350 °C. Amoniacul nu este singurul agent reducător, radicalul
•NH2 sau alte produse intermediare rezult
în reacţiile de reducere.
Reducerea NOx este direct proporţională cu cantitatea de uree dată pa
reduşi când se utilizează un raport uree/NOx=0,5.
Cercetări experimentale au demonstrat că utilizarea unui m
poate reduce 50% din emisia de NOx la o viteză de deplasare a autovehiculului de
80km/h şi la un raport uree/NOx=0,4 la temperatura de 320 °C.
Convertorul utilizând drept catalizator zeolitul cu Cu poate reduce o cantitate
superioară de NOx faţă de orice catalizator cu metale nobile într-o gamă foarte largă
de combustibil-aer.
Utilizarea aluminei ca agent reducător pentru reducerea NOx la motorul Diesel
prezintă o excelentă durabilitate prin utilizarea metalonului ca agent reducător la
temperaturi coborâte în prezenţa unei concentraţii înalte de vapori de apă. Cercetări
experimentale efectuate cu un convertor din alumin
aplic
directă au arătat că emisiile de NO
gazelor de evacuare mai mari de 400°C cu un adaos redus de metanol. În cazul în
care metanolul se înlocuieşte cu propilenă gama de temperatură în care are loc
reacţia de reducere se măreşte, însă nivelul de reducere a NOx rămâne inferior
utilizării metanolului. Eficienţa de reducere a catalizatorului din alumină poate fi
mărită prin creşterea cantităţii de agent reducător. Prezenţa SO2 în gazele de
Mijloace pasive de reducere a emisiilor poluante la MAI
445
evacuare dezactivează catalizatorul prin acumularea sulfului pe suprafaţa aluminei,
de asemenea SO3 este suspectat că participă la acest proces de dezactivare.
etodă eficientă de reducere a NOx,
Contaminarea catalizatorului cu Pb
ării.
upă
rse pe traiectul de evacuare pot avea loc următoarele
reacţii:
l2 + H2O (17.34)
iniţial se găseşte în stare de vapori.
S-a demonstrat că alumina, cu o concentraţie mică de alcani metalici şi pământuri
alcanice ale unor metale, reduce substanţial concentraţia de NOx la 400°C care
poate creşte până la 90% la o viteză spaţială de 10000 h-1 şi 3000 ppm metanol ca
agent reducător.
Pentru MAS şi MAC care au gaze de evacuare net oxidante reducerea
catalitică selectivă rămâne deocamdată singura m
fără a afecta emisiile de CO şi HC.
17.2.4. "Contaminarea" catalizatorului Diferite elemente prezente în combustibili (Pb, S, halogeni) sau în lubrifianţi
(P, Ca, Zn, B) tind prin activitatea lor să dezactiveze catalizatorul pentru tratarea
gazelor arse. Rata de dezactivare depinde de activitatea chimică a acestor elemente
în a se combina cu faza activă a catalizatorului sau în activitatea mecanică prin care
se blochează porii catalizatorului împiedicând accesul gazelor la suprafeţele active
ale catalizatorului.
17.2.4.1.
Diferiţi compuşi ai plumbului (oxizi, halogenaţi şi sulfaţi) sunt responsabili de
otrăvirea convertoarelor catalitice. Aditivii antidetonanţi pe bază de Pb conţin
halogenuri (cloruri şi bromuri) capabile să volatilizeze plumbul pe traiectul evacu
D arderea combustibilului în camera de ardere, aceşti compuşi conduc la
creşterea oxidului de plumb (PbO) şi a acizilor HCl, HBr. Arderea moleculelor de sulf
din combustibil şi a celor de fosfor din ulei generează SO2 şi oxizi de fosfor. La
nivelul înalt de temperatură din camera de ardere, posibilitatea de combinare a
acestor specii este limitată de termodinamica reacţiilor şi de stabilitatea chimică a
plumbului, oxidului de plumb şi a acizilor.
La răcirea gazelor a
PbO + 2HCl → PbC
PbO + 2HBr → PbBr2 + H2O (17.35)
Transferul plumbului din camera de ardere spre convertorul catalitic începe cu
PbO, care
PARTEA III – REDUCEREA POLUARII
446
zele arse ating 850 - 900 °C,
gen â ntul de gaze sau se depun pe pereţii
or arse de 700 - 780 °C, clorurile si bromurile
formate co şi 300 °C.
Pe timpul transferului, particulele sau depozitele de PbO pot reacţiona cu
oxizii sulfu
În func
suprafaţa cat cule (PbO, PbSO4,
Pb3(PO4)2 azelor arse sau particule desprinse de pe pereţii
tubulaturii
dânc în porii masei catalitice în timp ce
rămân la suprafaţă. Când gazele arse conţinând produşii de ardere şi
ului ating catalizatorul, se desfăşoară următoarele
• mbului cu elementele catalitice active, formând aliaje plumb-
d
(17.37)
Aceşti vapori se condensează rapid când ga
er ndu-se particule fine care intră în cure
circuitului de evacuare. Particulele sau depozitele de plumb sunt atacate de HCl sau
HBr la un nivel de temperatură al gazel
ndensându-se la temperaturi cuprinse între 200
lui sau fosforului.
ţie de nivelul de temperatură, plumbul (PbO, PbCl2, PbBr2) poate atinge
alizatorului în stare de vapori sau sub formă de parti
) fine, formate în masa g
de evacuare.
Vaporii compuşilor de Pb pătrund a
particulele
amestecul de compuşi ai plumb
procese:
Combinarea plu
metal preţios, activitatea catalitică a metalului preţios diminuându-se
corespunzător cu conţinutul de plumb;
• Inhibarea reacţiilor de oxidare prin absorbţia preferenţială de către materialul
catalitic a compuşilor halogenaţi;
• Atacarea chimică a metalelor preţioase de către acizii halogenaţi cauzân
pierderi de material activ;
• Accelerarea sinterizării metalelor preţioase;
• Efecte mecanice rezultate din acumularea depozitelor de plumb la suprafaţa
catalizatorului (înfundarea porilor, distrugerea suportului).
Printre reacţiile care contribuie la fixarea plumbului pe catalizator, cele mai
importante le constituie formarea sulfaţilor şi oxisulfaţilor:
PbCl2 + SO3 + H2O → PbSO4 + 2HCl (17.36)
PbO + SO3 → PbSO4
nPbO + PbSO4 → nPbO, PbSO4 (17.38)
Reacţiile au loc datorită faptului că prezenţa catalizatorului facilitează reacţia
de formare a SO3.
SO2 + 1/2 O2 → SO3 (17.39)
Mijloace pasive de reducere a emisiilor poluante la MAI
447
Stratul de sulfat de plumb se formează la temperaturi în jur de 550 °C şi se
poate sparge în jurul temperaturii de 600 °C, ceea ce conduce la restabilirea parţială
a activităţii catalitice de oxidare a HC şi CO.
Altă reacţie care participă la fixarea plumbului este:
nPbO + PbCl2 → nPbO, PbCl (17.40)
Oxidul de plumb poate reacţiona cu oxizii fosforului:
3(PbO) + P2O3 → Pb3(PO4)2 (17.41)
Al2O3 → PbAl2O4 (17.42)
ă de înfundarea porilor.
egenerare parţială a convertoarelor catalitice otrăvite cu plumb se
ul tinde să acopere uniform cristalele
La temperaturi ridicate, o parte din speciile formate la temperaturi joase se pot
descompune iar produşii sunt emişi în atmosferă sau sunt absorbiţi de către suportul
convertorului după reacţia:
PbO +
Efectul dăunător al plumbului poate fi datorat acoperirii catalizatorului sau
înfundării porilor suportului. La o depunere moleculară (≤ 1% PbO) la oxidarea CO
nu-şi manifestă efectul dăunător, din contră, poate coborî temperatura de intrare în
funcţiune a catalizatorului. Depăşirea unui singur strat molecular de plumb va duce la
inhibarea reacţiilor de conversie a CO. În cazul concentraţiilor ridicate (peste 5%) de
PbO rata de conversie a CO este inhibat
Catalizatorul contaminat prin efecte chimice combinate cu acoperirea
cristalelor de metal preţios poate fi regenerat prin încălzire la aproximativ 500 °C într-
o atmosferă fără plumb. Deschiderea porilor înfundaţi de către depozite de sulfaţi de
plumb se poate realiza prin încălzire la o temperatură mai mare de 900 °C.
Efectul de otrăvire cu plumb este mai pronunţat la paladiu decât la platină în
special la temperaturi reduse.
O r
realizează prin spălare cu acid acetic. Metoda impune însă demontarea convertorului
catalitic.
"Otrăvirea" cu plumb este agravată de prezenţa halogenaţilor care sunt
absorbiţi selectiv de către catalizator şi plumb
materialului activ. Acest efect este mai pronunţat la paladiu comparativ cu platina.
PARTEA III – REDUCEREA POLUARII
448
Convertoarele catalitice cu trei căi, bazate pe metale preţioase tind să reziste
la prezenţa plumbului dacă gazele de evacuare au un nivel de temperatură mai mare
de 500 °C şi nu conţin compuşi halogenaţi.
Problema contaminării cu plumb a convertoarelor catalitice este eliminată prin
utilizarea benzinelor neaditivate cu compuşi ai plumbului.
17.2.4.2. Contaminarea cu fosfor
Prezenţa fosforului în gazele de ardere se datorează impurităţii combustibilului
şi/sau utilizării aditivilor în lubrifiant (zinc dialchilditiofosfat). Conţinutul de fosfor din
combustibilul neaditivat este scăzut (~ 0,02 mg/l) şi mai ridicat în ulei (1,2 g/l).
Fosforul acţionează în sensul reducerii mai pronunţate a ratei de conversie a
CO în comparaţie cu rata de conversie a NO la arderea amestecurilor
stoichiometrice.
Amestecurile de oxizi ai calciului şi zincului sau fosfaţii, se depun pe
suprafeţe-le catalizatorilor spălate de gazele arse sau înfundă porii producând
scăderea ratei de conversie a CO, HC şi NOx.
17.2.4.3. Contaminarea cu sulf Metalele de tranziţie formează foarte uşor sulfaţi în comparaţie cu metalele
preţioase. Formarea sulfaţilor necesită oxidarea SO2 în SO3 care este uşurată de
acţiunea catalitică a materialelor preţioase. Există cazuri când SO2 determină la
convertoarele cu trei căi reducerea ratei de conversie a CO, HC şi NOx. În anumite
condiţii SO2 poate disocia la suprafaţa metalului preţios în oxigen şi sulf care este
puternic depozitat pe metalul activ.
17.2.5. Filtrul de particule Emisiile de particule pot fi diminuate prin amplasarea pe conducta de
evacuare a filtrelor de particule. Filtrele de particule se clasifică după mai multe
criterii:
a) după principiul de reţinere a particulelor:
- mecanică;
- electrostatică;
b) după materialul filtrant:
- ceramice;
Mijloace pasive de reducere a emisiilor poluante la MAI
449
- metalice;
c) după metoda de regenerare:
- termică:
- cu arzător cu flacără;
- cu încălzire electrică;
- chimică:
- depunere de material catalizator pe suportul filtrant;
- aditivarea combustibilului;
- injectare de aditiv în curentul de gaze arse;
- combinată;
- mecanică;
d) după periodicitatea regenerării:
- periodică;
- continuă;
Filtrele de particule destinate autovehiculelor trebuie să îndeplinească o serie
de cerinţe impuse de funcţionarea motoarelor cu ardere internă. Dintre aceste
cerinţe, mai importante sunt următoarele:
eficienţă ridicată;
rezistenţă aerodinamică redusă;
rezistenţă la solicitări mecanice şi vibraţii;
cost relativ redus.
17.2.5.1. Mecanismele filtrării În filtrele de particule au loc trei procese ale gazelor arse:
• difuzia;
• intercepţia;
• impactul inerţial.
PARTEA III – REDUCEREA POLUARII
450
Fig. 17.8 Mecanismele filtrării
La reţinerea prin difuzie, particulele sunt suficient de mici pentru a intra în
l de
i pot fi
reţinute la intrarea în interstiţii iar particulele de dimensiuni reduse pot fi reţinute pe
mişcare browniană prin ciocnirea cu moleculele de gaz. Particula este reţinută când
ajunge în contact cu suprafaţa fibrei sau porului.
În cazul în care particula este suficient de mare pentru a nu mai fi supusă
mişcării browniene dar prea mică pentru a avea inerţie proprie, este reţinută prin
intercepţie. Particula urmăreşte curentul de gaze şi este capturată dacă curentu
gaze cade pe suprafaţa porilor sau fibrelor.
Particulele mari, având suficientă inerţie, nu mai urmăresc curentul de gaze
când acesta este deviat de suprafaţa fibrelor sau porilor. Particula este capturată,
prin impact, pe suprafaţa care a determinat devierea curentului de gaze.
Aceste trei mecanisme acţionează diferit în funcţie de mărimea particulei,
viteza aerosolului şi diametrul porilor şi fibrelor. Reţinerea prin difuzie este
predominantă în cazul particulelor mici, la un curent de gaze de viteză redusă şi cu
un timp de rezidenţă în filtru lung. Intercepţia particulelor este mai eficientă când
raportul dintre mărimea particulelor şi mărimea porilor sau fibrelor, creşte. Reţinerea
prin impact inerţial este mai eficientă la debite mari de gaze şi particule de
dimensiuni mari.
17.2.5.2. Filtrul cu reţinere mecanică Principiul filtrului cu reţinere mecanică constă în trecerea gazelor de evacuare
prin interstiţiile materialului filtrant unde particulele de dimensiuni mai mar
Mijloace pasive de reducere a emisiilor poluante la MAI
451
suprafaţa interstiţiilor sau în spaţiile oferite în interiorul materialului filtrant prin inerţie,
nolit, spumă şi
u trei căi. Monolitul ceramic are secţiunea
transversală circulară sau ovală şi aspect de fagure datorită canalelor longitudinale
ilizat este cordieritul.
ic
ereţii despărţitori poroşi.
ere care se
care au formă de canale în adâncime, unele din ele fiind obturate la capăt. Gradul de
la schimbarea sensului de curgere al microdebitelor de gaze arse. Dintre cele mai
utilizate materiale pentru construcţia filtrelor cu reţinere mecanică sunt filtrele
ceramice şi filtrele metalice.
a) Filtrul ceramic Filtrele din material ceramic pot fi construite sub formă de mo
fibre ceramice.
Filtrul monolit ceramic se aseamănă din punct de vedere constructiv cu
monolitul convertorului catalitic c
de secţiune pătrată care îl străbat. Materialul ut
Fig. 17.9 Filtrarea prin monolit ceramic
Canalele longitudinale sunt obturate alternativ cu capace din material ceram
pentru ca gazele arse să fie obligate să treacă prin p
Grosimea pereţilor despărţitori ai canalelor este mai mare decât la monolitul
convertorului catalitic.
Mărimea porilor pereţilor despărţitori influenţează eficienţa de reţin
poate situa între 40% şi 90%.
În timpul funcţionării, particulele se depun pe suprafaţa canalelor şi în
interiorul porilor, determinând creşterea contrapresiunii în amonte de filtru ceea ce
determină la scăderea performanţelor energetice şi de consum ale motorului. În
aceste condiţii, filtrul, periodic trebuie supus procesului de regenerare.
Filtrul din spumă ceramică este realizat sub formă de monolit din SiC sau
cordierit. Acest filtru are pori cu mărimea diametrului cuprinsă între 250 şi 500 µm
PARTEA III – REDUCEREA POLUARII
452
reţinere este scăzut (60-70%). Pentru a reduce căderea de presiune în filtru şi a
uniformiza distribuţia masei de funingine colectate, canalele înfundate sunt
irecţio
naintea regenerării. Eficienţa acestui tip de filtru este de 70-75%.
cu orificii
sau tricotare din care rezultă o
ţă la temperaturi ridicate, eficienţă
dicată
tului şi
d nate în lungul monolitului din spumă ceramică. Această structură asigură o
distribuţie mai bună a flăcării pe timpul regenerării. Acest filtru este confecţionat din
spumă poliuretanică impregnată cu o pastă ceramică.
Spuma microporoasă poate fi realizată şi din cordierit ca matrice şi întărită cu
un amestec ceramic denumit mullit (3Al2O3 - 2SiO2). Filtrul este prevăzut la ieşirea
gazelor cu o membrană de cordierit/mullit pentru a se preveni emisia de particule la
încărcarea filtrului î
Filtrele ceramice din fibre ceramice neţesute utilizează fibre acoperite cu
răşini. Structura oferă un număr mare de pori fini (diametrul 10 µm), distribuiţi pe o
suprafaţă şi adâncime mari. Cartuşul filtrant se obţine prin înfăşurarea firelor realizate
din fibre ceramice pe o conductă din material ceramic sau oţel prevăzută
pentru trecerea gazelor arse. Grosimea înfăşurării de fire ceramice este de 10-12
mm. Gazele arse traversează înfăşurarea din fibre ceramice, particulele fiind reţinute
în porii oferiţi de aceasta deoarece conducta pe care se găseşte înfăşurarea este
înfundată la capătul de ieşire .
Acest filtru rezistă mai bine la şocurile termice comparativ cu monolitul
ceramic. Curentul de gaze arse străbate înfăşurarea de fire ceramice dinspre exterior
spre interior. Eficienţa filtrului este mai mare de 80%.
La construcţia elementului filtrant ţesut se utilizează fibre ceramice care
folosesc ca materiale carbonul, carbonul activ, sticla, oxizii de aluminiu, carbura de
siliciu şi materiale ceramice.
Elementul filtrant se realizează prin ţesere
structură volumică cu pori deschişi după care împletitura este pliată spiralat sau rulat.
Filtrul ceramic din fibre ceramice prezintă o serie de avantaje care îl
recomandă a fi utilizat la autovehicule: rezisten
ri de reţinere a particulelor de dimensiuni mici, reţinere uniformă a particulelor,
rezistenţă la şocuri termice, mecanice şi vibraţii, efect de reducere a zgomo
uşurinţa regenerării.
O soluţie care răspunde cerinţelor impuse filtrelor de particule o constituie
confecţionarea sub formă de cartuş filtrant din hârtie ceramică.
Mijloace pasive de reducere a emisiilor poluante la MAI
453
b) Filtrul metalic poros Filtrele metalice, pentru a rezista acţiunii corozive a gazelor arse, se
onstruiesc din aliaje Ni-Cr. Filtrul este alcătuit din mai mulţi cilindri concentrici, din
aliaj Ni-Cr poros.
ărimi ale porilor pereţilor cilindrilor care alcătuiesc
ltrele ceramice prezintă avantajul unei rezistenţe sporite la şocuri termice şi
.
stituie filtrul de particule realizat din fibre metalice din oţel
rarea de noi poluanţi datorită acţiunii unui câmp electric
diţion
ste necesar să se utilizeze numai încărcarea electrică naturală a
l evacuării. Însă, cum motorul autovehiculelor
c
Prin alegerea de diferite m
filtrul (pori mari la cilindrii de intrare a gazelor arse) se pot atinge performanţele de
filtrare ale filtrelor ceramice.
Fi
mecanice, asigurându-se o durabilitate suficientă de exploatare
O altă soluţie o con
inoxidabil acoperite cu y-alumină. Eficienţa acestui tip de filtru este cuprinsă între
68% şi 80%.
17.2.5.3. Filtrul de particule electrostatic
Filtrarea electrostatică este aplicată cu succes în industrie pentru reţinerea
prafului. Tehnologia de filtrare electrostatică poate fi aplicată şi la filtrarea gazelor de
evacuare. pentru reţinerea şi coagularea particulelor emise de motor
Pentru a se evita gene
a al (efect Corona) care se aplică în amontele filtrului pentru a încărca electric
particulele, e
particulelor. S-a demonstrat că mai mult de 80% din masa de particule emise sunt
încărcate electric. Particulele emise de motor sunt uscate şi în acest caz este posibil
ca rata de reţinere a acestora să se situeze între 70% şi 90%. Tensiunea electrică
care se aplică este de 4000V.
Sistemele de reţinere electrostatică trebuie să elimine scurtcircuitul datorat
depunerilor de carbon.
17.2.6. Regenerarea filtrelor Particulele emise în gazele de evacuare de motorul Diesel conţin în principal
particule de carbon (funingine). Motorul Diesel funcţionând cu amestecuri aer-
combustibil sărace (λ>1), determină existenţa unei cantităţi de oxigen în gazele de
evacuare. În cazul în care temperatura gazelor este suficient de înaltă, particulele
emise sunt oxidate pe traiectu
PARTEA III – REDUCEREA POLUARII
454
fu nează într-o multitudine de regimuri (turaţie şi sarcină), şi temperatura gazelor
de evacuare se va situa într-o gamă largă.
La valori reduse ale temperaturii gazelor arse, particulele se acumulează în
filtre şi determină creşterea contrapresiunii de ev
ncţio
acuare. Pentru a reda filtrului
apacitatea de funcţionare, funinginea trebuie îndepărtată, proces care poartă
rare a filtrului. Metodele utilizate pentru regenerare sunt:
primat.
filtrul trebuie înlocuit din cauza creşterii ireversibile a căderii de
resiune din filtru datorate înfundării cu materiale necombustibile (cenuşă minerală).
în aditivii metalici ai lubrifiantului şi în sulful conţinut
distruge.
are a depozitelor de particule din filtre se pot împărţi în două
categorii:
c
denumirea de regene
regenerare termică - la care temperatura gazelor trebuie să se situeze între 550 şi
600 °C, pentru oxidarea depozitelor de funingine;
regenerare chimică - prezenţa materialelor catalizatoare permite desfăşurarea
reacţiilor de oxidare la temperaturile gazelor arse;
regenerare mecanică - prin suflare cu aer com
Regenerarea filtrelor le menţine în funcţiune prin oxidarea particulelor
combustibile, pe durata unui parcurs cuprins între 100000 şi 150000 km. După
această perioadă
p
Această cenuşă îşi are originea
în combustibil. Pentru a menţine durata de viaţă a filtrelor este necesar să se
utilizeze combustibil cu conţinut redus de sulf şi lubrifiant, care prin ardere nu dau
cenuşă.
Trebuie avut în vedere la alegerea filtrelor de particule ca acestea să nu
acumuleze o cantitate ridicată de particule deoarece se prelungeşte timpul de
regenerare iar căldura care apare în filtru la oxidarea funinginii îl poate
La motoarele turbosupraalimentate, pentru a menţine filtrul la un nivel ridicat
de temperatură şi pentru a preveni răcirea gazelor arse prin destinderea în turbină,
filtrul se montează între motor şi turbina cu gaze. Aceasta schemă de amplasare a
filtrului poate conduce la deteriorarea turbinei în cazul în care elementul filtrant este
distrus. De aceea, sunt fabricanţi care pentru siguranţă amplasează filtrul după
turbină, utilizând metode adiţionale de ridicare a temperaturii gazelor arse pentru a
iniţia oxidarea particulelor.
17.2.6.1. Regenerarea termică
Metodele de ridicare a temperaturii gazelor de evacuare pentru desfăşurarea
reacţiilor de oxid
Mijloace pasive de reducere a emisiilor poluante la MAI
455
• metode care ţin de motorul cu ardere internă;
• metode care aduc un aport de energie.
Metodele care se aplică motorului cu ardere internă pentru ridicarea
temperaturii gazelor de evacuare sunt:
1. funcţionare la sarcină plină la turaţii ridicate;
2. întârzierea injecţiei;
3. încălzirea aerului admis în motor;
4. aplicarea unui sistem în care gazele arse să ocolească turbosuflanta iar
eea ce priveşte stabilitatea termică.
funcţie de conţinutul de
de oxigen mai redus (570 °C
trec
deoarece
oxidarea funinginii din partea de intrare în filtru determină ridicarea temperaturii
aerul de admisie să ocolească răcirea intermediară;
5. obturarea admisiei;
6. obturarea evacuării;
Metodele cu aport de energie termică sunt:
- electrică:
- cu rezistenţă electrică;
- microunde;
- electrostatic;
- cu arzător - cu combustibil lichid sau gaz; prin amplasare, în amontele filtrului de
particule, a unui convertor catalitic de oxidare;
Regenerarea termică pune probleme în c
Aceste probleme sunt evitate utilizând pentru filtre materiale cu coeficient mic de
dilatare. Elementul filtrant este supus la solicitări de oboseală termice şi mecanice.
Regenerarea termică necesită un conţinut de oxigen suficient şi un nivel de
temperatură relativ ridicat pentru a realiza oxidarea particulelor reţinute în filtru.
Nivelul de temperatură la care are loc regenerarea este în
oxigen. O temperatură ridicată necesită un conţinut
pentru 6% O2 şi 750 °C pentru 2% O2). Minimul nivelului de temperatură la care are
loc activarea reacţiilor de oxidare a funinginii este de 570 °C.
În cazul motorului supraalimentat cantitatea de oxigen din gazele de evacuare
este mai mare decât la motorul cu aspiraţie naturală.
Pe timpul regenerării, condiţiile de funcţionare a motorului nu trebuie
schimbate brusc pentru a nu modifica temperatura şi debitul gazelor arse care
prin filtrul de particule.
În cazul monolitului ceramic apar dificultăţi în regenerarea termică
PARTEA III – REDUCEREA POLUARII
456
gazelor care tind să treacă prin pereţii filtrului şi aprind funinginea din avalul filtrului.
Gazele fierbinţi pot topi filtrul în partea din aval c eare ste încărcată cu funingine pe
u în timpul regenerării. În acest caz, gazele trec
rului.
a) Regenerare termică prin metode de ridicare a temperaturii gazelor arse
temperatură este atins datorită
sfăş
emisiilor de CO si HC. Procedeul implică adoptarea unui
ispozitiv special destinat acestui scop.
Încălzirea aerului admis în motor determină ridicarea temperaturilor ciclului
motor şi în consecinţă şi nivelul de temperatură al gazelor de evacuare. La motoarele
cu aspiraţie naturală, încălzirea aerului admis în motor se poate realiza prin utilizarea
unor dispozitive auxiliare electrice sau arzătoare cu flacără. În cazul motoarelor
turbosupraalimentate cu răcire intermediară, ridicarea nivelului de temperatură a
aerului se poate realiza printr-un circuit care scurtcircuitează schimbătorul de căldură
al aerului.
Un alt procedeu de regenerare termică a filtrului îl constituie obturarea
admisiei aerului care determină formarea în cilindrii motorului a unor amestecuri
bogate care prin ardere fac posibilă creşterea temperaturii gazelor arse într-o gamă
largă de regimuri de funcţionare ale motorului.
Obturarea admisiei aerului determină creşterea pierderilor mecanice ale
motorului prin mărirea pierderilor prin pompaj, puterea efectivă a motorului fiind
celelalte părţi ale pereţilor. O metodă de eliminare a acestui efect este cea de
inversare a curgerii gazelor prin filtr
prin perete şi sunt încălzite de arderea unei cantităţi mai reduse de funingine. Acest
procedeu necesită o energie termică mai ridicată pentru a activa procesul de oxidare
a funinginii. Procedeul are avantajul de a elimina şi reziduurile minerale acumulate în
pereţii filt
Funcţionarea motorului la sarcină plină şi turaţii ridicate implică obţinerea unor
temperaturi ridicate ale gazelor de evacuare care pot iniţia oxidarea funinginii reţinute
în filtrul de particule însă eficienţa metodei este scăzută, ea trebuind să fie combinată
cu un alt procedeu.
Întârzierea injecţiei combustibilului pe perioada regenerării filtrului de particule
poate ridica temperatura gazelor arse la nivelul impus de iniţierea reacţiilor de
oxidare a funinginii (peste 570 °C). Acest nivel de
de urării procesului de ardere pe perioada cursei de destindere. Metoda implică
pe perioada regenerării diminuarea parametrilor energetici şi creşterea consumului
de combustibil şi a
d
Mijloace pasive de reducere a emisiilor poluante la MAI
457
diminuată pe perioada regenerării filtrului. Gradul de obturare al admisiei trebuie să
titate de oxigen în gazele de evacuare de 2-5% pentru a se preveni
tempe
indepe ă iniţierea procesului de oxidare a funinginii
oxidăr
Obturarea evacuării poate constitui o metodă de curăţire a filtrului de particule.
gener rsei
motor ere şi a creşterii lucrului mecanic de
natural datorit ă creşterea căderii
particu uterii efective a
turaţia itul de combustibil pe ciclu, ceea ce va
combu egenerare se poate realiza la o viteză a
presiune din filtru s
autove rii utilizat pentru regenerarea filtrului
de co
amestecului aer-combustibil şi a diminua cantitatea de oxigen necesară oxidării
sub control electronic.
încărc la sarcini termice excesive.
Temperatura gazelor de evacuare la intrarea în filtru trebuie limitată la 650 °C pentru
a nu distruge filtrul prin supraîncălzire pe timpul oxidării funinginii. Pe timpul
asigure o can
formarea excesivă a fumului şi particulelor. Rata regenerării creşte cu mărirea
raturii gazelor arse insă după atingerea nivelului de 600 °C, rata oxidării este
ndentă faţă de temperatură. Dup
obturarea admisiei este deschisă complet pentru a se asigura oxigenul necesar
ii particulelor.
Prin acest procedeu, cantitatea de gaze reziduale din camera de ardere creşte şi va
a o temperatură mai ridicată a gazelor din camera de ardere la începutul cu
de comprimare. Metoda are dezavantajul diminuării randamentului de funcţionare al
ului datorită reducerii coeficientului de umpl
pompaj, care va fi disipat în căldură în gazele de evacuare. Procesul decurge în mod
ă înfundării progresive a porilor filtrului care determin
de presiune pe evacuare cu o reducere a debitului de gaze arse care răcesc filtrul de
le. Înfundarea filtrului de particule implică o diminuare a p
motorului datorită creşterii contrapresiunii de evacuare aşa ca pentru a menţine
acestuia trebuie să se mărească deb
conduce la creşterea temperaturii gazelor de evacuare şi a consumului de
stibil (cu aprox 8%) . Procesul de r
autovehiculului de 30 km/h.
Dacă sistemul este montat pe un autocamion, acesta poate fi asociat cu un
sistem bypass pentru gazele arse care poate fi activat înainte ca valoarea căderii de
ă atingă limita maximă pentru a nu diminua dinamicitatea
hiculului. Sistemul de obturare al evacuă
de particule necesită un sistem electronic de control al clapetei de obturare. În
acelaşi timp, este necesar ca sistemul de recirculare a gazelor să fie reglat în funcţie
ntrapresiunea gazelor de evacuare pentru a nu deteriora procesul de ardere a
funinginii. Obturarea evacuării se realizează printr-o clapetă acţionată de un sistem
În timpul regenerării filtrului este preferabil ca motorul să nu fie
at pentru a nu supune piesele camerei de ardere
PARTEA III – REDUCEREA POLUARII
458
regenerării filtrului consumul de combustibil creşte cu aproximativ 30% însă
mul general al autovehiculului pe perioada de funcţionare nu creşte cu mai
e 1%. Obturarea evacuării pentru regenerarea filtrului de particule se
consu
mult d aplică
b) Reg electrice
t mai multe tipuri de sisteme de încălzire cu rezistoare,
tenţe sub
funing ul încălzirii filtrului la
condu rin filtrul supus procesului trece numai
de gaz l unei supape.
rezisto
(câţiva mm). Aceste rezistenţe ar fi mai eficiente dar s-ar găsi în contact direct cu
subelementele fiind activate succesiv. Rezistenţa sub formă de fire consumă
prin în
avea valori de aproximativ 1000 °C, temperatură care poate fi diminuată prin
i oxidării poate fi obţinută prin amplasarea în faţa
arse. entru suprafaţa de
monolit cu un diametru de 30 cm cel puţin 30 kW pentru câteva minute (13 A la 20
consu pi a 30 s.
să se
numai la motoarele cu aspiraţie naturală.
enerarea termică utilizând sistemeb1) Regenerarea utilizând rezistoare electrice
În timp, s-au utiliza
rezistor în formă de spirală, rezistor de tipul bujiei cu incandescenţă şi rezis
formă de fir introduse în filtru. Aceste sisteme s-au dovedit incapabile să oxideze
inea fără a adăuga catalizatori în combustibil. Pe timp
temperatura de regenerare, gazele arse sunt deviate pe un alt filtru sau pe o
ctă de ocolire iar pe timpul regenerării p
o parte din gazele arse care furnizează oxigenul necesar oxidării funinginii. Debitul
e necesar regenerării este controlat cu precizie cu ajutoru
Pentru a economisi energia electrică preluată de la bateria autovehiculului,
arele se amplasează cât mai aproape posibil de intrarea în filtrul de particule
filtrul dar soluţia are dezavantajul distrugerii rezistenţei prin coroziune.
Rezistenţa poate fi împărţită în subelemente şi distribuite uniform,
aproximativ 400 W în câteva secunde de funcţionare, ea fiind acoperită cu funingine,
călzire se iniţiază oxidarea. Temperatura atinsă prin arderea funinginii poate
utilizarea de aditivi în combustibil (80mg/l Mn + 20 mg/l Cu) la 650 °C.
Îmbunătăţirea randamentulu
rezistenţei sub forma unei plăci perforate a unui distribuitor al curentului de gaze
În acest caz, este necesar la intrare aproximativ 5,5 W/cm2 p
intrare a monolitului care urmează a fi regenerat. Aceasta înseamnă pentru un
V). Pentru un monolit cu diametrul de 127 mm, 6 elemente acoperind 60 cm2 şi
mând 60 W/cm2 asigură iniţierea oxidării în şase tim
Pentru a se asigura o putere electrică consumată instantanee redusă trebuie
utilizeze regenerarea secvenţială a filtrului.
Mijloace pasive de reducere a emisiilor poluante la MAI
459
La iniţierea oxidării particulelor reţinute, fiecare element al monolitului necesită
de 10 W pe rezistorul introdus în canal. Pe autobuze de exemplu, filîn jur trul este
r
putere
către un compresor adiţional. Această tehnologie evită şocurile termice ale
rezisto
electri t pentru ca temperatura
reţinut
b2) Re
funing 60% si 70% la o
mater nd practic transparent la microunde
it
că a filtrului constituie o barieră pentru microunde
amont
unde.
livrând o putere de 1kW (pentru 400 şi 600 s) pentru a oxida particulele, după care
cuptorul de microunde trebuie rotit fie emitorul, fie receptorul. În cazul monolitului
ceramic, soluţia o reprezintă înlocuirea capacelor canalelor din material ceramic din
amontele monolitului cu capace din material ceramic amestecat cu ferită. Ferita are
bune proprietăţi dielectrice şi pierderi magnetice ridicate. Când se atinge punctul
Curie, susceptibilitatea magnetică a feritei este nulă. În acest caz, capacele cu ferită
joacă rolul unor bujii cu incandescenţă care vor iniţia oxidarea particulelor depuse în
fiecare canal iar emitorul de microunde este deconectat când aceste capace vor
atinge punctul Curie, ceea ce va elimina supraîncălzirea monolitului ceramic.
împă ţit în şase segmente, fiecare consumând alternativ în jur de 1300 W în 40 s,
compatibilă cu nivelul capacităţii bateriei.
Într-o altă configuraţie, filtrul este spălat cu un contracurent de aer livrat de
monolitului şi puterea rezistorului se reduce de la 1 kW la 200 W. Sistemele cu
r electric sunt în întregime automatizate.
Un sistem alternativ îl constituie preîncălzirea aerului admis cu un sistem
c (24 kW la 24 V timp de 5 minute) care este suficien
gazelor să atingă filtrul la valoarea de 250 °C care să iniţieze oxidarea particulelor
e. Această tehnologie se poate aplica la mersul la ralanti când debitul de aer
care este admis în motor este minim.
generare termică utilizând pierderile în dielectric Sistemul utilizează proprietăţile microundelor pentru încălzirea selectivă a
inii care le absoarbe cu un randament energetic cuprins între
frecvenţă de aproximativ 2,45 GHz. Încălzirea funinginii se realizează fără ca
ialul ceramic să fie afectat, acesta fii
dator ă constantei dielectrice scăzute şi a factorului mic de pierdere în dielectric.
În plus, carcasa metali
prevenind scăparea lor în exterior prin reflectarea lor către filtrul de particule. În
ele filtrului se montează un magnetron care are conectat la el un ghid axial de
Pe timpul regenerării, o parte din debitul de gaze este deviat, magnetronul
debitul de gaze arse prin filtru este restabilit. Pentru a uniformiza încălzirea, ca şi la
PARTEA III – REDUCEREA POLUARII
460
3) Regenerarea termică utilizând sistemul electrostatic În acest caz monolitul ceramic este tubular iar canalele de trecere a gazelor
unt deschise la ambele capete ca în cazul monolitului convertorului cu trei căi. În
centrul monolitului se montează electrozii cu încărcare electro
portantă datorită canalelor monolitului, deschise la ambele capete.
Tensiunea aplicată pe electrozi se situează între 20 şi 25 kV iar puterea cerută
filtrul de particule are o funcţionare complicată
temperatură mai mare de 540 °C. La sistemul cu arzător în serie, cu utilizarea
xcesului de oxigen din gazele de evacuare, atât pentru arderea combustibilului
rzătorului cât şi pentru oxidarea funinginii, arzătorul poate numai să iniţieze
s
statică.
Acest sistem asigură oxidarea continuă a funinginii formate în motor.
Randamentul instalaţiei este în jur de 90% fără a cauza o cădere de presiune
im
este de 2 W pentru fiecare kW putere motor. Mecanismele de regenerare în acest
sistem nu sunt pe deplin explicate.
17.2.6.2. Regenerarea cu arzător cu flacără
Pentru regenerarea filtrelor de particule pot fi utilizate arzătoare alimentate cu
propan sau motorină cu aprindere prin scânteie sau aprindere catalitică.
Arzătoarele utilizate pentru condiţionarea aerului sau pentru încălzirea
lichidului de răcire pentru favorizarea pornirii la rece pot fi redirecţionate şi pentru
regenerarea filtrului de particule.
S-au dezvoltat mai multe scheme de dispunere a arzătorului şi a parcursului
de gaze pe timpul procesului:
devierea debitului de gaze în afara filtrului pe timpul regenerării (printr-o conductă
bypass);
utilizarea a două filtre de particule în paralel (unul în serviciu, altul în regenerare);
utilizarea arzătorului fără devierea curentului de gaze arse.
În primele două cazuri este nevoie de o supapă pentru devierea curentului de
gaze în timpul regenerării. Cele două filtre paralele nu funcţionează normal simultan
pentru a oferi o cădere de presiune cât mai redusă în sistemul de filtrare.
Arzătorul plasat în serie cu
deoarece el trebuie să funcţioneze în condiţiile regimurilor variabile ale motorului şi
consumul de combustibil este mai mare (3,8% în loc de 1,8% la sistemele cu
bypass), deoarece trebuie să se ridice temperatura întregului curent de gaze arse la
o
e
a
Mijloace pasive de reducere a emisiilor poluante la MAI
461
oxidarea funinginii din filtru în condiţiile reducerii cuplului oferit de motorul cu ardere
internă.
La sistemele de regenerare cu arzător cu devierea curentului de gaze arse,
condiţiile de funcţionare ale acestora sunt independente de condiţiile de funcţionare
er
ţine constant.
ăseşte suficient oxigen. Pentru a uşura iniţierea procesului de
utilizează un pulverizator rotativ, acţionat de un motor electric, care să
ălarea întregii suprafeţe frontale a filtrului de către flacăra generată prin
şi temperatura să crească într-un timp relativ scurt (câteva
900-1000 °C. Este necesar să se menţină un curent de aer la arzător
entru a preveni depunerea de particule pe bujia de aprindere. Dacă arzătorul
de ae . Pompa de aer poate consuma în funcţie
torină, pulverizarea acesteia
necesită aer comprimat ,livrat de către o pompă de aer de joasă presiune şi
preîncălzirea aerului, pentru a uşura aprinderea.
Pulverizatorul de motorină al arzătorului, când nu este în funcţiune este spălat
de către un curent de aer pentru a preveni înfundarea cu particule a acestuia.
Arzătorul poate fi pus în funcţiune când se atinge căderea de presiune limită
din filtru sau la un anumit debit de gaze limită, care trece prin filtru măsurat cu un tub
Venturi. Sistemul este controlat de un ceas care ia în calcul timpul necesar
regenerării filtrului.
ale motorului. Necesitatea de oxigen este acoperită de o pompă care debitează a
pe timpul iniţierii şi oxidării particulelor reţinute în filtru. Pentru a se evita vârfurile de
temperatură pe timpul oxidării particulelor, puterea termică a arzătorului se reduce
după ce temperatura în filtru a atins 750 °C, în timp ce debitul de aer livrat se
men
Sistemul cu un singur filtru de particule cu sistem de deviere a gazelor arse pe
timpul regenerării va deversa în atmosferă gaze arse nefiltrate pe durata procesului.
Se estimează că pe timpul regenerării filtrului (estimat la 9 min.) emisiile instantanee
de particule vor creşte cu 26% iar cele de CO cu 17%.
La arzătoarele cu propan se prevede un rezervor suficient pentru 80000 km, o
pompă de aer şi un rezervor de aer tampon. Pompa de aer poate lipsi dacă în gazele
de evacuare se g
oxidare se
asigure sp
arderea propanului
secunde) la
p
utilizează oxigenul din gazele de evacuare, trebuie să se insufle un debit permanent
r pentru a menţine pulverizatorul curat
de debitul livrat o putere cuprinsă între 0,7 şi 3 kW.
În cazul în care se utilizează în arzător mo
PARTEA III – REDUCEREA POLUARII
462
Pentru regenerare se aleg diferite regimuri de fu
ncţie de destinaţia autovehiculului: autobuz, autocamion, autoturism.
7.2.6.3. Regenerarea catalitică
r de oxidare a funinginii la temperaturi mai mici de
ţa materialului filtrant;
ţiilor de oxidare a funinginii la 380 °C şi
darea CO şi a HC nearse. Monoliţii impregnaţi cu metale
ţioase determină reducerea
şi convertesc numai emisiile de sulf în acid sulfuric în proporţie
ţial.
catalizator care să nu permită oxidarea
or chimic, acetil-acetonă (C5H8O2). Injecţia activatorului chimic necesită o
ui scade până la 250 °C.
atalizatori
e oxidare cu ar fi Pt. Această soluţie va asigura regenerarea filtrului la o
temperatură în jur de 350 °C pentru motoare cu aspiraţie naturală şi 400 °C pentru
motoarele turbosupraalimentate.
ncţionare ale motorului în
fu
1
Există mai multe modalităţi de utilizare a materialelor catalitice care să
determine desfăşurarea reacţiilo
250 °C:
depunere de material catalitic pe suprafa
aditivarea combustibilului;
injectarea intermitentă de material catalitic în gazele de evacuare în amonte de filtrul
de particule.
Monoliţii ceramici impregnaţi cu un amestec catalizator pe bază de Pt, V, Ag
coboară temperatura de aprindere (oxidare) a particulelor la 400-450 °C. Depunerile
de metale preţioase determină iniţierea reac
totodată se realizează şi oxi
de tranziţie în stare pură sau în amestec cu metale pre
emisiei de particule
de 2 la 10% din sulful ini
Practic, este dificil să se găsească un
SO2 la SO3.
Fibrele filtrului ceramic pot fi acoperite direct cu material activ, fără strat
intermediar datorită suprafeţei mari de contact cu gazele arse. Fibrele ceramice sunt
acoperite cu un catalizator CuO iar catalizatorul trebuie activat periodic prin injecţia
unui activat
dozare precisă, la o temperatură de până la 150 °C a filtrului, ceea ce impune
prezenţa unui dispozitiv electronic de comandă a acestui proces. Temperatura de
regenerare a filtrul
Şi la filtrul de particule metalic, realizat din fibre metalice se poate realiza o
regenerare catalitică. Pentru depunerea materialului activ este necesar ca fibrele
metalice să fie acoperite cu un strat intermediar care va fi impregnat cu c
d
Mijloace pasive de reducere a emisiilor poluante la MAI
463
Acest tip de regenerare a filtrului va determina creşterea emisiei de sulfaţi însă
rului, filtrul de particule cu catalizator
ste impregnat cu funingine iar materialul activ este acoperit de funingine şi numai
primul strat al depozitului este în contact cu catalizatorul. În aceste condiţii,
catalizatorul este mascat şi nu se mai poate asigura contactul dintre oxigen şi
funingine pentru a se iniţia oxidarea acesteia.
O cale logică o reprezintă adăugarea materialului activ la momentul potrivit, fie
prin aditivarea combustibilului, fie prin injectarea acestuia în curentul de gaze arse, în
amonte de filtru.
b) Aditivarea combustibilului În cazul aditivării combustibilului este important ca proprietăţile catalitice să se
păstreze în urma procesului de ardere a amestecului aer-combustibil din cilindrii
motorului.
Alte cerinţe impuse aditivilor introduşi în combustibil pentru regenerarea
filtrului de particule sunt de a nu se depune pe suprafeţele pieselor motorului şi de a
nu genera emisii poluante cum ar fi metale grele sau acizi halogenaţi.
Reţinerea aditivilor sub formă de zgură în filtru elimină dispersia elementelor
vătămătoare în atmosferă cum ar fi Mn însă această reţinere provoacă astuparea
porilor. Aditivarea cu 80 g Mn/l motorină determină scăderea temperaturii de oxidare
a funinginii la 370 °C dar aproximativ 95% din metal este reţinut de filtru şi 2,4 % de
lubrifiant. Utilizarea Pb ca aditiv provoacă depunerea unui strat de PbSO4 pe
suprafaţa filtrului pe când utilizarea unui amestec Mn/Cu tinde să producă o zgură
sub formă de solzi neaderentă care nu provoacă creşterea căderii de presiune din
filtru şi care nu este dispersată în atmosferă.
Experimental s-a constatat că la utilizarea ca material activ a Pb, Mn şi Ce,
peste 90% din cantitatea introdusă în combustibil rămâne în filtru iar la utilizarea Ni şi
Ci, peste 95% .
prezintă avantajul oxidării fracţiunilor organice solubile (SOF) care includ şi
hidrocarburile aromatice policiclice (PAH), cu un randament cuprins între 50% şi 80%
dacă temperatura gazelor este mai mare de 200 °C.
a) Aditivii catalitici Pe timpul încărcării progresive a moto
e
PARTEA III – REDUCEREA POLUARII
464
S-au testat şi oxizii metalelor de tranziţie ca NiO, Ni2O3, PbO, CuO, MnO2,
CeO2 şi LaO3 pentru a arăta capacitatea de a reduce temperatura de oxidare a
funinginii. S-a constatat că activitatea oxizilor La2O3 şi NiO este nulă în timp ce
activitatea CeO2 este mai slabă decât la CuO şi MnO2.
Metalele utilizate ca aditiv acţionează în procesul de oxidare în două trepte. În
prima treaptă, energia de activare este diminuată iar în a doua se măreşte rata
reacţiilor. Bariul este cel mai eficient, urmat de calciu şi fier, nichelul având un efect
mai redus.
Aditivarea permanentă a combustibilului este o soluţie simplă însă poate
genera efecte secundare, cum ar fi: aditivii pe baza de cupru generează depozite în
rezervor la stocarea pe o perioadă de timp mai mare de două luni; amestecurile de
Ce şi Mn sunt eficiente dar tind să genereze depozite metalice pe pulverizatorul
injectorului şi pe bujia cu incandescenţă.
O măsură care evită aceste neajunsuri o constituie injecţia aditivilor pe
traiectul de alimentare cu combustibil al motorului. Dezavantajul principal îl constituie
existenţa unui circuit separat pentru aditiv şi a unui sistem electronic de control. În
plus, injecţia trebuie să se realizeze pe un circuit care nu este cuplat la returul
combustibilului, pentru a nu mări concentraţia de aditiv în combustibilul din rezervor.
Aditivul poate fi injectat permanent sau periodic.
O altă soluţie care poate fi aplicată o constituie un sistem controlat electronic
care injectează periodic aditivul în rezervorul de combustibil. Sistemul utilizează un
aditiv organic pe bază de Fe care poate avea două efecte: poate forma particule de
diverse structuri care vor fi oxidate în camera de ardere şi al doilea efect este
favorizarea oxidării particulelor reţinute în filtrul de particule.
c) Injecţia catalizatorului în curentul de gaze arse Pentru regenerarea filtrului pot fi utilizate o serie de materiale catalizatoare
care pot fi injectate intermitent în curentul de gaze când se atinge o limită prestabilită
a căderii de presiune din filtru. Temperatura de iniţiere a procesului de oxidare a
particulelor reţinute în filtru depinde de materialul folosit: 380 °C pentru CuCl, 310 °C
pentru CuCl + NH4NO3, 230 °C pentru Cu(ClO4)2·6H2O şi 150 °C pentru un amestec
format din: Fe(NO3)3·9H2O + C5H8O2 (acetil-acetonă) + C4H8O2 (dioxan) + H2O.
Alegerea trebuie să excludă acele materiale care în procesul de oxidare a
particulelor formează poluanţi acizi secundari care sunt emişi în atmosferă.
Mijloace pasive de reducere a emisiilor poluante la MAI
465
Materialele active care conţin nitraţi vor da naştere la emisii suplimentare de
oxizi de azot pe timpul procesului de regenerare.
Se asigură o bună regenerare dacă materialul activ este pulverizat pe întreaga
suprafaţă ce urmează a fi curăţată.
Sistemul necesită un circuit independent al materialului activ (rezervor,
conducte, sistem de injecţie) şi un sistem de comandă electronic care să asigure
injecţia precisă a materialului activ (cantitate, temperatură şi cădere de presiune a
filtrului).
17.2.6.4. Regenerarea aerodinamică Implică existenţa unui sistem care să permită injectarea în filtrul de particule
de aer comprimat. Acest sistem elimină unele din neajunsurile celorlalte metode de
regenerare la care, pentru a evita supraîncălzirea filtrului pe timpul regenerării trebuie
să dispună de instalaţii de supraveghere şi control complicate. Injecţia de aer se
desfăşoară în sens invers faţă de gazele arse la o presiune de 0,1 - 0,2 MPa.
particulele sunt desprinse din pori şi sunt colectate într-un spaţiu amplasat sub
monolit, unde pot fi arse sau eliminate prin aspirare.
Procedeul are efecte pozitive şi asupra sistemului de recirculare a gazelor
arse deoarece gazele arse se răcesc iar compuşii organici volatili sunt condensaţi pe
particulele reţinute.
PARTEA III – REDUCEREA POLUARII
466
Bibliografie [1] A. Lindskog et al., - Chemical transformation of PAH on airborne particles by
exposure to N02 during sampling, A comparison between two filter media - Sci.
Tot. Environm., 61, 1987, 51-57.
[2] A. Lindskog et al., - Transformation of reactive PAH on particles by exposure
to oxidized nitrogen compounds and ozone - Environm. Int., 11, 1985, 125-
130.
[3] A.M. Danis et al., - Effect of ceramic monolith particulate filters on Diesel
exhaust odorant and irritant species - SAE Paper No. 850011, 1985,13 p.
[4] Abăităncei, D. şi Bobescu, Gh. - Motoare pentru automobile. - Editura
Didactică şi Pedagogică, Bucureşti, 1975.
[5] Apostolescu, N., Taraza, D. - Bazele cercetării experimentale a maşinilor
termice.- Editura Didactică şi Pedagogică, Bucureşti, 1979.
[6] B. Lopez et al., - Emissions diesel, Analyse des polluants non reglementes -
Poll. Atmosph., Special Issue November, 1987, pp. 113-123.
[7] B.J. Cooper and J.E. Thoss, - Role of NO in Diesel particulate emission control
- SAE Paper No. 890404, 1989, 12 p.
[8] B.J. Cooper and L. Keck, - NiO incorporation in three-way catalyst systems -
SAE Paper No. 800461, 1980, 10 p.
[9] B.J. Cooper and P.R. Shore, - Catalytic control of mutagenic exhaust
emissions from gasoline passenger cars - SAE Paper No. 890494, 1989,15 p.
[10] Bates, S. and all. - The Attainment of Stage III Gasoline European Emission
Limits Utilizing Advanced Catalyst Technology, in Emissions and Emissions
Control, SAE, SP - 1207, 961897, 1996.
[11] Benson, R. - Internal Combustion Engines. - Pergamon Press, London, 1984.
[12] Bobescu, Gh.,şa - Tehnici speciale pentru reducerea consumului de
combustibil şi limitarea noxelor la autovehicule. - Universitatea din
Braşov,1989.
[13] Cofaru, C., Ispas, N., - Normele de poluare-cerinţe de bază în proiectarea şi
cercetarea motoarelor cu ardere internă forţate. - A VI-a Conferinţă Naţională
de Autovehicule Rutiere, Piteşti, 1994, p.135-110.
Mijloace pasive de reducere a emisiilor poluante la MAI
467
[14] Cofaru, C., Ispas, N., - The effects of intake system on performances and
emission levels of a supercharged D.I.engine. - 8th Conference with
international participation - CONAT ’96, Braşov, 1996, Vol.I, p. 185-190.
[15] Cofaru, C., ş.a.. - Autovehiculul şi mediul. Editura Universităţii Transilvania
Braşov, 1999. ISBN 973-98512-3-1.
[16] D. Burch and P. Riedwyl, - Toute la verite sur le catalyseur - Touring Club
Suisse, 1988, 88 p.
[17] Degobert, P. – Automobiles and Pollution – SAE International, 1995.
[18] E.D. Dainty et al., - Diesel emissions reduction employing catalysts or a fuel
additive - SAE Paper No. 870014, SP-702, 1987, 57-65.
[19] E.R. Budd and B.E. Enga, - Catalytic particulate control for off-highway Diesels
- SAE Paper No. 840170, 1984,79-87.
[20] G.M. Cornetti et al., - Development of a ceramic particulate trap for urban
buses - J. Eng. Gas Turbine Power, 11 l, 1989, 398-403.
[21] J.A. Caton and D.L. Siebers, - Reduction of nitrogen oxides in engine exhaust
gases by the addition of cyanuric acid - , J. Eng. Gas Turbine Power, 1989, 11
l, 387-393.
[22] J.L. Lindgren et al, - A comparison of two techniques for the collection and
analysis of polynuclear aromatic compounds in ambient air - J. APCA, 30,
1980,166-168.
[23] J.P. Day and L.S. Socha, - The design of automotive catalyst supports for
improved pressure drop and conversion efficiency - SAE Paper No. 910371,
1991, 10 p.
[24] J.P. Day, - The design of a new ceramic catalyst support - SAE Paper No.
902167, SP-839, 1990, 7 p.
[25] John, B., Heywood. International Combustion Engines Fundamentals. Mc
Graw-Hill Book Company, New York. ISBN 0-07-100499-8.
[26] L.A. Carol et al., - High temperature deactivation of three-way catalysts - SAE
Paper No. 892040, 1989,14 p.
[27] L.J. Muzio et al., - Errors in grab sample measurements of N20 from
combustion sources - E.S.&T., 39, 1989, 287-293.
[28] M. Pasquereau and P. Degobert, - Analyse des hydrocarbures aromatiques
polycycliques HAP presents dans la phase particulaire des echappements des
moteurs diesel- , Inst. Franc. du Petrole Report No. 35056, 1987, 46 p.
PARTEA III – REDUCEREA POLUARII
468
[29] M.F. Buchmann and B.E. Enga, - Catalytic Diesel particulate control systems
design and operation - SAE Paper No. 830080, SP-537, 1983, 23-36.
[30] M.F. Buchmann and B.E. Enga, - Regeneration behavior of light duty catalytic
trap oxidizer systems - , SAE Paper No. 840080, P-140, 1984, 71-78.
[31] M.L. Church et al., - Catalyst formulations 1960 to present - SAE Paper No.
890815, 1989, 7 p.
[32] M.L. Church et al., - Operating temperature effects an catalyst performance
and durability - SAE Paper No. 910845, 1991, 9 p.
[33] McArragher et al., - Evaporative emissions from modern European vehicles
and their control - SAE Paper No. 880315, 1988, 9 p.
[34] P.F. Nelson and S.M. Quigley, - The hydrocarbon composition of exhaust
emitted from gasoline fuelled vehicles - Atmosph. Environm., 18, 1984, 79-87.
[35] S.H. Cadle and P.A. Malawa, - Low molecular weight aliphatic amines in
exhaust from catalyst-equipped cars - E.S.B.T., 14, 1980, 718-723.
[36] S.W. Martens, - Evaporative emission measurements with the SHED, A
second progress report - SAE Paper No. 690502, 1969,11 p.
[37] T.A. Montgomery et al., - Continuous infrared analysis of N20 in combustion
products - J. APCA, 39, 1989, 721-726.
[38] W H. Crouse and D.N. Anglin, - Automotive Emission Control - McGraw Hill,
New York, 1977, 278 p.
[39] W.E. May et al., - Characterization of polycyclic aromatic hydrocarbons in air
particulate extracts by liquid gas chromatographic methods - identification and
analysis of organic pollutants in air, L.H. Keith, Butterworth Publications,
Boston, 1984, pp. 159-169.
[40] W.K. Okamoto et al., - Nitric acid in Diesel exhaust - J. APCA, 33, 1983, 1098-
1100
Mijloace pasive de reducere a zgomotului la autovehicule
469
Autor: Corneliu COFARU
18. MIJLOACE PASIVE PENTRU REDUCEREA ZGOMOTULUI LA AUTOVEHICULE
18.1. MIJLOACE PASIVE DE REDUCERE A EMISIEI SONORE LA MOTOR Aceste tehnici se aplică pentru a împiedica propagarea zgomotelor care sunt
emise de către motor după aplicarea tehnicilor active. Principalele metode sunt
ecranarea, capsularea, amortizarea şi izolarea antivibratorie.
Prin ecranare se obţine o reducere a emisiei sonore utilizând capace sau panouri
realizate din materiale fonoabsorbante. Panourile sunt amplasate în imediata apropiere
a suprafeţelor radiante şi urmăresc conturul acestora. Ele pot acoperi capacul chiulasei,
baia de ulei, suprafeţele laterale ale blocului motor. Eficienţa reducerii zgomotului
depinde de mărimea suprafeţei ecranate şi de caracteristicile fonoabsorbante ale
materialului ecranului. Reducerea zgomotului obţinută prin ecranare este de 3 - 5 dB(A).
Prin capsulare se realizează o ecranare totală a motorului prin care se obţine o
reducere a nivelului emisiei sonore de 5 - 20 dB(A). Coca capsulei fonoabsorbante se
fixează elastic pe structura motorului pentru a se evita preluarea vibraţiilor structurale.
Componentele motorului care străbat coca capsulei trebuie să fie izolate pentru a nu
transmite la aceasta vibraţii. În coca capsulei antifonice se prevăd capace de acces la
unele sisteme ale motorului iar acestea trebuie să aibă dimensiuni minime dar care să
asigure operabilitatea intervenţiei. Pentru a nu se schimba regimul termic al motorului,
prin spaţiul dintre suprafeţele laterale ale blocului motor şi capsulă vor circula curenţi de
aer trimişi de ventilatorul motorului.
Vibraţiile structurale ale motorului sunt izolate faţă de structura caroseriei prin
rezemarea elastică a acestuia. Pentru a obţine o atenuare sonoră cât mai mare trebuie
ca raportul dintre pulsaţia vibraţiei forţate şi cea a vibraţiei libere să fie cât mai mare.
PARTEA III – REDUCEREA POLUARII
470
18.2. MIJLOACE PASIVE DE REDUCERE A EMISIEI SONORE LA SISTEMELE AUTOVEHICULULUI Transmisia autovehiculului poate fi ecranată cu panouri din materiale
fonoabsorbante. La autoturismele la care tracţiunea este în faţă, ecranarea transmisiei
se poate realiza prin căptuşirea elementelor de caroserie cu materiale fonoabsorbante.
În cazul autocamioanelor, construcţia cabinei care îmbracă grupul motopropulsor
poate realiza ecranarea fonoabsorbantă astfel încât să se reducă emisia sonoră.
Amortizarea şi izolarea antivibratorie se situează la graniţa dintre metodele active
şi pasive. Elementele transmisiei trebuie rezemate elastic pentru a izola caroseria de
vibraţiile care apar la funcţionarea acesteia. În cazul utilizării unor dispozitive de
servoasistare, deoarece o parte din elemente sunt antrenate de motorul cu ardere
internă, se aplică aceleaşi metode pasive de reducere a emisiilor sonore ca în cazul
motorului.
Bibligrafie [1] Cofaru, C., ş.a.. - Autovehiculul şi mediul. Editura Universităţii Transilvania
Braşov, 1999. ISBN 973-98512-3-1.
[2] Cofaru.C. –Legislatia şi ingineria mediului in transportul rutier Editura Universităţii
Transylvania Brasov 2002 ,ISBN 973-635-185-8
Mijloace de reducere a poluarii sonore datorate traficului rutier
471
Autor: Corneliu COFARU
19. TEHNICI DE REDUCERE A POLUĂRII SONORE DATORATE TRAFICULUI RUTIER
Nivelul de poluare sonoră datorată traficului rutier depinde de trei factori de
influenţă:
- volumul traficului rutier;
- viteza de trafic;
- numărul de autocamioane aflate în fluxul de trafic.
În general, nivelul de zgomot creşte cu mărirea volumului traficului, a vitezei
de deplasare şi cu numărul de autocamioane aflate în trafic.
Zgomotul datorat traficului rutier nu este constant, nivelul acestuia depinzând
de numărul, tipurile şi viteza autovehiculelor care-l produc. Strategiile de reducere a
poluării fonice se pot grupa în trei categorii:
Controlul autovehiculelor;
Controlul utilizării terenurilor;
Planificarea şi proiectarea străzilor şi autostrăzilor;
19.1. CONTROLUL AUTOVEHICULELOR Această strategie se aplică sursei de zgomot: autovehiculul. Pentru
diminuarea nivelului de emisii sonore se utilizează diferite tehnici care includ
perfecţionarea proceselor din motor, optimizarea transmisiei, utilizarea unor
atenuatoare de zgomot eficiente, aplicarea izolării fonice, îmbunătăţirea calităţii
pneurilor.
Autovehiculele cu un nivel de zgomot redus determină o substanţială reducere
a poluării sonore datorate traficului rutier pe drumuri şi străzi unde nu sunt posibile
măsuri corective.
Din păcate, parcul de autovehicule este eterogen din punctul de vedere al
emisiunilor fonice aşa că introducerea în trafic a unor autovehicule cu nivel redus de
zgomot nu poate reduce nivelul de poluare fonică decât cu max. 5 -10 dB.
PARTEA III – REDUCEREA POLUARII
472
19.2. CONTROLUL UTILIZĂRII TERENURILOR Această strategie este numită şi “control al dezvoltării viitoare”. În vecinătatea
străzilor şi autostrăzilor sunt terenuri libere care într-un viitor pot fi utilizate în
procesul dezvoltării. Prin controlul utilizării terenurilor nu trebuie să se oprească
dezvoltarea însă poate cere amplasarea clădirilor la o distanţă rezonabilă de drum
pentru a preveni problemele datorate poluării fonice sau poate aplica măsuri de
reducere a zgomotului datorat traficului rutier.
19.3. PLANIFICAREA ŞI PROIECTAREA STRĂZILOR ŞI AUTOSTRĂZILOR În stadiul de planificare a străzilor şi autostrăzilor se realizează un studiu de
zgomot. Acest studiu are rolul de a stabili dacă proiectul va crea probleme de
zgomot. Într-o primă fază, nivelul de zgomot al străzilor şi autostrăzilor este măsurat
sau calculat pe bază de model. În acest fel, nivelul de zgomot poate fi previzionat
dacă proiectul este construit.
19.3.1. Reducerea zgomotului pe străzile existente În cazul străzilor existente sau cele supuse procesului de reabilitare se pot
aplica o serie de măsuri de reducere a zgomotului traficului rutier cum ar fi:
- creare de zone de amortizare (tampon);
- plantare de vegetaţie;
- construcţia de bariere fonice;
- izolare fonică a clădirilor;
- managementul traficului rutier.
Zonele de amortizare sunt spaţiile deschise care mărginesc străzile şi
autostrăzile. Zonele sunt create la construcţia autostrăzilor şi ele sunt în proprietatea
agenţilor care au cumpărat terenul ca în această zonă să nu se ridice construcţii.
Zonele de amortizare protejează în general zonele rezidenţiale. De multe ori însă,
datorită proprietăţii private asupra terenului din vecinătatea infrastructurii rutiere este
dificilă crearea de zone de amortizare.
Vegetaţia, dacă are o înălţime şi o lăţime suficientă poate reduce nivelul de
poluare sonoră. O perdea vegetală densă, cu o lăţime de 60 m poate reduce nivelul
sonor cu 10 dB şi poate reduce la jumătate intensitatea auditivă a zgomotului
traficului. De multe ori este dificil să se planteze suficientă vegetaţie în lungul
drumului pentru a obţine o asemenea reducere. Dacă asemenea vegetaţie există, ea
Mijloace de reducere a poluarii sonore datorate traficului rutier
473
trebuie menţinută. Dacă nu, ea trebuie plantată pentru a îmbunătăţi factorul
psihologic chiar dacă nu trebuie să reducă zgomotul rutier.
Fig.19.1. Barieră fonică tip val de pământ
Barierele fonice sunt construcţii solide plasate între infrastructura rutieră şi
casele aflate în lungul acesteia. Aceste bariere fonice reduc nivelul de zgomot cu 10
până la 15 dB şi la jumătate intensitatea auditivă a zgomotului traficului rutier.
Barierele fonice sunt construite din: pământ sub formă de val sau ziduri
izolatoare fonic care utilizează lemn, stuc, beton, piatră, metal sau alte materiale.
Valul de pământ este atractiv deoarece creează un peisaj natural. Acesta, datorită
înălţimii cerute, ocupă suprafeţe importante de teren şi se construieşte numai
când/unde condiţiile sunt propice, în rest utilizându-se alte sisteme.
Barierele fonice nu vor fi plasate la o distanţă mai mică de 3 m de
infrastructura rutieră. Se consideră că bariera de protecţie fonică este sigură dacă
este plasată între 4,5 şi 9 m de la marginea drumului. Înălţimea barierelor fonice nu
trebuie să fie mai mică de 1,8 m iar înălţimea maximă nu trebuie să depăşească 4,3
m măsurată de la suprafaţa drumului. Dacă bariera fonică este amplasată la o
distanţă mai mare de 4,5 m de la marginea drumului, atunci înălţimea acesteia nu
poate depăşi 5 m măsurată de la suprafaţa solului.
PARTEA III – REDUCEREA POLUARII
474
O atenţie deosebită trebuie să se acorde barierelor fonice paralele (de o parte şi de
alta a drumului). Dacă suprafeţele barierelor sunt netede, neporoase, cum ar fi
suprafeţele din beton sau piatră, zgomotele de trafic pot fi reflectate între bariere
determinând diminuarea propagării acestora în afara perimetrului străzii. Pentru a
obţine acest efect trebuie să existe un raport între distanţa dintre bariere şi înălţimea
acestora de cel puţin 10:1. (De exemplu: două bariere fonice având una o înălţime de
3 m şi alta de 4 m trebuie să aibă o distanţă între ele de cel puţin 35 m pentru a avea
eficienţă).
Fig.19.2. Barieră fonică tip CISILENT
tanţa
ă fie de minim 300 m. Dacă infrastructura rutieră nu
ste prevăzută cu hidranţi atunci în bariera fonică se prevăd mici deschideri pentru
le fonice se prevăd cu deschideri pentru drenaj, şi care trebuie să ţină
seama de situaţia hidraulică a reliefului. Deschiderile pot avea dimensiuni de 200 mm
ţin de 3 m de centrul barierei şi
de 200 mm X 400 mm sau mai mici dacă sunt plasate la mai puţin de 6 m de centru.
Barierele fonice trebuie prevăzute cu porţi de acces de urgenţă, dis
dintre porţile de acces trebuind s
e
furtunurile de stingere a incendiilor, plasate cât mai aproape de hidrant.
Bariere
X 200 mm sau mai mici dacă sunt plasate la mai pu
Fig.19.3. Bariere fonice paralele
Mijloace de reducere a poluarii sonore datorate traficului rutier
475
Barierelor fonice trebuie să se asigure o anumită estetică pentru a evita
monotonia în trafic şi să combată intervenţia graffiti.
Fig. 19.4. Plasarea barierelor fonice
Izolarea fonică a clădirilor poate determina diminuarea zgomotul traficului
rutier. Materialul fono-absorbant poate fi amplasat în pereţii clădirii. În cazul în care
ferestrele sunt amplasate spre infrastructura rutieră, acestea trebuie construite cu o
închidere etanşă.
Controlul traficului se constituie într-o măsură eficientă de reducere a
zgomotului traficului rutier. De exemplu, traficul greu poate fi interzis pe anumite
drumuri şi străzi sau acesta poate fi permis numai pe timpul zilei. O altă măsură care
poate fi aplicată este reglajul timpilor semafoarelor pentru a asigura un trafic fluent.
Limitarea vitezei de circulaţie a autovehiculelor poate limita poluarea fonică în zonele
în care aceasta este instituită.
Îmbrăcămintea infrastructurii rutiere este menţionată ca un factor al zgomotului
datorat traficului rutier. Încă mai sunt necesare cercetări pentru a se determina cum
diferite tipuri de îmbrăcăminte stradală şi pneuri contribuie la poluarea sonoră.
19.3.2. Reducerea zgomotelor pe străzile noi Măsurile descrise pentru străzile existente sunt aplicabile şi străzilor noi. În
plus, străzile noi trebuie să fie amplasate departe de zonele sensibile cum ar fi şcoli,
spitale şi în apropierea unor zone insensibile la zgomot cum ar fi zone industriale sau
comerciale. Noile străzi pot fi amplasate pe cât posibil în zone nedezvoltate.
În plus, noile străzi pot fi construite în debleu iar taluzurile pot juca rolul de
bariere fonice. De asemenea, noile străzi pot fi construite cu pante reduse eliminând
zgomotul datorat în special autocamioanelor prin schimbarea frecventă a treptelor de
viteză.
PARTEA III – REDUCEREA POLUARII
476
Fig.19.5. Bariere fonice combinate plasate pe străzi noi
Bibliografie [1] Cofaru, C., ş.a.. - Autovehiculul şi mediul. Editura Universităţii Transilvania
Braşov, 1999. ISBN 973-98512-3-1.
[2] Cofaru.C. –Legislatia şi ingineria mediului in transportul rutier Editura
Universităţii Transylvania Brasov 2002 ,ISBN 973-635-185-8
[3] Pallesen, L., P. M. Berthouex, and K. Booman (1985). "Environmental
Intervention Analysis: Wisconsin's Ban on Phosphate Detergents," Water Rcs.,
19, 353-362.
[4] Leopoldo de Oliveira, Bert Stallaert, Wim Desmet, Jan Swevers, Paul Sas,
“Optimization Strategies for Decentralized ASAC” Forum Acusticum 2005 –
Budapest, Hungar
Utilizarea unor sisteme motopropulsoare alternative
477
Autor: Roger SIERENS
20. UTILIZAREA UNOR SISTEME MOTOPROPULSOARE ALTERNATIVE
20.1. INTRODUCERE În ţările dezvoltate există o strânsă legătură între traficul rutier şi mediul
înconjurător, deteriorările serioase ale calităţii mediului (aer, sol, apă) fiind datorate
emisiilor vehiculelor aflate în trafic. Pornind de la aceste considerente trebuie să se
creeze o legătură între planificarea transporturilor şi mediului şi cea urbană. Scopul
acestei politici este realizarea unui transport curat, în care să se utilizeze eficient
energia şi spaţiul. Acest deziderat se poate realiza prin mai multe linii politice:
• Întărirea politicii guvernamentale;
• Ofertă selectivă a accesibilităţii pe drumuri;
• Îmbunătăţirea alternativelor pentru autovehicule;
• Restricţii şi ghidarea mobilităţilor autovehiculelor;
• Dezvoltarea şi stimularea autovehiculelor curate, silenţioase şi economice.
Din considerente de mediu şi sănătate publică, o atenţie deosebită trebuie
acordată utilizării gazelor naturale şi electricităţii pentru transporturile locale şi
regionale.
Politicile pentru dezvoltarea durabilă a relaţiei trafic - mediu înconjurător în
secolul 21 iau în considerare utilizarea la maxim a tracţiunii electrice la toate
categoriile de vehicule de transport în zonele urbane (tren, tramvai, troleibuz,
autoturisme electrice, autovehicule transport marfă).
Autovehiculele alternative care răspund în mare măsură cerinţelor mediului
înconjurător şi sănătăţii publice sunt:
- vehicule electrice;
- vehicule hibride;
- vehicule electrice cu pilă de combustie.
Autovehiculul hibrid dispune de două surse de energie mecanică: un motor
termic convenţional, un motor electric şi două sisteme de stocaj - rezervor de
combustibil şi baterii electrice.
PARTEA III – REDUCEREA POLUARII
478
Autovehiculul electric este definit ca un vehicul cu un grup motopropulsor pur
electric şi o baterie pentru stocarea energiei electrice.
Autovehiculul electric cu pilă de combustie este un autovehicul electric la care
energia electrică este generată la bordul autovehiculului de către o pilă de combustie
alimentată cu combustibil (hidrogen, metanol etc.).
20.2. METODE UTILIZATE PENTRU A ECONOMISI COMBUSTIBIL În figura 20.1, sunt prezentate trei abordări posibile ale consumului de energie
la autovehicule de unde poate rezulta reducerea consumului total de energie a
vehiculelor de pasageri:
Fig. 20.1. Principalele elemente ale schemei de conversie a energiei
• Optimizarea randamentului circuitului “sondă-la-rezervor” prin optimizarea
proceselor de transformare a energiei;
• Optimizarea randamentului lanţului “roată-la-kilometru” prin reducerea masei
autovehiculelor, a pierderilor aerodinamice şi de rulare.
• Optimizarea randamentului “rezervor-la-roată” va fi dezvoltat mai jos.
Utilizarea unor sisteme motopropulsoare alternative
479
Figura 20.2. arată cum metoda de transformare a energiei poate influenţa de
asemenea consumul total de energie. Pentru condiţii stabile, încercarea aceasta de
optimizare cuprinde un număr mare, dar finit de posibilităţi. Din păcate, condiţiile nu
sunt stabile. De exemplu, schimbând structura sistemului se oferă posibilitatea de a
dezvolta algoritmi de control mai buni şi deci o performanţă mărită a sistemului.
Din acest motiv acest text se concentrează doar pe optimizarea randamentului
“rezervor-la-roată”. Se pot distinge trei abordări diferite la nivelul componentelor şi
doua la nivelul sistemului.
1. Optimizarea randamentului de vârf al componentelor.
2. Optimizarea randamentului la sarcini parţiale al componentelor.
3. Adăugarea posibilităţii de a recupera energia cinetică şi cea potenţială
acumulate de vehicul.
4. Optimizarea structurii şi parametrilor sistemului de propulsie, presupunând
că combustibilul şi vehiculul sunt bine definite.
5. Realizarea unor algoritmi de supraveghere a controlului care să profite de
avantajele oferite de configuraţia sistemului de propulsie.
20.3. ENERGIA VEHICULULUI – IDEI DE BAZĂ
20.3.1. Analiza pierderilor energetice şi analiza performanţelor Sistemul de propulsie produce energie mecanică care se presupune că este
stocată în acel moment în vehicul. Se presupune că rezistenţele la deplasarea
autovehiculului consumă energie din rezervor. Această separare poate părea puţin
ciudată la prima vedere. Pe de altă parte este destul de folositoare când cineva
doreşte să facă diferenţa între efectele individuale care au loc.
Energia este stocată în vehicul:
sub forma de energie cinetică atunci când vehiculul este accelerat, şi
sub forma de energie potenţială atunci când vehiculul ajunge la altitudini mari.
Cantitatea de energie “consumată” de vehicul deplasându-se cu un model de
conducere pre-definit depinde de trei efecte:
Pierderile în frecările aerodinamice,
Pierderile în frecările la rulare, şi
Energia disipată în frâne.
PARTEA III – REDUCEREA POLUARII
480
Fig. 20.2. Diferiţii paşi de conversie a surselor de energie primară în energie
mecanică necesară propulsiei autovehiculelor
Ecuaţia elementară care descrie dinamică longitudinală a unui vehicul are
următoarea formă:
(20.1)
unde: Fa este frecarea aerodinamică, Fr- frecarea la rulare, Fg- forţa cauzată de
gravitaţie la deplasarea pe drumuri înclinate, şi F d forţa de disturbare care apare ca
suma efectelor încă nespecificate. Forţa de tracţiune Ft este principala forţă de
punere în mişcare minus forţa utilizată pentru a accelera componentele în rotaţie din
interiorul vehiculului şi minus toate pierderile în frecare din grupul motopropulsor.
Figura 20.1 arată reprezentarea schematică a acestei relaţii.
Utilizarea unor sisteme motopropulsoare alternative
481
Fig.20.3. Reprezentarea schematică a forţelor care acţionează asupra unui vehicul în
mişcare
20.4. SISTEME DE PROPULSIE BAZATE PE MOTOARE CU ARDERE INTERNĂ
20.4.1. Introducere În text sunt utilizate două descrieri diferite ale elementelor grupului
motopropulsor: formularea cvasi-statică şi cea dinamică. Pentru motoarele cu ardere
internă, variabilele de intrare şi de ieşire sunt prezentate în figura 20.1. Randamentul
termodinamic al unui asemenea aparat este definit de:
(20.2)
unde ωe este turaţia motorului, Te cuplul motorului, şi Pc entalpia asociată curgerii
masei de combustibil
(20.3
Randamentul termodinamic ηe al motoarelor cu ardere internă depinde în
mare măsură de turaţia şi de cuplul acestuia. Modelarea tuturor fenomenelor
relevante este o arie vastă şi bine documentată. O bogată literatură descrie punctele
importante pe această tema. Variabilele ωe şi Τe au o interpretare pur fizică.
unde Ht este valoarea calorică a combustibilului
PARTEA III – REDUCEREA POLUARII
482
Fig.20.4. Descrierea sistemului cvasi-static şi dinamic a variabilelor de intrare şi
ieşire din motor
Din păcate, gama lor depinde de modelul de motor care este proiectat
(dimensiune, geometrie, etc.). Din acest motiv, variabile generalizate sunt introduse
în următoarea secţiune. Folosind aceste variabile, dimensiunea motorului poate fi
folosită ca parametru pentru optimizare.
20.4.2. Variabilele generalizate ale motorului Când motorul funcţionează la regim stabil, doua variabile generalizate îi
(20.4)
Aceste cantităţi sunt viteza medie a pistonului
şi presiunea medie efectivă
(20.5)
unde: ωe este turaţia motorului, Te este cuplul motorului, Vd capacitatea cilindrică a
motorului iar S este cursa. Parametrul N depinde de tipul motorului, pentru motor în
patru timpi N=4 şi pentru motor în doi timpi N=2.
descriu punctul de lucru.
Utilizarea unor sisteme motopropulsoare alternative
483
Bineînţeles, viteza medie a pistonului este viteza medie în timpul unei rotaţii.
Valoarea ei este limitată la un minim, la turaţia de mers în gol şi la un maxim de către
frecările aerodinamice din canalul de admisie şi de către tensiunile mecanice care
apar în sistemul de schimb al gazelor. În general valorile maxime ale cm sunt sub 20
m/s. Presiunea medie efectivă este acea cantitate constantă care trebuie să
acţioneze asupra pistonului în timpul detentei pentru a produce aceeaşi cantitate de
lucru mecanic la un cuplu constant al motorului Te pe care-l produce la un ciclu.
Pentru motoarele cu aspiraţie naturală valoarea maxima al lui pme este în jur de 106
Pa (10 bar).
Motoarele supraalimentate Diesel ating presiuni medii efective în jur de 20
bar. Sunt posibile şi presiuni mai mari cu sisteme de supraalimentare speciale (două
turbosuflante, dispozitive cu unde de presiune, etc.).
Avantajele cheie a folosirii variabilelor generalizate cm şi pme sunt că gama lor este
aproximativ aceeaşi pentru toate motoarele şi nu diferă în funcţie de dimensiunile
motorului. Având în vedere că pentru motoare asemănătoare limitele vitezelor
variază mai puţin decât limita cuplului, diagramele motoarelor sunt de obicei
prezentate în practică cu cm înlocuit cu ne ,de ex: turaţia motorului în rpm.
Pentru presiunea medie efectivă şi viteza medie a pistonului fixe, ecuaţia
(20.6)
arată cum puterea mecanică Pe generată de motor se corelează cu numărul de
20.5. MODELE DE SISTEME DE PROPULSIE ELECTRICA SI HIDRID-ELECTRICA
20.5.1. Sisteme de propulsie electrică
Sistemele de propulsie pur electrice (vehiculele electrice, VE, sau vehiculele
electrice cu baterii, VEB) sunt caracterizate de un lanţ de transformare a energiei
în mare, format dintr-o baterie (sau alt sistem de înmagazinare a
i un motor electric cu sistemul lui de comandă. Vehiculul rezultat nu
este unul autonom din cauză că bateriile trebuie alimentate de la o reţea exterioară.
Timpul necesar pentru încărcarea bateriilor nu este neglijabil, şi cu siguranţa este
mai mare decât timpul de realimentare al vehiculelor cu motoare cu ardere internă.
Din aceste motive doar câteva considerente scurte sunt prezentate aici.
electrice ,
electricităţii) ş
cilindri z şi alezajul cilindrului B.
PARTEA III – REDUCEREA POLUARII
484
Unele vehicule de pasageri apărute pe piaţă în ultimii ani au fost echipate cu
sisteme de propulsie electrică : curent alternativ motor asincron, curent alternativ
motor cu magneţi permanenţi, sau maşini cu curent continuu au fost folosite ca
motoare de tracţiune, cu puteri de vârf de la 20 la 50 de KW. Componenţa cheie este
bateria, care de obicei este de tipul plumb-acid sau nichel-cadmiu, chiar dacă
tehnologii mai noi (ex, litiu-ion) au fost utilizate deja. Densitatea de energie tipică este
de 30 până la 65 Wh/kg. vitezele de vârf nu depăşesc 100 km/h, în timp ce
autonomia este între 75 şi 95 km la o încărcare, dar poate atinge 100 de km la
modelele mai noi. Valorile generale de consum sunt 15-30 kWh/100km, care
înseamnă că randamentul total este undeva pe la 40-60 %.
20.5.2. Sisteme de propulsie hibrid electrice În contrast cu vehiculele cu motoare cu ardere internă sau cu baterii electrice,
vehiculele hibrid sunt caracterizate de doua sau mai multe acţionări principale sau
surse de putere. De obicei, termenul de “vehicul hibrid” este folosit la un vehicul care
combină un motor cu ardere internă şi un motor electric. Mai bine spus astfel de
combinaţie ar trebui numită vehicul hibrid electric (VHE), din cauza că au fost
propuse diferite configuraţii de “hibrizi”.
ine un motor ca un transformator de combustibil sau
ionare principală. Ca acţionare primară electrică sunt
folosite diferite motoare electrice (standard cu curent continuu, cu inducţie pe curent
alternativ, cu curent continuu fără lagăre, etc.). La unele configuraţii, o a doua
maşina electrică este necesară, care acţionează în principal ca generator. Sistemul
de stocare al energiei electrice este în general o baterie electrochimică, iar super-
condensatorii pot fi folosiţi la acelaşi prototip.
Una din motivaţiile dezvoltării VHE o constituie posibilitatea de a combina
avantajele vehiculelor pur electrice, cu zero emisii locale, cu avantajele vehiculelor cu
motoare cu ardere internă care posedă energii înalte şi densitate ridicată de putere.
VHE pot profita de diversele posibilităţi pentru îmbunătăţirea economiei de
combustibil faţă de vehiculele cu motoare cu ardere internă, este posibil să se obţină:
1. micşorarea motorului şi îndeplinirea totuşi a cerinţelor maxime de putere ale
vehiculului;
2. recuperarea unei părţi de energie pe timpul deceleraţiei în loc să fie disipată
prin fricţiune în frâne;
În general, un VHE conţ
un sistem ireversibil ca acţ
Utilizarea unor sisteme motopropulsoare alternative
485
3. optimizarea distribuţiei între diferitele sisteme;
4. eliminarea consumului de combustibil aferent mersului în gol al motorului prin
oprirea acestuia când nu se cere furnizare de putere (stop ant co);
5. eliminarea pierderilor în ambreiaj prin cuplarea motorului când turaţiile sunt
egale.
Aceste posibile îmbunătăţiri sunt contracarate parţial de faptul că VHE sunt cu 10 –
30 % mai grele decât vehiculele cu motoare cu ardere internă.
În general, nu este posibil toate aceste posibilităţi să fie aplicate împreună (1)
–(5). În continuare se descriu diferite tipuri dezvoltate de vehicule hibrid electrice şi
modurile de funcţionare.
20.5.2.1 Configuraţia sistemului Vehiculele hibrid electrice se clasifică în trei tipuri principale:
• Vehicule hibrid serie: motorul electric singur antrenează vehiculul.
Electricitatea poate să fie furnizată de baterie sau de generatorul antrenat de
motorul cu ardere internă.
• Vehicule hibrid paralele : ambele motoare acţionează asupra aceluiaşi arbore,
vehiculul putând fi antrenat de fiecare motor în parte sau să fie o acţionare
simultană.
• Vehicule hibrid serie-paralele sau hibrid combinate. Această configuraţie are
două legături mecanice ca şi hibridul paralel şi o legătură electrică ca şi
hibridul serie.
a) Vehiculul hibrid electrice cu configuraţie serie
Sistemele de propulsie hibrid serie utilizează un motor cu ardere internă ca o
unitate de putere auxiliară (APU- auxiliar power unit) pentru a extinde gama de
funcţionare ca un vehicul pur electric. Utilizând un generator energia furnizată de
motor este convertită în energie electrică care poate fi folosită fie pentru alimentarea
motorului electric fie pentru încărcarea bateriei (Fig.20.5.). Recuperarea energiei de
frânare este posibilă utilizând motorul de tracţiune ca generator, energia electrică
astfel obţinută este stocată în baterie. Funcţionarea motorului cu ardere
internă(M.A.I.) nu răspunde cerinţele de putere ale vehiculului (4) în aceste condiţii
M.A.I. poate funcţiona la un punct unde are randamentul şi emisiile optime (3). Se
PARTEA III – REDUCEREA POLUARII
486
poate adăuga avantajul că transmisie nu necesită prezenţa unui ambreiaj pentru
simplu fapt că nu este legat mecanic la puntea motoare (5). Configuraţia sistemului
hibrid serie necesită trei maşini: un motor cu ardere internă,un generator electric şi
un motor electric de tracţiune. Acesta din urmă trebuie să fie dimensionat la cerinţele
de putere ale vehiculului, atunci limitând posibilitatea de micşorare a M.A.I. (1).
Soluţia hibrid serie în principiu oferă posibilităţi de reducere a consumului de
combustibil conform cu posibilităţile (2) – (5) prezentate mai sus. Randamentul total
rezervor la roată pentru vehiculele hibride serie este egal cu cel al vehiculelor
moderne echipate cu motoare cu ardere internă eficiente din punctul de vedere al
consumului. Insă greutatea care se adaugă automobilului pentru întărirea caroseriei,
greutatea maşinilor electrice, baterie etc. Poate împinge consumul de combustibil
deasupra valorilor obţinute cu cele mai bune soluţii clasice.
Fig.20.5. Configuraţia de bază a schemei hibrid serie
M.A.I – motor cu ardere internă, G – Generator, C – convertor, B – baterie, M.E. – Motor electric,
P.M.- punte motoare
b) Vehiculele Hibride Electrice cu configuraţie paralelă În timp ce vehiculele hibride cu configuraţie în serie pot fi considerate ca
vehicule electrice cu un motor adiţional cu ardere internă, hibrizii cu configuraţie
paralelă sunt mai degrabă vehicule cu motoare cu ardere internă cu un flux adiţional
de putere provenind de la un motor electric (fig. 20.6) În VHE cu configuraţie paralelă
atât motorul cu ardere internă cât şi cel electric pot furniza puterea de tracţiune atât
independent cât şi în combinaţie. Aceasta oferă un plus de libertate în furnizarea
Utilizarea unor sisteme motopropulsoare alternative
487
puterii necesare a vehiculului, care poate fi folosit în optimizarea distribuţiei puterii
dintre cele doua fluxuri paralele (punctul 3, în secţiunea precedentă). Motorul poate fi
oprit la ralanti (4) şi motorul electric poate fi folosit pentru a asista la accelerare şi, în
general, pentru cerinţe mari de putere. Ambele pot fi astfel dimensionate pentru o
parte din puterea maximă (1). Datorită cu faptului că două motoare pot fi folosite
împreună, constituie un avantaj faţă de hibrizii cu configuraţie în serie. Un dezavantaj
este nevoia de a folosi un ambreiaj, deoarece motorul are o legătura mecanică cu
transmisia (5). Motorul electric poate fi utilizat ca generator pentru a reîncărca
bateria, fiind alimentat de sistemul de regenerare a forţei de frânare(2) sau de către
motor. Deşi greutatea suplimentară joacă un rol important, posibilităţile de la (1) la (4)
enumerate anterior cresc, în principiu, randamentul întregului sistem faţă de un
vehicul cu un motor cu ardere internă.
Fig.20.6. Configuraţia unui sistem hibrid paralel
Primul nivel de hibridizare este conceptul mild hybrid , care este mai aproape
de ideea originală a unui vehicul cu motor cu ardere internă asistat de un motor
electric. Motorul electric este o maşină electrică mică, de obicei antrenat de o curea
şi montat în faţă motorului (fig. 20.7). Nu necesită capacităţi foarte mari ale bateriei ,
sau electronică de putere complexă, deoarece funcţia sa este de stop-and-go
automatic al motorului (4), furnizând o creştere limitată de putere ce poate fi
folositoare în downsizingul motoarelor (1) şi oferă capacităţi limitate de recuperare a
energiei (2). Motorul electric poate funcţiona şi ca alternator pentru sarcinile electrice,
şi aceasta poate fi folositor în special pentru reţelele de 42 V de la bordul vehiculului,
care necesită un nivel de putere mai mare decât reţelele obişnuite
Fig. 20.7. Configuraţia unui sistem hibrid paralel mixt
PARTEA III – REDUCEREA POLUARII
488
c) Vehiculul hibrid electric combinat E o configuraţie intermediară între soluţiile hibride cu configuraţie serie şi cea
paralelă. Este mai apropiat de cel cu configuraţie paralelă, dar conţine câteva
caracteristici ale VHE cu configuraţie în serie.
De fapt, există atât legături electrice cât şi mecanice, alături de două motoare
electrice. Ca şi în configuraţia paralelă, unul este folosit ca motor primar sau pentru
regenerarea forţei de frânare, celălalt funcţionează ca un generator într-un hibrid cu
configuraţie în serie. Este folosit să încarce bateria prin motor sau pentru
funcţionarea sistemului stop-and-go. Două realizări diferite ale hibrizilor combinaţi au
fost prezentate recent. Prima (Toyota Prius, Ford Escape, vezi fig. 20.8) are
transmisie planetară (R.P). A doua (Nissan Tino, fig. 20.9) combină generatorul
antrenat de lanţ al hibrizilor de tip mild cu configuraţie paralelă şi un motor electric
montat pe arborele cotit, ca în hibridul complet cu configuraţie paralelă.
Fig.20.8 Configuraţia unui sistem hibrid cu reductor planetar
B – baterie,M.A.I.- motor cu ardere internă, G – generator, C – convertor, R.P- reductor planetar, T –
transmisie incluzând ambreiaj şi cutie de viteze, P.M. – punte motoare, linie bold – legătură mecanică,
linie –legătură electrică
Fig.20.9. Configuraţia unui sistem hibrid fără reductor planetar
Utilizarea unor sisteme motopropulsoare alternative
489
20.5.2.2 Fluxul de putere Datorită diferitelor configuraţii ale VHE, sunt posibile mai multe moduri de
funcţionare. Aceasta secţiune prezintă fluxurile de putere prin diversele componente
ale unui vehicul hibrid.
a) VHE cu configuraţie în serie În configuraţia standard, legătura dintre motor şi baterie este electrică, cu
tensiunea de ieşire care alimentează motorul electric şi generatorul. Intensităţile
curentului motorului electric şi ale generatorului echilibrează intensitatea de la
terminalul bateriei. Echilibrul puterii este reglat de controllerul de distribuţie a cuplului,
care selectează modul de funcţionare şi raportul u dintre puterea de la baterie şi
puterea totală la legătură.
După cum este ilustrat în figura 20.9, vehiculele hibride au patru moduri de
funcţionare. În modul de funcţionare urban, când bateria este încărcată suficient,
modul de funcţionare complet electric este de obicei selectat,acesta fiind modul de
funcţionare cu zero emisii poluante (u=1)
Când nivelul de încărcare a bateriei este prea scăzut, motorul este pornit şi
este de obicei setat la punctul de randament maxim. Puterea rezultată din diferenţa
dintre puterea motorului şi puterea la legătură reîncarcă bateria (u<0) prin intermediul
generatorului. O asemenea combinaţie a descărcării şi încărcării reprezintă un ciclu
de funcţionare, care este tipic hibrizilor cu configuraţie serie. În principiu, când
puterea motorului este sub nivelul puterii la legătură, puterea lipsă poate fi furnizată
de către baterie (0<u<1) deşi acest mod de funcţionare este rareori folosit în
realitate. Bineînţeles, în timpul frânarii sau decelerării o parte din energie este
recuperată de către motorul electric care este folosit ca generator (u=1)
b) VHE cu configuraţie paralelă La acestea, legătura dintre calea motorului şi calea electrică este mecanică.
Cea mai simplă configuraţie este acea cu doua grupuri de putere ce antrenează punţi
diferite. În hibrizii mild, cuplarea este reprezentată de câtre o curea care de obicei
antrenează demarorul/generatorul, de obicei împreună cu sarcinile auxiliare. În
vehiculul hibrid complet, motorul electric este de obicei montat pe arborele cotit, între
motor şi transmisie. Vorbind în general, cele două fluxuri de putere pot considerate
ca fiind într-un „cuplaj de moment”. Echilibrul de puteri la „cuplajul de moment” este
PARTEA III – REDUCEREA POLUARII
490
reglat de către controlerul de distribuţie a puterii, care selectează modul de
funcţionare şi raportul u dintre puterea de la motorul electric şi puterea totală la
cuplaj.
În funcţie de valoarea u, sunt posibile diferite moduri de funcţionare. În timpul
pornirii sau accelerării, motorul furnizează doar o parte din puterea totală la cuplaj,
restul fiind furnizat de câtre motorul electric (0<u<1) care realizează conceptul de
asistare a puterii.
În timpul frânarii sau deceleraţiei, motorul electric recuperează energie în
baterie, acţionând ca un generator (u=1). La sarcini mici, motorul ar trebui să
furnizeze mai multă putere decât este strict nevoie, puterea suplimentară încărcând
bateria prin intermediul motorului electric (u<0). Atât funcţionarea motorului (u=0) cât
şi funcţionarea motorului electric (u=1) sunt de asemenea posibile în principiu.
Fig.20.10 prezintă asemenea posibilităţi pentru o configuraţie de hibrid complet.
c) VEH combinate Acestea au posibilitatea de a funcţiona ca hibrizi cu configuraţie serie sau
paralelă. Astfel, modurile de funcţionare posibile rezultă din combinaţia modurilor
discutate anterior. Dar, utilizarea unei transmisii planetare (fig. 20.7) pune nişte
piedici în fluxurile de energie posibile. După cum va deveni clar în ceea ce va urma,
un flux de putere 10 de la motor către transmisia planetara implică întotdeauna un
flux de putere către generator. Ca şi consecinţa, funcţionarea numai a motorului cu
ardere internă nu este posibilă cu o asemenea configuraţie, dar este asociată
întotdeauna cu un flux de putere prin generator şi prin motor. Celelalte moduri,
incluzând modul de funcţionare cu zero emisii poluante, regenerarea forţei de
frânare, reîncărcarea bateriei şi asistarea puterii sunt, bineînţeles posibile, după cum
este ilustrat în figura 20.11.
a) Antrenare pe baterie, u = 1
Utilizarea unor sisteme motopropulsoare alternative
491
b)Reîncărcarea bateriei u < 0
c) Antrenare hibridă 0<u<1
c) Regenerare prin fânare u = 1
Fig. 7.10. Fluxul de putere pentru diferitele moduri de funcţionare a vehiculelor
hibride serie
PARTEA III – REDUCEREA POLUARII
492
a) Putere asistată, 0 <u < 1
b) Regenerare la fânare, u = 1
c) Reîncărcare baterie, u < 0
d) Funcţionarea vehiculului cu zero emisii – ZEV, u = 1
e) Vehicul convenţional, u = 0
Fig.20.11. Fluxul de putere pentru diferitele moduri de funcţionare a vehiculelor
hibride paralele
Utilizarea unor sisteme motopropulsoare alternative
493
a) Funcţionare „numai cu motorul”
b) Funcţionarea vehiculului cu zero emisii – ZEV
c) Regenerare la fânare
d) Reîncărcare baterie
PARTEA III – REDUCEREA POLUARII
494
e) Putere asistată
Fig.20.11.Fluxul de putere pentru diferitele moduri de funcţionare a vehiculelor
hibride combinate cu reductor planetar
20.5.2.3 Concepte realizate
În ultimi ani s-a demonstrat că o mare parte din vehicule sunt dotate cu una
din configuraţiile pentru vehicule hibride prezentate în acest capitol. Modelele care au
intrat în producţia de masă sau sunt considerate pregătite pentru piaţă sunt cele cu
sursă dublă (series-parallel type), de preferinţă cu unitate planetară pentru a realiza
transferul momentului şi cele cu sursele în paralel, acestea din urma având o
răspândire mai mică pe piaţă.
Vehiculele hibride combinate (Nissan Tino, Toyota Prius, Fiat Multipla Ibrida,
Ford Escape) şi cele cu sursele în paralel (Audi Duo, Citroen Xsara Dynactive,
Honda Insight, Honda Civic Hybrid) sunt caracterizate printr-un procent de hibridizare
(raportul dintre puterea motorului electric şi puterea motorului convenţional) cu valori
între 15% şi 55% sau chiar mai mult. Cele cu procentaj mic sunt denumite vehicule
cu hibridizare moderată, chiar dacă construcţia este asemănătoare cu vehiculele
hibride cu surse în paralel cu hibridizare completă, aşa cum este prezentat în Fig.
20.5. Vehicule cu hibridizare moderată sunt prezentate în Fig. 20.6. (GM Precept,
Doge Intrepid, Toyota Crown, Saturn Vue, Honda Accord Hybrid). Acestea au un
procent de hibridizare redus (2-15%), cu un sistem electric care funcţionează pe
principiul stop-and-go.
De obicei sunt folosite motoare cu aprindere prin scânteie, motor/generator
sincron cu magneţi permanenţi pentru curent alternativ (şi fără perii pentru curent
continuu), baterii Ni-MH. Cu toate acestea sunt şi câteva modele echipate cu motor
Utilizarea unor sisteme motopropulsoare alternative
495
Diesel, cu motor asincron pentru curent alternativ şi baterii Li-Ion. De asemenea sunt
folosite într-o gama largă şi transmisiile cu raport de transmitere variabil (CVT). La
vehiculele hibride cu sursă dublă, circuitul de putere este reglat de unitatea planetară
sau şi de un mecanism tip ambreiaj. La vehiculele hibride cu surse în paralel
cuplarea se realizează cu punţi separate sau prin arborele de transmisie ce le leagă.
Producătorii principali de automobile au produs doar câteva modele de vehicule
hibride cu surse în paralel, de obicei acestea fiind o îmbunătăţire adusă la vehiculele
cu propulsie electrică.
20.5.3 Bateriile
Componenta principală atât pentru vehiculele cu propulsie electrică (EV) cât şi
pentru vehiculele hibride cu propulsie electrică (VHE) este bateria electrochimică.
Bateriile sunt dispozitive care transforma energia chimică în energie electrică şi vice
versa. Acestea formează un sistem reversibil de stocare a energiei electrice.
Caracteristicile acestor baterii, folosite atât la EV cât şi la V, HE sunt: putere şi
energie specifică ridicată, durată de viaţă lunga, costul iniţial şi de înlocuire redus şi
sunt robuste. Pe lângă pretenţiile tehnice, un element principal îl prezintă dezvoltarea
unei tehnologii de măsurare exactă a capacităţii sau a stării de încărcare (SOC) al
bateriei în timpul funcţionării.
Capacitatea bateriilor, de obicei exprimată în Ah, este integrala intensităţii
care poate fi livrată în anumite condiţii. Un parametru adimensional este starea de
încărcare, reprezentând cantitatea sarcinii rămase în baterie, exprimată ca procentaj
al capacităţii nominale. Alt parametru principal este energia specifică, reprezentat
energia care poate fi înmagazinată în baterie raportată la masă, exprimată de obicei
în Wh/kg. Energia specifică dictează asupra masei bateriilor, limitând astfel
autonomia unui vehicul cu propulsie electrică (EV). Pentru HEV, variabila principală
este puterea specifică, exprimată de obicei în W/kg, care afectează direct acceleraţia
şi performanţele în pantă ale vehiculului. Bateriile sunt compuse dintr-un număr dat
de celule, acestea la rândul lor având trei componente: doi electrozi, aici au loc
reacţii incomplete (half-reactions) care produc mişcarea electronilor printr-o
rezistenţa externă şi mediul care asigura transportul de ioni între electrodul pozitiv şi
negativ. Catodul este electrodul unde are loc reacţia de reducere (se acceptă
electroni). În timpul descărcării bateriei acesta este electrodul pozitiv, iar la încărcare
acesta devine electrodul negative. Anodul este electrodul unde are loc reacţia de
PARTEA III – REDUCEREA POLUARII
496
oxidare (se cedează electroni). În timpul descărcării bateriei acesta este electrodul
negativ iar în timpul încărcării este electrodul pozitiv (vezi Fig.20.12).
Fig.20.12. Schema unei celule de baterie, A - anod, C – catod, E - electrolit
Bateriile folosite în aplicaţiile auto sunt reîncărcabile (baterii secundare).
Acestea pot fi împărţite în doua categorii în funcţie de tipul electrolitului. Bateriile care
funcţionează la temperatura ambianţă au în componenţă electrolit lichid sau solid.
Bateriile care funcţionează la temperaturi înalte au în componenţa electrolit topit sau
solid. În prezent sunt de remarcat zece tehnologii utilizate în această ramură. Cele
mai des folosite sunt: (i) Pb-acid, (ii) Ni-Cd, (iii) Ni-MH, (iv) Li-ion şi (v) NaS. Tabelul
20.1 prezintă aspectele electrochimice ale acestor tehnologii.
Bateriile Pb-acid au un anod din plumb spongios, un catod din dioxid de plumb
(PbO2) iar pe post de electrolit se foloseşte acid sulfuric (H2SO4). În urma reacţiilor
din celule rezultă apă. Când se trece de un anumit voltaj, numit şi voltaj de
gazeificare, apa se va separa în hidrogen şi oxigen. De aici şi limitarea domeniului de
funcţionare a acestor baterii atâta timp cât apa trebuie să fie înlocuită în permanenţa.
Aceasta problemă a fost rezolvată prin utilizarea bateriilor etanşate. Deoarece nu pot
fii etanşate în proporţie de 100%, acestea mai sunt numite şi baterii cu plumb cu
supapă de reglare (VRLA). Hidrogenul şi oxigenul sunt convertite înapoi în apa, în
acest fel apa nu mai trebuie să fie înlocuită. Bateriile Pb-acid sunt utilizate în
Utilizarea unor sisteme motopropulsoare alternative
497
domeniul de 12 V pentru vehicule convenţionale, dar şi pe vehicule hibride electrice
VHE (Audi Duo), în special datorită costului redus, fiabilitate şi rezistenţă.
Principalele dezavantaje sunt ciclul de viaţă redus şi densitatea energiei mică,
limitând astfel utilizarea lor la vehiculele cu propulsie electrică. La polul opus, se pot
obţine însă densităţi de putere până la 600 W/kg cu ajutorul unor baterii Pb-acid
special concepute pentru aplicaţiile VHE.
Tabelul 20.1 Baterii de tracţiune folosite pentru vehiculele hibride
Tip baterie Anod Catod Electrolit Tensiune celulă
Plumb -acid
Pb PbO2 H2SO4 2 V
Nichel - cadmiu
Cd Ni(OH)2 KOH 1,2 V
Nichel-hidruri metalice
Hidruri metalice
Ni(OH)2 KOH 1,2 V
Litiu - ion Carbon Oxid de litiu soluţie de litiu 3,6 V
Bateriile Ni-Cd conţin un anod de cadmiu (Cd), un catod de hidroxid de nichel
(Ni(OH)2) şi ca electrolit se foloseşte hidroxid de potasiu (KOH). Acestea sunt folosite
în produsele electrice casnice datorită unei energii specifice ridicate şi o durată de
viaţă mai mare în comparaţie cu bateriile Pb-acid. Datorită acestor proprietăţi acestea
au fost folosite şi pe unele vehicule cu propulsie electrică (Citroen, Peugeot).
Dezavantajele acestor baterii sunt: costul ridicat în comparaţie cu bateriile Pb-acid şi
densitatea de putere redusă, limitând utilizarea lor pe vehicule hibride electrice VHE.
Însă cea mai cunoscută limitare este aşa numitul “efect de memorie”. Acest lucru se
caracterizează prin pierderea temporală a capacităţii celulei, fenomen ce apare
atunci când aceasta este încărcată fără să fie în prealabil descărcată complet. Acest
efect produce scurtarea duratei de viaţă a bateriei.
PARTEA III – REDUCEREA POLUARII
498
Bateriile Ni-MH au un anod fabricat dintr-un aliaj care poate înmagazina atomi
de hidrogen. Un aliaj tipic folosit este LaNi5. Catodul este realizat din hidroxid de
nichel, iar ca electrolit este folosit hidroxid de potasiu. Comparate cu bateriile Ni-Cd,
bateriile Ni-MH au un cost ridicat şi o durată de viaţă redusă (însă superioară
bateriilor Pb-acid) însă au o densitate energetică ridicată precum şi densitate mare a
puterii. Efectul de memorie apare numai în anumite condiţii. Din acest motiv, bateriile
Ni-MH au fost utilizate cu succes în producţia vehiculelor cu propulsie electrică (VE)
şi mai recent pe VHE (Toyota Prius, Fiat Multipla, Honda Insight, Citroen Dynactive
and Dynavolt, Ford Escape, and GM Precept).
Bateriile Li-Ion au un anod de grafit în care ioni de litiu sunt intercalaţi în
spaţiul interstiţial al cristalului. Catodul este din oxid de litiu iar ca electrolit se
foloseşte soluţie din litiu. Pentru a separa electronii de ionii de litiu se folosesc
membrane speciale. Bateriile Li-Ion au pătruns rapid pe piaţă notebook-urilor si
telefoanelor mobile datorită puterii şi energiei specifice ridicate. Aceste caracteristici
extind utilizarea bateriilor Li-Ion şi la aplicaţiile VHE (Nissan Tino, Dodge ESX).
Totuşi, pentru a fi disponibile pe o scară mai largă în aplicaţiile VHE, este necesară
cercetarea în vederea îmbunătăţirii duratei de viaţă şi o eventuala reducere a
costului.
Bateriile cu NaS au un anod din sodiu topit, un catod din sulf topit şi ca
electrolit se foloseşte un component ceramic solid (beta-alumina). Acest tip de
baterie a fost studiată amănunţit un vederea folosirii pe vehicule cu propulsie
electrică (VE) deoarece foloseşte materiale ieftine, are durată de viaţă ridicată,
energie şi putere specifică mare. Valoarea energiei specifice a atins valori de 150
Eh/kg iar puterea specifică 200 W /kg. Cu toate că avem aceste avantaje folosirea
bateriilor nas este limitată de două variabile. Celula electrică trebuie să funcţioneze la
temperaturi în jurul a 350°C pentru a păstra starea lichidă a sulfului. Acest lucru este
realizat prin izolaţie sau prin încălzirea datorată puterii proprii, ceea ce duce la
diminuarea densităţii energiei. Mai mult, în electrolit pot apărea microfisuri, care
permit contactul dintre sodiul lichid şi sulf , cu rezultate deosebit de grave.
Bateria cu clorură de LiNa, cunoscută şi ca bateria "zebra", se bazează pe alta
tehnologie avansată. Similar cu bateriile NaS, anodul este din sodiu în stare solidă
iar catodul este din clorură de nichel. Ca electrolit este folosită o soluţie de NaAlCl4.
Energia şi puterea specifică este comparabilă cu bateriile NaS. Avantajul bateriilor
“zebra” este ca rezistă până la 1000 de cicluri şi au siguranţă sporită.
Utilizarea unor sisteme motopropulsoare alternative
499
20.5.4 Supercondensatori
Super-condensatorii (denumiţi şi condensatori electrochimici sau
ultracondensatori) înmagazinează energie în câmpul electric al unui strat dublu
electrochimic. Cu toate că puterea specifică este mai mare decât cea din baterii,
energia specifică este cu mult redusă. Aceste dispozitive sunt în cercetare ca
sisteme principale de stocare a energiei, ca surplus de putere în timpul acceleraţiei şi
în panta, de asemenea şi pentru recuperarea energie de frânare. O altă posibilă
aplicaţie este pe vehicule cu grad redus de hibridizare împreună cu un starter /
alternator integrat, ca buffer de tensiune joasă (42V) care este capabil de un grad
mare de recuperare a puterii. Super-condensatorii sunt de asemenea utilizabili ca
surse secundare de stocare a energiei pe vehicule VHE, permiţând micşorarea
bateriilor electrochimice prin controlul puterii. Un alt avantaj este un control mai bun
al management-ului energiei utilizate pe vehicul, permiţând optimizarea condiţiilor de
funcţionare al sistemului principal de stocare a energiei.
Un super-condensator diferă de un condensator normal prin materialele
folosite şi procesul tehnologic. Într-un super-condensator dielectricul este un electrolit
care transportă ionii între electrozi. Energia este înmagazinată prin separarea
sarcinilor ce are loc în straturile dintre electrolit şi electrozi. Deoarece tensiunea care
poate fi aplicată este limitată la câţiva volţi, datorită caracteristicilor electrolitului,
capacitatea de înmagazinare este mărită prin mărirea capacităţii, de exemplu mărind
suprafaţa şi micşorând grosimea electrolitului. Acest lucru este obţinut prin folosirea
unor electrozi din material poros care măresc suprafaţa datorită structurii fine.
Electrozi de acest gen sunt carbonul activ (103 m2/g) şi unii oxizi metalici (ruteniu,
iridiu). Electrozii din carbon poros sunt conectaţi la plăci metalice care colectează
electricitatea. Electrozii sunt separaţi de o membrana izolatoare conductoare de ioni,
numită şi separator. Separatorul are de asemenea funcţia de stocare şi imobilizare a
electrolitului lichid. Ca electrolit se poate folosi soluţie acidă sau un lichid organic
care umple porii electrozilor.
În comparaţie cu bateriile electrochimice, super-condensatorii au putere specifică
mare de 500-2500 W/kg şi energie specifică redusă de 0.2- 6 Wh/kg, în funcţie de
materialul folosit ca electrod (carbon, oxizi metalici) de tipul electrolitului (lichid,
polimer). În industria automobilelor atenţia a fost focalizată pe celule electrice cu
carbon şi electrolit polimer, combinaţie ce oferă o performanţă bună la preţ redus.
PARTEA III – REDUCEREA POLUARII
500
Viitorul acestei tehnologii se pare că depinde de limitările financiare în comparaţie cu
sisteme de baterii cu putere ridicată.
Fig.20.13. Schema unui super-condensator
20.6. MODELELE SISTEMELOR DE PROPULSIE HIBRID- INERTIAL ŞI HIBRID HIDRAULIC
20.6.1. Sisteme de stocare a energiei pe termen scurt
În afara purtătorilor de energie ce au fost luaţi în considerare în capitolul 20.4
(Combustibili fosili) şi cei enumeraţi în capitolul 20.5 (baterii electrochimice), se pot
concepe şi alte metode de a stoca energia la bord. Datorită energiei lor specifice mici
aceste sisteme sunt numite sisteme de stocare a energiei pe termen scurt (3S).
Capacitatea lor foarte limitată nu permite folosirea sistemelor de stocare cu termen
limitat ca sisteme unice. În schimb aceste sisteme pot fi folosite în vehiculele hibride,
combinate fiind cu un sistem de pornire iniţial această soluţie este aleasă din două
motive principale. Pe de o parte sistemele de stocare pe termen lung sunt destinate
recuperării energiei disponibile în momentul decelerării vehiculului şi o cedează în
momentul celorlalte faze de tracţiune ce urmează frânarii (procedeu cunoscut sub
numele de frânare regenerativă). Pe de cealaltă parte aceste sisteme permit
implementarea operaţiilor ciclice (funcţionarea pe un ciclu de putere,) în care
sistemul de acţionare primar funcţionează într-o zonă convenabilă de sarcina totală
sau este oprit. În momentul în care este oprit, sistemul de stocare pe termen scurt
Utilizarea unor sisteme motopropulsoare alternative
501
generează energia necesară tracţiunii, în timp ce în momentul de funcţionare a
motorului, sistemul este reîncărcat. Aceasta operaţie este convenabilă datorită
faptului că sistemele de stocare pe termen lung manifestă o putere specifică mai
mare decât marea parte a purtătorilor de energie pe termen lung. Bineînţeles,
beneficiul global obţinut printr-o hibridizare bazată pe sistemul 3S este scăzut şi de
faptul că la bord este instalată o masă adiţionala, care trebuie să fie limitată la un
procent rezonabil din masa vehiculului tocmai din aceasta cauză (ex. 10%)..
În general, grupurilor motoare propulsoare bazate pe 3S li se aplică
următoarele principii şi componente de bază:
1. electrochimice, generator/motor şi baterie;
2. electrostatic, generator/motor şi super-condensatori;
3. electromagnetic, generator/motor şi bobina super-conductoare;
4. inerţial, CVT şi volant;
5. potenţial, CVT şi arcul de torsiune; şi
6. hidraulic, pompa/motor hidraulic şi acumulator.
Din punct de vedere tehnic doar soluţiile (1), (2), (4) şi (6) sunt folosite la
nivelul actual, deşi varianta (3) a fost propusă şi ea. Primele doua soluţii electrice
sunt folosite în vehiculele hibride electrice. Bineînţeles în literatura de specialitate s-
au propus multe alte grupe de grupuri motoare propulsoare hibride. De exemplu într-
o combinaţie interesantă de motor cu ardere internă şi un sistem de stocare
pneumatic pe termen scurt a fost sugerat pentru a îmbunaţi eficienţa la sarcini
parţiale ale motorului cu ardere internă şi pentru a recupera o parte din energia
cinetică a vehiculului, în momentul frânarii.
Figura 20.14. arată limitele tipice ale energiei şi puterii specifice ale celor mai
folosite sisteme de stocare temporară a energiei, într-o aşa numită diagramă
Ragone, în comparaţie cu valorile ridicate obţinute de motoarele cu ardere internă şi
de pilele de combustie.
În mod uzual, conceptele motoare cu sisteme de stocare a energiei pe termen
scurt se găsesc pe hibrizii în serie, după clasificarea din Capitolul 20.5 În sistemele
motor- super-condensatori energia de legătură este electrică iar la sistemul motor-
acumulator este hidraulică. Sistemul de propulsie în aceste cazuri (vezi Fig. 20.15.)
implică trei sisteme iniţiale, de pornire şi două trepte de conversie a energiei.
PARTEA III – REDUCEREA POLUARII
502
Fig.20.14. Puterea specifica în funcţie de energia specifică pentru diferite sisteme de
stocare pe termen scurt
Conceptul hibrid paralel este posibil, şi momentan există câteva aplicaţii, mai
ales pentru hibrizii hidraulici, ce au ca scop principal regimul de stop-and-go (mild
hybrids). În sistemele cu volant ale motorului, energia de conexiune este mecanică,
astfel încât nu exista nici o diferenţa de principiu între configuraţiile de serie şi
paralel. În orice caz, aceste concepte pot fi privite deopotrivă şi ca nişte hibrizi în
serie.
Design-ul modelelor de sisteme hibride în paralel şi ale modelelor hibrid-
inerţiale se bazează pe ideile simple introduse de capitolele anterioare. În particular
conceptele de configuraţii modularizate şi de cvasi- statice versus dinamice sunt încă
valabile. Figura 20.16-20.17 reprezintă fluxul factorilor de putere în simulările cvasi-
statice şi dinamice ale soluţiilor hibride inerţiale şi hidraulice. De observat faptul că
fluxul de putere din Fig. 20.16. descrie şi configuraţiile în care volantul este montat
pe arborele transmisiei ca în Fig. 20.15.
Utilizarea unor sisteme motopropulsoare alternative
503
Fig.20.15 Sisteme de stocare a energiei pe termen scurt la vehiculele hibrid serie
a) Abordare cvasi-statică
b) Abordare dinamică
Fig.20.16. Fluxul factorilor de putere pentru un sistem de propulsie hibrid F- forţă, P – putere mecanică, M – moment, v – viteză, ω- viteză unghiulară, V – volant, CVT –
transmisie variabilă continuă.
PARTEA III – REDUCEREA POLUARII
504
a) Abordare cvasi-statică
b) Abordare dinamică
Fig.20.17. Fluxul factorilor de putere pentru un sistem de propulsie hibrid F- forţă, P – putere mecanică,Q – debit fluid, M – moment, v – viteză, ω- viteză unghiulară, p –
presiune, P.H.- pompă hidraulică, A.H.-acumulator hidraulic, M.H. motor hidraulic
20.7. MODELE PENTRU SISTEMELE DE PROPULSIE CU PILE DE COMBUSTIE 20.7.1 Vehicule electrice cu pile de combustie şi vehicule hibride cu pile de combustie
Pilele de combustie sunt sisteme electrochimice ce transformă în mod direct
energia chimică în energie electrică. În opoziţie cu motoarele cu ardere internă nu
exista o conversie imediată în energie termică şi din aceasta în energie mecanică.
Eficienţa unei pile de combustie nu este limitată de eficienţa Carnot, şi poate să
atingă în principiu mai mult de 100%, fapt bazat pe puterea calorică mai mică a
combustibilului.
Utilizarea unor sisteme motopropulsoare alternative
505
Pilele de combustie furnizează energie electrică, o energie pură, fără alţi
produşi de reacţie. Acesta este motivul pentru care, laolaltă cu vehiculele pur
electrice, pilele de combustie sunt clasificate ca acordând vehiculului zero emisii.
Energia specifică a hidrogenului este substanţial mai mare decât cea a bateriilor
electrochimice. De aceea vehiculele cu pile de combustie par a combina cel mai bine
avantajele vehiculelor electrice şi cele ale vehiculelor bazate pe motoare cu ardere
internă, adică emisii locale zero, eficienţă mare şi autonomie rezonabilă. Dar,
funcţionarea sistemelor auxiliare de la bord şi paşii de conversie necesari pentru a
obţine şi a stoca tot combustibilul afectează puternic performanţele sistemelor cu pile
de combustie. Aceste neajunsuri trebuie să fie luate în considerare cu atenţie atunci
când sunt făcute comparaţii cu alte sisteme de propulsie.
În principiu, pilele de combustie pot converti toate substanţele fluide oxidabile.
Dar judecând din punct de vedere tehnic, doar hidrogenul şi gazul natural sunt
folosite momentan în practică. Alţi combustibili lichizi fosili, cum ar fi metanolul,
etanolul şi benzina pot fi folosiţi drept cărăuşi de energie care sunt convertiţi
„reformaţi” la bord în hidrogen. Acest combustibil are avantajul decisiv de a avea ca
produs de reacţie apa. Tabelul 7.2 prezintă o comparaţie a celor mai importante
proprietăţi ale hidrogenului şi benzinei.
Tabelul 20.2. Comparaţie între proprietăţile hidrogenului şi benzinei
Proprietate Hidrogen Benzină
Greutate moleculară 2,016 107
Punctul de fierbere (K) 13,308 310 - 478
Densitatea vaporilor în condiţii normale (g/ m3)
84 4400
Densitatea în stare lichidă (kg m3)
70,8 700
Puterea calorică superioară (MJ kg)
141,86 48
Puterea calorică inferioară (MJ kg)
119,93 44,5
PARTEA III – REDUCEREA POLUARII
506
Constanta gazelor 4124 78,0
Limita de inflamabilitate în aer (% Vol.)
4,0 -75,0 1,0 – 7,6
Limita de detonaţie în aer (% Vol.)
18,3 – 59,0 1,1 – 3,3
Temperatura de auto aprindere (K)
858 501 - 744
Temperatura adiabatică a flăcării în aer
2318 2470
Viteza frontului de flacără în aer (cm s)
~300 37 - 43
Integrarea unei pile de combustie într-un sistem de propulsie pare a fi simplă
în principiu, de aceea deja au fost dezvoltate numeroase prototipuri. Din cauza
faptului că în cazul pilelor de combustie, energia dezvoltată este energie electrică,
transmisia şi grupul propulsor pot fi adoptate de la un vehicul electric (vehicule
electrice cu pile de combustie, VEPC). În orice caz, sistemul rezultant este destul de
complex datorită multiplelor sisteme de stocare a energiei şi a echivalenţilor de
sarcină, diverse sisteme auxiliare etc. cerute de configuraţie. Problemele combinate
date de stocarea hidrogenului la bord şi de lipsa unei infrastructuri pentru
realimentarea cu hidrogen, au constituit un impediment pentru o adoptare la scara
largă a VEPC. Au fost propuse procesoarele de combustibil aflate la bord pot genera
hidrogenul din anumite hidrocarburi stocate la bord (metanol, benzina sau gaz
natural) ca o sursă alternativă de hidrogen pentru VEPC.
Deşi densitatea de energie este mult mai mare decât în cazul stocării
hidrogenului, aceste sisteme sunt destul de complexe şi introduc pierderi de eficienţă
adiţionale în funcţie de diferitele stadii de preparare şi reformare a combustibilului,
precum şi de purificarea hidrogenului. În plus produc şi emisii de CO2 şi au un
răspuns dinamic insuficient, ceea ce face din activităţile de control a sarcinii dificilă.
Proprietăţile de maniabilitate şi de putere ale VEPC -urilor pot fi îmbunătăţite prin
adăugarea unui sistem de stocare pe termen scurt, transformându-le deci în vehicule
hibride cu pile de combustie (VHEPC ).
Utilizarea unor sisteme motopropulsoare alternative
507
O opţiune promiţătoare constă în folosirea super-condensatorilor, alternativa
fiind reprezentată de bateriile electrochimice. Super-condensatorii au o densitate de
putere extrem de mare şi o eficienţă mai mare decât a bateriilor pentru energia
încărcată şi descărcată. Sunt folosite pentru a acoperi vârfurile de putere, mai ales în
timpul accelerării şi la frânarea regenerativă în timpul căreia pila de combustie este
operată în regim semi-staţionar. Acest tip de funcţionare are multe avantaje. Întâi
grupul propulsor primar poate fi micşorat faţă de vârful de putere, devenind deci mai
mic şi mai ieftin. În al doilea caz, funcţionarea staţionară creşte nu doar eficienţa
combustibilului dar şi durata de viaţă în cazul pilei de combustie.
20.7.2. Concepte realizate
În anii 1990 şi 2000 au avut loc numeroase demonstraţii ale institutelor de
cercetare şi ale producătorilor importanţi, având în centrul lor diferite prototipuri ale
vehiculelor de pasageri şi ale altor vehicule echipate cu pile de combustie. Parte din
aceste concepte au fost realizate în serie mică şi se poate considera că se află într-
un stadiu pre-comercial. Judecând după arhitectura grupului propulsor, la vehiculele
ce funcţionează doar cu pile de combustie trebuie să fie deosebite de vehiculele
hibride electrice cu pila de combustie. După mişcările de pionierat din deceniile
trecute, dezvoltarea VEPC a primit un impuls la jumătatea anilor 1990. Adesea,
acelaşi producător a experimentat diferite metode de stocare a hidrogenului-gazos,
lichid, hidruri metalice, reformarea metanolului sau a benzinei, în prototipuri
succesive (ex. seria DaimlerChrysler Necar, Ford Focus FCV /FC5, seria Opel Hydro
Gen3), deşi proiectele comerciale şi pre-comerciale folosesc cel mai des hidrogen
gazos comprimat (DaimlerChrysler F-Cell şi autobuzul Citaro). Un prototip recent
foloseşte un borohidrat al sodiului ca sistem de stocare a hidrogenului
(DaimlerChrysler Natrium). Au fost investigate vehicule hibride cu pilă de combustie, cu o baterie
secundară pe post de sistem de stocare a energiei având de asemenea metode
diferite de stocare a hidrogenului (seria Toyota FCHV, Ford Focus FCV Hybrid,
Nissan X-Trail FCV). Mai recent, în sistemele hibride cu pile de combustie au fost
introduşi super-condensatori. De la un subiect al proiectelor de cercetare şi
dezvoltare, această soluţie a devenit un mod de abordare adoptat de mai mulţi
producători de vehicule (Mazda Demio FCEV, Honda FCX).
PARTEA III – REDUCEREA POLUARII
508
Bibliografie [1] An F, Vyas A, Anderson J, Santini D (2001) “Evaluating commercial and
prototype HEVs.” SAE Paper 2001-01-0951
[2] Caraceni A, Cipolla G, Barbiero R (1998) “Hybrid power unit development for
FIAT multipla vehicle” SAE Paper 981124
[3] Chau KT, Wong YS (2002) “Overview of power management in hybrid electric
vehicles.” Energy Conversion and Management 43:1953-1968
[4] Chau KT, Wong YS, Chan CC (1999) “An overview of energy sources for
electric vehicles”. Energy Conversion and Management 40:1021-1039
[5] Guzella L, Sciarretta A (2005) “Vehicle propulsion systems: introduction to
modeling and optimization.” Springer – Verlag 2005
[6] Hauer KH (2001) “Numerical simulation of two different ultra capacitor hybrid
fuel cell vehicles.” Proc. of the 18th Electric Vehicle Symposium, Berlin,
Germany
[7] Heywood JB (1998) “Internal combustion engine fundamentals.” McGraw Hill,
New York, NY
[8] Husted H (2003) “A comparative study of the production applications of hybrid
electric power trains.” SAE Paper 2003-01-2307
[9] Iwai N (1999) “Analysis of fuel economy and advanced systems of hybrid
vehicles.” JSAE Review 20:3-11
[10] Kempton K, Kubo T (2000) “Electric-drive vehicles for peak power in Japan.”
Energy Policy 28:9-18
[11] Maggetto G, Van Mierlo J (2001) “Electric vehicles, hybrid vehicles and fuel
cell electric vehicles: state of the art and perspectives.” Ann Chim Sci Mat
26(4):9-26
Autovehiculul electric
509
Autor: Corneliu COFARU 21. AUTOVEHICULUL ELECTRIC
Reducerea emisiilor poluante pentru prezervarea mediului înconjurător este
principalul argument pentru introducerea tracţiunii electrice. Epuizarea rezervelor de
petrol şi considerentele politice şi economice conduc la găsirea unor surse
energetice alternative.
Imaginea firmelor care cercetează şi construiesc vehicule electrice este
considerabil mai bună.
Vehiculele electrice alimentate de la baterie au particularitatea că nu au emisii
poluante la locul de utilizare. Utilizarea vehiculelor electrice se confruntă cu două
probleme majore:
- caracteristicile bateriei de stocare;
- infrastructura necesară încărcării bateriei.
21.1. CARACTERISTICILE BATERIEI DE STOCARE A ENERGIEI ELECTRICE
Bateriile utilizate în tracţiunea electrică a autovehiculelor trebuie să
îndeplinească următoarele cerinţe:
- putere specifică ridicată;
- rezistenţă internă redusă;
- eficienţă energetică înaltă;
- capacitate electrică pentru a asigura o autonomie apropiată de vehiculele
convenţionale;
- uşurinţă şi timp redus la reîncărcare;
- număr suficient de cicluri încărcare - descărcare care să-i confere
durabilitate;
- disponibilitatea materialelor din care este confecţionată precum şi lipsa
nocivităţii acestora;
- greutate specifică şi dimensiuni reduse pentru a nu diminua sarcina utilă a
autovehiculului;
- mentenanţă simplă;
- rezistenţă mecanică;
- cost acceptabil.
PARTEA III – REDUCEREA POLUARII
510
În tabelul următor se prezintă caracteristicile bateriilor utilizate pe
autovehiculele electrice:
Tabelul 21.1 Caracteristicile bateriilor electrice
Pierderi Tipul bateriei
Rezistenţa internă [% din RN]
Densitatea energetică [Wh/kg]
Densitatea de putere [W/kg]
Factorul de încărcare
altele
Durata de funcţionare [cicluri]
Pb - acid 5 24 - 28 50 - 60 1,05 0,2%/lună 700
Ni / Cd 1 - 2 45 - 50 175 1,2 10% în prima zi 10%/lună
2000
Na / S 17,5 102 103 1 60-100 W > 1500 Na / NiCl2
15,4 98 109 1 100 W 1000
Zn / Br 30 65 - 70 90 - 110 1,15 150 W > 1500
21.2. TIPURI DE BATERII 21.2.1. Bateria Pb - acid Pe autovehiculele convenţionale, bateria Pb-acid este utilizată pentru stocarea
energiei electrice necesare funcţionării sistemelor electrice şi electronice ale
autovehiculului.
Bateria are electrodul pozitiv confecţionat din PbO2 iar electrodul negativ din
Pb. Electrolitul este H2SO4. Pe timpul descărcării, pe ambii electrozi apare PbSO4,
după următoarea reacţie:
descărcare
PbO2 + Pb + 2H2SO4 ↔ 2PbSO4 + 2H2O (21.1) încărcare
Tensiunea este de aproximativ 2 V şi depinde de densitatea electrolitului.
Tensiunea la borne descreşte pe timpul descărcării deoarece acidul se consumă. În
bateria Pb - acid, pe lângă reacţia principală apare şi electroliza apei:
2H2O → 2H2 + O2 (21.2)
Pentru a obţine o putere acceptabilă pentru tracţiune sunt necesare suprafeţe
mari ale electrozilor. O bună densitate a energiei şi puterii se obţine prin utilizarea
unor plăci electrod subţiri însă se reduce durata de exploatare. Utilizarea unor plăci
Autovehiculul electric
511
tubulare poate determina creşterea duratei de funcţionare (2000 cicluri) însă
descreşte densitatea energiei şi puterii.
Bateria necesită dese completări ale electrolitului cu apă. Tensiunile necesare
tracţiunii electrice se obţin prin asamblarea în serie a celulelor. Teoretic celulele pot fi
conectate şi în paralel.
O problemă importantă a bateriei o constituie disiparea căldurii la descărcarea
rapidă a bateriei. Descărcarea bateriei este permisă până la limita de 80% din
capacitatea nominală a bateriei.
La temperaturi scăzute, puterea bateriei Pb - acid este limitată. Dacă
autovehiculul pe timp rece nu este staţionat în garaj, bateriile necesită un sistem de
încălzire pentru a menţine în limite acceptabile performanţele acestora.
Completarea cu apă a lichidului electrolit limitează utilizarea bateriilor Pb - acid
în tracţiunea autovehiculelor. Sistemele automate de completare cu apă sunt
complicate şi în cazul defectării pot produce scoaterea din funcţiune a bateriilor.
Bateria este încărcată cu o tensiune controlată.
Tabelul 21.2 Caracteristicile bateriei Pb - acid
Tensiunea de echilibru a elementelor 2 V Temperatura de funcţionare 15 °C - 45 °C Densitatea energiei (5 h - descărcare) 30 - 35 Wh/kg Densitatea puterii ~60 W/kg Randamentul energetic 81% Factorul de încărcare 1,05 Greutatea bateriei Pb - acid este un factor care limitează utilizarea în
tracţiunea electrică (de exemplu: pentru o densitate a energiei de 25 Wh/kg şi o
autonomie de 100 km o baterie are 1000 kg).
21.2.2. Bateria nichel-cadmiu O celulă încărcată are electrodul pozitiv confecţionat din hidroxid de Ni iar
electrodul negativ din Cd metalic. Electrolitul utilizat este o soluţie de carbonat de
potasiu (potasă caustică).
La această baterie este dificil să se formuleze reacţiile care au loc în întreaga
celulă, simplificat această reacţie este de forma:
încărcare
Cd(OH)2 + 2Ni(OH)2 ↔ Cd + 2NiOOH + 2H2O (21.3)
descărcare
PARTEA III – REDUCEREA POLUARII
512
Electrozii nu se consumă pe timpul funcţionării iar tensiunea nu depinde de
starea de încărcare a bateriei.
Şi în cazul acestei baterii apare procesul de electroliză a apei.
La bateriile Ni-Cd de tracţiune se folosesc electrozi sinterizaţi sau fibroşi.
Construcţia unei celule (element) este asemănător bateriei Pb - acid.
O tensiune satisfăcătoare pentru tracţiune se poate obţine prin asamblarea în
serie a mai multor celule. Teoretic celulele pot fi conectate în paralel.
Randamentele bune ale tracţiunii electrice se obţin la tensiuni ridicate care
impun legarea în serie a elementelor dar aceasta determină reducerea densităţii de
putere şi de energie şi comparată cu bateria Pb - acid, bateria Ni-Cd prezintă o
situaţie mai slabă din cauza tensiunii mai mici pe element (1,2 V), în schimb nefiind
distrusă de descărcările profunde.
La supraîncărcare, bateria disipă căldura care apare şi nu are nevoie de
control al temperaturii. Bateriile Ni-Cd sunt robuste şi puţin sensibile la acţiuni greşite,
cu excepţia completării electrolitului cu apă.
Bateriile Ni-Cd sunt mai puţin periculoase deoarece o parte din electrolit se
găseşte în electrozi. În cazul accidentelor KOH poate cauza răniri grave.
Încărcarea bateriei se realizează la curent constant şi timpul de încărcare este
mai scurt datorită rezistenţei interne scăzute. Reacţiile de încărcare sunt endoterme
şi bateria necesită căldură din mediul înconjurător. Autodescărcarea bateriei începe
imediat după terminarea încărcării. În primele 24 de ore de la încărcarea completă
rata de descărcare este de 10%.
Tabelul 21.3 Caracteristicile bateriei Ni-Cd
Tensiunea de echilibru a unui element (celulă) 1,3 V Tensiunea nominală a unui element 1,2 V Temperatura de funcţionare -40 °C - 50 °C Densitatea energiei (5 h - descărcare) 45 - 50 Wh/kg Densitatea puterii ~175 W/kg Randamentul energetic 65% Autodescărcare 10%
SAFT este unul dintre producătorii acestui tip de baterii. Este utilizată la
următoarele tipuri de vehicule electrice fabricate în Franţa: PEUGEOT Partner şi 106,
RENAULT Kangoo şi CITROEN Berlingo şi Saxo. În Statele Unite ale Americii,
bateriile NiCd sunt utilizate de către FORD. Ele sunt considerate a fi efective şi
fiabile, şi în funcţie de modul de folosire, au un „efect de memorie” care le reduce
Autovehiculul electric
513
capacitatea de utilizare. Acest efect este însă reversibil. Avantajele acestei baterii
sunt reprezentate de: fiabilitate, robusteţe şi buna rezistenţă la încărcarea rapidă şi la
frig.
21.2.3. Bateria sodiu - sulf Într-un element încărcat al bateriei Na-S, electrodul pozitiv este Na lichid iar
electrodul negativ este S lichid. Pe timpul descărcării, ionii de sodiu penetrează
electrolitul spre electrodul negativ de sulf şi formează polisulfuri lichide. Pe timpul
descărcării sodiul este în întregime consumat.
În baterie are loc următoarea reacţie:
descărcare
2Na + xS ↔ Na2Sx (21.4)
încărcare
Pe timpul încărcării şi descărcării bateriei nu se mai desfăşoară şi alte reacţii
alături de reacţia principală.
Bateria Na-S are electrozi lichizi iar electrolitul prin care sunt dirijaţi ionii este
solid (β - oxid de aluminiu). Temperaturile de funcţionare variază între 300 şi 350 °C.
Bateria trebuie să fie bine izolată pentru a elimina contactul direct dintre electrozi cu
apa şi oxigenul.
Celulele bateriei sunt conectate în serie. Întreaga baterie trebuie izolată termic
pentru a menţine o temperatură de funcţionare superioară a 300 °C. Pierderile de
căldură trebuie compensate prin sisteme adiţionale. Staţionarea şi depozitarea
bateriei necesită menţinerea temperaturii de funcţionare.
Încărcarea bateriei se poate realiza la curent constant. Constructorii de baterii
Na-S recomandă o durată de încărcare mai mare de 6 ore.
Tabelul 21.4 Caracteristicile bateriei Na-S
Tensiunea de echilibru a unui element (celulă) 2,08 V Temperatura de funcţionare 290 °C - 380 °C Densitatea energiei (5 h - descărcare) 84 - 107 Wh/kg Densitatea puterii 107 W/kg Randamentul energetic 94% Factorul de încărcare 1 Autodescărcarea unei baterii de 30 kWh 100 W
PARTEA III – REDUCEREA POLUARII
514
21.2.4. Bateria sodiu - clorură de nichel (Na-NiCl2) Într-un element al bateriei Na-NiCl2 încărcat, sodiul este electrodul negativ şi
clorura de nichel este electrodul pozitiv. Pe timpul descărcării, sodiul reacţionează cu
clorura de nichel formând clorura de sodiu şi nichel.
descărcare
2Na + NiCl2 ↔ 2NaCl + Ni (21.5)
încărcare
Şi în cazul acestei baterii este necesar un electrolit solid care să conducă ionii
de sodiu. Temperatura de funcţionare variază între 250 şi 370 °C.
Construcţia bateriei este relativ simplă ea fiind montată în stare descărcată. În
spaţiul electrodului pozitiv se amplasează un amestec format din Ni pudră cu sare.
Pe durata primei încărcări sodiul este generat electrochimic şi nu este nevoie să se
lucreze cu sodiu metalic.
Celulele bateriei sunt conectate în paralel şi serie. Pentru funcţionare trebuie
menţinută temperatura prescrisă, pierderile de căldură fiind compensate de sisteme
auxiliare.
Bateria Na-NiCl2 suportă destul de bine scurtcircuitul ca şi suprasarcina. Pe
timpul staţionării şi depozitării nu este nevoie să se menţină temperatura de
funcţionare.
Electrodul solid pozitiv este situat în tubul ceramic al electrodului. Pe timpul
încărcării zona de reacţie se mută din zona electrodului ceramic în electrod
micşorând suprafaţa de reacţie. În timp ce densitatea de curent trebuie să crească
pe timpul încărcării, este necesar ca valoarea curentului să fie redusă înainte de
sfârşitul încărcării. Este important ca încărcarea bateriei să se realizeze cu aceeaşi
sarcină cu care a fost descărcată.
Bateria zebra, Na-NiCl2Această tehnologie a fost dezvoltată pentru vehicule electrice destinate
transportului greu şi celui public. Temperatura internă de funcţionare se situează
între 270°C şi 350 °C. Elementele sunt înglobate într-o carcasă izolată a cărei
suprafaţă exterioară are o temperatură de circa 30°C. Electrolitul de ceramică
reprezintă elementul determinant în raport cu performanţa şi fiabilitatea. Bateria este
formată dintr-o singură bucată, ce cuprinde toate elementele necesare. Primele cinci
autobuze dotate cu baterii Zebra au fost livrate în Lyon în noiembrie 2004. Este
folosită şi pe autoturismul Honda –Civic
Autovehiculul electric
515
21.2.5. Bateria zinc - brom (Zn-Br) Inima bateriei Zn-Br o constituie elementul de reacţie unde au loc reacţiile
electrochimice. Celula de reacţie separă două fluxuri masice de bromură de zinc.
Fiecare flux necesită o pompă şi un rezervor pentru a garanta circulaţia; principiul
este cunoscut sub denumirea de “redex flow cell”.
Acest sistem este caracterizat printr-o stocare separată a reactanţilor şi a
produşilor de reacţie. Capacitatea bateriei este independentă de mărimea celulelor
sale. Reacţia care are loc în baterie poate fi scrisă sub forma următoare:
descărcare
Zn + Br3- ↔ Zn2+ + 3Br- (21.6)
încărcare
Bateriile Zn-Br sunt caracterizate printr-o înaltă siguranţă. Bateria este
încărcată la curent constant până când celula atinge 2V. În exploatare bateria trebuie
descărcată în întregime pentru a diminua depunerile de Zn la celulele cu tensiune
scăzută.
Tabelul 21.5 Caracteristicile bateriei Zn-Br
Tensiunea de echilibru a unui element (celulă) 1,79 V Temperatura de funcţionare 20 °C - 40 °C Densitatea energiei 65 - 70 Wh/kg Densitatea puterii 90 - 110 W/kg Randamentul energetic (3h - descărcare) 65 - 70% Factorul de încărcare 1,1 Autodescărcarea unei baterii de 10 kWh 2%
21.2.6. Bateria nichel-hidruri metalice Densitatea de energia bateriei se situează în intervalul 70-80 Wh/kg ceea ce
determină utilizarea ei în sistemele de tracţiune ale vehiculelor.
Bateriile NiMH sunt capsulate. Aceste baterii sunt folosite de vehiculele hibride
(HONDA Insight and Civic, TOYOTA Prius 1 and 2) mai ales datorită puterii mărite şi
caracteristicii de ciclicitate. Producătorul, PANASONIC, a dezvoltat succesiv două
generaţii de baterii NiMH pentru TOYOTA. Cea de-a doua generaţie de elemente
PARTEA III – REDUCEREA POLUARII
516
prismatice, adaptate pentru vehiculul hibrid Prius 2 este o referinţă în ceea ce
priveşte eficienţa şi fiabilitatea, producătorul oferind o garanţie de opt ani pentru
acest component.
Avantaje: tehnologie puţin poluantă, performanţă bună în raport cu puterea, durată
bună de viaţă.
Structura unei baterii Ni-MH bipolar este formată dintr-o serie de pachete
suprapuse între care există conexiune electrică. Un asemenea pachet formează o
celulă. Fiecare celulă conţine un electrod pozitiv, un separator, un electrod negativ şi
electrolitul. Pentru a construi bateriile multi celulele identice se grupează în pachete
legându-se contactele de ieşire între ele.
Pentru uzul actual s-au dezvoltat baterii ce au capacităţi de la 500 Wh până la
2kWh. Bateria rezistă la mai bine de 300 000 de cicluri pulsatorii încărcare-
descărcare.
Caracteristicile importante care dictează gradul de utilizare al unor baterii sunt
densitatea de energie pe unitatea de masa/volum, densitatea de putere pe unitatea
de masa/volum. Durata de viata si costul de fabricaţie.
Anodul unei baterii Ni-MH este format dintr-un compus intermetalic. Pentru
aceste aplicaţii au fost dezvoltate mai multe compoziţii, dar în practică sunt utilizate
două clase. Prima clasă şi cea mai cunoscută este de forma AB5, unde A este un
amestec de pământuri rare ale lantaniului (La), ceriului (Ce), neodimiului (Nd) ,
praseodimiului (Pr) iar B este nichel (Ni), cobalt (Co), magneziu (Mg) sau/şi aliminiu
(Al). Cea de a doua clasă are forma AB2 , A este titan (Ti) şi/sau Vanadiu (V) iar B
este zirconiu (Zr) sau nichel (Ni) modificat cu crom (Cr), cobalt (Co), fier (Fe) şi/sau
magneziu (Mg). Catodul bateriei Ni-MH este format din hidroxid de nichel.
Reacţiile din interiorul bateriei Ni-hidruri metalice sunt prezentate în tabelul
următor.
Tabelul 21.6. Reacţiile din bateria Ni-MH
Reacţia Eo
Ni(OH)2 + OH- → NiOOH + H2O + e- 0.49
M + H2O + e- → MH + OH- 0.83
Ni(OH)2 + M → NiOOH + MH 1.32
Autovehiculul electric
517
În timpul încărcării electrodul de Ni trece prin 2 stări de oxidare datorită trecerii
succesive a Ni de la valenţa +2 la +3. Hidrogenul se emană la suprafaţa elementului
negativ şi este reţinut in reţeaua de aliajului hidrurii electrodului. În timpul descărcării
hidrogenul stocat de aliajul hidrurii este folosit în reacţii, electrodul de Ni fiind redus.
Densitatea teoretică de energie a reacţiei bazate pe un aliaj de hidruri de tipul AB5 al
clasei LaNi5 poate stoca până la 6 atomi de hidrogen pe moleculă este de 214
Wh/kg. In bateriile sigilate oxigenul este generat la suprafaţa electrodului de Ni la
sfârşitul încărcării şi se continuă în procesul de supraîncărcare, fiind ulterior
recombinat la suprafaţa electrodului hibrid. Pentru a nu se distruge bateria prin
supraîncărcare datorită creşterii excesive a presiunii s-au instalat dispozitive speciale
care limitează acest timp la valori bine stabilite. Numărul de cicluri de conversie a
celulelor este de asemenea limitat datorită construcţiei electrodului de Ni. Hidrogenul
generat la suprafaţa electrodului de Ni este combinat de electrodul hibrid opus.
Caracteristica termică unică a bateriilor Ni-MH arată că în timpul procesului de
încărcare absorbţia de hidrogen în electrodul hibrid se face exoterm, iar eliberarea lui
din electrodul hidrid este endotermă. Rezulta astfel o degajare nesemnificativa de
căldură în procesul de încărcare/descărcare realizându-se un echilibru termic.
Tehnologia Ni-MH oferă o durată de viaţă considerabilă, ceea ce a propulsat
acest tip de baterii în topul bateriilor utilizate la propulsia vehiculelor electrice. Iniţial
forma electrozilor era cilindrică sau prismatică. De-a lungul timpului acest design s-a
modificat puţin câte puţin, forma electrozilor căpătând diferite forme. Totuşi soluţia
clasică avea o greutate ridicată a agregatului la dimensiunile cerute de
caracteristicile impuse. Aşa că a apărut o nouă concepţie de construcţie : electrozii
sunt grupaţi în pachete între care se fac diverse conexiuni electrice. Acest mod de
abordare dă o construcţie mai compactă, are o densitate de energie mai mare şi este
mai ieftină din punct de vedere al costului de producţie.
Componentele unei baterii Ni-MH sunt construite individual, fiecare conţinând
un electrod negativ, un separator, un electrod pozitiv şi KOH pe post de electrolit.
Celulele sunt astfel dispuse ca electrodul negativ al uneia să vină în contact cu
electrodul pozitiv al elementului alăturat, realizându-se astfel o legătură în serie a lor.
Pentru a realiza terminarea bateriei la electrodul pozitiv, respectiv negativ de la
capete avem terminale ce livrează energia electrica produsă de pachet. Fiecare
baterie este formata din mai multe pachete de celule, in cazul defectării unui pachet
acesta poate fi înlocuit individual. Spre deosebire de soluţia clasică între pachetele
PARTEA III – REDUCEREA POLUARII
518
aceleiaşi baterii există legătura electrică nu numai prin intermediul electrolitului, ci şi
prin intermediul unui strat exterior conductor.
Avantaje:
• Fiecare celulă este individuală;
• Nu sunt terminale de la fiecare pachet;
• Degajare redusă de căldură;
• Densitate mare de putere şi energie;
• Permite înlocuirea separată pachetelor defecte ;
• Costuri mici de producţie ;
• Construcţia se pretează la fabricaţia automată.
Pentru aplicaţiile din domeniul transportului s-au realizat baterii de peste 20
Ah.
În figura 21.1. sunt prezentate mai detaliat părţile componente ale unui
pachet. Un asemenea pachet are in jur de 300 de grame şi livrează 75 Wh/kg.
Fig.21.1. Părţile componente ale unui pachet al bateriei Ni-MH
În figura 21.2. este prezentată construcţia unei baterii de 500 Wh ce este
format din 20 de pachete.
Autovehiculul electric
519
Figura 21.2. Componenţa unei baterii Ni-MH
Se pot realiza diverse asemenea configuraţii prin modificarea numărului de
celule sau a numărului de pachete.
În figura 21.3. se prezintă modelul fizic al unei baterii Ni-MH având 24 V
capacitate 20 Ah. Iar în figura 8.4 o baterie având aceleaşi caracteristici însă cu
carcasă cu aripioare de răcire.
Fig. 21.3. Baterie Ni-MH , tensiune 24 V, capacitate 20 Ah
PARTEA III – REDUCEREA POLUARII
520
Fig. 21.4. Baterie Ni-MH , tensiune 24 V, capacitate 20 Ah cu de răcire
S-au adus pe parcurs îmbunătăţiri succesive , pentru a se mări transferul de
căldură (cu scopul de a se obţine agregate cu un regim termic mai stabil). S-au
amplasat astfel pe pachet aripioare de mărire a suprafeţei laterale. Masa a fost
mărită cu 800 de grame, dar este acceptabil în ipoteza în care la un regim stabil
termic se obţin performanţe semnificativ mai bune.
21.2.7. Bateria litiu – ion (Li-ion) Pentru a face un vehicul electric sau unul hibrid viabil pentru uzul general
producătorii au trebuit să micşoreze consumul de energie păstrând însă
performanţele dinamice comparabile cu cele ale vehiculelor propulsate de motoare
termice convenţionale. Îmbunătăţirile aduse bateriilor de tracţiune au jucat un rol
deosebit de important în aceasta luptă.
Mitsubishi Motors Corp. (MMC) si Mitsubishi Fuso Truck and Bus Corp.
(MFTBC) au identificat faptul ca bateriile Li-ion sunt cele care îndeplinesc cel mai
bine cerinţele impuse. Împreună cu Japan Storage Battery Co. s-au angajat în
dezvoltarea unei noi generaţii de baterii de tracţiune Li-ion pe bază de mangan,
baterii ce vor echipa vehiculele viitorului.
Autovehiculul electric
521
În comparaţie cu bateriile Pb-acid si Ni-MH, bateriile Li-ion sunt superioare
atât din punct de vedere al energiei specifice (cantitatea de energie disponibilă pe
unitatea de masă/volum), cât şi din punctul de vedere al puterii specifice (mărimea
unităţii de ieşire pe unitatea de masa/volum).
Cu timpul s-au atins limite ce înainte păreau pur şi simplu de neimaginat: un
vehicul electric a străbătut 2000 de kilometri in 24 de ore, iar un altul a realizat 780
de kilometri pe un circuit cu o singură încărcare.
De asemenea un autobuz Mitsubishi Fuso realizează curse regulate pe
drumurile publice încă din iunie 2002 făcându-se astfel o estimare obiectivă a
capacităţilor de intrare în producţia de masă a acestui tip de baterii.
Tendinţe noi: Densitatea de energie: 120 până la 150 Wh/kg.
Bateriile cu litiu folosesc un electrolit ne-apos, ceea ce reprezintă un avantaj
datorită faptului că elimină apa rezultată în urma reacţiilor de descompunere.
Această tehnologie este dezvoltată în Franţa de către SAFT. Acest tip de baterie de
stocare nu este totuşi foarte folosit mai ales din cauza preţului. El este destinat
pentru a fi montat pe vehiculele companiei SVE (Heuliez and DASSAULT Associes).
Tehnologia este deja foarte răspândită pentru telefoane şi computere. Avantaje:
greutate scăzută, eficienţă sporită.
Bateriile Li-ion sunt folosite pe scară largă la telefoanele mobile, la
computerele portabile, videocamere şi alte produse electronice datorită densităţii
mari de energie. Oxidul de Li şi oxidul de Co sunt folosiţi pe post de electrozi pozitivi
în cadrul bateriilor Li-ion de mici dimensiuni. Aceste materiale au caracteristici
excelente, dar preţul cobaltului (Co) este prea mare pentru a fi folosit în cadrul
construcţiei unor baterii mai mari (care să poată alimenta motoarele electrice din
cadrul unui vehicul propulsat electric).
În cercetările efectuate asupra bateriilor utilizate pentru vehiculele electrice s-a
folosit oxid de mangan (Mn) care este mai ieftin şi are un impact mult redus asupra
mediului înconjurător
Reacţiile de încărcare/descărcare au următoarea formă:
Li1-xCoO2 + LixC6 ↔ C6 + LiCoO2 (21.7)
Bateriile Li-ion pe bază de oxizi de Mn au proprietăţi ce le recomandă pentru uzul
lor în alimentarea motoarelor electrice de propulsie a vehiculelor electrice.
PARTEA III – REDUCEREA POLUARII
522
Tabelul 21.7. Caracteristicile bateriilor Li-ion
Date tehnice ale bateriei Li-ion Performanţe
Energie greutate 160 Wh/kg
Putere greutate 1800 W/kg
Randamentul încărcării
descărcării
99.9%
Rata autodescărcării 5%-10%/ lună
Durabilitate timp (24-36) luni
Durabilitate cicluri 1200 cicluri
Tensiunea nominală pe o celulă 3.6 / 3.7 V
Câteva dintre aceste proprietăţi sunt prezentate în continuare:
• Randament ridicat în procesele de încărcare /descărcare ;
• Starea de încărcare poate fi uşor măsurată, astfel durata de încărcare poate fi
strict supravegheată, iar autonomia poate fi prezisă cu precizie;
• Reacţiile de încărcare/descărcare au loc cu degajare redusă de căldură, astfel
că un sistem simplu de răcire este suficient, funcţionarea fiind posibilă în gama
temperaturilor mediului ambiant.
La vehiculele electrice se are în vedere în primul rând atingerea unei
autonomii cât mai mari. Datorită faptului că sunt necesare surse exterioare de
reîncărcare atingerea unor durate cât mai scurte alocate procesului de încărcare este
de asemenea crucială. Se urmăreşte folosirea în procesul de încărcare a unor
curenţi de înaltă intensitate pentru a se reduce astfel timpul alocat acestui proces.
Pentru a preveni deteriorarea bateriilor Li-ion trebuie avută o mare grija să nu
se atingă cote de încărcare/descărcare excesive. Fiecare element al bateriei are un
element de control care transmite unui bloc electronic date referitoare la starea de
încărcare/descărcare şi să semnaleze eventuale defecţiuni ce pot apărea. Pentru o
utilizare cât mai eficientă a bateriei se folosesc dispozitive ce corectează diferenţele
de tensiune între celulele bateriei. De asemenea blocul electronic controlează şi
sistemul de răcire al agregatului.
Autovehiculul electric
523
21.2.8. Bateria Zn - aer Creşterea rapidă a poluării aerului în zonele urbane datorită vehiculelor de
transport au impus introducerea într-un mod susţinut a unor tehnici noi care să ajute
la reducerea impactului e nociv al gazelor de evacuare asupra mediului. S-a
constatat că principalii poluatori în marile oraşe sunt autobuzele de transport public şi
vehiculele pe două roţi de genul motoscuterelor.
Pentru reducerea emisiilor s-au dezvoltat tehnologii noi de propulsie a
vehiculelor destinate transportului in comun. Deutsche Post (Germania) si Edison
(Italia) au incorporat tehnologia bateriilor Zn-aer în flotele lor de vehicule cu scopul
declarat de a reduce emisiile poluante datorate activităţilor de transport. De
asemenea tehnologia a fost implementată şi de Kema (Olanda) şi Tomen Co.
(Japonia), ambele firme având acelaşi scop: acela de a da un exemplu demn de
urmat celorlalţi în vederea protecţiei mediului.
S-au dezvoltat baterii pe bază de Zn pentru a se îndeplini cerinţele impuse
referitoare la preţ, performanţă, siguranţă, autonomie şi viteză de deplasare similare
celor asigurate de sistemele tradiţionale de propulsie. O altă cerinţă importantă fiind
o durată scurtă de reîncărcare a bateriei.
Folosirea bateriilor Zn-aer oferă avantaje semnificative comparativ cu celelalte
tipuri de baterii folosite la propulsia vehiculelor electrice, fapt ce le recomandă uzului
în cadrul flotelor şi a transportului în comun. Operatorii de flote cer autonomii cât mai
mari, o sarcina utilă cât mai mare, flexibilitate în operare, performanţe în exploatare şi
timpi reduşi de reîncărcare. La ora actuala s-a ajuns să se poată asigura autonomia
pe o zi întreagă a unui autobuz în condiţiile în care 90 % din distanţele străbătute
sunt în regim urban (ajungându-se până la 400 km). Spre exemplu un microbuz
Mercedes Benz MB410E a parcurs distanţa Londra-Paris (439 km) cu o singură
încărcare a bateriei, în ciuda condiţiilor aspre de trafic (temperaturi de 1-2 C,
aglomeraţia Londrei, trafic aglomerat pe autostrăzile engleze şi franceze, aglomeraţia
din Paris), distanţa a fost parcursă fără nici-o problemă
Autobuzele efectuează cicluri repetate porniri/opriri, emanând cantităţi enorme
de substanţe poluante. S-a constatat că un autobuz poluează cât 18 autoturisme la
un loc. Deci propulsia electrică reprezintă o alternativă optimă la propulsia
tradiţionala asigurată de motoarele termice.
Reacţiile ce au loc în bateria Zn-aer sunt prezentate în tabelele următoare:
PARTEA III – REDUCEREA POLUARII
524
Tabelul 21.8. Reacţiile din bateria Zn-aer când se foloseşte Zn pur
Reacţia Eo
Anod: Zn + 4OH– → Zn(OH)42– + 2e– –1.25 V
Fluid: Zn(OH)42– → ZnO + H2O + 2OH–
Catod: O2 + 2H2O + 4e– → 4OH– 0.4 V
Total: 2Zn + O2 → 2ZnO 1.65 V
Tabelul 21.9. Reacţiile din bateria Zn-aer când se foloseşte zincanat
Reacţia Eo
Anod: Zn + 2OH– → Zn(OH)2 + 2e– –1.25 V
Catod: O2 + 2H2O + 4e– → 4OH– 0.4 V
Total: 2Zn + O2 + 2H2O → 2Zn(OH)2 1.65 V
Pentru a propulsa un vehicul de 12 m ce cântăreşte aproximativ 10 t căruia i
se cere o autonomie de 350-400 km s-au experimentat mai multe tipuri de baterii de
tracţiune. Cele Zn-aer au dat rezultatele cele mai bune fiind folosite la o scară din ce
în ce mai largă. De exemplu, pentru a satisface standardele impuse de Autoritatea
de Transport Public New York referitor la autobuzele electrice cu privire la autonomie
şi performanţe ar fi necesare baterii Pb-acid în greutate de 9 t. Greutatea unui
vehicul echipat cu asemenea baterii ar depăşi sarcina maximă admisă neavând nici-
un pasager la bord. Nici vehiculele echipate cu baterii Zn-aer nu îndeplinesc pe
deplin reglementările impuse, aţa ca s-au dezvoltat noi dispozitive şi instalaţii cu
ajutorul cărora să se rezolve problema.
Sistemul total electric folosit la autobuze şi vehiculele comerciale are abilitatea
unică de a funcţiona într-un ciclu continuu la aceleaşi niveluri de putere şi
performanţă ca un vehicul propulsat de un motor Diesel.
Acest sistem oferă trei caracteristici importante aplicaţiilor comerciale:
• Creşterea autonomiei datorită eficientizării sistemului de propulsie şi a
optimizării sistemului de recuperare a energiei în timpul frânării ;
• Creşterea puterii la accelerări , deplasări în trafic urban şi a vitezei de
deplasare în rampă;
• Reducerea costurilor de întreţinere datorită reducerii uzurii frânelor.
Autovehiculul electric
525
Bateriile Zn-aer au fost proiectate pentru a avea o capacitate sporită de a menţine
energia, atingând nivelul de 200 Wh/kg. Bateriile sunt bazate pe unităţi celulare
individuale conectate electric între ele în serie, sigilate în capsule de material plastic
ce asigură atât conexiunea electrică , cât şi răcirea fiecărei celule, 6 asemenea
baterii Zn-aer sunt montate pe un cadru, putând fi uşor montate şi înlocuite, 3
asemenea cadre formează un modul de 18 baterii, care pot asigura energia
necesară propulsiei zilnice a unui autobuz. Însumate, aceste baterii asigură 314
kWh, la o greutate totală de numai 1,6 t.
Bateriile de tracţiune «suplimentare» sunt alese pentru puterea şi
caracteristicile de ciclicitate avându-se în vedere mai puţin densitatea de energie.
Bateriile Ni-Cd asigură reprize bune de accelerare şi totodată contribuie mult la
recuperarea energiei la frânarea vehiculului.
Intre cele 2 sisteme se pot face diverse combinaţii obţinându-se următoarele
variante:
• Bateriile Zn-aer pot fi folosite să încarce continuu bateriile Ni-Cd, care apoi
alimentează motoarele electrice ce asigură propulsia autovehiculului;
• Bateriile Ni-Cd pot fi legate în paralel cu cele Zn-aer asigurând «rezerva de
putere» în cazurile în care aceasta are nevoie( accelerări bruşte, rampe
puternic înclinate, rezistenţe mari la înaintare).
21.2.9. Bateria litiu - polimer La acest tip de baterie densitatea de energie atinge valori cuprinse între 120
şi150 Wh/kg.
Această tehnologie este una de viitor, Bateriile pentru vehiculele electrice
aflându-se încă în stadiul de prototip. Teoretic, această tehnologie ar trebui să fie
mult mai eficientă decât bateriile litiu-ion deja existente, deoarece funcţionează la
80°C şi nu este afectată de condiţiile externe. Costurile de producţie ar trebui să fie
atractive, deoarece o astfel de baterie este reprezentată de electrozi subţiri, plasaţi
unul peste altul în jurul unui electrolit polimerizat solid extrudat. În Franţa, această
tehnologie este dezvoltată de compania BATSCAP (BOLLORE TECHNOLOGIES
and EDF). În Canada, compania AVESTOR, o filială a Hydro-Quebec, a fost prima
care a pus în vânzare module de mare capacitate folosite în aplicaţiile staţionare.
Avantaje: densitate mare de energie, preţ anticipat mic.
PARTEA III – REDUCEREA POLUARII
526
În tabelul 21.10 se prezintă o comparaţie a celor mai promiţătoare soluţii de baterii de
tracţiune cu bateria Pb- acid
Tabelul 21.10 Comparaţia între caracteristicile tehnice ale bateriilor de stocare
Plumb NiCd NiMH ZEBRA Li-ion Li-polimer
Energie
specifică
(Wh/kg)*
30-50 45-80 60-110 120 150-190 150-190
Densitate
de energie
(Wh/litru)
75-120 80-150 220-330 180 220-330 220-330
Maximum
power
(W/kg)
Până la 700
Până la 900 200 Până la
1500
Până la
250
Număr de
cicluri
încărcare/
descărcar
e)
400-600 (1)
1200 (2) 2000 1500 800 500-1000 200-300
Avantaje Preţ mic
Fiabilitate
Performan
ţe bune la
rece
Densitate de
energie
foarte bună
Densitate de
energie
foarte bună
Bună
ciclicitate
Energie şi
putere
excelentă
Baterii
subţiri
Dezavanta
je
Energie
scăzută
Descărcare
bruscă
Energie
relativ
scăzută
Toxicitate
Preţul
materialelor
de bază
Performanţă
/
temperatură
Putere
limitată
Auto-
consumare
Siguranţa
elementelo
r mari Preţ
Performan
ţă scăzută
la rece
Preţ
Autovehiculul electric
527
* Valorile limită superioare şi inferioare corespund diferitelor dimensiuni ale
elementelor (elementele mari au de obicei o energie crescută) sau diverselor tipuri
de aplicaţii. (1) încapsulat (2) tubular
În vederea protecţiei mediului la nivel global, cat si pentru a se economisi
energia existenta la ora actuala s-a impus nevoia de a dezvolta vehicule propulsate
cu surse alternative de propulsie. Cele mai atractive soluţii de propulsie sunt cele
electrice.
21.3. ALEGEREA CARACTERISTICILOR BATERIEI DE TRACŢIUNE Caracteristicile bateriilor utilizate în tracţiunea electrică a autovehiculelor
trebuie să îndeplinească cerinţele impuse de funcţionarea autovehiculului.
Tabelul 21.11. Corelaţia dintre parametrii autovehiculelor şi caracteristicile bateriei
Categoria autovehiculului Caracteristica Uşoare Confort Hibride Viteza maximă [km/h] 60 10 60 Autonomie [km] 50 125 25
Acceleraţie 0 - 50 km/h în 9s
0 - 50 km/h în 9s
0 - 50 km/h în 9s
Masa vehiculului [kg] 900 1500 1800
Panta şi viteza de urcare 14% cu 30 km/h
14% cu 30 km/h
14% cu 30 km/h
Masa bateriei 25% = 225 kg 25% = 375 kg 10% = 180 kg Randamentul transmisiei 80% 80% 80% Energia consumată într-un ciclu ECE [Wh/km] 125 180 210
Puterea bateriei [kW] 14 23,3 28 Densitatea energiei [Wh/kg] 27,8 60 29,2 Densitatea puterii [W/kg] 62 62 155 Autonomia autovehiculelor electrice depinde de tipul bateriei şi de viteza de
parcurgere a traseului. Dacă autovehiculele electrice sunt prevăzute să circule numai
în zona urbană cererea de putere poate fi ridicată cu toate că viteza este limitată de
condiţiile de trafic sau reglementări.
Tabelul 21.12. Caracteristicile autovehiculelor electrice
Tipul autovehiculului Caracteristica Autoturism Autobuz Transport marfă Utilizare Urbană Suburbană Urbană Urbană Suburbană Viteză maximă [km/h] 50 70 50 50 70
Putere [kW] 15 20 20 18 30
PARTEA III – REDUCEREA POLUARII
528
În dezvoltare sunt şi bateriile Ni-F, Li-ion şi baterii polimerice.
21.4. MOTORUL ELECTRIC DE TRACŢIUNE Motorul electric este elementul care influenţează major lanţul de propulsie al
vehiculului. Pentru tracţiunea autovehiculelor, alegerea motorului trebuie să ţină
seama de următorii parametrii: greutate şi dimensiuni de gabarit, fiabilitate,
randament, tipul răcirii, zgomot, instalare pe autovehicul, mentenanţă, cost.
Motoarele electrice utilizate în tracţiunea vehiculelor pentru diferite aplicaţii pot
fi clasificate în trei grupe de puteri:
1) Motoare mici - puteri între 1 şi 10 kW;
2) Motoare medii - puteri între 10 şi 50 kW;
3) Motoare mari - puteri între 50 şi 200 kW.
Motorul electric de curent continuu a echipat cele mai multe dintre vehiculele
electrice. Motorul de curent continuu cu perii a fost folosit în ciuda performanţelor
slabe, greutăţii mari şi prezenţei unor dispozitive delicate de comutare. Performanţele
acestui tip de motor pot fi îmbunătăţite prin reglarea câmpului electric, aceasta fiind şi
raţiunea pentru care motoarele electrice cu magneţi permanenţi nu au putut fi
dezvoltate pentru tracţiunea autovehiculelor cu toate că au randamente ridicate.
Din gama de motoare electrice care pot fi folosite în tracţiunea
autovehiculelor, motorul de curent continuu este ultimul din următoarele
considerente:
- rapoarte defavorabile: greutate/putere şi volum/putere;
- randament scăzut (pierderi ridicate în excitaţie şi ventilaţie, cădere fixă de
tensiune la perii, care afectează pierderile globale în condiţiile unei tensiuni joase
livrate în cazul automobilului electric).
- frecvente lucrări de mentenanţă;
- cost ridicat
- fiabilitate redusă.
Motorul electric de curent continuu este ales în locul motoarelor de curent
alternativ datorită simplităţii dispozitivelor de comutare, control şi reglare în
comparaţie cu invertorul sistemelor de curent alternativ.
Motorul asincron este larg utilizat în tracţiunea electrică a autovehiculelor
electrice de ultimă generaţie. Alegerea motorului asincron depinde de mai mulţi
Autovehiculul electric
529
factori cum ar fi: robusteţe, fiabilitate, lucrări de mentenanţă reduse, cost, toleranţă la
suprasarcini, flexibilitate la sistemul de control.
Motorul asincron este utilizabil în cazul vehiculelor medii şi mari unde
răspunde cerinţelor supuse tracţiunii electrice de funcţionarea autovehiculului.
Utilizarea motorului asincron la autovehicule mici este mai puţin eficientă.
Pentru gama de motoare mici utilizabile în tracţiunea electrică s-au dezvoltat
motoare cu magneţi permanenţi.
Motoarele sincrone cu magneţi permanenţi sunt motoarele electrice cu cele
mai înalte performanţe şi rapoarte bune greutate/putere şi volum/putere.
Avantajul acestui motor îl constituie flexibilitatea construcţiei. De exemplu,
motorul cu rotor în formă de disc poate fi montat în roata autovehiculului dând
posibilitatea eliminării transmisiei mecanice.
Pierderile reduse în rotor elimină necesitatea răcirii acestuia însă la
suprasarcină este posibil ca temperatura să crească şi să producă demagnetizarea
rotorului.
Motoarele asincrone cu magneţi permanenţi pentru autovehicule au puteri de
până la 20 kW.
Un alt tip de motor utilizat în tracţiunea vehiculelor medii şi mari este motorul
sincron cu reluctanţă, care este similar unui motor sincron cu magneţi permanenţi.
Prin eliminarea magneţilor se permite funcţionarea la turaţii ridicate iar influenţa
temperaturii de funcţionare este mai puţin periculoasă.
21.5. INFRASTRUCTURA NECESARĂ ÎNCĂRCĂRII BATERIILOR
AUTOVEHICULELOR ELECTRICE
Autovehiculele electrice şi hibride utilizând baterii necesită acces la reţeaua de
distribuţie a energiei electrice pentru a încărca resursele de tracţiune. În cazul
autovehiculelor hibride, acest proces de încărcare este necesar numai la
funcţionarea în oraş, unde motorul cu ardere internă nu funcţionează.
Există numeroase tipuri de dispozitive de încărcat baterii însă acestea nu
simplifică problema deoarece fiecare tip de baterie necesită caracteristici specifice de
încărcare pentru a nu fi deteriorată sau să diminueze durata de exploatare.
Dispozitivul de încărcare poate fi localizat la bordul autovehiculului sau poate
fi staţionar. Dispozitivele de încărcare la bordul autovehiculului trebuie să fie uşoare
PARTEA III – REDUCEREA POLUARII
530
şi de dimensiuni reduse. Puterea lor este limitata la 3,68 kVA corespunzând unei
tensiuni de ieşire de 230 V şi unui curent de 16 A.
Dispozitivele de încărcare staţionare sunt mai puternice şi eficiente însă au
dezavantajul reducerii independenţei autovehiculului. Cerinţele pentru un dispozitiv
de încărcare staţionar sunt: tensiune de la 60 la 200 V şi curent de la 20 A la 200 A.
Staţiile de încărcare necesită o infrastructură care să fie alimentată de la
reţeaua electrică existentă. Această infrastructură trebuie să corespundă anumitor
caracteristici:
- Tipul materialului utilizat pentru terminal, protecţie semnalizare;
- Localizarea prizei de încărcare;
- Conexiunea dintre vehicul şi bornă;
- Securitatea instalaţiei.
Încărcarea inductivă elimină o serie din problemele care apar la conectarea
prin cablu a autovehiculului la dispozitivul de încărcare (uzura şi corodarea
dispozitivului de conectare, influenţele asupra cablului datorate apei, gheţii uleiului şi
murdăriei, vandalism asupra instalaţiei). Încărcarea inductivă se realizează fără
intervenţie manuală. Dispozitivul de încărcare inductivă funcţionează după principiul
transformatorului. Primarul dispozitivului este fixat vertical sau orizontal pe podea în
timp ce înfăşurarea secundară este plasată pe autovehicul. Încărcarea are loc prin
aducerea autovehiculului în apropierea înfăşurării primare (distanţa de 5 cm între
cele două înfăşurări este suficientă pentru încărcare).
Autovehiculul electric
531
Bibliografie [1] Cofaru.C. –Legislatia şi ingineria mediului in transportul rutier Editura
Universităţii Transylvania Brasov 2002 ,ISBN 973-635-185-8
[2] Linden, D. Handbook of Baterries and Fuel Cell. Mc.Graw-Hill Book Company
.1983
[3] DeLuchi,M., Wang, Q.,Sperling,D. Electric Vehicles: Performances, Life Cycle
Costs, Emissions, and recharging requirements. Transportation Research,
vol.23A,1989.
[4] Proceedings of the 24th ISATA International Symposium on Automotive
Technology and Automation. Florence, Italy, 20-24 May 1991. Electric/Hybrid
Vehicles.
[5] Bolger, J.C. Opportunity charging with inductive charging systems. Inductran
Corporation.Proccedings of 6th ERA Battery Conference, London, Oct .1990.
[6] Kaberlah, Q. Hybrid drives systems for cars. Automotive Engineering
Vol.99,No 7 July 1991.
[7] Skudelny,C. Comparison and Evaluation of Lead-acid, ZnBr and NaS
Batteries. Study within the EDS programme 1991.
[8] Westendorf,H., Schiebold,S.e.a. Single-wheel with new electric
components.3.Aachener Colloquium Automobile and Engine Technology,
Aachen, Oct.1991.
[9] Anderson,W.M. An Electric Van with Extended Range. Unique Mobility Inc.
Englewood CO, SAE Paper 900181, 1990.
[10] Varta Batterie AG.Gasdichte Nickel-Cadmium-Akkumulatoren. VDI-
Verlag,Dusseldorf, 1978.
[11] Stravrov, D.A. Electromobile. VEB Verlag Technik, Berlin ,1988.
[12] Maggetto,G., Van den Bossche,P. Advanced Electric Drive Systems for Buses,
Vans and Passenger Cars to Reduce Pollution. Summary Report .1992
[13] Maggeto, G. - Advanced Electric Drive Systems. CEE 1992.
PARTEA III – REDUCEREA POLUARII
532
Vehiculul electric
Reciclarea vehiculelor rutiere
533
Autori: Costel BEJAN Nicolae ISPAS
22. RECICLAREA VEHICULELOR RUTIERE
22.1. INTRODUCERE Calitatea vieţii umane, asigurată de civilizaţia industrială, se bazează pe
fabricaţia – în proporţie de masă – a produselor care satisfac cerinţele de confort fizic
şi spiritual. Dar producţia umană are inerent un caracter artificial şi în consecinţă
aspectele pozitive sunt însoţite de efecte negative) evidente sau mai puţin vizibile,
dar cu caracter cumulativ. Din cauza densităţii exagerate a produselor în zonele
aglomeraţiilor urbane, s-a impus – mai ales în ultimii ani – părerea că omul ar putea
să nu-şi mai găsească locul într-o natură îngenunchiată de prea multe atacuri
subsecvente activităţilor industriale şi pentru care se apropie momentul când
autoreglarea naturii nu va mai funcţiona.
Un caz particular, care a avansat pe primul loc al preocupărilor de eliminare
sau cel puţin de limitare a efectelor distructive asupra mediului, este reprezentat de
automobil. Industria de autovehicule rutiere este emblematică pentru toate ţările
dezvoltate, indiferent pe care continent sunt situate acestea.
Firmele care produc vehicule rutiere sunt printre cele mai mari companii
industriale, asigurând numeroase locuri de muncă şi un procent important din PIB. La
nivelul anului 2001, sectorul fabricaţiei auto livra aproximativ 52,7 milioane de
autovehicule, iar pe glob sunt înscrise în circulaţie circa o jumătate de miliard de
autoturisme, revenind cam 1 autoturism la 12 locuitori. Trebuie remarcat şi faptul că
dacă sunt milioane de oameni cărora autovehiculele le asigură satisfacţie, sunt încă şi
mai mulţi care sunt afectaţi de pe urma acestora, fie că le utilizează fie că nu.
La ciclul de viaţă al unui automobil participă multe ramuri importante ale
sectorului industrie: industria petrolului, oţelului, aluminiului, chimică, fibre şi fire
sintetice, sticlă şi electronică. Se remarcă faptul că datorită rolului important pe care o
are în economiile ţărilor dezvoltate industria de automobile a făcut paşi importanţi în
extinderea responsabilităţii ecologice ale produselor proprii încă din stadiul de
proiectare şi până la scoaterea din uz ale acestora. Deoarece stadiul de utilizare al
autovehiculelor este o sursă semnificativă de impact ecologic, stadiu care se
estimează a utiliza 80-90% din energia totală, industria de automobile are ca scop
PARTEA III – REDUCEREA POLUARII
534
particular focalizarea asupra acestui stadiu. Standardele de eficienţă ale
combustibilului şi standardele privind emisiile au fost motivele pentru realizarea unor
îmbunătăţiri privind performanţele ecologice ale produsului în stadiul de folosire.
Impactul negativ semnificativ, asupra mediului a impus cerinţa limitării nivelelor
de poluare chimică, fonică şi cu deşeuri. Cercetările recente au permis rezolvarea a
problemelor poluării chimice şi fonice.
Pe lângă diminuare poluării un aspect al dezvoltării durabile îl constituie
menţinerea resurselor materiale pentru generaţiile viitoare. În acest context, putem
distinge două categorii largi de resurse: materiale şi energie. O cale de conservare a
resurselor materiale este reciclarea produselor industriale. Acest caz subliniază unele
puncte de vedere şi munca în reciclarea automobilelor.
În prezent, preocuparea principală este legată de valorificarea autovehiculelor
scoase din uz (VSU), care prezintă atât valenţe legate de poluare cât şi de
valorificarea raţională a resurselor minerale şi energetice ale planetei.
22.2. RECICLABILITATEA PRODUSELOR INDUSTRIALE Pentru orice produs industrial un aspect important îl constituie evaluarea
reciclabilităţii acestuia. Reciclabilitatea produselor industriale între care se găseşte şi
autovehiculul se determina ţinând seama de următoarele clase de reciclare:
1. Produs reciclabil – la această clasă sunt clar definite infrastructura şi
tehnologia de reciclare. Componentul este complet reciclabil (sau
reutilizabil), infrastructură este funcţionabilă (ex. caroseria, blocul motor,
etc.).
2. Produs potenţial reciclabil – în acest caz nu există o infrastructură funcţională,
reţeaua de colectare este nedefinită sau neorganizată (ex. materiale plastice
interioare).
3. Produs potenţial reciclabil, la aceste produse este necesară dezvoltarea unor
procese sau materiale în care să fie înglobate. Tehnologia nu a fost încă
comercializată pentru a fi aplicată (ex. reciclarea fibrei de sticlă).
4. Produs potenţial pentru recuperarea de energie. Există tehnologie / capacitate
de a produce energie cu valoare economică (ex. piroliza cauciucurilor).
5. Produs cu potenţial de reciclare necunoscut, la aceste produse tehnologia de
reciclare este necunoscută sau neaplicată (ex. piele debavurată).
Reciclarea vehiculelor rutiere
535
Folosind aceste categorii, se poate calcula reciclabilitatea unui produs
industrial în consecinţă şi autovehiculul. Reciclabilitatea unui vehicul se poate
calcula după următoarea metodologie:
1 Se însumează greutatea tuturor componentelor care fac parte din categoria
1(complet reciclabil)
2 Valoarea însumată a componentelor reciclabile se împarte la greutatea totală a
automobilului, iar valoarea dată reprezintă fracţiunea de reciclabilitate al
autovehiculului.
Acest calcul poate fi făcut pentru un produs oarecare. Avantajul acestei metode
este că se calculează foarte simplu. Dezavantajul este că se focalizează asupra
categoriei 1, toate celelalte categorii fiind excluse din calcul. O altă cale ar fi cazul în
care un produs se evaluează prin evaluarea întregului ciclu de viaţă.
22.3 CICLUL DE VIAŢĂ AL PRODUSELOR ŞI NIVELURILE ACESTUIA
Ciclul de viaţă tradiţional al produselor este unul secvenţial care se dezvoltă
liniar de la faza de materie primă şi până la scoaterea din uz /evacuarea ale acestuia.
Recuperarea produselor şi reciclarea a alterat această evoluţie liniară în una ciclică
care îmbrăţişează un anumit grad de reciclare al produsului.
Recuperarea resurselor alterează ciclul de viaţă liniar, tradiţional al produselor,
care acum tinde mai mult la o structură cu ciclul închis. Teoretic această structura
ciclică închisă ar trebui să asigure utilizarea într-un număr infinit de ori al unui produs
fără ca acesta să sfârşească pe rampa de gunoi. Acest lucru este un ideal în
domeniul reciclării, dar în realitate majoritatea produselor nu au această proprietate şi
ajung la un sfârşit al vieţii utile fără a fi reciclate. Acest termen este numit şi ca
„reciclare cu ciclu deschis”.
Reciclarea poate să apară în diferite stadii din timpul ciclului de viaţă al unui
produs. Unele organizaţii folosesc termenul de pre-reciclare pentru a caracteriza
reciclarea deşeurilor ce urmează din procesul de fabricaţie al unui produs. Termenul
„credinţa în reincarnare” descrie faptul că produsele pot fi reîncarnate în produse noi
prin reciclare. Fraza s-a dezvoltat din termenul „designul de la creare până la sfârşit”
care descrie faptul că odată trebuie să ne gândim ce se va întâmpla cu produsul /
sistemul după ce şi-a consumat ciclul de viaţă folositor.
PARTEA III – REDUCEREA POLUARII
536
De asemenea termenul de fabricare apare din ce în ce mai mult în literatură, în
special în industria electronică, pentru a caracteriza opusul procesului de fabricare,
implicat în reciclarea materialelor şi produselor după ce produsul a fost retras de către
companie.
22.4. STRATEGII ALE ŢĂRILOR DIN UE ÎN DOMENIUL VSU
22.4.1 Activităţi impuse de sfârşitul ciclului de viaţă Cu un deceniu în urmă, Comisia Europeană a început să abordeze sistematic
obiectivele legate de valorificarea autovehiculelor scoase din uz şi posibilităţile de
reciclare a materialelor şi componentelor acestora. Studiile efectuate de Institutul
pentru Politici Europene de Mediu au fost dezvoltate de organizaţii şi institute din
ţările membre ale Uniunii Europene, mai ales după ce a fost creat cadrul legislativ
unitar al UE în domeniul reglementat al VSU. Metodologia de rezolvare a obiectivelor
a fost axată pe concepţia de atingere a unui grad ridicat de reutilizare şi reciclare în
condiţiile poluării minime a mediului şi a performanţei economice maxime.
Din punct de vedere tehnic s-au avut în vedere că dezvoltarea vehiculelor noi cu
includerea prevederilor care urmează a fi aplicate la sfârşitul ciclului de viaţă.
Măsurile necesare trebuie aplicate cu începere din faza de proiectare a vehiculelor
rutiere prevăzând metodele şi mijloacele care asigură controlul substanţelor
periculoase, astfel încât acestea să nu polueze mediul ambiant. După efectuarea
ultimei curse a autovehiculului trebuie să intre automat în funcţiune succesiunea de
operaţii de dezmembrare, clasare, refolosire şi reciclare a materialelor şi
componentelor astfel încât resturile care ajung la haldă să reprezinte cu adevărat un
minim nepoluant şi cărora să nu li se poată conferi nici un fel de întrebuinţare utilă.
Din punct de vedere juridic, principiile din legislaţia comunitară sunt:
Poluatorul suportă cheltuielile pentru înlăturarea produselor poluante şi a
efectelor acestora;
Producătorul autovehiculelor este responsabil de toate măsurile care trebuie
luate şi după ce s-a ajuns la sfârşitul ciclului de viaţă.
Pentru aplicarea coerentă a măsurilor de reciclare a autovehiculelor ieşite din
funcţionare după atingerea stării limită, autorităţile sunt implicate în crearea cadrului
care asigură că ultimul deţinător (proprietar) va preda maşina structurilor tehnico-
economice destinate tratării, dezmembrării şi valorificării, fără plată. Acest lucru este
Reciclarea vehiculelor rutiere
537
justificat de lipsa de valoare comercială a autovehiculului care produce totodată
efecte negative de poluare a solului şi a pânzei freatice chiar dacă staţionează.
Trebuie subliniat că pentru anihilarea efectelor negative, costurile nu sunt suportate
de proprietarul maşinii ci de producătorul acesteia.
22.4.2 Legislaţia europeană privind VSU Documentul care, cumulează concluziile studiilor şi a experienţei până în anul
2000 este Directiva 2000/53/CE. Directiva 2000/53/CE se aplică vehiculelor în curs
de dezvoltare, vehiculelor care sunt în fabricaţie de serie precum şi a celor care sunt
scoase din uz, incluzând componentele şi substanţele care asigură funcţionarea.
Conţinutul legislativ reglementează următoarele chestiuni principale:
Elaborarea măsurilor care au ca scop prevenirea apariţiei deşeurilor
provenite de la vehicule precum şi reutilizarea, reciclarea şi a altor forme de
recuperare de la VSU şi componentele acestora, pentru reducerea într-o
măsură esenţială a cantităţii finale de deşeuri.
Reutilizarea, reciclarea şi valorificarea energetică a componentelor VSU.
Principalele cerinţe sunt:
a) Limitarea şi eventual eliminarea utilizării materialelor şi substanţelor
periculoase folosite în fabricaţie. Introducerea acestor cerinţe începând cu faza
de concepţie a vehiculelor avându-se în vedere ca materialele şi componentele
vehiculelor noi, comercializate după 01.07.2003, să nu conţină plumb, mercur,
cadmiu hexavalent decât în condiţiile strict reglementate.
b) Integrarea unor cantităţi crescânde de materiale reciclate provenind de la
VSU în vehicule noi şi în componente de reparaţie. Dezvoltarea pieţelor de
materiale şi componente reciclate;
c) Conceperea şi punerea la punct a unui sistem naţional în care radierea din
circulaţie al unui VSU să se facă exclusiv pe baza unui certificat de distrugere;
d) Colectarea gratuită de la ultimul proprietar al VSU;
e) Fără prejudicierea secretului industrial şi comercial, producătorii vor furniza,
într-un interval de 6 luni de la comercializare, pentru fiecare tip de autovehicul
nou de pe piaţă, informaţii complete privind operaţiile de demontare precum şi
amplasarea tuturor substanţelor periculoase din autovehicule.
PARTEA III – REDUCEREA POLUARII
538
f) Înfiinţarea de sisteme şi agenţi economici pentru colectarea VSU care să
asigure tratarea şi valorificarea în proporţie ridicată a materialelor şi
componentelor, astfel:
85% reutilizare şi valorificare din greutatea medie a autovehiculului până la
01.06.2006. Pentru vehiculele mai vechi, fabricate anterior anului 1980,
procentul de reutilizare şi valorificare va fi de minim 75% şi 70% pentru
reciclare;
95%, valorificare din greutatea medie a produsului se va asigura din 2015.
22.4.3. Situaţia valorificării VSU în România Autorităţile române întreprind măsuri de aliniere la concepţia comunitară
europeană:
♦ Transpunerea Directivei 53 prin Hotărârea de Guvern nr.2406 din 21.12.2004,
privind gestionarea vehiculelor scoase din uz. Anexele HG 2406 reglementează
cerinţele minime necesare unităţilor de colectare şi celor de tratare a VSU în
scopul minimalizării impactului asupra mediului, în procesele de colectare,
dezmembrare şi reciclare a VSU;
♦ Legea 421/2002 – referitoare la regimul vehiculelor abandonate sau fără
proprietar;
♦ Ordonanţa de Urgenţă 99/2004 şi Legea 72/2005 – Măsuri pentru stimularea
înnoirii parcului auto din România. Legislaţia permite ca proprietarii maşinilor
vechi să le predea contra cost, suma respectivă constituindu-se ca avans la
achiziţionarea unui autovehicul nou.
Unele măsuri au fost luate de Ministerul Mediului şi Integrării Europene şi de
Agenţiile de Dezvoltare Regionale. Au fost elaborate Planul Naţional de Gestionare a
Deşeurilor (PNGD) şi Planuri Regionale de Gestionare a Deşeurilor (PRGD),
conţinând capitole de obiective şi ţinte la nivel naţional şi regional în domeniul
valorificării VSU, corelate cu prevederile normativelor internaţionale. Aplicarea
măsurilor este însă deficitară. De exemplu, în Regiunea 7 centru se efectuează
activităţi de colectare prin societăţi comerciale de tip REMAT dar din componentele
vehiculelor scoase din uz se valorifică doar părţile metalice, ceea ce reprezintă
aproximativ 70% din masa vehiculului, restul fiind eliminat la haldă.
Reciclarea vehiculelor rutiere
539
Fig.22.1. Autorizarea agenţilor economici pentru VSU în România
O clasificare a agenţilor economici care acţionează în domeniu, realizată de
INCDPM - ICIM Bucureşti este prezentată în fig. 1. .Din toţi agenţii 59% operează
ilegal, 29% nu deţin autorizaţii tehnice ci numai de mediu, 5% sunt autorizaţi RAR
dar nu au perspectiva autorizării tehnice, 7% deţin toate autorizaţiile necesare
22.4.4. Strategii şi procese ale reciclării automobilelor scoase din uz La toate produsele fabricate mai devreme sau mai târziu apar defecte,
îmbătrânesc sau pur şi simplu devin nefolositoare, rudimentare. În cazul automobilelor
retragerea acestora de pe piaţă (utilizator) se produce în mod general atunci când
acestea nu mai satisfac condiţiile tehnice şi ecologice pentru a fi în circulaţie sau în
cazul unor avarieri grave ale automobilului. Această perioadă de utilizare (viaţă)
depinde de la ţară la ţară şi model.
Problema reciclării automobilelor uzate este una foarte complexă căci
însumează o multitudine de componente şi materiale, de asemenea ele conţin atât
sisteme mecanice cât şi electrice şi electronice. Am putea spune ca şi caz particular
că reciclarea produselor electronice este un subdomeniu al reciclării automobilelor
uzate. Un număr mare de automobile aflate la sfârşitul ciclului de viaţă sunt cauzele
unor efecte negative asupra mediului dacă acestea nu sunt tratate în mod ecologic.
Asupra industriei auto se exercită presiuni din ce în ce mai mari pentru asumarea
responsabilităţii privind efectul asupra mediului al propriilor produse. Aceste presiuni
sunt multe, incluzând cele legislative, presiuni economice (creşterea materialelor
neconvenţionale, creşterea costurilor depozitării pe rampe) şi presiuni ale pieţei în
termeni de creştere a interesului populaţiei în acest sens. Gradul de recuperare al
produsului poate fi divizat în: refolosirea totală a produsului, recondiţionarea acestuia
şi recuperarea anumitor componente şi materiale.
PARTEA III – REDUCEREA POLUARII
540
O strategie de reciclare este definită ca un set de activităţi pe care le dezvoltă
şi/sau coordonează un fabricant cu alte firme implicate în industria auto şi nu numai,
pentru răspunde problemelor urgente ale retragerii de pe piaţă a produselor uzate în
conformitate cu cerinţele şi regulamentele actuale privind reciclarea. Aceasta
presupune dezvoltarea cunoştinţelor şi a capacităţilor cerute. De asemenea, implică
alegeri cu respect asupra dezvoltării tehnologiei şi coordonarea şi adaptarea
activităţilor noi şi a celor existente. Deciziile tehnologice şi organizatorice trebuie luate
la nivel de firmă (de către fabricant) şi la nivel de industrie (de către fabricant şi alte
firme din industriile implicate). Dezvoltarea unei strategii de reciclare este un proces
complex care parţial este caracterizat printr-o evaluare de oportunităţi, rezultând
decizii raţionale şi parţial o adaptare la fenomenele ce au loc în contextul procesului şi
de asemenea în proces.
„Reciclarea „ este cel mai comun utilizat termen pentru recuperarea produselor
şi refolosirea sau descompunerea lor într-o oarecare măsură. Ca urmare există multe
nivele după care un produs poate fi „reciclat” (descompus) pentru a putea fi valorificat
pe piaţa de produse second-hand. Terminologia utilizată pentru fiecare din acest nivel
diferă de la o literatură la alta dar cele mai importante strategii de extindere a ciclului
de viaţă (reciclare) al unui produs sunt următoarele: refolosirea (prin reparare),
refabricarea /recondiţionarea (incluzând verificarea, recondiţionarea, recuperarea
pieselor şi upgrade tehnic) şi reciclarea materialelor.
22.4.4.1 Refolosirea Cel mai eficient mod de reducere a impactului asupra mediului înconjurător
poate fi realizat prin reutilizarea (refolosirea) produsului, în care formele geometrice
ale produsului sunt menţinute şi produsul este refolosit pentru acelaşi scop ca şi în
ciclul de viaţă anterior (ex. sticle pentru băuturi), sau pentru un scop secundar (ex.
refolosirea de componente).
În acest caz produsul este recuperat de la ultimul utilizator fără prea mari
alterări, defecţiuni sau schimbări ale produsului. Acest nivel al reciclării poate implica
inspectarea, curăţarea, repararea şi recondiţionarea. Aceasta este cea mai mare
prioritate din punct de vedere ecologic, deoarece toate resursele (materie şi energie)
folosite în timpul dezvoltării produsului sunt economisite. Acest lucru aduce cu sine în
multe cazuri avantaje economice. Cu consideraţii asupra reciclării materialelor,
refolosirea are următoarele beneficii:
Reciclarea vehiculelor rutiere
541
1 În primul rând nu numai deşeurile şi spaţiile de depozitare ale acestora sunt
reduse, dar de asemenea energia şi consumul de materiale din timpul
fabricaţiei sunt reduse deoarece sunt utilizate componentele existente. De
fiecare dată când un component este refolosit, toată energia consumată şi
emisiile degajate care au fost produse din timpul fabricaţiei sale şi procesării
materialelor sale sunt salvate.
2 În al doilea rând utilizarea componentelor existente reduc cheltuielile financiare
al unui întreprinzător pentru producerea sau achiziţionarea ale unor componente
noi. Exemple bine cunoscute sunt componentele de automobile, maşini
industriale şi echipamente militare. Salvări adiţionale de resurse pot fi obţinute
prin integrarea fabricaţiei, defabricaţiei şi proceselor de refabricare. [5]
Astfel când dezasamblăm un produs, componentele refolosibile pot fi plasate,
direcţionate într-o manieră care îmbunătăţeşte alimentarea cu componente şi elimină
un proces de sortare la staţiile de asamblare. Astfel pot fi salvate mari cantităţi de
resurse naturale.
22.4.4.2 Recondiţionarea (refabricarea)
Recondiţionarea poate fi definită ca şi reconstruirea produsului (posibil cu noi
piese) şi vânzarea acestuia către un nou utilizator, sau utilizarea componentelor
produsului în alte produse. Refabricarea a fost definită ca şi „transformarea produsului
uzat într-un produs care satisface aceleaşi calităţi şi standarde ca şi produsul nou.
În Germania refabricarea componentelor de automobile ca şi de exemplu
motoare, transmisii, alternatoare, electromotoare deţin aproape 10% din totalul
producţiei. Este interesant a observa că în SUA există o piaţă şi infrastructură mai
largă pentru refabricarea componentelor decât în Europa. În cazul recuperării
produselor pentru refabricare sau / şi refolosire sunt considerate următoarele 5 stadii
de procesare.
1. Dezasamblare
2. Curăţire
3. Inspectare şi sortare
4. Îmbunătăţirea sau recondiţionarea componentelor
5. Reasamblarea.
PARTEA III – REDUCEREA POLUARII
542
Problema considerată majoră în domeniul dezasamblării tuturor produselor,
este înlăturarea legăturilor (joncţiunilor), separarea componentelor. În cazul
automobilelor aceste probleme sunt agravate de coroziune, murdărie şi uleiuri
(grăsimi) acumulate de-a lungul timpului de utilizare ale acestora.
22.4.4.3 Reciclarea materialelor
Implică recuperarea conţinutului de materiale al produsului pentru a putea fi
folosit din nou în alte scopuri. Distincţia dintre refolosire şi reciclare nu este
întotdeauna clare datorită interschimbabilităţii lor, dar în cazul de sus termenul de
reciclare se referă strict la reciclare-recuperare de materiale. Acesta este cel mai
comun proces:
� Numai materialele sunt păstrate, toate detaliile geometrice se pierd;
� Permite dezasamblarea (ieftină) distructivă:
În industria electronică, reciclarea materialelor este în multe cazuri efectuată în
scopul recuperării materialelor preţioase (ex. aur, platină).
Termenul de reciclare este adesea folosit pentru toate activităţile care însoţesc
produsul, componentele produsului sau materialul constituent al produsului într-un
nou ciclu de utilizare. Adesea este făcută o distincţie între reciclarea primară unde
materialul este transformat în produs la acelaşi nivel valoric ca şi în primul ciclu (ex.
recipiente de sticlă reutilizate la o nouă îmbuteliere) şi reciclarea secundară unde
materialul este refolosit în diferite aplicaţii de nivel valoric mai scăzut (ex. deşeu de
plastic utilizat ca şi material de umplutură într-un material compozit). Este mai uşor de
făcut reciclarea secundară decât cea primară. De exemplu spuma poliuretanică din
scaunele maşinilor moderne poate fi reciclată în materiale de acoperire (carpet), dar
nu din nou în spumă poliuretanică într-un scaun nou. Similar diferite materiale plastice
pot fi utilizate ca şi materiale compozite în construcţii. Oarecum această degradare a
materialului va cauza probleme şi oamenii vor reflecta asupra continuităţii reciclării.
De asemeni în industrie şi învăţământ este dată multă atenţie reciclării materialelor în
care geometria produsului (şi valoarea asociată) este distrusă şi numai materialul
constituent este condus într-un nou ciclu de utilizare.
Pentru reciclarea materialelor, următoarele 3 stadii sunt de obicei luate în
considerare:
1. Separarea materialelor
Reciclarea vehiculelor rutiere
543
2. Sortare
3. Reprocesare
Desigur, reciclarea vehiculelor devine economic mai fiabil cu ajutorul
tehnologiilor de distrugere (tăiere). Aceste M.U. de tăiat transformă automobilele
destinate reciclării în mici fragmente care pot fi sortate magnetic în materiale feroase
şi neferoase. Deşeurile rămase se numesc „reziduuri automotive”. Aceste reziduuri
sunt aproape o pătrime din greutatea totală al unui autovehicul. În fig. 3.2 este ilustrat
un exemplu tipic pentru un vehicul procesat.
22.4.4.4 Consum de energie şi recuperare
Este bine de ştiut că se consumă energie în fabricarea oricărui produs. În
Europa incinerarea cu recuperare de energie este de asemenea considerată o formă
a reciclării. Mai mult decât atât volumul de material depozitat ca şi deşeu este mai
scăzut după incinerare decât înainte.
� Energia înmagazinată în material este recuperată prin incinerare sau
piroliză.
� Câştiguri mici dar în multe cazuri este modul cel mai simplu.
O cale rapidă de a recupera conţinutul energetic al unui produs este
focalizarea numai asupra materialului. Prin însumarea conţinutului energetic al tuturor
materialelor care fac parte din produs obţinem energia totală înmagazinată de produs.
Căldura specifică poate fi utilizată uneori ca şi un ghid pentru conţinutul energetic al
unui produs. În cazul în care recuperarea totală sau parţială al produsului nu mai este
posibilă, opţiunea finală este evacuarea. Multe din produse trec printr-o combinaţie
ale opţiunilor amintite mai sus în funcţie de valoarea produselor reciclate şi a
materialelor pe piaţă. Este importantă definirea diferitelor strategii astfel încât deciziile
referitoare la diferite procese să poate fi luate şi în cazul a mai multor opţiuni ale
acestora.
PARTEA III – REDUCEREA POLUARII
544
22.5 ACTIVITĂŢILE DE TRATARE ŞI VALORIFICARE A VSU 22.5.1. Succesiunea şi interdependenţa activităţilor în domeniul VSU
Vehicule la sfârşitul vieţii
Anularea dreptului de
circulaţie
Structura pentru achiziţie şi
transport
Activităţi de depoluare-dezasamblare Activităţi de valorificare
Faza I: Depoluarea • Extragerea tuturor fluidelor de lucru (ulei de motor şi transmisie, lichid de răcire, de frână, de spălat parbrizul, combustibil rămas etc.) • Extragerea acumulatorului
• Reutilizare (acumulatoare, combustibil) • Reprocesare (acumulatoare, fluide de lucru) • Depozitarea în cisterne a fluidelor de lucru recuperate, în vederea reutilizării directe sau în instalaţii energetice
Faza II: Dezmembrarea • Codificarea şi etichetarea componentelor • Sortarea şi testarea componentelor reutilizabile cu rată mare de revânzare • Dezmembrarea motoarelor şi a cutiilor de viteză, sortarea şi testarea pieselor acestora • Dezmembrarea componentelor mari de plastic şi cauciuc
• Introducerea în circuitul comercial al componentelor reutilizabile • Reutilizarea şi reprocesarea anvelopelor cu grad redus de uzură • reutilizarea materialelor conţinute în componentele de mase plastice şi cauciuc
Faza III: Tocarea/măcinarea componentelor, în instalaţii de măcinat • Separarea părţilor metalice feroase • Separarea părţilor metalice neferoase • Separarea sticlei, a maselor plastice • Separarea metalelor preţioase din convectoarele catalitice
• Reutilizarea metalelor feroase • Reutilizarea metalelor neferoase • Reutilizare mase plastice şi cauciuc
Faza IV: Valorificarea energetică • Introducerea în circuitul energetic al anvelopelor • Tratarea chimică şi valorificarea energetică a hidrocarburilor
• Utilizarea anvelopelor uzate pentru incinerarea în cuptoare • Recuperarea energetică a hidrocarburilor
Reciclarea vehiculelor rutiere
545
22.5.2 Etapele generale ale demontării şi valorificării VSU
a) Depoluarea
Reprezintă prima etapă a metodologiei de tratare, în decursul căreia
succesiunea operaţiilor este următoarea:
− Separarea acumulatoarelor şi rezervoarelor de combustibil;
− Îndepărtarea şi reutilizarea posibilelor componente explozibile (ex. air-bag-urile)
− Colectarea diferenţiată şi depozitarea în cisterne, cu respectarea condiţiilor de
siguranţă a combustibilului, uleiului de motor, uleiului de transmisie, uleiului din
cutia de viteze, uleiului hidraulic, uleiului de răcire, antigelului, fluidului de frână,
fluidelor din sistemul de aer condiţionat şi eventual a altor fluide conţinute în VSU;
− Extragerea şi separarea, pe cât posibil, a tuturor componentelor identificate că au
mercur in conţinut.
Materialele vizate în etapa de depoluare, reprezintă cca. 3% din masa
medie a unui VSU. Unele acumulatoare pot fi utilizate imediat şi intră în circuitul
comercial. Fluidele de lucru sunt destinate fie reprocesării dacă procesul asigură
calitatea iniţială şi nu este prea costisitor, fie pot fi utilizate drept combustibil
industrial, ca atare sau în combinaţii (valorificarea energetică).
b) Dezmembrarea
Sunt fi selectate cele mai valoroase componente; în funcţie de starea tehnică şi
de valoarea acestora vor fi reutilizate sau reciclate. În mod frecvent, componentele
care se pot valorifica, sunt următoarele:
− Jantele roţilor (oţel/aliaj);
− Motoarele cu un număr redus de ore de funcţionare;
− Cutiile de viteze, în aceleaşi condiţii;
− Componente electrice ale sistemului de alimentare cu combustibil;
− Componente electrice ale sistemului de iluminat (faruri, becuri, etc.);
− Anvelopele cu un parcurs de rulare redus;
− Radiatoare şi schimbătoare de căldură fără depuneri;
− Acumulatoare cu un număr redus de ore de funcţionare;
Dacă componentele nu sunt refolosite, piesele mari de metal :motoarele, cutiile
de viteze, radiatoarele, componentele sistemelor de alimentare cu combustibil,
PARTEA III – REDUCEREA POLUARII
546
sistemelor de răcire şi a celorlalte sisteme anexe sunt trimise la reprocesarea fierului
vechi.
Materialele recuperate în etapa de dezmembrare reprezintă cca. 47% din masa
medie a VSU. Nu toate părţile dezmembrate pot fi recuperate în acest mod, astfel
încât o cantitate de 32% din masa medie este destinată etapei următoare de
valorificare. În conformitate cu Anexa I a Directivei 2000/53, anumite părţi trebuie să
fie separate în etapa de dezmembrare pentru a promova reciclarea: catalizatoarele,
componentele care conţin cupru, aluminiu, magneziu atunci când nu pot fi separate
în etapa de mărunţire.
Anvelopele şi componentele de plastic de dimensiuni mari (amortizoare, tabloul
de bord, containerele de fluide etc.) trebuie de asemenea să fie separate şi
îndepărtate dacă produc complicaţii în procesul de tocare.
c) Tocarea
Caroseriile VSU tratate pot fi tocate după depoluare şi după ce au fost
îndepărtate componentele care pot fi valorificate prin reutilizare şi comercializare.
Tehnologia actuală în domeniul VSU conţine o componentă semnificativă de tocare
iar fragmentele rezultate sunt sortate în metale feroase, neferoase şi particule ale
părţilor nemetalice ( plastic, spumă, sticlă, cauciuc şi textile). În prezent o mare parte
din acest reziduu este destinat depozitării finale în halde, dar cercetările care au loc
acordă o mare atenţie recuperării şi reutilizării fragmentelor nemetalice pentru
realizarea de produse noi.
Principalul utilaj de tocare este constituit dintr-o moară cu ciocane în care
materia primă este reprezentată de baloţi de VSU obţinuţi prin presare. Metalele
(denumite fracţii grele) sunt predate la procesatori care asigură topirea şi realizarea
de materii prime care sunt reciclate în piese noi. Reziduul nemetalic (fracţii uşoare)
reprezintă cca.25% din greutatea VSU şi conţin o cantitate destul de ridicată de
pământ si praf. Pentru îndepărtarea prafului, tocătoarele moderne sunt dotate cu
echipamente de desprăfuire (cicloane sau filtre sac). Separarea fracţiilor grele şi a
celor uşoare este efectuată de sortatoare cu aer şi magneţi.
În prezent reziduurile de tocare conţin deseori substanţe periculoase (plumb,
Cadmiu şi bifenili policloruraţi/ trifenili policloruraţi – PCB/PCT). Odată cu adaptarea
concepţiei şi fabricaţiei autovehiculelor rutiere la cerinţele Directivei 53, următoarea
generaţie de VSU va fi lipsită de deşeuri periculoase.
Reciclarea vehiculelor rutiere
547
Incinerarea cu recuperarea energetică este o opţiune avantajoasă pentru
reziduurile nemetalice ale operaţiilor de tratare şi valorificare a VSU. Incinerarea
poate fi asociată altor materiale combustibile, ca de exemplu deşeuri menajere sau
reziduuri industriale(lemn, cărbune etc.).
22.5.3 Date asupra valorificării materialelor şi substanţelor din VSU Uleiul de ungere al motorului. Cercetările %demonstrează că 47% se
consumă în procesul de ardere în timpul funcţionării iar 53% rămâne sub formă de
ulei uzat, în care aditivii de origine se concentrează. O cantitate relativ redusă din
uleiul uzat poate fi regenerat şi stă la baza producerii de ulei nou. Cea mai mare
parte este valorificată energetic prin incinerare în cuptoare de ciment Puterea
calorică a uleiului uzat este estimat la 98% în raport cu cea a fracţiunilor grele din
petrol. O parte a uleiurilor uzate este reutilizată la fabricarea bitumului pentru asfalt.
Instalaţiile clasice de regenerare sunt de obicei puternic poluante şi de aceea se fac
numeroase eforturi pentru realizarea de noi instalaţii care să nu contribuie la
poluarea atmosferei;
Lichidul de răcire pe bază de etile-glicol este reciclat prin redistilare,
ultrafiltrare care permite separarea apei şi a impurităţilor apărute în timpul utilizării
(inhibitori de coroziune uscaţi şi particule solide desprinse de pe pereţii circuitului de
răcire.
Antigelul şi lichidul de frână nu pot fi reciclate satisfăcător pe baza
tehnologiilor existente în prezent. Producătorii de autovehicule întreprind numeroase
cercetări pentru a se pune la punct metode care să permită recuperarea parţială a
acestor tipuri de lichide.
Filtrele de ulei sunt centrifugate pentru extragerea uleiului rămas în materialul
filtrant. Uleiul obţinut şi cartuşul filtrant se utilizează în instalaţii de incinerare, la fel ca
uleiul recuperat din baie. Materialul metalic este de asemenea compactat şi reciclat
odată cu celelalte componente metalice.
Acumulatoarele. O cantitate redusă se reciclează prin comercializare imediată,
iar cea mai mare parte intră în procesul de reutilizare a acidului după golirea
acestuia. Plumbul din plăci este purificat şi rafinat apoi transformat în lingouri şi
utilizat la producerea acumulatoarelor noi.
Oţelul este recuperat în proporţie de 100%. Economia de energie realizată la
reciclare, în raport cu procesele primare este de 95% pentru aluminiu,90% pentru
PARTEA III – REDUCEREA POLUARII
548
zinc, 80% pentru cupru, în medie 35% pentru plumb. Aceste economi sunt însă
diminuate de cheltuielile care se fac cu transportul materialelor reciclate.
Filtrele catalitice permit recuperarea metalelor preţioase. Un catalizator
conţine 1,8g. din astfel de metale (1,5g de platină sau paladium şi 0,3g. rhodium).
Restul (corpul metalic din oţel inoxidabil) este reciclat obişnuit ca şi celelalte
componente din materiale feroase.
Componentele din plastic. Dificultatea de reciclare este dată de necesitatea
separării pe tipuri deoarece sunt numeroase variante diferenţiate de conţinut, aditivi
şi coloranţi. În ultima vreme s-au elaborat tehnologii de recuperare care permit ca
piesele să fie transformate în granule extrudate ale căror caracteristici corespund
aceloraşi exigenţe ca şi materialele noi şi în consecinţă sunt utilizate la fabricarea
componentelor autovehiculelor. Materialele compozite dure sunt transformate în
pulberi din care de asemenea se produc componente noi.
Piesele din materiale plastice ale VSU se pot utiliza şi direct în producţia de energie
termică unde asigură o putere calorifică de 45 MJ/kg.
Anvelope. Aproximativ 20% dintre acestea se reeşapează. Cea mai mare
parte este utilizată prin incinerare, pentru recuperarea energiei. Puterea calorifică
este comparabilă cu a cărbunelui superior, furnizând 30 MJ/kg . La fiecare tonă de
pneuri uzate se recuperează o cantitate de energie echivalentă cu ea obţinută prin
arderea a 0,7 tone de petrol. Aproximativ 8% din pneurile VSU sunt arse în
cuptoarele din industria cimentului. Totuşi, problemele puse de poluarea aerului prin
arderea anvelopelor rămân dificil de soluţionat. O cantitate de 3% este transformată
în pudră de cauciuc şi încorporată bitumului din covoarele asfaltice. Adaosul de
pudră de cauciuc conduce la o bună atenuare a zgomotului de contact pneu-şosea.
Reziduurile (fracţiunile) uşoare de la măcinare (amestec de plastic, sticlă,
materiale de lipit şi spume, cauciuc, textile). Eliminarea se face în general prin
incinerare in cuptoare de ciment sau prin depunerea la haldă. Părţile componente ale
amestecului au puteri calorifice de valori diferite; unele mai mici de 2000 kcal/kg iar
altele mai mari de 4500kcal/kg.
Textilele. Actualmente, majoritatea textilelor sunt distruse dar sunt în curs de
dezvoltare metode de reciclare a fibrelor textile care urmează a fi utilizate la
confecţionarea anumitor ţesături sau ca materiale de amestec şi umplutură.
VSU mai conţin în cantităţi însemnate sticlă şi componente electronice
(semiconductori, rezistenţe, conectori, cristale lichide etc.). În actuala fază de
Reciclarea vehiculelor rutiere
549
dezvoltare a tehnologiilor de recuperare acestea rămân practic nerecuperate fiind
destinate în final haldei de deşeuri.
22.6. STUDIU DE CAZ. RECICLAREA AUTOVEHICULELOR SCOASE DIN UZ CA
STRATEGIE POSIBILĂ A RESTRUCTURĂRII INDUSTRIEI AUTO DIN ROMÂNIA
22.6.1. Argumentare O concluzie care rezultă din analiza tuturor factorilor implicaţi în promovarea
gestiunii corespunzătoare a deşeurilor este aceea a unui decalaj pronunţat în
defavoarea gestionării VSU în raport cu cea a deşeurilor menajere şi industriale.
Institutul de Autovehicule Rutiere din Braşov, consideră că aceasta se datorează
faptului că în domeniu lipsesc procedurile, a căror deosebită însemnătate este dată
atât de complexitatea autovehiculelor cât şi de dificultatea evaluării stării tehnice a
componentelor dezmembrate. Pentru elaborarea procedurilor este necesar un studiu
preliminar, destinat să evidenţieze caracteristicile tip ale domeniului, puţin sau deloc
cunoscute în momentul de faţă. Este vorba de rentabilizarea activităţii prin asigurarea
materiei prime necesare şi asimilarea metodelor şi mijloacelor pentru dezmembrare
şi reciclare şi utilizarea unor metode pentru stabilirea stării tehnice a componentelor
care merită să fie valorificate ca atare. Studiul trebuie finalizat printr-un număr
suficient de proceduri, astfel încât se poate face o tranziţie relativ simplă la un proiect
de investiţii. În consecinţă, obiectivul specific al proiectului este constituit de
elaborarea procedurilor pentru gestionarea VSU. Realizarea unei lucrări cu un astfel
de obiectiv specific este justificată de observaţia că – la nivel naţional şi la nivelul
Regiunii 7 Centru unde activează Institutul - nu există unităţi specifice de gestionare
a VSU a căror activitate să se bazeze pe criterii demonstrate ştiinţific. Prin finalizarea
cercetărilor rezultă o metodologie specifică VSU alcătuită din proceduri aplicabile
activităţii principale de dezmembrare, evaluare, sortare şi tratare a componentelor
reutilizabile, de mare diversitate din componenţa subansamblurilor vehiculelor
(motorul şi instalaţiile anexe, transmisia, suspensia, direcţia, instalaţia electrică,
şasiul şi caroseria). Lucrarea permite şi pregătirea de alternative de abordare a
cerinţei Directivei 2000/53/CE, de colectare gratuită la nivelul ultimului deţinător,
astfel încât să se evite nemulţumiri sociale sau manifestări ostile. Această abordare
este în sensul respectării spiritului Programului PHARE CES şi anume acela de
PARTEA III – REDUCEREA POLUARII
550
realizare a Coeziunii Economice şi Sociale a României, în perioada de depunere a
unor eforturi deosebite pentru atingerea nivelului de dezvoltare a statelor membre ale
Uniunii Europene.
22.6.2 Concepţia unui proiect pregătitor pentru activitatea de investiţii În continuare este redată concepţia a patru activităţi principale desfăşurate
într-un proiect de investiţii. Acestea sunt: asigurarea materiei prime (VSU), evaluarea
pragului de rentabilitate la procesarea VSU, elaborarea procedurilor de determinare
a stărilor tehnice a componentelor şi stabilirea metodelor de dezmembrare şi
reciclare. Activităţile urmează a fi aplicate în practică prin intermediul unei unităţi
economice productive denumită Structură tehnico-economică regională pentru
valorificarea autovehiculelor scoase din uz. Realizarea de proceduri, în conformitate cu care urmează a fi gestionate VSU,
constituie de fapt studii de bază axate pe principii moderne, care se aplică în
proiectare. O astfel de optică proprie proiectului pregătitor este firească şi constituie
totodată un pionierat, astfel încât finalizarea cercetării va contribui şi la acumularea
unor cunoştinţe care nu se regăsesc în bibliografia de specialitate consultată şi nici
nu se pot obţine cu uşurinţă pe cale intuitivă. Aceste consideraţii demonstrează faptul
că proiectul pregătitor propus are o relevanţă corespunzătoare deoarece rezultatele
obţinute prezintă impact direct asupra sectorului de gestionare a deşeurilor. Prin
asistenţa financiară oferită Institutul de Autovehicule Rutiere Braşov, acesta va
contribui semnificativ la reducerea deşeurilor rezultate din VSU şi tratarea acestora
în mod corespunzător valorificării prin reciclarea materialelor şi a componentelor.
Semnificativă pentru relevanţa proiectului este şi baza de date creată la Institut din
care vor putea fi obţinute informaţii importante pentru autorităţile locale şi regionale şi
în egală măsură pentru agenţii economici care activează în domeniul producerii şi
exploatării mijloacelor de transport auto.
De asemenea, proiectul contribuie la îmbunătăţirea capacităţii IMM –urilor de
a gestiona mai bine problemele privind deşeurile, în acest caz în conformitate cu aria
de competenţă a elaboratorului proiectului. Finalizarea cercetărilor contribuie direct la
protecţia mediului, înlăturând atât deşeurile periculoase care provin de la vehiculele
uzate, cât şi acele componente care nu se degradează sau se degradează într-o
perioadă îndelungată. Proiectul furnizează un studiu direct legat de proiectul de
Reciclarea vehiculelor rutiere
551
investiţii a cărui rol este crearea structurii tehnico-economice propriu-zise pentru
valorificarea VSU.
După cum subliniază documentele referitoare la sistemele de gestiune a deşeurilor,
nu există sisteme documentate în domeniul VSU, agenţii economici care activează în
acest moment procedând de regulă la separarea materialelor metalice şi valorificarea
acestora prin topire. În acest fel şi prin acest procedeu se obţine în general
procesarea unui procent de aprox. 70% din masa autovehiculului. Restul de 30%
este destinat depozitelor de gunoi şi contribuie într-o măsură însemnată la poluarea
mediului ambiant.
Proiectul pregătitor contribuie la crearea unui sistem coerent pentru
desfăşurarea activităţilor de gestionare VSU prin intermediul unor proceduri puse la
punct ca urmare a finalizării cercetărilor din proiectul pregătitor.
Plecând de la premiza complexităţii deosebite a autovehiculelor rutiere şi a
dificultăţilor de gestionare avansată a VSU s-a ajuns la concluzia că studiul elaborat
în cadrul proiectului pregătitor trebuie să fie compus din activităţi finalizate cu
proceduri, care să sintetizeze modul de aplicare a rezultatelor proiectului pregătitor la
desfăşurarea proiectului de investiţii. Aceste activităţi sunt următoarele:
Activitatea 1: ASIGURAREA MATERIEI PRIME. Scopul este constituit de elaborarea
tuturor categoriilor de măsuri tehnice, economice şi civice pentru obţinerea VSU,
care constituie de fapt materia primă necesară aplicantului proiectului de investiţie şi
care în această fază de dezvoltare a domeniului se poate lovi de multiple dificultăţi
chiar dacă teritoriul este suprasaturat cu autovehicule cu vechime mai mare de 20 de
ani. La finalizarea acestei activităţi se realizează şi o bază de date pentru VSU
efective şi VSU potenţiale. Procedura prin care se reglementează metodele şi
mijloacele de asigurare a materiei prime necesare funcţionării continue a aplicantului
este denumită: ,, Asigurarea cu materie primă de tip VSU ” şi este integrată
sistemului documentat al calităţii, la fel ca toate celelalte proceduri din proiectul
pregătitor.
Activitatea 2 : EVALUAREA GRADULUI DE RENTABILITATE LA PROCESAREA
VSU.
Finalizarea acestei activităţi are o importanţă deosebită pentru realizarea
ulterioară a proiectului de investiţii care trebuie să stăpânească principalele
coordonate ale unei activităţi profitabile: categoriile şi cantităţile de materiale precum
şi categoriile şi cantităţile de componente obţinute prin gestionarea VSU, astfel încât
PARTEA III – REDUCEREA POLUARII
552
investiţia să poată fi dezvoltată în continuare. Totodată, informaţiile obţinute în cadrul
acestei activităţi constituie date de intrare pentru expertiza care se efectuează
obligatoriu în cadrul fiecărui VSU potenţial materie primă. Activitatea de planificare a
investiţiei trebuie se fundamenteze pe scenarii realiste bazate pe experienţa
anterioară a promotorului proiectului pregătitor. Procedura finală a acestei activităţi
este ,, Stabilirea costurilor pentru gestionarea VSU şi evaluarea rentabilităţii
activităţii”.
Activitatea 3: ELABORAREA PROCEDURILOR DE DETERMINARE A STĂRII
TEHNICE.
Concepţia din proiectul pregătitor admite că se poate obţine o valorificare
satisfăcătoare prin reutilizare numai la nivel de componente. Componentele sunt de
două categorii: prima cuprinde pe cele care nu merită expertizate nici în cazul unui
rulaj redus (lagăre, furtunuri de cauciuc şi conducte de frână, garnituri, organe de
asamblare – bolţuri, prezoane, etc.) şi componente care pot fi expertizate şi utilizate
ulterior chiar în condiţii de acordare a unei garanţii .
Activitatea se finalizează cu două proceduri: ,,Categorii şi condiţii de
expertizare a componentelor obţinute prin dezmembrare VSU ” şi ,, Metodă de
verificare şi certificare a stării tehnice a componentelor obţinute prin dezmembrarea
VSU ”.
Activitatea 4: STABILIREA METODELOR DE DEZMEMBRARE ŞI RECICLARE.
Pentru proiectul de investiţii, rezultatele acestei activităţi sunt cele mai
importante deoarece permit adoptarea locaţiei, a complexităţii şi a numărului de
echipamente necesare precum şi a dispozitivelor şi sculelor pentru asigurarea
desfăşurării continue şi rentabile a aplicaţiei. Din acest motiv este prevăzută o
procedură voluminoasă dar cu dispoziţii foarte clare, intitulată ,, Aplicarea metodelor,
mijloacelor şi tehnologiilor pentru dezmembrare şi reciclare componente VSU ”.
22.6.3 Proiect de investiţi pentru valorificarea proiectului pregătitor Obiectivele generale ale proiectului de investiţii al cărui rezultat este structura
tehnico-economică regională sunt următoarele:
Contribuie la aplicarea Directivei Uniunii Europene 2000/53/CE - Reciclarea
materialelor auto şi Normei ISO/ DIS 22628 - Vehicule rutiere. Reciclabilitate şi
Recuperare.
Reciclarea vehiculelor rutiere
553
Contribuie la realizarea obiectivelor şi ţintelor naţionale şi regionale din
PNGD si PRGD al Euroregiunii 7 Centru (extinderea sistemului de colectare a
deşeurilor şi creşterea coeficientului de selectare a acestora).
Obiectivul specific este reprezentat de exploatarea unei oportunităţi majore
create de apariţia unei pieţe potenţiale de mari dimensiuni pentru reciclarea VSU.
Aceasta piaţă s-a dezvoltat şi este de prevăzut să se dezvolte în continuare ca
urmare a existenţei unui număr de aproximativ 1,5 mil. de autovehicule Dacia şi alte
autovehicule produse în ţările Europei de Est, cu o vechime mai mare de 20 de ani,
precum şi a diverselor vehicule second-hand aflate în circulaţie sau abandonate de
peste 10 ani în România. Dintre autovehiculele care există pe teritoriul naţional,
aprox. 11,5% se află în cele 6 judeţe ale Regiunii 7 Centru. Datele din publicaţiile de
specialitate şi din mass-media vin în sprijinul concluziilor asupra rentabilităţii structurii
tehnico-economice dezvoltate pentru gestionarea VSU. Se vehiculează frecvent
ideea că odată cu integrarea în UE, cel puţin patru sute de mii de automobile vor fi
eliminate din circulaţie într-un timp foarte scurt. Prognoza are la bază evoluţia
costurilor asigurării obligatorii de răspundere civilă auto RCA, care de la 1 ianuarie
2007 are o valoare de 75 Euro / an, după care costurile vor evolua treptat spre 500
Euro şi chiar 1000 Euro/ an. Neplata taxelor va afecta nu numai cetăţenii care circulă
între graniţele Uniunii ci şi pe cei ai căror maşini, deşi staţionează, vor fi radiate din
circulaţie din motive de neplată a RCA.
Realizarea proiectului de investiţii ar aduce o contribuţie importantă la
eforturile care se fac în Regiunea centru pentru dezvoltare durabilă şi restructurare a
industriei auto. Etapele de dezvoltare a proiectului de investiţii sunt consecinţe ale
activităţilor prevăzute în proiectul pregătitor, aşa cum au fost prezentate mai sus. In
consecinţă, sunt nominalizate următoarele activităţi / etape ale proiectului de
investiţii:
Activitatea 1: Configurarea şi definitivarea cadrului pentru aprovizionarea ritmică cu
materie primă (VSU), asigurarea mijloacelor materiale şi a resurselor umane pentru
funcţionarea în condiţii de continuitate a sistemului creat;
Activitatea 2: Stabilirea volumului investiţiei în conjuncţie cu rezultatele obţinute prin
aplicarea procedurii privitoare la asigurarea cu materie primă de tip VSU;
Activitatea 3: Achiziţia echipamentelor recomandate în procedura de determinare a
stării tehnice a componentelor rezultate din dezmembrare;
PARTEA III – REDUCEREA POLUARII
554
Activitatea 4: Adoptarea locaţiei exacte şi achiziţionarea echipamentelor, în funcţie
de complexitatea şi cantitatea stabilită prin procedură, a dispozitivelor şi sculelor
necesare bunei desfăşurări a gestionării VSU;
Realizarea proiectului de investiţii corespunde concepţiei de bază a
Programului PHARE CES 2005: schema de investiţii pentru sprijinirea iniţiativelor
sectorului privat în domeniul gestionării deşeurilor. Pe de altă parte, obiectivele
proiectului corespund celor specifice, deoarece contribuie la îmbunătăţirea capacităţii
IMM-urilor, fie că este vorba de aplicaţia de la SC INAR SA Braşov, fie la alte
întreprinderi din Regiunea 7 Centru (sau chiar exterioare acesteia) de a gestiona mai
bine problemele privind diversitatea deşeurilor provenite de la VSU, aducând astfel o
contribuţie importantă la protecţia mediului. Specificitatea obiectivelor este
demonstrată de faptul că autovehiculele poluează mediul şi în timpul cât
funcţionează şi după ce resursa lor a fost epuizată, iar numeroase componente nu
sunt bio-degradabile sau sunt foarte greu degradabile.
Asimilarea activităţilor de reciclare constituie una dintre strategiile de
restructurare a industriei auto conform cu noile condiţii socio-economice ale
României. Rezultatele aşteptate sunt de natură tehnico –ştiinţifică, economică şi
socială. Informaţiile de natură tehnico – ştiinţifică rezultă cu claritate din conţinutul
procedurilor menţionate la subcapitolul de activităţi principale ale proiectului
pregătitor. Determinarea stării tehnice a componentelor poate furniza informaţii
importante privitor la modul de descreştere a rezistenţei în timp (Gassner). Bazat pe
o finalizare corectă a activităţilor 1 şi 2 este posibil să rezulte o activitate profitabilă
care să contribuie la finanţarea componentei de cercetare – dezvoltare la ale
institutului si elaborarea altor componente ale strategiei de restructurare în viitor. Din
punct de vedere social, proiectul contribuie la rezolvarea unor probleme importante
de dezvoltare durabilă a Regiunii 7 Centru.
Reciclarea vehiculelor rutiere
555
Bibliografie [1] http://europa.eu.int/comm/lisbon strategy/pdf15eu.pdf. [2] *** Vehicule scoase din uz – Date curente de bază reflectând contextul
ecologic şi economic general al problemei vehiculelor scoase din uz. Institutul
pentru Politici Europene de Mediu, 1996. [3] *** Vehicule scoase din uz, obligaţii mijloace şi căi de aplicare. Paris ADEME,
nov.2000. [4] Toniello, A. Poluarea produsă prin fabricaţia şi distrugerea infrastructurilor de
transport. Lyon, INRETS, sept 2001 [5] *** Directiva Comisiei Europene 2000/53 asupra vehiculelor la sfârşitul vieţii [6] Planurile Naţionale şi Regionale de Gestionare a Deşeurilor (PNGD şi
PRGD),2006.
PARTEA III – REDUCEREA POLUARII
556
CUPRINS PARTEA I A - COMBUSTIBILI ALTERNATIVI.........................................................................1 1. GAZUL PETROLIER LICHEFIAT.........................................................................................2
1.1. GENERALITĂŢI ........................................................................................................... 2 1.2. BENEFICII PENTRU MEDIUL ÎNCONJURĂTOR ŞI SOCIAL ............................. 4
1.3. BENEFICII ECONOMICE..................................................................................................5 1.4. ALTE BENEFICII...............................................................................................................6 1.5. DEZAVANTAJE GENERALE ALE GPL ............................................................................6 1.6. CONFIGURAŢII ALE VEHICULELOR CU GPL ................................................................6
1.6.1. Prima generaţie GPL ........................................................................................... 7 1.6.2. A doua generaţie GPL ......................................................................................... 9 1.6.3. A treia generaţie GPL .......................................................................................... 9 1.6.4. A patra generaţie GPL ....................................................................................... 10 1.6.5. A cincea generaţie GPL .................................................................................... 10
1.7.POLITICA UE ŞI GPL ................................................................................................ 10 1.7.1. Piaţa Uniunii Europene ...................................................................................... 10 1.7.2. În afara pieţei UE ................................................................................................ 11 1.7.3.Informarea despre GPL ...................................................................................... 11 1.7.4. Riscuri................................................................................................................... 12 1.7.5. Aspecte financiare .............................................................................................. 12 1.7.6. Diferenţe de preţ ................................................................................................. 13 1.7.7. Caracteristica de piaţă ....................................................................................... 13 1.7.8. Reglementări ....................................................................................................... 13 1.7.9. Constrângeri ale infrastructurii ......................................................................... 13
Bibliografie .......................................................................................................................... 15 2. GAZUL NATURAL..............................................................................................................16
2.1. INTRODUCERE......................................................................................................... 16 2.2. UTILIZAREA GAZELOR NATURALE .................................................................... 18
2.2.1. Motoare cu aprindere prin scânteie ................................................................. 20 2.2.2. Motoare cu aprindere prin comprimare........................................................... 20
2.3. SISTEMELE CU GAZ NATURAL COMPRIMAT (GNC) ..................................... 22 2.4. GAZUL NATURAL LICHEFIAT (GNL) ................................................................... 23 Bibliografie .......................................................................................................................... 24
3. PROBLEME SPECIFICE ALE UTILIZĂRII BIOCOMBUSTIBILILOR.................................26 3.1. INTRODUCERE......................................................................................................... 26 3.2. CARACTERISTICILE BIOCARBURANŢILOR...................................................... 26 3.3. PRODUCEREA BIOCOMBUSTIBILILOR PORNIND DE LA BIOMASĂ .......... 29
3.3.1. Alcoolii şi eterii lor............................................................................................... 29 3.3.1.1. Alcoolul etilic (etanol).................................................................................. 29 3.3.1.2. Alcoolul metilic (metanol) ........................................................................... 31 3.3.1.3. Fabricarea compuşilor oxigenaţi............................................................... 32
3.3.2. Uleiurile vegetale şi esterii lor........................................................................... 33 3.3.2.1. Uleiurile vegetale netransformate chimic ................................................ 33 3.3.2.2. Esterii uleiurilor vegetale ............................................................................ 33
3.4. UTILIZAREA BIOCARBURANŢILOR..................................................................... 34 3.4.1. Utilizarea alcoolilor şi a eterilor......................................................................... 34
3.4.1.1. Utilizarea compuşilor oxigenaţi în proporţii ridicate ............................... 34
Reciclarea vehiculelor rutiere
557
3.4.1.2.Utilizarea compuşilor oxigenaţi în proporţii reduse ................................. 35 3.4.1.3.Criteriile de utilizare a etanolului şi eterilor .............................................. 35 3.4.1.4. Bilanţul energetic......................................................................................... 36 3.4.1.5. Bilanţul de mediu......................................................................................... 37
3.4.2. Utilizarea uleiurilor vegetale şi a derivatelor lor în mac ................................ 38 3.4.2.1. Esterii uleiurilor vegetale ............................................................................ 38 3.4.2.2. Utilizarea de esteri în proporţii reduse ..................................................... 39 3.4.2.3. Utilizarea de esteri în proporţii ridicate .................................................... 40 3.4.2.4. Bilanţul energetic......................................................................................... 40 3.4.2.5. Bilanţul de mediu......................................................................................... 41
3.4.3. Utilizarea biogazului ........................................................................................... 42 3.4.3.1 Bilanţul economic ......................................................................................... 43 3.4.3.2. Bilanţul energetic......................................................................................... 43 3.4.3.3. Bilanţul ecologic........................................................................................... 44
Bibliografie .......................................................................................................................... 45 4. ALCOOLII...........................................................................................................................46
4.1 DEFINIŢII ŞI TIPURI .................................................................................................. 46 4.2 ALCOOLII ŞI DERIVAŢII LOR .................................................................................. 48
4.2.1. Etanolul ................................................................................................................ 50 4.2.2. Metanolul ............................................................................................................. 53
Bibliografie .......................................................................................................................... 55 5.ULEIURI VEGETALE ..........................................................................................................57
5.1. INTRODUCERE......................................................................................................... 57 5.2. TENDINŢELE ACTUALE ÎN EVOLUŢIA TRANSPORTURILOR....................... 57
5.2.1. Evoluţia cererii de transport în Europa............................................................ 57 5.2.2. Consumul de energie şi poluarea atmosferică .............................................. 58
5.3. CARACTERISTICILE DETERMINANTE ALE COMBUSTIBILILOR PENTRU PROCESELE DE AMESTECARE, AUTOAPRINDERE ŞI ARDERE....................... 60 5.4. TENDINŢE DE UTILIZARE A BIOCOMBUSTIBILILOR DIESEL ...................... 62
5.4.1. Ce este biocarburantul Diesel ? ....................................................................... 64 5.4.2. Comportarea biocarburanţilor Diesel în procesele de formare a amestecului aer-combustibil, ardere şi formare a emisiilor poluante .................... 66 5.4.3. Beneficiile utilizării biocarburanţilor Diesel ..................................................... 68
5.5. POLITICILE DE UTILIZARE A BIOCOMBUSTIBILILOR .................................... 69 5.5.1 Disponibilitatea materiilor prime pentru uleiurile vegetale ............................ 75 5.5.2. Caracteristicile materiei prime a biocarburanţior Diesel............................... 76 5.5.3. Efectele caracteristicilor materiei prime asupra proprietăţilor biocombustibililor Diesel ............................................................................................... 77 5.5.4. Tehnologii de obţinere a biocarburanţilor Diesel (Biodiesel) ....................... 82
5.6. CERCETĂRI PRIVIND UTILIZAREA BIOCARBURANŢILOR DIESEL ............ 85 5.6.1. Utilizarea amestecurilor motorină-biocarburant Diesel................................. 85 5.6.2. Utilizarea biocarburanţilor Diesel în stare pură (B100)................................. 86 5.6.3. Utilizarea uleiurilor vegetale pentru alimentarea motoarelor Diesel........... 86 5.6.4. Impactul utilizării biocarburanţilor Diesel asupra mediului ........................... 87
5.7. CONSIDERAŢII TEORETICE PRIVIND PROCESELE DIN CILINDRII MOTORULUI ...................................................................................................................... 89
5.7.1. Formarea amestecului în motoare cu aprindere prin comprimare ............. 89 5.7.1.1. Mişcarea aerului în camera de ardere a MAC........................................ 90 5.7.1.2. Pulverizarea combustibilului ...................................................................... 93 5.7.1.3 Factorii de influenţă ai calităţii pulverizării ................................................ 97
PARTEA III – REDUCEREA POLUARII
558
5.7.2. Autoaprinderea şi arderea amestecurilor aer-combustibil în motoarele Diesel............................................................................................................................... 98
5.7.2.1. Influenţa factorilor de stare ...................................................................... 101 5.7.2.2. Influenţa factorilor funcţionali .................................................................. 103 5.7.2.3. Influenţa factorilor constructivi ................................................................ 104
5.8. CONCLUZII............................................................................................................... 106 Bibliografie ........................................................................................................................ 107
6. BIOGAZUL .......................................................................................................................115 6.1. GENERALITĂŢI ....................................................................................................... 115 6.2.VALORIFICAREA BIOGAZULUI ............................................................................ 118 Bibliografie ........................................................................................................................ 120
7. UTILIZAREA HIDROGENULUI IN PILA DE COMBUSTIE ..............................................123 7.1. UTILIZAREA HIDROGENULUI IN TRANSPORT .............................................. 123 7.2. PILA DE COMBUSTIE ............................................................................................ 125
7.2.1. Pila de combustie alcalină (AFC)................................................................... 126 7.2.2. Pila de combustie cu acid fosforic (PCAF) ................................................... 127 7.2.3. Pila de combustie cu membrană schimbătoare de protoni........................ 129 7.2.4. Reactanţii utilizaţi în pila de combustie ......................................................... 131
7.3. ECHIPAMENTELE AUXILIARE PILEI DE COMBUSTIE .................................. 133 Bibliografie ........................................................................................................................ 134
8. UTILIZAREA HIDROGENULUI LA ALIMENTAREA MOTOARELOR CU ARDERE INTERNĂ..............................................................................................................................135
8.1. DE CE HIDROGEN? ............................................................................................... 135 8.2. ECONOMIA DE HIDROGEN ................................................................................. 136 8.3. DE CE HIDROGEN ÎN MOTOARELE CU ARDERE INTERNĂ? .................... 137 8.4. PROPRIETĂŢI RELEVANTE ALE HIDROGENULUI ........................................ 139 8.5. SINTEZĂ LITERATURĂ: CERCETAREA EXPERIMENTALĂ ......................... 140
8.5.1 Arderea anormală .............................................................................................. 140 8.5.2 Formarea amestecului ...................................................................................... 144 8.5.3 Strategii de control al sarcinii........................................................................... 146 8.5.4 MAS alimentate numai cu hidrogen................................................................ 147
8.6. LITERATURĂ DE SPECIALITATE:CERCETĂRI ANALITICE ......................... 150 8.7 STRUCTURA FLĂCĂRII ÎN MOTOARELE CU HIDROGEN............................. 152 8.8 CERCETAREA EXPERIMENTALĂ ....................................................................... 157
8.8.1. Istoria experimentelor ...................................................................................... 157 8.8.2 Motorul General Motors .................................................................................... 158
8.8.2.1 Cercetări Experimentale............................................................................ 158 8.8.2.2 Injecţia .......................................................................................................... 159 8.8.2.3 Aprinderea ................................................................................................... 161 8.8.2.4. Ungerea şi ventilaţia carterului................................................................ 163 8.8.2.5 Supraalimentarea ....................................................................................... 164
8.8.3 Motorul CFR ....................................................................................................... 165 8.8.3.1 Experimental ............................................................................................... 165 8.8.3.2 Rezultate obţinute pentru versiunile cu carburator ............................... 167 8.8.3.3 Rezultate obţinute pentru versiunile cu injecţie ..................................... 169 8.8.3.4. Strategii de reducere a NO BxB..................................................................... 176
8.8.4. Motorul Audi ...................................................................................................... 177 8.8.4.1 Cercetări experimentale ............................................................................ 177 8.8.4.2 Rezultate iniţiale ......................................................................................... 178 8.8.4.3 Munca actuală şi de viitor ......................................................................... 180
Reciclarea vehiculelor rutiere
559
Bibliografie ........................................................................................................................ 180 PARTEA A-II-A - EVALUAREA IMPACTULUI ASUPRA MEDIULUI ...................................187 9. POLUAREA MEDIULUI AMBIANT...................................................................................188
9.1. POLUAREA AERULUI ............................................................................................ 188 9.1.1. Dioxidul de sulf.................................................................................................. 189 9.1.2. Oxizii de azot..................................................................................................... 190 1.1.3. Particule în suspensie...................................................................................... 190 9.1.4. Ozonul ................................................................................................................ 191 9.1.5. Monoxidul de carbon (CO) .............................................................................. 192 9.1.6. Benzenul (CB6 BHB6 B)................................................................................................ 193 9.1.7. Hidrocarburile aromatice policiclice ............................................................... 193 9.1.8. Plumbul (Pb)...................................................................................................... 194 9.1.9. Cadmiul (Cd) ..................................................................................................... 194 9.1.10. Arsenicul (As), nichelul (Ni) şi mercurul (Hg)............................................. 195 9.1.11. Zincul (Zn) ....................................................................................................... 195 9.1.12. Dioxidul de carbon (CO B2 B) .............................................................................. 196 9.1.13. Alte tipuri de poluare ...................................................................................... 196
9.1.13.1. Poluarea fotochimică .............................................................................. 196 9.1.13.2. Ploile acide............................................................................................... 199
9.2. POLUAREA APELOR DE CĂTRE TRAFICUL RUTIER ................................... 200 Bibliografie ........................................................................................................................ 202 9.3. EMISIA SONORĂ PRODUSĂ DE AUTOVEHICULE ........................................ 204
9.3.1. Emisiile de zgomot ale motorului ................................................................... 204 9.3.2. Emisiile de zgomot ale sistemelor autovehiculului ...................................... 206
9.3.2.1. Transmisia autovehiculului ...................................................................... 206 9.3.2.2. Sistemul de frânare, direcţie, suspensie ............................................... 206 9.3.2.3. Caroseria .................................................................................................... 207 9.3.2.4. Caracteristicile drumului........................................................................... 207
9.3.3. Interacţiunea om - roată – drum..................................................................... 207 9.3.4. Reglementări privind emisia sonoră la autovehicule .................................. 207
Bibliografie............................................................................................................................209 9.4. COMPATIBILITATEA ELECTROMAGNETICA A AUTOVEHICULELOR ŞI A ECHIPAMENTELOR ELECTRICE/ELECTRONICE DE BORD .............................. 210
9.4.1. Informaţii generale............................................................................................ 210 9.4.1.1. Preambul .................................................................................................... 210 9.4.1.2. Definiţii ........................................................................................................ 210
9.4.2.“CEM” în proiectarea autovehiculelor............................................................. 211 9.4.3.“CEM” teorie generală....................................................................................... 212
9.4.3.1. Interferenţă electromagnetică ................................................................. 212 9.4.3.2. Nivelele de interferenţă – domeniul semnal+perturbaţii – limita nivelului perturbator................................................................................................. 215
În figura 9.4 este prezentată diagrama nivelelor relative “CEM” în dependenţă de frecvenţele câmpului electromagnetic (f). Diagrama defineşte domeniul de zgomot (perturbaţii), domeniul de securitate la perturbaţii şi domeniul de semnal şi zgomot. În diagramă se prezentă şi nivelele de zgomot, nivelul pragului de zgomot precum şi nivelul semnalului util........................................................................................................................... 216
9.4.3.3 Interferenţa “EMI” – metode de cuplare.................................................. 217 În figura 9.6.d2 sistemul perturbator (emiţător) ”I” şi sistemul perturbat (receptor) II nu trebuie privite în mod necesar ca antene de emisie /
PARTEA III – REDUCEREA POLUARII
560
recepţie. Interferenţa electromagnetică se poate realiza şi direct prin circuitele electrice care nu se prezintă în mod explicit ca antene. Căile de cuplaj deseori sunt determinate de un complex de combinaţii a celor patru (4) moduri de cuplaj prezentate şi este foarte dificil să se stabilească, care dintre acestea pot fi reduse (atenuate) pentru a se atinge performanţele prescrise ale echipamentelor electrice / electronice. ..................................... 222
9.4.3.4. Clasificarea stării de performanţă a funcţionării – niveluri de severitate a încercării ................................................................................................................ 223
9.3.4. Metode pentru reducerea interferenţelor electromagnetice ale autovehiculelor şi a dispozitivelor /echipamentelor lor electrice / electronice.... 225 9.4.5. Standarde „CEM” relevante ............................................................................ 227
Bibliografie ........................................................................................................................ 233 9.5. EFECTELE POLUĂRII............................................................................................ 234
9.5.1. Efectele asupra sănătăţii ................................................................................. 234 9.5.1.1. Efectele pe termen scurt .......................................................................... 234 9.5.1.2. Efectele pe termen lung ........................................................................... 236
9.5.2. Efectele asupra florei, faunei şi solului.......................................................... 240 9.5.2.1. Efectul asupra florei .................................................................................. 240 9.5.2.2. Poluarea în vecinătatea infrastructurii de transport ............................. 242 9.5.2.3. Contaminarea solului datorită infrastructurii de transport ................... 243 9.5.2.4. Contaminarea vegetaţiei datorită traficului rutier ................................. 244 9.5.2.5. Contaminarea faunei datorită traficului rutier........................................ 244 9.5.2.6. Efectele emisiilor transportului rutier asupra clădirilor ........................ 245
Bibliografie ........................................................................................................................ 247 10. LEGISLAŢIA REFERITOARE LA EVALUAREA IMPACTELOR DE MEDIU .................248
10.1. INTRODUCERE..................................................................................................... 248 10.2. OBIECTIVUL H.G. 1076/2004............................................................................. 249 Bibliografie ........................................................................................................................ 249
11. BAZELE TEORETICE ALE EVALUĂRII IMPACTULUI DE MEDIU ...............................250 11.1. PRINCIPIILE EVALUĂRII IMPACTULUI DE MEDIU (EIM)............................ 250
11.1.1. Natura evaluării impactului de mediu .......................................................... 250 11.1.1.1. Evaluarea impactului de mediu(EIM) - proces ................................... 250 11.1.1.2. Prezentarea impactului de mediu – documentaţie ............................ 251 11.1.1.3. Scopurile evaluării impactului asupra mediului .................................. 252
11.1.2. Proiectele de dezvoltare şi impactul de mediu .......................................... 254 11.1.2.1. Natura proiectelor de dezvoltare .......................................................... 254 11.1.2.2. Componentele si dimensiunile mediului .............................................. 257 11.1.2.3. Natura impactelor.................................................................................... 258 11.1.2.4. Cerinţele evaluării impactului de mediu .............................................. 260
11.1.3. Metodologia de realizare evaluării impactului de mediu .......................... 261 11.1.3.1. Elementele cadrului metodologic ......................................................... 262 11.1.3.2.Iniţierea evaluării ...................................................................................... 262
Bibliografie ........................................................................................................................ 263 11.2. IDENTIFICATEA IMPACTURILOR..................................................................... 264
11.2.1. Identificarea sistematică a impacturilor ...................................................... 264 11.2.2. Metodele şi tehnicile de identificare a impacturilor ................................... 265
11.2.2.1. Listele de verificare................................................................................. 265 11.2.2.2.Matricea ..................................................................................................... 266 11.2.2.3. Reţelele de identificare........................................................................... 269 11.2.2.4. Strategia de identificare a impacturilor de mediu .............................. 270
Reciclarea vehiculelor rutiere
561
Bibliografie ........................................................................................................................ 273 11.3. PARTICIPAREA PUBLICULUI ............................................................................ 274
11.3.1 Scopul şi obiectivele implicării publicului în evaluarea impactului asupra mediului ......................................................................................................................... 274 11.3.2. Comunicarea in procesul de evaluare a impactului.................................. 276
11.3.2.1. Informaţia în procesul de evaluare a impactului de mediu............... 276 11.3.2.2. Mecanismele de transfer ale informaţiei ............................................. 277
Bibliografie ........................................................................................................................ 278 11.4. METODOLOGIA DE PREVIZIUNE PROGNOZĂ ŞI METODELE UTILIZATE............................................................................................................................................ 279
11.4.1. Starea actuală................................................................................................. 279 11.4.2. Eşantionare ..................................................................................................... 280 11.4.3. Metodele de previziune ................................................................................. 281
11.4.3.1. Utilizarea experienţei acumulate prin extrapolare la situaţia curentă.................................................................................................................................... 282 11.4.3.2. Aprecierea experţilor .............................................................................. 282 11.4.3.3.Utilizarea experimentelor de laborator.................................................. 282 11.4.3.4. Utilizarea modelelor teoretice ............................................................... 282 11.4.3.5.Utilizarea modelelor cantitative .............................................................. 282 11.4.3.6.Utilizarea modelelor fizice....................................................................... 283
11.4.4. Efectele cumulate........................................................................................... 283 11.4.4.1 Metodele de evaluare a efectelor cumulate......................................... 284
11.4.5. Monitorizare..................................................................................................... 284 11.4.5.1. Influenţa factorilor instituţionali şi administrativi ................................. 285 11.4.5.2. Influenta factorilor metodologici ............................................................ 285
Bibliografie ........................................................................................................................ 286 11.5. EVALUARE............................................................................................................. 288
11.5.1. Metodele de evaluare monetare .................................................................. 289 11.5.1.1. Valoarea economică............................................................................... 289 11.5.1.2. Metodele de evaluare monetară........................................................... 291
11.5.2. Metode de evaluare nemonetare................................................................. 295 11.5.2.1. Metodele de evaluare tehnico-ştiinţifică .............................................. 295 11.5.2.2. Metodele de evaluare socio-economice.............................................. 297
Bibliografie ........................................................................................................................ 301 12. ELEMENTELE STUDIULUI PRIVIND EVALUAREA IMPACTULUI DATORAT TRAFICULUI RUTIER..........................................................................................................302
12.1. ORGANIZAREA STUDIILOR DE MEDIU LA NIVELUL TRANSPORTULUI RUTIER ............................................................................................................................. 302
12.1.1. Autostrăzi concesionate ................................................................................ 302 12.1.2. Străzi naţionale neconcesionate .................................................................. 302 12.1.3. Elementele studiilor preliminare................................................................... 303
12.1.3.1. Principii ..................................................................................................... 303 12.1.3.2. Sursele de date şi culegerea datelor ................................................... 304 12.1.3.3. Prelucrarea datelor ................................................................................. 304 12.1.3.4. Aria geografică de studiu ....................................................................... 305
12.2 CONŢINUTUL STUDIULUI DE MEDIU ÎN CAZUL INFRASTRUCTURII RUTIERE .......................................................................................................................... 306
12.2.1. Studiul de tip I ................................................................................................. 307 12.2.2. Studiul de tip II ................................................................................................ 307 12.2.3. Studiul de tip III ............................................................................................... 307
PARTEA III – REDUCEREA POLUARII
562
12.2.4. Studiul de tip IV............................................................................................... 307 12.3. CAZURI SPECIFICE............................................................................................. 308
12.3.1. Configuraţia de excepţie a reţelei rutiere urbane ...................................... 308 12.3.2. Cazul unor lucrări de anvergură .................................................................. 308 12.3.3. Cazul amenajărilor la străzi existente ......................................................... 308 12.3.4. Cazul existenţei culturilor agricole alimentare lângă infrastructura rutieră........................................................................................................................................ 308
12.4. MODELAREA EMISIILOR POLUANTE............................................................. 309 12.4.1. Modelarea traficului rutier ............................................................................. 309
12.4.1.1. În mediul urban........................................................................................ 309 12.4.1.2. În mediul interurban ................................................................................ 309
12.4.2. Limitele şi adaptarea modelelor de trafic.................................................... 310 12.4.2.1. Tipurile de autovehicule aflate în trafic ................................................ 310 12.4.2.2. Orizontul studiului ................................................................................... 311 12.4.2.3. Influenţa emisiilor datorate traficului rutier .......................................... 311 12.4.2.4. Compoziţia parcului de autovehicule ................................................... 312
12.4.3. Emisiile poluante datorate traficului rutier .................................................. 312 12.4.4. Modelarea concentraţiilor poluanţilor .......................................................... 314
12.4.4.1. Principiile de modelare........................................................................... 314 12.4.4.2. Condiţiile meteorologice......................................................................... 314 12.4.4.3. Descrierea fizică a zonei de studiu ...................................................... 316 12.4.4.4. Descrierea surselor de poluare............................................................. 316 12.4.4.5. Date necesare pentru modelare ........................................................... 317 12.4.4.6. Poluanţii .................................................................................................... 317
12.4.5. Modele utilizate............................................................................................... 318 12.4.5.1. Modelele matematice ............................................................................. 318 12.4.5.2. Modelele deterministe ............................................................................ 319 12.4.5.3. Modelele previzionale ............................................................................ 319
12.4.6. Descrierea modelelor deterministe.............................................................. 320 12.4.6.1. Modelul eulerian ...................................................................................... 320 12.4.6.2. Modelul lagrangian ................................................................................. 321 12.4.6.3. Modelul gaussian .................................................................................... 321 12.4.6.4. Modelul numeric 3D................................................................................ 322
12.5. CUPRINSUL STUDIULUI DE IMPACT.............................................................. 323 12.5.1. Descrierea principalelor capitole ale studiului de impact ......................... 323
12.5.1.1. Rezumat nontehnic al studiului de impact .......................................... 323 12.5.1.2. Aprecieri ale impactului asupra mediului............................................. 323 12.5.1.3. Autorii studiului ........................................................................................ 324 12.5.1.4. Studiul vast al variantelor ...................................................................... 324 12.5.1.5. Definirea soluţiei propuse ...................................................................... 324 12.5.1.6. Prezentarea proiectului supus anchetei cu efectele asupra mediului şi măsurile de inserţie ............................................................................................. 325 12.5.1.7. Costul măsurilor de inserţie................................................................... 325 12.5.1.8. Analiza metodelor de evaluare utilizate .............................................. 325 12.5.1.9. Efectele asupra sănătăţii ....................................................................... 325
Bibliografie ........................................................................................................................ 325 13. PROCEDURA DE REALIZARE A UNUI STUDIU DE IMPACT AL ZGOMOTULUI ASUPRA MEDIULUI ÎNCONJURĂTOR...............................................................................326
13.1. BAZA LEGALĂ PENTRU ZGOMOT................................................................... 326 13.2. SCOPUL STUDIULUI ........................................................................................... 326
Reciclarea vehiculelor rutiere
563
13.3. VALORILE LIMITĂ DE EXPUNERE LA ZGOMOT .......................................... 326 13.4. NIVELUL DE EVALUARE LBR B ............................................................................... 326 13.5. ETAPELE ÎNTOCMIRII STUDIULUI DE IMPACT AL ZGOMOTULUI ASUPRA MEDIULUI AMBIANT 327
13.5.1. Ancheta preliminară ....................................................................................... 327 13.5.2. Ancheta principală.......................................................................................... 328 13.5.3. Starea de referinţă ......................................................................................... 329 13.5.4. Determinarea stării viitoare fără instalaţie .................................................. 330 13.5.5. Starea viitoare cu instalaţie........................................................................... 330
Bibliografie ........................................................................................................................ 332 PARTEA A-III-A - REDUCEREA POLUĂRII ........................................................................334 14. MIJLOACE ACTIVE DE REDUCERE A EMISIILOR POLUANTE LA MAI ....................335
14.1. MIJLOACE DE REDUCERE ACTIVĂ A EMISIILOR POLUANTE LA MAS. 335 14.1.1 Schimbul de gaze ............................................................................................ 335 14.1.2. Utilizarea amestecurilor omogene ............................................................... 337
14.1.2.1. Injecţia de benzină .................................................................................. 337 14.1.2.2. Camera de ardere................................................................................... 338
14.1.3. Utilizarea amestecurilor stratificate ............................................................. 339 14.1.3.1. Camera de ardere divizată .................................................................... 339 14.1.3.2. Injecţia directă de benzină..................................................................... 340
14.1.4. Instalaţia de aprindere ................................................................................... 349 14.1.4.1. Sistemul PJC – aprinderea cu jet de flacără ...................................... 349 1.1.4.2. Sistemul APIR............................................................................................ 353 14.1.4.3. Aprinderea cu jet de plasmă ................................................................. 357
14.2. MIJLOACE DE REDUCERE ACTIVĂ A EMISIILOR POLUANTE LA MAC 358 14.2.1. Procesele de formare a amestecului aer combustibil şi arderea............ 359
14.2.1.1. Procesul de schimb al gazelor .............................................................. 359 14.2.1.2. Camera de ardere................................................................................... 362 14.2.1.3. Injecţia combustibilului ........................................................................... 363
1.2.2. Supraalimentarea MAC ................................................................................... 373 14.2.3. Răcirea intermediară ..................................................................................... 374 14.2.4. Recircularea gazelor arse ............................................................................. 375
Bibliografie ........................................................................................................................ 376 15. EMISIILE DATORATE CALITĂŢII COMBUSTIBILILOR ................................................383
15.1. BENZINA................................................................................................................. 383 15.2. MOTORINA ............................................................................................................ 384 Bibliografie ........................................................................................................................ 388
16. POLUAREA SONORĂ. ..................................................................................................389 16.1. GLOSAR ................................................................................................................. 389 16.2. ZGOMOTUL AMBIENTAL DIN MEDIUL ÎNCONJURĂTOR .......................... 389
16.2.1. Generalităţi ...................................................................................................... 389 16.3. SURSE DE POLUARE SONORĂ URBANĂ, INDUSTRIALĂ ŞI ÎN CONSTRUCŢII................................................................................................................. 395
16.3.1. Aspecte calitative şi cantitative cu privire la zgomot................................. 395 16.3.2. Zgomote şi vibraţii în aglomerările urbane ................................................. 396
16.3.2.1. Autovehicule ............................................................................................ 398 16.3.2.2. Construcţii ................................................................................................ 399
16.4. CALCULUL, MODELAREA ŞI MĂSURAREA ZGOMOTULUI AMBIENTAL400 16.4.1. Descrierea zgomotului în mediul înconjurător ........................................... 400
PARTEA III – REDUCEREA POLUARII
564
16.4.2. Cartografierea acustică ................................................................................. 401 16.4.2.1. Echipamente de măsurare a zgomotelor şi a vibraţiilor.................... 403
16.5. METODE DE COMBATERE A ZGOMOTULUI ................................................ 407 16.6. OBIECTIVE ŞI MĂSURI CU PRIVIRE LA ZGOMOT ...................................... 409 16.7. LIMITE ADMISIBILE ALE NIVELULUI DE ZGOMOT...................................... 410 16.8. MIJLOACE DE REDUCERE A EMISIILOR SONORE LA AUTOVEHICULE............................................................................................................................................ 411
16.8.1. Mijloace active de reducere a emisiei sonore la motor ............................ 411 16.8.2. Mijloace active de reducere a emisiei sonore la sistemele autovehiculului........................................................................................................................................ 416
Bibliografie ........................................................................................................................ 417 17. MIJLOACE PASIVE DE REDUCERE A EMISIILOR POLUANTE LA MAI ....................418
17.1. PROPRIETĂŢILE FIZICO – CHIMICE ALE GAZELOR LA IEŞIREA DIN MOTOARELE CU ARDERE INTERNĂ ....................................................................... 418 17.2. DISPOZITIVE DE TRATARE A GAZELOR DE EVACUARE......................... 419
17.2.1. Reactorul termic ............................................................................................. 419 17.2.1.1. Dispozitive pentru injecţia aerului secundar ....................................... 421
17.2.2. Convertorul catalitic ....................................................................................... 421 17.2.2.1. Bazele teoretice ale proceselor de conversie catalitică .................... 421 17.2.2.2. Convertorul catalitic dual ....................................................................... 425 17.2.2.3. Convertorul catalitic cu trei căi .............................................................. 425 17.2.2.4. Temperatura de intrare în activitate a materialului catalitic.............. 436
17.2.3. Catalizatori pentru tratarea gazelor net oxidante ...................................... 440 17.2.3.1. Reducerea selectivă non-catalitică ...................................................... 440 17.2.3.2. Reducerea catalitică non-selectivă ...................................................... 441 17.2.3.3. Reducerea catalitică selectivă .............................................................. 442
17.2.4. "Contaminarea" catalizatorului ..................................................................... 445 17.2.4.1. Contaminarea catalizatorului cu Pb ..................................................... 445 17.2.4.2. Contaminarea cu fosfor.......................................................................... 448 17.2.4.3. Contaminarea cu sulf ............................................................................. 448
17.2.5. Filtrul de particule ........................................................................................... 448 17.2.5.1. Mecanismele filtrării ................................................................................ 449 17.2.5.2. Filtrul cu reţinere mecanică ................................................................... 450 17.2.5.3. Filtrul de particule electrostatic ............................................................. 453
17.2.6. Regenerarea filtrelor ...................................................................................... 453 17.2.6.1. Regenerarea termică.............................................................................. 454 17.2.6.2. Regenerarea cu arzător cu flacără....................................................... 460 17.2.6.3. Regenerarea catalitică ........................................................................... 462 17.2.6.4. Regenerarea aerodinamică................................................................... 465
Bibliografie ........................................................................................................................ 466 18. MIJLOACE PASIVE PENTRU REDUCEREA ZGOMOTULUI LA AUTOVEHICULE.....469
18.1. MIJLOACE PASIVE DE REDUCERE A EMISIEI SONORE LA MOTOR .... 469 18.2. MIJLOACE PASIVE DE REDUCERE A EMISIEI SONORE LA SISTEMELE AUTOVEHICULULUI ...................................................................................................... 470 Bibligrafie .......................................................................................................................... 470
19. TEHNICI DE REDUCERE A POLUĂRII SONORE DATORATE TRAFICULUI RUTIER.............................................................................................................................................471
19.1. CONTROLUL AUTOVEHICULELOR................................................................. 471 19.2. CONTROLUL UTILIZĂRII TERENURILOR ...................................................... 472 19.3. PLANIFICAREA ŞI PROIECTAREA STRĂZILOR ŞI AUTOSTRĂZILOR ... 472
Reciclarea vehiculelor rutiere
565
19.3.1. Reducerea zgomotului pe străzile existente .............................................. 472 19.3.2. Reducerea zgomotelor pe străzile noi ........................................................ 475
Bibliografie ........................................................................................................................ 476 20. UTILIZAREA UNOR SISTEME MOTOPROPULSOARE ALTERNATIVE .....................477
20.1. INTRODUCERE..................................................................................................... 477 20.2. METODE UTILIZATE PENTRU A ECONOMISI COMBUSTIBIL .................. 478 20.3. ENERGIA VEHICULULUI – IDEI DE BAZĂ ...................................................... 479
20.3.1. Analiza pierderilor energetice şi analiza performanţelor .......................... 479 20.4. SISTEME DE PROPULSIE BAZATE PE MOTOARE CU ARDERE INTERNĂ............................................................................................................................................ 481
20.4.1. Introducere ...................................................................................................... 481 20.4.2. Variabilele generalizate ale motorului ......................................................... 482
20.5. MODELE DE SISTEME DE PROPULSIE ELECTRICA SI HIDRID-ELECTRICA ..................................................................................................................... 483
20.5.1. Sisteme de propulsie electrică ..................................................................... 483 20.5.2. Sisteme de propulsie hibrid electrice .......................................................... 484
20.5.2.1 Configuraţia sistemului ............................................................................ 485 20.5.2.2 Fluxul de putere........................................................................................ 489 20.5.2.3 Concepte realizate ................................................................................... 494
20.5.3 Bateriile ............................................................................................................. 495 20.5.4 Supercondensatori .......................................................................................... 499
20.6. MODELELE SISTEMELOR DE PROPULSIE HIBRID- INERTIAL ŞI HIBRID HIDRAULIC ...................................................................................................................... 500
20.6.1. Sisteme de stocare a energiei pe termen scurt......................................... 500 20.7. MODELE PENTRU SISTEMELE DE PROPULSIE CU PILE DE COMBUSTIE............................................................................................................................................ 504
20.7.1 Vehicule electrice cu pile de combustie şi vehicule hibride cu pile de combustie...................................................................................................................... 504 20.7.2. Concepte realizate ......................................................................................... 507
Bibliografie ........................................................................................................................ 508 21. AUTOVEHICULUL ELECTRIC ......................................................................................509
21.1. CARACTERISTICILE BATERIEI DE STOCARE A ENERGIEI ELECTRICE............................................................................................................................................ 509 21.2. TIPURI DE BATERII ............................................................................................. 510
21.2.1. Bateria Pb - acid ............................................................................................. 510 21.2.2. Bateria nichel-cadmiu .................................................................................... 511 21.2.3. Bateria sodiu - sulf ......................................................................................... 513 21.2.4. Bateria sodiu - clorură de nichel (Na-NiClB2 B) ............................................... 514 21.2.5. Bateria zinc - brom (Zn-Br) ........................................................................... 515 21.2.6. Bateria nichel-hidruri metalice ...................................................................... 515 21.2.7. Bateria litiu – ion (Li-ion) ............................................................................... 520 21.2.8. Bateria Zn - aer............................................................................................... 523 21.2.9. Bateria litiu - polimer ...................................................................................... 525
21.3. ALEGEREA CARACTERISTICILOR BATERIEI DE TRACŢIUNE................ 527 21.4. MOTORUL ELECTRIC DE TRACŢIUNE .......................................................... 528 21.5. INFRASTRUCTURA NECESARĂ ÎNCĂRCĂRII BATERIILOR AUTOVEHICULELOR ELECTRICE ............................................................................. 529 Bibliografie ........................................................................................................................ 531
22. RECICLAREA VEHICULELOR RUTIERE .....................................................................533 22.1. INTRODUCERE..................................................................................................... 533
PARTEA III – REDUCEREA POLUARII
566
22.2. RECICLABILITATEA PRODUSELOR INDUSTRIALE .................................... 534 22.3 CICLUL DE VIAŢĂ AL PRODUSELOR ŞI NIVELURILE ACESTUIA ............ 535 22.4. STRATEGII ALE ŢĂRILOR DIN UE ÎN DOMENIUL VSU .............................. 536
22.4.1 Activităţi impuse de sfârşitul ciclului de viaţă .............................................. 536 22.4.2 Legislaţia europeană privind VSU ................................................................ 537 22.4.3. Situaţia valorificării VSU în România .......................................................... 538 22.4.4. Strategii şi procese ale reciclării automobilelor scoase din uz................ 539
22.4.4.1 Refolosirea ................................................................................................ 540 22.4.4.2 Recondiţionarea (refabricarea) .............................................................. 541 22.4.4.3 Reciclarea materialelor ........................................................................... 542 22.4.4.4 Consum de energie şi recuperare ......................................................... 543
22.5 ACTIVITĂŢILE DE TRATARE ŞI VALORIFICARE A VSU.............................. 544 22.5.1. Succesiunea şi interdependenţa activităţilor în domeniul VSU .............. 544
Activităţi de valorificare ................................................................................................... 544 22.5.2 Etapele generale ale demontării şi valorificării VSU .................................. 545 22.5.3 Date asupra valorificării materialelor şi substanţelor din VSU ................. 547
22.6. STUDIU DE CAZ. RECICLAREA AUTOVEHICULELOR SCOASE DIN UZ CA STRATEGIE POSIBILĂ A RESTRUCTURĂRII INDUSTRIEI AUTO DIN ROMÂNIA ......................................................................................................................... 549
22.6.1. Argumentare ................................................................................................... 549 22.6.2 Concepţia unui proiect pregătitor pentru activitatea de investiţii ............. 550 22.6.3 Proiect de investiţi pentru valorificarea proiectului pregătitor................... 552
Bibliografie ........................................................................................................................ 555
top related