Factori care influeneaz formarea emisiilor poluante la M.A.C.Cursul 5

Emisiile poluante ale motoarelor cu aprindere prin comprimare sunt influenate n mod direct de modul de formare al amestecului i de particularitile procesului de ardere. Motorul Diesel cu injecie direct prezint un consum de combustibil mai redus fa de motorul Diesel cu injecie indirect, precum i un nivel de fum mai sczut la sarcini pariale ns este dezavantajat de emisiile de NOx i HC incorporate n particule sub form de fraciuni organice solubile i de emisiile sonore.Pentru limitarea emisiilor, trebuie s se realizeze un bun compromis n toat gama de sarcini i turaii ntre emisiile de NOx i cele de particule, astfel raportul combustibil-aer s nu creasc local peste 0,9 (se favorizeaz NOx) i s nu scad sub 0,6 (se favorizeaz emisiile de particule).Proprietile combustibilului Motorinele utilizate la motoarele pentru autovehicule trebuie s posede o serie de proprieti fizico-chimice prin care s se limiteze emisiile poluante. Emisiile sunt influenate de: viscozitate, densitate, intervalul de distilare, cifra cetanic, coninutul de sulf i aditivi.

ViscozitateaPrin creterea viscozitii cinematice cresc emisiile de hidrocarburi nearse i de fum, prin creterea emisiilor de funingine iar emisiile de NOx se diminueaz. Viscozitatea cinematic are o influen redus asupra emisiilor de fraciuni organice solubile.

DensitateaPrin creterea densitii combustibilului apare o mbogire a amestecului aer-combustibil cu un efect direct asupra creterii emisiilor de particule att la motoarele cu aspiraie natural ct i supraalimentare.

Intervalul de distilareEmisiile de particule sunt direct legate de intervalul de distilare, din aceast cauz exist norme care impun acest interval.Se constat c numai emisiile de particule sunt influenate. Cercetri experimentale efectuate pe motoare cu aprindere prin comprimare cu injecie indirect au evideniat faptul c prin modificarea factorului de distilare 10% de la 210 la 216C nu influeneaz nivelul emisiilor poluante. n cazul modificrii factorului de distilare 90% cu aceeai cretere de la 310 la 316C emisiile cresc: HC cu 5%, particulele cu 3% i fraciunile organice solubile cu 8%.n cazul motorului Diesel cu injecie direct creterea punctului de distilare a factorului 90% influeneaz emisiile de particule n mod diferit n funcie de sarcin n sensul c la reducerea sarcinii emisiile de particule se diminueaz.

Influena modificrii punctului de distilare asupra diferitelor emisii ale motorului Diesel Variaia nivelului particulelor n funcie de intervalul de distilare al hidrocarburilor din combustibil

Coninutul de hidrocarburi aromaticeHidrocarburile aromatice coninute n motorinele utilizate la motoarele pentru autovehicule influeneaz pe de o parte cifra cetanic a acestora iar pe de alt parte emisiile poluante.n condiii de funcionare asemntoare nivelul de hidrocarburi din motorin are un efect nzecit asupra nivelului noxelor n comparaie cu factorul de distilare 90%. La creterea coninutului de hidrocarburi aromatice de la 25% la 45% emisiile de hidrocarburi nearse, i CO cresc de aproximativ 3 ori, emisiile de oxizi de azot nefiind influenate. Existena unor fraciuni aromatice volatile pot influena cinetica arderii amestecurilor preformate n sensul creterii fraciunii de amestec care arde favoriznd astfel formarea funinginii.La motorul cu aprindere prin comprimare cu injecie indirect, studiile efectuate au artat c n regim de funcionare tranzitoriu emisiile de HC, CO i particule sunt influenate de coninutul de hidrocarburi aromatice. O influen mult mai redus asupra emisiilor poluante a coninutului de hidrocarburi aromatice s-a constatat n cazul utilizrii unor motorine avnd cifra cetanic superioar valorii 50.La motoarele cu aprindere prin comprimare cu injecie direct influena coninutului de hidrocarburi aromatice asupra emisiilor poluante este mai dificil de evideniat. Cert este faptul c hidrocarburile aromatice influeneaz nivelul de particule din gazele de evacuare.

Influena concentraiei de hidrocarburi aromatice asupra emisiei de particule

Cifra cetanicLa scderea cifrei cetanice ntrzierea la autoaprindere crete, ceea ce determin mrirea nivelului de hidrocarburi nearse, particule, fraciuni organice solubile i oxid de carbon emise de gazele de evacuare precum i reducerea nivelului de fum i de funingine uscat. Emisiile de NOx sunt puin influenate de cifra cetanic. La creterea cifrei cetanice emisiile de HC, CO, NOx, i particule scad. La motorul Diesel cu injecie indirect cifra cetanic influeneaz preponderent emisia de fraciuni organice solubile. Cifra cetanic manifest o influen asupra nivelului de fum alb i de fum albastru care apare la pornirea motorului respectiv la funcionarea motorului la altitudine. Influena cifrei cetanice asupra emisiilor din gazele motoarelor Diesel cu injecie direct

Coninutul de sulfConinutul de sulf din motorin este limitat att de reglementri interne ct i de reglementri internaionale. n Europa coninutul de sulf din motorin se situeaz ntre 0,05 i 0,65%. Se intenioneaz limitarea coninutului de sulf la maxim 0,2%. n California coninutul de sulf este limitat la 0,05%.O parte important a sulfului din motorin se gsete n gazele de evacuare sub form de SO2, iar o alt parte sub form de SO3 i de acid sulfuric.Se apreciaz c prin scderea coninutului de sulf de la 0,3 la 0,05% emisiile de particule de reduc cu 10 la 15%.Coninutul de sulf nu influeneaz celelalte emisii poluante. Reducerea coninutului de sulf din motorin contribuie la diminuarea nivelului de miros al gazelor de evacuare i a gradului de nocivitate.

Aditivii1. Aditivii metaliciPentru diminuarea emisiilor de fum s-au folosit aditivi metalici sub form de sruri acide (naftenai, sulfonai). n acelai scop au fost ncercate i pmnturi alcaline ale unor metale precum: Ca, Ba, Fe, Mn, Cu, Ni. Rezultate semnificative s-au obinut utiliznd ca aditivi pmnturi alcaline ale Ba i Ca att la motoarele Diesel cu injecie indirect ca i la cele cu injecie direct. Prin utilizarea aditivilor metalici celelalte emisii rmn neafectate. Datorit faptului c n procesele care au loc n motor i pe traiectul evacurii pot aprea sruri nocive, utilizarea aditivilor metalici a fost abandonat.

2. Aditivii organicin motorinele utilizate la motoarele Diesel se pot aduga aditivi organici care au drept scop urmtoarele efecte: reducerea ntrzierii la autoaprindere; stabilizare, antioxidani (utilizai pentru a inhiba polimerizarea hidrocarburilor nesaturate avnd n vedere mbuntirea stabilitii pe timpul depozitrii); detergent (de curire a suprafeelor echipamentului de injecie).Aditivii organici influeneaz prin efectele care le au asupra calitii motorinei, procesele din cilindru i echipamentului de injecie, asupra nivelului de particule din gazele de evacuare. Influena aditivilor din combustibil asupra emisiei de particule

3. Adaosul de apAdaosul de ap din amestecul de aer-combustibil din cilindru acioneaz n sensul reducerii simultane a emisiilor de NOx i de particule.n timp s-au exprimat mai multe soluii de introducere a apei n amestecul aer-combustibil, cum ar fi: injecia direct a apei n cilindrul motorului i injecia de ap n curentul de aer care trece prin colectorul de admisie (fumigare).Reducerea emisiilor de NOx poate fi explicat prin reducerea temperaturii flcrii. Prezena apei n camera de ardere determin prelungirea ntrzierii la autoaprindere, ceea ce determin creterea fraciunii de combustibil ce arde n amestecuri preformate reducndu-se astfel cantitatea de funingine care se formeaz n flacra difuziv, efectul fiind reducerea emisiilor de particule. Cantitatea de fraciuni organice solubile absorbite de particule descrete cu prezena apei n cilindri datorit condensrii hidrocarburilor pe perei nainte de a intra n contact cu particulele de carbon.Adaosul de ap prin efectele pe care le are asupra ntrzierii la autoaprindere i asupra arderii determin creterea emisiilor de HC i de CO iar reducerea nivelului de particule este influenat de sarcina motorului.

Regimul de sarcin

La motorul Diesel, datorit particularitilor constructive se realizeaz o reglare cantitativ a sarcinii (prin modificarea dozei de combustibil injectate pe ciclu). Lund n considerare c motorul funcioneaz cu exces de oxigen, formarea oxidului de carbon i hidrocarburilor nearse apare zonal i n cantiti reduse n camera de ardere unde se ntlnesc amestecuri bogate sau hipersrace care nu permit oxidarea complet a moleculelor de combustibil. Emisia de oxid de carbon i hidrocarburi nearse este inferioar motorului cu aprindere prin scnteie i datorit faptului c aportul interstiiilor i procesului de absorbie - desorbie a hidrocarburilor de ctre pelicula de ulei este mult mai slab sau lipsete.Procesul de formare a oxizilor de azot este puternic influenat de creterea sarcinii datorat mririi nivelului temperaturilor ciclului motor. Emisia de fum crete cu mrirea sarcinii datorit mbogirii zonale a amestecului aer-combustibil.Intensitatea mirosului este influenat de mrimea sarcinii, aceasta nregistrnd valori maxime la sarcini reduse i turaii sczute precum i la sarcin plin i turaii ridicate.

Particularitile constructive ale motoruluiOrganizarea micrii aerului i arhitectura camerei de ardere

n cilindrii motorului micrile ncrcturii proaspete pot fi descompuse dup trei direcii fa de axa cilindrului: axial, radial, tangenial: micarea axial - urmrete axa cilindrului i este indus de deplasarea pistonului; micarea radial (squish) - dinspre i spre camera de ardere, dat de existena spaiilor nguste dintre capul pistonului i chiulas; micarea tangenial (swirl) - indus de traiectul de admisie al aerului (canal de admisie tangenial, elicoidal, supap de admisie cu ecran, etc.)Micarea ncrcturii proaspete n camera de ardere se realizeaz dup rezultanta micrilor dup cele trei direcii. Intensitatea micrii aerului mpreun cu micarea jetului de combustibil d nivelul energetic de formare a amestecului aer-combustibil n camera de ardere a motorului Diesel. Datorit faptului ca n motorul Diesel procesele de formare a amestecului aer-combustibil se suprapun parial, intensitatea micrii organizate a aerului i caracteristicile jetului de combustibil vor influena att parametrii energetici ct i parametrii ecologici ai motorului.Forma camerei de ardere poate amplifica sau diminua emisiile nocive funcie de influenele pe care la induce asupra proceselor de formare i ardere a amestecurilor aer-combustibil.

Instalaia de alimentare

Nivelul de emisii poluante este mult mai sensibil la motorul Diesel cu injecie direct comparativ cu motorul Diesel cu injecie indirect. n ceea ce privete sistemul de injecie indirect, calitatea amestecului depinde de particularitile de transfer ale gazelor ntre camera separat i camera principal.Prin creterea avansului la injecie nivelul presiunii maxime i al temperaturii maxime se mrete, ceea ce determin intensificarea formrii de NO. Motoarele Diesel cu injecie direct sunt mult mai sensibile n comparaie cu motoarele Diesel cu injecie indirect la mrirea avansului la injecie. Micorarea avansului poate constitui o cale de micorare a emisiilor de NO, aceast micorare realizndu-se n funcie de sarcin i turaie pentru a nu deteriora excesiv consumul specific de combustibil. Prin prelungirea ntrzierii la autoaprindere avansul la injecie mrete cantitatea de amestec preformat formnd o proporie sporit de amestec srac. Aceste amestecuri prezint dificulti de ardere ceea ce genereaz cantiti mrite de CO. Reducerea hidrocarburilor (HC) se obine printr-o ardere optim, n condiiile date emisiile de hidrocarburi cresc. Mai mult, prelungirea duratei ntrzierii la autoaprindere poate determina la motorul cu injecie direct depunerea combustibilului pe pereii camerei de ardere care constituie o surs suplimentar a emisiilor de hidrocarburi.La motoarele Diesel cu camer de ardere divizat ntrzierea injeciei determin scderea emisiilor de oxizi de azot i a particulelor mai ales la sarcin plin, ns emisiile de HC cresc.

Influena avansului la injecie asupra nivelului emisiilor. Efectul avansului la injecie asupra emisiilor de NOx i HC la motoarele Diesel cu camer divizat.

Particularitile proceselor de formare a amestecului i a arderii Influena turbulenei

n procesul de formare a amestecului aer-combustibil trebuie s se asigure reducerea duratei de existen a fazelor de amestec foarte bogat care genereaz funingine. n general pentru a se asigura condiiile unei bune amestecri a aerului cu combustibilului n faza aprinderii se intensific micarea de turbionare a ncrcturii care se manifest la nivelul ntregii camere de ardere (macroscar). Aceast msur este nsoit de cele mai multe ori de creterea presiunii maxime a ciclului care determin mrirea nivelului emisiilor de NOx i de zgomot. Reducerea emisiilor de NOx cere limitarea vitezei de amestecare a aerului cu combustibilul n faza de preformare a amestecului prin diminuarea vitezei micrii de turbionare sau a vitezei de injecie.Micarea turbulent a ncrcturii se manifest la nivelul microscrilor, fiind afectate pachete de ncrctur. Micarea turbulent este generat n timpul admisiei ncrcturii proaspete (construcia canalului de admisie, a porii de supap, a supapei de admisie sau utilizarea fenomenelor dinamice la curgerea ncrcturii proaspete supraalimentarea sonic).Micarea turbulent influeneaz emisiile de NOx, hidrocarburi nearse, fum, particule i zgomot prin mbuntirea arderii att a amestecurilor preformate ct i a arderii difuzive prin punerea n contact a hidrocarburilor cu oxigenul necesar.

Influena turaiei motorului i a regimurilor tranzitorii

Turaia de funcionare n gol a motorului cu aprindere prin comprimare influeneaz major asupra emisiilor poluante. Cercetri experimentale au artat c scderea turaiei de mers n gol de la 750 rot/min la 680 rot/min a condus la reducerea emisiilor de hidrocarburi cu 14%, oxid de carbon cu 2%, NO cu 3% i de particule cu 5%.Accelerarea i decelerarea motorului este o surs de generare a emisiilor poluante. Accelerarea motorului datorit mbogirii amestecului pe perioade scurte genereaz un nivel ridicat de particule, acelai fenomen mai puin pronunat apare la decelerare.Reducerea efectelor turaiei i regimurilor tranzitorii asupra emisiilor poluante se poate realiza prin urmtoarele msuri: reducerea momentelor de inerie (motor, turbosuflant); reducerea capacitilor volumetrice (admisie, evacuare); sistem de rcire cu capacitate redus de transfer de cldur (fr instabilitatea n cazul fluctuaiilor de temperatur); creterea surplusului de putere disponibil.

Temperatura aerului admis n motor

Nivelul de temperatur al aerului admis n motor influeneaz valoarea maxim a temperaturii ciclului i deci emisiile de NOx. Supraalimentarea motoarelor este nsoit de nclzirea substanial a ncrcturii proaspete la sfritul admisiei, pentru diminuarea temperaturii aerului se practic rcirea intermediar, ns are efecte negative asupra nivelului emisiei de particule la sarcini mari i turaii reduse. Rcirea aerului poate de asemenea prelungi ntrzierea la autoaprindere aprnd alte efecte negative cum ar fi proiectarea picturilor pe pereii cilindrului datorit diminurii ratei de vaporizare, consecina imediat fiind creterea emisiei de hidrocarburi nearse i de funingine.La pornirea motorului la temperaturi sczute aerul admis trebuie nclzit prin intermediul unor arztoare plasate n tubulatura de admisie sau cu ajutorul unor bujii incandescente plasate n camera de ardere pentru a elimina fumul alb (format din particule de combustibil nears).Temperatura tubulaturii de evacuare are un rol important asupra emisiilor prin depozitele de combustibil nears care se condenseaz n perioadele de funcionare la sarcini reduse i revolatilizarea acestora la sarcini mari. Izolarea acesteia poate favoriza arderea hidrocarburilor i a funinginii.

Recircularea gazelor arse

Limitarea formrii oxizilor de azot se poate realiza prin reducerea concentraiei amestecului de oxigen disponibil din camera de ardere i prin reducerea temperaturii flcrii la arderea amestecurilor preformate.Reintroducerea unei cantiti de gaze arse n prealabil rcite n camera de ardere are ca efect principal diminuarea concentraiei de oxigen i mrirea cldurii specifice a amestecului. Gazele arse sunt inactive din punct de vedere chimic.Cantitatea de gaze arse recirculate trebuie s in seama de condiiile de funcionare ale motorului cum ar fi: sarcina i turaia.Recircularea gazelor arse este ntrerupt la funcionarea motorului rece. Recircularea gazelor arse necesit dispozitive electronice de control care in seama de temperatura lichidului de rcire, presiunea mediului ambiant, debitul de combustibil injectat pe ciclu i turaia motorului. Se apreciaz c la motorul cu aspiraie natural prin recircularea unei cantiti de gaze arse care s asigure o diminuare a NOx cu 40%, emisiile de HC rmn neschimbate, n schimb emisiile de CO cresc cu aproximativ 10% i de particule cu 30%.La motorul supraalimentat recircularea gazelor arse determin reducerea simultan a emisiilor de NOx, HC i particule.