Capitolul 5 MIJLOACE DE REDUCERE A EMISIILOR POLUANTE LA M.A.S.

Exist 2 modaliti de reducere a emisiilor poluante: - acionnd la sursa (geneza) poluanilor; - realiznd o tratare a gazelor de evacuare (dup geneza noxelor);

5.1 ARHITECTURA CAMEREI DE ARDERE Arhitectura camerei de ardere manifest o influen considerabil asupra

proceselor de schimb de gaze i prin urmare asupra coeficientului de umplere, asupra micrii gazelor i schimbului de cldur la sfritul compresiei i asupra desfurrii proceselor de ardere.

1. O prim poziie a bujiei ce se caracterizeaz prin aceea c bujia e amplasat ntr-o zon cu volum liber relativ mare;

2. O a doua poziie a bujiei ce se caracterizeaz prin faptul c bujia e amplasat ntr-o zon relativ ngust a camerei de ardere;

- cantitatea de cldur relativ degajat n funcie de unghiul ; n consecin, n cazul 1 procesul de ardere va antrena mase importante de

amestec iniial nc de la nceput. n schimb, n cazul 2, n prima parte a procesului de ardere vor putea fi antrenate cantiti mai reduse de amestec iniial.

n cazul 1 cantitatea de NOx va fi mai mare dect n cazul 2 deoarece reaciile de formare a NOx se vor dezvolta ntr-un volum mai mare implicnd o cantitate mai mare de substane.

n cazul 1, deoarece viteza de ardere e ridicat la nceputul acestui proces va rezulta o cretere mai rapid a presiunii din cilindrii, n aceast perioad pistonul aflndu-se n cursa ctre PMI, comprimnd gazele de deasupra sa. Va rezulta i o valoare mai mare a presiunii maxime pe ciclu, fapt care nseamn o comprimare mai puternic a primelor trane de gaze arse i implicit o cretere a regimului lor termic, deci o cretere a [NOx].

STRATIFICAREA AMESTECULUI LA MAS A fost conceput n urmtoarele scopuri:

- reducerea consumului de combustibil i a emisiei de CO2 prin utilizarea amestecurilor srace;

- asigurarea funcionrii stabile a m.a.s. cu amestecuri srace. Atunci cnd m.a.s. funcioneaz cu amestecuri srace i foarte srace are loc o amplificare puternic a fenomenului de dispersie ciclic, fapt care duce la o funcionare instabil a motorului; stabilizarea funcionrii se realizeaz prin utilizarea unor amestecuri bogate n prima perioad a procesului de ardere (formarea i stabilizarea nucleului de flacr)

- reduce emisia de NOx, CO i cea de HC;

Consumul scade deoarece: - Motorul funcioneaz cu amestecuri srace i foarte srace; - Cldura Q transferat la perete e mai redus:

o Tgaze din compartimentul principal al camerei de ardere e mai redus datorit >1;

o mbuntirea randamentului indicat prin crearea unui strat izotermic de aer i gaze arse care nfoar zona nucleului de flacr i a gazelor care ard, reducnd transferul de cldur la perei.

NOx scade deoarece: - n zona vecin bujiei, acolo unde se genereaz cele mai mari cantiti de NOx,

amestecul e bogat; geneza NOx e frnat prin lips de O2; - regimul termic al gazelor este mai redus.

CO scade deoarece motorul funcioneaz cu amestecuri srace i foarte srace

HC are o evoluie care depinde de modul de realizare a stratificrii amestecului proaspt.

CVCC (Compound Vortex Controlled Combustion Honda)

Modaliti de formare i stratificare a amestecului (ghidarea cu peretele, ghidarea cu aerul i ghidarea jetului)

Aa numitul sistem de ghidare cu peretele const n interaciunea jetului de combustibil cu pereii camerei de ardere i cupei din capul pistonului. Micarea ncrcturii din cilindru faciliteaz formarea amestecului cu combustibilul depozitat pe suprafaa cupei pistonului. Aceast soluie este dezavantajoas prin creterea semnificativ a emisiei de HC. De aceea s-a dezvoltat o alt soluie a crei particularitate const n aceea c se evit, pe ct posibil, contactul jetului de combustibil cu pereii. Acest lucru se poate realiza printr-o micare intens i controlat a ncrcturii din cilindru prin vrtejurile de rostogolire (tumble motion), aa numitul sistem de ghidare cu aerul. n figura urmtoare se prezint principiul acestui

sistem de ardere ntr-o seciune longitudinal a camerei de ardere. Desenul conine i un dispozitiv de variere a intensitii micrii ncrcturii proaspete, care n poziia activat permite creterea intensitii vrtejurilor de rostogolire la funcionarea cu amestecuri srace, iar n poziia dezactivat permite umplerea complet la funcionarea la plin sarcin. Exist un singur nivel optim al vrtejurilor de rostogolire pentru diferite sarcini pariale de funcionare. Aceasta permite realizarea unui dispozitiv care sa asigure dou trepte ale nivelului micrii de vrtej.

Procedeul de stratificare a amestecului prin ghidarea cu aerul a jetului de combustibil injectat direct n cilindru, la un unghi de 22,5 fa de orizontal, este utilizat de noul motor FSI de 2 l, cu 4 supape pe cilindru. Cupa din piston este astfel profilat nct s genereze vrtejul de rostogolire necesar ghidrii jetului spre bujie la momentul declanrii scnteii electrice. Un alt avantaj important al motorului cu aprindere prin scnteie cu injecie direct, DISI, const n sensibilitatea mic la condiiile de funcionare. Aceasta poate fi evaluat prin varierea avansului la scnteie i la injecie.

Stratificarea amestecului prin ghidarea jetului de combustibil de ctre peretele constituit de profilul din capul pistonului are dezavantajul formrii unei pelicule de combustibil pe capul pistonului, ceea ce intensific fenomenul SFP, deci n acest caz emisia de HC e mai consistent. n celelalte dou situaii acest neajuns e nlturat, ba chiar se realizeaz o anvelop de aer n jurul masei vaporilor de benzin. Fenomenul SFP va fi astfel diminuat foarte mult. De asemenea, aceast anvelop poate constitui un strat izolator termic ntre gazele care ard i pereii camerei de ardere; cldura transferat la perei se reduce astfel nct crete randamentul indicat.

Stratificarea amestecului prin ghidarea cu aerul la motorul Audi FSI

n domeniul sarcinilor pariale, motorul funcioneaz cu amestec stratificat i

complet neobturat. Clapeta din conducta de admisiune de control al vrtejului este nchis. Injecia direct a benzinei se produce la sfritul cursei de comprimare astfel nct s se asigure norul de amestec inflamabil n preajma bujiei. La sarcini pariale mai mari, motorul funcioneaz cu amestecuri srace omogene, ceea ce permite realizarea unor economii suplimentare de combustibil fr a se forma funingine n exces. Clapeta de vrtej din admisiune este deschis, iar injecia direct a benzinei se produce n cursa de admisiune, pentru a asigura timp suficient omogenizrii amestecului. De asemenea, aceast strategie permite funcionarea motorului aproape fr s se apeleze la controlul prin obturator. Trebuie menionat faptul c se controleaz compoziia amestecului i prin utilizarea pe scar larg a recirculrii gazelor de evacuare. Performanele de economicitate ale acestui procedeu de formare a amestecului depind de strategia de funcionare.

Strategia de funcionare a motorului DISI VW

Optimizarea schimbului de gaze, prin utilizarea distribuiei variabile i a

geometriei colectorului de admisie poate mbunti comportarea la regimurile de plin sarcin. Majoritatea motoarelor GDI (Gasoline Direct Injection) actuale s-au dezvoltat pe baza cerinei de a realiza schimburi minime la motorul MPI aflat n producie. Aceasta poate produce un potenial de economicitate promitor, dar insuficient, pentru a realiza economii de 20%, ct se cere pentru reducerea emisiei de CO. n consecin este nevoie s se combine injecia direct cu alte soluii tehnologice pentru randamente nalte (reducerea cilindreei, supraalimentare i raport de comprimare variabil). Primele motoare GDI cu amestec stratificat realizate n Japonia i Europa au provenit din versiunile MPI. Din intenia de a nu schimba mult liniile tehnologice a rezultat poziionarea lateral nclinat a injectorului, ntre supapele de admisie, aproape de garnitura de chiulasa. Distana mare dintre injector i bujie necesit o geometrie special a capului pistonului i a micrii aerului, pentru a asigura transportul amestecului spre bujia central i stabilizarea stratificrii.

Sistemul cu ghidarea jetului - adesea numit a 2-a generaie de GDI ofer noi posibiliti de stratificare i de reducere a consumului. Injectorul de nalt presiune este amplasat n centrul camerei de ardere. Combustibilul este injectat vertical spre cavitatea din piston, iar stratificarea amestecului este asigurat prin vrtejul de rotaie generat prin geometria sistemului de distribuie.

Aceast configuraie ofer un control mai bun al amestecului aer-combustibil dect sistemul cu amplasarea lateral a injectorului care este geometric limitat. Noul sistem permite arderea amestecurilor foarte srace (raportul aer/combustibil ajunge pn la 65:1) tolernd EGR pn la 50%. Se nregistreaz o reducere a consumului

de combustibil de pn la 30% i totodat, emisii sczute de NO. Emisiile de HC sunt semnificativ mai reduse dect la sistemul cu ghidarea la perete sau a curentului.

mbuntirea consumului se datoreaz pierderilor mai mici de cldur la perei, iar emisiile mai mici de HC sunt rezultatul mbuntirii procesului de ardere. Oricum, cerinele fa de injector sunt mult mai sofisticate dect la generaia 1 a GDI. Datorita spaiului mai mic dintre injector i bujie timpul de formare a amestecului este redus. Astfel stratificarea amestecului este controlat n principal de ctre injector i mai puin de micarea aerului i, n consecin, mult mai sensibil la variaiile performanelor injectorului. Oricum, micarea variabil a aerului i presiunea de injecie mai mare mbuntesc formarea amestecului. Poziionarea central a injectorului necesit modificri importante ale chiulasei motorului GDI din prima generaie. Regimul termic al injectorului plasat central este mult mai ridicat i, n consecin, mult mai critic n ceea ce privete formarea depunerilor. Cheile care pot impune sistemul GDI cu ghidarea jetului constau n evitarea depunerilor pe injector, creterea robusteii i a performanelor acestuia, precum i a sistemului de aprindere. Emisiile mai reduse ale motorului GDI cu ghidarea jetului se datoreaz condiiilor mult mai favorabile de tratare a gazelor de evacuare srace.

n cazul motoarelor care funcioneaz cu amestecuri stratificate la sarcini mici

i mijlocii i amestecuri omogene la sarcini mari strategia funcionrii e urmtoarea:

la sarcini mici i mijlocii clapeta de acceleraie e complet deschis, iar reglarea sarcinii se face prin modificarea dozei de combustibil pe ciclu.

trecndu-se de la m..g. la sarcini pariale mici i apoi mijlocii, amestecul devine mai puin srac, apropiindu-se de valoarea 1. n acest fel motorul funcioneaz economic i cu emisii de noxe modeste. La sarcini mari, pentru a se obine performanele energetice superioare, amestecul devine stoichiometric. Reglarea sarcinii se realizeaz prin reglarea deschiderii clapetei de acceleraie; n zona inferioar a sarcinilor mari clapeta trece de la complet deschis, cum a fost la sarcini medii, la o deschidere parial. Apoi, pe msura creterii n continuare a sarcinii clapeta se va deschide ajungnd din nou la deschidere total pentru regimul de plin sarcin.

5.2 Distribuia

Sarcini pariale Injecie ntrziat, la finele comprimrii

= 1,5 3 Clapeta deschis

Sarcini mari

Injecie n admisie

= 1 Clapeta variabil

deschis

Poziia clapetei obturatoare

nchis

Poziia pedalei de acceleraie

Poziia pedalei de acceleraie

1

5.3 Recircularea gazelor de evacuare

Funcionarea E.G.R. Se utilizeaz pentru reducerea NOx, n special la MAC. La m..g. i sarcini mici, recircularea gazelor de evacuare trebuie evitat pentru a nu neuniformiza funcionarea motorului sau pentru a nu se produce chiar oprirea lui. De aceea, pe traseul dintre galeria de evacuare i cea de admisie se introduce o supap. Aceasta poate fi pneumatic sau electric. n prima variant supapa conine o capsul divizat n 2 compartimente de ctre o membran cu arc. Att timp ct depresiunea de deasupra membranei, preluat dintr-o zon a admisiei amplasat n amonte de clapeta de acceleraie, nu e suficient de puternic, fora elastic a arcului nu poate fi nvins i supapa rmne nchis. La sarcini mijlocii i mari clapeta de acceleraie se deschide permind propagarea depresiunii i n amontele su. Aceast depresiune va nvinge fora elastic a arcului, membrana

supapei se va deforma i supapa se va deschide realizndu-se recircularea gazelor de evacuare. Recircularea gazelor de evacuare e benefic din punct de vedere al emisiei de NOx. Gazele de evacuare sunt n cea mai mare parte gaze inerte pentru procesul de ardere. Ele vor constitui o frn care va ine sub control temperaturile din cilindru n timpul arderii. n plus gazele arse recirculate ocup un volum din cilindrul motorului care ar fi putut fi ocupat de aer, reducndu-se astfel i cantitatea de O2. Mecanismul Zeldovici (de formare a NO) va fi astfel frnat prin limitarea temperaturii i reducerii [O2].

5.4 Reactor termic Este un dispozitiv care nlesnete desfurarea reaciilor de postardere a HC n evacuare. Const dintr-un recipient format din mai muli cilindrii coaxiali izolai termic fa de mediul ambiant. Reactorul termic este amplasat la ieirea gazelor din chiulas. El oblig gazele s realizeze un parcurs relativ lung, labirintic, n interiorul su astfel nct gazele de evacuare s evolueze ntr-o zon cu temperaturi ridicate ct mai mult timp posibil. Cilindrii interior i exterior sunt astupate la capete dar au orificii radiale pentru vehiculare gaze arse. Cilindrul exterior este prevzut cu izolaie termic (scut termic). Pentru a favoriza reaciile de oxidare se aduce printr-o pomp suplimentar de aer debit de aer (pentru a accelera reaciile de postardere a HC n poarta supapei este pompat aer condiionat care va ptrunde n reactorul termic mpreun cu gazele de evacuare; se realizeaz astfel condiiile necesare postarderii HC: evoluia gazelor de evacuare ntr-un spaiu fierbinte o perioad relativ lung de timp i existena O2 necesar arderii.) La unele motoare e posibil ca reactorul termic s lipseasc, dar s existe sistemul injeciei de aer n evacuare. Aerul se filtreaz pentru a nu deteriora pompa. Are drept scop reducerea [HC] i eventual cele de [CO]. Funcioneaz ntre 900-10000C; material anticoroziv; rezisten la oboseal termic i mecanic.

Reactor termic pentru oxidarea CO i HC

5.5. Reactor catalitic Au scop reducerea [NOx], [HC] i [CO] prin tratarea gazelor de evacuare. - TWC = Three Way Catalyst, catalizator tricomponent.

a) Oxidarea HC:

CmHn + (m + 1/4n)O2 mCO2 + n H2O CmHn + 2m H2O mCO2 + (2m + 1/2n)H2

b) Oxidarea CO: CO + O2 CO2 CO + H2O CO2 + H2

c) Reducerea NO: NO + CO N2 + CO2 (2m + 1/2n)NO + CmHn (m + 1/4n)N2 + n H2O + mCO2 NO + H2O N2 + H2O + O2

t = 900 1000OC Material anticocoziv i rezistent la oboseal termic i mecanic Aliaje Cr Ni: 20% Cr, 32% Ni

Condiii pentru realizarea acestor reacii: t = 300 850OC; Existena O2; Existena elementelor catalitice (platin, rhodiu, paladiu) Strat catalitic

Strat intermediar cu promotori (pmnturi rare) Suport ceramic (Cordierit: MgO + Al2O3 + SiO2) Suport ceramic: 62 canale / cm2; perei 0,12 0,15 mm. La 1 dm3 / 15 cm lungime: 4100 canale i 3m2 suprafaa interioar.

Strat intermediar pmnturi rare: mrete suprafaa de 7000 ori, pn la aproximativ 20.000 m2.

Strat catalitic Platin, Rhodiu, Paladiu 2g/ 1 dm3

Construcia catalizatorului

La exterior are un nveli dintr-un material de protecie la ocuri (scut de amortizare termic i mecanic); Reactorul catalitic este montat n interiorul suportului metalic (tob catalitic).

Epurarea NOx este eficient n zona amestecurilor bogate, iar a HC i CO n zona amestecurilor srace. n zona amestecurilor stoichiometrice, rata de conversie a tuturor noxelor este ridicat.

Catalizator cu monolit ceramic (jos stnga), filtru de particule (sus), catalizator cu monolit

metalic (jos dreapta) [www.e-automobile.ro]

Nivelul emisiilor poluante ale unui automobil n funcie de tipul amestecului aer-combustibil:

a.fr catalizator; b.cu catalizator Funcionarea optim a reactorului catalitic se realizeaz atunci cnd motorul

utilizeaz cu amestec stoichiometric. n aceast situaie rata de conversie e ridicat pentru toate cele 3 tipuri de noxe. La amestecuri srace conversia e sczut pentru HC i CO, iar la amestecuri bogate e sczut pentru NOx. Rezult o cerin creia trebuie s i rspund sistemul de alimentare: funcionarea motorului cu amestec stoichiometric. Reglarea sistemului de alimentare pentru a ndeplini aceast cerin nu poate fi realizat manual, ci doar n mod automat. E necesar un dispozitiv, care s identifice regimul de funcionare cu =1. Acesta este traductorul de O2, cunoscut sub denumirea de sonda lambda. Traductorul de oxigen (Sonda lambda)

ZrO2

Straturi din platin poroas

Principiul se bazeaz pe o proprietate a materialului ceramic ZrO2 (bioxid de zirconiu). Acesta devine permisibil la ioni de O2, exact n zona n care =1. n aceast zon ( =0,98..1,02) are loc o evoluie rapid de la permeabilitate la opacitate fa de ionii de O2.

Dispozitivul are ca element central o teac cvasicilindric din ZrO2. Pe suprafeele interioare i exterioare sunt depuse 2 staturi din platin poroas. Platina rezist oxidrii chiar la temperaturile ridicate ale gazelor de evacuare iar porozitatea ei permite ionilor de O2 s o traverseze. Aceast pies e introdus n eava de eapament n amontele (sau i n avalul) reactorului catalitic. Stratul exterior de Pt e n contact cu masa motorului prin intermediul corpului traductorului, iar stratul interior e pus n legtur cu blocul de comand (ECU).

Interiorul tubului comunic cu aerul atmosferic, iar exteriorul e splat de gazele de evacuare. Deoarece n aer [O2] e mai mare dect n gazele de evacuare va avea loc un transfer al acestora dinspre interiorul ctre exteriorul tubului, conducnd la acumularea unei diferene de potenial ntre cele 2 straturi de Pt. Aceast diferen de potenial e msurat de ctre ECU. Caracteristica de tensiune a traductorului de O2 nregistreaz o cdere abrupt n zona =1. La amestecuri bogate, cnd fluxul ionilor de O2 e intens, tensiunea se apropie de 0,9V, iar la amestecuri srace, cnd [O2] din gazele de evacuare se apropie de cele din aer, tensiunea scade la V. Panta foarte abrupt din jurul =1 face ca traductorul de O2 s aib o foarte mare sensibilitate exact n zona de interes. Pentru ca traductorul de O2 s funcioneze e necesar ca el s ating valoarea de minim 280 300

0C, cnd ionii de O2 pot traversa ZrO2, rezultnd c imediat dup pornirea motorului rece traductorul de O2 nu funcioneaz o perioad de timp. Pentru a scurta aceast perioad el e prevzut cu un rezistor electric.

Sistemul funcioneaz n regim dinamic nu static, fiind un sistem de autoreglare n bucl nchis.

'

''

2

2lnO

O

sp

pTkU

La temperaturi mai mari de 3000C, ZrO2

devine permeabil la ionii de oxigen.

Curba de variaie a tensiunii la bornele senzorului de oxigen cu ZrO2

Catalizatorul cu stocare de NOx

La utilizarea amestecurilor srace o problem specific o constituie reducerea emisiei de NOx. Pentru aceasa se utilizeaz sisteme de stocare a NOx.

1o Stocarea NO > 1 2NO + O2

Pt, Rh 2 NO2; 2 BaCO3 + 4NO2 + O2 2Ba(NO3)2 + 2CO2;

2o Regenerare < 1 2Ba(NO3)2 2BaO + 4NO2 + O2; 4C3H6 + 18NO2 12CO2 + 12H2O +9N2; 4CO + 2NO2 2CO2 + N2; 4H2 + 2NO2 8H2O + N2; BaO + CO2 BaCO3 C3H6 propilen (propen)

Nivelul optim al temperaturilor gazelor de evacuare la intrarea n catalizatorul de NOx

este de 200oC 400oC.

n perioadele scurte de regenerare, ajunge la 0,72.

Recircularea gazelor de carter

Gazele de carter sunt bogate ndeosebi n HC provenite din stratul limit de pe cilindru i din crevasa dintre capul pistonului i cilindru. De aceea, carterul nu tebuie aerisit direct n atmosfer. La turaii mici, depresiunea din spatele clapetei (care e aproape nchis) face ca mai multe gaze de carter s intre n spatele clapetei.

padm pcarter Qgaze cart

rez funcionare neuniform

Eliminarea gazelor din carter se realizeaz prin recircularea gazelor de carter n cilindru, vezi figura:

Recircularea gazelor de carter in cilindru

Soluia nu este nou, dar a devenit aplicabil pe scar larg relativ recent, cnd s-a elaborat un sistem de control SC al debitului de aer. La mers n gol i la sarcini i turaii mici, sub aciunea depresiunii din conduct o mare cantitate de aer din carter trece n cilindru i srcete exagerat amestecul.

a) b)

c)

Figura 4. Supap de reglaj al debitului gazelor de carter recirculate La sarcini mari cresc scprile de gaze n carter, dar depresiunea n conducta

de admisiune e mic i ventilaia carterului este insuficient. Dispozitivul de control, pe care l putem vedea in figura 4 a), este alctuit din supapa 1, montat n camera 2 i acionat de arcul 3. n corpul supapei se practic dou canale perpendiculare, 4 i 5. Iar cnd motorul nu funcioneaz, supapa este n poziia a). Se poate observa c la mers n gol i sarcini mici, supapa se deplaseaz complet spre dreapta, vezi figura b), sub aciunea depresiunii, iar debitul gazelor de carter este controlat de canalul central 4, cu seciune mic. La sarcini mari i depresiuni mici supapa are o poziie intermediara, vezi figura c), i ofer o seciune sporit care mrete debitul gazelor de carter.