Formarea emisiilor poluante la motoarele cu ardere internCursul 3

Formarea oxizilor de azot

Formarea oxidului de azot (NO)La motoarele cu ardere intern sursa principal a azotului care va participa la reaciile de formare ale oxidului de azot o constituie azotul molecular existent n aerul care este admis n motor. Benzina i motorina conin mici cantiti de azot care vor contribui la formarea oxidului de azot. Mecanismul de formare a oxidului de azot din azotul atmosferic este descris prin urmtoarele reacii care au loc n zonele cu amestec aproximativ stoichiometric:A treia ecuaie se desfoar n amestecuri bogate. Reaciile de formare a NO au loc n frontul flcrii i n gazele care prsesc flacra. n cazul motoarelor cu ardere intern arderea are loc la presiuni ridicate astfel c frontul de flacr are grosime mic, de asemenea pe durata arderii presiunea din camera de ardere crete ceea ce determin creterea temperaturii gazelor arse. n acest fel se explic faptul c NO se formeaz n cantiti reduse n frontul de flacr iar cantitatea principal se formeaz n gazele care prsesc flacra. Se poate spune c procesul de ardere i procesul de formare a NO sunt independente. Exceptnd cazurile de nalt diluie formarea NO n flacr se poate ignora n favoarea formrii n gazele arse.

Formarea oxidului de azot la diferite temperaturi, n funcie de timp

X - concentraia instantanee de NOXe - concentraia NO la echilibru Reaciile de formare a NO sunt mai slabe dect reaciile de ardere aceasta putnd fi explicat prin valorile de neechilibru msurate n gazele de evacuare, fiind totodat puternic dependente de concentraia de oxigen.Cantitile de NO formate vor fi cu att mai mari cu ct concentraia de oxigen i nivelul de temperatur sunt mai ridicate.

Formarea dioxidului de azot (NO2)

n condiiile de echilibru chimic, n gazele arse concentraia de NO2 este neglijabil n comparaie cu NO, acesta este cazul motorului cu aprindere prin scnteie. n motorul Diesel aproape 30% din NOx este reprezentat de NO2, iar explicaia ar fi c NO format n frontul de flacr este convertit n NO2.NO2 este reconvertit n NO dup urmtoarea reacie:n cazul motorului cu aprindere prin scnteie utilizarea acestuia prelungit la mersul n gol poate determina creterea emisiilor de NO2.Funcionarea motorului Diesel la sarcini reduse poate mri concentraia de NO2 deoarece exist numeroase zone reci care pot inhiba reconversia NO2 n NO.Dioxidul de azot se poate forma n evacuare la turaii sczute ale motorului cnd gazele arse rmn un timp mai lung n prezena oxigenului.

Formarea protoxidului de azot (N2O)Protoxidul (N2O) se formeaz din substane intermediare care reacioneaz cu oxidul de azot. Mecanismul de formare este limitat la reacia de oxidare.Hidrogenul atomic determin distrugerea protoxidului de azot format:n motorul cu aprindere prin scnteie ca i n motorul Diesel emisiile de N2O ating o magnitudine de 3 pn la 8 ppm.

Particulariti ale genezei NOx la motorul cu aprindere prin scnteie La motorul cu aprindere prin scnteie amestecul aer combustibil se caracterizeaz prin omogenitate deoarece procesul se desfoar pe parcursul cursei de admisie i comprimare. Cantitile de NO pot crete peste valorile de echilibru cnd temperatura scade n timpul destinderii. Vrful concentraiei de NO, care apare n destindere, este influenat de condiiile de funcionare ale motorului i, de asemenea, de momentul iniierii aprinderii amestecului. Arderea amestecurilor bogate determin formarea de NO pe tot parcursul arderii. Emisiile de NOx sunt mult mai sensibile la condiiile de funcionare ale motorului, cnd se utilizeaz amestecuri bogate, fa de cazul utilizrii amestecurilor srace. Concentraia emisiilor de NOx depinde n mare msur de fraciunea de amestec care arde prima. Dac amestecul aer-combustibil nu este supus unor puternice micri organizate i neorganizate, cele mai importante concentraii de NOx sunt create n jurul bujiei. Factorii care influeneaz decisiv emisiile de NOx sunt: raportul aer-combustibil; fraciunea de gaze arse care se gsete n amestecul nears din camera de ardere; avansul la aprindere. n comparaie cu aceti factori, proprietile combustibilului influeneaz nesemnificativ emisiile de NOx.

Influena recirculrii de gaze arse asupra emisiei de NO, la un MAS funcionnd la 1600 rot/min (A / F raportul aer / combustibil). Influena avansului la declanarea scnteii electrice asupra emisiei de NO, la un MAS funcionnd la 1600 rot/min

Particulariti ale genezei NOx la motorul cu aprindere prin comprimare Formarea NOx este influenat de particularitile de formare a amestecului aer-combustibil i arderea n motorul cu aprindere prin comprimare. Pe parcursul fazei de ardere rapid care urmeaz imediat dup ntrzierea la autoaprindere arderea amestecului este necontrolat, dozajul amestecului situndu-se n jurul dozajului stoichiometric. Pe parcursul fazei de ardere difuzive, amestecul are dozajul apropiat de cel stoichiometric. Asemntor motorului cu aprindere prin scnteie, maximul de temperatur influeneaz formarea NO. Fraciunea de combustibil care arde mai devreme n procesul de ardere fa de p.m.s. este determinant deoarece gazele sunt comprimate i temperatura are tendina de cretere ceea ce accentueaz procesul de formare a NO. n cursa de destindere formarea NO este oprit deoarece gazele fierbini se amestec cu aer sau gaze arse reci. n motorul cu aprindere prin comprimare datorit acestui proces de rcire a amestecului de gaze n cursa de destindere, NO are tendin mai sczut de descompunere comparativ cu motorul cu aprindere prin scnteie. Perioada critic de formare a NO este ntre nceputul arderii i un punct plasat cu puin dup nregistrarea valorii maxime a presiunii din cilindru. Experimental s-a determinat faptul c ntreaga cantitate de NO de formeaz pe 20 RAC din momentul iniierii arderii. Cnd avansul la injecie este micorat arderea ncepe mai trziu la fel i procesul de formare a NO, ns rata de formare este diminuat datorit nivelului maxim de temperatur mai redus.

Concentraia de NO crete cu mrirea dozajului. Dozajul crete cu mrirea cantitii de combustibil injectat iar emisia de NO este proporional cu cantitatea de combustibil injectat. La sarcin plin nivelul presiunii din cilindrul este maxim, deci i nivelul NO va fi mai mare. Influena dozajului asupra emisiei de oxizi de azot la un motor Diesel. Din cantitatea de NOx evacuat de un motor cu aprindere prin comprimare NO2 reprezint 1020% din cantitatea de NOx. Emisiile de NO pot fi diminuate prin diluarea amestecului cu gaze recirculate pentru reducerea temperaturii gazelor arse. Compoziia gazelor de evacuare ale motorului cu aprindere prin comprimare depinde de sarcina motorului. La sarcini mici compoziia gazelor de evacuare nu difer cu mult de compoziia aerului atmosferic cu mici concentraii de CO2 i H2O, cldura specific a acestor gaze este sczut. La sarcini mari cldura specific crete ca de altfel i concentraiile de CO2 i H2O.

Formarea oxidului de carbon Emisiile de oxid de carbon sunt influenate n primul rnd de raportul aer-combustibil. Formarea de monoxid de carbon este un proces intermediar n oxidarea hidrocarburilor avnd ca produs final dioxidul de carbon. iRata de oxidare a combustibilului depinde de concentraia oxigenului disponibil, temperatura gazelor i de timpul de desfurare a reaciilor. Lipsa oxigenului necesar arderii genereaz arderea incomplet cu formarea de monoxid de carbon. Concentraia de CO n gaze poate fi dat de echilibrul urmtoarei ecuaii: Stoparea acestei reacii pentru aceste temperaturi are loc pentru constanta de echilibru de relaia:pentru temperaturi de aproximativ 16001700 K.care are valori n jur de 3,5 3,8.La amestecuri bogate concentraia de CO este foarte apropiat de concentraia de echilibru n gazele arse n curba de destindere. n cazul amestecurilor srace emisiile de CO sunt mai mari dect cele calculate i acesta se datoreaz hidrocarburilor oxidate incomplet desprinse de pe pereii camerei de ardere, spaii nguste, filmul de ulei n timpul cursei de destindere.

Particulariti ale genezei CO la motorul cu ardere intern Motoarele cu aprindere prin scnteie funcioneaz la pornire i la sarcini mari cu amestecuri bogate. n aceste cazuri emisiile de CO sunt importante. Nivelul de CO din gazele de evacuare este ntotdeauna mai sczut dect n camera de ardere.

Formarea oxidului de carbon poate fi redus prin utilizarea unor amestecuri avnd un nivel de temperatur care genereaz disocierea dioxidului de carbon.

Cantitile de monoxid de carbon formate n regimurile de accelerare / decelerare pot fi reduse prin controlul cantitii de combustibil introdus n cilindri. Motorul cu aprindere prin comprimare funcioneaz cu amestecuri srace de aceea emisiile de CO sunt cu mult mai reduse dect la MAS.

Particularitile de formare ale amestecului i arderii la MAC care se caracterizeaz prin neomogenitate ridicat, lipsa local a oxigenului, fluctuaii ale temperaturii n camera de ardere i timp insuficient pentru desvrirea reaciilor de ardere pot cauza creteri ale emisiilor de CO (la sarcini mici i la sarcin plin i turaii ridicate).M.A.S.M.A.C.

Formarea hidrocarburilor nearse Emisiile de hidrocarburi sau de substane organice sunt rezultatul arderii incomplete ale combustibilului. Gazele de evacuare conin o multitudine de hidrocarburi. Compoziia hidrocarburilor emise de M.A.S.O parte din hidrocarburi sunt inerte din punct de vedere fiziologic i nereactive n smogul fotochimic. O alt parte sunt cunoscute drept substane cancerigene sau sunt puternic reactive la formarea smogului fotochimic. Avnd n vedere reactivitatea hidrocarburilor la formarea smogului fotochimic, compuii hidrocarbonai sunt divizai n dou categorii nereactivi i reactivi.Reactivitatea hidrocarburilor

Compoziia combustibilului influeneaz compoziia i nivelul emisiilor organice. Combustibilii care conin o proporie ridicat de substane aromatice i olefinice produc o concentraie semnificativ de hidrocarburi reactive. De cele mai multe ori compuii organici gsii n gazele de evacuare nu sunt prezeni n compoziia combustibilului, indicnd faptul c, pe timpul arderii, au loc reacii de piroliz i sintez.Compuii oxigenai sunt prezeni n gazele de evacuare i sunt bine cunoscui ca fiind participani la smogul fotochimic, o parte din aceti compui sunt iritani i mirositori. Aldehidele volatile sunt iritante pentru ochi i aparatul respirator. Formaldehida este un important component, aproximativ 20% din totalul carbonililor.Carbonilii reprezint n jur de 10% din totalul emisiilor la M.A.C. pentru autoturisme.Fenolii sunt ru mirositori i iritani, ns nivelul lor este mai sczut dect nivelul emisiilor de aldehide.Mecanismul stingerii flcrii:Pereii camerei de ardere, ca i pereii cilindrului, sunt scldai n general de lichidul de rcire i ei absorb cldura de la amestecul gazos, ceea ce determin recombinarea radicalilor liberi generai n flacr. Stingerea flcrii are loc ntr-o multitudine de configuraii geometrice: flacra se poate propaga normal, paralel sau sub un anumit unghi la peretele camerei de ardere, flacra se poate stinge la intrarea n interstiiile nguste cum ar fi zona dintre capul pistonului i oglinda cilindrului.

La stingerea flcrii rmne nears sau parial ars un strat subire de combustibil pe suprafeele chiulasei, pistonului, cilindrului, supape i spaiile nguste cum ar fi spre exemplul canalul primului segment.Grosimea stratului de combustibil nears sau parial ars este influenat de o serie de factori cum ar fi: presiunea i temperatura amestecului, densitatea acestuia, viteza de propagare a frontului de flacr, conductivitatea termic, prezena depozitelor, forma suprafeelor i temperatura pereilor. Pentru stingerea flcrii la perete exist mai multe posibiliti geometrice. Cel mai simplu model este atunci cnd frontul de flacr este paralel la perete. n condiiile existenei unui singur perete, distana de stingere a flcrii se definete ca fiind distana minim pn la care au loc reaciile de ardere.Pentru un motor cu aprindere prin scnteie distana de stingere a flcrii ntre dou suprafee plate este cuprins ntre 0,21 mm, aceasta reprezint distana minim n care flacra se poate propaga. Distana minim de stingere a flcrii le perete este cuprins ntre 0,040,2 mm.Stingerea flcrii este un proces care se desfoar n dou stadii. n primul stadiu, flacra este stins la mic distan de perete, peretele fiind rece prin preluare de cldur prin conducie de la zona cald de reacie. Al doilea stadiu l reprezint difuzia gazelor dup stingerea flcrii i oxidarea acestora. Mai mult, hidrocarburile care nu au fost oxidate n procesul primar de ardere vor fi oxidate pe durata cursei de destindere i de evacuare. Aceste procese diminueaz nivelul hidrocarburilor emise i datorate efectului de stingere al flcrii.

O alt surs de emisii de hidrocarburi o constituie filmul de ulei. Acesta absoarbe o anumit cantitate de combustibil nainte de ardere, iar acest combustibil va fi eliberat n gazele arse n timpul cursei de evacuare. n consecin filmul de ulei depus pe pereii spaiului de lucru al fluidului motor poate constitui o important surs de emisii de hidrocarburi.Mecanismul chimic de formare al hidrocarburilor nearse: Arderea hidrocarburilor n motorul cu ardere intern avnd ca rezultat final dioxidul de carbon implic o serie de trepte elementare de oxidare care genereaz produse intermediare de oxidare. Radicalii alchil (R) sunt factori importani n propagarea lanului de radicali liberi i sunt formai prin ruperea legturilor de tipul C-C i C-H a hidrocarburilor. Oxigenul acioneaz ca un radical dublu pentru a forma radicalul hidroperoxid (HO2 ). Radicalii alchil (R) reacioneaz uor cu oxigenul formnd radical alchil peroxid. Acestea sunt treptele iniiale pentru a forma legturi ntre oxigen i hidrocarburi. Urmtoarele trepte implic un numr de reacii ale radicalilor liberi combinate cu reacii de dehidrogenare i izomerizare, ca n sfrit s se produc diferite forme de compui organici oxigenai.

Particulariti ale genezei emisiilor de hidrocarburi la M.A.S.Emisiile de hidrocarburi la motoarele cu aprindere prin scnteie se situeaz ntre 10003000 ppm ceea ce reprezint ntre 12,5 % din combustibilul introdus n cilindrii motorului. Nivelul emisiilor de hidrocarburi crete rapid pe msur ce amestecul se mbogete fa de amestecul stoichiometric.Calitatea arderii se deterioreaz n cazul amestecurilor srace i emisiile de hidrocarburi cresc datorit arderii sau lipsei arderii unei fraciuni din combustibilul introdus n ciclul motor.Mecanismele formrii emisiilor de hidrocarburi la motorul cu aprindere prin scnteie pot fi grupate n patru categorii:1 - Stingerea flcrii la pereii camerei de ardere;2 - Umplerea spaiilor nguste cu amestec nears i stingerea flcrii la intrarea n aceste spaii;3 - Absorbia vaporilor de combustibil de ctre pelicula de ulei de pe oglinda cilindrului pe timpul cursei de admisie i compresie i eliberarea acestor vapori pe durata curselor de destindere i evacuare; 4 - Arderea incomplet a unei fraciuni din combustibilul pe ciclu cnd arderea este deteriorat de: dozaj, avans la aprindere, debit neadecvat de gaze arse recirculate. Acest proces fiind predominant la regimurile tranzitorii de funcionare.Hidrocarburile nearse prezint dou vrfuri ale concentraiei, primul corespunde evacurii libere cnd se evacueaz masa principal a gazelor din cilindrul motorului, iar cel de al doilea vrf corespunde sfritului procesului de evacuare cnd debitul de gaze arse este sczut, ns concentraia de HC este foarte ridicat datorit eliberrii vaporilor de combustibil absorbii de pelicula de ulei.

Mecanismul stingerii flcrii la perei:Existena unui strat rece de amestec n camera de ardere a motorului cu aprindere prin scnteie a fost pus n eviden prin fotografierea arderii. Imaginile fotografice ale flcrii n regiunea imediat a pereilor arat existena unui strat neradiant de cldur. Grosimea acestui strat este n jur de 0,05 la 0,4 mm. Prezena aldehidelor de tipul CH2O i CH3CHO indic desfurarea unor procese de oxidare la temperaturi reduse. Concentraia de hidrocarburi scade rapid n 2 milisecunde dup ajungerea flcrii deoarece hidrocarburile nearse difuzeaz n masa de gaze arse din camera de ardere unde sunt oxidate. Creterea concentraiei de hidrocarburi mai trziu n ciclu arat c acestea au o alt origine dect stratul rece.Starea de rugozitate a suprafeelor camerei de ardere influeneaz nivelul concentraiei hidrocarburilor nearse. Cercetri experimentale au artat c reducerea rugozitii cu 32% au contribuit la reducerea nivelului de hidrocarburi nearse cu 14%. Depozitele de pe pereii camerei de ardere prezint o influen asupra HC asemntoare rugozitii pereilor. Umplerea spaiilor nguste cu amestec nears i stingerea flcrii la intrarea n aceste spaii:O surs important de emisii a hidrocarburilor nearse o constituie interstiiile cu intrare ngust, la intrarea crora flacra se stinge. Spaiul care prezint un volum important este delimitat de capul pistonului, segmentul de foc i oglinda cilindrului. Alte spaii nguste sunt: n jurul electrodului central al bujiei, spaiul creat n jurul supapelor de admisie i evacuare, spaiul creat de garnitura de chiulas.

Mecanismul de genez este urmtorul: n timpul cursei de comprimare amestecul aer-combustibil este forat s ocupe volumul acestor interstiii. Interstiiile au un raport ridicat suprafat/volum ceea ce determin rcirea amestecului prin transfer de cldur la perei. n timpul arderii presiunea din camera de ardere continu s creasc i n volumul interstiiilor continu s intre hidrocarburi nearse. Amestecul reinut n aceste interstiii poate arde n ntregime sau parial prin ptrunderea flcrii n volum dac intrarea este suficient de larg sau flacra se poate stinge la intrarea n aceste interstiii. Dup sosirea i stingerea flcrii o anumit cantitate de gaze arse poate ptrunde n aceste interstiii pn n momentul n care presiunea din cilindru ncepe s scad. La scderea presiunii din camera de ardere, o parte din amestecul de gaze prezente n aceste interstiii se ntorc n camera de ardere.Dintre toate interstiiile existente n camera de ardere, ponderea cea mai important o prezint spaiul creat ntre capul pistonului, zona portsegmeni i cilindru. Acest interstiiu este constituit dintr-o serie de volume conectate prin restricii ale debitului transversal datorate de spaiile dintre segmeni i canalele din piston precum i de micarea axial a segmenilor prin aezarea acestora pe suprafeele inferioar i superioar ale canalelor, care modific geometria acestui spaiu.Cercetri experimentale au artat c o fraciune de 5 pn la 10% din ncrctura din cilindru care este prins n interstiiul creat de piston i cilindru este exceptat proceselor de ardere primar. Pe parcursul cursei de destindere mai mult de 50% din acest amestec se rentoarce n cilindrul motorului neschimbat, deci amestec nears.

Se apreciaz pe baza studiilor c aranjamentul segmenilor pe piston poate contribui cu aproximativ 80% din totalul emisiilor de hidrocarburi, interstiiul creat de garnitura de chiulas cu 13% i bujia cu 5%, celelalte interstiii cu 2%.Prin micorarea volumului creat de piston, segmeni i cilindru se pot obine reduceri ale hidrocarburilor nearse cu 47 pn la 74% pe toat gama de turaii i sarcini de funcionare ale motoarelor.O parte din hidrocarburile nearse din volumul creat de piston, segmeni, cilindru scap ctre carterul motorului de unde sunt captate i reintroduse n camera de ardere.Localizarea fantei segmentului fa de bujie poate influena nivelul emisiilor de hidrocarburi. Experimental s-a determinat c nivelul de hidrocarburi nearse este mai mare cu ct fanta segmentului de foc este mai ndeprtat de bujie, diferena dintre cea mai mic i cea mai mare valoare de hidrocarburi este cuprins ntre 9 i 42% din nivelul mediu de emisii de hidrocarburi pentru un anumit regim de funcionare, iar n cele mai multe cazuri poziia fantei contribuie cu peste 20%.Efectul interstiiilor asupra hidrocarburilor nearse

Absorbia vaporilor de combustibil de ctre pelicula de ulei de pe oglinda cilindrului:Se cunoate faptul c nivelul emisiilor de hidrocarburi crete o dat cu prezena uleiului n combustibil sau pe pereii camerei de ardere.Experimental s-a constatat creterea concentraiei de hidrocarburi la funcionarea n timp la acelai regim de funcionare, aceast cretere a fost sporit de prezena uleiului pe capul pistonului. n cazul n care uleiul se adaug la combustibil, emisiile de hidrocarburi cresc n funcie de cantitatea de ulei. n cazul n care adaosul de ulei reprezint 5%, emisiile de hidrocarburi se pot dubla sau tripla n 10 minute de funcionare iar adaosul a 0,610-6 [m3] de ulei pe capul pistonului crete nivelul de hidrocarburi din gazele de evacuare cu aproximativ 1000 ppm.Mecanismul absorbiei i desorbiei se desfoar dup urmtorul algoritm: n timpul admisiei n cilindrii motorului ptrunde o cantitate de vapori de combustibil, filmul de ulei care acoper pereii spaiului de lucru sunt saturai cu vapori de hidrocarburi la presiunea mediului ambiant. n cursa de comprimare, presiunea vaporilor de combustibil crete, aa c procesul de absorbie a vaporilor de combustibil va continua, chiar dac n cursa de admisie uleiul a fost saturat cu vapori de combustibil (legea lui Henry). n timpul procesului de ardere concentraia vaporilor de combustibil n masa gazelor din cilindru scade ctre zero, aa c vaporii de combustibil vor fi desorbii din pelicula lichid de ulei n masa produselor de ardere. Desorbia va continua pe parcursul destinderii i evacurii.Creterea nivelului de HC n gazele de evacuare este proporional cu solubilitatea combustibilului n ulei. Acest efect nu a fost observat la combustibilii gazoi care sunt practic insolubili n ulei.

O parte a vaporilor desorbii sunt amestecai cu produse de ardere cu temperatur ridicat i sunt oxidai. O alt parte rmne n stratul limit rece sau se amestec cu gazele arse mai reci mai trziu n ciclul motor i pot scpa procesului arderii complete, ceea ce conduce la creterea emisiilor de HC nearse.Temperatura uleiului influeneaz invers proporional solubilitatea vaporilor de combustibil n ulei. Aceasta este explicaia unei concentraii mrite de HC n gazele arse la pornirea motorului i la funcionarea la rece a acestuia.Prezena unor cantiti sporite de ulei n camera de ardere, la creterea consumului de ulei amplific emisiile de HC din gazele arse. Utilizarea unor segmeni de ungere adecvai poate limita nivelul emisiilor de HC datorat absorbiei-desorbiei vaporilor de combustibil de ctre ulei.Utilizarea unor uleiuri sintetice cu un efect solvent sczut poate reduce participarea uleiului la emisiile de hidrocarburi nearse. Alt msur se refer la a realiza o rcire direcionat: capul pistonului s fie rcit normal iar cilindrul s fie rcit la valoarea temperaturii suportabile de pelicula de ulei. Influena calitii arderii: Una din sursele emisiei de HC o constituie stingerea flcrii n camera de ardere, nainte ca frontul acesteia s ating pereii camerei, la anumite regimuri de funcionare. Flacra se poate stinge dac presiunea i temperatura scad rapid. Asemenea condiii apar la mersul n gol ncet i la sarcini mici, la turaie sczut, iar cantitatea de gaze arse este mare sau amestecul este diluat cu gaze arse recirculate i aprinderea amestecului este ntrziat. Chiar dac n regim stabilizat flacra nu se stinge, la anumite regimuri tranzitorii poate aprea fenomenul de stingere a flcrii.

Rcirea unei fraciuni din cantitatea de gaze datorit unei arderi neadecvate, devine o surs important de emisii de HC nearse.mbuntirea calitii arderii se poate realiza prin utilizarea a dou bujii cnd se utilizeaz o recirculare nalt de gaze pentru a reduce emisiile de NOx.Influena vitezei de ardere i a debitului de gaze arse recirculate asupra emisiei de HC Mecanismul de transport al hidrocarburilor: Toate sursele de generare a hidrocarburilor nearse analizate privesc pereii camerei de ardere. O parte din gazele arse aflate n interstiii sunt transportate n gazele arse n timpul destinderii i evacuare, iar o parte important rmn n vecintatea pereilor. Eliminarea hidrocarburilor rmase lng perei se realizeaz prin dou procese, primul const n eliminarea forat datorit procesului de evacuare iar cel de-al doilea prin micarea de vrtej creat la sfritul cursei de evacuare.

Plasarea hidrocarburilor nearse n timpul cursei de evacuare Hidrocarburile din volumul creat de interstiiul piston, segmeni i cilindru s-au plasat ntr-o zon din proximitatea peretelui cilindrului, n cursa de destindere (posibil hidrocarburi rezultate din desorbia vaporilor de combustibil din filmul de ulei). O parte din aceste hidrocarburi vor fi antrenate spre evacuare de ctre masa gazelor arse care prsesc cilindrul pe parcursul evacurii libere, o alt parte va fi mpins spre evacuare n mod forat.

La sfritul cursei de evacuare datorit poziiei supapei de evacuare se creeaz un vrtej care conine aproximativ jumtate din concentraia de hidrocarburi nearse i care faciliteaz evacuarea acestora, aa se explic vrful din concentraia emisiilor de hidrocarburi de la sfritul procesului de evacuare. Msurtori ale nivelului de hidrocarburi nearse n gazele reziduale au artat c acestea au de 11 ori concentraia medie din gazele de evacuare iar la sarcini pariale se consider c numai 50% din hidrocarburi sunt evacuate. Influena postarderii hidrocarburilor:Hidrocarburile care scap procesului de ardere primar printr-un mecanism descris anterior nu ajung n totalitate n evacuare, deoarece o parte se amestec cu gazele de temperatur ridicat; n timpul destinderii, temperatura crete i apare procesul de oxidare. Oxidarea hidrocarburilor nearse din stratul limit al pereilor camerei de ardere are loc ntr-un interval de 1 ms de la stingerea flcrii. Cauza o constituie grosimea redus a acestui strat, care determin o difuzie rapid a hidrocarburilor n masa de gaze arse cu temperatur ridicat. Msurtori ale concentraiei de hidrocarburi din cilindru n acest interval arat o concentraie de 1,5 pn la 2 ori mai mare dect nivelul mediu din evacuare. Hidrocarburile nearse din gazele de evacuare sunt un amestec de compui ai hidrocarburilor combustibililor, produse rezultate n urma reaciilor de piroliz i de oxidare parial.

Factori care influeneaz formarea i evacuarea HC nearse:

Particulariti ale genezei emisiilor de hidrocarburi la M.A.C.Procesele de formare a amestecului i arderea n motorul cu aprindere prin comprimare prezint diferene fa de motorul cu aprindere prin scnteie i se caracterizeaz prin faptul c procesul de formare a amestecului se desfoar n cilindrii motorului, i se suprapune parial cu procesul de ardere. Datorit faptului c injecia are loc la sfritul cursei de comprimare, timpul ct amestecul rmne n camera de ardere este mult mai scurt iar mecanismele de formare a HC nearse sunt diferite.Combustibilii pentru motoarele Diesel conin hidrocarburi cu puncte de fierbere mai ridicate, precum i greuti moleculare mai mari dect hidrocarburile din compoziia benzinelor. De asemenea, pe parcursul procesului de ardere se formeaz o serie de compui n urma reaciilor de piroliz. Atunci, compoziia hidrocarburilor nearse i parial oxidate din evacuarea motoarelor Diesel este mult mai complex dect la motorul cu aprindere prin scnteie i acoper o gam mai larg ale mrimii moleculelor.Exist dou ci primare prin care hidrocarburile s evite procesul de oxidare. Primul se refer la faptul c amestecul aer-combustibil, poate s fie prea srac s se autoaprind sau ca frontul de flacr s se propage. n cel de-al doilea caz n procesul de ardere primar amestecul aer-combustibil este prea bogat s se aprind sau ca flacra s se propage. Acest combustibil nears poate fi oxidat numai prin reacii slabe de oxidare n cursa de destindere dup amestecarea lor cu aerul adiional. Deci, hidrocarburile rmn neconsumate datorit incompletei amestecri sau rcirii procesului de oxidare.

Schematizarea proceselor care conduc la ardere incomplet: Combustibilul injectat n timpul ntrzierii la autoaprindereCombustibilul injectat dup perioada de ntrziere la autoaprindere

Combustibilul injectat n timpul ntrzierii la autoaprindere (fig. a) se va amesteca cu aerul producnd amestecuri aer-combustibil ntr-o gam larg de dozaje. O parte din combustibil se amestec rapid cu aerul la dozaje foarte srace depind limita de ardere, o parte se amestec n dozaje aflate n limitele de inflamabilitate, iar o parte vor fi amestecuri prea bogate pentru ca s ard.Amestecurile foarte srace nu se pot autoaprinde i nici nu permit propagarea flcrii n condiiile de stare din cilindru (o parte din aceste amestecuri pot arde mai trziu dac se amestec cu produse de ardere de nalt temperatur, la nceputul cursei de destindere).Amestecurile preformate vor arde acolo unde condiiile locale sunt mai favorabile autoaprinderii. Dac flacra nu este rcit de stratul limit termic, sau nu se amestec rapid cu aerul, se va consuma ntreaga cantitate de amestec. Arderea amestecurilor foarte bogate depinde de amestecarea ulterioar cu aerul, la nceputul cursei de destindere.n acest stadiu al arderii din toate mecanismele de formare a hidrocarburilor nearse, predominant rmne existena amestecurilor foarte srace.Pentru combustibilul injectat dup perioada de ntrziere la autoaprindere (fig. b) prin rapida amestecare cu aerul a combustibilului, sau a produilor de piroliz, rezult o ardere complet. n cazul n care procesul de amestecare cu aerul a combustibilului sau produilor de piroliz este slab, rezult amestecuri foarte bogate, sau reaciile de ardere sunt rcite, ceea ce determin apariia n gazele de evacuare a produilor de ardere incomplet, produi de piroliz i a combustibilului nears.

Nivelul emisiilor de hidrocarburi la motorul Diesel variaz ntr-o gam foarte larg, n funcie de condiiile de funcionare ale motorului i pentru un anumit regim de funcionare unul din mecanismele de formare a HC devine predominant.Funcionarea motorului la ralanti i la sarcini mici produce emisii de HC mai mari dect la funcionarea motorului la sarcin plin.Emisiile de HC cresc substanial cu depirea dozei optime de combustibil pe ciclu. La sarcini mici sursa de HC o constituie existena amestecurilor supersrace.Subamestecarea, avnd ca rezultat amestecuri superbogate n timpul arderii, este mecanismul prin care combustibilul care rmne n sacul pulverizatorului, scap procesului de ardere, provocnd intense emisii de HC.Temperatura pereilor poate afecta emisiile de HC prin rcirea flcrii la perete provocnd fie arderea incomplet fie lipsa aprinderii.Variaia emisiilor de HC n funcie de volumul sacului pulverizatorului

Distribuia dozajului n jetul de combustibil n momentul autoaprinderii Corelaia dintre nivelul emisiilor de hidrocarburi nearse i durata ntrzierii la autoaprindere.

Formarea emisiilor de particuleFormarea emisiilor de particule la M.A.S.La motorul cu aprindere prin scnteie se disting trei clase de particule: plumb, sulfai i particule organice (incluznd funinginea).Pentru motoarele de automobil care funcioneaz cu combustibili aditivai cu compui ai plumbului, rata de emisii de plumb este cuprins ntre 100 i 150 mg/km, la un grad de aditivare de 0,15 g/l Pb. Emisiile de sulfai privesc n principal autovehiculele echipate cu catalizator de oxidare. Benzinele conin 150 pn la 600 ppm de sulf care, prin oxidare n motor, se transform n dioxid de sulf (SO2). Dioxidul de sulf poate fi oxidat n catalizatorul de oxidate la SO3 care se combin apoi cu apa la temperatura mediului ambiant, rezultnd acidul sulfuric sub form de aerosol.Nivelul emisiilor de sulfai depinde de coninutul n sulf al combustibilului, condiiile de funcionare ale motorului i sistemul catalitic utilizat. Rata tipic a emisiilor de sulfai este de 20 mg/km sau mai redus.Utilizarea benzinelor neaditivate reduce emisia de particule la aproximativ 20 mg/km. Aceste particule sunt formate din materiale organice solubile. Emisia de funingine poate rezulta ca efect al utilizrii unor amestecuri foarte bogate. Se remarc faptul c emisia de funingine, la motorul cu aprindere prin scnteie, nu constituie o problem semnificativ.

Formarea emisiilor de particule la M.A.C.Motorul cu aprindere prin comprimare, datorit compoziiei combustibilului utilizat i particularitilor proceselor din cilindru, este susceptibil la emisii de particule n gazele de evacuare.Particulele generate de motorul Diesel pe timpul arderii sunt compui ai materialelor carbonoase (funingine), care au absorbit fraciuni organice solubile, acestea constnd din molecule condensate pe funingine, n faza imediat urmtoare arderii i care ele nsele pot constitui precursori ai formrii funinginii. Fraciunile organice solubile conin esteri, aldehide, lactone, eteri, acizi organici i hidrocarburi aromatice policiclice, nsoite de derivai ai azotului i oxigenului. La aceste fraciuni se pot aduga civa derivai anorganici (SO2, NO2, sulfai).Compoziia particulelor depinde n principal de condiiile de funcionare ale motorului i, n particular, de temperatura de evacuare. La temperaturi ale gazelor arse de peste 500C particulele sunt agregate sferice de funingine, cu mici proporii de hidrogen, avnd dimensiuni cuprinse ntre 15 i 30 nm. Sub acest nivel de temperatur particulele sunt acoperite cu fraciuni organice solubile (SOF). Pe parcursul evacurii mrimea particulelor crete prin mrirea volumului cu compui ai hidrocarburilor polinucleare aromatice (PAH), condensai pe particule, din vaporii de compui organici prezeni n gazele arse.Particulele de funingine se produc din carbonul coninut n combustibil i concentraia acestora depinde de tipul combustibilului, numrul de atomi de carbon din molecule i raportul carbon/hidrogen.

Funinginea se formeaz la arderea n motorul cu aprindere prin comprimare la temperaturi cuprinse ntre 1000 i 2800 [K] i presiuni de 5-10 MPa, cu un exces de aer care s permit arderea ntregii cantiti de combustibil introdus pe ciclu. La arderea difuziv, funinginea se formeaz n intervalul de temperatur 2000-2400 [K] cu un maxim la 2100 [K], n afara acestei game de temperatur funinginea se formeaz n cantiti neglijabile. Timpul disponibil pentru formarea particulelor solide de funingine, din fraciunile de combustibil, este de numai cteva milisecunde. Aerosolul rezultat, faza solid dispersat n gaze, poate fi caracterizat prin suma total a fazei condensate (exprimat prin fracia volumic a funinginii, ca raport ntre volumul funinginii i volumul total), numrul particulelor de funingine pe unitatea de volum i mrimea particulelor.Stadiile de formare a funinginii pot fi descrise n modul urmtor:1. Formarea particulelor, unde puncte materiale ale fazei condensate cresc din moleculele de combustibil prin produsele de oxidare i/sau de piroliz. Aceste produse, n mod tipic, includ hidrocarburi nesaturate, n particular acetilen sau analogii superiori (C2nH2) i hidrocarburi aromatice policiclice (PAH). Aceste dou tipuri de hidrocarburi sunt considerate ca fiind precursorii funinginii n flacr. Reaciile de condensare din faza gazoas a acestor dou specii de molecule conduc la apariia primelor particule de funingine recognoscibile (numite nuclee). Aceste prime particule, cu dimensiuni foarte mic, se formeaz ntr-un numr foarte mare i ncarc n mod neglijabil cu funingine regiunea de formare.2. Creterea particulelor, stadiu care include creterea suprafeei, coagularea i agregarea. Creterea suprafeelor particulelor aflate n ncrctur are loc prin ataarea speciilor moleculelor n faza gazoas la suprafaa nucleelor i apoi sunt nglobate n faza solid.

Variaia numrului de molecule de diferite specii n flacra amestecurilor preformate Mecanismul de formare a particulelor la temperaturi reduse

n motorul Diesel emisiile de funingine cuprind trei procese care se pot desfura parial n paralel:1. Reaciile de formare ale funinginii n prima faz a arderii;2. Reaciile de formare ale funinginii n gazele arse, n principal n a doua faz a arderii;3. Oxidarea funinginii formate dup amestecarea cu oxigenul din zonele cu exces de aer.Funinginea din motorul Diesel este compus dintr-o faz de carbon i asociat cu compui asociai extrai (fraciuni organice solubile). Principalele stadii ale formrii hidrocarburilor policiclice aromatice i ale fumului sunt urmtoarele:1. Flacra, n care se genereaz hidrocarburi policiclice aromatice i determin moderarea sau ncetinirea formrii funinginii;2. Piroliza la temperaturi ridicate care genereaz hidrocarburi aromatice policiclice i care determin intensificarea genezei funinginii;3. Piroliza la temperaturi mai sczute i care genereaz hidrocarburi aromatice policiclice i produi oxigenai care diminueaz procesul de formare al funinginii;4. Vaporizarea combustibilului i lubrifiantul care adaug compui fr ca acetia s formeze funingine.Dac se compar contribuia la formarea funinginii se constat c procesul de genez n flacra amestecurilor preformate (arderea rapid) este mai puin intens dect n flacra difuz.

Formarea mirosului la M.A.C.Gazele de evacuare la motorul cu aprindere prin comprimare conin mai mult de o mie de compui organici cu punct de fierbere mai mic de 260C i pot fi detectai n faza gazoas prin cromatografie. Muli din aceti compui sunt uor mirositori ca i hidrocarburile parafinice i olefinice. Mai puin de o sut de compui au un miros distinctiv n concentraiile care se gsesc n gazele arse. Acestea include aldehide de la C2 la C8 derivai aldehide ale benzenului C11, alchilbenzeni i furani. Derivaii alchil ai benzenului, indane i naftalene dau o nuan neptoare i de ars a mirosului gazelor. Compuii olefinici i ciclici dau nuan de ars a mirosului. Compuii oxigenai, cei care conin sulf i cei puternic nesaturai dau un miros greos. Acizii grai prezeni n gazele de evacuare dau un miros neptor.Mirosul cu senzaia de ulei i kerosen este dat de prezena naftalenelor, alchilbenzenelor, indanolor, tetralinelor i indenelor. Senzaia de fum-ars este furnizat de mai muli compui cum ar fi: hidroxi i metoxi-indanone, metil i metoxifenoli, furani i alchilbenzaldehide, alkenone, dienone, hidroxiciclocarbonili i hidroxiindanone.O serie de compui au efect iritant, acestea fiind: aldehide uoare saturate (formaldehida, acetaldehida) i aldehide nesaturate (acroleina, crotonaldehida), dioxidul de sulf, acidul sulfuric, dioxidul de azot i fenolul. Dintre aceti compui, formaldehida i acroleina sunt considerai ca fiind responsabilii principali n efectul iritant al gazelor de evacuare.

Compuii mirositori i iritani sunt compui organici neari i sunt cuprini n categoria de hidrocarburi nearse existente n gazele de evacuare a motoarelor cu aprindere prin comprimare. Concentraia de produi oxigenai se formeaz n zonele cu reacii de oxidare lente unde se formeaz o cantitate mrit de produi oxidai parial i care preced aprinderea amestecului din camera de ardere. Extinderea zonelor cu amestec ultrasrac conduce la intensificarea mirosului gazelor de evacuare.Compuii mirositori rezultai prin oxidarea normal a hidrocarburilor se formeaz mult mai trziu, i o parte din ei pot supravieui n zonele rcite sau n zonele unde dozajul este prea srac s susin arderea. Nivelul de miros iritant al gazelor de evacuare al motoarelor cu injecie direct este mai ridicat dect n cazul motoarelor cu injecie indirect. Exist cazul n care un motor cu injecie direct cu un avans la injecie corect s aib un nivel de miros mai bun dect un motor cu injecie indirect cu un avans la injecie incorect. Modificrile condiiilor de funcionare (turaie sarcin, avans la injecie) n gama normal de funcionare au o influen redus asupra nivelului de miros emis. Dac aceste modificri tind s deterioreze procesul de ardere atunci este afectat i nivelul de miros. Un puternic efect asupra emisiilor de miros la motorul Diesel l are volumul rezidual al pulverizatorului (sac i orificii de pulverizare) care este la originea hidrocarburilor nearse. Prin descreterea acestui volum nivelul de miros se micoreaz. ns nu ntotdeauna o emisie redus de hidrocarburi nearse d un nivel redus de miros, deoarece cderea de temperatur din evacuare nu favorizeaz post arderea compuilor mirositori. La motoarele cu injecie direct cu o micare de vrtej mai intens n camera de ardere au un nivel de miros mai sczut.

Temperatura motorului influeneaz nivelul de miros. Intensificarea rcirii mrete nivelul de miros pe cnd prenclzirea aerului la intrarea n motor l reduce. Intensitatea mirosului este ridicat la pornirea motorului la rece.Sarcina motorului are o mai mare influen asupra intensitii mirosului gazelor de evacuare dect turaia acestuia. Valoarea minim a nivelului de miros se plaseaz la o valoare a sarcinii de aproximativ 50% din sarcina plin.Mirosul cel mai intens este generat la sarcin plin i turaii ridicate (cnd apare arderea amestecurilor bogate) i la sarcini pariale i turaii reduse (cnd arderea se desfoar la temperaturi medii). Nivelul de miros la mersul motorului la ralanti este totdeauna ridicat.ntrzierea la autoaprindere reduce nivelul de miros la sarcini mari i turaii ridicate datorit deplasrii arderii spre destindere ceea ce determin creterea temperaturii gazelor la evacuarea acestora favorizndu-se postarderea compuilor mirositori. Din contr, la sarcini mici, nivelul de temperatur nivelul de temperatur al gazelor la evacuare este prea sczut s genereze postarderea i nivelul de miros crete cu ntrzierea la autoaprindere deoarece timpul afectat desvririi arderii se reduce.Recircularea gazelor arse are un efect negativ asupra nivelului de miros datorit ncetinirii reaciilor de ardere.Regimurile tranzitorii de funcionare ale motorului cu aprindere prin comprimare (accelerare i decelerare) sunt favorizante pentru emisia compuilor mirositori.

Nivelul de miros poate fi diminuat prin urmtoarele msuri:1. Creterea temperaturii la sfritul comprimrii sau prenclzirea aerului la intrarea n motor pentru a reduce ntrzierea la autoaprindere (n detrimentul emisiei de NOx);2. Optimizarea avansului la injecie n funcie de sarcin i turaie pentru reducerea ntrzierii la autoaprindere;3. Reducerea volumului rezidual al pulverizatorului (volumul sacului i al orificiilor de pulverizare).

Utilizarea filtrelor catalitice care s rein i s ard particulele pot diminua concentraia produilor mirositori dar nu afecteaz concentraia produilor iritani.Compoziia chimic a combustibilului poate afecta nivelul de miros o serie de parametri (viscozitatea, temperatura de distilare) i un coninut de hidrocarburi aromatice ce depete 35% din volum determin o cretere a nivelului de miros. Utilizarea unor combustibili mai uori diminueaz nivelul de miros n special la sarcini mari. Coninutul de sulf nu este direct implicat n compuii mirositori ns sporete nivelul iritant al gazelor arse prin prezena SO2.