curs poluare
TRANSCRIPT
Prof. univ. dr. ing. Florian IVAN
DEPOLUAREA AUTOMOBILELOR
Suport de curs
1
Introducere
CUPRINS.............................................................................................................................................11. INTRODUCERE..............................................................................................................................2
1.1 Noţiuni introductive - poluarea..................................................................................................22. POLUAREA AUTOMOBILELOR. NORME DE POLUARE. NECESITATEA REDUCERII POLUĂRII...........................................................................................................................................6
2.1. Normele europene de poluare....................................................................................................82.2. Normele de emisii în Statele Unite ale Americii.....................................................................152.3. Legislaţia şi reglementările în India........................................................................................162.4. Norme de poluare în Japonia...................................................................................................172.5. Comparaţie între normele de emisii ale diferitelor regiuni din lume......................................18
3. STADIUL ACTUAL......................................................................................................................213.1 Catalizatorul.............................................................................................................................21
3.1.1. Catalizatorul cu 3 trepte...................................................................................................223.1.2. Catalizator cu 2 trepte.......................................................................................................233.1.3. Dezactivarea catalizatoarelor:..........................................................................................233.1.4. Date tehnice......................................................................................................................24
3.2. Senzori de temperatură (EGT – Exhaust Gas Temperature)...................................................253.3. Senzori de oxigen (Sonda Lambda)........................................................................................263.4. Senzori NOx.............................................................................................................................283.5. Filtru de particule....................................................................................................................283.6. Sistemul de recirculare a gazelor (EGR).................................................................................293.7. AdBlue.....................................................................................................................................31
3.7.1. AdBlue. O substanţă naturală, existentă în mediul înconjurător......................................313.7.2. Sistemul de evacuare pentru un motor EURO 5 cu AdBlue............................................32
4. TRASEUL DE EVACUARE.........................................................................................................364.1. Generalităţi..............................................................................................................................364.2. Descrierea şi elementele componente ale eşapamentului........................................................364.3. Acordarea eşapamentului cu motorul......................................................................................394.4. Diametrul mic al tuburilor traseului de eşapament.................................................................404.5. Diametrul mare al tuburilor traseului de eşapament:..............................................................40
5. EVACUAREA GAZELOR. GRADUL DE PERFECŢIUNE A EVACUĂRII............................41BIBLIOGRAFIE................................................................................................................................45
4
1. INTRODUCERE
1.1 Noţiuni introductive - poluarea
Poluarea reprezintă contaminarea mediului înconjurător cu materiale care interferează cu
sănătatea umană, calitatea vieţii sau funcţia naturală a ecosistemelor (organismele vii şi mediul în
care trăiesc). Chiar dacă uneori poluarea mediului înconjurător este un rezultat al cauzelor naturale
cum ar fi erupţiile vulcanice, cea mai mare parte a substanţelor poluante provine din activităţile
umane. Sunt două categorii de materiale poluante (poluanţi). Poluanţii biodegradabili sunt
substanţe, cum ar fi apa menajeră, care se descompun rapid în proces natural. Aceşti poluanţi devin
o problemă când se acumulează mai rapid decât pot să se descompună. Poluanţii nondegradabili
sunt materiale care nu se descompun sau se descompun foarte lent în mediul natural. Odată ce apare
contaminarea, este dificil sau chiar imposibil să se îndepărteze aceşti poluanţi din mediu.
Compuşii nondegradabili cum ar fi Diclor-Difenil-Tricloretan (DDT), dioxine, difenili policrorurati
(PCB) şi materiale radioactive pot să ajungă la nivele periculoase de acumulare şi pot să urce în
lanţul trofic prin intermediul animalelor. De exemplu, moleculele compuşilor toxici pot să se
depună pe suprafaţa plantelor acvatice fără să distrugă acele plante. Un peşte mic care se hrăneşte
cu aceste plante acumulează o cantitate mare din aceste toxine. Un peşte mai mare sau alte animale
carnivore care se hrănesc cu peşti mici pot să acumuleze o cantitate mai mare de toxine. Acest
proces se numeşte bioacumulare.
3
Figura 1.1. Poluarea chimică a atmosferei [4]
Introducere
Poluarea aerului
Contaminarea umană a atmosferei Pământului poate lua multe forme şi a existat de când
oamenii au început să utilizeze focul pentru agricultură, încălzire şi gătitul alimentelor. În timpul
Revoluţiei Industriale (sec.XVIII si XIX), poluarea aerului a devenit o problemă majoră.
Poluarea urbană a aerului este cunoscută sub denumirea de smog. Smogul este în general un
amestec de monoxid de carbon şi compuşi organici din combustia incompletă a combustibililor
fosili cum ar fi cărbunii şi de dioxid de sulf de la impurităţile din combustibili. În timp ce smogul
4
Figura 1.2.a. Sursă de poluare a aerului [7]
Figura 1.2.b. Sursă de poluare a aerului – gaze eşapate automobil
Introducere
reacţioneaza cu oxigenul, acizii organici şi sulfurici se condensează sub formă de picături, înteţind
ceaţa. Până în secolul XX smogul devenise deja un pericol major pentru sănătate.
Un alt tip de smog, cel fotochimic, a început să reducă calitatea aerului deasupra oraşelor mari cum
ar fi Los Angeles în anii '30. Acest smog este cauzat de combustia în motoarele autovehiculelor şi
ale avioanelor a combustibilului care produce oxizi de azot şi eliberează hidrocarburi din
combustibilii "nearşi". Razele solare fac ca oxizii de azot şi hidrocarburile să se combine şi să
transforme oxigenul în ozon, un agent chimic care atacă cauciucul, răneşte plante şi irită plămânii.
Hidrocarburile sunt oxidate în substanţe care se condensează şi formează o ceaţă vizibilă şi
pătrunzătoare.
Majoritatea poluanţilor sunt eventual "spălaţi" de către ploaie, zăpadă sau ceaţă dar după ce au
parcurs distanţe mari, uneori chiar continente. În timp ce poluanţii se adună în atmosferă, oxizii de
sulf şi de azot sunt transformaţi în acizi care se combină cu ploaia. Aceasta ploaie acidă cade peste
lacuri şi păduri unde poate duce la moartea peştilor sau plantelor şi poate să afecteze întregi
ecosisteme. În cele din urmă, lacurile şi pădurile contaminate pot ajunge să fie lipsite de viaţă.
Regiunile care sunt în drumul vântului care bate dinspre zone industrializate, cum ar fi Europa şi
estul Statelor Unite şi Canadei, sunt cele mai afectate de ploi acide. Ploile acide pot să afecteze şi
sănătatea umană şi obiecte create de oameni; ele dizolvă încet statui istorice din piatră şi faţade din
Roma, Atena si Londra.
Una din cele mai mari probleme cauzate de poluarea aerului este încălzirea globală, o creştere a
temperaturii Pământului cauzată de acumularea unor gaze atmosferice cum ar fi dioxidul de carbon.
Odată cu folosirea intensivă a combustibililor fosili în secolul XX, concentraţia de dioxid de carbon
din atmosferă a crescut dramatic. Dioxidul de carbon si alte gaze, cunoscute sub denumirea de gaze
de seră, reduc căldura disipată de Pământ dar nu blochează radiaţiile Soarelui. Din cauza efectului
de seră se asteaptă ca temperatura globală să crească cu 1,4° C până la 5,8° C până în anul 2100.
Chiar dacă această tendinţă pare a fi o schimbare minoră, creşterea ar face ca Pământul să fie mai
cald decât a fost în ultimii 125.000 ani, schimbând probabil tiparul climatic, afectând producţia
agricolă, modificând distribuţia animalelor şi plantelor şi crescând nivelul mării.
Poluarea aerului poate să afecteze regiunea superioară a atmosferei numită stratosferă. Producţia
excesivă a compuşilor care conţin clor cum ar fi clorofluorocarbonaţii (CFC) (compuşi folosiţi până
acum în frigidere, aparate de aer condiţionat şi în fabricarea produselor pe bază de polistiren) a
epuizat stratul de ozon stratosferic, creând o gaură deasupra Antarcticii care durează mai multe
săptămâni în fiecare an. Ca rezultat, expunerea la razele dăunătoare ale Soarelui a afectat viaţa
acvatică şi terestră şi ameninţă sănătatea oamenilor din zonele nordice şi sudice ale planetei.
5
Introducere
Dintre produşii chimici rezultaţi în urma procesului de ardere în MAI amintim pe cei care
sunt monitorizaţi atât pentru efectul direct cât şi pentru pericolul pe care îl reprezintă: [5]
Monoxidul de carbon (CO) – „rezultatul arderii incomplete”
- gaz color, cu miros caracteristic, monitorizat datorită toxicităţii deosebite
- efecte asupra omului: factor de risc pentru suferinzii de boli cardiovasculare,
expunerea pe termen îndelungat reduce capacitatea de muncă şi diminuează
dexteritatea manuală.
- [motivul pentru care a apărut catalizatorul]
- Surse: MAS 86%, MAC 5%, aeronave: 4%, nave maritime: 1%, căi ferate: <1%,
altele: 4% (incluzând dezastrele naturale, incendii, etc.)
Oxizii de azot (NOx)
- Gaz cu miros caracteristic având şi culoare specifică care face posibiă distingerea lui
în spectru luminos
- Monitorizat datorită efectelor dramatice asupra modificărilor de mediu pe care le
produce
- Efecte asupra omului: diminuarea capacităţilor respiratorii, 100ppm NOx inhalate
timp de o oră produce leziuni interne
Bioxidul de sulf (SO2)
- Rezultatul arderii combustibilului cu continut de sulf (motorină)
- Gaz cu miros şi culoare caracteristică
- Efecte asupra mediului: ploi acide, accelerarea efectului de seră
PM (Particulate Matter)
- Particule în suspensie
- Particule solide sau lichide de dimensiune mică, de ordinul micronilor
- PM10, PM25 (<2.5 microni, nu pot fi filtrate de sistemul respirator; intră în
organism şi nu se mai elimină)
Plumb şi oxizii pe bază de plumb
6
Introducere
- În combustibilii obtinuţi prin tehnologii mai vechi (benzina cu plumb, ECO
Premium)
- Duce la aparitia daunelor neurologice grave
7
2. POLUAREA AUTOMOBILELOR. NORME DE POLUARE. NECESITATEA REDUCERII POLUĂRII
În ultimii ani, odată cu creşterea numărului de autovehicule şi necesităţii de transport la
nivel global, consumul, respectiv cererea de petrol au crescut foarte mult. Proporţional cu
acestea este şi creşterea de emisii poluante. Chiar dacă industia auto nu are cea mai mare
contribuţie la emisiile poluante şi emisii de gaze răspunzătoare pentru efectul de seră şi
încălzirea planetară, măsuri trebuie luate în toate domeniile. Următoarele grafice şi diagrame
ilustrează nivelele actuale şi de acum caţiva ani ale cererii şi producţiei de petrol, precum şi
nivelul alarmant al emisiilor globale de poluanţi.
8
Figura 2.1. Evoluţia consumului (cererii) şi producţiei mondiale de combustibil petrolier [6]
Poluarea automobilelor. Norme de poluare. Necesitatea reducerii poluării
Graficele de mai sus prezintă evoluţia emisiilor de CO2 (principalul gaz responsabil pentru
efectul de seră) în ultimii 50 până la 150 de ani. Măsurătorile concentraţiei de CO2 din aerul
9
Figura 2.2. Producţia mondială de combustibil petrolier şi cererea viitoare
Poluarea automobilelor. Norme de poluare. Necesitatea reducerii poluării
atmosferic a fost efectuate de NOAA (National Oceanic and Atmospheric Administration - United
States Department of Commerce). În prezent nivelul emisiilor de CO2 (milioane de tone) este de 7
ori mai ridicat decât era in 1955. [8]
2.1. Normele europene de poluare
Normele europene de poluare EURO 1, EURO 2, EURO 3 şi EURO 4 nu au prevederi/limitări
clare în ceea ce priveşte emisiile de CO2. Se axează mai mult pe CO, NOx, HC, PM. [9]
Figura 2.5 prezintă nivelul concentraţiilor de NOx şi PM din gazele de evacuare ale
motoarelor cu aprindere prin scânteie conforme cu legislaţiile EURO 1 până la EURO 5. Se poate
10
Poluarea automobilelor. Norme de poluare. Necesitatea reducerii poluării
observa că pentru toate normele nivelul de PM este 0; Emisiile de particule erau specifice
motoarelor ce foloseau benzină cu plumb (tetraetil de plumb).
Norme EURO. Poluanţi monitorizaţi – MAC
Oxizii de azot (NOx) – fie sub formă de oxid de azot
(NO) sau dioxid de azot (NO2) – în timpul arderii când
oxigenul reacţionează cu azotul (N2) la temperaturi înalte
în prezenţa aerului. Daca se scade emisia de NOx,
consumul specific efectiv de combustibil creste. Chiar şi
asa importantele cercetări efectuate în domeniul
dezvoltării motoarelor, au reuşit atingerea unor emisii
scăzute fără a afecta consumul de combustibil.
Particulate Matter (PM) în gazele de evacuare sunt
reprezentate de particule fine de carbon şi hidrocarburi
care se formează în zone cu conţinut scăzut de oxigen ale
11
Figura 2.6. Analiza evoluţiei normelor de poluare de la non-EURO la EURO 5 - motoare diesel [9]
Poluarea automobilelor. Norme de poluare. Necesitatea reducerii poluării
flăcării. Prezenţa sulfului (S) în combustibilii diesel de calitate inferioară creste conţinutul de
particule din gazele eşapate. Din ianuarie 2009, an din care normele EURO 5 vor deveni obligatorii
pentru orice motor Diesel nou produs după aceasta dată, conţinutul maxim admis de particule din
gazele de eşapament va fi redus la 0.2 g/kWh.
Normele europene de emisie, definesc limitele acceptabile pentru emisiile gazelor de
evacuare a vehiculelor noi vândute în statele-membre ale UE. Standardele de emisie sunt definite
într-o serie de directive a Uniunii Europene de escală la introducerea progresivă a standardelor din
ce în ce mai stricte.
În prezent, emisiile de oxid de azot (NOx), hidrocarburi (HC), monoxid de carbon (CO) şi particule
(PM) sunt reglementate la cele mai multe tipuri de vehicule, inclusiv autoturisme, camioane,
trenuri, tractoare şi masini similare, barje, dar excluzând navele maritime şi avioanele. Pentru
fiecare tip de vehicul, se aplică diferite standarde. Respectarea este determinată de rularea
motorului în cicluri de încercări standardizate. Vehiculele neconforme nu pot fi vândute în UE, dar
noile standarde nu se aplică pentru vehiculele aflate deja în circulaţie pe drumurile publice. Nu
utilizarea de tehnologii specifice este necesară pentru a respecta standardele, deşi tehnologia
disponibilă la acel moment este folosită pentru stabilirea standardelor.
Transport şi încălzirea globală. Ţintă fixată la Protocolul de la Kyoto a fost o reducere de 8% a
emisiilor în toate sectoarele economiei faţă de nivelurile din 1990 până în 2008-2012.
12
Fig. 2.7. Poluanti monitorizaţi - motoare diesel [10]
Fig. 2.8. Limitele maxime admise pentru NOx şi PM prin normele de poluare EURO – analiza evoluţiei normelor de poluare pentru motoare diesel [11,12]
Poluarea automobilelor. Norme de poluare. Necesitatea reducerii poluării
Standardele europene de emisii pentru autoturisme (categoria M1) sunt prezentate în tabelul 1.
Tabelul 1 [9]:
Nivel Dată CO
[g/km] HC
[g/km] NOx
[g/km] HC + NOx
[g/km] PM
[g/km]
Motoare cu aprindere prin comprimare (alimentate cu motorină)
Euro 1 *** Iulie 1992 2,72
(3,16) -- -- 0,97 (1,13)
0,14
(0,18)
Euro 2 Ianuarie 1996 1.0 -- -- 0.7 0.08
Euro 3 Ianuarie 2000 0.64 -- 0.5 0.56 0.05
Euro 4 Ianuarie 2005 0.5 -- 0.25 0.3 0.025
Euro 5
(viitor)
Septembrie
2009 0.5 -- 0.18 0.23 0.005
Euro 6
(viitor)
Septembrie
2014 0.5 -- 0.08 0.17 0.005
Motoare cu prindere prin scânteie (alimentate cu benzină)
Euro 1 *** Iulie 1992 2,72
(3,16) -- -- 0,97 (1,13) --
Euro 2 Ianuarie 1996 2.2 -- -- 0.5 --
Euro 3 Ianuarie 2000 2.3 0.2 0.15 -- --
Euro 4 Ianuarie 2005 1.0 0.1 0.08 -- --
Euro 5
(viitor)
Septembrie
2009 1.0 0.1 0.06 -- 0.005 **
Euro 6
(viitor)
Septembrie
2014 1.0 0.1 0.06 -- 0.005 **
* Înainte de Euro 5, vehiculele de pasageri> 2500 kg au fost aprobate ca tip de vehicule comerciale uşoare N1 – I ** Se aplică numai la vehiculele echipate cu motoare cu injecţie directă *** Valori în paranteze sunt în limitele conformităţii producţiei (COP)
13
Poluarea automobilelor. Norme de poluare. Necesitatea reducerii poluării
Standarde europene de emisie pentru autovehicule comerciale uşoare, m < 1305kg (categoria
N1 – I), [g/km] sunt prezentate în tabelul 2.
Tabelul 2 [9]:
Nivel Dată CO HC NOx HC + NOx PM
Motoare cu aprindere prin comprimare (alimentate cu motorină)
Euro 1 Octombrie 1994 2.72 -- -- 0.97 0.14
Euro 2 Ianuarie 1998 1.0 -- -- 0.7 0.08
Euro 3 Ianuarie 2000 0.64 -- 0.5 0.56 0.05
Euro 4 Ianuarie 2005 0.5 -- 0.25 0.3 0.025
Euro 5 (viitor) Septembrie 2009 0.5 -- 0.18 0.23 0.005
Euro 6 (viitor) Septembrie 2014 0.5 -- 0.08 0.17 0.005
Motoare cu aprindere prin scânteie (alimentate cu benzină)
Euro 1 Octombrie 1994 2.72 -- -- 0.97 --
Euro 2 Ianuarie 1998 2.2 -- -- 0.5 --
Euro 3 Ianuarie 2000 2.3 0.2 0.15 -- --
Euro 4 Ianuarie 2005 1.0 0.1 0.08 -- --
Euro 5 (viitor) Septembrie 2009 1.0 0.1 0.06 -- 0.005 *
Euro 6 (viitor) Septembrie 2014 1.0 0.1 0.06 -- 0.005 *
* Se aplică numai la vehiculele cu echipate motoare cu injecţie directă
Standarde europene de emisii pentru autovehicule comerciale uşoare 1305kg < m < 1760kg
(categoria N1 – II), [g/km] sunt prezentate în tabelul 3.
Tabelul 3 [9]:
14
Poluarea automobilelor. Norme de poluare. Necesitatea reducerii poluării
Nivel Dată CO HC NOx HC + NOx PM
Motoare cu aprindere prin comprimare (alimentate cu motorină)
Euro 1 Octombrie 1994 5.17 -- -- 1.4 0.19
Euro 2 Ianuarie 1998 1.25 -- -- 1.0 0.12
Euro 3 Ianuarie 2001 0.8 -- 0.65 0.72 0.07
Euro 4 Ianuarie 2006 0.63 -- 0.33 0.39 0.04
Euro 5 (viitor) Septembrie 2010 0.63 -- 0.235 0.295 0.005
Euro 6 (viitor) Septembrie 2015 0.63 -- 0.105 0.195 0.005
Motoare cu aprindere prin scânteie (alimentate cu benzină)
Euro 1 Octombrie 1994 5.17 -- -- 1.4 --
Euro 2 Ianuarie 1998 4.0 -- -- 0.65 --
Euro 3 Ianuarie 2001 4.17 0.25 0.180 -- --
Euro 4 Ianuarie 2006 1.81 0.13 0.1 -- --
Euro 5 (viitor) Septembrie 2010 1.81 0.13 0.075 -- 0.005 *
Euro 6 (viitor) Septembrie 2015 1.81 0.13 0.075 -- 0.005 *
* Se aplică numai la vehiculele cu echipate motoare cu injecţie directă
Standarde europene de emisii pentru autovehicule comerciale uşoare 1760kg < m < 3500kg
(categoria N1 – III), [g/km] sunt prezentate în tabelul 4.
Tabelul 4 [9]:
Nivel Dată CO HC NOx HC + NOx PM
Motoare cu aprindere prin comprimare (alimentate cu motorină)
Euro 1 Octombrie 1994 6.9 -- -- 4.9 0.25
Euro 2 Ianuarie 1998 1.5 -- -- 0.96 0.17
Euro 3 Ianuarie 2001 0.95 -- 0.780 0.86 0.1
Euro 4 Ianuarie 2006 0.95 -- 0.39 0.46 0.06
Euro 5 (viitor) Septembrie 2010 0.74 -- 0.28 0.35 0.005
Euro 6 (viitor) Septembrie 2015 0.74 -- 0.125 0.215 0.005
Motoare cu aprindere prin scânteie (alimentate cu benzină)
Euro 1 Octombrie 1994 6.9 -- -- 1.7 --
Euro 2 Ianuarie 1998 5.0 -- -- 0.8 --
Euro 3 Ianuarie 2001 5.22 0.29 0.210 -- --
Euro 4 Ianuarie 2006 2.27 0.16 0.110 -- --
Euro 5 (viitor) Septembrie 2010 2.27 0.16 0.082 -- 0.005 *
15
Poluarea automobilelor. Norme de poluare. Necesitatea reducerii poluării
Euro 6 (viitor) Septembrie 2015 2.27 0.16 0.082 -- 0.005 *
* Se aplică numai la vehiculele cu echipate motoare cu injecţie directă
Standardele europene de emisii pentru autocamioane si autobuse, motoare Diesel, g/kWh
(fum -1) sunt prezentate în tabelul 5.
Tabelul 5 [9].
Nivel Dată Ciclu testare CO HC NOx PM Fum
EURO I 1992, <85 kW
ECE R-49
4.5 1.1 8.0 0.612
1992,> 85 kW 4.5 1.1 8.0 0.36
EURO II Octombrie 1996 4.0 1.1 7.0 0.25
Octombrie 1998 4.0 1.1 7.0 0.15
Euro III Octombrie 1999 numai EEV CES & ELR 1.0 0.25 2.0 0.02 0.15
Octombrie 2000
CES & ELR
2.1 0.66 5.0 0.10 0.13 *
0.8
Euro IV Octombrie 2005 1.5 0.46 3.5 0.02 0.5
Euro V Octombrie 2008 1.5 0.46 2.0 0.02 0.5
* Pentru motoarele de mai puţin de 0.75 dm ³ volum per cilindru şi o turaţie de putere nominală de mai mult de 3000 rot/min. EEV este "Enhanced environmentally friendly vehicle".
Standardele europene de emisii pentru vehicule mari de transport marfă, categoria N2, EDC
(2000 si peste) sunt rezumte in tabelul 6.
Tabelul 6 [9]:
Standard Dată CO (g/kWh) NOx (g/kWh) HC (g/kWh) PM (g/kWh)
Euro 0 1988-1992 12.3 15.8 2.6 niciunul
EURO I 1992-1995 4.9 9.0 1.23 0.40
EURO II 1995-1999 4.0 7.0 1.1 0.15
Euro III 1999-2005 2.1 5.0 0.66 0.1
Euro IV 2005-2008 1.5 3.5 0.46 0.02
Euro V 2008-2012 1.5 2.0 0.46 0.02
16
Poluarea automobilelor. Norme de poluare. Necesitatea reducerii poluării
2.2. Normele de emisii în Statele Unite ale Americii
În Statele Unite, standardele de emisii sunt gestionate la nivel naţional de către Agenţia de
Protecţie a Mediului (APM). Statele şi guvernele locale joacă un rol de filială. [13]
Faza 1 (1994-1999)
Reglementarile autorităţii naţionale de Nivel 1 s-au introdus în mod treptat, din 1994 până în
1997, şi sunt în curs de eliminare în favoarea nivelului de standard naţional 2, din 2004 până în
2009.
În California se difeneste un program pentru normele de emisie ale autovehiculelor, care
sunt mai stricte decât în SUA, iar unul dintre nivelele acestui program se numeşte LEV (Low
EmissionVehicle).
Standardul de emisii LEV a dat naştere la alte 5 categorii mari de emisii poluante, dupa cum
urmează:
TLEV – Transitional Low Emission Vehicle LEV – Low Emission Vehicle ULEV – Ultra-Low Emission Vehicle SULEV – Super-Ultra Low Emission Vehicle ZEV – Zero Emission Vehicle
Faza 2 (2004 şi mai târziu)
Standardul naţional Tier 2 intră in vigoare în perioada 2004 – 2009.
În loc să se bazeze în definirea limitei maxime a emisiilor pe greutate, standardul Tier 2 înglobează
11 subdiviziuni. Subdiviziunea 1 este cea mai curată (autovehicule cu emisii zero), iar
subdiviziunile 9, 10, 11 sunt temporare. Două subdiviziuni mai putin restrictive din punctul de
vedere al emisiilor de noxe 9 şi 10 au fost scoase din uz în anul 2006.
Reglementările Tier 2 prevăd de asemenea şi limitări ale conţinutului de sulf din carburanţi (benzina
şi motorina comercializate in SUA).
Reglementările sub Tier 2, Tier 1 şi diviziunile TLEV au fost scose în 2004, rămânând LEV,
ULEV şi SULEV care au devenit mult mai stringente, cunoscute fiind sub numele de LEV 2,
ULEV 2, respectiv SULEV 2.
Următoarele noi categorii au fost create:
ILEV – Inherently Low-Emission Vehicle
PZEV – Partial Zero Emission Vehicle
AT-PZEV – Advanced Technology Partial Zero Emission Vehicle
17
Poluarea automobilelor. Norme de poluare. Necesitatea reducerii poluării
NLEV – National Low Emission Vehicle
2.3. Legislaţia şi reglementările în India
Prima reglementare a emisiilor autovehiculelor în India a devenit activî în 1989. Aceste
reglementări au fost curând înlocuite de norme si standarde împărţite atât pentru automobilele
alimentate cu benzină (1991) cât şi pentru cele diesel (1992). După anul 2000, India a inceput
adoptarea normelor EURO pentru emisii de noxe. [13]
2.4. Norme de poluare în Japonia
Principalul poluant care pune serioase probleme in ţara soarelui răsare este NOx, Japonia
având unele dintre cele mai poluate metropole la nivel global. În 1992 pentru a face faţă
problemelor generate de poluarea aerului cu NOx Ministerul Mediului japonez a adoptat Legea
privind măsurile speciale ce trebuiesc luate pentru reducerea cantităţii de oxid de azot emisă de
motoarele automobilelor. În baza legii o serie de măsuri drastice au fost luate atât în ceea ce priveşte
maşinile noi cât şi cele aflate deja în circulaţie. În iunie 2001 legii i-a fost adus un amendament care
avea prevederi asupra controlului emisiei de PM (Particulate Matter). În octombrie 2002 aceste legi
au devenit standarde de emisii. Între anii 1997/1998 noile standarde pentru autovehicule au fost
aplicate retroactiv maşinilor vechi aflate deja in circulaţie. Proprietarii de automobile aveau deci 2
metode pentru a se adapta legii:
1. Înlocuirea vehiculelor vechi cu modele noi şi mai curate
2. Montarea pe vehiculele vechi a unor dispozitive de control şi reducere a NOx şi PM
18
Poluarea automobilelor. Norme de poluare. Necesitatea reducerii poluării
Vehiculele au o perioada de graţie cuprinsă între 8 şi 12 ani pentru a satisface legea. Perioadele de
graţie depind de tiupul de vehicule după cum urmează :
- Vehicule comerciale uşoare (MMA <= 2500kg): 8 ani
- Vehicule comerciale grele (MMA > 2500kg): 9 ani
- Microbuse (11-29 locuri): 10 ani
- Autobuse mari (> 30 locuri): 12 ani
- Vehicule speciale (bazate pe camioane de marfă sau autobuse): 10 ani
- Autoturisme diesel: 9 ani
[13, 14, 15]
2.5. Comparaţie între normele de emisii ale diferitelor regiuni din lume
În figurile următoare se prezintă comparativ toate standardele de emisii.
19
Poluarea automobilelor. Norme de poluare. Necesitatea reducerii poluării
Evoluţia standardelor de emisii diferentia pe poluanţi.
Monoxid de carbon (CO)
20
Figura 2.9. Comparativ între normele de poluare ale diferitelor regiuni din lume [15]
Poluarea automobilelor. Norme de poluare. Necesitatea reducerii poluării
Hidrocarburi (HC)
Oxid de azot (NOx)
21
Fig. 2.10. Evoluţia CO în timp – MAS [15]Fig. 2.11. Evoluţia CO în timp – MAC [15]
Fig. 2.12. Evoluţia HC în timp – MAS [15]Fig. 2.13. Evoluţia HC în timp – MAC [15]
Fig. 2.14. Evoluţia NOx în timp – MAS [15]Fig. 2.15. Evoluţia NOx în timp – MAC [15]
Poluarea automobilelor. Norme de poluare. Necesitatea reducerii poluării
Particulate Matter (PM)
22
Fig. 2.16. Evoluţia PM în timp – MAC [15]
3. STADIUL ACTUAL
3.1 Catalizatorul
Convertizorul catalitic este cea mai veche componentă a sistemului de depoluare. Este un
dispozitiv folosit pentru a reduce toxicitatea unui motor cu ardere internă.
Prima dată a fost introdus în producţia de serie pe automobilele de pe piaţa americană începând cu
anul 1975. Catalizatoarele sunt folosite cel mai des la sistemele de evacuare ale autovehiculelor, dar
mai poti fi utilizate şi la: echipamente de minerit, stivuitoare, trenuri şi alte vehicule echipate cu
MAI. În interiorul catalizatorului au loc reacţii chimice unde produşii rezultaţi în urma arderii sunt
convertiţi în produşi mai putin toxici.
Eficienţa unui catalizator poate ajunge până la 90%.
23
Figura 3.1.a. Convertizor catalitic Dodge Ram [17]
Stadiul actual
3.1.1. Catalizatorul cu 3 trepte
Are 3 sarcini simultane:
1. Reducerea oxizilor de azot (NOx) în azot şi oxigen: 2NOx xO2 + N2
2. Oxidarea monoxidului de carbon (CO), care este un produs toxic, în CO2: 2CO + O2 2CO2
3. Oxidarea hidrocarburilor nearse în CO2 şi H2O: 2CxHy + (2x+y/2)O2 2xCO2 + yH2O
Aceste 3 reacţii chimice se produc atunci când motorul funcţionează putin peste raportul
stoechiometric, mai exact 14.8-14.9 kg aer la 1 kg combustibil.
Când există mai mult oxigen decât necesar amestecul este sărac şi se afla în condiţii de oxidare, caz
în care cele 2 reacţii cataltice, oxidarea CO si a HC sunt favorizate, iar reacţia de reducere nu se mai
produce. În cazul existenţei combustibilului în exces, amestecul este bogat, reacţia de reducere a
NOx este favorizată, iar reacţiile de oxidare a CO si HC nu mai au loc.
Dacă un motor ar putea fi tinut teoretic în limitele raportului stoechiometric, teoretic ar exista o
eficienţă de 100% a reacţiilor catalitice.
24
Figura 3.1.b. Catalizator Saab 9-5 [17]
Stadiul actual
3.1.2. Catalizator cu 2 trepte
Are 2 sarcini simultane.
1. Oxidarea CO în CO2: 2CO + O2 2CO2
2. Oxidarea hidrocarburilor nearse sau parţial arse în CO2 şi H2O:
2CxHy + (2x+y/2)O2 2xCO2 + yH2O
Acest tip de catalizator este răspândit în specila la motoarele cu aprindere prin comprimare, având
rol de a neutraliza emisiile de HC şi CO.
3.1.3. Dezactivarea catalizatoarelor:
Catalizatoarele devin inactive fiind totodată ineficiente în prezenţa fumului. Aşadar
autovehiculele echipate cu catalizator trebuie alimentate doar cu combustibili fără plumb, astfel
fiind eliminată si poluarea cu PM (Particulate Matter), poluant care rezultă din arderea tetraetilului
de plumb. Dezactivarea catalizatoarelor se întâmplă atunci când substanţele din sistemul de
evacuare al autovehiculului se aşează pe suprafaţa elementului catalitic, împiedicând accesul
gazelor de evacuare prin „ochiurile” catalizatorului.
Substanţele care afectează funcţionarea sunt: plumb, zinc, sulf, magneziu, fosfor si fier.
Zincul, fosforul şi sulful provin din lubrifianţi antifricţiune.
Sulful si magneziu provin din impurităţi ale combustibililor sau din aditivi.
Siliciul este rezultatul avariei motorului precum uzarea garniturii de chiulasă permiţând accesul
lichidului de răcire în camera de ardere.
Eliminarea depunerilor de sulf de pe suprafaţa catalizatorului se poate face prin arderea acestuia,
încălzind gazele de evacuare, lucru care se face prin menţinerea motorului pe durată îndelungată la
sarcini mari.
O serie de situaţii pot cauza supraîncălzirea catalizatorului:
o existenţa uleiului de ungere în sistemul de evacuare cauzat de uzura pronunţată a motorului
(sau de nivelul uleiului în baie peste limita maximă )
o rateuri ale motorului
o o supapă de evacuare ruptă sau fisurată cauzează accesul combustibilului pe traseul de
evacuare
o utilizarea unui combustibil neadecvat motorului
25
Stadiul actual
3.1.4. Date tehnice
Componenţa catalizatoarelor:
Convertizoarele catalitice sunt alcătuite din mai multe elemente:
Monolitul sau miezul este un metal preţios; în cazul catalizatoarelor moderne acesta este
regăsit sub forma unui fagure ceramic, dar sunt folosiţi de asemenea şsi faguri din oţel
inoxidabil; miezul este denumit suport catalitic.
Platina este cel mai activ metal, des utilizat la catalizatoare. Nu este folosită în toate cazurile
datorită unor reacţii adiţionale nedorite şi/sau costurilor ridicate.
Paladiul (Pd) şi rodiul (Rd) sunt alte metale preţioase folosite. Platina şi rodiul sunt folosite pe post
de catalizator reductor, în timp ce paladiul este folosit pe post de catlizator oxidant.
Mai sunt folosite cerium (Ce), fier (Fe), magneziu (Mg) şi nichel (Ni).
Start de protecţie (washcoat) este un amestec de siliciu şi aluminiu (silicon). Acest strat are
rolul de a separa, izola şi proteja monolitul de carcasa metalică într-o cavitate perfect etanşă.
Carcasa metalică este de obicei din metal inoxidabil.
26
Fig. 3.1.4.1. Secţiune printr-un catalizator cu miez metalic [17]
Stadiul actual
3.2. Senzori de temperatură (EGT – Exhaust Gas Temperature)
Sunt folosiţi cu două scopuri:
- Rol de sistem de avertizare asupra temperaturii în cazul în care aceasta trece
peste temperatura de siguranţă de 750O C pentru catalizatoarele pe două căi şi
de 900O C pentru catalizatoarele pe trei căi cu paltină sau 925O C la cele cu
paladiu
- La monitorizarea funcţionării catalizatorului – de obicei se montează 2
senzori, unul înainte şi unul după catalizator pentru masurarea creşterii de
temperatură a miezului catalitic
Pentru fiecare 1% de CO din gazele de evacuare, temperatura acestora creste cu 100O C.
27
Fig. 3.1.4.2. Catalizator cu miez tip fagure ceramic [17]
Stadiul actual
3.3. Senzori de oxigen (Sonda Lambda)
Asa numita sondă lambda sau senzor EGO (Exhaust Gas Oxigen) este defapt un mic senzor
introdus în sistemul de evacuare a unui motor cu aprindere prin scânteie pentru masurarea
concentraţiei de oxigen din gazele de evacuare şi astfel să permită unităţii electronice de control
ECU să controleze eficient procesul de ardere.
Senzorul de O2 este ataşat pe colectorul de evacuare în scopul determinării stării amestecului
aer-combustibil ce intră în motor, dacă este sărac sau bogat. Această informaţie este apoi trimisă
mai departe, iar managementul motorului ECU ajustează amestecul oferind motorului cea mai bună
economie de carburant şi emisii reduse.
În mod obişnuit
o sonda lambda cu un
singur fir atinge
temperatura optima de
28
Figura 3.2.1. Senzori de temperatură gaze evacuate (EGT)
Fig. 3.3.1. Sondă Lambda Volvo S40 [18]
Stadiul actual
functionate in 3-5 minute. Senzorii mai scumpi (3-5 fire) ajung la temperatura optima de operare
intr-un minut.
Defectarea senzorului de O2, fie în condiţii normale fie datorită siliconilor sau silicaţilor în
urma utilizării combustibilului cu plumb duce şi la defectarea convertizorului catalitic, ceea ce
implică costuri ridicate.
29
Fig.3.3.2. Elemente componente senzor O2
Fig. 3.3.3. Diagramă zonă de lucru senzor O2
Fig. 3.3.4. Sondă lambda pe motor Honda R18A
Stadiul actual
3.4. Senzori NOx
Au un preţ de cost ridicat şi sunt în general folosiţi numai când un motor MAC este dotat cu
convertizor catalitic selectiv sau convertizor catalitic de oxizi de azot – includem aici doar
motoarele diesel EURO 4 şi EURO 5.
3.5. Filtre de particule
Filtrul de particule este un dispozitiv menit să înlăture particulele diesel sau fumul din
gazele de evacuare ale unui motor diesel. Un FAP sau DPF (denumeri trademark PSA respectiv
VAG) prezintă o eficienţă de 85 %. Un autovehicul dotat cu filtru de particule nu va emite fum
vizibil la toba finală.
30
Figura 3.5. Filtru de particule FAP – Peugeot [17]
Stadiul actual
3.5.1. Originea particulelor
Fata de emisiile existente in gazele de evacuare ale MAS, gazele produse de MAC cuprind
un poluant definit prin metoda de masurare, si anume particulele diesel, poluant a carui
monitorizare urmareste determinarea emisiilor solide si lichide din gazele de evacuare printr-un
procedeu de masurare mai riguros decat masurarea opacitatii fumului. Problema fundamentala a
particulelor din gazele de evacuare.
Particulele sunt definite implicit prin metoda de măsurare, ca totalitatea materiei colectate pe
un filtru de teflon la trecerea gazelor arse emise de motorul cu aprindere prin comprimare, gaze care
au fost diluate cu aer filtrat pentru menţinerea temperaturii acestora sub 520 C.
Extinderea definiţiei particulelor pentru MAS este formală nefiind impusă de prevederi
legislative concrete, datorită faptului că emisia de particule MAS este de 40-100 de ori mai mică
decât aceea a MAC, pentru motoare similare. Din punct de vedere a compoziţiei chimice,
particulele MAS conţin pe lângă carbon, Pb, P, aditivi organici din ulei şi benzină.
Revenind la cazul particulelor emise de MAC, se apreciază, din punct de vedere cantitativ,
că din cele 0,3% din gazele arse care sunt dăunătoare sănătăţii 0,005% sunt particule.
Particulele provin din procese similare cu cele ale genezei funinginei şi hidrocarburilor.
Funinginea
Se formează prin suprapunerea amestecurilor bogate la temperaturi înalte. Cu cât amestecul
este mai bogat sau cu cât temperatura este mai ridicată, cu atât creşte funinginea produsă din
carbonul existent în combustibil. Emisia de funingine este legată de cantitatea de combustibil
injectată în cea de-a doua fază a arderii, după perioada de întârziere la autoaprindere. Combustibilul
injectat înaintea aprinderii are timp să se amestece în condiţii mai sărace înainte ca temperatura să
crească.
Hidrocarburile HC
Provin din trei surse principale.
-amestecuri sărace neinflamabile;
-volumul sacului injectorului;
-amestecuri bogate formate târziu în ciclul motor;
Cea mai mare parte a combustibilului injectat este consumată de reacţiile rapide la valori ale
coeficientului de exces de aer apropiate de unitate, care practic nu generează hidrocarburi. Acestea
apar când temperaturile sunt prea mici sau există o lipsă locală de oxigen, când amestecul este prea
sărac sau prea bogat pentru a fi consumat de reacţiile rapide stoechiometrice.
31
Stadiul actual
3.5.2. Compoziţia particulelor
Particulele sunt alcătuite din o fracţiune insolubilă de carbon, sub denumirea de funingine,
compuşi metalici şi o fracţiune solubilă, formată din combustibil şi ulei nears.
În figura de mai jos sunt prezentate compoziţia tipică şi provenienţa particulelor în gazele
de evacuare.
Compoziţia particulelor
Fracţiuni insolubile din combustibil
43%
Fracţiuni insolubile din ulei 5%
Fracţiuni solubile din ulei29%
Fracţiuni solubile din combustibil
10%
SO4 şi H2O13%
Fracţiuni insolubile din combustibil
Fracţiuni insolubile din ulei
Fracţiuni solubile din ulei
Fracţiuni solubile din combustibil
SO4 şi H2O
Compoziţia particulelor depinde de tipul constructiv al motorului, procentele componentelor
fiind prezentate în tabelul1.
Tabelul 1 Variaţia compoziţiei particulelor funcţie de tipul MAI
Compuşi Motor cu injecţie directă Motor cu injecţie indirectă
Carbon 31% 46%
Ulei nears 40% 28%
Combustibil nears 7% 6%
Sulfaţi asociaţi cu apă 14% 10%
Diverse 8% 10%
32
Stadiul actual
3.5.3 Dimensiunile particulelor
Există mai multas referiri asupra dimensiunilor particulelor emise de motoarele Diesel:
Diametrul mediu 0,1-0,3µm, cele mici pot fi de 10nm;
Mai mult de 50% dintre particule au diametru mai mic de 1µm;
90% dintre particule au diametru mai mic de 1µm, iar 70% sub 0,3µm;
0,03-0,6µm conform distribuţiei tipice dimensionale; în plus, dimensiunile
particulelor emise de MAS sunt mai mici decât cele emise de MAC: 0,01-0,05µm
în cazul MAS cu catalizator şi 0,01-0,1µm în MAS fără catalizator.
Particulele emise de MAC sunt foarte mici şi nu au intrat până de curând în atenţia
legislatorilor, decât prin prisma măsurării fumului şi a compoziţiei chimice a gazului de eşapament.
Efectele asupra sănătăţii produse de particule depind de dimensiunile acestora, de modul în
care acestea pătrund în organism, ca şi de capacitatea organismului de a le elimina sau
neutraliza.Particulele MAC sunt suficient de mici pentru a se depune în traiectul respirator.
Particulele mai mari de 0,3µm sunt eliminate din traiectul respirator, în timp ce restul pot pătrunde
în plămâni. Tot materialul sub formă suspendată, solid sau lichid, poate fi denumit particule şi
clasificat după mărime. Particulele ultrafine, cunoscute sub denumirea de nanoparticule sau
particule submicronice care apar în număr foarte mare, dar în cele din urmă acestea au o contribuţie
mică asupra masei totale a particulelor. Particulele ultrafine sunt mai periculoase, din cauza
capacităţii acestora de a pătrunde adânc în sistemul respirator şi de a se depozita în zona alveolară a
plămânului.
Dimensiunile paticulelor variază cu regimul de funcţionare al motorulu, constatându-se că la
turaţie constantă creşterea sarcinii a dus la creşterea diametrului mediu al particulelor, iar la
creşterea turaţiei, diametrele medii au scăzut, datorită scăderii timpului de staţionare a particulelor
în motor şi a anihilării fenomenelor de aglomerare.
Pentru studiul dimensional al particulelor s-a folosit microscopia elecronică, cu ajutorul
căreia s-a analizat imaginea particulelor emise de motorul D2156 MTN 8, în regimul de funcţionare
caracterizat de 100% sarcină şi la turaţia de 1800 rot/min. Depunerea particulelor s-a făcut pe
pastile de aluminiu lustruite chimic, acestea fiind menţinute în curentul de gaze arse un timp foarte
scurt, pentru a se evita depunerile în straturi a particulelor. Fotografiile confirmă aspectul de
conopidă al particulelor.
33
Stadiul actual
3.5.4. Tipuri constructive de filtre
Problema fundamentala a particulelor din gazele arse este ca sunt prea diluate pentru a putea
arde, de aceea cea mai raspandita metoda este concentrarea lor intr-un filtru. Funcţionarea filtrului
implică două faze de lucru:
Perioada de filtrare şi acumulare a particulelor;
Perioada de regenare, prin care particulele sunt fie oxidate, fie înlăturate, astfel încât filtrul
să poată lucra din nou;
Filtrele de particule sunt dispozitive proiectate încă de la sfârşitul anilor “70, în scopul reţinerii
şi oxidării particulelor conţinute în gazele de evacuare ale motoarelor diesel.
Clasificarea filtrelor
dupa procedeul de colectare a particulelor:
-prin retinere mecanica ( structuri celulare sau fibroase avand suprafete mari de
depunere si canalizatii inguste pentru trecerea gazelor arse );
-prin retinere electrostatica (prin procedeul efectului Corona, particulele electrizate
se aglomereaza si pot fi colectate);
dupa natura materialului filtrant:
-filtre metalice;
-filtre ceramice;
dupa tipul regenerarii:
-regenerare termica (cu aport de energie, in scopul cresterii temperaturii gazelor arse
pana la valori de 550…600 grade C);
-regenerare electrica cu rezistor de incalzire;
- regenerare cu microunde;
- regenerare cu arzator de combustibil suplimentar;
- regenerare cu obturarea admisiei;
- regenerare cu obturaea evacuarii;
- regenerare chimica ( cu reactii catalitice care produc oxidarea particulelor la
temperaturi mai scazute ale gazelor de evacuare );
- regenerare cu depuneri sau injectere de catalizatori in filtru;
- regenerare combinata ( termica si chimica );
- regenerare mecanica;
dupa periodicitatea regenerarii:
- regenerare periodica;
34
Stadiul actual
- regenerare continua;
dupa locul de producere a regenerarii:
- regenerare externa ( oxidarea particulelor din filtru are loc dupa colmatarea acestuia
prin folosirea unui arzator extern);
- regenerare interna ( oxidarea particulelor are loc in filtru, prin actiunea sistemului
propriu de regenerare);
Filtrle de particule urmaresc retinerea particulelor, urmata de curatarea periodica prin
diferita procedee. Functie de procedeul de retinere a particulelor s-au dezvoltat mai multe tipuri de
filtre si procedee de regenerare, dintre care s-au dovedit mai eficiente in functionarea pe
autovehicule urmatoarele:
-filtre de particule cu retinere mecanica;
-filtru monolit ceramic;
-filtru cu fibre ceramice;
-filtru metalic poros;
-filtre electrostatice de particule;
35
Stadiul actual
36
Stadiul actual
Fig. 3.5.1. Filtre de particule la diferite motoare
3.5.5. Filtre de particule cu reţinere mecanică
In general filtrarea mecanica se imparte in filtrare bidimensionala si filtrare tridimensionala
(in volum). Daca dimensiunea particulei este mai mare decat cea a celulei filtrului, particula nu
poate trece prin porii filtrului. Ca rezultat, particulele sunt filtrate si exista numai pe suprafata
peretelui filtrului. Acesta este mecanismul filtrarii bidimensionale, care are o eficienta mare si o
cadere de presiune mare. In cazul filtrarii tridimensionale, desii dimensiunea particulei este mai
mica decat cea a poruluisi particula poate trece , ea este retinuta pe fibra filtrului din cauza fortei de
inertie specifice curgerii gazului. Particulele nu exista numai la suprafata, ci si pe suprafata
interioara a peretelui filtrului.
Functie de dimensiunea particulelor., exista trei mecanisme de captura a acestora:
- captura prin difuzie (particulele suficient de mici pentru a intra in miscare browniana
cauzata de ciocnirea cu moleculele de gaz);
-captura prin interceptie (particule considerate prea mari pentru a mai fi supuse miscarii
browniene, dar prea mici pentru a avea inertie proprie);
37
Stadiul actual
-captura prin impact inertial (particule mai mari cu suficienta inertie);
Fig.3.5.2. Mecanisme de captare a particulelor
Mecanismele de captare a particulelor prin impact si difuzie sunt predominante la filtrele cu
fibre ceramice sau cu lana de sarma (wire mesh). Particulele mai mari aderă, dupa impact, cu
suprafata filamentelor sau cu depunerile de pe acestea. Unele dintre particulele mici migreaza ( prin
mecanismul de difuzie ) pe suprafetele filamentelor. Acest tip de filtru se mai numeste neblocabil
( gazele de evacuare pot razbate permanent spre iesire ). Filtrele au avantajul unei caderi mici de
presiune, dar dezavantajul unei eficiente relativ reduse.
Interceptia este principalul mecanism de captare in filtrele din matelial poros, iar difuzia
poate, la randul ei, sa sporeasca eficienta. Particulele mai mari ca diametru mediu al porilor sunt
deci interceptate si retinute de monolit. Aceste filtre se numesc blocabile, avand in consecinta o
cadere sporita de presiune si o viteza mai mare de crestere a acestei caderi de presiune.
FILTRUL MONOLIT CERAMIC
Filtrul ceramic pentru retinerea particulelor este format dintr-un corp ceramic cu sectiune
circulara sau ovala, care are aspect de fagure, datorita canalelor care il strabat. Materialul ceramic
din care este alcatuit se numeste cordierit si contine in principal oxid de mafneziu (MgO), oxid de
38
Impact(fibre ceramice sau lâna de sârmă ) filtru fără blocare
(monolit ceramic, fibre ceramice sau reţea de sârmă)
Intercepţie(monolit ceramic poros) filtrul se poate bloca (înfunda)
Stadiul actual
aluminiu (Al2O3) si dioxid de siliciu (SiO2). Exista si o varianta de aliaj ceramic mai simplu, numit
mullit. Forma de fagure este data de un numar foarte mare de canale longitudinale, de sectiune
patrata
Fig.3.5.3. Sectiune prin filtru
Canalele longitudinale sunt obturate alternativ la capete cu obturatoare din ceramică, iar
reţinerea particulelor se realizează în momentul trecerii gazelor dintr-un canal în altul prin
străbaterea pereţilor poroşi ai monolitului – filtrare prin trecere prin perete – Wall Flow.
Treptat, suprafaţa interioară a canalelor se acoperă cu particule, afectând eficacitatea filtrului şi
mărind rezistenţele gazo-dinamice de pe traseul evacuării.
Din acest motiv se impune regenerarea filtrului, care înseamnă arderea particulelor depuse.
Matriţa ceramică necesită o tehnologie de execuţie specială, foarte costisitoare, în prezent existând
numai două firme care o produc. Montarea matriţei trebuie să se facă într-o reţea de ţesături
39
Intrare gaze arse
Stadiul actual
metalice izolate în lână ceramică, pentru a micşora tensiunile mecanice şi pentru a asigura izolaţia
termică. Acest sistem de filtrare a particulelor asigură un grad de reţinere de până la 80-90%, cu un
consum suplimentar de energie de 2%. Tehnica regenerării solicită dispozitive electronice şi senzori
fiabili, căci există pericolul distrugerii monolitului la şocuri termice şi mecanice; de aceea se
studiază şi alte variante de monoliţi ceramici.
Din punct de vedere al eficienţei filtrării, filtrele se împart în filtre cu pori mari (diametrul
mediu al porului dp>15µm) si filtre cu pori mici (diametrul mediu al porului<15µ). Prin timp de
filtrare se înţelege timpul de funcţionare al filtrului până la atingerea unei Δp impuse, fiind practic
durata de funcţionare între două regenerări, acest parametru este de dorit să fie cât mai mare. Prin
dublarea grosimii pereţilor, timpul de filtrare se înjumătăţeşte pentru filtrele cu pori mici şi se
reduce la 1/5...1/10 pentru filtrele cu pori mari.
Dublarea lungimii filtrului semnifică dublarea suprafeţei de filtrare, iar timpul de filtrare
creşte. Capacitatea de încărcare a filtrului se determină prin cântărirea particulelor colectate în filtru
la atingerea Δp date. Practic, această mărime se determină prin diferenţa dintre valorile masei
filtrului încărcat si valorile filtrului curat.
FILTRE CU FIBRE CERAMICE
Pentru retinerea particulelor s-au dezvoltat in ultimul timp fibre din materiale
refractare, denumite generic filtre cu fibre ceramice, care rezista la temperaturi mari de 1000 grade
C si care asigura filtrarea buna a particulelor submicronice diesel. Aceste materiale se disting prin
urmatoarele proprietati:
rezistente si module de elasticitate ridicate (rezistenta creste cu micsorarea diametrului
fibrei);
temperaturi de lucru pana la 1000 grade C , in functionare de durata;
proprietati electrice care acopera domeniul de buni izolatori pana la materiale
conductibile;
rezistenta chimica foarte buna;
posibilitati de finisare a suprafetei si a structurii interne;
Principalele materiale din care se pot cofectiona astfel de fibre sunt: carbonul, carbonul
activ sticla, cuartul, materialele ceramice(mullitul), oxizii de aluminiu, carbura de siliciu. Fibrele
fara selectionate sunt apoi tricotate sau tesute, rezultand o structura volumica cu pori deschisi.
Impletitura este pretensionata in procesul de formare a ochiului tricotului.
40
Stadiul actual
Fig 3.5.4. Filtru ceramic
Utilizarea acestor filtre la motoarele diesel se bazează pe următoarele caracteristici:
grad înalt de separare în domeniul submicronic;
repartizare uniformă a particulelor;
capacitate mare de înmagazinare a materialului inert;
rezistenţă la temperature înalte;
insensibilitate la şocuri termice;
amortizare bună a zgomotului;
uşurinţa regenerării passive;
41
Stadiul actual
simplitatea carcasării;
Constructiv, există mai multe variante determinate de tipul autovehiculului. Pentru
autoturisme, la care spaţiul din instalaţia de evacuare este redus s-a dezvoltat un filtru cu fibre
ceramice de tipul “ţeavă în ţeavă” , în care gazele arse parcurg dinspre interior spre exterior un
tub perforat, pe suprafaţa căruia s-a înfăşurat o împletitură din fibre ceramice. Cartuşele filtrante
se pot configura în serie. La motoarele supraalimentate se recomandă plasarea filtrului de
particule înaintea turbosuflantei, nu numai din motivul temperaturii mai ridicate a gazelor, ci şi
datorită efectului considerabil mai mic al pierderii de presiune asupra consumului de
combustibil. Dezavantajul este dat de masa inerţial termică a filtrului, care este plasată înaintea
turbinei şi care înrăutăţeşte comportamentul acesteia la variaşia sarcinii. Pentru autoturisme
acest dezavantaj persistă, pentru autocamioane şi autobuze dezavantejul se diminuează
considerabil, datorită proprietăţii de înmagazinare termică a filtrului. Vulnerabilitatea filtrului
monolit la şocuri termice şi la încercări vibratorii înalte asigură un ascendent net al fibrelor cu
fibre ceramice.
FILTRUL METALIC
Monolitul ceramic are dezavantajul că se poate fisura sau topii în timpul regenerării, iar
filtrele metalice se pot coroda uşor şi au performanţe mai scăzute de captare a particulelor.
Ca alternativă la materialele tradiţionale din care se confecţionează filtrele de particule, s-a
experimentat un material metallic poros, denumit Celmet, un aliaj Ni-Cr, care elimină
dezavantajele. Filtrul este alcătuit din mai mulţi cilindrii concentrici, de aceeasi grosime, din
Celmet închişi într-o carcasă metalică, gazelle arse fiind forţate să treacă prin pereţii cilindrii.
Teoria filtrării tridimensionale se poate aplica filtrului metallic poros, obţinându-se o eficienţă a
filtrării de 60%, în condiţiile unei căderi de presiune duble faţă de cea obişnuită la filtrele
ceramice monolit. Reducerea pierderii de presiune, până la valori comparabile cu cele ale
monolitului ceramic, s-a reuşit prin variaţia mărimii porilor cilindrilor concentrici ( cilindrii
interiori, adică cei care sunt primii străbătuţi de gaze, au pori mai mari decât cei ai cilindrilor
exteriori). Astfel, acest tip de filtru ajunge să aibă toate avantajele filtrului monolit, dar şi o bună
rezistenţă la coroziune, la temperaturi înalte.
42
Stadiul actual
Fig. 3.5.5. Filtru metalic
3.5.6. REGENERAREA FILTRELOR
Funcţie de procedeul de reţinere a particulelors-au dezvoltat mai multe procedee de
regenerare:
-regenerare termica (cu aport de energie, in scopul cresterii temperaturii gazelor arse pana la valori
de 550…600 grade C);
-regenerare electrica cu rezistor de incalzire;
- regenerare cu microunde;
- regenerare cu arzator de combustibil suplimentar;
- regenerare cu obturarea admisiei;
- regenerare cu obturaea evacuarii;
- regenerare chimica ( cu reactii catalitice care produc oxidarea particulelor la temperaturi mai
scazute ale gazelor de evacuare );
- regenerare cu depuneri sau injectere de catalizatori in filtru;
- regenerare combinata ( termica si chimica );
43
Stadiul actual
- regenerare mecanica;
dupa periodicitatea regenerarii:
- regenerare periodica;
- regenerare continua;
dupa locul de producere a regenerarii:
- regenerare externa ( oxidarea particulelor din filtru are loc dupa colmatarea acestuia
prin folosirea unui arzator extern);
- regenerare interna ( oxidarea particulelor are loc in filtru, prin actiunea sistemului
propriu de regenerare);
Condiţiile impuse sistemului de regenerare sunt:
regenerarea filtrului trebuie să aibă loc automat, în funcţionarea normală fără a deranja
conducătorul sau fără a necesita intervenţia acestuia;
sistemul trebuie să evite recurgerea la piese aflate în mişcare în curenţi calzi;
modul de încălzire şi oxidarea încărcăturii trebuie să se facă cu minimum de energie şi de
poluare secundară;
sistemul trebuie să poată substitui toba de evacuare şi să producă aceeaşi atenuare sonoră
fără cădere de presiune exagerată.
Regenerare termică
O metodă de reducere a particulelor este oxidarea lor pe traseul evacuării; fiindcă gazele
conţin oxigen, particulele pot fi oxidate dacă temperatura este suficient de înaltă şi timpul de ardere
suficient de lung. Regenerarea necesită o anumită temperatură şi un anumit conţinut de oxigen
pentru a se iniţia,timpul de regenerare depinde de temperatura filtrului,care la rândul ei depinde de:
Cantitatea totală de particule acumulate;
Densitatea particulelor şi distribuţia lor în filtru;
Reactivitatea funinginei;
Debitul de gaze evacuate;
Pierderile de căldură ale filtrului.
În general, regenerarea depinde de temperatura gazelor, mai mare de 4800C, conţinutul de
oxigen, peste 2%, timp suficient pentru ardere completă. Creşterea temperaturii gazelor necesită o
cantitate mare de energie, energie care dacă nu poate fi recuperată, duce la consumuri inacceptabile.
44
Stadiul actual
Regenerarea termica este specifică filtrului monolit şi se realizează prin oxidare sau piroliză,
care se amorsează la 500-6000C şi în condiţiile unui exces de O2.Piroliza trebuie controlată şi
amorsată, în cele mai multe cazuri temperatura gazelor arse nu atinge 550 0C, rămânând în jur
de300 0C.
Fig. 3.5.4. Regenerarea termica
La funcţionarea la sarcini mari se atinge această temperatură , dar gazele arse nu mai conţin
suficient oxigen pentru producerea oxidării. Cum cele două condiţii (temperatură înaltă şi prezenţa
oxigenului ) nu sunt îndeplinite niciodată simultan, s-au folosit metode de creştere a temperaturii
gazelor cum ar fi: încălzirea lor prin intermediul unui arzător cu motorină sau a unui rezistor electric
sau cu microunde, folosirea unei supape pe traseul de admisie sau evacuare, cu rol de a izola şi de a
menţine temperatura înaltă a evacuării după funcţionarea la sarcini mari.
Cea mai bună soluţie s-a dovedit a fi încălzitorul electric sau arzătorul cu motorină, care
duce la creşterea consumului de combustibil cu 1 - 2%, regenerarea fiind comandată când
comatarea filtrului o impune, în timpul funcţionării motorului. Controlul regenerării este dat de o
unitate electronică de comandă,care primeşte semnale electrice de le traductoarele de presiune şi de
temperatură montaţi în filtru.
Pentru perioada cât filtrul se regenerează, gazele arse sunt deviate printr-un by-pass în
conducta de evacuare nefiind filtrate. De aceea pentru motoarekle de autobuze, s-au construit
45
Stadiul actual
sisteme de filtrare duble, astfel încât pe toată durata funcţionării autobuzului gazele arse să fie
filtrate. Pentru cercetarea procesului de regenerare, este interesantă variaţia parametrului ∆p.
Variaţia ∆p în procesul de regenerare este reprezentată în figura 5. După ce se ating condiţiile
staţionare de funcţionare prin conducta de by-pass gazul trece prin filtru ducând la o creştere a ∆p
pe filtru, fiindcă se încălzeşte în regimul de curgere în debit total. După aprindere, apare o scădere a
∆p. Este dificil de a aprecia care este timpul total al reacţiei mai ales la încărcări mici ale filtrului
sau la temperaturi de regenerare scăzute.
Fig. 3.5.5. Variaţia p în timpul regenerării
Durata procesului de regenerare este puternic influenţată de temperatura gazelor arse; pentru
un filtru dat, procesul de regenerare poate dura între 10 minute, la temperatura de 6500C şi 300 de
minute, la temperatura de 4500C; la temperatura cea mai probabilă a regenerării, de 5500C, durata
regenerării este de 95 de minute. Semnalarea regenerării se face prin scăderea presiunii şi prin
creşterea temperaturii în filtru, dar şi prin variaţia bruscă a CO şi O2.
Aprinderea particulelor depinde atât de temperatura gazelor, cât şi de conţinutul de oxigen;
pentru un filtru dat în funcţie de aceşti doi parametri se poate trasa curba aprinderilor care
delimitează zonele în care particulele se pot aprinde de cele în care ele nu se aprind. Astfel, dacă
temperatura nu poate fi crescută artificial, o metodă de asigurare a aprinderii este injecţia de oxigen
în filtru.
Regenerare catalitică
46
Temperatura gazelor arse (oF)
Concentratia de O2
(%)
Stadiul actual
Această metodă urmăreşte începerea regenerării prin folosirea unei reacţii catalitice în filtru,
care are ca efect combustia particulelor la o temperatură mai scăzută. Există două tipuri de filtre de
particule care folosesc afectul catalitic:
Unul foloseşte catalizatori care sunt depuşi sau injectaţi în filtru,
Unul utilizează aditivi care sunt introduşi în combustibil;
Filtrele cu depunere de catalizatori nu au fost prea larg dezvoltate, datorită faptului că motoarele
ale căror gaze le filtrează trebuie să folosească motorină cu conţinut foarte mic de sulf şi efectul
catalitic nu a fost prea puternic, datorită contactului dintre catalizator şi particule. Un astfel de filtru
este folosit pentru reţinerea componentelor puternic mirositoare din gazele emise de MAC.
Metoda de obţinere a filtrului este:
Prepararea soluţiei pentru stratul intermediar prin măcinarea a 100 părţi de zeolit şi 80 părţi
de silică, împreună cu apă şi acid azotic;
Imersarea în soluţie a monolitului de cordierit;
Îndepărtarea surplusului prin suflarea monolitului cu aer condiţionat,
Uscarea şi coacerea monolitului în cuptor;
Acoperire cu un strat de zeolit;
Îmbibarea monolitului cu o soluţie apoasă de acetat de cupru,
O nouă uscare si coacere a monolitului în cuptor;
Componentele puternic mirositoare, precum aldehidele, având un punct de fierbere coborât sunt
absorbite de zeolit când temperatura gazelor arse este sub 2000C, reţinându-se totodată şi fumul alb
şi albastru. La valori mai mari ale temperaturii gazelor arse, componentele puternic mirositoare sunt
oxidate catalitic , transformându-se în compuşi mai puţin mirositori.
Regenerarea catalitică se aplică mai ales la filtre cu fibre ceramice, acestea având o serie de
proprietăţi care favorizează regenerarea pasivă.
O altă metodă este regenerarea catalitică prin aplicarea unui strat activ pe fibre. Acestea sunt
acoperite cu un catalizator CuO, care prin injectarea unui activator chimic (acetil-acetona), coboară
temperatura de piroliză a particulelor de la 6000C la 2000C. Pentru activarea catalizatorului se
injectează, după oprirea motorului, cu ajutorul unui sistem electronic de comandă şi după răcirea
filtrului 10ml acetil-acetonă. După pornirea motorului se începe regenerarea, la atingerea
temperaturii de 2500C.
Emisia de particule se reduce în proporţie de 80-90%, toate procesele decurg automat,
rezervorul de acetil-acetonă de 9 l ajunge pe o rută de 60000 Km sau pe durata de funcţionare de
mai mult de un an a autobuzului. Acest lichid activator, acetil-acetona, este responsabil de poluări
47
Stadiul actual
secundare; şi pierderea de cupru este primejdioasă, deşi, în medie, ea este sub valoarea impusă de
legislaţie, concentraţia locală urbană este destul de mare şi poate pune sub semnul întrebării
imunitatea pietonilor.
Acest filtru este alcătuit din mai multe cartuşe filtrante care sunt tuburi din material
refractar, perforate şi înfăşurate cu fibre ceramice.Unul din capetele cartuşului este obturat forţând
gazele arse să treacă prin cartuş. Fibrele ceramice sunt fibre continue, robuste şi elastice, bobinate
pe tub cu respectarea unor parametrii specifici cum ar fi unghiul de bobinare, pasul, tensiunea de
înfăşurare. Fibra se înfăşoară pe suportul tubular alternând pentru două straturi succesive sub
unghiuri de ±45º fa’[ de generatoarea cilindrului metalic. Zona perforată este acoperită în întregime
de fibre.
Pentru ca sistemul să răspundă tuturor condiţiilor de încărcare termică şi mecanică,
rezistenţa fibrelor ceramice la temperaturi înalte este completată de utilizarea oţelurilor inoxidabile
pentru tuburile suport şi pentru carcasa filtrului. Toata aceste particularităţi constructive conduc la
obţinerea unui filtru cu rezistenţă remarcabilă la solicitările termice şi mecanice, cu eficienţă şi
durabilitate mari ca şi cu posibilitatea efectuării regenerării pe motor.
Regenerarea chimică cu aditivarea combustibilului permite oxidarea particulelor la o
temperatură relativ scăzută a gazelor arse. Oxidarea particulelor se face continuu , o data cu
depunerea lor in filtru, prin egalizarea vitezei de ardere regenerative cu viteza de retinere a
particulelor ; se obtin astfel valori constante ale presiunii in filtru.
In ultimii ani s-au studiat multi aditivi , fiind evaluate proprietatile acestora de a
reduce temperatura de aprindere a particulelor.
Principalele contributii ale aditivilor in procesul de regenerare catalitica sunt
urmatoarele:
-aditivii reduc temperatura de aprindere a funinginei pana la valori de 400ºC in conditii de
laborator;
-aditivii nu reduc temperaturile maxime de regenerare in acelasi mod;
-calitatea regenerarii nu este imbunatatita dupa depasirea unei anumite concentratii limita;
-activitatea catalitică a aceluiaş aditiv diferă substanţial cu tipul şi regimul motorului;
-temperatura de evacuare, concentraţia de oxigen şi conţinutul de HC sunt parametrii importanţi ai
procesului de regenerare.
Aditivii rămaşi în competiţie după multi ani de studiu sunt: cuprul, manganul, fierul şi
ceriumul.
48
Stadiul actual
Regenerare aerodinamică
Regenerarea aerodinamică utilizează pulsuri scurte de aer comprimat, care parcurg filtrul în
sens invers gazelor evacuate; aerul este conţinut într-un rezervor de presiune de 4-6 atm şi presiunea
la intrare în filtru de 1-2 atm. Funinginea se colectează într-o cameră amplasată sub monolit şi care
se curăţă fie prin ardere, fie prin colectare într-un aspirator. Astfel de filtre cu regenerare
aerodinamică pot asigura un curent de gaze arse răcit necesar pentru recircularea gazelor arse.
Regenarea se efectuează periodic, când se atinge o valoare limită a căderii de presiune. Rezervorul
der aer comprimat este menţinut la 5 atm., iar la intrarea în filtru presiunea aerului este de 1,5 atm.
în timpul regenerării. Această ultimă valoare trebuie menţinută, căci la valori mai mici filtrul nu se
curăţă suficient de bine.
Funinginea este reţinută în incinerator şi particulele sunt arse sau extrase cu un aspirator
printr-un orificiu special.
3.6. Sistemul de recirculare a gazelor (EGR)
Primul sistem EGR a fost adăugat la un motor în 1973, iar astăzi cele mai multe motoare
au un sistem EGR.
O metodã foarte eficientã şi sigurã de reducere a NOx este recircularea gazelor de
evacuare (EGR - Exhaust Gasses Recirculation). Aceasta constã în realizarea unei ramificaţii în
galeria de evacuare, prin care o parte din gazele de evacuare sunt introduse în galeria de admisie şi
apoi în camera de ardere. Aceste gaze de evacuare, cu un conţinut extrem de scãzut de oxigen,
reduc reactivitatea amestecului admis în cilindru. Se reduc, astfel, varfurile de temperatura din
camera de ardere, care sunt rãspunzãtoare de aparitia oxidului de azot (NOx). Prin procedeul de
recirculare a gazelor, NOx poate fi redus, pentru motoarele pe benzinã, într-un procent de peste 50
%.
Cantitatea de gaze recirculate este limitatã de instabilitatea ce poate aparea in desfãsurarea
procesului de ardere. Acest fapt poate conduce chiar la imposibilitatea aprinderii amestecului
carburant şi, deci, la creşterea conţinutului de hidrocarburi nearse din gazele de evacuare.
Funcţionarea acestor sisteme constã în captarea unei cantitaţi de gaze de evacuare şi introducerea
lor, prin intermediul unei supape, în galeria de admisie. Supapa poate fi comandatã pneumatic sau
electric, funcţie de sarcina, turaţie şi temperatura motorului. Sistemele EGR cu actionare electrica,
in comparatie cu cele cu actionare pneumatica, prezintã o mai bunã precizie în dozarea cantitaţii de
gaze recirculate şi o mai bunã dinamicã a procesului de recirculare.
La mersul în gol, acest procedeu este intrerupt, datoritã conţinutului redus de NOx si
posibilitaţii de apariţie a instabilitaţii în funcţionare a motorului, prin utilizarea recircularii gazelor
49
Stadiul actual
de evacuare. Un dezavantaj al acestor sisteme constã in apariţia depunerilor dure pe suprafaţa
supapelor şi suprafeţelor interioare ale conductei datorate particulelor conţinute în gazele de
evacuare, fapt ce duce la o reducere cantitatii de gaze recirculate.
Fig. 3.6. Electrovalva EGR de la GM
Fig. 3.6.1. Sisteme EGR (Ford stânga, VAG dreapta)
50
Stadiul actual
51
Fig. 3.6.2. Valvă EGR de provenienţă VAG cu acţionare cu presiune negativă [19]
Stadiul actual
Fig. 3.6.2.1. EGR de provenienţă VAG (completare la fig. 3.6.2)
Fig.3.6.3. Valvă EGR de provenienţă Ford
52
Stadiul actual
3.7. AdBlue
Noi stimulente pentru emisii - autocamioane
Toate vehiculele înmatriculate începând cu 1 octombrie 2006 trebuie să respecte legislaţia
Euro 4. Euro 5 intră în vigoare pe 1 octombrie 2009.
Noile norme Euro pentru reducerea emisiilor poluante impun cerinţe stricte tuturor
producătorilor de vehicule. Diferenţa între cerinţele în materie de emisii poluante pentru motoarele
Euro 3 şi Euro 4 este considerabilă. Emisiile de oxizi de azot (NOx) trebuie reduse de la 5 la 3,5
g/kWh, o reducere de 30%. Emisiile de particule (PM) trebuie să scadă de la 0,1 la 0,02 g/kWh.
Acestea corespund unei reduceri cu până la 80%.
Stimulente guvernamentale
Mai multe ţări europene încurajează deja respectarea anticipată a standardelor Euro 4 şi
Euro 5 prin metode de stimulare precum taxe de drum mai reduse (spre exemplu 10 cenţi/km în loc
de 12 cenţi/km în Germania) sau rate de depreciere mai bune pentru vehiculele echipate
corespunzător (spre exemplu în Olanda). Se aşteaptă adoptarea şi în alte ţări europene a unor
metode de stimulare a utilizării acestei tehnologii ecologice.
Consum de combustibil
Graţie combustiei eficiente a motoarelor performante care respectă Euro 4 şi Euro 5
(stimilente), aceste agregate asigură cel mai redus consum de combustibil dintre toate tehnologiile
existente, ceea ce înseamnă un câştig atât financiar, cât şi în privinţa protecţiei mediului. Deşi
procesul de reducere catalitică are nevoie de un aditiv lichid denumit AdBlue, cu estimările curente
ale preţului aditivului AdBlue, costurile totale de exploatare nu vor creşte faţă de un motor care
respectă Euro 3.
3.7.1. AdBlue. O substanţă naturală, existentă în mediul înconjurător
Tehnologia SCR utilizează un aditiv denumit AdBlue injectat în gazele de evacuare, înainte
ca acestea să treacă printr-un catalizator SCR. În catalizator, oxizii de azot sunt transformaţi în azot
şi vapori de apă inofensivi - substanţe care se află deja în mod natural în mediul înconjurător.
53
Stadiul actual
Substanţa activă a aditivului AdBlue - ureea - este extrasă din gaze naturale. Ureea este o
pudră cristalină de culoare albă care se găseşte şi în mediul înconjurător. Este o substanţă stabilă şi
inofensivă, fără restricţii la depozitare sau transport.
3.7.2. Sistemul de evacuare pentru un motor EURO 5 cu AdBlue
AdBlue este un lichid stabil, netoxic, nepericulos şi neinflamabil, asemănător apei, dezvoltat
pentru tratarea ulterioară a gazelor de eşapament ale autovehiculelor, camioanelor şi autobuzelor
diesel EURO 4 şi 5.
Tabelul 7 [20].
Lichidul este o soluţie lichidă compusă din carbamidă şi apă, în care procentul carbamidei
este cca. 32,5%. Adaosul AdBlue este destinat în special reducerii emisiunii de materiale nocive a
autoutilajelor (autocamioane şi autobuze), în particular reducerii monoxidului de azot. Sistemul
SCR, pulverizând în aer comprimat adaosul AdBlue, direct înaintea catalizatorului, dozează acesta
gazului cald de eşapament ieşind din compartimentele de ardere.
54
Stadiul actual
La temperatură înaltă din carbamidă se formează amoniac. În a II-a treaptă monoxidele de
azot aflate în gazul de eşapament intră în reacţie cu amoniacul, pe suprafaţa catalizatorului SCR. În
cursul acestui proces aceştia se transformă în apă şi în gaz de azot nevătămător, prezent în natură în
cantităţi mari. Avantajul tehnologiei SCR constă în faptul că este la fel corespunzător satisfacerii
exigenţelor standardelor Euro 4 şi Euro 5, privind emisiunea monoxidelor de azot. În vederea
satisfacerii prevederilor standardului Euro 4 o cantitate de adaos egală cu 3-5 %, iar în caz de Euro
5 – pe lângă un randament catalitic majorat – cu 5-7% a combustibilului este pulverizat în gazul de
eşapament condus la catalizator, în funcţie de starea de funcţiune a motorului.
MODUL DE FUNCŢIONARE A INSTALAŢIEI SCR
Transformă oxizii de azot (NOx) în azot – inofensiv pentru mediu – şi apă, prin intermediul unui
convertizor catalitic şi cu ajutorul unei cantităţi de AdBlue injectate în fluxul fierbinte de gaze de
esapament. În sistemul SCR arderea se face la temperaturi mari, producându-se o mare cantitate de
Nox, dar o cantitate mică de particule. Excesul de NOx este îndepărtat prin post tratamentul gazelor
de eşapament.
55
Fig. 3.7.1. Elemete componente ale sistemului de evacuare EURO 5 AdBlue [20]
Stadiul actual
Procesul SCR este o serie de reacţii chimice care duc la reducerea NOx. Temperatura
optimă de lucru este de 180–350°. Sistemul este gestionat de DECU, înglobat în modulul pompă şi
ţine cont de turaţia motorului, de cuplul solicitat, temperatura gazelor de eşapament, temperatura
lichidului de răcire, cantitatea de NOx şi umiditatea aerului la admisie (fig. 2). Senzorul de
umiditate este situat pe galeria de ieşire din filtrul de aer. Acesta are rolul de a transmite la ECU
informaţia umidităţii prezente în aer, necesară pentru calculul emisiilor de azot.
Senzorul de temperatură gaze eşapament are funcţia de a transmite centralinei valorile de
temperatură ale gazelor de eşapament in punctele de intrare şi de ieşire din catalizator, pentru
calcularea cantităţii de AdBlue (uree) necesară pentru a fi injectată .
Fig. 3.7.2. Sistemul SCR si reactiile chimice ce au loc
56
Stadiul actual
Fig. 3.7.3. Tratarea gazelor la diferite motoare
57
Stadiul actual
Catalizatorul este echipat cu amortizoare de zgomot şi înlocuieşte actuala tobă de eşapament
.În interiorul lui, NOx reacţionează cu amoniacul, rezultând azot molecular şi vapori de apă. Pe
catalizator sunt montaţi şi senzorii de temperatură. Dacă este amestecat cu motorină şi injectat în
cilindru, aditivul AdBlue se va descompune şi va arde din cauza temperaturilor ridicate ale
procesului de ardere. În acest caz, nu se va produce formarea amoniacului, necesar pentru reacţia
catalitică. Iată de ce nu poate fi amestecat aditivul AdBlue cu motorina. Pompa preia AdBlue din
rezervor şi o trimite sub presiune la DECU, unde este amestecat cu aerul din sistemul pneumatic şi
introdusă de un injector înainte de catalizator. AdBlue se evaporă instantaneu, rezultând amoniac şi
dioxid de carbon. Temperatura gazelor scade până la cea necesară procesului , rezultând la sfârşitul
acestuia azot molecular şi apă. Introducerea ureei în sistemul SCR are loc doar în anumite condiţii
predefinite:
- temperatura motorului trebuie să fie mai mare de 65°C;
- temperatura catalizatorului trebuie să fie mai mare de 220°C;
- temperatura exterioară trebuie să fie mai mare de –20°C;
- turaţia motorului trebuie să fie mai mare de 1000 rpm.
În plus, nu trebuie să avem erori prezente în EDC lega-te de: injectoare, presiunea de
supraalimentare, presiunea de injecţie, senzorul de turaţie al motorului, senzorul de umiditate şi
senzorul de temeperatură atmosferică. De asemenea, nu trebuie să avem erori în DECU
(denoxtronic – centralina de comanda a sistemului SCR).
La temperaturi scăzute, AdBlue este păstrat în rezervoare încălzite. Furtunurile şi racordurile
sunt, de asemenea, încălzite pentru a asigura fiabilitatea sistemului. Dacă un camion este parcat o
perioadă mai lungă de timp la temperaturi foarte scăzute, lichidul va îngheţa, dar se va încălzi şi
dezgheţa de îndată ce motorul este pornit. De notat că pornirea motorului nu este afectată în niciun
fel. AdBlue face parte din sistemul de tratare a gazelor la ieşirea din catalizator, iar gazele de
evacuare nu sunt filtrate în întregime până când motorul şi sistemul de evacuare nu ating
temperatura normală de funcţionare. Indicatorul de control AdBlue se compune din: un set de
rezistenţe electrice, un plutitor, un senzor de temperatură şi o sepentină pentru încălzirea AdBlue cu
lichid de răcire din motor la temperaturi exterioare scăzute . Senzorul NTC controlează valva de
58
Stadiul actual
deviaţie şi în funcţie de temperatură, închide şi deschide circuitul lichidului de răcire spre serpentină
(vezi fig. 3). În comparaţie cu motorina, AdBlue nu ocupă mult spaţiu. La un amestec de 4%, 1000
de litri de motorină necesită doar 40 de litri de AdBlue. Consumul de AdBlue rămâne întotdeauna
în proporţie fixă faţă de consumul de motorină. Rezervoarele pentru aditiv AdBlue sunt dis-ponibile
în variante cu capacitate de la 30 la 120 de litri. Rezervoarele sunt din aluminiu sau plastic. Pe
viitor, producătorii îşi vor adapta capacităţile de producţie la cererea pieţei. În prezent, împreuna cu
distribuitorii, işi stabilesc o reţea europeană de distribuţie. Două bine-cunoscute companii petroliere
– OMV şi Total – sunt pregătite să-şi dezvolte strategia pentru implementarea tehnologiei SCR
pentru vehiculele comerciale şi susţin activ testele finale cu noile sisteme. Şi alte companii şi-au
arătat interesul şi poartă discuţii cu oficialii din sectoarele chimic si din cel al vehiculelor
comerciale. Companiile petroliere şi producătorii de AdBlue formulează în prezent pachete extinse
de produse şi servicii pentru reţelele de distribuţie.
Mai presus de toate, aceasta înseamnă echiparea staţiilor publice de combustibili, care
operează în industria transportului european, cu pompe de alimentare SCR. Acestea acoperă o gamă
extinsă, de la pompe combinate diesel-AdBlue cu contoare separate (deja operaţionale în staţiile din
Berlin, Stuttgart şi Vomp/Tirol), până la staţii mici de alimentare ale unor companii sau oferte
pentru flote, cu rezervoare sau canistre.
Caracteristicile tipice fizice: [20]
Densitate1,087kg/m3 (la 20O C)
Viscositate 1,4 mPas
Temperatură de cristalizare - 11O C
Caracterul produsului:
Adaosul AdBlue este un lichid compus din carbamidă şi apă distilată, necolorat, transparent,
de un miros uşor înţepător şi cu o concentraţie nominală de carbamidă de 32,5%. Carbamida este un
material prezent şi în formă naturală, stabil, netoxic şi neinflamabil, fără restricţii specifice privind
depozitarea acestuia. Adaosul AdBlue se cristalizează la o temperatură de -11O C, iar la o
59
Stadiul actual
temperatură superioară de +35O C se începe decompunerea carbamidei. Pe când congelarea nu are
consecinţe deosebite, decompunerea însemnă degradarea produsului.
Folosinţa produsului AdBlue:
AdBlue este un adaos utilizat în cursul exploatării de motoare EURO 4-,5, construite pe
tehnologia SRC, prin containerul montat pe şasiul camionului conţinând soluţia AdBlue. Utilizarea
acestuia are ca bază asigurarea unui proces optimizat de ardere a motorului şi reducerea
semnificativă a nivelului monoxidelor de azot (NOx).
Cantitate dozată: Având în vedere proporţia de dozare de cca. 4 la sută, la 1000 litri motorină se
utilizează 40 litri de AdBlue.
Tabel 8. Metoda de depozitarea a AdBlue funcţie de distanţa parcursă şi numărul de maşini [20]
Utilizare în condiţii climatice de temperatură joasă:
După vărsarea produsului AdBlue în containerele vehiculelor, în cazul în care autocamionul
este parcat pentru o perioadă mai îndelungată la un loc de joasă temperatură, produsul se poate
congela, însă după pornirea motorului se încălzeşte şi se decongelează, deoarece depozitarea
acestuia se realizează într-un container încălzit, racordat sistemului SCR. Fiablitatea sistemului este
asigurat prin încălzirea furtunelor şi a racordurilor. Este important ca toate aceste să nu afecteze
calitatea de demarare a autovehiculului.
Avantaje:
fără limite de capacitate motor
folosinţa produsului, încă de la început asigură satisfacerea prevederilor standardului Euro 5
consum economic de combustibil
60
Stadiul actual
reducerea cantităţii NOx de aproape 90%
reducerea cantităţii de combustibil de cca. 2-5%
consumul de AdBlue este de 3-4% a combustibilului, dacă se prevede respectarea
prevederilor standardului Euro 4. În caz de Euro 5 consumul de AdBlue este de 5-7%, preţul
actual al produsului AdBlue este 50% a combustibilului.
lichid necolorat, limped
formula chimică a acestuia: (NH2)2CO+H2O
valoare pH: 9.0-9.5
necesită întreţinere minimă şi este conceput pentru întreaga durată de viaţă a vehiculului.
tehnologia SCR nu afectează intervalele de service şi de schimb al uleiului la vehiculele pe
care este montată.
degradare lentă la temperatura camerei, descopunându-se în amoniac, gaz de dioxid de
carbon şi apă.
Tehnologia SCR este o tehnologie a cărei fiabilitate şi-a dovedit deja eficacitatea, fără a
limita puterea maximă. Acest lucru înseamnă că va fi optimizată în conformitate cu ultimele cerinţe
ale legii, inclusiv un sistem de diagnosticare pentru a monitoriza respectarea nivelurilor impuse
pentru gazele de evacuare.
Majoritatea constructorilor de autocamioane grele din Europa au hotărât în favoarea
adoptării tehnologiei SCR (Selective Catalytic Reduction - reducere catalitică selectivă) pentru a
produce motoare care să corespundă normelor de depoluare Euro 4 si Euro 5. Alături de Volvo
Trucks, DAF, Iveco, Mercedes-Benz si Renault Trucks au pus bazele unei colaborări cu scopul de a
contribui la un viitor mai curat în sectorul transportului rutier. Împreună, aceste companii reprezintă
aproximativ 80% din totalul pieţei europene de autocamioane.
61
4. TRASEUL DE EVACUARE
4.1. Generalităţi
Rolul eşapamentului este acela de a evacua gazele produse de motorul unei maşini în timpul
funcţionării, într-o formă uman tolerabilă. De la apariţia primelor autoturisme cu o putere
semnificativă a fost subliniat pericolul incendiar al eşapamentului şi disconfortul generat de
zgomotul său. Studii recente asupra calităţii vieţii atrag atenţia asupra părţii de responsabilitate ce
revine motoarelor în poluarea atmosferică. Funcţia "Eşapament" trebuie să fie cunoscută şi pusă la
punct la fel de bine ca şi funcţia "Carburaţie".
Pe lângă numeroasele probleme ce se pot ivi, un sistem de complet eşapament de tip "cat-
back" (de la ieşirea catalizatorului până la capatul ţevii de ieşire din amortizorul de zgomot) prost
conceput poate diminua cu 4-5% puterea motorului iar un eşapament corect conceput şi acordat
poate aduce un spor de putere de până la 2,5%.
4.2. Descrierea şi elementele componente ale eşapamentului
Elementele componente ale unui sistem de eşapament sunt:
conductele de la chiulasă în aval de supapele de evacuare
colectorul de evacuare ("galeria") fixat pe chiulasă
capacitatile/camerele de rezonanta pe care gazele le străbat succesiv. În principal
acestea sunt: convertorul catalitic , camera de detentă sau detentorul ("toba de mijloc" sau "toba
intermediară") şi amortizorul de zgomot ("toba finală")
tuburile (ţevile) de legatură între camerele de rezonanţă şi în unele cazuri tuburile
(tevile) de ieşire din amortizorul de zgomot.
Ansamblul tuburilor, camerelor de detentă, amortizoarelor de zgomot etc, de la colectorul de
evacuare fixat pe chiulasă până la gura de ieşire în aer liber constituie traseul (linia) de evacuare. Ea
se întinde în lungimea vechiculului cu condiţia ca gazele arse să fie eşapate spre spate fără riscul de
a se infiltra în habitaclu. Dată fiind toxicitatea acestor gaze, toate scurgerile catre interior sunt
periculoase pentru pasageri. Eşapamentele ce echipeaza maşinile noi sunt prevazute cu ecrane de
protecţie între ele şi habitaclu.
62
Traseul de evacuare
Fig. 4.2.1. Traseu esapament
Primul element al sistemului este colectorul de evacuare cu rolul de a prelua ieşirea din
chiulasă şi de a conduce gazele de eşapament către prima cameră de rezonanţă. În continuarea
colectorului de evacuare, la motoarele fără injecţie, se plasează o capacitate sau rezonator cu rolul
de a tăia acusticile libere. La motoarele cu injecţie dotate cu catalizator acest rezonator lipseşte,
funcţia acestuia fiind preluată chiar de convertorul catalitic.
Convertorul catalitic are forma unui amortizor clasic, eliptic sau rotund, în interiorul căruia
sa află un monolit ceramic sau metalic pe care sunt depuse metale nobile: Pt, Rh, Pd care
favorizează conversia gazelor poluante în gaze nepoluante. În convertorul catalitic au loc procese de
transformare a hidrocarburilor în dioxid de carbon (CO2 ) şi vapori de apa, a monoxidului de carbon
(CO) în dioxid de carbon (CO2) şi a oxidului de azot (NO) în nitrogen (N2) şi oxigen (O2). O
funcţionare normală a unui convertor catalitic corect dimensionat conduce la o transformare a
gazelor rezultate ca urmare a arderii combustibilului în gaze cvasiinofensive.
La ieşirea primului tronson tubular se gaseşte o capacitate numită cameră detentă sau
detentor unde gazul pierde o bună parte din temperatura acumulatp ca urmare a funcţionării
63
Traseul de evacuare
motorului. Camera detentă este alcatuită din mai multe incinte acustice fiind elementul sistemului
de eşapament care tratează din punct de vedere acustic fluxul de evacuare.
Exigentele de reducere a zgomotului pentru incadrarea în regulamente şi pentru confortul
pasagerilor sunt asigurate de ultimul element al sistemului de evacuare denumit amortizor de
zgomot.
Fiecare capacitate, detentor sau amortizor, este locul unei modificări de stare (presiune,
volum) a gazelor care se exprimă prin reducerea entalpiei (energiei totale a gazelor) şi a
temperaturii. Capacităţile şi rezonatoarele plasate în general foarte aproape de supape de evacuare
sunt locul efectelor acustice atermice. Camerele de detentă care se găsesc în general în secţiunea
mijlocie a traseului, provoacă o scădere a presiunii endoterme. În amortizorul de zgomot se produce
o mişcare violentă a reţelei de gaze care provoacă o mare degajare de caldură. Suprafaţa lor
exterioară se comportă ca un radiator iar temperatura exterioară poate depăşi 200OC şi din acest
motiv trebuie izolate de planşeu. Amortizoarele plasate în majoritatea cazurilor la finalul liniei de
eşapament sunt în general de două tipuri: de tip absorbţie şi de tip reflexie. În cazul amortizoarelor
de tip absorbţie materialul fonoabsorbant izolând interiorul şi fluxul de gaze de invelisul exterior
conduce la diminuarea temperaturii exterioare şi deci la o mai bună rezistenţă în timp a produsului.
Amortizoarele de tip reflexie (cu mai multe tuburi interioare perforate - modelul eşapamentelor
pentru autoturismele Dacia) diminuează zgomotul printr-o reacţie de tip "spargerea undei".
Temperatura gazului de eşapament masurată sub vehicul este în funcţie de turaţia motorului
în plină sarcină şi de distanţa faţă de colectorul de evacuare. Având în vedere diversitatea situaţiilor
posibile şi a numărului foarte mare de modele existente vă prezentam spre informare masurătorile
de temperatură în axa sistemului de eşapament facute la un motor de 1600 cm3. Astfel, imediat după
galeria de evacuare temperatura poate varia între 700OC şi 900OC dacă turaţia motorului creşte
progresiv de la 1.500 la 5.000 rot/min. În acelaşi regim de lucru al motorului temperatura măsurată
la 2 metri de la galeria de evacuare poate varia intre 450OC si 650OC. La ieşirea sistemului de
eşapament, considerată a fi la 4 metri distanţă faţă de galeria de evacuare temperaturile înregistrate
în acelaşi regim de turaţii pot cadea până la 300OC şi 500OC. Măsurarea acestor temperaturi s-a
făcut în axa sistemului de eşapament (deci în mijlocul tuburilor şi al incintelor) ele diminuându-se
cu până la 250OC spre exteriorul traseului datorită curenţilor de aer şi soluţiei constructive alese
pentru sistemul de evacuare.
64
Traseul de evacuare
4.3. Acordarea eşapamentului cu motorul
Cercetările care se fac în acordarea eşapamentului cu motorul maşinii au ca obiectiv
îmbunătăţirea performanţelor mai ales la regimuri înalte de funcţionare.
Principalele elemente care contribuie la realizarea unui eşapament acordat sunt:
lungimea tuburilor (tevilor)
diametrul tuburilor
dimensionarea capacităţilor (detentoarelor şi amortizoarelor) şi modul lor de amplasare pe
vechicul
Daca lungimea tuburilor este în cea mai mare parte dată de lungimea maşinii (putând alege
între un traseu direct sau unul mai sinuos cu restricţiile de spatiu generate de arhitectura plaşeului
maşinii) iar dimensiunea capacităţilor fiind aleasă pentru o cât mai bună îndeplinire a funcţiilor
sistemului de eşapament (în special cea de atenuare a zgomotului), diametrul ţevilor este elementul
asupra căruia se poate acţiona cel mai facil pentru îmbunatatirea performanţelor motorului unui
autoturism.
Vom prezenta în continuare influenţa diametrului tuburilor (diametrul ţevilor utilizate la
realizarea întregului traseu de eşapament "cat-back") asupra performanţelor evacuării.
Experimentele făcute pe bancul de probe au generat o serie de concluzii privind alegerea
diametrului tubului de eşapament, alegere care este un compromis între zgomotul rezultat ca urmare
procesului de evacuare şi performantele dorite ale motorului.
În mod uzual maşinile de putere mică şi foarte mică (incluzand aici şi Dacia Berlină sau
Dacia Autoutilitară fără injecţie, Tico, Matiz) au traseele originale pe diametru de 38-40 mm.
Maşinile de putere medie (spre exemplu Dacia SuperNova, Solenza, Autoutilitarele cu injecţie,
Cielo, VW Golf) sunt echipate cu trasee de eşapament de diametre cuprinse între 45-50 mm.
Maşinile echipate cu motoare foarte puternice pot avea un traseu de eşapament cu diametru de până
la 63,5 mm. În general, dar nu întotdeauna, sporirea cu 5-10 mm a diametrului traseului de
eşapament conduce la un plus de putere a motorului.
Singurul test edificator se poate face pe un stand de încercări dotat cu dinamometru,
sonometru şi analizor de gaze care să poată măsura în urma unor proceduri specifice, în diferite faze
şi cu diferite trasee de eşapament următorii parametrii: puterea motorului, cuplul, nivelul noxelor şi
65
Traseul de evacuare
nivelul zgomotului. Compararea unui set de date rezultat în urma măsurătorilor făcute în diferite
faze utilizând un traseu de eşapament şi a altui set de date rezultat în urma măsuratorilor făcute în
condiţii identice dar cu un alt traseu de eşapament este singura posibilitate de decizie asupra
performanţelor. În funcţie de preferinţe se poate ajunge alegând un traseu de eşapament adecvat la o
limită inferioară de putere dar la obţinerea unui zgomot foarte redus, la o creştere semnificativă de
putere dar la un zgomot cu mult peste nivelul admis sau la un echilibru între putere-cuplu şi
zgomot-emisie de gaze. Montarea unui traseu complet neacordat cu cerinţele motorului poate
conduce la scăderea puterii motorului concomitent cu un nivel al zgomotului peste limită. Nu dorim
să intrăm în amănunte foarte complicate ce ţin de mecanica fluidelor.
4.4. Diametrul mic al tuburilor traseului de eşapament
La deschiderea supapei de evacuare tubul de eşapament de dimetru mic frânează ieşirea
gazelor arse. În timpul fazelor de "suprapunere a supapelor" (admisia şi evacuarea deschise în
acelaşi timp) lipsa de cădere de presiune incomodează intrarea gazelor. Suprapunerea supapelor
trebuie sa fie scurtă ceea ce este profitabil pentru regimurile joase dar defavorabil pentru regimurile
înalte. Tubul de eşapament de diametru mic generează o bună amortizare a vibraţiilor şi o reducere
a intesităţii zgomotului în defavoarea cuplului motor. La limită, un diametru foarte mic pentru
traseul de eşapament conduce la o accentuare a pierderii de sarcină şi la o prăbuşire a cuplului
motor.
4.5. Diametrul mare al tuburilor traseului de eşapament:
În cazul sporirii diametrului tubului de eşapament vârful de presiune cuprinde cea mai mare
lungime a tubului şi se amortizează mai lent în comparaţie cu un tub de diametru mai mic. Un
diametru mai mare asigură o cădere de presiune mai mare în lungul tubului, urmată de o creştere de
presiune, în schimb se permite o lărgire a suprapunerii supapelor foarte favorabilă pentru parametrul
putere-cuplu la regimurile înalte de funcţionare.
66
5. EVACUAREA GAZELOR. GRADUL DE PERFECŢIUNE A EVACUĂRII
Evacuarea reprezintă partea din procesul de schimbare a gazelor în cursul căreia gazele de
ardere parasesc cilindrul.
La motorul cu admisiune normală, sistemul de evacuare este alcătuit din galeria de evacuare,
prevazută în chiulasa, din conducta de evacuare şi amortizorul de zgomot. Orificiul liber Op al
galeriei este controlat de supapa de evacuare. La motorul cu admisiune forţată, când
supraalimentarea se efectuează cu o turbosuflantă, sistemul de evacuare cuprinde în plus turbina,
pusă în mişcare de gazele evacuate din cilindru.
Evacuarea gazelor la motoarele rapide are loc în trei moduri denumite: evacuare liberă,
evacuare forţată, evacuare mixtă. Evacuarea liberă este partea din procesul de evacuare, în
cursul căreia gazele de ardere părăsesc cilindrul sub acţiunea diferenţei dintre presiunea p din
cilindru şi presiunea p0 a mediului ambiant sau pg e , din galeria de evacuare.
Analiza procesului de evacuare la motorul autoturismului Dacia 1300 arată următoarele (fig.
4): supapa de evacuare începe ridicarea de pe sediu spre finalul cursei de destindere, când presiunea
în cilindru este de câteva ori mai mare decât presiunea p0; pâna la pme , cursa de ridicare a
supapei ajunge la 58% din cursa maximă de ridicare (fig. 4, c), presiunea scade sensibil dar ramâne
încă la o valoare ridicată (2,4 daN/cm2); sub acţiunea diferenţei de presiune (p—p g e ) gazele
scapă în galerie, trec prin orificiul oferit cu o viteză de 600...700 m/s şi se deplasează prin galeria
de evacuare cu viteza de 50.. .250m/s; la inceputul evacuării presiunea pg e creste repede. [2]
Evacuarea forţată are loc numai sub actiunea pistonului, în ultima parte a cursei de
evacuare aproximativ pe 120° RAC, de la α = 600° RAC. Prin deplasarea pistonului, se menţine
diferenţa de presiune p-pg e sau p-p0 necesară pentru a învinge rezistenţele gazodinamice ale
orificiului oferit şi ale traseului de evacuare. La motoarele rapide de autovehicule, în prima parte
a cursei de evacuare , procesul se produce în acelaşi timp liber şi fortat de aceea această parte a
procesului se numeşte evacuare mixtă. Pe intervalul cuprins între α= 540... 600° RAC, diferenţa
de presiune p-pg e asigură scăparea gazelor simultan cu refularea lor de catre piston (fig. 4, a) .
In figura 4, c se arată masa de gaze evacuate mg e în procente, în funcţie de α° RAC, la
motorul autoturismului Dacia 1300. Se observă că în cursul evacuării libere, masa mg e ajunge la
30% din masa de gaze de ardere mga . Aceasta informaţie obtinută prin calcul arată că la motoarele
rapide evacuarea liberă are o pondere cu mult mai mică decât aceea evaluată la motoarele de
67
Evacuarea gezelor.Gradul de perfecţiune al evacuării
turaţie mică, la care ajunge până la 60.. .70%. În momentul închiderii supapei de evacuare, în
cilindru mai ramân gaze de ardere — gazele reziduale de masa mgr sau numarul de kilomoli care
participă la efectuarea ciclului următor.
Fig. 5.1. Variaţia unor mărimi caracteristice în procesul de evacuare [2]
Se numeşte coeficientul gazelor reziduale γr , raportul:
[2]
Gradul de perfecţiune a procesului de evacuare se apreciază şi prin gradul de evacuare a cilindrului de
gazele de ardere η ev şi se defineste ca raportul:
[2]
68
Evacuarea gezelor.Gradul de perfecţiune al evacuării
Se observă că η ev variază în sens invers cu γr. Se obişnuieşte să se evalueze perfecţiunea
procesului de evacuare prin gazele de ardere rămase în cilindru, de aceea se apelează frecvent la γr .
La motoarele în patru timpi cu admisiune normală, νg r se determină presupunând că masa
gazelor de ardere care ocupă volumul V c , când pistonul se află la pmi, la presiunea pg şi
temperatura Tg (punctul g din ciclu, fig. 4, c) , rămâne invariabilă până la închiderea supapei de
evacuare. În acest caz se aplică ecuaţia de stare în punctul g:
[2]
şi se determină γr împărţind relaţiile. Dacă se operează substituţia [2]
din care va rezulta:
[2]
Relaţia de mai sus evidenţiază faptul că γr este invers proporţional cu ηV , ceea ce explică
dezideratul general de a micşora pe γr pentru a obţine o valoare ridicată a lui ηV . Apoi se observă că
γr este direct proporţional cu pg şi invers proporţional cu Tg . În fine se observă că γr este invers
proporţional cu ε. Această dependenţă trebuie evaluată prudent deoarece, cu cât z este mai mare,
gazele de ardere se destind mai mult în cilindru şi Tg scade. Totuşi, la mărirea lui e produsul Tg(ε-
1) creşte, iar γr se micşorează. Astfel se explică de ce la MAC, γ r = 0,03. . .0,06 iar la MAS, γr =
0,08. . .0,12, prima clasă de motoare având raportul de comprimare de aproximativ doua ori mai
mare. Gazele reziduale nu micşorează numai volumul V s disponibil pentru fluidul proaspăt. Ele au
şi o consecinţă de natură cinetică deoarece fiind substanţe inerte chimic, micşorează viteza de
ardere a combustibilului. Acţiunea de inhibitor intervine cu o mare pondere mai ales la MAS, în
regimurile de sarcini parţiale. La aceste regimuri, prin obturare, ηV scade la 0 ,3 . . . 0,4 iar γr creşte
până la 0 ,3 . . . 0,35. Arderea se dezvoltă lent, funcţionarea devine instabilă, randamentul indicat
scade.
Sub aspect energetic perfecţiunea evacuării se determină prin lucrul mecanic consumat
pentru evacuarea gazelor de ardere. Parţial, efectul energetic se apreciază prin lucrul mecanic de
pompaj.
69
BIBLIOGRAFIE
1. Băţăgă, N., Burnete, N., Barabas, I., Căzilă, Aurica, Filip, N., şi colab., Motoare cu ardere internă. Combustibili. Lubrifianţi. Materiale speciale pentru atutovehicule. Economicitate. Poluare., Cluj-Napoca, UTPress, 2000.
2. Grunwald, B., Teoria, calculul şi construcţia motoarelor pentru autovehicule rutiere, Bucureşti, Editura Didactică şi Pedagogică, 1980, pag. 67-70.
3. Stavrat, M., Dugănescu, M., Cartea Automobilistului, Bucureşti, Editura Tehnică, 19624. http://en.wikipedia.org/wiki/Air_pollution 5. http://en.wikipedia.org/wiki/Air_pollution#Pollutants 6. http://www.tutor2u.net/economics/revision-notes/as-markets-oil_clip_image002.gif 7. http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/b/b9/AirPollutionSource.jpg 8. http://www.noaa.gov/9. http://en.wikipedia.org/wiki/European_emission_standards 10. http://www.scania.com/11. http://www.volvo.com12. http://www.volvo.com/trucks/romanian-market/ro-ro/Home.htm13. http://en.wikipedia.org/wiki/Emission_standards 14. http://www.dieselnet.com/standards/jp/noxpmlaw.php 15. http://www.implats.co.za/market/emission_standards.asp 16. http://en.wikipedia.org/wiki/Catalytic_converter 17. http://en.wikipedia.org/wiki/Particulate_filter 18. http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/b/b3/Lambda_sond_till_volvo240_etc.jpg19. http://www.forum-auto.com/les-clubs/section4/sujet365334.htm20. PUREM Abgassysteme GmbH & Co. KG: “New methods in SCR technology Selective Catalytic Reduction with aqueous urea solution “www.purem.de, March 2003. 21. D. Foerter, W. Jozewicz: “Cost of Selective Catalytic Reduction (SCR)”, U.S.
Environmental Protection Agency Office of Research and Development Washington , October 2001.
22. http://www.vegora.hu/vegora/Roman/adblue.html23. Ioan Dumitrescu - Poluarea mediului, Ed. Focus, 200024. Apostolescu N - Poluarea produsa de motoarele cu ardere interna, Universitatea Politehnica
Bucuresti, 199223.
70