geneza

Geneza si combaterea poluarii mediului_______________________Capitolul 1

1

I. INTRODUCERE

I.1. POLUARE. NOTIUNI GENERALE.

Autovehiculele, în marea lor majoritate, sunt propulsate

de motoare termice cu piston. Motoarele termice, ca sisteme

termo-mecanice, transforma energia potentiala chimica a

combustibililor în energie mecanica prin intermediul unui ciclu

termodinamic.

Energia potentiala chimica a combustibililor este

eliberata în camera de ardere a motoarelor termice într-un

proces de oxidare rapida, energie ce este apoi transformata de

mecanismele motorului în energie mecanica. Aceasta reactie

foloseste ca oxidant oxigenul din aer, iar ca fluid de lucru

azotul din aer si gazele de arderer ce rezulta în urma procesului

de combustie. Forma generala a unei astfel de reactii este

prezentata în ecuatia (1):

Cm Hn + (m + n/2)O2 ? n/2H2O + mCO2 , (1)

unde “CmHn” este formula generica pentru hidrocarburi de

tipul benzinelor si motorinelor derivate din petrol, la ora

actuala cei mai utilizati combustibili pentru motoarele de

automobil. Daca produsii de ardere (din dreapta ecuatiei) sunt

numai apa si dioxidul de carbon , reactia este ideala, deci

foarte greu, daca nu imposibil de întâlnit în practica.

Reactia de ardere reala a unui combustibil pe baza de

carbon si hidrogen este prezentata în ecuatia (2);

Cm Hn + O2 (din aer) ? H2O + CO2 + CO + HC + NOx + ... (2)


2

De fapt, toti produsii reali de ardere ai unui combustibil

nu pot fi cunoscuti cu exactitate din cauza compozitiei diferite

a acestuia, a compozitiei diferite a aerului de ardere (aceste

variatii sunt în limite foarte strînse, dar exista) si a conditiilor

de ardere ce difera de la caz la caz, de data aceasta în limite

foarte largi. Ce se poate sti cu destula precizie sunt compusii

de ardere asa numiti “clasici”, care sunt : apa (H2O), dioxidul

de carbon (CO2), oxidul de carbon (CO), hidrocarburile nearse

(HC), particule solide (P) si oxizii de azot (NOx). Concentratia

acestor substante (exceptând apa) în gazele de ardere emise de

motoarele termice, ce echipeaza automobilele, este

reglementata prin lege în majoritatea tarilor lumii. Acestea

reglementeaza cantitatile de produsi de ardere ce pot fi emise

prin oxidarea unui anumit sortiment de combustibil, într-un

anumit tip de motor termic, în conditii specifice.

Reglementarile privesc asa numitele substante sau

produsi poluanti. În aceasta categorie intra toti produsii de

ardere cu exceptia apei, care nu este considerata produs

poluant.

În Tabelul 1.1.este prezentata compozitia "standard" a

aerului uscat [1], în largul marii sau în zone rurale izolate.

Aerul atmosferic contine, în mod normal, un procent de

cca. 1 pâna la 3% vapori de apa si urme de oxizi de sulf si de

azot, formaldehide, amoniac, metan, monoxid de carbon si

suspensii solide (praf si polen), într-un cuvânt “poluanti”.


3

Poluantul se defineste ca o substanta sau un amestec de

substante care, prezente în aer o anumita perioada de timp

pot periclita sanatatea oamenilor, plantelor sau animalelor.

Cantitatea de gaz poluant se exprima de obicei în procente

volumice. Daca cantitatea de poluant este foarte mica,

concentratia se exprima în “ppm” (parti per milion). Ecuatia (3)

face legatura între aceste doua unitati de masura.

1 vol. gaz poluant / 106 vol. (aer + poluant) = 1 ppm (3)

TABELUL 1.1. Compozitia medie a aerului uscat

SUBSTANTA

VOLUME %

CONCENTRATIE ppm (vol)

AZOT

OXIGEN

ARGON

DIOXID DE CARBON

NEON

HELIU

METAN

KRYPTON

HIDROGEN

XENON

OXIZI DE AZOT

(NO2)

OZON

78,084 + 0.004

20,946 + 0.002

0,934 + 0.001

0,033 + 0.001

-

-

-

-

-

-

-

-

780.900

209.460

9.340

315

18

5,2

1,2

0,5

0,5

0,080

0,02

0,01 - 0,04


4

Masa poluantului ( n ) se exprima masic în micrograme pe

metru cub de aer:

mpol = n [ ?g /m3 ] (4)

La temperatura mediului , 25 grd.C, relatia între

cantitatea exprimata în "ppm" si "?g /m3 " este:

Presupunând gazul poluant ca fiind un gaz ideal, notatiile

reprezinta:

- Mpol este masa molara a poluantului;

- po , presiunea atmosferica (1 bar);

- Ru = 0.08208 atm•m3/ kg.mol•grd.K, (constanta

universala a gazelor) ecuatia devine:

în care, masa molara a poluantului (Mpol) pe unitate de

volum este exprimata în kg/m3. Multiplicând membrul drept

cu 109, pentru a trece masa în micrograme si împartind la 106

pentru a avea raportul Vpol/Vaer exprimat în “ppm”, relatia

devine:

Gmol – greutatea molara a poluantului.


5

Ecuatia (7) este valabila la 25 grd.C si 1bar presiune

atmosferica. La 0 grd.C si 1bar presiune atmosferica, constanta

de la numitor devine 22,41.

Bibliografie 1) Wark K., Warner C. F., Air Pollution, Its Origine and Control,

Ed. The Maple Press Co., New York, 1981.

Principalii poluanti ai atmosferei__________________________Capitolul 2

6

II. II. PRINCIPALII POLUANTI AI ATMOSFEREI

II.1. FORMAREA SI EFECTUL POLUANT AL DIOXIDULUI DE CARBON

Dioxidul de carbon (CO2) este un produs ce apare absolut

normal în orice proces de oxidare a unui combustibil ce contine

carbon. În Figura 2.1 este prezentata compozitia medie, cea

mai probabila, a gazelor de ardere pentru un motor de tip Otto

(cu aprindere prin scânteie).

Toate masurile si precautiile care se iau pentru

îmbunatatirea

procesului de ardere au ca scop final oxidarea totala a

carbonului din combustibili la dioxid de carbon.

Dioxidul de carbon din atmosfera este în proportie de

95 % rezultat al proceselor naturale, precum procesele

fiziologice vegetale si animale sau alte surse naturale, cum ar

fi eruptiile vulcanice ori disolutia din apa marilor si a

oceanelor. Se considera ca restul de cca. 5 % provine din

activitatile umane, în principal din arderea combustibililor

fosili utilizati în industria energetica si în transportul rutier

[1].

Dioxidul de carbon are un circuit bine cunoscut în natura.

El este preluat de plante din atmosfera în timpul zilei si

transformat în procesul de fotosinteza, sub actiunea radiatiei

solare, în substante specifice regnului vegetal. În timpul noptii


7

OXIGEN1%

ALTELE1%

CO218%

APA9%

AZOT71%

este eliberat în atmosfera în procesul fiziologic de respiratie,

specific viului .

Efectul poluant al dioxidului de carbon este legat în mod

special de "efectul de sera". În timpul zilei suprafata terestra

primeste energie de la soare sub forma de radiatie termica în

domeniul vizibil, cu lungimi de unda între 0.4 nm si 0.7 nm.

Aceste radiatii strabat cu usurinta atmosfera indiferent de

compozitia de moment a acesteia, încalzind

FIGURA 2.1. Compozitia gazelor de ardere

pentru un motor tip Otto, exprimata în volume.

ALTE ; substante poluante formate din: CO – 0.85%;

HC – 600 ppm; NOx – 850 ppm; Particule – 50 ppm.


8

suprafata terestra. Pe timpul noptii caldura înmagazinata de

suprafata Terrei este radiata în spatiul extraterestru în banda

de unde infrarosii invizibile, cu lungimi de unda cuprinse între

1nm pîna la 10 nm. Daca atmosfera contine cantitati reduse de

CO2 si vapori de apa, cantitatea de caldura radiata în spatiu

este aproximativ egala cu cantitatea primita în timpul zilei, în

felul acesta pastrându-se un macro-echilibru la nivel planetar,

ce are ca efect o temperatura medie anuala aproape constanta,

cu variatii foarte mici ca ordin de marime, sub 1grd. Celsius.

Daca din motive diverse într-o anumita zona creste cantitatea

de dioxid de carbon si/sau vapori de apa din atmosfera, aceasta

retine o parte mai însemnata a radiatiei termice cu lungime de

unda mare din timpul noptii, dezechilibrând balanta termica

locala [2]. Pentru periode mai mari de timp aceste dezechilibre

locale pot provoca modificarea balantei termice globale. Astfel,

"efectul de sera" poate produce ridicarea temperaturii medii

anuale a atmosferei, fenomen cu efecte imprevizibile asupra

climei terestre, foarte dificil de anticipat. Ecuatia generala a

echilibrului radiant termic global este de forma (1):

a•S•Ax = s • e(Tmed)4 • A , unde

(1)


9

S – constanta reprezentând radiatia solara medie; S = 1360

W/m2;

a - coeficientul global mediu de absorbtie; a = 0.7 medie

stabilita via

satelit;

A - aria suprafetei terestre expuse radiatiei solare;

Ax - aria sectiunii delimitate de A, considerând Terra o sfera

perfecta;

Tmed - temperatura medie terestra la nivelul solului , K;

e - coeficient de emisie în infrarosu al suprafetei terestre,

e = 0.95;

s - constanta {tefan – Boltzmann , s = 5.669 •10-8 W / m2•K4.

Termenul din stânga ecuatiei reprezinta energia solara

radianta care ajunge la suprafata solului, iar termenul din

dreapta, energia radianta emisa în infrarosu de suprafata

terestra. Calculând cu datele prezentate anterior temperatura

medie la nivelul solului, cu ajutorul relatiei (1), se obtin 258 K,

cu 30 K mai putin decât temperatura medie a atmosferei

calculata pe baza datelor statistice. Diferenta, logic, provine

din efectul de sera descris anterior.

În Figura 2.2. este prezentata concentratia dioxidului de

carbon din atmosfera masurata în mijlocul oceanului Pacifc

(Hawaii), considerând zona ca reprezentând media globala, fiind

foarte departe de sursele majore de CO2 datorate civilizatiei. Se

constata o crestere de cca. 2.5% pe an. Aceasta evolutie se


10

modifica dupa 1990, emisiile de CO2 având tendinta de

stabilizare, daca nu chiar de scadere usoara.

Anual cantitatea de CO2 din atmosfera datorata

activitatilor umane, se considera ca majorându-se cu cca. 3

miliarde de tone, parte însemnata din aceasta crestere fiind

datorata arderii combustibililor fosili în motoarele termice, cca.

15% în medie la scara globala. În Statele Unite contributia

motoarelor de automobil depaseste 30% din totalul emisiilor

înregistrate în aceasta zona [3].

Dioxidul de carbon este doar unul din gazele care

contribuie la efectul de sera. Alte gaze socotite ca având o

contributie însemnata la acest efect sunt :

a)Freonii (fluorocarbonatii). Acesti compusi se obtin prin

înlocuirea partiala sau totala a hidrogenului din molecula unei

hidrocarburi cu fluor molecular (F2). Reglementarile în vigoare

reduc drastic utilizarea freonilor în industrie, la conditionarea

aerului, în general la constructia utilajelor frigorifice de orice

fel.

b) Gazul metan produs prin fermentarea anaeroba a

produselor de digestie animaliera si gazul metan emanat de

culturile de orez. Alte surse în ordinea importantei sunt:

mlastinile, în care are loc acelasi proces de descompunere

anaeroba a resturilor vegetale, ca în cazul culturilor de orez,

mineritul în general si exploatarea zacamintelor de gaz metan

în special.


11

FIGURA 2.2. Evolutia concentratiei CO2 în

atmosfera

terestra pe o perioada de 30 ani.

c) Oxizii de azot, în majoritate provin din solurile foarte

umede ale zonei tropicale la care se adauga cantitati însemnate

provenite din diferite procese tehnologice industriale, precum si

arderea combustibililor. O cantitate însemnata de oxizi de azot

rezulta din folosirea drept combustibil a lemnului.

Privind strategiile de reducere a emisiilor de CO2

datorate cererilor foarte mari de energie, ce au la baza arderea

combustibililor fosili, una priveste în mod direct automobilul si

anume înlocuirea combustibililor cu un continut ridicat de


12

carbon, cu combustibili cu mai putin carbon în compozitie,

Tabelul 2.1. Folosind combustibili cu un continut mai redus

de carbon în molecula, prin oxidare (ardere)

TABELUL 2.1. Combustibili si emisiile de CO2.

TIPUL DE

COMBUSTIBIL

CANTITATEA DE CO2

EMIS|

Kg / 1Kg comb.

GRADUL DE

EMISIE

RAPORTAT

LA METAN

Gaz metan

Etan

Propan

Butan

Benzina

Motorina

Pacura

Carbune

bituminos

2.16

2.48

2.61

2.67

3.02

3.16

3.19

3.73

1.00

1.15

1.21

1.24

1.40

1.46

1.46

1.73

se reduc emisiile de CO2 pentru a produce aceeasi cantitate de

energie. Arderea combustibililor se considera ca facându-se

stoechiometric.

Consultând acest tabel este evident de ce tot mai multe

cercetari au ca tema înlocuirea la alimentarea motoarelor


13

Diesel a motorinei cu gazul metan, având printre alte avantaje

si reducerea cu aproape 33% a emisiilor de CO2. Pentru a reduce

substantial cantitatile de dioxid de carbon, datorate arderii

combustibililor fosili, se impune marirea eficientei utilizarii

energiei termice, folosirea surselor de energie neconventionale,

regenerabile, si folosirea energiei atomice, care exceptând

faptul ca este potential periculoasa, din punct de vedere al

poluarii, în termeni conventionali, este curata. Nu emite gaze

de ardere si ocupa spatii reduse pentru puteri instalate foarte

mari. În prezent cca. 18% din energia electrica consumata pe

plan mondial este produsa în centrale atomice.

II.2. MONOXIDUL DE CARBON, ORIGINE, EFECTE

Oxidul de carbon CO, apare ca produs intermediar în

procesul arderii combustibililor ce contin carbon în molecula.

Daca cantitatea de oxigen disponibila arderii este mai mica

decât necesarul stoechiometric, sau din alte cauze, oxidarea

carbonului nu se face complet, iar în consecinta, apare ca

produs final al arderii monoxidul de carbon.

Monoxidul de carbon este un gaz incolor si inodor. Este

foarte stabil la temperatura mediului, timpul de viata în

atmosfera fiind de 2 pâna la 4 luni, perioada în care sub

actiunea radiatiei solare sau a altor factori de mediu, precum

umiditatea, temperatura, vântul, se oxideaza formând CO2.

Monoxidul de carbon este "curatit" din atmosfera si de


14

procesele biologice ce au loc la nivelul ciupercilor microscopice

din sol, care-l folosesc în procesele lor metabolice.

În principiu, reactiile care conduc la aparitia monoxidului

de carbon sunt urmatoarele, plecând de la radicalul HCO(+), ca

produs intermediar de ardere si gruparea hidroxilica:

HCO(+) + OH(-) ? CO + H2O sau,

(2)

HCO(+) + M(-) ? H + CO + M.

Pentru a evidentia conditiile ce favorizeaza aparitia CO în

gazele de evacuare, trebuie precizat mersul firesc al reactiilor

chimice în conditii favorabile pâna la produsul final de oxidare,

CO2.

În frontul de flacara exista o cantitate însemnata de OH.

Reactia cea mai probabila de reducere a CO este [2]:

CO(+) + OH(-) ? CO2 + H (3)

O alta reactie posibila este oxidarea directa cu oxigenul:

CO + O2 ? CO2 + O* (4)

Aceasta reactie este posibila (4), dar de o mai mica

importanta în zona frontului de flacara care contine oxigen în

exces. În studiile teoretice se considera reactia (3), ca fiind cea


15

mai probabila reactie de oxidare a CO. Aparitia radicalilor, a

grupei hidroxil si a hidrogenului, au ca mecanism de formare

reactiile urmatoare:

H + H2O ? OH + H2 (5)

sau,

H + O2 ? OH + O* (6)

CO + H2O ? CO2 + H2 (7)

Aceste reactii, fiind puternic endoterme, scad în

intensitate odata cu scaderea temperaturii generale a

amestecului aer-combustibil în perioada detentei gazului în

cilindrul motorului. În consecinta, probabilitatea reactiilor de

oxidare a CO la CO2 scade odata cu reducerea temperaturii

generale a gazelor în camera de ardere a motorului spre

sfârsitul arderii [4]. Energia de activare a reactiei (7), numita si

reactia "apa-gaz" este de 85 kJ/mol. Constanta de echilibru kp,

a reactiei apa - gaz este data de relatia urmatoare:

unde "p" reprezinta presiunile partiale în zona de reactie.

Date legate de echilibrul acestei reactii la diferite

temperaturi, în Tabelul 2.2.

Daca este suficient oxigen la temperatura mediului,

teoretic toata cantitatea de CO ar fi oxidata la CO2, dupa datele

din tabel care se refera la reactia chimica în conditii ideale. În

realitate, dinamica reactiei este diferita, drept pentru care,


16

cantitatea de CO este mult mai mare decât în cazul teoretic.

Oxidul de carbon apare atât în zonele cu amestec bogat,

deficitare în oxigen, cât si în zonele cu amestecuri sarace unde

oxigenul este în exces. Cauza este aceeasi si anume

neuniformitatea amestecului aer-combustibil. Cu cât procesul

de formare a amestecului este mai rapid, timpul disponibil fiind

mai redus, cu atât amestecul este mai neomogen conducând la

aparitia de zone în care oxigenul este

deficitar, chiar daca initial amestecul s-a dorit a fi sarac,

cu exces de oxigen în amestec.

TABELUL 2.2. Variatia constantei de echilibru a

reactiei de oxidare a CO cu vapori de apa,

functie de temperatura.

T [K] 298 500 1000 1500 2000

2500

Kp

1.04 •105 1.38 •102 1.44 0.39 0.22

0.16

O alta sursa de CO este reactia de disociere a CO2 la

temperaturi de peste 2200 grd.C, temperaturi ce apar în mod

normal în camera de ardere a motoarelor cu piston.

În acest fel, combinând cele doua situatii favorizante

(zone cu amestec bogat si temperaturi ridicate), emisiile de CO


17

sunt inevitabile în procesul combustiei în motoarele cu piston.

Aceste emisii pot fi reduse îmbunatatind arderea, dar nu

eliminate total, CO fiind prezent inevitabil în compozitia

gazelor de ardere la iesirea din cilindru, în proportii variabile,

concentratia fiind dependenta de foarte multi factori, greu de

apreciat într-un eventual proces de predictie prin calcul.

Monoxidul de carbon fiind un component stabil este

practic neutru chimic fata de mediu [1]. Nu are influente nocive

asupra plantelor chiar la concentratii mari de 100 ppm, foarte

rar întâlnite în natura numai în zonele grav poluate.

Asupra omului monoxidul de carbon are efect letal la

concentratii ce depasesc 750 ppm. Monoxidul de carbon se

combina foarte usor cu hemoglobina din sînge în urma reactiei

rezultând carboxihemoglobina, COHb. Afinitatea hemoglobinei

fata de CO este de aproximativ 210 ori mai mare decât fata de

oxigen, cu care formeaza oxihemoglobina, O2Hb. Aceasta

proprietate a CO este urmare a presiunii partiale foarte scazute

necesara acestuia pentru a satura hemoglobina. Aceasta

presiune, foarte mica, este de numai 4-4.5 *10-3 din presiunea

partiala de saturatie a hemoglobinei cu oxigen. La echilibru

concentratia celor doi compusi cu hemoglobina este de forma:

pco - presiunea partiala a oxidului de carbon:

po2 - presiunea partiala a oxigenului;


18

M – constanta de proportionalitate, pentru sîngele uman,

200 - 250.

Carboxihemoglobina nu este un compus stabil. Odata cu

reducerea presiunii partiale a CO din atmosfera, monoxidul de

carbon din sînge este în mod automat eliberat, deblocând astfel

hemoglobina. În cazul intoxicatiilor cu CO dupa îndepartare din

zona afectata, concentratia CO din sînge se injumatateste la

fiecare 3-4 ore, pâna ajunge la nivelul normal de 0.4% ,

concentratie datorata proceselor vitale si nu surselor externe.

II.3. HIDROCARBURILE NEARSE , ORIGINI, EFECTE

Hidrocarburile nearse apar în timpul reactiei de oxidare

incomplete a combustibililor pe baza de carbon si hidrogen.

Arderea incompleta se datoreaza în mare parte, asa cum am

mai precizat, neomogenitatii amestecului combustibil din

camera de ardere. Astfel, apar zone în care oxigenul este

puternic deficitar procesul de oxidare fiind stopat, produsele

finale ale acestei "arderi" fiind de fapt, combustibil nears.

Arderea incompleta a hidrocarburilor (HC) poate aparea si

datorita fenomenului de stingere a flacarii de îndata ce frontul

de ardere atinge peretele relativ rece al camerei de combustie,

temperatura peretelui fiind apropiata de temperatura fluidului

de racire [4]. O alta sursa importanta de HC o reprezinta

volumele, relativ mici, delimitate de capul pistonului, primul

segment si peretele cilindrului, sau alte volume ascunse din


19

camera de ardere unde flacara nu patrunde. Aceste asa numite

"crevase" închid volume de amestec combustibil ce nu ard si

care odata evacuate contribuie la ridicare concentratiei

HC-urilor în gazele de ardere[5].

Studii de laborator arata ca, în conditiile din camera de

ardere flacara nu se propaga prin interstitii mai mici de 0.4 -

0.6 mm. Crevasele din camera de ardere au dimensiuni în jurul

acestor limite, fapt pentru care încarcatura combustibila nu se

aprinde. Cantitatea de amestec din aceste volume se poate

calcula cu relatia (10):

mo - masa totala de amestec;

mc - masa de amestec din crevase;

rc – raportul dintre “mc” masa de amestec din crevase si

”mo”

Vc si Vo - volumul crevaselor si respectiv volumul

amestecului

în momentul admisiei în camera de ardere;

To - Temperatura initiala;

Tc - Temperatura din crevasa;

pmax- presiunea maxima în ciclu;

po - presiunea initiala.


20

Volumul crevaselor din camera de ardere pentru un

cilindru cu un volum util de 500 cm3, în conformitate cu Figura

1.3., este de 1cm3 sau aproximativ 0.2% din capacitatea

cilindrica a motorului [6].

FIGURA 2.3.Volumul crevasei delimitat de piston. Pentru conditiile din timpul arderii, considerând

temperatura din crevasa ca fiind temperatura lichidului de

racire, iar raportul de crestere a presiunii în timpul arderii de

40 : 1, rezulta ca aproximativ 6% din masa amestecului

proaspat se gaseste în crevase, cu un continut de 15 - 20% gaze

arse. Reducerea dimensiunilor crevaselor poate micsora emisia

de HC cu 10 - 30% în functie de dimensiunile motorului si

regimul de lucru [7].

O alta sursa de HC o reprezinta fenomenul de absorbtie a

combustibilului în stratul, foarte subtire, de ulei care ramâne

pe suprafata cilindrului în timpul functionarii. Fenomenul este

amplificat de cresterile de presiune când, cantitatea de


21

combustibil dizolvata în stratul de ulei creste odata cu cresterea

acesteia. Cantitatea de combustibil absorbit în perioda

compresiei si în timpul arderii depinde de solubilitatea

combustibilului în ulei, de sarcina motorului (cantitatea

variabila de combustibil, implicit presiunea maxima în cilindru

variabila) si grosimea stratului de ulei ramas pe peretele

cilindrului. În mod normal grosimea stratul de ulei dupa

încalzirea motorului are valori cuprinse între 0.5 - 1.0 ?m.

Combustibilul absorbit în stratul de ulei este eliberat

(desorbit) în perioadele de destindere si evacuare, când

presiunea gazelor scade pâna aproape de valoarea presiunii

atmosferice. Vaporii de combustibil eliberati se amesteca cu

gazele de ardere si sunt evacuati sub forma de HC nearse.

Cu cât volatilitatea combustibililor este mai mare, cu

atât emisiile de HC datorate fenomenului de absorbtie în ulei

cresc. Cercetarile moderne în acest domeniu au condus la

concluzia ca cca. 10% din totalul de HC emise de motor îsi au

originea în stratul de ulei de pe suprafata cilindrului [8].

La motoarele Diesel, emisiile de HC se datoreaza

acelorasi factori prezentati anterior. În plus fata de motoarele

Otto aceste emisii sunt generate de cauze specifice si anume:

a) Amestecuri prea sarace sau prea bogate în anumite

zone din camera de ardere, amestecuri ce nu se aprind;

b) Jetul de combustibil atinge peretele cilindrului, zona

în care flacara de obicei se stinge datorita temperaturilor


22

scazute si a lipsei de oxigen din stratul de combustibil lichid de

pe perete;

c) Stingerea flacarii în destindere datorita reducerii

presiunii si temperaturii;

d) Scurgeri de combustibil din injector în perioadele

dintre injectii. Toti acesti factori influenteaza în proportii

diferite emisiile de HC la motoarele Diesel, emisii care se

regasesc de fapt în continutul si compozitia particulelor solide,

pe scurt “particule”, care reprezinta parte din emisiile

caracteristice acestui tip de motor.

La motoarele Otto uzate si la cele prost întretinute este

un parametru mai putin cunoscut, ce infuenteaza emisiile

poluante în general si emisiile de HC în special. Acest parametru

numit si "randamentul aprinderelor" este definit de relatia:

? ? a- eficienta aprinderilor;

at - numarul de aprinderi ideal (teoretic) în unitate de

timp;

ae - numarul de aprinderi efective în unitate de timp.

Eficienta aprinderilor influenteaza decisiv concentratia

HC în gazele de evacuare. Scaderea cu 10% a parametrului ae

conduce la cresteri de ordinul zecilor a concentratiei HC.


23

O alta sursa de HC o reprezinta transportul, transvazarea,

prelucrarea petrolului brut si a derivatelor sale precum si

alimentarea cu combustibil a autovehiculelor. În timpul acestor

operatii, cantitati însemnate de hidrocarburi în stare lichida sau

gazoasa pot fi dispersate în mediu. În ideea reducerii acestor

emisii, normele admise ale scaparilor de vapori de hidrocarburi

sunt foarte stricte si au în vedere atât secventa alimentarii

vehiculului, motiv pentru care pompele de alimentare cu

combustibil ale statiei, trebuie dotate cu sisteme speciale de

recuperare a vaporilor. Cercetarile au stabilit ca anual, în

medie, se disipa în atmosfera cca. 100-150 kg combustibil

pentru fiecare pompa de alimentare. O alta sursa importanta de

HC în atmosfera o reprezinta sistemele de aerisire al

rezervoarelor vehiculelor. Normele în vigoare prevad dotarea

rezervoarelor de combustibil cu sisteme speciale de aerisire,

prevazute cu filtre specializate, Figura 2.4. Vaporii de

combustibil din rezervor nu se împrastie în

atmosfera, ca în sistemul clasic, ci sunt trecuti printr-un

recipient umplut cu granule de carbon activ, în care vaporii se

înmagazineaza prin adsorbtie si condensare în masa poroasa

formata de aceste granulele. Printr-un electro-ventil actionat

de unitatea centrala de comanda si control, care gestioneaza

functionarea motorului, vaporii stocati sunt admisi progresiv în

tubulatura de admisie a motorului.


24

FIGURA 2.4. Sistem modern de aerisire a rezervoarelor

de combustibil cu retinerea vaporilor

Prima tara în care s-a introdus obligativitatea captarii vaporilor de benzina si motorina în timpul alimentarii a fost Elvetia începând cu 1995. Hidrocarburile în general si hidrocarburile aromatice în

special se apreciaza a avea unele efecte carcinogene la

expuneri îndelungate. Hidrocarburile nearse împreuna cu

oxizi de azot, sub efectul radiatiei solare formeaza oxidanti

fotochimici, componenti ai smog-ului fotochimic, cu efecte

negative cert constatate asupra omului si asupra biologicului în

general.


25

II.4. OXIZII DE AZOT, ORIGINI, EFECTE

Oxizii de azot, stabili din punct de vedere chimic,

decelati în atmosfera sunt: NO - oxid nitric, N2O - oxid nitros,

NO2 - dioxid de azot, N2O3 - trioxid de azot, N2O5 - pentaoxid de

azot. Compusii cu o pondere mai ridicata în compozitia

atmosferei sunt NO, NO2 si N2O, fiind în acelasi timp considerati

ca având contributia lor specifica în procesul de poluarea a

aerului [1].

Se considera ca mai mult de 90% din oxizii de azot,

proveniti din activitatile umane îsi au originea în procesul de

ardere a diferitilor combustibili. Motoarele de autovehicule

contribuie cu aproape 50% din aceasta cantitate.

Termodinamica reactiilor de formare a oxizilor de azot

este în strânsa dependenta de conditiile în care are loc procesul

de ardere. Reactiile chimice de sinteza cele mai probabile care

au loc sunt urmatoarele:

N2 + O2 ? 2NO (12)

NO + 1/2 O2 ? NO2 (13)

Emisiile de oxizi de azot din gazele de ardere ale

motoarelor termice, sunt în principal formate dintr-un amestec

de monoxid de azot (NO) si dioxid de azot NO2. La temperaturi

ridicate predomina oxidul nitric (NO) a carui constanta de


26

echilibru în reactia de sinteza (12), functie de temperatura,

este prezentata în Tabelul 2.3.

TABELUL 2.3. Constanta de echilibru a reactiei de sinteza a NO, în functie de temperatura.

T (K)

300 1000 1200 1500 2000

2500

kp

10-30 7.5x10-9 2.8x10-7 1.1x10-5 4x10-4

3.5x10-3

Valoarea constantei de reactie este data de relatia :

unde, PNO, PN2, PO2, sunt valorile presiunilor partiale ale

substantelor gazoase ce participa la reactie. Urmarind evolutia

lui kp, se constata cresterea rapida a concentratiei de NO ce se

sintetizeaza odata cu cresterea temperaturii de ardere [3]. La

temperaturile ce apar în mod normal în camerele de ardere ale

motoarelor, 2000 K pîna la 2300 K, sinteza NO este

inevitabila. Odata cu reducerea temperaturii gazelor de ardere

în procesul de destindere, în jurul valorii de 800 K, începe


27

procesul de trecere a oxidului nitric în dioxid de azot dupa

reactia:

NO + H2O ? NO2 + OH (14)

Daca dioxidul de azot astfel format întâlneste zone cu

temperatura mai ridicata si oxigen, acesta trece din nou în oxid

nitric (NO) dupa reactia:

NO2 + O* ? NO + O2 (15)

Oxidul nitric se formeaza atât în frontul de flacara cât si

în gazele de ardere rezultate din combustie dupa trecerea

frontului de flacara, daca exista oxigen disponibil, iar

temperatura este suficient de ridicata. Experimental s-a stabilit

pragul de 1700 grd.C ca fiind critic în formarea NO. Depasirea

acestui prag conduce la marirea numarului de reactii de sinteza

a NO din azot si oxigen, precum si disocierea NO2 în NO si oxigen

(15). Sub acest prag, reactiile de sinteza a NO se reduc ca

intensitate si creste ponderea reactiilor de formare a NO2.

Odata cu racirea, mai accentuata în destindere, a gazelor de

ardere, compozitia NOx (amestec de NO si NO2) se stabilizeaza,

cei doi componenti devenind suficient de stabili la temperaturi

scazute, sub pragul de 800 grd.C, specifice gazelor de evacuare

[9].

Calculele de echilibru chimic indica faptul ca în gazele de

ardere, la temperatura ridicata din zona frontului de flacara,

concentratia dioxidului de azot NO2 ar trebui sa fie neglijabila în

comparatie cu concentratia oxidului nitric. În Tabelul 2.4. este


28

prezentata variatia constantei de reactie kp pentru reactia (13)

în functie de temperatura.

TABELUL 2.4. Constanta de echilibru a reactiei de sinteza a

NO2 în functie de temperatura.

T (K)

300 500 1000 1500 2000

kp

106 1.2 •102 0.11 0.011

3.5 •10-3

Valoarea constantei de reactie este data de relatia:

Concentratia scazuta a NO2 în amestecul de oxizi de azot din

gazele de ardere este valabila pentru motoarele cu aprindere

prin scânteie la care temperatura de ardere este mai ridicata.

În cazul motoarelor Diesel, experimental, s-au gasit

concentratii, de pâna la 30% din NOx sub forma de NO2.

Formarea dioxidului de azot conduce la reducerea temperaturii

gazelor de ardere, dupa reactia (14). Daca NO2 astfel format

este antrenat într-o zona cu temperatura mai scazuta, reactia

de disociere (15) nu mai are loc, iar concentratia de NO2 creste.

În camera de ardere a motoarelor Diesel, care la sarcini mici


29

functioneaza cu exces mare de aer, exista zone numeroase cu

temperatura scazuta, temperatura ce blocheaza conversia

NO2 ? NO.

Deoarece, aparitia oxizilor de azot în procesul de ardere

a combustibilului nu poate fi împiedicata, reducerea cantitatii

acestora în gazele de ardere se poate face si se face într-o

prima faza, prin optimizarea procesului de ardere, iar într-o

faza ulterioara prin tratarea catalitica a gazelor de ardere, dupa

iesirea acestora din motor.

Efectul poluant al NO2 si NO se manifesta indirect. Acesti

oxizi, în prezenta vaporilor de apa din atmosfera produc,

trecând prin mai multe faze succesive, acidul nitric care

corodeaza suprafetele metalice neprotejate. Oxizii de azot din

atmosfera, la concentratii mai mari de 0.05 ppm au un efect

iritant al mucoaselor cailor respiratorii. Sub efectul radiatiei

solare oxizii de azot reactioneaza cu hidrocarburile nearse HC,

formând asa numitul "smog fotochimic". Din acesta cauza

standardele de calitate ale aerului prevad o concentratie

maxima a oxizilor de azot, departe de surse majore, de

maximum 100 mg / m3 ca medie anuala.

II.5. SMOG - UL FOTOCHIMIC

Smog-ul fotochimic nu trebuie confundat cu amestecul

de fum si ceata ce apare în perioadele umede si reci de toamna-


30

iarna. Spre deosebire de acest "smog clasic" ce apare în zilele

înnorate, smog-ul fotochimic apare numai în zilele însorite .

Smog-ul fotochimic contine în principiu: ozon, acid nitric

si compusi organici volatili. Acest amestec este mentinut

aproape de nivelul solului de stagnarea atmosferica, (lipsa

curentilor de aer) datorata fenomenului de inversie termica,

straturile de aer de la nivelul solului fiind mai reci decât

straturile situate la înaltime. Smog-ul fotochimic are la origine

oxizii de azot si HC-urile emise, majoritar, de motoarele

termice ale autovehiculelor.

Sub actiunea radiatiei solare ultraviolete UV - B, cu

lungimi de unda cuprinse între 240 - 290 nm, au loc reactile

(17):

Hidrocarburile nearse HC, au ca sursa principala

motoarele termice si compusii organici volatili (VOC) proveniti

din activitati industriale sau evaporarea combustibililor si

solventilor. Drept consecinta a acestor reactii, catalizate de

radiatia solara, este aparitia peroxiacetil nitratului (PAN) si a

compusilor chimici ce contin radicalul


31

(-)CHO (aldehide), acestia fiind principalii produsi iritanti ai

ochilor si cailor respiratorii.

Deoarece ozonul are un rol determinant în aparitia smog-

ului fotochimic, pentru a determina conditiile favorabile

formarii acestuia se urmareste concentratia ozonului din

atmosfera la nivelul solului. Concentratia de alarma începe de

la 180 ?g / m3.

II.6. PARTICULE ÎN SUSPENSIE. ORIGINI SI EFECTE

"Particule" este termenul generic ce defineste orice

suspensie din atmosfera, solida sau lichida, cu dimensiuni mai

mari ca a unei molecule (diametrul mediu pentru o molecula,

Dm = 2 •10-4 ?m), dar mai mici de 500 ? m (1? m = 1 micrometru

= 10-6m). Particulele având dimensiunile cuprinse în aceasta

plaja valorica pot sta în suspensie în aer perioade variabile de

timp, de la câteva secunde, la câteva luni sau ani. Timpul de

depunere a particulelor sub actiunea gravitatiei terestre,

depinde în primul rând de dimensiunile acestora.

Particulele având diametre sub 0.1 ?m au viteze de

depunere foarte mici, chiar într-o atmosfera linistita. Acestea

se mentin în atmosfera, în primul rând, datorita miscarii Brown-

iene, rezultate din ciocnirea cu alte molecule sau particule de

mici dimensiuni, iar în secundar datorita diferentelor foarte

mari între viteza de depunere, care este foarte mica si viteza

curentilor de aer, care comparativ este foarte mare [10].


32

Particulele cu diametre mai mari de 1 ?m încep sa aiba

viteze de depunere sensibil marite, dar înca foarte mici

comparativ cu vitezele curentilor de aer, motiv pentru care vor

pluti mult timp în atmosfera pâna vor întâlni conditii pentru a

se depune pe suprafata pamântului. Începând de la diametre

mai mari de 20 ?m particulele au viteze mari de depunere,

putând fi separate din atmosfera folosind forta gravitatiei sau

alte procese inertionale. Studiul comportarii particulelor se face

în mod obisnuit folosind dimensiunea medie a grupului de

particule studiate.

Dimensiunea medie (diametrul mediu “dm”) al

particuleror se calculeaza în mod obisnuit cu relatia cunoscuta:

dm - Diametrul mediu al particulelor;

N - Numarul total de particule considerate;

? d - Suma diametrelor tuturor particulelor

În practica s-a simtit nevoia definirii si altor tipuri de

"diametre",

care sa caracterizeze mai exact particulele studiate. Astfel se

definesc:

a) Pentru particule solide care nu au o forma perfect

sferica se


33

defineste un "diametru areal", ca fiind diametrul sferei având

aceeasi suprafata ca particula considerata.

b) Pentru particule cu o structura poroasa se defineste un

"diametru volumic", ca fiind diametrul sferei ce închide acelasi

volum cu al particulei considerate.

c) "Diametrul Stokes" definit ca fiind diametrul unei sfere

cu aceeasi densitate ca cea a particulei considerate, care

cazând liber într-un fluid ce curge laminar are aceeasi viteza

finala de cadere ca particula considerata.

d) "Diametrul aerodinamic ", reprezinta diametrul unei

sfere cu densitatea de 1g/cm3, care cazând liber într-un fluid în

curgere laminara are aceeasi viteza finala de cadere ca

particula considerata.

e) "Diametrul numarului mediu" (dnm) este diametrul

pentru care, 50% din particule au diametre mai mari (sau mai

mici) decât diametrul mediu, dnm.

f) Diametrul mediu masic (sau volumic) este definit ca

find diametrul pentru care masa (sau volumul) particulelor cu

diametrul mai mare ca diametrul mediu masic (sau volumic)

este 50% din masa (volumul) total al particulelor.

În zonele urbane cu trafic intens de vehicule se

considera, pe baza datelor culese în teren, ca 17% pîna la 20%

din totalul particulelor în suspensie din atmosfera se datoreaza

arderii combustibililor în motoarele termice ce echipeaza

vehiculele. Cea mai mare parte a acestora provin de la


34

motoarele Diesel. Compozitia medie a acestui tip de particule

este urmatoarea:

40 % - ulei nears;

31 % - carbon;

14 % - sulfati si apa;

8 % - particule provenite din aerul de aspiratie si particule

provenite din procesul normal de uzura a motorului;

7 % - combustibil nears.

În principiu, particulele au o structura complexa si

dimensiuni ce variaza în limite foarte largi. Dimensiunile si

compozitia depind foarte mult de perfectiunea arderii în motor,

de calitatea si compozitia combustibilului si de gradul de uzura

al motorului.

Particulele cu dimensiuni mai mici de 2,5 microni sunt

considerate a fi cele mai nocive pentru sanatate. Aceste

particule sunt de tip "agregat" cu o structura poroasa. Acestea

au raportul suprafata / volum, foarte mare, putând îngloba în

structura alte substante lichide sau solide, cu un potential mare

de risc pentru sanatate.

O alta sursa importanta de particule o reprezinta sulful

din combustibil, care oxidat la dioxid de sulf SO2, împreuna cu

sulfatii deja formati si apa, adera la particulele de carbon

nears. Cercetarile au aratat ca sulful contribuie la formarea a

cca. 20% din totalul particulelor produse de motor [11].

Reducerea procentului de sulf din combustibil, va reduce

substantial acest tip de particule din gazele de ardere. Normele


35

Europene în vigoare prevad un maxim de 0.05 % sulf în

combustibilulul Diesel pentru vehicule rutiere.

O sursa de particule, nu mai putin importanta, o

reprezinta uleiul de motor, care ajungând pe diferite cai

(scapari pe lînga segmenti, scurgerii pe supape, gazele din

carterul motorului recirculate în admisie, scurgeri pe la lagarele

turbosuflantelor de supraalimentare), în camera de combustie,

nu arde complet participând în proportie foarte mare, asa cum

am precizat anterior, la formarea particulelor.

II.7. PROCESE FUMIGENE, CAUZE, MANIFESTARI

Fumul de culoare neagra, ce apare în gazele de ardere

ale motoarelor Diesel, este format din particule de carbon

rezultate în urma procesului de cracare a moleculelor grele de

hidrocarburi din combustibil în timpul procesului de combustie

din camera de ardere a motorului termic [11]. Cracarea se

defineste ca fiind un ansamblu de reactii si procese fizico–

chimice caracterizate prin ruperea sub influenta temperaturii

ridicate a moleculelor hidrocarburilor grele în molecule cu masa

molara mai mica. În urma procesului de cracare apar produsi

sub forma gazoasa (hidrogen si hidrocarburi cu unul pâna la

patru atomi de carbon), sub forma lichida (hidrocarburi din

clasa benzinelor) si reziduuri lichide sau solide ce stau la baza

aparitiei fumului în gazele de ardere.


36

Acest fenomen se produce pe parcursul procesul de

ardere, în zonele cu amestec bogat în perioda fazei de ardere

difuziva. Într-o prima faza se formeaza produse intermediare

prin dehidrogenarea moleculelor combustibilului Diesel. Aceasta

faza se poate desfasura dupa mecanisme diferite în functie de

temperatura locala. Daca aceasta temperatura este relativ

scazuta, în jurul valorii de 1500 K, viteza reactiei de oxidare

este redusa si se formeaza molecule mari, prin procese de

polimerizare sau condensare, urmate de dehidrogenare. Daca

temperatura este mai ridicata, peste 1800 K, reactiile decurg

mult mai rapid, tipic pentru procesul de cracare. Dintre

compusii ce apar în urma acestui proces, se considera ca,

acetilena sta la baza formarii funinginei. În faza urmatoare

funingenea se aglomereaza, avînd ca baza particule, cristalite,

de 40A0 (1A0 = 10-10 m), care prin agregare formeaza particule

de carbon de dimensiuni mari, poroase, ce pot îngloba

hidrocarburi sau alti compusi rezultati în urma reactiilor de

oxidare a combustibilului Diesel.

Etapa finala are loc la temperaturile scazute,

caracteristice tubulaturii de evacuare când, printr-o serie de noi

aglomerari se formeaza particule vizibile de dimensiuni mari,

care sunt vazute ca o perdea de fum ce iese pe teava de

esapament.

Fumul de culoare neagra apare si la motoarele cu

aprindere prin scânteie în mod accidental, la pornirile la rece

ori daca sistemul de alimentare cu benzina sau sistemul de


37

aprindere functioneaza defectuos. Compozitia fumului este în

mare aceeasi ca la motoarele Diesel.

Fumul în gazele de ardere la motoarele Diesel nu apare

accidental. Din pacate acest fenomen, nedorit creste în

intensitate o data cu cresterea sarcinii sau la accelerari bruste

ale motorului. În ambele situatii cauza este comuna si anume:

a) cantitatea mare de combustibil introdusa în cilindru ce arde

incomplet datorita conditiilor improprii; b) timp insuficient

pentru o ardere completa; c) pulverizare defectuasa; d) motor

rece sau în perioada de încalzire, etc.

Deoarece fumul si particulele nu pot fi eliminate

complet, oricât de bine ar fi condusa arderea în motor, se

impune tratarea gazelor de ardere în aval de motor, pentru a

aduce emisiile în limitele, din ce în ce mai severe, impuse de

legislatiile antipoluare moderne.

Particulele în suspensie invizibile si fumul vizibil generat

de motoarele termice, au efecte nefaste asupra mediului si

asupra sanatatii omului. Acesti poluanti patrund în corp prin

caile respiratorii, iar de aici cca. 50% dintre acestea cu

dimensiuni între 0.01 si 0.1?m, pot patrunde în alveolele

pulmonare, de unde se evacueaza foarte dificil, acumulându-se

în timp, reducând într-o prima faza capacitatea pulmonara.

Efectul toxic al particulelor se manifesta, în trei

moduri:

a) Particula poate fi toxica prin ea însasi, datorita

compozitiei chimice si/sau a proprietatilor fizice;


38

b) Particula poate afecta traiectul respirator prin iritarea

mucoaselor, împiedicând buna functionare a mecanismelor

naturale de curatire a acestuia.

TABELUL 2.5. Standardul american privind

limitele gradul de poluarea al aerului (PSI*).

IND

EX

DE

POLU

AR

E (

P.S.

I.)

CA

LIT

AT

EA

AER

ULU

I

Particule

suspensie

timp de

24h PM10

?g/m3

SO2

timp

de 24

h

?g/m3

CO timp

de 8 h

?g/m3

O3

timp

de 1 h

?g/m3

NO2

timp

de 1 h

?g/m3

0– 49 Buna 0 - 50 0 - 79 0 - 4.9 0- 119 -

50-99 Medie 50 - 150 80 - 364 5 – 9.9 120 –235 -

100 –

199

Nesana-

tos

150-380 365- 799 10 – 16.9 235 –400 -

200 –

299

Foarte

nesana-

tos

380 – 420 800–

1599

17 – 33.9 400 – 800 1130-

2259

300-

399

Riscant 420 - 500 1600-

2099

34– 45.9 800 -1000 2260 –

2999

> 400 Pericu-

los

> 500 > 2100 > 46 > 1000 > 3000

*PSI – Pollutant Standards Index


39

c) Particulele pot fi si sunt purtatoare de substante

toxice absorbite în structura lor poroasa.

Standardele actuale permit o concentratie medie anuala

a particulelor din aer de 75 g/m3, ca fiind lipsita de pericole.

Important de mentionat ca efectul nociv al particulelor din

atmosfera este accentuat de continutul de dioxid de sulf (S02).

S-a constatat ca expunerea la combinatia particule + dioxid de

sulf este mult mai nociva decât expunerea separata la actiunea

fiecarui poluant în parte. Având în vedere faptul ca, în mod

normal cei doi poluanti au surse comune (procesele de

combustie), este absolut justificata reducerea continutului de

sulf din combustibili la 0.05 %, cât prevad normativele actuale

Vest- Europene pentru combustibilii auto. În USA se foloseste

un Index al produselor poluante din aer PSI (Pollutant Standards

Index), ce este utilizat pentru a aprecia calitatea aerului în

functie de concentratia principalilor produsi poluanti

antropogeni (generati de activitati umane), Tabel. 2.5.

Indexul de poluare este o marime artificial stabilita în

functie de concentratia locala pentru poluantii prezentati în

Tabel. 2.5. Acest index stabiliste periculozitatea cumulata a

principalilor poluanti atmosferici.


40

II.8 NORME DE POLUARE IMPUSE MOTOARELOR

TERMICE PENTRU AUTOVEHICULE

Pentru prima data se legifereaza norme de poluare

pentru autovehicule în Statele Unite prin "Clean Air Act" în

1968. În 1970 Congresul American adopta un amendament,

cunoscut sub numele de "Muskie Proposals", dupa numele

senatorului care propune amendamentul [12]. În esenta acesta

cerea reducerea cu 90 % a emisiilor poluante generate de

mortoarele vehiculelor, de la valorile adoptate în 1968, pâna în

anii 1975-1976. În urma tratativelor duse cu reprezentatii

industriei de automobile, se decaleaza intrarea în vigoare a

amendamentului pâna în 1979. Ca urmare a acestei legi, tobele

catalitice devin strict necesare pentru a atinge valorile de

poluare foarte scazute astfel impuse, iar ca o consecinta

directa benzina fara plumb, necesara motoarelor echipate cu

tobe catalitice, este disponibila pe întreg teritoriul Statelor

Unite începând din 1975. În 1977 Congresul American voteaza un

nou amendament la legea din 1968, care legifereaza reducerea

emisiilor de CO cu 90% pâna în anul 1980. În plus se stabileste

anul 1981 ca limita pentru reducerea cu înca 90% a CO si cu 75%

a NOx, din emisiilor motoarelor cu benzina. Aceste date sunt

valabile pentru vehiculele noi. Ca urmare, devine absolut

necesara tratarea gazelor de ardere în tobe catalitice cu tripla

actiune (Three Way Catalyst, TWC). În Tabelul 2.6. este

prezentata, cu date concrete, evolutia legislatiei americane,


41

privind emisiile poluante admise pentru motoarele de

autovehicule usoare. Începând cu 1984 se legifereaza folosirea

TWC si la camionete si camioane usoare echipate cu motoare cu

aprindere prin scânteie.

TABELUL 2.6. Evolutia legislatiei antipoluare în USA

USA

CALIFORNIA

Anul

de

prod.

CO

g/km

HC g/km

N0x

g/km

D

Km

(1)

CO

g/km

HC

g/km

N0x

g/km

Part.

g/km

(3)

<

1970

56 9.0 3.8 - 56 9 3.8 -

1970 21 2.5 - - 21 2.5 - -

1972 17.5 1.9 - - 17.5 1.75 2.0 -

1976 9.4 0.93 1.93 - 5.6 0.56 1.25 -

1980 4.4 0.25 1.25 80.00

0

5.6 0.24 0.62 -

1981 2.1 0.25 0.62 80.00

0

2.1 0.24 0.62 -

1985 2.1 0.25 0.62 80.00

0

4.4 0.24 0.43 0.37

1994

(4)

2.1 0.25 0.62 80.00

0

2.1 0.15 0.25 0.05

1994 > Particule pîna

la 0.12 g/km

160.00

0 (2) 2.6 0.20 0.43 0.05


42

(1) Durabilitatea în km;

(2) Emisiile admise dupa un parcurs de 160.000 km;

(3) Continutul de particule;

(4) Aceste valori sunt valabile în prezent (2002);

Statul California a impus si impune norme proprii de

poluare mai mici decât cele în vigoare în restul Statelor Unite,

devenind în acest fel leader mondial în ce priveste promovarea

noilor tehnologii pentru reducerea emisiilor poluante datorate

motoarelor de vehicule si nu numai.

Începând din 1980 este legiferata în USA asa numita

"useful life" definita ca durabilitatea generala a vehiculului,

care trebuie sa fie de 90.000 km parcursi sau trei ani vechime.

Aceasta înseamna ca pe toata aceasta perioada de timp,

sistemele de control al poluarii, si întreg grupul propulsor cu

care este dotat vehiculul, trebuie sa lucreze în parametri impusi

de lege fara a se deteriora. În present aceasta cerinta a fost

extinsa la toate sistemele si subansamblele automobilelor noi.

Practic, respectând aceste norme se extinde perioda de

garantie a masinilor noi la trei pâna la cinci ani.


43

TABELUL 2.6. (Continuare) Norme de poluare

pentru camioane mai mici de 3.8 t (Evolutie).

Anul de

Fabricatie

Durabilitate

km

CO

g/km

HC

g/km

N0x

g/km

Particule

g/km

(3)

1970 - 56.0 9.0 3.8 -

1975 - 12.5 1.25 2.0 -

1979 - 11.2 1.0 1.4 -

1982 - 11.2 1.0 1.4 0.37

1984 - 6.25 0.5 1.4 0.37

1991 200.000 6.25 0.5 1.0 0.16

1993 (4) 200.000 6.25 0.5 1.0 0.08

Ulterior aceasta perioda se extinde la 160.000 km

parcursi sau cinci ani vechime.

În primii ani ai mileniu trei CARB (California Air Resources

Board) a decis introducerea legislatiei privind "Zero Emission

Vehicle-ZEV", legislatie ce se refera în special la folosirea

combustibililor neconventionali si a sistemelor de propulsie

alternative pentru vehicule.

Se are în vedere folosirea metanolului, gazelor lichefiate,

produsilor de disociere catalitica ai benzinei sau metanolului la

propulsia vehiculelor cu motoare termice, pile cu combustibil

(fuel cells), sau propulsie hibrida (motor termic + propulsie


44

electrica). Cu aceeasi ocazie s-a hotarât ca începînd din anul

2003, 2% din totalul vehiculelor noi vândute sa fie din categoria

ZEV. Din anul 2001 toate vehiculele noi vândute în California vor

trebui sa se încadadreze în categoria LEV - Low Emission

Vehicles (Vehicule cu poluare redusa).

Tabelul 2.7. prezinta normele de poluare pentru vehicule

ce vor folosi si alti combustibili în afara celor deveniti clasici,

derivati din petrol.

În Europa, începând din 1970, tarile membre în acea

perioda în Piata Comuna ( European Community) actualmente

EU (European Union), adopta o legislatie comuna privind norme

de poluare pentru motoarele autoturismelor si vehicule de

transport usoare. Aceste norme au avut ca efect imediat

alocarea de fonduri suplimentare pentru cercetarea

fundamentala legata de problemele poluarii motoarelor pentru

autovehicule si au condus la afirmarea unor center de cercetare

din Anglia, Franta, Germania, s. a.

TABELUL 2.7. Legislatia Californiana privind ZEV,

limitele emisiilor poluante asa cum sunt definite de "Clean

Alternative Fuels Programme".

TIP

D

E

PRO

PULS

IE

CO

g/km

NMOG

g/km

(1)

NOx

g/km

HCHO (2)

g/km

Particule

g/km

(3)


45

Benzina 2.12

(2.6) *

0.15

(0.2)

0.25

(0.37)

0.01 -

Diesel -

(2.6)

-

(0.2)

-

(0.6)

0.01 -

(0.05)

TLEV 2.12

(2.6)

0.08

(0.1)

0.25

(0.37)

0.01

(0.012)

-

(0.05)

LEV 2.12

(2.6)

0.045

(0.06)

0.12

(0.2)

0.01

(0.012)

-

(0.05)

ULEV 1.0

(1.3)

0.025

(0.035)

0.12

(0.2)

0.005

(0.007)

-

(0.025)

ZEV 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0

(1)NMOG ( Non-Methane Organic Gase) - Gaze organice în afara

de metan;

(2) HCHO ( Formaldehide) - Pentru vehicule alimentate cu

metanol simplu, în amestec, sau disociat;

(3) Prt. - Particule, numai pentru motoare Diesel;

( )* - Marimile din paranteze reprezinta valorile admise dupa

5 ani sau un parcurs de 160.000 km;

TLEV (Transitional Low Emission Vehicle) - Vehicul putin

poluant, de tranzitie;

LEV ( Low Emission Vehicle) - Vehicul cu poluare redusa;

ULEV - (Ultra Low Emission Vehicle ) - Vehicul foarte putin

poluant;

ZEV - (Zero Emission Vehicles) - Vehicul nepoluant.


46

TABELUL 2.8. Reglementari în vigoare privind emisiile motoarelor pentru autoturisme în EU (96/69 EC).

VEHICUL VALORI MAXIME DATA Greutate

Kg

Tip

motor

CO

g/km

HC+NOx

g/km

Particule

g/km

1997 Categoria

M (1)

Autoturism

Benzina

IDI

DI

2.2

1.0

1.0

0.5

0.7

0.9

-

0.08

0.10

1997 Categoria

N1 Clasa I

<1250 kg

Benzina

IDI

DI

2.2

1.0

1.0

0.5

0.7

0.9

-

0.08

0.10

1998 Categoria

N1 Clasa II 1251- 1700kg

Benzina

IDI

DI

4.0

1.25

1.25

0.6

1.0

1.3

-

0.12

0.14

1998 Categoria

N1 Clasa III

>1700 kg

Benzina

IDI

DI

5.0

1.5

1.5

0.7

1.2

1.6

-

0.17

0.20

(1) - Vehicule cu maxim sase locuri sau cu masa pâna la 2.5t;

DI (Direct Injection Diesel Engine) - Motor Diesel cu injectie

directa;

IDI (Indirect Injection Diesel Engine) - Motor Diesel cu injectie

indirecta;


47

În Tabelul 2.9. este prezentata evolutia legislatiei

europene în domeniul poluarii motoarelor Diesel pentru

camioane de peste 3.5 t.

Considerând anul 1993 ca fiind de referinta, propunerile

pentru anul 2005 prevad o reducere cu 50% a totalului emisiilor

poluante. Detalii privind aceste propuneri în Tabelul 2.10.

O data cu aceste propuneri Comisia Economica Europeana

a cerut includerea reglementarilor privind diagnoza functionarii

sistemului motor + toba catalitica la bordul fiecarui vehicul

precum si teste riguroase privind pierderile de combustibil prin

evaporare.

Ramîne în suspensie problema reglementarii limitelor

poluarii la pornirea la rece a motoarelor termice.

TABELUL 2.9. Evolutia normelor de poluare Europene

[g/km ], pentru autoturisme

Poluant EURO 1

1993

EURO 2

1996

EURO 3

2000

EURO 4

2005

BENZIN| [g/km ]

CO2 2.72 2.20 2.30 1.00

HC - - 0.20 0.10

NOX - - 0.15 0.08

HC + NOX 0.97 0.50 - -


48

Particule - - - -

DIESEL [g/km ]

CO2 2.72 1.06 0.64 0.50

HC - - - -

NOX - 0.56 0.50 0.25

HC + NOX 0.97 0.71 0.56 0.30

Particule 0.14 0.08 0.05 0.025

TABELUL 2.9. (CONTINUARE). Evolutia limitelor maxime

admise la emisia motoarelor Diesel pentru camioane mai mari

de 3.5t.

g / kW.h

EC 88/77

1991

EURO 1

1993

EURO 2

1996

EURO 3

2001

EURO 4

2005

CO 11.2 4.5 4.0 2.8 2.5

HC 2.4 1.1 1.1 0.7 0.7

NOx 14.4 8.0 7.0 5.0 3.5

Particul

e

- 0.36 0.15 0.1 0.1

În Romania, potrivit Raporturilor Uniunii Europene, se aplica din 1996 prevederile cuprinse în reglementarile ECE R24.03, ECE R83, ECE R83.01, ECE 83.02., pentru autoturisme si prevederile reglementarilor ECE R49.01, ECE R24.03, ECE R49.02B, începând cu anul 2002 pentru vehicule cu masa mai mare de 3.5 t.


49

TABELUL 2.10. Propuneri privind emisiile admise

motoarelor pentru autovehicule în Uniunea Europeana pentru perioada 2000 - 2005.

CO

g/km

HC

g/km

NOX

g/km

HC+NOX

g/km

Part.

g/km

EMISII

B D B D B D B D D

Varianta

A

(2000)

2.3

0.64

0.2

-

0.15

0.5

-

0.56

0.05

Varianta

B (2005)

1.0

0.5

0.1

-

0.08

0.2

5

-

0.30

0.025

P r

o p

u n

e r

e a

P a

r l

a m

e n

t u

l u

i

E u

r o

p e

a n

1.0

0.5

0.1

0.

1

0.1

0.3

-

-

0.04

(B) - Motor cu benzina; (D) - Motor Diesel. Pentru motociclete si motorete sunt în vigoare reglementarile ECE R40.01 începând cu 1988 respectiv ECE R47, începând din 1996. Toate aceste reglementari sunt prezentate în ANEXA.


50

Bibliografie

1) Eran Sher (editor), Handbook of Air Pollution from Internal

Combustion Engines, capitolul 2, pag. 34-39, Academic Press,

London 1998.

2) Springer G. S., Petterson D.J., editori, Engine Emission, Ed.

Plenium Press., New York, 1973.

3) Owen K., Coley T., Automotive Fuel Reference Book, p. 261-

263., p. 303-308, Ed. Society of Automotive Engineers, Inc.,

Warrendale, Pa., 1995.

4) Wark K., Warner C. F., Air Pollution, Its Origine and

Control,


5) Heywood J.B., Internal Combustion Engine Fundamentals, p. 650-655, Ed. McGraw-Hill, 1988.

6) Adamczyk A. A., “Hydrocarbon Emissions from an Anular

Crevice: Effects of Spark/Insert Position, Equivalence Ratio and

Preassure”, Combustion Sci. Tech. 64, p 263- 277, 1989.

7) Adams K., Baker R. E., “ Effects of Combustion Chamber

Deposit Location and Composition”, Chemistry of Engine

Combustion Deposits, p. 19-36, ed. Plenum, New York, 1985.

8) Woods W. A., Brown P.G., Crookes R. J., “Measurement of

Unburnt Hydrocarbons from a Four-Valve, Fuel Injection Spark

Ignition Engine under Fully Warmd and Warm-up Condition”,

ASME Spring Technical Conference 95-ICE-20, 1995.


51

9) Adamczyk A. A., Keiser E.W., “A Combustion Study of Fuel-

Oil and Hc Emission from Oil Layer”, The Twentieth.

International Symposium on Combustion. The Combustion

Institute Pittsburgh, 1984, p. 37-42.


Combustion Engines, Academic Press, London 1998.

11) Johnson J. H., Bagley S. T., Gratz L. D., Leddy D. G., “A

Review of Diesel Particulate Control Technology and Emissions

Effects”, SAE 940233, 1994

12) Romero A. F., Gutierrez R., Garcia-Moreno R., “Combustion

Processes of Particulate Matter and Soot in Ceramic Filter Traps

for Diesel Engines and Numerical Modelling”, SAE 970475, 1997.

13) Sanger R.P., (editor), Motor Vehicle Emission, Regulations

and Fuel Specification part 2, 1970-1996, CONCAWE, Brusseles,

1997.

Ttratarea catalitica a gazelor de ardere la motoarele Otto______CAPITOLUL 3

52

III. TRATAREA CATALITICA A GAZELOR

EVACUATE DE MOTOARELE

CU APRINDERE PRIN SCÂNTEIE (Otto)

III.1. PRINCIPII TEORETICE

Reglementarile în vigoare, privind limitarea emisiilor

poluante datorate motoarelor termice cu piston devenind foarte

severe, asa cum s-a aratat în capitolul anterior, impun pe lânga

alte masuri si tratarea catalitica a gazelor de evacuare.

Legislatia nu specifica în mod expres folosirea tobelor catalitice

ca fiind obligatorie, dar respectarea nivelului de poluare foarte

redus legiferat este posibila numai folosind tratamentul

catalitic post - combustie a gazelor de ardere.

Prin definitie, un catalazitor este o substanta care

modifica viteza de desfasurare a unei reactii chimice fara a

participa sau modifica reactia, el având doar un rol favorizant.

Cu alte cuvinte, catalizatorul nu-si modifica compozitia chimica

în timpul reactiei, ecuatia 1.

A + B ( ---K) ? C + D (1)

Substantele A si B reactioneaza chimic sub actiunea

catalizatorului K, transformându-se în C si D. Rolul

catalizatorului este de a modifica parametri la care are loc


53

reactia dintre substantele A si B, în special temperatura si în

secundar viteza de reactie.

Fara catalizator reactia se desfasoara dupa aceleasi legi,

dar mai lent sau la temperaturi mai ridicate de reactie. În

general, cu cât temperatura este mai mare cu atât viteza de

desfasurare a reactiei chimice este mai mare [12].

Teoria catalizei considera anumiti centri activi, care

exista în substanta sau materialul catalitic, ce pot fi descrisi ca

fiind zone în reteua cristalina a catalizatorului în care nivelele

energetice aferente paturii de electroni ce înconjoara fiecare

atom din reteua cristalina sunt optime pentru reactia chimica

catalizata.

De exemplu, monoxidul de carbon CO si oxigenul

molecular O2 sunt absorbiti în reteua cristalina a

catalizatorului pe baza de platina si reactioneaza cu usurinta

între ele, elementul favorizant fiind proximitatea si

orientarea favorabila a moleculelor. Produsul de reactie,

dioxidul de carbon CO2, având un nivel energetic mai redus,

fiind în acelasi timp un produs mult mai stabil chimic decât

substantele din care provine, este desorbit (expulzat) din

reteaua cristalina a catalizatorului, la aceeasi temperatura,

lasând spatiul liber pentru absorbtia de noi molecule de monoxid

de carbon si oxigen.

O substanta care este absorbita în stratul activ al

catalizatorului, iar mai tîrziu nu mai este desorbita, limitând

astfel capacitatea catalitica a zonei active, este cunoscuta sub


54

denumirea de "otrava" a catalizatorului. Un exemplu de acest fel

este plumbul din tetraetilul de plumb, cu care este aditivata

benzina pentru a-i mari cifra octanica. Plumbul ce se degaja în

urma procesului de ardere a benzinei, "otraveste" catalizatorul

pe baza de platina din toba catalitica cu tripla actiune (TCT) ce

echipeaza în mod curent vehiculele moderne cu motoare pe

benzina. Procesul de otravire este datorat diferentelor de

polaritate a moleculelor. Cu cât polaritatea este mai mare

moleculele parasesc mai greu zona activa a catalizatorului.

Astfel, CO este mai usor retinut în zona activa decât CO2, care

are o polarizare mai redusa. Pe de alta parte, CO are o

polaritate mai mare si în comparatie cu oxigenul, astfel încât, la

un moment dat acesta fiind în exces, poate acoperi cea mai

mare parte a catalizatorului împiedicând patrunderea

moleculelor de oxigen si reducând viteza de reactie. Acest

fenomen este întâlnit sub denumirea de "otravire cu CO" si poate

fi controlat, modificând parametrii termodinamici ai mediului de

reactie.

Hidrocarburile (HC) sunt greu de tratat catalitic. Astfel,

metanul (CH4) neutru ca polaritate, este foarte greu de tratat

catalitic, acesta fiind si unul din motivele pentru care folosirea

sa la alimentarea motoarelor este pusa sub semnul întrebarii.

Acetilena (C2H2), în opozitie, este foarte polara si poate, în

conditii favorabile de concentratie si temperatura, sa fie

puternic absorbita de zona activa a catalizatorului modificându-i


55

parametri de lucru, proprietate ce se încearca a fi folosita la

regenerarea catalizatorilor.

III.2. PRINCIPII GENERALE CE STAU LA BAZA

ALEGERII SUBSTANTELOR CATALITICE

Teoretic, arderea completa a combustibililor pe baza

de carbon si hidrogen, ca cei derivati din petrol, are ca rezultat

formarea de dioxid de carbon, apa, si azot, daca drept oxidant

se foloseste oxigenul din aer.

În realitate procesul de ardere este un fenomen foarte

complex, care, departe de a fi ideal, produce pe lânga dioxid de

carbon si apa o serie de alte substante ca produsi intermediari

de ardere ce caracterizeaza o oxidare incomoleta. Cele mai

importante, datorita concentratiilor mari pe care le au în

compozitia gazelor de ardere, sunt: oxidul de carbon (CO),

hidrocarburile nearse (HC) si oxizii de azot (NOx). În tobele

catalitice montate pe tubulatura de evacuare a motorului, acesti

produsi sunt transformati în dioxid de carbon, apa si azot

molecular dupa reactiile (2) si (3):

OXIDARE

2CO + O2 ? 2CO2

2HC + 5/2 O2 ? 2CO2 + H2O (2)

REDUCERE

2CO + 2NO ? 2CO2 + N2

4HC +10NO ? 4CO2 + 2H2O + 5N2 (3)


56

Substantele catalitice au fost si sunt folosite foarte

mult în industria chimica. În conditii industriale, parametrii de

lucru ai catalizatorului cum ar fi: temperatura, presiunea,

puritatea substantelor reactante, viteza de trecere etc., sunt

strict controlate.

În cazul tobelor catalitice pentru motoare, conditiile de

lucru sunt departe de a fi ideale. Temperatura este variabila, în

limite foarte largi, de la temperatura mediului, la pornirea

motoarelor, pâna la temperaturi de 900 - 950 grd.C în sarcina

maxima. Viteza de trecere, sau altfel spus, debitul de gaze ce

traverseaza catalizatorul are de asemenea variatii foarte mari,

depinzând de sarcina motorului, care se modifica continuu în

conditiile de trafic moderne. Concentratia si compozitia gazelor

de ardere este variabila si influentata de foarte multi factori,

începând de la compozitia combustibilului, regimul de lucru al

motorului, calitatea reglajelor motorului, gradul de uzura, stilul

de conducere al vehiculului, conditii de trafic si multe altele.

Dupa cum se observa, conditiile de lucru sunt departe de a fi

ideale, acesta fiind si motivul pentru care dezvoltarea si

extinderea utilizarii tobelor catalitice s-a facut relativ lent pe

parcursul a cca. 20 de ani de eforturi deosebite în cercetare si

implementare.

Într-o prima faza, au fost facute cercetari pentru a

obtine conversia catalitica a oxidului de carbon si a


57

hidrocarburilor nearse, oxizii de azot nefiind considerati la acea

vreme ca poluanti periculosi.

Începuturile au fost facute în anii '60 folosind catalizatori

metalici pe baza de aliaje cupru-nichel. Rezultatele au fost

satisfacatoare, dar s-a constatat o rezistenta scazuta a

catalizatorului la otravirea cu sulf si o reducere a rezistentei

mecanice dupa utilizarea în cicluri repetate de oxidare -

reducere a gazelor la temperaturi ridicate. Au mai fost încercate

amestecuri pe baza de dioxid de magneziu granulat amestecat

cu alti oxizi metalici, amestec cunoscut sub denumirea de

“hopcalit”, cu actiune catalitica în reactia de oxidare a CO, sau

folosit la detectia acestuia în analizoarele de gaze, precum si

pentaoxidul de vanadiu, dar cu rezultate slabe.

Etapa urmatoare a constituit-o folosirea rutheniului,

care a fost gasit ca având proprietati catalitice, în special la

reducerea catalitica a NOx cu producere de cantitati mici de

amoniac. Datorita pierderilor de catalizator prin formarea de

oxizi volatili de rutheniu, fenomen ce nu a putut fi controlat si

aceasta solutie a fost abandonata. În aceasta perioada, s-a

constatat experimental ca adaugarea în compozitia

catalizatorului a unor cantitati foarte mici de metale din grupa

platinei (MGP), din care fac parte Pt (platina), Pd (paladiu) si Rh

(rodiu), maresc considerabil performantele generale ale

catalizatorului.

În 1975 modelul Chrysler Avenger devine primul

automobil fabricat în serie cu toba catalitica pentru a se încadra


58

în normele de poluare impuse în 1974 prin "Clean Air Act" în

Statele Unite. Catalizatorul folosit era pe baza de rodiu si oxid

de platina. Toba catalitica astfel conceputa functiona împreuna

cu o pompa de aer, care introducea aer suplimentar în gazele de

evacuare pentru a furniza oxigenul necesar combustiei totale a

CO si HC. Acest lucru era necesar deoarece în acea perioada

motoarele erau reglate si functionau cu un amestec aer-benzina

bogat, sub limita stoechiometrica (amanunte în Anexa), pentru a

asigura o dinamica cât mai buna automobilului.

FIGURA 3.1. Eficienta conversiei în functie de

temperatura gazelor de ardere pentru diferiti

catalizatori.


59

În Figura 3.1. este prezentata eficienta a trei tipuri de

catalizatori, în functie de temperatura de lucru. Curbele de

conversie (a) sunt caracteristice unui catalizator pe baza de

platina, cu adaosuri de metale din MGP. Temperatura minima de

"aprindere", temperatura la care efectul catalizatorului se face

simtit, este de cca. 150 grd.C . Prin conventie se considera

temperatura la care începe conversia ca fiind temperatura la

care eficienta catalizatorului atinge 50%. Gradul maxim de

conversie atinge 98% pentru HC si 92% pentru CO. Curbele de

eficienta (b) sunt trasate pentu catalizatorul de platina pura,

fara adaosuri. Temperatura de aprindere este de 225-230 grd.C,

mai mare ca în cazul precedent, cu eficienta conversiei de cca.

80-82% CO si cca. 85% HC. În cazul (c) curbele de eficienta a

catalizei pentru aliaje metalice pe baza de cupru, nichel si

cantitati mici de metale nobile [2]. Temperatura de aprindere

este de cca. 330 grd.C cu eficienta conversiei de 80-82% CO si

70% HC. În aceasta perioada de timp, începutul anilor '80,

cerintele de depoluare ale motoarelor erau îndeplinite folosind

tobe catalitice de tipul celor prezentate în Figura 3.1., cu adaos

de aer din exterior în tubulatura de evacuare înaintea tobei, iar

continutul de NOx era controlat prin recircularea gazelor de

ardere (RGA) [3].

Aceasta metoda, RGA, se bazeaza pe teoria conform

careia, introducând în camera de ardere a motorului CO2 si

vapori de apa din gazele de ardere recirculate, acestea disociaza

cu absorbtie de caldura, reducând temperatura maxima din


60

camera de ardere. Aceasta reducere a temperaturii favorizeaza

micsorarera emisiilor de NOx.

În prezent, se folosesc tobe catalitice cu tripla

actiune , care înlesnesc reactiile chimice de conversie pentru

CO, HC, si NOx, ecuatiile (2) si (3). Stratul catalitic este format

dintr-un amestec de 80-85% Pt si 15-20% Rh sau, la 100 parti Pt,

15 pâna la 20 parti Rh. Principala sursa de metale rare catalitice

o reprezinta un zacamânt în Africa de Sud, zacamânt de forma

lenticulara, în doua straturi suprapuse cu un diametru de 500

km si având compozitia urmatoare: 100 parti Pt, 40 parti Pd, si 8

parti Rh. Dupa rafinarea si extragerea paladiului, amestecul

rezultat este destul de apropiat de compozitia ceruta de piata

fabricantilor de tobe catalitice [4]. Variatia pretului la metalele

din grupa platinei este prezentat în Tabelul 2.1.

TABELUL 3.1. Pretul metalelor din grupa platinei folosite la fabricarea TCT-urilor, în USD/ounce (31.1g).

PRET $/ ounce

PLATINA

(Pt)

PALADIU (Pd)

RODIU

(Rh)

ANII 1970 150 40 600

ÎNCEPUTUL

ANILOR ‘90

600 140 1300

1998 1600 140 1300


61

În prezent, datorita diferentelor mari de pret între rodiu

si paladiu, sunt numeroase cercetarile ce au ca obiectiv

înlocuirea partiala sau totala a rodiului cu paladiu. Cercetarile

au aratat ca amestecul catalizator de înlocuire pe baza de Pd/Rh

si catalizatorul clasic PT/Rh obtinuti folosind concentratii

similare pentru platina si paladiu au performante similare la

temperaturi de lucru de peste 840 grd.C. Rodiul are un rol

important în reducerea NOx cu producerea de cantitati

neînsemnate de amoniac (NH3), lucru care-l face de neînlocuit în

TCT. Pe de alta parte, catalizatorul pe baza de paladiu se

otraveste relativ usor cu hidrocarburi în conditii de mediu

reducator si temperaturi relativ scazute, sub 800 grd.C. De

asemenea, s-a constatat otravirea rapida a catalizatorului pe

baza de paladiu, daca combustibilul contine sulf, chiar în

cantitati reduse de ordinul a 0.05%. Cercetarile au aratat ca

schimbarea compozitiei suportului ceramic al catalizatorului,

care în mod obisnuit se face din oxid de aluminiu, Al2O3 si

trecerea la suport din dioxid de ceriu CeO2, conduce la

îmbunatatirea performantelor catalizatorului Pd/Rh chiar în

prezenta sulfului [4], [5]. O alta constatare importanta este aceea

ca substanta de legatura dintre Pd si Rh nu trebuie sa permita

acestora sa se alieze la temperaturi mai mari de 600 grd.C.

Procesul de aliere conduce la scaderea eficientei conversiei NOx

prin dezactivarea rodiului. Folosirea paladiului ca înlocuitor al

platinei este posibila în cazul stabilirii unor tehnologii adecvate

de obtinere a amestecului Pd + Rh pe suport de oxid de ceriu.


62

III.3. MECANISMUL OXIDARII CATALITICE A

OXIDULUI DE CARBON (CO)

SI A HIDROCARBURILOR NEARSE (HC)

Asa cum am precizat anterior, monoxidul de carbon si

hidrocarburile nearse apar inevitabil în gazele de ardere la orice

motor cu piston alimentat cu benzina. Procesul de oxidare a

monoxidului de carbon si hidrocarburilor nearse în toba

catalitica produce dioxid de carbon si apa (ec.2).

Compozitia medie a gazelor de ardere înaintea

convertizorului catalitic este, în volume [6]:

? CO2 si vapori de apa. . . . . . . . . . . . . . . . . 12 - 13 %;

? O2. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1- 5 %

;

? CO. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 0.2 -

5 %;

? NOx. . . . . . . . . . . . 100 - 2000 ppm ( parti per

milion);

? HC. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1000 - 6000

ppm;

? SO2 . . . . . . . . . . . . . . . 20 - 30 ppm, pentru un

continut mediu de sulf în combustibil de 200ppm.

Temperatura gazelor de ardere ajunge la valori, masurate

la intrarea în TCT, cuprinse între 200 - 300 grd.C la relanti si

sarcini mici, ajungând pâna la 900 grd.C, sau chiar mai mult la


63

sarcina maxima. Temperatura optima de lucru a catalizatorului

este situata între 400 - 600 grd.C. A nu se confunda aceasta

valoare cu temperatura de aprindere ce a fost definita anterior.

Compozitia gazelor de ardere difera mult în functie de

modul în care se face alimentarea cu combustibil a motorului.

Motoarele alimentate cu carburator lucreaza, în general, cu

amestecuri aer-benzina mai bogate, cu coeficientul excesului de

aer “?”, având valori 0.8<?<1, amanunte în ANEX|. În acest caz,

în gazele de ardere creste concentratia de CO si HC, procesul de

arderea fiind incomplet. Motoarele alimentate prin injectie de

benzina în poarta supapei de admisie au reglarea dozajul aer-

benzina asistata de o sonda ? (lambda), ce comanda într-un

circuit de automatizare, în bucla închisa, cantitatea de benzina,

în functie de cantitatea de aer admisa în cilindru. Sistemul

asigura alimentarea motorului cu amestecuri usor saracite, ? > 1,

dar în limite foarte strânse, situatie în care, în gazele de ardere

cantitatea de CO si HC scade foarte mult, crescând în schimb

cantitatea de oxigen.

Oxidarea catalitica începe la temperaturi cuprinse între

150-300 grd.C, Figura 3.1., în functie de constructia si

compozitia catalizatorului. Procesul de oxidare

necatalitica a gazelor de ardere dupa iesirea din motor se

poate realiza, în prezenta oxigenului, la temperaturi mai mari de

600 grd.C pentru HC si 700 grd.C pentru CO, temperaturi care

asa cum am aratat se dezvolta în gazele de ardere la sarcini mari

ale motorului, peste 75% din sarcina maxima, regimuri la care un


64

motor de automobil este folosit destul de rar. Ridicarea

temperaturii gazelor se poate obtine prin reducerea avansului la

producerea scânteii electrice de aprindere, caz în care gazele ies

mai fierbinti din cilindru putând atinge temperaturile cerute de

reactia de reducere necatalizata. Principalul dezavantaj al

metodei este faptul ca cere un regim de lucru ridicat al

motorului, care mai ales în traficul urban este greu de atins, iar

consumul de combustibil creste prin reducerea avansului la

producerea scânteii de aprindere. Pentru a mari eficienta

procesului se cere o izolare termica foarte buna a tubulaturii de

evacuare imediat dupa motor pentru a asigura gazelor un timp

minim de 50 ms la o temperatura optima reactiilor de oxidare

necatalizate. Aceasta solutie a fost luata în considerare în

studiile si cercetarile facute pentru perioda de tranzitie la

folosirea pe scara larga a TCT – urilor [7].

În cazul oxidarii catalitice, amestecul de metale nobile

din grupa platinei este preferat altor amestecuri catalitice mai

ieftine din urmatoarele motive:

- randamentul conversie CO si HC foarte ridicat;

- rezistentei la socurile termice;

- rezistentei la otravirea cu plumb si sulf.

Deoarece asa cum am precizat, efectul catalitic are loc la

nivelul atomilor de la suprafata catalizatorului, stratul de

material catalitic se depune pe un suport ceramic pentru a

avea suprafata de contact cu gazele de ardere cât mai mare

pentru un volum al modulului catalitic dat, în limite


65

dimensionale cerute de configuratia generala a tubulaturii de

admisie.

Eficienta conversiei catalizatorului (pentru HC) se

defineste astfel;

mHC1 - masa de HC care intra în toba catalitica;

mHC2 - masa de HC ce iese din toba catalitica.

În mod asemanator se pote defini eficienta convertorului

catalitic pentru orice alt compus.

Asa cum se poate vedea si în Figura 3.1., randamentul

conversiei depinde decisiv de temperatura de lucru a

catalizatorului si de compozitia acestuia.

Dinamica conversiei oxidului de carbon, functie de

temperatura, folosind un catalizator pe baza de platina este

descrisa de ecuatia (6).

Legat de temperatura de lucru, pentru fiecare tip de

catalizator în parte, se stabileste experimental asa numita

"temperatura de aprindere" care, prin conventie, este socotita a

fi temperatura la care randamentul conversiei este de 50 % .

Randamentul conversiei scade în timp datorita reducerii

suprafetei active a catalizatorului. Micsorarea suprafetei se


66

produce mecanic prin desprinderea stratului de metal nobil

de pe suportul

c – concentratia oxidului de carbon;

k1, k2, k3, k4,… n - constante ce depind de temperatura de

lucru a catalizatorului:

pCO, pCO2, pHC, pNOx - presiunile partiale respective.

ceramic poros sau prin otravire. Otravirea se produce, în primul

rând, cu plumbul folosit la ridicarea cifrei octanice a benzinelor

sau cu fosforul care este folosit ca aditiv în uleiul de motor.

Contaminarea cu plumb a benzinei neaditivate cu tetraetil de

plumb se produce prin intermediul instalatiilor de distributie de

la statiile de benzina, când acestea sunt folosite la benzina fara

plumb, înainte fiind utilizate la distributia benzinelor aditivate.

Gradul de contaminare este relativ mic, 10-5 kg Pb/dm3 de

combustibil. Experimental s-a stabilit ca 10-30% din aceasta

cantitate este retinuta de catalizator. În Figura 3.2. este

prezentata grafic, deteriorarea performantelor catalizatorului

functie de continutul de Pb al suprafetei acestuia.

Otravirea cu Pb are un efect mai accentuat asupra

randamentului conversiei HC, în special hidrocarburilor saturate.

Conversia oxidului de carbon este mai putin influentata de


67

otravirea cu Pb din cauza ca CO, fiind mai polar, este mai

repede prins în reteaua cristalina a catalizatorului.

FIGURA 3.2. Randamentul conversiei HC functie

de "otravirea" cu Pb.

Cantitate de sulful din combustibil variaza foarte mult, în

functie de legislatia privind concentratia admisa , provenienta

petrolului brut, si tehnologiile de rafinare. Concentratiile merg

de la 50 ppm (normele vest - europene pentru anul 2000) la 600

ppm sau mai mult în benzinele de o calitate îndoielnica. Sulful

este oxidat în camera de ardere a motoarelor termice cu piston

la SO2 (bioxid de sulf). Trecând prin toba catalitica oxidarea


68

continua la SO3 (trioxid de sulf), care reactioneaza cu vaporii de

apa la temperatura redusa din gazele de ardere de pe traseul de

evacuare producând acid sulfuric sub forma de aerosoli foarte

corozivi. Experimental s-a constat ca stratul catalitic ce contine

Pd si Rh produce mai putin SO3 decât cel ce contine numai Pt.

Reducerea cantitatii de SO3 se poate face si reducând excesul de

oxigen din gazele de ardere la nu mai mult de 1 % [8].

Temperatura optima de conversie catalitica a CO are

valori de cca. 420 grd.C pentru un amestec catalitic Pt/Pd = 2:1,

cu un randament de 90% si 550 - 580 grd.C pentru Pt/Rh =

10:1 la un raport gazodinamic gd= 10 * s-1 (ec. 13).

III.4. MECANISMUL CATALIZEI OXIZILOR DE

AZOT

Oxidul de azot este tratat catalitic prin intermediul unor

reactii reducatoare de tipul celor prezentate în ecuatia (3).

Înafara acestora mai pot avea loc si altele, descrise de ecuatiile

(7).

2NO + 5CO + 3H2O ? 2NH3 + 5CO2

NO + H2 ? 1/2N2 + H2O

2NO + 5H2 ? 2NH3 + 2H2O (7)

2NO + H2 ? N2O + H2O

Oxidul de azot disociaza la temperaturi de peste 1700

grd.C în azot si oxigen. La temperaturi mai scazute nu poate fi


69

disociat direct deoarece nu exista nici o substanta cunoscuta

care sa catalizeze aceasta reactie. Calculele de echilibru chimic

indica faptul ca în gazele de ardere la temperatura ridicata

existenta în frontul de flacara, concentratia de dioxid de azot

NO2 ar trebui sa fie neglijabila în comparetie cu cea de NO. Acest

lucru este valabil mai ales la motoarele cu aprindere prin

scânteie. În cazul motoarelor Diesel s-au masurat concentratii de

pâna la 30% NO2 din totalul amestecului de oxizi de azot.

Formarea NO este puternic dependenta de temperatura si creste

foarte mult cu aceasta.

Pentru a reduce oxidul de azot este necesar sa se obtina

reactiile chimice reducatoare (3) sau (7), urmate de oxidarea

catalitica a produsilor din reactia de reducere. Un astfel de

sistem catalitic alcatuit din doua straturi suprapuse ar elimina

toti cei trei poluanti principali: CO, HC si NOx. Apare însa

problema alimentarii motorului cu amestec bogat (? < 1 ), care

sa produca prin ardere substantele reducatoare necesare

eliminarii NO, respectiv CO si HC, procedeu ce reduce

performantele de consum de combustibil ale motorului. Pe de

alta parte, în stratul al doilea de cataliza, pentru a oxida

amoniacul ce apare în urma reactiei de reducere a NO (ec.7),

este nevoie de oxigen (ec.8). Acesta este preluat din aerul

pompat special în acest scop în stratul al doilea, o complicatie în

plus. În acelasi timp exista posibilitatea ca, în cazul în care

concentratia de NH3 (amoniac) este prea mare, prin oxidarea

acestuia în tubulatura de evacuare, sa rezulte din nou NO.


70

2NH3 + 3/2O? ? 3H2O + N2 (8)

Reducerea oxidului de azot cu oxid de carbon sau hidrogen

molecular este catalizata de oxizi metalici cum ar fi CuO (oxid

de cupru) sau NiO (oxid de nichel) la temperaturi între 350 - 600

grd.C. Din pacate, acesti catalizatori sunt foarte sensibili la

otravirea cu sulf si au stabilitate termica redusa. Dintre metalele

nobile Ru (ruteniu) este cel mai eficace catalizator pentru NO,

dar se degradeaza în timp prin formarea de oxizi volatili. Pe de

alta parte, suportul de alumina (Al2O3) al catalizatorilor din

metale nobile are proprietatea de a reduce si el NO în prezenta

unui amestec de CO si H2. Folosind aceasta proprietate a

aluminei s-a dezvoltat toba catalitica cu tripla actiune (TCT).

Bibliografie 1) Durant P.J., Durant B. Introduction to advanced Inorganic

Chemistry, Ed. Logman, London, 1972.

2) Church M.L., Cooper J.B., Willson P.J., “Catalyst Formulations

1960 to Present”, SAE 890815, 1989.

3) Jones R. L., “Catalytic Combustion Effects in Internal

Combustion Engines”, Combustion Science and Technology, vol.

129, p.185-195, 1997.

4) Lui Y-W., Dettling J. C., “Evolution of Pd/Rh TWC Catalyst

Technology”, SAE 930249, 1993.


71

5) Cuif J-P., Blanchard G., Touret O., et.al. “(Ce, Zr)O2 Solid

Solutions for Three-Way Catalysts”, SAE 970463, 1997.

6) Springer G. S., Petterson D.J., editori, Engine Emission, Ed.

Plenium Press., New York, 1973.

7) Heywood J.B., Internal Combustion Engine Fundamentals, p.

650-655, Ed. McGraw-Hill, 1988.

8) Jobson E., Laurel M., Hogberg E., et al., “Deterioration of

Three-Way Automotive Catalysts Part I – Steady State and

Transient Emission of Aged Catalyst”, SAE 930937, 1993.

Cataliza gazelor de ardere la motoarele Otto __________________CAPITOLUL 4

72

IV. REALIZAREA PRACTICA A TRATARII POST-COMBUSTIE A GAZELOR DE ARDERE LA

MOTOARELE DE TIP OTTO

IV.1. ETAPE ÎN DEZVOLTAREA PROCESULUI DE

CATALIZA A GAZELOR DE EVACUARE LA

MOTOARELE DE TIP OTTO

Plecând de la necesitatea reducerii emisiilor poluante din

gazele de ardere ale motoarelor pentru autovehicule, în faza

initiala, s-a pus problema diminuarii cantitatii de CO si HC emise

de motor. Asa cum s-a aratat în # II. 2., ecuatia chimica de

oxidare (3) a CO si # II.3. pentru reactia de oxidare a HC, este

catalizata de metalele din grupa platinei (MGP), cu o eficienta

de peste 90%.

Figura 4.1. prezinta cea mai des utilizata configuratie a

sistemului de tratare catalitica de oxidare, la sfârsitul anilor '70

si începutul anilor '80. Concentratia emisiilor poluante a putut

fi redusa cu acest sistem astfel încât, concentratia acestora sa

se încadreze în cerintele de moment ale legislatiei antipoluare

din USA si Japonia. Sistemul astfel construit functioneaza dupa

cum urmeaza.

Gazele de ardere sunt trecute prin toba catalitica de

oxidare (TCO) unde are loc oxidarea CO si HC. Aceasta reactie

este catalizata de un amestec de metale din grupa platinei,

depus pe un suport metalic,

de regula tabla subtire inoxidabila. Oxigenul necesar oxidarii

este preluat din aerul pompat suplimentar în acest scop, în


73

conducta de evacuare, de o pompa de aer (PA) antrenata de

motor sau, în unele cazuri, de un motor electric separat.

FIGURA 4.1. Schema de principiu a sistemului de

tratare, prin oxidarea catalitica, a CO si HC.

Controlul emisiilor de oxizi de azot era realizat prin

recircularea gazelor de ardere (RGA) cu ajutorul unui dozator

de gaze de ardere (DGA). Recirculând gaze de ardere,

temperatura maxima de combustie scade, în primul rând

datorita faptului ca trebuie încalzita o masa mai mare de fluid

de lucru, iar în al doilea rând datorita proceselor de disociere a

bioxidului de carbon si apei, procese endoterme ce necesita o

cantitate mare de caldura preluata, în acest caz, din camera de

ardere a motorului. Ca urmare conditiile de formare a oxizilor

de azot devin nefavorabile (temperatura maxima scade sub

valorea critica de 1700 grd.C, prag sub care sinteza oxizilor de

azot se reduce considerabil) reducând în limite cerute emisia de

NOx. Dozatorul, DGA are rolul de a regla, la o valoare optima,


74

cantitatea de gaze de ardere recirculate în admisia motorului,

în functie de parametri precum: sarcina motorului, turatie, sau

temperatura motorului. Cantitatea de gaze de ardere

recirculata trebuie sa fie aleasa în asa fel încât sa nu se

compromita performantele generale ale motorului, precum

puterea sau consumul de combustibil.

Alimentarea cu combustibil a motorului se face printr-un

sistem de carburatie sau de injectie de benzina, care sa

functioneze cât mai aproape de raportul stoechiometric

aer/benzina, pentru toate regimurile de functionare ale

motorului. O atentie deosebita a fost acordata regimurilor

tranzitorii, care produc cea mai mare cantitate de poluanti în

FIGURA 4.2. Sistem dual de tratare a gazelor de ardere pentru un motor de tip Otto.

gazele de ardere. Legat de acest aspect, de remarcat faptul ca,

în aceasta perioada începe folosirea pe scara larga a cutiilor de


75

viteza automate în USA. Folosind transmisia automata, motorul

este utilizat la regimuri optime de functionare, iar regimurile de

tranzitie au o desfasurare mai "lenta" optimizata, rezultând mai

putini produsi poluanti.

Cu toate acestea sistemul are dezavantajul unui consum marit de combustibil în special datorita recircularii gazelor de ardere, proces ce reducere randamentului termic general al motorului. În Figura 4.2. este prezentata o schema de tratare a

gazelor de ardere mai recenta, anii '80 si începutul anilor '90.

Principial aceasta schema foloseste doua trepte în

tratarea catalitica a gazelor de ardere. În prima treapta C1, se

trateaza oxizii de

azot prin procesul de reducere prezentat în capitolele

precedente. Astfel, în C1 se obtine, în urma procesului de

reducere a oxizilor de azot, apa, CO2 si azot molecular, cu

ajutorul unui catalizator pe baza de platina - rodiu, asigurând un

mediu bogat în CO si HC. Emisiile de amoniac sunt foarte

scazute si nu sunt luate în considerare (ec. 3 si ec. 7).

În treapta a doua de tratare C2, se produce oxidarea CO

si HC ramase nefolosite în prima treapta. Mediul oxidant, bogat

în oxigen, este asigurat de aerul pompat în mod special în acest

scop în conducta de evacvuare înaintea treptei C2.

Alimentarea cu combustibil a motorului se face prin

injectie de benzina, de preferat de tip multipunct, acest sistem

având o dispersie ciclica pe cilindru foarte redusa. Sistemul de

injectie monopunct are aceleasi dezavantaje ca la alimentarea

prin carburatie si anume neuniformitatea alimentarii cilindrilor.


76

Cu cât sunt mai îndepartati de carburator sau de punctul de

injectie, cu atât amestecul este mai sarac.

Reglarea raportului aer/benzina se face pentru prima

data în sistemul "bucla închisa ", folosind un senzor de oxigen

(senzor "? ") plasat în tubulatura de evacuare imediat dupa

motor, dar înaintea tobei C1. Acest senzor este esential în

reglarea corecta, în limite foarte strânse, a coeficientului

excesului de aer "? ". În principiu, acest senzor masoara

cantitatea de oxigen din gazele de ardere si în functie de

aceasta marime comanda cantitatea de benzina injectata în

cilindri motorului [1]. În Figura 4.2. se observa ca semnalul de la

senzorul "? " este preluat de un bloc electronic de comanda, care

prelucrându-l împreuna cu semnale de sarcina, de turatie, de

temperatura a motorului, de debit si temperatura a aerului

admis în motor, optimizeaza cantitatea de benzina injectata.

Amanunte în paragraful IV.3.

Sistemul de cataliza prezentat are avantajul unui

randament ridicat de conversie datorat, în primul rând,

corectiei cantitatii de benzina injectata în sistemul de

alimentare cu ajutorul senzorului "? ".


77

FIGURA 4.3. Schema sistemului de tratatre catalitica a

gazelor de ardere cu toba catalitica cu tripla actiune, “TCT”.

Dezavantajul sistemului prezentat în Figura 4.2. este

acela ca necesita doua tobe catalitice si o pompa de aer

suplimentara.

Pe masura ce s-au îmbunatatit performantele de

sensibilitate ale senzorului "? ", a fost posibila reglare raportului

aer/benzina în limite foarte apropiate de stoechiometric. În

acest fel, se poate realiza tratarea gazelor de evacuare într-un

singur convertor catalitic eliminând din gazele de evacuare

simultan CO, HC si NOx. Astfel au aparut Tobele Catalitice cu

Tripla actiune, pe scurt spus, TCT.

În Figura 4.3. este prezentata schema de principiu a unui

sistem de tratare catalitica a gazelor cu TCT.


78

Acest sistem de tratare se deosebeste de precedentul

prin aceea ca toate cele trei substante ce se doresc a fi

eliminate din gazele de ardere ( CO, HC si NOx ) sunt tratate

catalitic într-o singura incinta, toba catalitica cu tripla actiune,

fara aport suplimentar de aer la nivelul convertizorului catalitic.

Modul de functionare în detaliu al acestei incinte catalitice a

fost prezentat în cap. III.3.

Avantajele acestui sistem sunt numeroase si anume:

- economicitate ridicata în privinta consumului de

combustibil, sistemul nu necesita un consum de combustibil

suplimentar pentru functionare, regimul optim de conversie

realizându-se în regim de functionare stoechiometrica a

motorului, adica la un regim de economicitate ridicata;

- nu este alterata puterea motorului, ne mai fiind

necesara antrenarea unor utilaje speciale, cum ar fi pompe de

aer, compresoare, etc;

- constructia sistemului de evacuare este simpla,

convertizorul catalitic putând fi proiectat astfel încât sa nu

necesite modificari majore ale caroseriei automobilului sau

tubulaturii de evacuare a motorului.

Pentru ca tratarea catalitica a gazelor de evacuare în TCT

sa fie eficienta sunt obligatorii trei conditii:

1. Alimentare cu combustibil a motorului sa se faca prin

injectie de benzina;

2. Cantitatea de benzina injectata în motor sa fie

corectata printr-un sistem de automatizare în bucla închisa,


79

care sa contina un sezor de oxigen (sonda "? ") plasat în

evacuare, imediat dupa motor;

3. Motorul sa fie alimentat cu benzina fara plumb pentru

a preveni "otravirea " materialului catalitic din TCT.

Aceasta ultima conditie este comuna tuturor sistemelor

de tratare catalitica a gazelor de evacuare ce folosesc drept

catalizator platina, sau amestecuri de metale nobile pe baza de

platina.

IV.2. TOBA CATALITICA CU TRIPLA ACTIUNE (TCT)

Pentru a elimina prin reactiile catalitice pe un singur

strat catalitic, CO, HC si NOx, conform reactiilor chimice

prezentate anterior, este necesar ca motorul sa functioneze cu

un amestec aer-benzina foarte aproape de punctul

stoechiometric ??= 1.

Operând cu motorul în acest mod vor fi suficiente gaze

reducatoare (CO si HC) pentru neutralizarea NO si suficient O2

pentru oxidarea CO si HC, cap. III.2., ec.3.

În Figura 4.4. este prezentat efectul variatiei

raportului "? " asupra concentratiei componentilor emisiilor

poluante din gazele de ardere precum si variatia continutului

de oxigen la iesirea din motor, înaintea intrarii în toba catalitica

cu tripla actiune (TCT) [1]. Astfel, concentratia oxidul de carbon

se reduce foarte mult, cu cât motorul functioneaza mai aproape

de ??= 1. Acelasi lucru se întâmpla si cu hidrocarburile nearse


80

(HC) a caror concentratie este minima tot în vecinatatea foarte

apropiata a punctului de functionare stoechiometrica.

Oxizii de azot din contra, în zona din jurul punctului

de functionare stoechiometrica ating concentratia maxima

deoarece, pe de o parte oxigenul este în exces, iar pe de alta

parte concentratia compusilor reducatori ai oxizilor de azot, CO

si HC, este foarte redusa. Daca ? < 1, cantitatea de oxigen

disponibila este mult redusa, iar amestecul reducator de CO si

HC este în cantitati mari. Dupa punctul de maxim, concentratia

NOx scade din cauza reducerii temperaturii, fenomen

caracteristic arderii amestecurilor sarace cu ??> 1, cu toate ca

proportia de oxigen din gazele de ardere creste odata cu

marirea raportului ? . De remarcat faptul ca în jurul valorii

stoechiometrice în gazele de ardere apare cca. 1% oxigen,

dovada clara ca în camera de ardere combustia nu este

completa. În Figura 4.5. este prezentat randamentul conversiei

CO, HC si NOx în functie de acelasi raport aer/combustibil, în

unitati de masa. Asa dupa cum se observa, apare o fereastra

(zona hasurata) în care cataliza are o eficienta de min. 80%

pentru toate cele trei substante poluante luate în discutie.

Fereastra în care cataliza are eficienta maxima este

foarte îngusta. Punctului "a" în care raportul ”masa aer/masa

combustibil” are valoarea 14.48, îi corespunde o valoare a

coeficientului excesului de aer ? = 0.99, iar punctului "b" cu

raportul ”masa aer/masa combustibil”= 14.62, îi corespunde ?

= 1.001. Dupa cum se observa o "latime" de doar 0.1% în raport

cu ? . Pentru a realiza aceasta precizie deosebita în mentinerea


81

raportului aer/combustibil, sistemele clasice de alimentare, cu

carburator, sunt mult prea putin sensibile si precise. Din

aceasta cauza trebuie folosit la alimentarea motorului un

sistem de injectie de benzina comandat în bucla închis de un

senzor de oxigen (senzor ? ), plasat în tubulatura de evacuare

imediat dupa motor, care sa corecteze cantitatea de benzina

injectata în motor, în functie de raportul "? ", astfel încât sa

mentina motorul în fereastra, foarte îngusta, în care procesele

de


82

FIGURA 4.4. Efectul variatiei raportului “?”

asupra concentratiei emisiilor din gazele de ardere

la un motor cu aprindere prin scânteie (Otto)


83

ardere sunt optime pentru utilizarea TCT. Corectia se face, de

fapt, în functie de cantitatea de oxigen din gazele de ardere,

cantitate ce reflecta foarte precis perfectiunea arderii. Acest senzor de oxigen (senzor lambda), este plasat în

tubulatura de evacuare, imediat dupa iesirea gazelor de ardere

din motor, între acesta si TCT, detalii în capitolul IV.4. În

practica s-a observat ca latimea ferestrei în care cataliza

FIGURA 4.5. Randamentul conversiei catalitice pentru

CO, HC si NO.

are efect maxim este mai mare (+ 0.25% raportat la ? ), în

principal datorita temperaturilor ridicate a gazelor din


84

tubulatura de evacuare, mult peste limita minima de amorsare a

reactiilor catalitice. Pe de alta parte, în timpul functionarii

normale a motorului, apare o variatie periodica a raportului ?

în jurul valorii 1, în limite foarte strânse, fluctuatie ce conduce

la aparitia în gazele de evacuare a excesului de oxigen, când

amestecul este sarac

(? > 1), sau a excesului de CO si HC necesar reducerii NOx, când

amestecul se îmbogateste (? < 1). Aceasta fluctuatie, cu o

frecventa foarte mica, între 0.5 - 1Hz, permite functionarea cu

eficienta maxima a catalizatorului pe o plaja valorica mai larga

a coeficientului excesului de aer ? .

Stratul catalitic al TCT-urilor folosite în mod curent

pentru autovehicule este format dintr-un amestec de Pt si Rh în

raport masic de 5:1, cu un consum optim de cca. 2g amestec

metale pretioase pentru un litru volum activ al modulului

ceramic (suportul solid pentru amestecul de metale pretioase).

Consumul optim se refera la raportul dintre eficienta maxima a

conversiei si cantitatea minima de metale pretioase utilizata.

Acest amestec de metale pretioase se depune pe un suport

ceramic fin macinat. Suportul ceramic al catalizatorului, cu

rolul sau bine precizat în procesul de cataliza (cap. III.3), se

face, în mod obisnuit, din oxid de aluminiu (AL2O3) amestecat în

proportii foarte mici cu materiale care sa permita o depunere

usoara, fara pierderi, cu o aderenta adecvata a amestecului

catalitic format din metale pretioase, pe suprafata interioara a

canalelor din modulul ceramic, modul ceramic care sta la baza

constructiei majoritatii tobelor catalitice folosite în prezent.


85

Toba catalitica cu tripla actiune produce oxidarea

catalitica a CO si HC, catalizatorul fiind platina în periada în

care motorul functioneaza cu o valoare a raportului ? = 1,

sau pentru amestecuri usor saracite, ? > 1. La aceste regimuri

rodiul (Rh) catalizeaza si el reactia de oxidare a CO si HC cu

NO, oxidul de azot fiind preferat oxigenului în acest tip de

reactie.

În cazul în care motorul lucreaza cu amestecuri bogate ?

< 1, platina catalizeaza oxidarea CO si HC atât timp cât este

oxigen, iar dupa consumarea acestuia catalizeaza reactiile ce au

loc cu vaporii supraîncalziti de apa dupa cum urmeaza:

CO + H2O (vapori) ? H2 + CO2 (1)

si reactia de reformulare a HC cu vapori de apa supraîncalziti,

( HC ) + H2O ? CO , CO2, H2 (2)

Aceste reactii sunt catalizate atât de platina cât si de

rodiu. Rolul catalitic al suportului din alumina în reducerea NO

cu ajutorul amestecului de gaze CO si H2 a fost precizat

anterior. Cresterea influentei acestuia în procesul de cataliza se

poate face prin adaugarea de oxizi de ceriu CeO2 sau oxid de

reniu ReO2, care au rolul de a înmagazina oxigenul în perioadele

când acesta este în exces în zona de cataliza si de al elibera

când devine deficitar . Oxizi de reniu si de ceriu maresc

eficienta catalizei si în reactiile de reformulare a

hidrocarburilor nearse (HC) cu vaporii de apa supraîncalziti.

Într-o noua etapa de dezvoltare a acestui sistem, se

preconizeaza folosirea ca suport pentru amestecul catalizator

platina-rodiu a unei solutii solide omogene formata din oxid de


86

ceriu CeO2 si oxid de zirconiu ZrO2, pentru concentratii variabile

ale celor doi compusi, dar nu mai putin de 50% oxid de ceriu.

Reactivitatea platinei pe acest suport este mai mare, fata de

cazul folosirii ca suport al aluminei amestecate numai cu oxid de

ceriu. Cresterea reactivitatii este urmare a capacitatii marite de

stocare a oxigenului, 8 ml O2/gram de amestec (60% Ce + 40%

Zr) O2, fata de numai 1.4 ml O2/gram CeO2. Ca factor pozitiv al

folosirii acestui amestec, s-a observat inhibarea procesului de

sinterizare a particulelor de platina ce formeaza stratul

catalitic, în cazul functionarii prelungite a TCT-ului la

temperatuti de peste 900 grd. C.

Eficienta rectiilor de depoluare catalizate folosind TCT

poate ajunge la 95 - 98% si depinde, în primul rând, de

temperatura de lucru, apoi de compozitia benzinei, precizia

sistemului de alimentare cu benzina si difera de la vehicul la

vehicul în functie de modul în care acesta este utilizat.

IV. 3. TOBE CATALITICE CU TRIPLA ACTIUNE

CU PREÎNCALZIRE

Eficienta procesului de transformare catalitica a

substantelor poluante din gazele de evacuare este dependenta

de temperatura de lucru a catalizatorului. Asa cum am precizat

anterior, temperatura de "aprindere" a catalizatorului este

cuprinsa între 150 - 300 grd. C, în functie de compozitia

stratului catalitic.


87

S-a constatat experimental ca cea mai mare cantitate de

produsi poluanti pentru un motor de vehicul pe parcursul unui

ciclu de încercare, ce reprezinta comportamentul mediu în

trafic pentru un vehicul oarecare, îl reprezinta emisiile în regim

de pornire la rece. Statistic se afirma ca acestea, pornirile la

rece, produc cca. 50% din totalul emisiilor poluante în cadrul

unui test complex de poluare [2]. Daca consideram, în primul

rând, faptul ca dupa pornire pâna la intrarea în regim normal de

functionare trece o perioda de timp de ordinul minutelor, timp

în care emisiile nu pot fi controlate motorul fiind rece si

necesitând pentru functionare un ameste bogat, care genereaza

o mare cantitate de CO si HC, la care se adauga faptul ca fiind

reci, gazele de ardere nu amorseaza procesul catalitic la

nivelul TCT-ului, reducerea emisiilor poluante la pornire este

foarte importanta. Daca vehiculele sunt parcate în spatii

închise, cum ar fi parcarile subterane, concentratia produsilor

poluanti datorati pornirilor la rece poate atinge valori ce

depasesc cu mult limitele admisibile, cu tot sistemul de

ventilatie folosit. Deasemenea, pornirile la rece produc o mare

cantitate de produsi ce stau la baza formarii smog-ului

fotochimic în zilele însorite de iarna când, în lipsa curentilor de

aer, poluarea poate fi mai accentuata decât în zilele de vara.

În domeniul reducerii emisiilor poluante la pornire si în

perioadele de încalzire s-au facut progrese importante, folosind

cele mai diverse metode. Cele mai folosite sunt:

- preîncalzirea generala a motorului pentru usurarea

pornirilor si reducerea perioadei de încalzire;


88

- preîncalzirea tobei catalitice pentru aducerea acesteia

la temperatura de lucru într-o perioada mai scurta de timp;

- combinarea primelor doua metode;

- reducerea timpului de încalzire a TCT-urilor prin

dotarea acestora cu acumulatoare de caldura si izolarea termica

eficienta fata de mediu, pentru ai conserva temperatura optima

de lucru cât mai mult timp posibil ;

- înmagazinarea gazelor de ardere, imediat dupa pornire,

în volume special amenajate la bordul vehiculelor (saci speciali

de plastic, recipiente sub presiune) si tratatrea catalitica a

acestora dupa atingerea temperaturii optime de lucru în TCT,

metoda studiata în tarile din nordul Europei, în special, Suedia

si Finlanda.

Dintre metodele prezentate, cea mai utilizata este

preîncalzirea TCT- ului combinat cu un sistem de izolare termica

eficient.

Figura 4.6. prezinta o configuratie moderna (Mercedes

2001) a unui sistem de tratare catalitica a gazelor de evacuare

cu preîncalzire. Sistemul se compune din doua incinte TCT,

deoarece pentru început aceasta configuratie, fiind mai

costisitoare, va fi amplasata pe vehicule cu motoare de

capacitate cilindrica mare [3]. Tubulatura de evacuare, de la

motor la convertorii catalitici, este confectionata din teava cu

pereti dubli pentru reducerea pierderilor de caldura, mentinând

astfel o temperatura ridicata a gazelor la intrarea în TCT-uri.


89

FIGURA 4.6. Schema sistemului de tratare catalitica cu

preîncalzirea TCT-urilor.

?

Temperatura catalizatorului “tc” este masurata, iar

semnalul trimis la unitatea centrala de comanda (UCC). Aceasta,

în functie de datele din memorie, decide daca catalizatorul

trebuie sau nu încalzit cu ajutorul unor rezistente electrice.

Comanda de începere a încalzirii (sau de întrerupere a acesteia)

este trimisa la UC1, unitatea de comanda a încalzirii

catalizatorului, care este de fapt un releu de putere. Puterea

optima a rezistentelor electrice a fost stabilita la 1.5 kW /

12Vcc.

Sistemul este dotat cu doua sonde lambda, S1 si S2.

Sonda S1 are rolul obisnuit de a corecta cantitatea de benzina

injectata în motor, pentru ca acesta sa functioneze cu amestec

aer - benzina cât mai aproape de ? = 1.


90

Sonda S2 are rolul de a diagnostica functionarea

convertizorului catalitic. Semnalul acestei sonde este folosit

odata pentru avertizare si diagnosticare, iar în al doilea rând,

semnalul prelucrat în UCC serveste la optimizarea procesului de

încalzire a incintelor catalitice.

Cele doua tobe catalitice sunt izolate termic, astfel încât

aceasta izolatie permite pastrarea unei temperaturi optime de

lucru timp de cca. 4 ore dupa oprirea motorului.

În momentul pornirii motorului, dupa o perioada mai

lunga de stationare (start la rece), sistemul nu permite

actionarea demarorului motorului termic, pâna ce temperatura

TCT- urilor nu a atins o valoare de cca. 240 grd. C. Dupa

pornire, motorul este mentinut la o turatie de 2000 rot/min

care sa permita încalzirea, cât mai rapida, a traseului de

evacuare cu un consum minim de combustibil. Izolatia termica

deosebita a convertizoarelor catalitice permite mentinerea unei

temperaturi de cca. 400 grd. C în circuit urban fara folosirea

încalzirii suplimentare electrice. Emisiile de HC masurate în

conditii de circuit urban nu au depasit 0.002 g/km, fata de 0.15

g/km cât este limita maxima admisa în California.

Aceste sisteme de tratare a gazelor de evacuare, cu

preîncalzirea electrica a tobelor catalitice, se vor raspândi în

viitorul apropiat datorita posibilitatii reducerii drastice a

emisiilor poluante la pornirea motoarelor si în perioda de

încalzire. Acest aspect, al poluarii motoarelor se face simtit, asa

cum am precizat, în special în parcarile închise, de cele mai

multe ori subterane, în care motoarele functioneaza la


91

regimurile cele mai poluante, pornire, încalzire si regimuri

scazute ale motorului caracteristice manevrarii vehiculului în

parcari. Deoarece în marile aglomerari urbane, un numar tot

mai mare de vehicule sunt parcate în locuri închise, solutia

folosirii convertizoarelor catalitice cu preîncalzire se va impune

datorita eficientei foarte ridicate.

FIGURA 4.7. Tobe catalitice cu tripla actiune echipate cu acumulatori termici. Scheme de principiu.

Un alt sistem studiat pentru reducerea emisiilor poluante

la pornirea motoarelor este acela de a încorpora în masa

modulului ceramic al catalizatorului, materiale cu capacitate

termica ridicata, care având temperaturi latente de topire-

solidificare ridicate, înmagazineaza o cantitate mare de caldura

în procesul schimbarii de faza (solid ? lichid) si cedeaza

aceasta energie termica în timpul procesului invers, de trecere


92

din faza lichida în faza solida [2]. În Figura 4.7. sunt

prezentate mai multe moduri de realizare a acestor TCT-uri cu

acumulatori termici.

Substantele folosite ca acumulatori termici sunt în

general solutii eutectice. Acestea sunt definite ca fiind un

amestec a doua sau mai multe substante, în faza solida, care se

topesc sau se solidifica simultan la temperatura constanta.

Componentii eutecticului se aleg astfel încât sa aiba

calduri specifice latente de topire-solidificare cât mai mari.

Modificând concentratia componentilor eutecticului, se poate

modifica temperatura de topire-solidificare, în functie de

cerinte. Pentru TCT-uri este recomandat sa se foloseasca solutii

eutectice cu temperaturi de topire în jurul valorii de 350 grd.C,

cu calduri latente de topire-solidificare de cca. 250 kJ/kg, si cu

un raport “greutate eutectic [grame]/capacitate cilindrica

motor [cm3]”, cuprins între 2.7 - 3.2.

Pentru a reduce pierderile termice prin conductie,

legatura tobei catalitice cu restul tubulaturii de evacuare se

face cu tuburi ceramice, dotate cu clapeti, care sa reduca

pierderile prin circulatia gazelor sau a aerului restant în

tubulatura de evacuare, dupa oprirea motorului. Izolatia

termica generala a unui astfel de tobe catalitice trebuie sa fie

foarte buna. O astfel de configuratie asigura temperatura

minima pentru amorsarea procesului catalitic dupa o stationare

de 16-24 ore , în functie de temperatura tobei la oprirea

motorului si de temperatura mediului.


93

Combinând cele doua sisteme, cu preîncalzire si

acumulare termica, se pot obtine TCT-uri cu randamente de

conversie foarte bune în regim de pornire, dupa stationari

îndelungate, sau în regimuri tranzitorii, când temperatura

gazelor de evacuare este sub pragul temperaturii de lucru a

convertizorului catalitic, 250 - 350 grd. C.

IV.4. SONDA “LAMBDA”, PRINCIPIU DE FUNCTIONARE SI CONSTRUCTIE.

Tratarea catalitica eficienta a gazelor de ardere emise de

un motor de tip Otto, nu este posibila si nici eficienta fara

mentinerea raportului AER / BENZIN| în limite foarte strânse, în

apropierea valorii stoechiometrice, ? = 1. Acest deziderat se

realizeaza folosind o bucla închisa de automatizare ce

corecteaza cantitatea de benzina injectata în admisia

motorului, în functie de cantitatea de oxigen rezidual din gazele

de ardere. Cantitatea de oxigen se determina cu ajutorul unui

senzor specializat cunoscut sub denumirea comerciala de

"senzor lambda" , dupa litera greceasca "? " cu care este

simbolizat, în mod curent în literatura de specialitate, raportul

aer/benzina pentru motoarele cu aprindere prin scânteie.

Senzorul lambda, în principiu, masoara concentratia

oxigenului din gazele de evacuare, transformând aceasta

marime într-un semnal electric proportional. Semnalul electric

este cules de unitatea centrala de calcul care gestioneaza

functionarea motorului. Aceasta, dupa prelucrarea semnalului


94

corecteaza cantitatea de benzina injectata în cilindri, Figura

4.7. Sistemul, în regim termic nominal, lucreaza în bucla de

automatizare închisa. În cazul pornirilor la rece si în perioada

de încalzire, pâna la intrarea în regim termic de lucru al

senzorului, 200 pâna la 300 grd.C, în functie de constructia

acestuia, reglarea cantitatii de benzina se face în functie de

cantitatea de aer ce intra în motor, masurata de un traductor

de debit si corectata în functie de temperatura aerului din

admisie si temperatura motorului. În acest caz, reglajul

cantitatii de benzina injectata în aerul de umplere, se face în

bucla deschisa lipsind semnalul de feed-back al senzorului

lambda, care nu a intrat înca în functiune.

Dupa intrarea în functie a sondei lambda corectia

cantitatii de benzina se face în bucla închisa mentinând

raportul "? " în zona de eficienta maxima a conversiei

catalitice, Figura 4.4. Senzorul "? " este astfel construit încât are

sensibilitate maxima în zona de eficienta maxima a catalizei,

Figura 4.5.


95

FIGURA 4.8. Variatia tensiunii (mV) produsa de

senzorul lambda în functie de raportul "? " si

temperatura gazelor de evacuare.

Gazele de ardere ale motorului contin oxigen chiar si

atunci când amestecul est bogat, având în amestec mai multa

benzina decât ar putea fi oxidata teoretic de oxigenul continut

în aerul admis în cilindru (?<1). De exemplu, pentru un raport

? = 0.95, în gazele de ardere exista întotdeuna 0.2-0.3% oxigen

în volume, din cauza oxidarii incomplete a benzinei, datorita în

principal neomogenitatii amestecului, Figura 4.4. Concentratia

oxigenului în gazele de ardere este dependenta de raportul ? si

foarte putin influentata de alti factori, cum ar fi temperatura de


96

lucru a motorului sau avansul producerii scânteii electrice când

acesti parametri de reglaj se gasesc în preajma valorii de optim.

FIGURA 4.9. Principiul de functionare a sondei

"? ".

Principial, sonda lambda este o pila galvanica cu

electrolit solid ce functioneaza pe baza diferentei de

concentratie a oxigenului din gazele de ardere si atmosfera [4].

Celula galvanica se compune dintr-un miez ceramic solid,

electrolitul, format dintr-un amestec de oxid de zirconiu (ZrO2),

stabilizat termic, cu oxid de itriu (Y2O3) si doi electrozi metalici

din platina, de o parte si de alta, unul spre gazele de ardere, iar

al doilea spre atmosfera, Figura 4.9. Celula functioneaza pe

baza diferentei de presiune partiala a oxigenului din gazele de

ardere, p'O2 si a oxigenului din atmosfera, p''O2.

Reactia electrochimica ce are loc la nivelul electrozilor

metalici este de forma generala:

O2 + 4e -- ? 2O 2-- (3)

Sarcinile electrice sunt transportate de electrolitul

ceramic astfel încât între cei doi electrozi metalici apare o


97

tensiune Vc, ce este în functie si proportionala cu diferenta

dintre presiunile partiale p'O2 (în gazele de ardere) si p''O2 (în

atmosfera). Presiunile partiale difera, deoarece în atmosfera

oxigenul reprezinta cca. 22%, iar gazele de ardere contin 1 – 3%

oxigen în functie de valoarea lui ??

Ecuatia lui Nernst stabileste valoarea ”Vc”, în volti, ca

fiind:

F = Ne = 2.893 * 1014 esu g / mol, constanta lui

Faraday;

N = 6.02486 * 1023 mol / g, constanta lui Avogadro;

e = 4.80286 * 10-10 esu / eV, sarcina electronului;

R = 8.31963 * 107 ergs / mol, grd

T - temperatura absoluta, grd. K.

Dependenta de temperatura de lucru (ec. 4) a caderii de

tensiune “Vc” are ca efect practic variatia vitezei de raspuns a

senzorului. Astfel, la temperaturi sub 300 grd.C ale

electrolitului ceramic, viteza de raspuns la variatia presiunii

partiale a oxigenului din gazele de ardere poate ajunge la

câteva secunde, în timp ce la 600 grd. C, care este temperatura

optima de lucru, viteza de raspuns este mai mica de 50 ms. Din

aceasta cauza, corectia injectiei de benzina în bucla închisa

comandata de senzorul lambda nu intra în functie decât la

pragul minim considerat optim de 300 grd. C, temperatura

sondei. Temperaturile maxime de lucru în regim continuu,


98

stabilite experimental, nu trebuie sa depaseasca 850 grd.C.

Pentru perioade scurte de timp, de ordinul minutelor,

temperatura de lucru a sezorului poate ajunge la 930 - 950

grd.C, fara a periclita buna functionare în continuare a

acestuia.

FIGURA 4.10. Senzor “?“ principiul constructiv

Principial constructia senzorului lambda est prezentata în Figura 4.10., notatiile având urmatoarele semnificatii:

1 - Electrolit ceramic,un amestec de oxid de zirconiu cu

oxid de itriu, stabilizat termic;

2 - Electrozi din platina cu structura poroasa, grosimea

stratului metalic este de 10 ?m;


99

3 - Strat ceramic poros de protectie împotriva actiunii

abrazive a gazelor de ardere, grosime 100 ?m;

4 - Teaca de protectie metalica din material inoxidabil,

prevazuta cu fante prin care patrund gazele de ardere, linia

întrerupta în desen;

5 - Fante în teaca de protectie;

6 - Peretele tubulaturii de evacuare.

Presiunea partiala a oxigenului la nivelul electrodului

expus gazelor de ardere este mentinuta în echilibru de actiunea

catalitica a platinei din care este confectionat electrodul. În

aceasta zona are loc oxidarea CO si HC ce sunt continute în

gazele de ardere, astfel încât cantitatea de oxigen ramasa este

masurata cu acuratete.

În functionarea sistemului de corectie în bucla închisa a

injectiei de benzina, apare o întârziere în reactia senzorului

lambda la schimbarile survenite în compozitia gazelor de

evacuare datorita modificarii regimului de lucru al motorului.

Aceasta întârziere apare, în primul rând, datorita timpului scurs

din momentul intrarii aerului în motor, prin sistemul de admisie,

când se primeste semnalul primar de debit de aer, ce va fi

corectat de semnalul transmis de sonda lambda, dupa trecerea

aerului prin motor în procesul termodinamic si parcurgerii

tubulaturii de evacuare pâna la senzor sub forma de gaze de

ardere. Aceasta întârziere poate fi de cca.1s, sau mai mult la

turatii mici (ralanti) si se reduce la câteva milisecunde la turatii

si sarcini mari. Atenuarea efectului întârzierii în reactie si în

acelasi timp mentinerii motorului în "fereastra de conversie


100

catalitica " se realizeaza prin trecerea semnalului sondei printr-

un circuit electronic integrator la nivelul unitatii centrale de

comanda, circuit ce reduce influenta variatiilor bruste ale

semnalului produse de sonda datorita schimbarii regimului de

functionare a motorului. Trebuie subliniat faptul ca, sonda

lambda are rol de corectie si optimizare a procesului de

injectie a benzinei, semnalul principal de comanda a cantitatii

de benzina fiind dat de senzorul de debit de aer plasat pe

tubulatura de admisie înaintea injectoarelor de benzina,

configuratie caracteristica sistemelor de alimentere prin

injectiei de benzina.

Pentru a scurta perioada de încalzire a sezorului la

pornirile la rece ale motorului, sondele lambda moderne sunt

prevazute cu un sistem de încalzire propriu. Acestea au

încorporate o rezistenta electrica de încalzire în electrolitul

ceramic, sistem de încalzire ce reduce timpul de intrare în

functiune a sondei la 30–40s dupa pornirea motorului. Fara

încalzire suplimentara acest timp poate fi de ordinul minutelor.

Rezistenta electrica este alimentata printr-un sistem de

termostatare, ce întrerupe alimentarea acesteia odata atinsa

temperatura de lucru, cca. 300 grd. C, Figura 4.10. Daca

temperatura scade sub acest prag, functionare prelungita în

ralanti sau temperaturi exterioare foarte


101

FIGURA 4.11. Sennzor lambda cu încalzire

scazute, sistemul de încalzire este activat asigurînd o

functionare corecta a sondei. În Figura 4.11. notatiile au aceeasi

semnificatie ca în Figura 4.10. în plus apar urmatoarele:

6 - Tubulatura de evacuare

7 - Elementul de încalzire din material ceramic;

8 – Contact electric cu lamela bimetalica pentru

termostatare;

9 - Izolatie termica ceramica;

10 - Carcasa metalica de protectie;

11 - Cabluri electrice de legatura pentru elementul de

încalzire si senzor.


102

Într-o varianta constructiva de ultima ora, dezvoltata de

firma Bosch, senzorul lambda este conceput într-o structura

plana cu masa mult redusa. Aceasta solutie este rezultatul

cercetarilor întreprinse pentru a reducere la minimum timpul

FIGURA 4.12. Senzor “lambda” plan cu încalzire

rapida.

de "aprindere" a senzorului. În varianta amintita, Figura 4.12.

timpul de încalzire este redus la 10 s, socotit din momentul

pornirii motorului la rece, pâna la atingerea temperaturii

minime de lucru a sondei [5].

În Figura 4.12. notatiile au urmatoarele semnificatii:

1- Strat ceramic poros de protectie, în contact direct cu

gazele de ardere;

2 - Electrod de platina exterior;

3 - Electrolit ceramic format prin sinterizarea unei

pulberi foarte fine de oxid de zirconiu (ZrO2) amestecat cu 8%

(greutate) oxid de itriu (Y2 O3), la 1400 grd.C;

4 - Canalul cu aer de referinta;


103

5 – Incalzitorul electric;

6 - Electrod de platina interior.

Acest tip de senzor s-a dovedit a avea calitati superioare

comparativ cu senzorul clasic, Figura 4.11. Avantajele acestui

senzor, testat de firma Bosch, sunt:

- rezistenta în functionare la temperaturi ridicate, îsi

pastreaza caracteristica de iesire dupa 2000 h de functionare la

930 grd.C;

- rezistenta mecanica foarte buna;

- liniaritatea semnalului de iesire si rezolutie foarte

buna;

- timpul de intrare în functiune la 10 s de la pornirea

motorului.

Experimental s-a constatat buna functionare a acestui tip

de senzor chiar si în cazul unor acumulari semnificative de

cenusa pe suprafata senzorului expusa gazelor.

Combinând sistemul de corectie a debitului de benzina în

bucla închisa, având ca element de detectie senzorul lambda,

cu sistemul principal de dozaj functie de cantitatea de aer

aspirata de motor, se obtine o reducere maxima a emisiei de

produsi poluanti si un optim al performantelor motorului.

IV.5. DIMENSIONAREA SI CONSTRUC}IA TOBELOR

CATALITICE CU TRIPLA ACTIUNE (TCT)

??

Materialul cel mai des utilizat ca suport al

catalizatorului metalic este izomerul ? - Al2 O3 (alumina), care


104

împreuna cu amestecul de metale nobile formeaza "stratul

catalitic". Pe suprafata foarte poroasa a suportului de alumina,

sub forma de granule foarte fine, amestecul de metale nobile,

pe baza de platina, este foarte fin dispersat astfel încât sa se

evite contactul direct între particulele metalice, pentru a evita

fenomenul de sinterizare spontana. Prin sinterizare, particulele

metalice foarte fine ale amestecului catalitic se aglomereaza,

reducând astfel suprafata totala de contact direct al acestora cu

gazele de ardere. Dimensiunea unei particule metalice nu

trebuie sa depaseasca 50 nm la o toba noua, si poate ajunge,

datorita sinterizarii spontane, la 100 nm în timpul utilizarii

datorita încalzirilor repetate ale catalizatorului. Concentratia

optima pentru tobele catalitice fabricate în masa, este de 1

pâna la 2 g/dm3 (volum activ modul ceramic) de amestec platina

+ paladiu în raport Pt / Pd = 2/5 în unitati de masa [6].

Practica a demonstrat ca, volumul activ optim al

modulului ceramic nu este economic sa depaseasca jumatate

din capacitatea cilindrica a motorului. Pentru o mai exacta

apreciere a dimensiunilor modulului ceramic se defineste un

raport gazo - dinamic " gd " astfel:

Qg - volumul de gaze de ardere ce trece prin TCT

[m3 / s];

Qct - volumul activ al modulului ceramic [m3].


105

Valoarea optima a raportului “gd” este cuprinsa între 5

- 30, valoarea minima corespunzatoare sarcinilor mici si ralanti

si respectiv maxima pentru sarcina plina. În Figura 4.13. este

prezentata la scara marita constructia cea mai frecvent utilizata

a modulului ceramic.Stratul catalitic este format, asa cum am

precizat, dintr-un suport ceramic de tipul oxidului de alumina cu

porozitate mare, pe care se depun particulele de amestec de

FIGURA 4.13. Arhitectura modulului ceramic cu strat

catalitic, marit de cca. 20 de ori.


106

metale nobile, marind astfel suprafata activa cu un factor de

pâna la 7000 la 1.

Modulul ceramic este confectionat dintr-un amestec de

silicati de aluminiu si silicati de magneziu.

Functional, TCT-ul trebuie sa asigure o eficienta

(randament) cât mai ridicata a reactiilor chimice oxido–

reducatoare ce conduc la scaderea masei produsilor poluanti din

gazele de ardere, fara a compromite performantele motorului

precum puterea sau consumul de combustibil.

Toba catalitica cu tripla actiune trebuie sa introduca în

circuitul de evacuare al motorului o rezistenta gazo–dinamica

cât mai mica. Aceasta nu trebuie sa produca o pierdere de

putere mai mare de 0.25 - 0.50 CP/mm Hg cadere de presiune

pe TCT, pentru turatii cuprinse între 2000 si 5000 rot/min.,

dupa cercetari facute în U.S.A., sau 0.032 - 0.035 % din

puterea motorului, CP/mm Hg cadere de presiune, dupa

cercetari facute în Europa [7].

Caderea de presiune poate fi calculata folosind ecuatia

Hagen - Poiseuille, de forma:

? p – caderea de presiune pentru un canal al modulului

ceramic în [mm col. H2O ];

c - constanta ce depinde de rezistenta la curgere a

gazelor prin canale si depinde de calitatea suprafe]ei interioare;

? - vâscozitatea gazului [N?s /m2];

Qc - debitul volumic printr-un canal [m3/s];

a - aria frontala libera a unui canal [m2];


107

x - lungimea canalului [m].

Pentru întreg volumul ocupat de modulul ceramic cu

dimensiunile din Figura 4.14., debitul volumic are valoarea:

Qt = n ? Qc (7)

Qt - debitul volumic total [m3/s];

Qc - debitul volumic printr-un singur canal [m3/s];

n - numarul de canale.

Se considera “ n” ca fiind definit de relatia:

n = A . N unde, (8)

A - aria frontala totala a modulului ceramic [m2];

N - densitatea canalelor [nr. celule/m2].

FIGURA 4.14. Dimensiunile principale ale

modululuiceramic


108

Aria frontala a unui canal se apreciaza ca fiind:

a - aria frontala libera a unui canal [m2];

Dh - diametrul hidraulic al canalului [m], amanunte în

ANEX|.

Caderea totala de presiune pentru un modul strabatut

de canale cu sectiune patrata, Figura 4.15, va fi:

Considerând prima paranteza ca fiind o constanta c’,

caracteristica regimurilor stationare, M defineste rezistenta

modulului ceramic, din punct de vedere al dimensiunilor

acestuia, la curgerea gazelor , iar C rezistenta la curgere pentru

un canal, se poate scrie:

Daca nu se pun conditii legate de dimensiunile

modulului ceramic, referitor la Dm (diametrul modulului Figura

4.14.) si x, atunci M va fi de forma:


109

Daca se impune conditia de volum constant sub forma:

V = A . x = const., rezulta:

sau,

În cazul conditiei de volum constant, rezistenta la

curgere a modulului ceramic va fi direct proportionala cu

patratul lungimii (x2) si invers proportionala cu puterea a

patra a diametrului acestuia (1/ D4 ).

Diametrul are un rol hotarâtor în cazul pastrarii constante

a volumului. Astfel, daca se mareste diametrul cu 50%, caderea

de presiune se reduce cu 80%, iar pentru 100% marire a

diametrului modulului, caderea de presiune scade cu 94%.

Folosind notatiile precedente rezistenta la curgere prin canale "C" are valoarea :

Folosind densitatea canalelor (8) ca marime de referinta, (16)

devine:


110

iar ecuatia caderii de presiune are forma:

Aceasta ultima ecuatie defineste interdependenta

principalelor dimensiuni constructive ale modulului ceramic si

caderea de presiune a

gazelor de ardere la trecerea prin TCT.

Suprafata activa specifica "Sa" a unui modul ceramic cu

canale patrate se defineste ca fiind suprafata unui canal expusa

curgerii gazelor raportata la volumul canalului.

Suprafata totala a catalizatorului "St" se calculeaza

folosind ec. 13, 16, 18 si este de forma:

unde "s" este o constanta ce depinde de unitatile de masura

folosite.

Experimental s-a stabilit ca odata cu marirea valorii lui

St, "temperatura de aprindere" a catalizatorului scade. Astfel,


111

daca se mareste St cu 50 - 90% temperatura de aprindere se

reduce cu 10 - 15%. Având în vedere eficienta redusa a acestei

metode de a reduce temperatura de aprindere a TCT-ului si

faptul ca structura stratului catalitic are o influenta mai

importanta asupra acestui parametru, la dimensionarea TCT-ului

se cauta un optim între marirea suprafetei active si compozitia

stratului catalitic.

Randamentul conversiei creste odata cu cresterea

suprafetei active specifice. Studiile au aratat ca la o crestere a

suprafetei cu 100 % randamentul conversiei creste cu cca. 50% .

La fel ca în cazul precedent se cauta un optim între randament

si suprafata activa a modulului ceramic.

Numarul de canale pe unitate de suprafata este cuprins,

în mod normal, între 200 cpsi si 400 cpsi (cell per square inch).

La 400 cpsi corespund cca. 62 canale/cm2.

Sectiunea canalelor, cel mai des utilizata la fabricarea

modulelor ceramice, este cea patrata. Aceasta forma are doua

avantaje majore, simplitate constructiva, si o rezistenta

mecanica suficienta pentru un raport “masa/suprafata activa”

optim.

Modulele utilizate ca suport al materialului catalitic se

mai confectioneaza si din foita de tabla din otel

inoxidabil refractar.

Grosimea foitei de tabla este cuprinsa între 0.03 - 0.05 mm,

oferind o suprafata activa cuprinsa între 2,5 - 3.5 m2/dm3, la o

densitate a canalelor cuprinsa între 200 - 400 cpsi, unitate de


112

masura a densitatii canalelor cel mai des utilizata în discutii sau

lucrari de specialitate [7].

Catalizatorul format din suportul ceramic si particulele

de metale nobile este depus pe suprafata suportului metalic în

cantitati de cca. 2 g/dm3. Pulberea catalitica cel mai des

utilizata fiind un amestec de Pt + Pd în raport masic 5 : 1, la fel

ca în cazul utilizarii modulelor ceramice.

În Figura 4.15. sunt prezentate principalele configuratii

ale modulelor metalice folosite, precum si constructia unei TCT

folosind aceasta tehnica. Astfel, toba catalitica cu tripla actiune

este confectionata din doua module metalice A si B, cu raportul

lungimilor 1:2. Aceasta solutie a fost adoptata pentru a scurta

perioada de încalzire în cazul pornirii motorului la rece.

Modulul A fiind mai mic si separat de modulul B se

încalzeste mai repede marind eficienta TCT -ului. Modulele

metalice au avantajul ca sunt mai usoare decât cele ceramice la

acelasi volum, având si o suprafata frontala libera mai mare,

între 93–96% din suprafata totala a modulului. Ca dezavantaje,

în primul rînd o rezistenta mecanica mai redusa si un pret de

cost mult mai mare decât modulele ceramice.

Avantajul major al acestor module din tabla subtire

profilata, este acela ca permit confectionarea de tobe catalitice

de dimensiuni reduse, cu caderi de presiune foarte mici la

trecerea gazelor de evacuare. De exemplu, modelul Posche

Carrera este dotat cu o astfel de TCT cu diametrul de 130 mm si

o lungime totala a celor doua module de 200 mm, pentru

motoare de peste 2000 cm3. O tehnologie pusa la punct foarte


113

recent [9] de fabricare a tobelor catalitice metalice, foloseste

ca suport pentru amestecul catalitic activ o folie metalica

foarte subtire

FIGURA 4.15. Forma constructiva a canalelor

într-un modul metalic si constructia unei TCT din astfel

de module.

având la baza un aliaj Fe-Cr-Al. Aceastafolie, cu materialul

catalitic fixat pe una din suprafete, este sudata de tabla subtire

de inox din care se confectioneaza apoi modulul metalic al tobei

catalitice. Folosind aceasta tehnologie se pot obtine module

metalice de forme si dimensiuni foarte variate cu densitati ale

canalelor cuprinse între 31-194 canale/cm2 (200-1250 cpsi).

Greutatea redusa si fiabilitatea acestor module readuc în

competitie acest tip de tobe catalitice.


114

Modulele ceramice având un pret de cost mai redus si

fiind mai rezistente sunt mult mai raspândite, chiar daca au

dimensiuni mai mari. În schimb, modulele ceramice ridica

probleme legate de montarea lor în carcasa metalica ce se

conecteaza în traseul de evacuare. Deficienta principala este

aceea ca, modulul ceramic are coeficientul de dilatare termica

aproape zero, în timp ce carcasa fiind din metal se dilata în

proportii apreciabile date fiind si diferentele mari de

temperatura le care lucreaza, între temperatura mediului, care

poate fi negativa pe timp de iarna si 800-900 grd.C,

temperatura la care ajung gazele în sarcina plina si la turatii

ridicate ale motorului.

În Figura 4.16. sunt prezente doua din cele mai folosite

sisteme constructive pentru tobele catalitice.

Figura 4.16a. prezinta un sistem mai putin folosit în

prezent, dar foarte raspândit în anii '80 si începutul anilor '90.

Modulul ceramic este format din mici granule sferice, cu

diametre între 2-5 mm, din material ceramic pe care s-a depus

în prealabil stratul catalitic. Circulatia gazelor se face

transversal. Carcasa metalica nu are o izolatie termica speciala.

Figura 4.16b. prezinta constructia unui catalizator

modern cu modulul ceramic format din doua tronsoane, A si B,

de lungimi diferite, cu avantajele prezentate anterior, Figura

4.15.

Modulele ceramice au o rezistenta foarte redusa la socuri

mecanice si un coeficient de dilatare foarte mic. Din aceasta

cauza, între carcasa metalica "1" si modulele ceramice se


115

interpune o pâsla metalica "2" tesuta din fire de sârma de otel

înalt aliat, inoxidabil cu diametru de 0.25 mm. Grosimea

stratului este de 8-15 mm, în functie de diametrul TCT si functie

de precizia în constructia carcasei.

Carcasa este prevazuta si cu un spatiu "3" care dubleaza

peretele acesteia, pentru o mai buna izolatie termica. La unele

constructii acest spatiu este umplut cu un material izolant

Circulatia gazelor prin acest tip de catalizator se face

longitudinal. Carcasa se nervureaza "4" pentru a-i mari

rigiditatea, în felul acesta protejând mai bine modulul ceramic

de socurile mecanice inerente,

FIGURA 4.16. Detalii constructive ale TCT cu circulatie

transversala si circulatie longitudinala a gazelor de ardere.

datorita faptului ca TCT este asezata sub autovehicul. Din

acelasi motiv, pentru a rezista cât mai bine la coroziune,


116

carcasa se face dintr-o tabla de otel de calitate daca nu chiar

din inox. La unele autovehicule, TCT este protejat de un scut

suplimentar în partea de jos. Scutul trebuie sa permita totusi

racirea TCT stiut fiind ca o temperatura prea ridicata (peste 950

grd.C) conduce la deteriorarea materialului catalitic.

Dupa cum se vede, pozitionarea TCT pe traseul de

evacuare reprezinta un compromis între tendinta de a încalzi

cât mai repede catalizatorul la pornire (cât mai aproape de

motor) si limitarea temperaturii maxime de functionare, care

conduce la distantarea acesteia de motor. Tendinta actuala este

de a îndeparta toba de motor si de încalzire electrica a acesteia

la pornirea mtorului la rece sau la functionarea prelungita la

sarcini mici, Figura 4.6.

Trebuie precizat faptul ca, la temperaturi mai mari de

1400 grd.C catalizatorul este complect distrus. La aceste

temperaturi se poate ajunge numai daca amestecul combustibil

nu se aprinde în cilindru, datorita functionarii defectuase a

sistemului de aprindere si se aprinde în toba datorita

temperaturii ridicate a acesteia. Fenomenul mai este cunoscut

si sub denumirea de "rateuri". Din aceasta cauza sistemul de

aprindere al motoarelor echipate cu TCT trebuie sa fie foarte

precis si fiabil.

Trebuie subliniat înca o data faptul ca motoarele cu

convertizoare catalitice pe traseul de evacuare trebuie sa

functioneze numai cu benzina fara plumb si sa consume foarte

putin ulei, sub 0.2% din consumul de combustibil, pentru a

preîntâmpina otravirea catalizatorului.


117

Bibliografie 1) Wark K., Warner C. F., Air Pollution, Its Origine and Control,


2) Korin E., Reshef D., Tshernichovesky D., Sher E.,

“Improving Cold-Start Functioning of Catalytic Converters by

Using Phase-Change Materials”, SAE 980671, 1998.

3) Above P.A., Kramer J. S., “The Mercedes-Benz C-Class Series

Hybrid”, SAE 981123, 1998.

4) Wiedenman H., Hotzel G., Neuman H.,Riegel J.,Weyl

H.,”Exhaust Gas Sensors”, in Automotive Electronics Handbook,

Edited by Roland Jurgen, Ed. McGraw Hill. Inc., 1995.

5) Neumann H., Hötzel G., Lindemann G., “Advanced Planar

Oxygen Sensors for Future Emission Control Strategies”, SAE

970459, 1997.

6) TWC 13. Becker E. R., Watson R. J., Zygourarakis .,

“Advanced Substrate Design for Low Emission Vehicles”, SAE

961899, 1996.

7) Day J. P., Socha L. S. Jr., “The Design of Automotive Catalyst

Supports for Improved Pressure Drop and Conversion Efficiency”

SAE 910371, 1991.

8) Kaiser F-W., Pelters S., “Comparison of Metal-Supported

Catalysts with Different Cell Geometries”, SAE 910837, 1991.

9) Automotive Engineering , Iunie 2000.

Tratarea gazelor de ardere la motoarele Diesel__________ CAPITOLUL 5

118

V. TRATAREA GAZELOR DE EVACUARE LA MOTOARELE DIESEL

V.1. COMPOZITIA GAZELOR DE ARDERE LA

MOTOARELE DIESEL

Gazele de ardere evacuate de motoarele Diesel sunt

formate dintr-un amestec de substante în faza gazoasa, faza

lichida si faza solida. În Tabelul 5.1. sunt prezentati

constituientii principali ai fiecarei faze. Compozitia

procentuala este foarte diversa, comparativ cu motoarele

Otto, Figura 2.1, la care gazele de ardere au o compozitie

procentuala aproape constanta, indiferent de sarcina sau

turatie. Astfel, la motoarele Diesel, procentual, compozitia

gazelor de ardere se modifica contnuu în functie de sarcina si

turatie, simultan.

TABELUL 5.1. Compozitia gazelor de ardere la

motoarele Diesel.

FAZ|

GAZOAS|

FAZ|

LICHID|

FAZ|

SOLID|

AZOT (N2)

OXIGEN (O2)

HIDROCARBURI (1)

a) derivate din

combustibil;

PARTICULE (2)

- izolate;

- agregate.


119

b) derivate din

ulei.

ACID SULFURIC

SULFA}I

CENU{|

PARTICULE

METALICE (3)

ADITIVI

AP|

DIOXID DE

CARBON (CO2)

MONOXID DE CARBON (CO)

DIOXID DE

AZOT (NO2)

MONOXID DE

AZOT (NO)

VAPORI DE

AP| (H20)

HIDROCARBURI

(HC)

1 – Fractii solubile în solventi organici.

2 - Sub forma de funingine.

3 – Provenite din uzura motorului si din aditivii folositi

pentru ulei sau motorina.

Hidrocarburile provenite din combustibil sau din ulei se

situiaza atât în zona hidrocarburilor grele, cu un raport mic

între hydrogen si carbon (H/C), cât si a hidrocarburilor usoare

cu raportul H/C având o valoare ridicata [1]. În mod obisnuit,

hidrocarburile în faza lichida sunt compuse dintr-un amestec

de aldehide, alchene, alcali si hidrocarburi aromatice.

Produsii anorganici din gazele de ardere pe baza de

sulf provin din combustibil, cantitatea lor fiind dependenta


120

de continutul de sulf al acestuia. În urma procesului de

oxidare din camera de ardere, sulful continut în combustibil

produce: dioxidul de sulf (SO2), sulfati (SO3, SO4), compusi

care în contact cu vaporilor de apa prezenti întotdeauna în

gazele emise de motor, vor conduce la sinteza acidului

sulfuric, H2SO4. De subliniat faptul ca, acidul sulfuric se

formeaza în tubulatura de evacuare odata cu reducerea

temperaturii gazelor de evacuare si aparitiei prin condensare

a picaturilor de apa. Temperatura optima de formare a

acidului sulfuric fiind la punctul de roua al acestuia cca. 70

grd.C, la motoarele Diesel pentru vehicule nu exista pericolul

ca acidul sulfuric sa se formeze în camera de ardere a

motorului din cauza temperaturilor relativ ridicate, peste

punctul de roua, ce se dezvolta în acest tip de motor. Acidul

sulfuric apare în camerele de ardere ale motoarelor mari,

Diesel navale (3.000-30.000 Kw), motoare lente în doi timpi,

cu turatii maxime între 90-150 rot/min. Aceste motoare

folosesc combustibili grei (pacura) cu un continut de sulf

foarte mare, 1.5-2%, fata de 0.05 % cât este limita maxima

propusa, începând cu anul 2000, în majoritatea tarilor

industrializate, pentru motoarele moderne folosite în

tractiunea rutiera. Pentru a preîntâmpina coroziunea acida în

camera de ardere, la motoarelor navale se folosesc uleiuri de

cilindru speciale, cu un puternic caracter bazic, care

neutralizeaza fractiile acide ce apar în camera de ardere,


121

protenjând în acest fel si sistemul de evacuare, inclusiv

turbosuflantele de supraalimentare.

Funinginea apare în cilindrul motorului Diesel ca

urmare a arderii combustibilului si/sau a uleiului de ungere.

Într-o faza initiala, funinginea apare sub forma de particule

cu dimensiuni mai mici de 0,1 microni, care într-un timp

foarte scurt de la aparitie, mai putin de 10 ms, se

aglomereaza formând particule cu dimensiuni ce depasesc un

micron [1]. Cea mai mare parte a funinginii se oxideaza la CO2

în timpul procesului de ardere. Formarea funinginei si

arderea acesteia este parte integranta a procesului

normal de ardere în motoarele Diesel. Factorii ce

influenteaza acest proces sunt, de fapt, cei ce influenteaza în

general arderea: compozitia combustibilului, finetea

pulverizarii la injector, sarcina motorului, turatia, sau

evolutia temperaturii din camera de ardere în timpul

procesului de ardere. Evolutia în timp a factorilor care au

tendinta de a prelungi stationarea particulelor de combustibil

în camera de ardere, influenteaza pozitiv arderea. În

opozitie, factorii care reduc timpul afectat fazei de


122

FIGURA 5.1. Modul de formare a unei particule

Diesel. ardere (temperatura, presiunea) sau influenteaza miscarea

aerului în camera (viteza vârtejurilor de aer), influenteaza

negativ procesul de ardere.

Particulele fine de funingine, care în timpul procesului

de ardere ajung în zone cu temperaturi mai scazute, se

aglomereaza împreuna cu hidrocarburi lichide de

condensatie, sulfati si particule metalice, aglomerare ce

poarta denumirea generica de "particule", Figura 5.1.

Compozitia cea mai probabila a unei particule este [2]:

carbon . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31%,

sulfati si apa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14%,

combustibil nears . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7%,

ulei nears . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40%,


123

alte substante . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8%.

Cunoasterea compozitiei particulelor este importanta

în vederea dezvoltarii filtrelor de particule. Dupa cum se

observa, cca. 80% din compozitia particulelor este formata

din substante combustibile, observatie foarte importanta

având în vedere realizarea sistemelor de curatire a filtrelor.

În Tabelul 5.2. sunt prezentate reglementarile în vigoare

privind nivelul emisiilor de funingine admise în Europa si USA

(fara filtru), precum si necesarul de suprafata filtranta pentru

retinerea a cca. 95% din emisii [2].

Pentru o mai buna întelegere a fenomenelor care au

loc în timpul procesului de filtrare si apoi în timpul procesului

de curatire prin incinerare a depozitelor de particule retinute

în filtru, în mod obisnuit, se consider particulele ca fiind

formate din:

? funingine;

? fractii organice solubile (FOS);

? sulfati.

Considerând aceasta compozitie este mai usor de

cuantificat procesul de ardere al particulelor, putându-se

determina cu destula precizie produsii intermediari de

ardere.

TABELUL 5.2. Emisiile de funingine admise si

necesarul de suprafata de filtrare.


124

NORMA

PUTERE

MOTOR

[kW]

FUNINGINE

[g/kW]

ARIA DE

FILTRARE

[m2/kW]

EURO 1 <85 0.63 0.05

EURO 2 >85 0.36 0.04

EURO 3 >85 0.15 0.03

USA 1996

AUTOBUZ

>100 0.037 0.03

V.2. STRATEGII DE REDUCERE A EMISIILOR

POLUANTE LA MOTOARELE DIESEL

Motoarele Diesel, din ce în ce mai economice, mai

perfectionate si nu în ultimul rând mai "curate" decât în

trecutul nu prea îndepartat, 20 pâna la 25 ani, devin din ce în

ce mai raspândite în tractiunea rutiera. Motoarele Diesel

echipeaza în prezent, aproape în totalitate, camioanele

grele si în marea lor majoritate vehiculele de marfuri de

capacitate medie si usoara. Acest tip de motor este folosit

extensiv la echiparea autobuzelor si a majoritatii

microbuzelor cu capacitate de 8 - 12 locuri.

În domeniul motorizarii autoturismelor, dupa

puternica expansiune din anii '80 a urmat o perioada de

stagnare, daca nu chiar de reducere a numarului de


125

autoturisme echipate cu motoare Diesel, în special datorita

normelor de poluare tot mai stricte impuse, cu începere din

1990, în lume si în special în Europa, unde existau si exista

cele mai multe autoturisme cu motoare Diesel [3]. Declinul s-

a datorat si performantelor tehnice relativ scazute, în special

în ce priveste puterea specifica a motoarelor, greutate mare

si puteri relativ mici. Singurul mare avantaj si anume,

consumul redus de combustibil comparativ cu motorul Otto

aveau sa-l propulseze din nou pe piata autoturismelor, radical

îmbunatatit. În perioada 1995-1998 se observa un nou avânt

în constructia de motoare Diesel de putere mica si medie

pentru autoturisme si utilitare. Toate marile firme

constructoare de automobile propun variante motorizate

Diesel pentru vehicule de teren sau vehicule monospace de

tip familial, din ce în ce mai cautate [4]. În Europa, noua

generatie de motoare Diesel pentru autoturisme aproape ca

reuseste sa egaleze performantele motoarelor cu aprindere

prin scânteie în ce priveste greutatea specifica, devenind tot

mai atractive datorita consumului mai redus de combustibil si

confortului din ce în ce mai ridicat, prin confort întelegând

reducerea zgomotului specific în functionare si reducerea

vibratiilor.

Trebuie subliniat ca aceasta revenire spectaculoasa,

Tabelul 5.3., nu ar fi fost posibila fara reducerea drastica a

gradului de emisii poluante pentru aceasta categorie de

motoare.


126

Motoarele Diesel de putere mare pentru autocamioane

(200-400 Kw) se încadreaza mai usor în limitele de poluare

impuse de legislatia ce intra în viguare la începutul secolului

XXI. Reducerea poluarii la acest tip de motoare s-a facut, în

principal, prin îmbunatatirea procesului de combustie.

TABELUL 5.3. Motoare Diesel usoare , comparatia

performantelor din anii '80 cu sfârsitul anilor '90.

Anul

de Fabri

- catie

Marca

Aranjare Cilindri

Vs

( l )

Puter

e (kW)

Momen

t (Nm)

Tip

Aspiratie

1984 FORD Linie – 4 2,5 52 143 2 sup. AN*

1985 ISUZU Linie – 4 2,5 50 152 2 sup. AN 1985 ISUZU Linie – 4 2,8 57 172 2 sup. AN 1985 IVECO Linie – 4 2,5 76 225 2 sup.

T/C 1985 IVECO Linie – 4 2,45 68 216 2 sup.

T/C 1985 PERKINS Linie – 4 2,0 46 122 2 sup. AN 1988 FIAT Linie – 4 1,9 68 182 2 sup.

TCI 1989 PERKINS Linie – 4 2,0 60 154 2 sup.

TCI 1989 AUDI Linie – 5 2,5 88 265 2 sup.

TCI 1989 Land

Rever Linie – 4 2,5 82 260 2 sup.

TCI 1992 FORD Linie – 4 2,5 74 224 2 sup.

T/C


127

1992 VW-AUDI Linie – 4 1,9 66 182 2 sup. TCI

1995 ROVER Linie – 4 2,0 77 210 2 sup. TCI

1995 MERCEDES Linie – 5 2.9 95 300 2 sup. TCI

1996 IVECO Linie – 4 2,8 76 240 2 sup. T/C

1996 IVECO Linie – 4 2.8 90 285 2 sup. TCI

1996 Opel- Vauxhall

Linie – 4 2,0 60 185 4 sup.TCI

1997 VW Linie – 5 2,5 55 160 2 sup. AN 1997 AUDI V – 6 2.5 110 310 4 sup.

TCI 1998 MERCEDES Linie – 4 1,7 44 160 4 sup.

T/C 1998 MERCEDES Linie – 4 1,7 66 180 4 sup.

TCI 1998 Opel-

Vauxhall Linie – 4 2,2 86 260 4 sup.

TCI 1999 TOYOTA Linie – 4 2,0 78 240 4 sup.

T/C 2000 MERCEDES

C220 Linie – 4 2,14 107 320 4 sup.

TCI 2001 BMW-320 Linie – 4 1,95 97 316 4 sup.

TCI 2001 VW Passat V-6 2,5 112 316 4 sup.

TCI 2002 LANCIA

LYBRA Linie – 4 2,4 100 310 5 sup.

TCI

Vs – capacitate cilindrica; * AN – aspiratie normala; T/C -

motor supraalimentat cu turbo-compresor; TCI –

supraalimentare si intercooler.


128

FIGURA 5.2. Strategii generale de reducere a

cantitatii de particule din gazele de ardere la

motoarele Diesel.

În Figura 5.1. sunt prezentate sintetic [5] principalele

cai ce trebuie urmate pentru a reduce continutul de particule

din gazele de ardere, principalul produs poluant, pe lânga

oxizii de azot, caracteristici motoarelor Diesel.

Solutiile cel mai des utilizate pentru a atinge normele

de poluare impuse de legislatia în vigoare sunt scoase în

evidenta cu chenar îngrosat. Îmbunatatirea procesului de


129

ardere s-a facut urmând mai multe directii, cele mai

importante fiind:

a) Marirea puterii instalate a motorului. Aceasta

metoda, care în esenta, consta în a echipa un vehicul greu,

ce necesita pentru o dinamica acceptabila în trafic, sa

spunem 200 Kw, cu un motor Diesel de 500 Kw. Avantajul

imediat al metodei, reducerea emisiilor poluante prin

folosirea motorului la mai putin de jumatate din putere, în

zona de consum specific minim de combustibil. Motoarele

sunt mai lente, arderea desfasurându-se mult mai bine, mai

complet, mai curat. Investitia initiala, mai mare pentru un

motor mai puternic, se amortizeaza prin cresterea foarte

pronuntata a fiabilitatii acestuia.

b) Generalizarea supraalimentarii cu turbocompresoare

a

motoarelor de putere medie si mare.

c) Sisteme de injectie de înalta presiune care

realizeaza o pulverizare foarte fina a combustibilului în

camera de ardere. Ca urmare, combustia se desfasoara mult

mai bine, emisiile poluante reducându-se substantial.

d) Îmbunatatirea calitatii combustibilului Diesel

utilizat. Se cauta reducerea, pe cât posibil, a fractiilor grele

din combustibil si a continutului de sulf, Tabelul 5.4.


130

TABELUL 5.4. Compozitia medie a

combustibililor Diesel.

PROPRIET|}I

MOTORIN|

CONVEN}IONAL|

ROMANIA

DUP| NORME

VEST-

EUROPENE

Densitatea la 15oC

[g/cm3]

0.8347 0.800

Temperatura minima de fierbere oC

165 180

Temp. pt. 10% distilat




287 oC

2o8 oC

352 oC

380 oC

- - -

285 oC

Punct de inflamabilitate

oC

65

>55

Continut de sulf

% în greutate

0.04

<0.001

Vâscozitatea la 40 oC (cSt)

3.2

2.5 – 3.5

Apa (mg/Kg) 100 <500

Cifra cetanica 56 >50 Carbon

rezidual la 10% 0.03 <0.2


131

Cenusa % (în greutate)

0.004 <0.01

Temperatura minima de

colmatere a filtrului prin

racire oC

-8

<-5

Continut hidrocarburi aromatice (% vol.)

nelimnitat

<5

Scaderea continutului de sulf din combustibil reduce

substantial emisiile poluante îmbunatatind eficienta

proceselor post combustie, de tratare prin filtrare a gazelor

de ardere [6]. Astfel, în tarile Scandinave, continutul de sulf

admis în motorina este de numai 10 ppm (greutate), din 1996.

Cheltuielile suplimentare legate de reducerea cantitatii de

sulf se ridica, dupa calcule economice efectuate în Germania

[7] la 0,4 DM/litru (1997). Din cauza capacitatilor reduse de

productie, legiferarea folosirii numai a motorinei cu continut

redus de sulf nu se va face înainte de anul 2005. Totusi, se

propune legiferarea unui continut maxim de 5o ppm., din

anul 2003. În USA strategiile de dezvoltare a unor motoare

Diesel cu injectie directa supraalimentat, cu un grad redus de

emisii poluante sunt prezentate în Figura 5.3.

Gradul general de poluare al motoarelor Diesel este

mai redus decât al motoarelor Otto datorita faptului ca au

un consum specific de combustibil, grame/kW.h, mai redus.


132

Deci, la aceeasi putere un consum mai mic de combustibil si o

poluare mai redusa, comparatia fiind ingreunata de

compozitia variabila a gazelor de ardere la motoarele

Diesel, în functie de sarcina si turatie.

FIGURA 5.3. Etapele urmate de dezvoltarea

motoarelor Diesel în USA. Sunt prezentate

posibilitatile motoarelor supraalimentate cu racire

intermediara a aerului aspirat si injectie directa.

Emisiile de oxid de carbon CO si hidrocarburi nearse

HC, sunt în cazul motoarelor Diesel, cu uzuri în limite


133

normale, mult sub cantitatile emise de motoarele cu benzina

fara tobe catalitice de tratare a gazelor de ardere.

Emisiile de oxizi de azot NOx, sunt de asemenea

comparabile cu emisiile motoarelor cu benzina fara tratarea

catalitica a gazelor.

Tratarea catalitica a gazelor de ardere provenite de la

motoare Diesel, în tobe catalitice cu tripla actiune (TCT)

folosite la motoarele cu benzina nu este eficienta deoarece

motoarele Diesel lucreaza, asa cum am mai aratat, cu un

exces foarte mare de aer, ? = 1.35 – 2.2, sau chiar mai mult la

sarcini mici, iar TCT -urile lucreaza cu eficienta maxima într-

o fereastra foarte îngusta în jurul lui ? = 1.

Îmbunatatirile aduse procesului de ardere si

combustibilului folosit se pare ca nu sunt suficiente pentru a

reduce emisiile poluante ale motoarelor Diesel, în limitele

cerute de legislatia ce va intra în viguare în viitorul foarte

apropiat, din mai multe motive si anume:

a) Tehnologiile de reducere a emisiilor poluante,

îmbunatatite fiecare în parte, dar aplicate simultan pot

conduce la efecte contrare celor scontate. Solutia optima, de

compromis, din punct de vedere tehnologic poate fi

inacceptabila din punct de vedere al pretul de cost al

ansamblului propus, raportat la eficienta reducerii poluarii;

b) Disponibilitatea în proportii de masa a unor

componente mecanice sau combustibili Diesel îmbunatatiti,


134

poate fi mult sub cerinte, din cauze diferite si diferentiate

de la o regiune geografica la alta sau legislatiei neadecvate;

c) Noile tehnologii se aplica, sau vor fi aplicate, în

primul rând vehiculelor noi. Parcul de motoare vechi va fi

dificil de îmbunatatit din cauze obiective ca de exemplu,

incompatibilitati tehnice între noile tehnologii si vechile

motoare, sau subiective, cum ar fi, pretul de cost prea ridicat

al modificarilor .

Particulele emise de motoarele Diesel au fost gasite ca

având efecte carcinogene. În anii începutului de deceniu '80

aceste efecte au fost minimizate, considerându-se ca numai o

expunere îndelungata la o concentratie mare este daunatoare

sanatatii [8]. Studii recente, efectuate în California la

cererea "Air Resources Board", au scos în evidenta faptul ca

nu exista un prag minim sub care particulele ar fi

nedaunatoare. S-a constatat faptul ca în orice concentratii

oricât de mici, acestea îsi pastreaza acelasi potential de

periculozitate. Aceasta înseamna ca numai modificând

motoarele sau îmbunatatind calitatea combustibilului, chiar

obtinând rezultate foarte bune, acestea vor fi întotdeauna

inferioare, din punct de vedere al periculozitatii pentru

sanatate, sistemelor de filtrare a gazelor evacuate de motor

în atmosfera.

Acest lucru este evident daca tinem cont ca oricât de

curat ar functiona un motor Diesel, daca se filtreaza


135

gazele de ardere se reduc emisiile de particule cu cca.

90% .

Acesta este motivul pentru care filtrarea gazelor de

ardere la motoarele Diesel va deveni o tehnologie curenta

în viitorul apropiat, pentru a putea respecta limitele foarte

reduse ale emisiilor de particule impuse de legislatia în

domeniu.

V.3. ELEMENTE DE TEORIA FILTRARII GAZELOR

Reprezinta procesul de separare a particulelor dispersate

într-un fluid (lichid sau gaz) la trecerea acestuia printr-un

mediu poros. Mediul de dispersie poate fi un sistem în faza

gazoasa, mono-component sau sistem gazos format dintr-un

amestec de gaze, ori sisteme materiale în faza lichida. Dupa

faza în care se gaseste sistemul dispersant, procesul de filtrare

este denumit filtrarea liosolilor, daca mediul este lichid si

respectiv filtrarea aerosolilor, pentru mediu de dispersie gazos.

În cele ce urmeaza se va face referire mai ales la filtrarea

sistemelor fluide în stare gazoasa.

Parametrii ce caracterizeaza procesul de filtrare sunt

urmatorii:

a) Caderea de presiune “? p”. Filtrul se considera ca fiind

format dintr-un material poros, închis într-un recipient etans,

prevazut cu doua sisteme de racordare, pentru intrarea gazelor

si respectiv iesirea acestora, Figura 5.4.


136

FIGURA 5.4. Schema de principiu a unui filtru.

Între aceste doua zone, odata cu acumularea în filtru a

particulelor în suspensie, apare diferenta de presiune “? p”:

? p = p1 – p2 (1)

unde p1 este presiunea la intrarea în filtru, iar p2 presiunea la

iesirea din filtru. Acest parametru depinde de structura si

proprietatile fizice ale materialului filtrant (dimensiunile

porilor), de arhitectura si dimensiunile filtrului, de locul unde

este amplasat, de caracteristicile particulelor aflate în

suspensie sau de proprietatile fluidului dispersant. O importanta

la fel de mare o are si modul în care se formeaza depozitele de

particule în filtru.

Considerînd F1 fluxul de particule ce intra în filtru, F2

fluxul de particule ce parasesc filtrul, F3 cantitatea de particule

retinute de filtru în unitate de timp, este evident ca: F1 = F2 +

F3. Eficienta filtrarii “E”, este data de relatia (2).

E = F3/F1 = (F1 – F2) / F1 = F3 / (F3 + F2) (2)


137

Termenii ce definesc eficienta, respectiv F1, F2, si F3 se

pot exprima ca numar de particule, greutatea particulelor, sau

orice alta marime fizica cu variatie direct proportionala cu

variatia numarului de particule sau greutatii acestora.

Strâns legat de eficienta filtrarii se defineste o alta

marime caracteristica si anume, gradul de penetratie “P”.

E + P = 1 (3)

Aceasta marime este folosita pentru a defini scaderea

concentratiei particulelor dupa trecerea prin filtru. Astfel,

pentru o valoare a lui E = 0.999, corespunde P = 10-3 sau P* = 103

ceea ce înseamna ca, trecând prin filtru concentratia

particulelor se va reduce de 103 ori.

O alta marime curent folosita pentru a caracteriza

fenomenul de filtrare este capacitate filtrului sau, altfel spus,

cantitatea de particule exprimata în unitati de greutate (grame

sau kg), pe care filtrul este capabil sa le retina între doua

curatiri succesive sau înlocuire. Capacitatea filtrului este data,

în functie de caderea de presiune ? p, pe categorii dimensionale

de particule.

Calitatea filtrului “Q*” este definita de relatia:

Q* = -lnP/? p (4)


138

Asfel, cu cât filtrul este mai bun cu atât Q* este mai

mare. Fiind o marime artificiala, adimensionala, Q* permite

compararea filtrelor indiferent de compozitia chimica,

proprietatile fizice, dimensiuni sau tipul constructiv.

Procesul de filtrare este puternic influentat de

proprietatile fizico-chimice ale particulelor, ale mediului de

dispersie si ale elementelor de filtrare.

Particulele dispersate se caracterizeaza prin: diametrul

particulei “dp”, sau distributia dupa marime. Proprietatile

particulelor în ansamblu sunt date de masa particulelor pe

unitate de volum “m”, sau densitatea “? p”. Alte marimi ce pot

caracteriza sistemul de particulele în suspensie sunt: sarcina

electrica, constanta dielectrica sau compozitia chimica.

Ansamblul de particule dispersat mai poate fi caracterizat prin

numarul de particule pe unitate de volum sau masa, greutatea si

volumul acestora raportata la o marime de referinta, sau

concentratia activa, în cazul în care particulele interactioneaza

chimic cu fluidul dispersant sau modulul de filtrare.

Fluidul dispersant se caracterizeaza prin viteza “v 0”,

densitatea “? g”, temperatura “T”, presiunea “pg”, vâscozitatea

dinamica “? ”, vâscozitatea cinetica “????? ???? ??“ si umiditatea.

Vâscozitatea, prin definitie, este proprietatea fluidului real de a

se opune curgerii sale în regim stationar, fara turbulente.

Efortul tangential de frânare “?” dintre doua straturi de fluid în

miscare relativa este data de legea lui Newton, expresia (5):


139

????????????????????? ?dc/dn (5)

dc/dn – gradientul vitezei dupa directia normala la

directia miscarii fluidului;

? ???factor de proportionalitate numit si “vâscozitate

dinamica”.

Fluidele care nu se supun acestei legi poarta

denumirea de fluide nenewtoniene. Vâscozitatea dinamica se

modifica în acelasi sens cu presiunea si în sens invers cu

temperatura. Aceasta marime se determina experimental în

conditii standard pentru fiecare fluid în parte.

Materialul din care este alcatuit modulul filtrant se

caracterizeaza prin dimensiuni geometrice generale precum:

lungimea modulului “L”, diametrul modulului “D”, suprafata

frontala a modulului perpendiculara pe directia de curgere a

fluidului “A”, suprafata activa “Aac” ce reprezinta fractia din A,

care este expusa efectiv curentului de fluid, grosimea peritilor

filtranti, sau densitatea canalelor de filtrare pe unitatea de

suprafata, pentru modulele de filtrare ceramice. Importanta

este si compozitia chimica a filtrului.

Ansamblul filtrului este caracterizat, în primul rând, prin

caderea de presiune ? p pe filtru, în conditii specifice (filtru

nou, filtru la limita de încarcare, filtru dupa regenerare sau

curatire). Eficienta filtrarii “E” depinde de absolut toti factorii

enumerati anterior. Iata de ce procesul filtrarii, desi pare un

fenomen simplu usor de urmarit, este în realitate foarte


140

complex si greu de cuantificat din cauza numarului mare de

parametri ce-l influenteaza.

Procesul de filtrare are doua faze distincte. În prima

faza, când filtrul este curat, procesul de filtrare are loc, în

principal, prin retinerea particulelor în structura poroasa a

filtrului prin asa numitul proces de coliziune. Depozitele de

particule din filtru, se considera ca nu influenteaza în nici un fel

procesul de filtrare, prezumtie simplificatoare, motiv pentru

care, ? p si E nu se modifica în timp. Aceasta faza este

cunoscuta sub denumirea de proces de filtrare stationar.

Practic se considera, pentru a simplifica procesul, ca acest tip

de filtrare se desfasoara, atunci când filtrul este nou sau

proaspat regenera, pentru o perioada de timp finita. În aceasta

faza a procesului de filtrare, se considera ca eficienta

coliziunilor particulelor cu materialul filtrant este maxima,

atingând valoarea E=1. În realitate, o parte din particulele

retinute initial de filtru se pot desprinde de acesta scapând

filtrarii. Procesul real de filtrare, în care particulele sunt în

parte retinute, în parte trec fara a fi oprite sau se desprind si

trec prin filtru, descriu procesul de filtrare asa numit

nestationar. În procesul de filtrare real eficienta coliziunilor

este E<1, procesul de adeziune al particulelor la materialul

filtrului fiind, de fapt, un proces continuu de adeziune si în

acelasi timp, de desprindere. În procesul de filtrare real odata

cu acumularea în filtru a particulelor, creste si caderea de


141

presiune ? p pe filtru, fenomen ce conduce la modificarea

eficientei procesului de filtrare în timp.

V.3.1. BAZELE TEORETICE ALE MODEL|RII

PROCESULUI DE FILTRARE

Pentru a rezolva problema de baza a teoriei filtrarii,

este necesara gasirea unei expresii care sa lege caderea de

presiune pe filtru, ? p si eficienta filtrarii E, de marimile ce

descriu calitatile si proprietatile particulelor, ale mediului

dispersant, precum si cele constructive ale filtrului. În cele

mai multe cazuri, teoretic, problema aprecierii prin calcul de

modelare a parametrului ? p, se rezolva prin aplicarea legilor

fizice ce guverneaza curgerea fluidelor prin medii poroase.

Modelarea fenomenelor fizice ce guverneaza factorul de

eficienta E al procesului de filtrare, este în realitate mai

complexa. Pentru a simplifica problema, se considera fibra ce

formeaza sistemul poros, ca fiind perfect cilindrica si asezata

perpendicular pe directia de curgere a fluidului. În procesul

real de filtrare, fibrele filtrului sunt asezate haotic pe

directia de curgere a fluidului, iar geometria si dimensiunile

lor se modifica odata cu retinerea în filtru a particulelor în

suspensie din fluid. Pentru descrierea cât mai exacta a

fenomenelor, se definesc mai multe marimi, dupa cum

urmeaza:

Ef – coeficientul de captura a fibrei;


142

J – viteza de formare a depozitului exprimat în

particule/unit.de timp;

? t – numarul de particule/unit. de timp;

Sc – suprafata desfasurata a fibrei ;

Cu aceste notatii se poate defini ? t, ca fiind integrala

pe suprafata “Sc” a marimii J. Se considera Sc ca suprafata

unui cilindru.

Definind:

n0 – concentratia particulelor în fluid, masurat în

particule/unit.

volum;

u 0 – viteza fluidului de filtrat în m/s;

SM – suprafata proiectiei fibrei într-un plan perpendicular

pe directia de curgere a fluidului;

Df – diametrul echivalent al fibrei, definit ca proiectie a

diametrului real al unei fibre pe planul SM.

Cu aceste notatii, coeficientul de captura ? t are forma:

? t = Ef * n0 * u 0 * SM = Ef * n0 * u 0 * Df (7)

(6)dsJS=t ? ???


143

unde ultima expresie a ecuatiei este legata de unitatea de

lungime a fibrei.

O definitie echivalenta a valorii Ef este data de raportul

dintre aria “Ar”, prin care trecând fluidul, toate particulele sunt

retinute si aria echivalenta SM. Astfel:

Ar = Ef * S M (8)

Coeficientul Ef mai este cunoscut si sub denumirea de

“coeficient de colectare”. În literatura de specialitate se

întâlneste des un coeficient, de obicei notat cu “T”, ca fiind

coeficientul de colectare pe unitate de volum filtru. Cu aceste

notatii se poate defini:

unde “Vf” reprezinta volumul filtrului. Daca se considera ca în

filtru intra N1 particule si ies N2 particule, se poate defini ? ca

fiind fluxul de particule ce intra prin suprafata “A” în unitate

de timp:

??????????????????????

???????? ???E * N1 * u0 * A (10)

A – suprafata de filtrare;

E – coeficient de proportionalitate ce corespunde de fapt

eficientei filtrarii.

(9) dV T V = ff ??? ?


144

Se defineste penetratia filtrului ca fiind:

P = N1 / N2 (11)

La baza fenomenului de filtrare stau mai multe fenomene

si mecanisme, care se influenteaza reciproc, în proportii ce

difera de la caz la caz. Mecanismele de formare a depunerilor

de particule în filtru pot fi definite dupa cum urmeaza:

a) Depozitare prin difuzie.

Conform acestui model, se considera ca traictoriile

individuale ale particulelor mici în suspensie nu coincid cu

directia principala de curgere a fluidului. Capturate de fibrele

filtrului din cauza miscarii Brown-iene, particulele difuzeaza în

masa materialului filtrant. Cu cât dimensiunea particulelor

descreste, cu atât intensitatea acestei miscari se accentueaza.

Acest fenomen este amplificat si de viteza redusa a fluidului

dispersant în filtru. Conform acestui model, particulele

difuzeaza în masa filtrului prin spatii din ce în ce mai mici pâna

nu mai pot trece si sunt retinute în materialul filtrului.

b) Interceptia directa

O particula este interceptata de suprafata materialului

filtrant când ea se apropie de fibra materialului filtrant, generic

de peretele filtrului, la o distanta mai mica sau egala cu

diametrul sau. În aceasta categorie se încadreaza particulele pe


145

clase dimensionale, parametru ce se modifica functie de

finetea filtrului. Cu cât finetea este mai mare cu atât diametrul

minim al particulelor “dp” colectate astfel este mai mic. Acest

mecanism de filtrare foloseste asa numitul efect de sita. Astfel,

particulele mari sunt retinute primele la intrarea în filtru,

particulele mai mici trecând printre fibrele filtrului sau golurile

din materialul ceramic al filtrelor pentru gaze de evacuare. Cu

cât aceste spatii sunt mai mici, cu atât trec tot mai putine

particule, din ce în ce mai mici, pâna când, destul de mici fiind,

ele sunt oprite în filtru prin impact direct cu fibra materialului

filtrant.

c) Filtrarea inertionala

Particulele dispersate, având o masa ce nu poate fi

neglijata, au inertie. La schimbarea brusca a directiei de

curgere a fluidului, particulele au tendinta de a-si pastra

directia initiala datorita inertiei. Acest fenomen este folosit

pentru construirea unor filtre inertionale, ce sunt astfel

concepute pentru a folosi la maximum aceasta proprietate.

Filtrarea inertionala se întâlneste la toate tipurile de filtre, ca

mecanism de filtrare, având o contributie variabila la realizarea

fitrarii, împreuna cu celelalte mecanisme. Fenomenul filtrarii

inertionale se accentuiaza odata cu marirea vitezei fluidului si a

cresterii masei particulelor.


146

d) Filtrarea electrostatica

Acest fenomen apare în mod spontan în timpul filtrarii,

în interiorul filtrelor, datorita încarcarii electrostatice atât a

fibrelor din filtrului cât si a particulelor. Fiind încarcate cu

sarcini diferite particulele sunt atrase si fixate de materialul

filtrului.

În acelasi timp, acest fenomen poate fi indus prin

electrizarea voita cu dispozitive special construite în acest scop.

Prin aplicarea acestei metode se urmareste marirea efricientei

de filtrare, mai ales în cazul particulelor de dimensiuni foarte

mici. Acest fenomen apare în mod spontan mai ales în filtrele

de aer, în general în filtrele pentru gaze, când acestea se afla

sub un anumit prag critic de umiditate.

V.3.2 EFICIEN}A FILTR|RII. INFLUEN}E.

Eficienta filtrarii notata anterior cu Ef este de fapt un sumus al eficientelor de filtrare pentru fiecare din mecanismele aratate anterior. Astfel:

Ef = ED + EI + EIN + EE , (12)

unde ED este eficienta filtrarii datorata mecanismului de

difuzie, EI pentru mecanismul de impact direct, EIN filtrare

inertionala , iar EE pentru filtrarea electrostatica. Este evident

ca fiecare mecanism în parte are o pondere diferita, de la caz la

caz, chiar pentru acelasi filtru si în aceleasi conditii,


147

considerînd depozitele ce se formeaza în interior, depozite ce

modifica ponderea diferitelor sisteme de filtrare chiar în timpul

procesului de filtrare.

Traictoria particulei în suspensie prin colector este data

de ecuatia:

m * dv/dt = Fe – Fm (13)

Aceasta expresie, a traictoriei particulei, se supune

legilor miscarii ale lui Newton, Fe fiind forta exterioara aplicata

particulei, iar Fm este forta corespunzatoare rezistentei

mediului. Daca se considera Fe = Fd + Fs, unde Fd este

componenta determinista*, iar Fs componenta stochastica**

si considerând ca, în regim cvasistationar de curgere, se

poate spune:

v – u = B * Fm (14)

unde B este mobilitatea particulei cu viteza “v”, ecuatia

anterioara devine:

m * dv/dt = Fd + Fs + 1/B * (u – v) (15)

Folosind variabilele adimensionale t’ = t * u0 /a , v’ = v/

u0 si u’ = u /u0 , se poate scrie:

2Sth * dv’ /dt’ + v’ – u’ = B/u0 * (Fd + Fs) (16)

Sth – numarul lui Stokes ( parametru inertional).

Expresia de mai sus este considerata ca fiind ecuatia de

baza a filtrarii.

-------------------

*Determinism - concept potrivit caruia toate fenomenele fizice

se afla în interdependenta, conditionându-se reciproc, si


148

supunându-se cauzalitatii, aceleasi cauze producând aceleasi

efecte.

** Stochastic – componenta probabilistica stabilita pe baza

datelor statistice.

V. 4. CONDITII INITIALE DE PROIECTARE A

SISTEMELOR DE FILTRARE A GAZELOR

DE ARDERE LA MOTOARELE DIESEL

Datele initiale de proiectare pentru sistemele de filtrare

a gazelor de ardere emise de motoarele Diesel depind de o serie

de factori tehnico – economici, cum ar fi:

- compozitia gazelor de ardere, care la rândul ei depinde

de tipul motorului, de caracteristicile sistemului de alimentare,

sau de felul combustibilului folosit;

- dimensiunile motorului, în special capacitatea

cilindrica;

- regimurile principale de lucru ale motorului, parametru

greu de apreciat deoarece acestea depind în totalitate de

utilizator, de maniera în care este condus vehiculul dotat cu

motor Diesel. Exceptie fac motoarele Diesel de turatie

constanta, care echipeaza, de exemplu, grupurile Diesel

-generatoare sau locomotivele Diesel-electrice în tractiunea

feroviara;

- reglementarile în viguare privind gradul maxim admisibil

de poluare pentru diferite categorii de motoare Diesel;


149

- cerinte speciale, impuse de utilizatori, legate în special

de procesul de întretinere/reparatie a sistemului de filtrare;

- pretul de cost al întregului sistem sau pretul partilor

componente.

Principial, metoda folosita pentru a "curata" gazele de

ardere emise de motoarele Diesel, este de a filtra gazele

trecându-le printr-o asa numita "capcana de particule", termen

utilizat în literatura de specialitate de limba engleza [10].

Pentru o buna functionare a sistemului, din timp în timp filtrul

se curata mecanic de particulele filtrate, sau se regenereaza

prin arderea particulelor retinute. Rezultatul procesului de

regenerare îl reprezinta un plus de apa, dioxid de carbon si o

cantitate de caldura suplimentara în gazele de ardere ale

motorului.

Problemele specifice de proiectare pe care le ridica

aceste sisteme sunt [11]:

- filtrele introduc o rezistenta gazo-dinamica

suplimentara pe traseul de evacuare al motorului, rezistenta ce

se concretizeaza printr-o cadere de presiune pe filtru, care nu

trebuie sa depaseasca 300-500 mm col. apa, pentru filtru curat

si 3.000 mm col. apa, pentru filtru înaintea procesului de

regenerare;

- în conditii normale de lucru ale motorului, sarcini pâna

la valori de 50-60% din puterea maxima, temperatura gazelor de

evacuare este insuficienta pentru a amorsa procesul de

autoaprindere a particulelor filtrate. Temperatura de


150

autoaprindere este cuprinsa între 500-600 grd.C, în functie de

compozitia particulelor;

- daca procesul de autocuratire se amorseaza, acesta

este foarte greu de controlat pentru a preveni distrugerea

filtrului prin încalzirea excesiva a acestuia;

- pentru reducerea temperaturii de autoaprindere si

controlul procesului de regenerare se folosesc mai multe

metode, ce vor fi detaliate ulterior. În functie de aceste metode

se face, de fapt, proiectarea filtrului;

- optimizarea dimensionarii filtrelor pentru a realiza un

optim legat de volum, eficienta filtrarii si pret de cost.

Daca se considera puterea medie pe care o va furniza

motorul în timpul exploatarii, ca fiind peste 50% din puterea

maxima, motorul se încadreaza în clasa de exploatare intensa

(grea). În aceste conditii temperatura medie a gazelor de

evacuare se va situa între 400-700 grd.C. Motoarele Diesel ce

echipeaza autoturisme sau autoutilitare usoare, cu greutate

proprie de pâna la 3500 kg se încadreaza în clasa de exploatare

normala. La acest regim de operare, care necesita în medie

pentru o dinamica optima a vehiculului, între 10-25 Kw,

temperatura gazelor de ardere va avea valori cuprinse între 200-

400 grd.C [12]. Daca se au în vedere pierderile de caldura de-a

lungul tubulaturii de evacuare, tratarea gazelor facându-se dupa

iesirea acestora din motor la o distanta cuprinsa între 1-3 m,

masurata de-a lungul tubulaturii de evacuare, considerând ca

mai apar si pierderile de caldura prin detenta în turbosuflantele


151

de supraalimentare (daca exista în arhitectura motorului),

temperaturile normale de lucru în zona de amplasare a filtrului

au valori cuprinse între 150-400 grd.C. Pentru clasa de

exploatare normala a motoarelor mai mici, de autoturism, în

circuitul urban s-au masurat temperaturi între 150 - 230 grd.C,

iar în ciclurile de testare interurbane (vezi Anexa), s-au masurat

temperaturi cuprinse între 240-350 grd.C. Temperatura redusa a

gazelor de ardere complica foarte mult proiectarea filtrelor de

particule, care vor fi mult diferite la camioanele grele,

comparativ cu filtrele pentru motoarele ce echipeaza

autoutilitare sau autoturisme.

Dimensionarea "capcanelor" de particule pentru

motoarele Diesel se face plecând de la volumul maxim de gaze

de ardere ce tranziteaza tubulatura de evacuare când motorul

este operat la turatia de putre maxima. Pentru sistemele de

filtrare destinate vehiculelor grele se recomanda o cadere

maxima de presiune pe filtru nu mai mare de 7-9 kPa, [13].

Regimul de curgere al gazelor prin elementele cu

sectiune constanta, conducte de evacuare sau canalele

modulului ceramic de filtrare este determinat de valoarea

criteriului Reynolds (Re).

? - densitatea gazelor de ardere [kg/m3]

vm - viteza medie a fluidului [m/s];

Dh - diametrul hidraulic al canalelor [m];


152

? - vâscozitatea dinamica [m2/s].

FIGURA 5.5. Variatia vitezei gazelor prin

canalele unor module ceramice de filtrare de diferite

dimensiuni, pentru debit constant de gaze.

Daca Re <2500, regimul de curgere este laminar si

respectiv, pentru valori mai mari regimul de curgere este

turbulent. În canalele modulului ceramic ale unui filtru obisnuit,

Re nu trebuie sa depaseasca valoarea Re=1000, curgerea fiind

laminara. Aceasta este, de fapt, o conditie esentiala de

proiectare. Curgerea turbulenta apare la conductele de legatura

la intrarea si iesirea din filtru. În Figura 5.5. este prezentata

variatia vitezei prin canalele unor module ceramice cu diferite

densitati ale canalelor [canale/in2] si diferite grosimi ale peretilor


153

(masurat în miimi de inch). Debitul de gaze este constant de

cca. 17 m3n/min.

Bibliografie

1) Romero A. F., Gutierrez R., Garcia-Moreno R., “Combustion

Processes of Particulate Matter and Soot in Ceramic Filter Traps

for Diesel Engines and Numerical Modelling”, SAE 970475, 1997.



3) Larsen C., Levendis Y. A., “An Integreted Diesel Engine ART-

EGR System for Particulate/NOx Control Using Engine Sensor

Inputs”, SAE 970477, 1997.

4) Schecter M. M., Levin B. L., “Camless Engine” SAE 960581,

1996.

5) Johnson J. H., Bagley S. T., Gratz L. D., Leddy D. G., “A

Review of Diesel Particulate Control Technology and Emissions

Effects”, SAE 940233, 1994

6) Walsh M. P., “ Global Trends In Diesel Emission Control – A

1998 Update”, SAE 980186. 1998.

7) Luders H., Stommel P., Backes R., “Applications for the

Regeneration of Diesel Particulate Traps by Combining Different

Regeneratio Sistems”, SAE 970470. 1997.

8) Hawher P. N., “Diesel Emission Control Technology”

Platinium Metals Rev., 39 - 1, 1996.

9) Matteson J. M., Orr C., Filtration:Principles and Practices,

2nd edition, Ed. PennWell, USA, 1998


154

10) Pattas K., Kyriakis N., Samaras Z., Pistikopoulos P.,

Ntziachristos L., “DPF on Particulate Size Distribution Using an

Electrical Low Pressure Impactor”, SAE 980544, 1998.

11) Opris C. N., Johnson J. H., “A 2-D Computational Model

Describing the Flow and Filtration Characteristics of a Ceramic

Diesel Particulate Trap”, SAE 980545, 1997.

12) Pattas K., Samaras Z., Patsatzis C., ”Cordierite Filter

Durability with Cerium Fuel Aditive”, SAE 920363, 1992.

13) Romero A., F., Pech R., Arambula G., Hernandez G., Teutle

J., “Heavy Duty Diesel Engines Emissions reduction Through

Filtering and Catalytic Combustion” , SAE 980538, 1998.

Filtre pentru particule folosite la motoarele Diesel ______________CAPITOLUL 6

155

VI. FILTRE PENTRU PARTICULE FOLOSITE LA MOTOARELE

DIESEL

Bazele teoretice ale filtrarii gazelor de ardere au fost

precizate, în # V.2.3.1. Practica a impus trei tipuri de filtre. În

continuare se vor prezenta mecanismele ce stau la baza

procesului de filtrare în cele trei cazuri [1].

Primul tip de filtru, Figura 6.1a., cunoscut si sub numele

de filtru de impact, este confectionat dintr-o împletitura din

fibre metalice subtiri sau o spuma ceramica, tip burete, cu

canale de dimensiuni mari. În acest tip de filtru particulele sunt

retinute prin impact. În trecerea lor prin filtru, acestea se

lovesc de peretii rugosi ai blocului ceramic si se blocheaza

ramânând prinse în interior. Dupa saturare, acest tip de filtru,

nu mai retine perticule, dar nu împiedica trecerea în

continuare a gazelor, caderea de presiune fiind foarte mica.

Al doilea tip de filtrare, denumita si filtrare difuziva,

Figura 6.1b., foloseste ca material de filtrare un bloc ceramic

poros strabatut de canale de sectiuni si densitati

(canale/unitate de suprafata) diferite de la caz la caz. La

trecerea gazelor de ardere, particulele se prind de peretii

purosi ai canalelor si patrund lent spre interior prin spatii din ce

în ce mai mici într-un proces ce poate fi asemanat cu difuzia

lichidelor într-un material poros. Dupa saturarea filtrului,

canalele principale de dimensiuni mari ramân libere, gazele


156

trecând fara a mai fi filtrate. La fel ca în cazul precedent,

caderea de presiune pe filtru este foarte mica.

Eficienta filtrarii acestor doua sisteme nu depaseste 60-

70%, dar au avantajul ca nu blocheaza trecerea gazelor o data

saturate. Aceste elemente de filtrare pot fi regenerate sau

înlocuite o data saturate.

În Figura 6.1c. este prezentat tipul cel mai utilizat de

filtrare, modul ceramic monolit, ce presupune retinerea în

filtru a 90-95% din particule. Gazele de ardere sunt fortate sa

treaca prin peretii canalelor, ce se formeaza la fabricare în

modulul ceramic de filtrare, particulele depunându-se pe

peretii interiori ai canalelor, formând depozite din ce în ce mai

groase. Porozitatea peretilor blocului ceramic este foarte mica,

eficienta filtrului crescând pe masura ce aceste canale se

obtureaza. Odata complet obturate, gazele de ardere nu mai

pot trece sau trec foarte greu, filtrul fiind saturat, moment în

care acesta trebuie sa intre într-un proces de regenerare.

Modulul filtrant se confectioneaza dintr-un amestec de silicati

de magneziu si silicati de aluminiu. Eficienta filtrarii este foarte

buna, dar necesita sisteme de regenerare a filtrului, sisteme

ce complica constructiv întreg sistemul de filtrare.

Considerând dimensiunea medie a unei particule ca fiind

de 0.2 microni si o eficienta a filtrarii de 90%, pentru un

continut mediu de particule în gazele de ardere de 0.2

g/km, filtrul trebuie sa colecteze în medie 18 g de particule

la 100 km. Daca filtrul necesita regenerarea când a retinut mai


157

mult de 25g particule, intervalul de regenerare optim ar fi de

cca. 150 km.

Aceste date sunt valabile pentru un volum efectiv al

modulului de filtrare de aproximativ 1/2 din capacitatea

cilindrica a motorului, [2, 3, 4]. Studii de optimizare au

demonstrat ca o crestere exagarata a volumului filtrului nu este

justificata, intervalul dintre doua curatiri nu creste proportional

cu volumul filtrului, ci mult mai lent [4]. În acelasi timp, marind

volumul filtrului acesta este mai dificil de regenerat, necesitând

un timp mai îndelungat, calitatea regenerarii fiind mai redusa.

Deasemenea, marind exagerat dimensiunile filtrului cantitatea

de particule filtrate creste mult, iar în momentul regenerarii

filtrului prin incinerarea particulelor, cantitatea de caldura

degajata poate duce la depasirea temperaturii maxime la

care modulul ceramic rezista.


158

FIGURA 6.1. Principalele tipuri de filtre ce pot fi

utilizate la curatirea gazelor de ardere la motoarele

Diesel.


159

VI.1. DIMENSIONAREA FILTRELOR DE PARTICULE

PENTRU MOTOARELE DIESEL

Dimensionarea filtrelor se face, teoretic, pentru doua

situatii.

a) Pentru a determina volumul minim al filtrului (Vmin),

s-a impus ca fiind suficient de precisa relatia (3.2) [4].

Conditiile de regenerare optime pentru un filtru, fara

strat catalitic în interiorul canalelor, presupun o temperatura a

gazelor de ardere de cel putin 650 grd.C si o concentratie a

oxigenului de 10 % în gazele de evacuare.

Vg - Volumul gazelor de eacuare, se considera volumul

maxim,

motorul functionând la sarcina maxima [m3/s];

T - Temperatura absoluta a gazelor de ardere [K];

? F - Randamentul estimat al filtrarii, se considera ca

fiind 90%;

A - Factor specific de regenerare, ce depinde de

frecventa


160

regenerarilor. Se recomanda A=7700 [Nm3/g.s];

E - Energia de activare , E= 54,5 [kJ/mol];

C(O2) - Concentratia oxigenului în gazele de ardere.

Cu aceste date se obtine conditia de viteza minima a

gazelor de ardere în timpul procesului de regenerare si anume

wmin=15 m/s.

b) Determinarea volumului maxim. Pentru a obtine

conditiile de temperatura si cantitatea de oxigen minima

necesara regenerarii filtrului, se aduce motorul aproape de

turatia maxima permisa constructiv în gol, fara sarcina. Se lasa

motorul sa functioneze în acest regim trei pâna la cinci minute,

perioada dupa care filtrul se considera ca fiind regenerat.

Având aceste valori se poate calcula volumul maxim al filtrului

Vmax pentru cazul dat, ec (2).

L - Lungimea unui canal din modulul ceramic al filtrului [m].

Studiile efectuate în aceasta directie, a dimensionarii filtrelor

de particule, evidentiaza faptul ca este realist sa se foloseasca

module de filtrare, de obicei cilindrice, cu un volum optim

efectiv nu mai mare de 2.5 dm3 cu o lungime de cca. 0.12m.

Studiile scot în evidenta avantajele folosirii mai multor filtre de

acest fel în paralel, daca capacitatea cilindrica a motorului este

mai mare de dublul volumului optim, cu respectarea conditiei


161

de viteza minima la intrarea în filtru în timpul secventei de

regenerare (wmin). Se pot folosi doua sau mai multe filtre în

paralel. Metoda are avantajul maririi intervalului dintre doua

curatiri, dar pot avea dezavantajul unei curatirii imperfecte

datorita volumului prea mare al filtrului si dificultatii atingerii

parametrilor minimi de viteza si temperatura a gazelor de

ardere în tot volumul filtrului în perioda regenerarii.

În Figura 6.2. este prezentat modul în care se manifesta

gradul de încarcarea cu particule a unor filtre, considerând

diferite valori ale randamentului de filtrare si un numar

variabil de filtre montate în paralel, functie de putere

motorului [5].

Alegerea numarului de filtre ramâne, în esenta, o

chestiune pur economica. Costul tehnologiei de filtrare si

implicit de regenerare a


162

FIGURA 6.2. Alegerea numarului de filtre, în

functie de efcienta filtrarii si puterea motorului.

FIGURA 6.3. Temperatura în timpul regenerarii

filtrului, functie de continutul de oxigen din gaze si

gradul de incarcare a canelelor filtrului


163

Se observa ca, la randamente reduse ale filtrarii, sub

90%, nu este economic a se folosi mai mult de un filtru. Pentru

randamente ale filtrarii de cel putin 90% se impune un calcul

de eficienta economica pentru a stabili numarul optim de filtre

ce vor fi folosite.

Studierea fenomenului de regenerare a relevat faptul

ca acest proces trebuie sa intervina în functionarea filtrului,

când acesta a acumulat cca. 10 g de particule/dm3 volum filtru,

din mai multe motive si anume:

- o cantitate mai mare de particule acumulata în filtru

poate conduce la temperaturi prea mari în timpul regenerari,

temperaturi ce pot distruge filtrul;

- caderea maxima de presiune pe filtru nu este economic

sa depaseasca 300 mbar (0.3 bar) deoarece, o data cu cresterea

acesteia scade economicitatea motorului;

- folosind primele doua conditii, ca date de proiectare

ale filtrului, se obtine optimizarea pretului de cost al acestuia.

În Figura 6.3. este prezentata dependenta temperaturii filtrului

masurata la peretele canalului, functie de încarcarea acestuia si

a continutului de oxigen din gazele de ardere [4]. Se observa ca

temperatura maxima în timpul regenerarii poate atinge valori

ce depasesc 1100 grd.C, mult peste 900 grd.C, temperatura

stabilita expermental, ca fiind limita superiora pâna la care

rezista filtrul fara sa se deterioreze. Din aceasta cauza,

regenerarea acestui tip de filtru, simplu fara strat catalitic în


164

interiorul canalelor, trebuie facuta pe timpul stationarii

vehiculului, cu motorul aproape de turatia maxima, în gol,

pentru a nu depasi 600-650 grd.C, temperatura gazelor la

intrarea în filtru si un continut de oxigen nu mai mare de 10%,

asa cum am precizat anterior. Pentru a scoate în evidenta

capacitatea de filtrare, trebuie precizat ca o încarcare de 100%,

pentru exemplul din Figura 6.3., înseamna cca. 30 mg de

funingine (particule) retinute în filtru.

În Figura 6.4. este prezentat modul în care se face

circulatia gazelor si procesul de filtrare într-un filtru simplu

ceramic de tip Corming EX 47 cu 100 de canale/in2 (1in2 = 6.452

cm2) si grosimea peretelui de 0.017 inch. Rezulta o densitate de

16 canale/cm2 cu o grosime a peretelui de cca. 0.45 mm [3].

FIGURA 6.4. Schematic, procesul de filtrare a


165

gazelor de ardere într-un filtru ceramic de tip

monolit.

Acest filtru are o structura de tip fagure cu canale de

sectiune patrata. Canalele sunt alternativ înfundate la unul din

capete “ Ci “ si respectiv canal liber “Cl”. Gazele de ardere

intra prin canalele deschise, sunt fortate sa treaca prin

peretele poros al monolitului si ies filtrate prin canalele

deschise spre iesirea din filtru. Particulele sunt retinute la

trecerea gazelor prin peretii porosi ai canalelor.

În Figura 6.5. este prezentat mecanismul de retinere a

particulelor în canalele filtrului [5].

Într-o prima faza (6.5a), particulele se depun uniform de-

a lungul peretilor canalului. Într-o serie de faze ulterioare

(6.5b, 6.5c) în canale se depune funinginea (particulele)

progresiv pe toata sectiunea acestuia dinspre partea închisa

spre intrarea în canal.

Acest fenomen este datorat, în special, faptului ca

particulele de dimensiuni mai mari, având o inertie mai mare,

strabat canalul pe toata lungimea depunându-se dinspre interior

spre intrarea în canal. Regenerarea filtrului se face în sens

invers (6.5d), de la intrare spre capatul închis al canalului.

Acest mecanism al depunerilor face ca marea majoritatea a

filtrelor sa se deterioreze, din cauza supraîncalzirii în timpul

regenerarii, în zona de iesire a gazelor din filtru. În aceasta

zona, se acumuleaza particule de dimensiuni mari care ard timp


166

mai îndelungat ridicând local temperatura peste limita maxima

suportata de materialul filtrului, iar ca urmare acesta se

deterioreaza. Mecanismul real este mult mai complex si dificil

de cuantificat, daca se considera si cresterea de temperatura

datorata faptului ca, la începutul regenerarii temperatura

gazelor este relativ scazuta (600-650 grd. C), dupa care aceasta

creste pe masura ce depunerile încep sa fie arse, atingând

maximul în capatul închis al canalului, unde circulatia gazelor

se face cu dificultate, motiv pentru care efectul de racire

datorat gazelor care vin de la motor este mai putin resimtit.

Efectul de racire apare ca urmare a faptului ca temperatura

gazelor de evacuare ce intra în filtru este mai scazuta decât

temperatura interna a filtrului în timpul regenerarii.

Teoretic, se considera ca reactia de oxidare a

particulelor retinute se face în toata masa depunerilor, prin

difuzia gazelor fierbinti iesite din motor cu viteza “wg”, în

masa acumularilor, Figura 6.6. În acest lungimea canalului “lc”,

cu viteza de difuzie “wd” a gazelor fierbinti în masa de

particule retinuta în canalele filtrului caz, se pleca de la

ipoteza ca, viteza de reactie este direct proportionala

cu


167

FIGURA 6.5. Schema de principiu a formarii

depunerilor în canalele filtrului ceramic monolit.

lungimea canalului ”lc”, cu viteza de difuzie “w d” a gazelor

fierbinti în masa de particule retinute în canalele filtrului

ceramic si lungimea “l” a depunerilor. În primul caz (a), canalul

este aproape obturat spre capat, astfel încât viteza de trecere

a gazelor în aceasta zona este aproape nula, regenerare

facându-se dinspre intrare spre capat, asa cum am precizat

anterior. Temperatura maxima de regenerare va fi mare

existând pericolul depasirii limitei superioare admise pentru

materialul ceramic, care se poate deteriora. În cazul (b),

canalul este mai putin încarcat, iar viteza de curgere a gazelor

“wg” este vizibil mai mare decât în cazul precedent,


168

regenerarea facându-se, în acest caz, mai rapid si la o

temperatura maxima mai redusa.

Aceaste ipoteze sunt corecte, deoarece explica constatarea

practica si anume ca, temperatura creste foarte mult daca

canalele sunt prea

lungi, motiv pentru care este necesara limitarea lungimii

acestora. La lungimi prea mari, masa de funingene în reactie la

regenerare este prea mare, conducând la supraîncalzirea

modulului ceramic al filtrului si implicit deteriorarea sa.

FIGURA 6.6. Schema de principiu a

procesului de regenerare.


169

Recapitulând, se precizeaza în continuare, pe scurt,

principalele date practice de proiectare în constructia filtrelor

ceramice pentru motoare Diesel.

a) Volumul modulului ceramic al filtrului trebuie sa fi cel

putin 1/2 din capacitatea cilindrica a motorului.

b) Volumul minim se poate calcula cu formula (1), iar

dimensiunile generale ale filtrului (diametru sau aria sectiunii)

se stabilesc pentru o lungime optima a canalelor cuprinsa între

120-150 mm (stabilita experimental). Daca canalele sunt mai

scurte, filtrul se satureaza prea repede si rezulta un diametru

prea mare, pentru un volum dat. Daca canalele sunt mai lungi

decâ optimul admis, temperatura peretelui ceramic poate

atinge valori periculoase pentru integritatea modulului, în

timpul regenerarii.

c) Cantitatea maxima de particule retinuta în filtru între

doua regenerari nu trebuie sa depaseasca cca. 10 g/dm3 volum

modul ceramic.

d) Temperatura gazelor la intrarea în filtru în timpul

regenerarii trebuie sa fie cuprinsa între 630 - 650 grd.C.

e) Caderea de presiune maxima a gazelor de ardere la

trecerea prin filtru nu trebuie sa depaseasca 0.3 bar, înaintea

regenerarii.

f) Regenerarea se face cu vehiculul oprit, aducând

motorul la turatia maxima în gol pentru o perioada de 3 - 5 min.

Se impune acest procedeu pentru a nu supraîncalzi filtrul,


170

acesta fiind regimul la care se obtine temperatura optima de

regenerare (650 grd. C) si debit maxim de gaze.

g) Oxigenul din gazele de ardere în timpul regenerarii

trebuie sa fie la o concentratie optima de cca. 10%.

h) Sistemul de filtrare trebuie sa fie dotat cu un senzor

de presiune pentru a masura caderea de presiune a gazelor de

ardere la trecerea prin filtru. Daca aceasta depaseste o valoare

predeterminata senzorul declanseaza o semnalizare sonora sau

optica pentru ca operatorul vehiculului sa înceapa secventa de

regenerare. O instalatie de calitate trebuie sa posede si un

senzor de temperatura la intrarea gazelor în filtru. Temperatura

trebuie afisata pe panoul de bord al vehiculului, având indicata

vizibil valoarea de 600-650 grd.C, optima pentru regenerare.

Sistemul trebuie dotat cu un by-pass comandat de la


171

FIGURA 6.7. Schema de principiu a unei

instalatii simple de filtrare a gazelor de ardere pentru

motoare Diesel 1- Senzor de presiune în amonte filtru;

2 - Senzor de presiune în aval filtru;

3 - Senzor de temperatura la intrarea gazelor în filtru;

UCC - Unitate de comanda si control;

S - Semnalizare filtru saturat;

T – Temperatura gazelor de ardere la intrarea în filtru;

AC – Actionarea servomecanismului valvei by-pass.

distanta, care odata deschis sa permita ocolirea filtrului în cazul

în care acesta, din diferite motive, este saturat si nu poate fi

regenerat.

Schema de principiu a unei astfel de instalatii este

prezentata în Figura 6.7.

VI.2. PRINCIPII GENERALE DE REGENERARE A

FILTRELOR PENTRU PARTICULE

Conditiile tehnice generale pe care trebuie sa le

îndeplineasca un sistem de filtrare a gazelor de ardere pentru

motoarele Diesel ce echipeaza autoturisme, microbuze,

camionete sau camioane usoare sunt, urmatoarele [6]:


172

- Sistemul trebuie sa fie cât mai simplu;

- Sistemul trebuie sa fie fiabil, sigur în exploatare si

eficient;

- Costurile de fabricatie si exploatare sa fie în limite

optime având în vedere eficienta filtrarii;

- Costurile legate de întretinerea sistemului pe durata

normata de viata a acestuia, sa fie cât mai mici posibil;

- Sistemul sa fie sigur în functionare, atât fata de

ocupantii vehiculului cât si fata de toti participanti la trafic, în

general.

Materialele cele mai accesibile, ce pot fi utilizate la

confectionarea filtrelor de particule sunt:

- materiale ceramice având la baza oxizi de aluminiu si

magneziu;

- materiale ceramice pe baza de cordierita;

- sticla ceramica;

- filtre din carbura de siliciu;

- fibre metalice, simple;

- filtre din pulberi metalice sinterizate;

- elemente de filtrare cu o structura de pâsla, pe baza de

fibre metalice.

Aceste materiale au eficiente de filtrare foarte

apropiate, motiv pentru care, alegerea unuia sau altuia se face

în functie de cerintele specifice fiecarui tip de motor în parte,

factorilor economici si în functie de tehnologia disponibila [7].


173

Sistemele de regenerare a filtrelor se împart, în mare, în

doua categorii: sisteme de regenerare pasive si sisteme de

regenerare active.

Sistemele de regenerare pasiva, se bazeaza pe

autoregenerarea automata a filtrelor când se îndeplinesc o

serie de conditii. Mecanismul de regenerare este autoreglabil, în

conditii de functionare normala si trebuie sa functioneze fara un

sistem separat de comanda sau control. Aceste sisteme se

împart în doua grupe, dupa tehnologiile folosite la regenerare

si anume:

a) Aditivarea combustibilului Diesel cu substante care

sa faciliteze procesul de regenerare a filtrelor. Acesti aditivi au

rolul de a reduce temperatura la care se amorseaza procesul de

aprindere a depunerilor din filtru [8]. Aditivii se amesteca în

combustibilul Diesel, luând parte activa, într-o prima faza, la

oxidarea acestuia în camera de ardere a motorului, pentru ca

apoi ajunsi în filtru sa usureze oxidarea particulelor retinute de

acesta, prin reducerea temperaturii de autoaprindere [9].

Acesti aditivi, pe baza de compusi organici ai metalelor,

contin Fe, Cu, Na, Mn, K, Ce, etc. reducând semnificativ

continutul de particule din gazele de ardere evacuate de motor

prin efectul catalitic de oxidare a funinginei ce apare în mod

normal în camera de ardere a motorului.


174

TABELUL 6.1. Aditivi pentru motorina cu efect

catalitic în procesul de regenerare a filtrelor de

particule

COMPUSUL METALIC METALUL

Carbonat, sulfat; Ba - bariu

Carboxilat, naftenat, sulfonat; Ca - calciu

Carboxilat, carbonat Ce - ceriu

Naftenat, carboxilat, octoat; Cu - cupru

(Cetat,naftenat,octoat) + Compusi

organuici cu Ce,Mn,Pb;

Cu - cupru

Acetilacetonat,carboxilat,ferocen,naften

at;

Fe - fier

t- butoxi(derivat al butanului); Li - litiu

Carboxilat, oxid, sulfat,

metilciclopentadienil-Mn-tricarbonil;

Mn - mangan

t-butoxi (derivat al butanului); Na - natriu

Naftenat; Ni - nichel

Naftenat, tetra – etil; Pb - plumb

Carboxilat Zn - zinc

Ajunse în filtru de particule, aceste substante reduc

temperatura de autoaprindere a particulelor la valori cuprinse

între 250-375 grd.C, cu conditia functionarii în regim constant a


175

motorului. În Tabelul 6.1. sunt prezentati cei mai utilizati

compusi organici ai metalelor folositi ca aditivi ai motorinei.

Eficienta acestor aditivi este, din pacate, foarte mult

influentata de constructia motorului. Astfel, s-a observat o

scadere a eficientei aditivilor la motoarele supraalimentate si

diferente mari la temperatura de autoaprindere a acumularilor

din filtru la motoarele cu injectie directa fata de cele cu

injectie indirecta [10]. Se recomanda a se considera ca cea mai

probabila o temperatura de 350-375 grd.C pentru initierea

autocuratirii filtrului. Amintind faptul ca, fara aditivi

temperatura de autoaprindere a particulelor din filtru este de

600-650 grd.C, aditivarea combustibilului este o optiune ce

trebuie luata în considerare la proiectarea filtrelor de particule.

b) Module ceramice de filtrare cu acoperamânt

catalitic în interiorul canalelor de filtrare. Acest procedeu,

care are la baza principiul de functionare si constructia tobelor

catalitice pentru motoarele Otto, foloseste un acoperamânt cu

proprietati catalitice pe baza de metale din grupa platinei sau

metale folosite la aditivarea combustibilului, Tabelul 6.1.

Avantajul acestei metode este, în primul rând, acela ca reduce

pierderile de substante catalitice, preîntâmpina formarea în

filtru a depozitelor de compusi derivati ai metalelor folosite la

aditivarea motorinei, depuneri ce pot reduce semnificativ

suprafata activa a filtrului si elimina procesul de aditivare a

motorinei.


176

Stratul catalitic astfel depus, reduce temperatura de

autoaprindere a depunerilor din filtru la 350-420 grd.C.

Dezavantajul major al acestei metode este acela ca efectul

catalitic nu se face simtit, sau efectul este foarte slab, daca în

filtru se aduna un strat prea gros de particule, din cauza

temperaturilor prea reduse a gazelor de ardere, temperaturi ce

nu au atins pragul critic de cca. 400 grd.C cerut pentru

declansarea procesului de autocuratire. De aici deriva si o

problema de fiabilitate. Arderea unei cantitati prea mari de

particule acumulate în filtru conduce la temperaturi prea mari

ale acestuia în perioada de regenerare, fenomen ce poate

distruge filtrul sau stratului catalitic din canalele de filtrare.

Sistemele active de regenerare a filtrelor de particule

sunt astfel concepute încât sa declanseze secventa de curatire a

filtrului independent de regimul de functionare a motorului,

comanda de începere a secventei de regenerare fiind data de

caderea de presiune a gazelor de ardere la trecerea prin filtru.

Principalele sisteme active utilizate la regenerare filtrelor de

particule sunt:

a) Injectarea de substante catalitice în gazele

de evacuare. Folosirea acestui procedeu presupune

injectarea în tubulatura de evacuare, între motor si filtru, a

unor substante catalitice în faza lichida ce produc

autoaprinderea funinginei depuse în filtru [9], la temperaturi

mai mici de 600 grd C. Aceste substante sunt de tipul celor

folosite la aditivarea motorinei, Tabelul 6.1. Dezavantajul


177

acestor sisteme este acela ca amestecul gaze de ardere-aditiv

nu este omogen la intrarea în filtru. Ca urmare, aprinderea

funinginii nu se face uniform în tot volumul filtrului ci

punctual în anumite zone, în care sunt îndeplinite conditiile

de amorsare a autoaprinderii particulelor, procesul de

curatire, de multe ori, având o eficienta redusa. Astfel, se

poate produce o crestere continua a masei de particule

acumulate, urmata de o ardere violenta a acestora, atunci

cînd gazele de ardere ating temperaturi mari la evacuare,

datorita exploatarii motorului într-un regim de putere mai

ridicat. Ca o consecinta, a acestei arderi necontrolate, exista

pericolul supraîncalzirii modulului ceramic filtrant si

distrugerii sale. Cercetarile au aratat ca efectul catalitic

este mult mai eficace daca catalizatorul este depus pe

peretii canalelor filtrului si nu amestecat cu particulele în

stratul depus în filtru. De fapt, acest sistem este preluat din

tehnologiile de prelucrare a gazelor de evacuare în instalatii

de ardere industriale, unde procesul de combustie poate fi

mai usor si mai bine controlat, la fel si procesul de

omogenizare a amestecului gaze de ardere – substanta

catalitica, eficienta tratarii în filtrele industriale fiind mult

superiora celei obtinute în filtrele ce echipeaza motoarele

Diesel pentru vehicule.

b) Ridicarea temperaturii gazelor de ardere cu ajutorul

unui arzator cu motorina plasat înaintea filtrului de

particule . Problemele tehnice ridicate de constructia unui


178

astfel de sistem nu sunt simple deoarece, parametri

termodinamici ai gazelor de ardere se modifica continuu în

functie de cerintele traficului. Pentru a fi eficient sistemul

trebuie sa aiba o putere calorica [kJ/s] foarte mare. În plus,

trebuie avut în vedere ca arzatorul are nevoie de aer

suplimentar, iar contra-presiunea din tubulatura de evacuare

este variabila în limite destul de largi. Ca o solutie de

compromis, pentru a reduce puterea arzatorului, se foloseste un

sistem de filtrare cu doua filtre în paralel care lucreaza

succesiv. În timp ce un filtru este în lucru, celalalt este în faza

de regenerare. Sistemul are dezavantajul unui consum

suplimentar de motorina pentru amorsarea autoaprinderii în

filtrul supus regenerarii. Avantajele acestei configuratii sunt, în

primul rînd, o eficienta ridicata a procesului de regenerare,

posibilitatea protejarii filtrului printr-un control riguros a

temperaturii de regenerare si faptul ca foloseste drept

combustibil tot motorina. În schimb, datorita complexitatii

constructive si implicit a pretului de cost ridicat, acest sistem

este dificil de utilizat în proportii de masa la motoarele pentru

autoturisme sau utilitare de capacitate mica si medie. Folosirea

acestor sisteme este eficienta pentru autobuze, camioane grele

sau grupuri de putere Diesel-generatoare stationare.

c) Încalzirea electrica a filtrului de particule este

solutia care, se pare, va avea câstig de cauza în cazul

motoarelor Diesel de putere mica si medie, pâna la puteri de

120 Kw. Aceste sisteme, principial, încalzesc electric, fie direct


179

gazele de ardere ce intra în filtru, fie peretii filtrului prin

intermediul unor rezistente plasate la intrarea în canalele de

filtrare, fie modulul ceramic în ansamblu, acesta constituindu-

se ca o rezistenta electrica de sine statatoare. Avantajele

acestui sistem sunt multiple: constructie relativ simpla,

fiabilitate ridicata, usor de automatizat si controlat, pret de

cost accesibil pentru o productie în proportie de masa.

Dezavantajul major este acela al unui consum ridicat de energie

electrica. Reducerea consumului de energie si ridicarea

eficientei generale a sistemului de regenerare cu încalzire

electrica sunt directiile actuale de cercetarea în domeniu.

d) Regenerarea filtrului folosind oxizii de azot ce apar

în gazele de ardere evacuate de motoarele Diesel. Amestecul

de oxizi de azot are o componenta medie repartizata astfel:

NOx = (0.7 – 0.95)NO + (0.3 – 0.05)NO2 , în functie de

sarcina motorului si implicit regimul termic al acestuia.

Rolul catalizatorului, de oxidare într-o prima faza, este

de a creste procentul de NO2 pâna la cca. 50% din totalul NOx.

Mecanismul oxidarii catalitice a particulelor se reduce în

esenta la utilizarea oxigenului continut de NOx în procesul

oxidarii (arderii) particulelor emise de motor. În acest proces,

NO2 este mai întâi redus la NO, iar apoi la azot molecular (N2).

În acest fel se reduce în mod drastic cantitatea de particule si

de NOx degajate de motor.


180

Acest proces cunoscut în literat sub acronimul CRT

(Continously Regenerating Trap), filtru de particule cu

regenerare continua se realizeaza în doua etape.

Oxidarea particulelor se deafasoara astfel: într-o prima

etapa, un filtru ceramic pentru particule acoperit cu un strat

catalitic de platina, retine particulele emise de motor,

particule care într-o faza ulterioara sunt oxidate continuu de

dioxidul de azot (NO2) generat de un catalizator de oxidare pe

baza de platina, plasat înaintea filtrului.

Reactiile chimice catalizate de platina ce acopera atât

modulul catalitic de transformare a NO în NO2 cât si filtrul de

particule sunt:

NO + ½ O2 ? NO2 , iar

CO + ½ O2 ?CO2 , în acelassi timp se oxideaza partial

atât HC (hidrocarburile nearse) cât si SOF (fractiile organice cu

sulf) existente în gazele de ardere.

În filtrul ceramic are loc reactia de oxidare a carbonului

continut de particule dupa reactia generala:

NO2 + C (activat) ?CO2 + ½ N2.

Pentru a mari randamentul oxidarii particulelor se

foloseste un rector cu plasma(scânteie electrica, care activeaza

aglomerarule carbonoase continute de particule.

În Tabelul 6.2. sunt prezentate, în sinteza,

principalele metode de regenerare prezentate anterior.


181

TABELUL 6.2. Sisteme de regenerare a filtrelor de particule.

SISTEM DE

REGENERARE

A FILTRULUI

EMPERATUR|

MINIM|

GAZE ARDERE

[ OC] *

AVANTAJE

DEZAVANTAJE

Aditivare

combustibil

350 -500

Simplitate

constructiva

a filtrului,

ieftin.

Comb. trebuie

aditivat tot,

sau numai în

timpul

regenerarii.

Acoperire

catalitica

interioara a

filtrului

375 - 500

Simplitate

constructiva

a filtrului si

efi-

cienta

ridicata a

regenerarii

Dezactivare

catalizator

prin acoperire

cu funingine,

îmbatrânire,

scump.

Oxidare

catalitica

cu NO2

200 - 400

Simplitate,nu

apar

depozite de

funingine,

temp. reduse

Comb. fara

sulf cu

controlul

raportului

C/NO2

Arzatoare cu

50 - 200

Temp. reduse

ale gazelor

de evacuare

Pret de cost

ridicat,

complexitate,


182

motorina fara depozite

dupa

regenerare

volum

si greutate

mare

Încalzire

electrica

100 - 250

Temp. reduse

gaze de evac.

simple, usor

de reglat sau

automatizat

Scumpe,

tehnologii

neconventiona

le

consum mare

de

electricitate

Injectare

substanta

catalitica în

filtru

350 - 500

Depuneri

redu-se dupa

rege-nerare,

catali-zatorul

nu

îmbatrâneste

Scump, greu

de aplicat la

vehicule

rutiere

(*) - Temperaturile minime necesare gazelor de ardere pentru

o efricienta maxima a sistemului.


183

Necesitatea încalzirii gazelor de evacuare este data de

faptul ca motoarele Diesel, în mod normal, au temperatura

gazelor de evacuare scazuta. Spre exemplificare, în Figura

6.8. sunt prezentate comparativ temperaturile gazelor de

ardere masurate în trafic urban, autostrada si parcurs mixt

pentru motoare de autoturisme si camioane usoare antrenate

de motoare Diesel.

FIGURA 6.8. Ecartul de temperaturi si temperatura

medie calculata a gazelor de ardere, pentru diferite

regimuri de testare ale vehiculului.


184

Urmarind datele prezentate, se constata ca la nici un

regim de functionare, la care s-au facut testarile,

temperatura gazelor nu a clansarea spontana a procesului de

autocuratire a filtrului. Este evident faptul ca sunt necesare

sisteme suplimentare, fie de reducere a temperaturii de

autoaprindere, fie de încalzire suplimentara a gazelor de

ardere.

Sistemele cele mai eficiente, tehnologic si financiar de

regeneratins minimul necesar de 600 grd. C, necesar pentru

deare a filtrelor, presupun combinarea a cel putin doua

solutii tehnice prezentate anterior, Tabelul 6.2., care sa

satisfaca pentru fiecare caz în parte cerintele impuse.

În acest fel, pentru vehiculele usoare se pot combina

regenerarea prin încalzire electrica a gazelor sau a modulului

filtrant cu aditivarea combustibilului sau folosirea filtrelor cu

acoperire catalitica si încalzirea electrica, în timp ce la

vehiculele grele mai

eficienta s-a dovedit a fi folosirea arzatoarelor cu motorina

pentru încalzirea filtrelor, combinat cu aditivarea motorinei

folosite de arzator sau acoperirea catalitica a canalelor de

filtrare. Deocamdata, solutiile de acest tip sunt scumpe, dar

în timp cerintele de reducere a poluarii vor putea fi

îndeplinite numai folosind astfel de sisteme, moment în

care restrictiile economice vor fi depasite.

Dupa cum se observa din Figura 6.8., regenerarea

spontana este practic imposibil de realizat, în conditiile în


185

care temperatura gazelor de ardere nu ajunge, practic

niciodata, la cel putin 600 grd.C, care este temperatura

minima de autoaprindere a depunerilor din filtru. S-a

constatat ca nici la viteze mari, în regim de mers pe

autostrada, temperatura nu trece de 450-500 grd.C.

Deasemenea, în traficul urban unde poluarea datorata

motoarelor Diesel se simte cel mai puternic, motoarele

functioneaza la un regim foarte scazut, mult timp în ralanti

în statii si la stopuri, temperatura gazelor de ardere fiind

mult sub minimul necesar autoaprinderii particulelor.

VI.3. SISTEME DE FILTRARE A PARTICULELOR

În capitolul precedent au fost prezentate principalele

metode de regenerare a filtrelor pentru particule. Sistemele de

filtrare a gazelor, asa cum sunt ele concepute în prezent

folosesc, principial, unul, sau cel mult doua metode de filtrare,

cu monolit ceramic, cel mai utilizat si respectiv modul de

filtrare confectionat din împletitura din fibra ceramica sau vata

ceramica. Procesul de filtrare este relativ simplu si a fost

prezentat pe larg anterior. Diferentele în arhitectura sistemelor

de filtrare au la baza mai multe criterii si anume:

- dimensiunea motorului;

- gradul de filtrare cerut de utilizator;

- modul de regenerare a filtrului;

- gradul de automatizare a procesului de regenerare;


186

- pretul de cost, ca factor de optimizare.

Considerând aceste criterii de proiectare a sistemelor de

filtrare se pot obtine un numar foarte mare de configuratii

posibile, fiecare cu avantaje si dezavantaje, fiecare cu alt pret

de cost. Varietatea foarte mare a sistemelor propuse si testate

este datorata faptului ca înca nu s-a stabilit o tehnologie unica

de tratare a gazelor de ardere la motoarele Diesel, asa cum s-a

stabilit în cazul motoarelor cu benzina. Acest lucru este mai

dificil de realizat pentru motoarele Diesel din cauza, în special,

a complexitatii procesului de regenerare a filtrului. Ca o

tendinta spre unificarea constructiei sistemelor de filtrare se

poate aminti folosirea pe o scara tot mai larga a modulelor

ceramice tip CORMING EX 47, în diferite configuratii

constructive, înseriate sau în paralel, functie de dimensiunile

motorului si cerintele de eficienta a filtrarii. Aceste module au

un volum de 2.6 litri (5.6 inch diametru, 6 inch lungime) 100 de

canale/in2, si o grosime a peretelui de 0.017 inch.


187

VI.3.1. SISTEME DE FILTRARE CU REGENERARE

PRIN ÎNCALZIRE CU ARZATOARE CU MOTORINA

Sistemul astfel conceput se adreseaza în mod special vehiculelor

grele, cu motoare de puteri mari. Avantajul acestor sisteme

este ca permit reglarea foarte precisa a temperaturii de

regenerare, pot fi complet automatizate si se pot utiliza

împreuna cu sisteme de aditivare a motorinei pentru

îmbunatatirea arderii si a reducerii temperaturii la care

începe procesul de regenerare a filtrului.

Constructia de principiu al unui astfel de sistem este

prezentata în Figura 6.9. [11].

FIGURA 6.9. Sistem de filtrare cu arzator

suplimentar de motorina pentru regenerare.


188

În paralel cu amortizorul de zgomot, toba "T", se

monteaza filtrul de particule cu arzator atasat "F". În mod

normal supapa "S", care poate fi actionata automat, sau

comandata cu un servomecanism, prin intermediul unitatii de

comanda si control “UC”, este închisa. În momentul în care

caderea de presiune creste pe filtru si ajunge la o valoare

critica "pcr", supapa “S” începe sa se deschida, o parte din

gazele de ardere fiind evacuate direct fara filtrare, pentru a nu

FIGURA 6.10. Sistem de regenerare cu o camera

de ardere pentru doua filtre în paralel.


189

compromite functionare motorului. În acelasi timp, comandat

de marimea “pcr”, arzatorul "A" este pornit ridicând

temperatura în filtru pâna la valoarea la care funinginea

retinuta se autoaprinde. Puterea

arzatorului este reglata în functie de temperatura "tf" masurata

la iesirea din filtru, prin reglare debitului pompei de motorina

“P” si a debitului de aer “D”, pentru a proteja modulul ceramic.

Arzatorul functioneaza pâna ce “pcr” atinge o valoare normala,

moment în care supapa “S” se închide, iar arzatorul se opreste.

Pentru motoare de puteri mari, de obicei stationare, se

pot folosi baterii de filtre legate în paralel. Regenerarea se

realizeaza folosind unul sau mai multe arzatoare [12]. În

varianta cea mai simpla, fiecare filtru are arzatorul sau.

Economic este sa se foloseasca un singur arzator pentru

regenerarea mai multor filtre. În Figura 6.10. este prezentata o

astfel de configuratie, un arzator pentru regenerarea a doua

filtre ce lucreaza alternativ, în paralel.

Gazele de ardere pot fi dirijate pentru a circula separat

spre cele doua filtre, pe traseul 1 si 2 pentru filtrul A, respectiv

2 si 3 pentru filtrul B. Traseul 2 prin camera de ardere CA, este

deschis tot timpul, pentru a mentine incinta camerei de ardere

calda, gata de pornire. Sistemul se poate gasi în urmatoarele

configuratii:

a) Filtrele A si B sunt curate, functioneaza filtrul A.

Supapele S1 si S3 deschise, iar S2 si S4 sunt închise;


190

b) Filtrul A se regenereaza, iar B este în functiune.

Supapele S2 si S3 sunt deschise, respectiv S1 si S4 sunt închise,

arzatorul ”CA” functioneaza;

c) Filtrul A functioneaza, iar B se regenereaza. Supapele

S1 si S4 sunt dechise, respectiv S2 si S3 închise, arzatorul ”CA”

functioneaza;

d) Filtrele A si B sunt curate, functioneaza filtrul B.

Supapele S2 si S4 sunt deschise, respectiv S1 si S3 închise,

arzatorul este oprit.

Reglarea debitului de aer si motorina în “CA” se face în

FIGURA 6.11. Schema de automatizare a camerei de

ardere pentru regenerarea filtrelor de particule

functie de temperaturile interne din filtre în timpul regenerarii,

“tfa” si respectiv “tfb”, masurate pe fiecare filtru în parte si


191

“pcr”, masurat la intrarea în sistem. Aceste date sunt

prelucrate în unitatea de comanda "UC", bloc de la care

pornesc semnalele spre supapele comandate din sistem. În

realitate instalatia este mult mai complexa, în figura fiind

prerzentata numai schema de principiu.

În Figura 6.11. este prezentata schema de principiu a

sistemului de alimentare cu aer si combustibil a unei camere de

ardere cu motorina destinata regenerarii filtrelor de particule.

Notatiile din figura au urmatoarele semnificatii:

P - pompa de motorina;

C - compresor de aer;

Rd - regulator de debit pompa de motorina;

Im - încalzitor motorina;

Rp - regulator de presiune aer;

Vp - valva de purjare;

Ij - injector de motorina;

Sa - sistem de aprindere;

Bj - bujie de aprindere;

tf - temperatura finala a gazelor de ardere, masurata la iesirea

din

filtru;

tca - temperatura din camera de ardere;

pcr - presiunea gazelor de ardere masurata în filtru;

Sr - senzor de flacara;

UCC - unitate centrala de comanda.


192

Camera de ardere este mentinuta la o temperatura

optima de functionare, circulând prin interior gaze de ardere de

la motor. În momentul în care, pe filtru caderea de presiune la

trecerea gazelor de ardere atinge pragul critic “pcr”, acest

semnal este transmis la “UCC”, declansâmd secventa de

aprindere a camerei de ardere. Succesiunea operatiilor este

urmatoarea:

-se porneste pompa de motorina si compresorul de aer

“C”;

-se deschide valva de purjare “Vp”, aerul sub presiune

intrând în camera de ardere, curatind-o de eventuale

aglomerari de gaze inflamabile sau scurgeri accidentale de

motorina, proces ce dureaza 3-5 secunde;

-se opreste purjarea, iar UCC comanda deschiderea si

regleaza cantitatea de aer pentru pornire cu ajutorul

regulatorului de presiune aer “Rp”;

-în acelasi timp se porneste sistemul de aprindere, bujia

începând sa dea scântei;

-pasul urmator îl constituie deschiderea alimentarii cu

motorina, moment în care aceasta se apride. Daca flacara nu

apare dupa 2 secunde de la amorsare, senzorul de flacara

semnaleaza absente arderii, iar ciclul de aprindere se reia.

Dupa pornire, puterea camerei de ardere “CA” se

regleaza cu ajutorul regulatorului de debit a motorinei “Rd” si

a cantitatii de aer “Rp”. Tamperatura optima în camera de

ardere este mentinuta cu ajutorul senzorului de temperatura a


193

camerei de ardere “tca”, în functie de care “UCC” regleaza

puterea acesteia.

Oprirea camerei de ardere se realizeaza oprind mai întâi

alimentarea cu combustibil, dupa care se ventileaza focarul

câteva secunde. UCC este astfel programata încât sa repuna

sistemul în stare de asteptare, pregatit pentru un nou ciclu

regenerativ.

Dupa cum se observa, sistemul nu este simplu si implica

utilizarea de subansamble scumpe, cum ar fi, compresoare de

aer si pompe de combustibil, injectoare, electro-valve, senzori

de presiune si temperatura, ce reduc aria de raspândire a

sistemului cu toate ca are o eficienta a regenerarii si o

fiabilitate ridicata.

Filtrele cu regenerare prin încalzire electrica sunt

construite dupa mai multe principii de functionare, prezentate

în capitolul urmator.

VI.3.2. SISTEME DE FILTRARE, CU REGENERARE

PRIN ÎNCALZIRE ELECTRICA

a) Încalzirea electrica a gazelor la intrarea în filtru.

Acest procedeu se aplica la motoarele mici cu debite de

gaze relativ scazute. Restrictia este datorata puterilor foarte

mari cerute de rezistenta electrica de încalzire, mergând de la

câteva sute de W, la câtiva kW.


194

FIGURA 6.12. Schema de principiu a sistemului

de încalzire electrica a filtrului

R - rezistenta electrica; MC - modul ceramic de filtrare acoperit

cu strat catalitic; UC - unitate de comanda; REL - releu de

comanda a rezistentei; t1 - temperatura modulului ceramic; pcr -

presiunea în amonte filtru, în functie de care se declanseaza

regenerarea.

Principial sistemul este prezentat în Figura 6.12. Pentru a

micsora puterea nacesara încalzirii rezistentelor, si reducerii

temperaturii de amorsare a procesului de autocuratire, modulul

ceramic de filtrare se acopera cu un strat catalitic.

Sistemul are avantajul simplitatii constructive. Semnalele

sondelor de presiune, pcr si respectiv t1 sunt prelucrate în UC.

Când sunt îndeplinite conditiile impuse prin proiectare, UC

comanda releul REL, ce porneste încalzirea punând sub tensiune

rezistenta R. Dupa curatire, în functie de valorile celor doi

parametri, pcr si t1, unitatea de comanda


195

întrerupe alimentarea rezistentei electrice. Deasemenea,

trebuie luata în considerare sarcina motorului, printr-un

semnal preluat de la pedala de acceleratie, care daca scade

brusc (se reduce debitul de gaze), trebuie sa produca

întreruperea alimentarii rezistentei R pentru a nu produce

supraîncalzirea filtrului sau arderea rezistentei. Sistemul este

usor de automatizat si functioneaza tot timpul la regim optim,

protejând modulul ceramic al filtrului. Ca dezavantaje trebuie

mentionat consumul mare de energie electrica si costul ridicat

al rezistentei, care se confectioneaza de obicei din materiale

ceramice speciale sau se sinterizeaza din pulberi metalice.

b) Încalzirea electrica a peretilor filtrului ceramic.

FIGURA 6.13. Modul ceramic de filtrare cu

rezistenta electrica de încalzire încorporata. Acest sistem constructiv, prezentat principial în Figura

6.13, are acelasi avantaj al simplitatii constructive si usurintei


196

automatizarii. Rezistenta electrica este plasata la intrarea în

filtru, asigurând încalzirea locala a acestuia, încalzire ce

conduce la amorsarea procesului de ardere a particulelor

retinute în filtru. Energia electrica consumata în acest caz este

mai mica, iar sistemul s-a dovedit fiabil.

Trebuie subliniat faptul ca modulul ceramic trebuie

acoperit cu un strat catalitic, care sa reduca temperatura de

autoaprindere a particulelor retinute în filtru.

c) Încalzirea întregii mase a modulului filtrant.

Aceasta tehnologie se poate folosi daca filtrul este

construit dintr-un material ceramic care sa aiba

conductibilitate electrica în acelasi timp fiind si filtru.

Astfel de materiale exista. Ele sunt reprezentate de

pulberi ceramice amestecate cu pulberi metalice care,

sinterizate împreuna la presiuni si temperaturi strict controlate,

conduc la obtinerea materialelor ceramice bune conducatoare

de electricitate. Acest sistem este foarte eficient, dar are un

pret de cost ridicat datorita materialelor si tehnologiilor

speciale folosite.

Pentru reducerea costurilor se folosesc filtre tip

"sandwich", formate din module ceramice subtiri bune

conducatoare de electricitate, cu porozitate mare, pentru a

avea un strat subtire de depuneri, usurând astfel

autoaprinderea, acoperite cu un strat catalic si module

ceramice obisnuite de preferinta acoperite si el cu un strat

catalitic. Cînd filtrul se satureaza modulele ceramice rezistive


197

sunt puse sub tensiune. Acestea se încalzesc, favorizând

aprinderea locala a funinginii, ceea ce produce cresterea

generala a temperaturii filtrului pîna la amorsare procesului de

regenerare în tot volumul modulului de filtrare.

Modulele de încalzire si cele de filtrare se aranjeaza

alternativ în corpul filtrului, grosimile modulelor de încalzire

precum si a celor de filtrare fiind optimizate în urma

încercarilor, Figura 6.14.

Acest tip de filtru are avantaje incontestabile, privind

usurinta automatizarii, simplitatea constructiva, si fiabilitatea

ridicata. Problema majora ramâne confectionarea modulelor

rezistive tehnologia fiind prohibitiva ca pret.

FIGURA 6.14. Filtre ceramice cu încalzire

electrica tip "sandwich".


198

Consumul de energie electrica al unui astfel de filtru este

mai redus, la fel si pretul de cost.

VI.3.3. SISTEME DE FILTRARE CU REGENERARE

AERODINAMICA

Regenerarea filtrului de particule, într-un astfel de

sistem, se face prin injectarea de aer sub presiune în sens invers

directiei de curgere a gazelor de ardere prin filtru. Principial un

astfel de sistem este prezentat în Figura 6.15. Sistemul

se compune dintr-un filtru de particule ceramic, un rezervor de

aer comprimat, o camera de expansiune, un filtru secundar, si

un sistem de valve comandate electric sau pneumatic, cu

actionare rapida [13].

FIGURA 6.15. Schema de principiu a unui sistem

de filtrare cu regenerare aerodinamica


199

Ciclul de functionare este urmatorul. La intervale de timp

regulate comandate automat, independent de regimul de

functionare al motorului sau a gradului de încarcare a filtrului,

solenoidul So comanda clapeta C si valva V, astfel încât, prima

blocheaza iesirea gazelor de ardere si respectiv deschide

traseul de aer comprimat de la rezervor. În acelasi timp, foarte

bine sincronizat, servo-mecanismul pneumatic SM roteste

distribuitorul D închizând evacuarea motorului si dechizând

legatura dintre camera filtrului si camera de expansiune. Pe

traseul de regenerare a filtrului astfel deschis, aerul comprimat

din rezervor trece prin filtru în sens invers directiei de curgere

a gazelor de ardere, desprinde funinginea depusa în filtru si o

antreneaza prin camera de expansiune în filtru secundar. Dupa

aceasta secventa sistemul revine la starea initiala de filtrare a

gazelor de ardere emise de motor.

În continuarea procesului, funinginea retinuta de cel de

al doilea filtru este incinerata prin încalzirea electrica a filtrului

secundar si insuflarea de aer pentru combustie. Controlul

temperaturii de incinerare se face prin reglarea debitului de aer

ce alimenteaza filtrul. Gazele de ardere rezultate în urma

procesului de incinerare a funinginii din filtrul secundar, sunt

trimise în sistemul de evacuare al motorului sau evacuate direct

în atmosfera. Un sistem experimental astfel conceput a folosit

un filtru ceramic cu un volum de 2.5 litri de tip Corming EX 66,

cu o suprafata de filtrare de 0.95 m2 si dimensiunea medie a

porilor de 0.2 microni. Camera de expansiune are un volum de


200

cca, 12 litri. Filtrul secundar confectionat din carbura se siliciu

cu un volum de cca. 0.78 litri ( D= 7 cm, L = 15 cm) este încalzit

de o rezistenta electrica ( Ni Cr) înfasurata pe exteriorul

filtrului între acesta si carcasa, cu putere reglabila în trepte,

250 W si respectiv 500W.

{ocul aerodinamic de curatire a filtrului principal s-a

stabilit a avea o durata optima de 0.12 s. Volumul rezervorului

de aer comprimat este de 35 litri, presiunea în rezervor de 6.5

bar. Dupa terminarea secventei de regenerare presiunea în

rezervor scade la 5.3 - 5.5 bar, factorul de detenta fiind 6. În

aceste conditii viteza aerului în filtru este aproape de regimul

sonic. Intervalul dintre doua regenerari a fost stabilit

experimental ca fiind optim de cca. 15 min.

Regenerarea filtrului secundar se face la o temperatura

de 600 grd. C, obtinuta cu ajutorul rezistentelor electrice.

Debitul de aer necesar incinerarii este de cca. 5 litri aer / min.

Acesti parametri au fost astfel selectionati încât timpul de

regenerare a filtrului secundar sa fie mai mic decât intervalul

dintre doua regenerari aerodinamice ale filtrului principal.

Într-o varianta constructiva mai simpla, filtrul secundar

de regenerare este înlocuit cu un sac, confectionat dintr-un

material filtrant pe baza de fibre de nylon NomexNylon, de cca.

11 litri , închis într-o incinta de 18 litri. La intervale de timp

relativ mari, echivalent a cca. 500 - 800 km parcursi filtrul se

înlocuieste sau se curata.


201

Pentru a reduce socurile termice în filtrul principal,

acesta se monteaza cât mai departe de motor pentru a lucra cu

gaze de evacuare cât mai reci.

Eficienta filtrului principal este cuprinsa între 90-95%, iar

eficienta filtrului secundar este de 90%.

Acest sistem s-a dovedit a fi eficient si fiabil.

Deocamdata exista restrictii importante în raspîndire impuse de

pretul de cost relativ ridicat. Folosirea acestui sistem mareste

consumul de combustibil cu 7% în cazul regenerarii fara

incinerarea funinginei (colectare în sac de nylon), si cu 16% în

cazul incinerarii. Aceste cresteri de consum de combustibil sunt

normale având în vedere cresterea consumului de energie

pentru antrenare compresorului de aer si a folosirii rezistentelor

electrice pentru încalzirea filtrului secundar.

S-au facut studii si asupra unor sisteme de regenerare

aerodinamica cu aer încalzit [36]. Principial acest sistem se

deosebeste de cel prezentat anterior prin aceia ca aerul care

circula prin filtru în contra-curent (sens invers curgerii gazelor)

este la presiuni si viteze mult mai mici, dar este încalzit.

Regenerarea filtrului se face prin combustie, aprinderea fiind

amorsata de aerul fierbinte injectat în modulul ceramic filtrant

în perioada regenerarii. Încalzirea aerului se poate face în

diferite feluri, electric, recuperativ de la gazele de ardere

fierbinti într-o prima faza, dupa care încalzirea continua

electric, sau folosind acumulatoare de caldura cuplate,

eventual, cu o pompa de caldura. Dupa cum se observa, aceste


202

sisteme sunt mai complicate, dar au ca scop principal, pe lânga

filtrarea gazelor de ardere, realizarea regenerarii filtrului cu un

consum suplimentar de energie cât mai redus.

VI. 3.4. SISTEME DE FILTRARE CU REGENERAREA

PRIN STRANGULAREA EVACUARII MOTORULUI

Ridicarea temperaturii gazelor de ardere evacuate din

motor prin strangularea evacuarii reprezinta o metoda relativ

simpla de regenerare a filtrelor de particule .

În Figura 6.16. este prezentat, în principiu, un astfel de

sistem. Instalatia se compune dintr-un bloc de filtrare ce poate

fi simplu, având un singur corp de filtrare ceramic, sau compus,

având cel putin doua module de filtrare, de obicei în paralel. În

momentul în care caderea de presiune pe blocul de filtrare

atinge o valoare critica “? p”, stabilita experimental, unitatea

de comanda si control UCC activeaza închiderea clapetei fluture

de strangulare “Vf”, moment în care contrapresiunea pe traseul

de evacuare al motorului, în amonte de filtru, începe sa

creasca. Datorita acestui fapt, evacuarea gazelor de ardere din

camera de combustie se face din ce în ce mai greu, cantitatea

de gaze restante creste, motiv pentru care si temperatura în

camera de ardere se ridica si se amplifica continuu. Pentru a nu

compromite functionarea motorului în aceasta perioada,

evacuarea gazelor se face prin orificii calibrate, de mici


203

dimensiuni, practicate în corpul clapetei fluture Vf, sau printr-

un by-pass cu sectiune variabila controlata automat de catre

UCC (unitatea de control si comanda), prin intermediul

canalului de comunicatie C2. În acest fel se asigura functionarea

motorului si o temperatura suficient de mare gazelor de ardere

pentru a permite aprinderea depunerilor din filtru si implicit

autocuratirea sa. Acest sistem, daca este completat cu

senzorii de temperatura t1 în amonte si

FIGURA 6.16. Sistem de regenerare a filtrului de

particule prin strangularea evacuarii motorului


204

respectiv t2 în aval fata de modulul de filtrare, poate regla

temperatura gazelor în asa fel încât sa protejeze modulul

ceramic de supraîncalzire în perioada de regenerare.

Sistemul de autocuratire astfel conceput, are avantajul

simplitatii constructive, pretului de cost competitiv si a

posibilitatii de automatizare integrala. Dezavantajul este

reprezentat de faptul ca în timpul regenerarii filtrului, vehiculul

trebuie sa fie oprit deoarece închiderea evacuarii reduce drastic

puterea furnizata de motor compromitând dinamica

autovehiculului. Procesul de regenerare se desfasoara cu

motorul functionând în gol, motiv pentru care consumul total de

combustibil creste cu pâna la 5%. Daca sistemul este dotat cu

module de filtrare acoperite cu material catalitic, temperatura

de autocuratire reducându-se, procesul de strangulare a

evacuarii se poate face modulat, numai pentru o parte din

cilindrii motorului. În acest fel, performantele motorului nu sunt

compromise pe durata procesului de regenerare, autocuratirea

desfasurându-se fara oprirea autovehiculului, motiv pentru care

consumul de combustibil creste nesemnificativ.

VI. 4. TRATAREA CATALITIC| A GAZELOR DE ARDERE LA

MOTOARELE DIESEL

Procesul de cataliza a reactiilor chimice pentru tratarea

antipoluanta a gazelor de ardere la motoarele Diesel a fost

folosita, asa cum am precizat anterior, pentru a reduce punctul


205

de aprindere a funinginii adunate în filtrele de particule cu care

este dotat motorul.

La începutul anilor ’90 apare ideea folosirii tobelor

catalitice cu tripla actiune, fara filtrarea gazelor de ardere.

Folosirea acestui sistem are din start dezavantajul unei

eficiente reduse din cauza ca motorul Diesel lucreaza cu un

exces foarte mare de aer, mult mai mare ca 1. Coeficientul

excesului de aer ”?”, în special la sarcini mici poate lua valori

2-3 sau chiar mai mare [14]. Excesul de oxigen din gazele de

ardere face ca procesul de cataliza sa aiba o eficienta scazuta.

În acelasi timp, efectul asupra reducerii continutului de

funingine este redus, în cele mai bune cazuri mergând pâna la

30-35%.

FIGURA 6.17. Obiectivele reducerii emisiilor


206

poluante din gazele de ardere ale motoarelor

Diesel si mijloacele avute în vedere.

Tendintele în acest domeniu sunt prezentate sintetic în

Figura 6.17. Astfel, pentru a avea o eficienta maxima a

tratarii catalitice a

gazelor de ardere este necesar, în primul rând, o reducere la

maxim a emisiilor de funingine prin optimizarea arderii, apelând

la modificari ale motorului, dupa care se trece la etapa tratarii

post combustie a gazelor de ardere, pentru a reduce în

continuare atât emisiile de funingine cât si cele de FOS (Fractii

Organice Solubile) [15].

Principala problema pe care o pun tobele catalitice fara

filtrare, în tratarea gazelor de evacuare la motoarele Diesel, o

reprezinta otravirea acestora cu FOS si sulfati. Aceasta se

produce din cauza

temperaturilor reduse ale gazelor de ardere, fractiile organice

solubile (FOS) fiind absorbite de substratul ceramic unde se

înmagazineaza, neavând conditii de descompunere.

Considerând reglemetarile în vigoare , acestea pot fi

îndeplinite într-o prima faza, prin îmbunatatiri aduse motorului,

în principal pentru a reduce funinginea si tratarea catalitia a

gazelor pentru reducerea fractiilor organice solubile (FOS).

Reducerea sulfatilor este posibila prin îmbunatatirea calitatii

combustibilului, reducerea continutului de sulf la max. 50

ppm., norma deja în vigoare în tarile din nordul Europei si


207

scaderea concentratiei compusilor organometalici folositi la

aditivarea combustibilului si a uleiului.

Trecerea gazelor de ardere prin tobe catalitice având

drept catalizator platina sau metale din grupa platinii, s-a

aratat a fi eficienta în reducerea emisiilor de FOS si Substante

Organice Volatile (SOV) [16]. În acelasi timp, catalizatorul

favorizeaza oxidarea în continuare a SO2 la trioxid de sulf, care

în prezenta vaporilor de apa se transforma în acid sulfuric.

Simultan s-a constatat ca producerea de sulfati, trecând prin

faza de oxidare catalitica a SO2, mareste masa particulelor

emise proportional cu continutul de sulf din combustibil.

Reducerea cantitatii de SO2 ce intra în reactie de oxidare

catalitica se poate obtine prin adaugarea de vanadiu (V) în

compozitia stratului catalitic. Prezenta acestui element în

stratul catalitic poate avea însa efecte negative asupra

activitatii catalitice a platinei asupra HC si CO. Cantitatea

optima de platina în acest caz este de cca. 0.9 g platina la un

litru volum activ modul ceramic (Al2O3) si 5-7 g de vanadiu

pentru acelasi volum. Pentru aceste concentratii se obtin

reduceri de pâna la 90-95% CO, 70-75% SOV, 60% HC, si 35%

particule.Rezultate de acelasi ordin de marime se obtin daca se

folosesc în loc de vanadiu, paladiu si rodiu într-un modul

ceramic compus. Modulul catalitic compus are proprietatea de a

absorbi FOS si de a nu absorbi sulfati, în felul acesta cataliza

FOS putându-se realiza cu usurinta. Primul modul este acoperit

cu catalizator de tip Pt pe suport de Al2O3 si actioneaza asupra


208

CO si HC, iar al doilea modul acoperit cu un catalizator de tip

Pt-Rh pe suport de SiO2 si Al2O3 actioneaza asupra SOV si inhiba

formarea sulfatilor. Experimental s-a constatat ca suportul

catalitic se satureaza cu sulfati, proces ce se accentueaza odata

cu scaderea temperaturii tobei catalitice [17 ]. Pentru intervale

mici de temperatura (cîteva zeci de grade) concentratia

sulfatilor la nivelul catalizatorului se stabilizeaza într-un proces

de echilibru specific cantitativ fiecarui interval de temperatura.

Încalzind modulul de filtrare la temperaturi de cca. 750 grd.C,

sulfatii retinuti se descompun fara a forma acid sulfuric,

datorita temperaturii ridicate, motiv pentru care se poate

folosi aceasta proprietate ca un mod de regenerare a

catalizatorului otravit cu sulfati.

Solutia folosirii tobelor catalitice si la motoarele Diesel,

este de departe cea mai convenabila din punct de vedere

economic, sub rezerva dezvoltarii unor catalizatori care sa

mareasca eficienta purificarii gazelor.

Revenind la utilizarea acoperirilor catalitice, pentru

reducerea temperaturii de autoaprindere a funinginii, au

fost încercati o serie de catalizatori cum ar fi: platina, vanadiu,

si argintul simplu sau în amestec. Expermental, s-a constatat

reducerea temperaturii de aprindere a funinginii de la 650

grd.C, pâna la valori de 400-450 grd.C. Cu aceeasi ocazie s-a

obsarvat o scadere a actiunii de cataliza datorita acoperirii în

timp a stratului catalitic cu funingine. Este recomandabil ca din

timp în timp sa fie adus motorul într-un regim de lucru ridicat


209

pentru a mari temperatura gazelor de ardere si a “regenera”

astfel toba catalitica. Dupa cum se observa, problemele ridicate

de filtrarea gazelor apar si în cazul tratarii pur catalitice a

acestora, motiv pentru care, probabil, solutia de viitor va fi un

compromis între cele doua procedee de tratare a gazelor de

ardere si anume filtrarea acestora combinata cu un sistem de

regenerare catalitica a filtrului.

VI.5. FILTRU ELECTROCHIMIC PENTRU

PARTICULELE DIESEL

Sistemul de filtrare si tratare electrochimica a

depunerilor retinute în filtru, este studiat în ideea contracararii

dezavantajelor sistemelor de filtrare “clasice”, cum ar fi:

dimensiunile, pret de cost, sau complexitate constructiva.

Principial sistemul de tratare electrochimica este

conceput ca o combinatie între un filtru ceramic si un reactor

electrochimic. Conform acestei alcatuiri, particulele de

funingine sunt retinute în filtru, care este în acelasi timp si

reactor electrochimic, particule ce sunt trasformate continuu în

dioxid de carbon (CO2). Reactia este activata prin aplicarea unei

tensiuni mici peretilor filtrului. Filtrul este de fapt un electrolit

ceramic prin care circula ionii de oxigen. Electrozii sunt fie

ceramici fie metalici cu proprietati catalitice (platina). De fapt


210

sistemul este o pila cu combustibil care functioneaza în sens

invers [18].

Materialul ceramic al electrolitului are ca element de

baza oxidul de ceriu CeO3, material care s-a dovedit a avea o

rezistenta mecanica, proprietati de filtrare si o conductibilitate

electrica a ionilor de oxigen în domeniul optimului.

Electrozii sunt formati din materiale ceramice sau

metalice sinterizate, cu proprietati catalitice în transformarea

produsilor intermediari CO si HC, care apar în procesul de

oxidare a funinginii în reactor. Principiul constructiv în Figura

6.18.

Reactiile chimice cele mai probabile în cursul

transformarii sunt:

Funinginea: C + O2 ? CO2

Anod: C + 2O2- ? CO2 + 4e-

Catod: O2 + 4e- ? 2O2-

Monoxid de carbon: 2CO + O2 ? 2CO2

Anod: 2CO + 2O2- ? 2CO2 + 4e-

Catod: O2 + 4e- ? 2O2-

Hidrocarburi nearse:

CnH2n+2 + (3n +1)/2 O2 ? nCO2 + (n +1) H2O

Anod:

CnH2n+2 + (3n +1) O2- ? nCO2 + (n +1) H2O + (6n+2) e-

Catod:

(3n +1)/2 O2 + (6n+2) e- ? (3n +1) O2-


211

Temperatura optima de initiere a reactiilor, altfel spus

temperatura minima de functionare a filtrului a fost stabilita

experimental la 250 grd. C, fiind limitata de conductibilitatea

electrica insuficienta la temperaturi mai mici a modulului

ceramic de filtrare. Deoarece s-a stabilit experimental ca

tensiunea optima de alimentare a reactorului, este direct

proportionala cu grosimea stratului de electrolit dintre electrozi

, s-a propus confectionarea unor astfel de filtre tip “sadwich”.

FIGURA 6.18. Principiul de functionare a filtrului cu

regenerare electrochimica

Mai mult, deoarece s-a constat ca reactorul poate fi

alimentat si în curent alternativ, electrozii ce alterneaza,

functionaza pe rând ca anod si respectiv catod, acest sistem

reducând, sau mai bine spus egalizând cantitatea de funingine

ce arde la cei doi electrozi, reducând temperatura si respectiv


212

încarcarea termica. Tensiunile preconizate sunt de 24 V sau 42

V, la o frecventa între 50 Hz si 100Hz

Microstructura filtrului poate fi modificata utilizând

ceramici electrolitice cu granulatii diferite în adâncime si

grosimi diferite în functie de repartitia temperaturilor de-a

lungul reactorului.

Acest sistem are multe avantaje printre care trebuie

amintite, în primul rând, faptul ca filtrul nu are nevoie de o

secventa distincta de regenerare, dimensiunile sunt aceleasi cu

a unei tobe de esapament obisnuite fiind, în principiu, simplu

din punct de vedere constructiv. Consumul de energie masurat

s-a situat între 1 – 3,5% din puterea motorului. Durabilitatea

sistemului este comparabila cu cea a sistemului de evacuare în

general.

Sistemul de filtrare cu regenerare continua

electrochimica, este în continuare în studiu, urmând ca dupa

optimizarea functionarii, sa se treaca la faza testelor în trafic.

Bibliografie

1) Owen K., Coley T., Automotive Fuels Reference Book,1995.

2) John Fenton, Handbook of Vehicle Design Analysis, p. 585-

598, SAE International, Warrandale, Pa., USA, 1995

3) McCabe R., Sinkevitch R. M., “Oxidation of Diesel Particulates

by Catalyzed Wall-Flow Monolith Filters”, SAE 870009, 1987.

4) Pattas K.N., Samaras Z.C., Stamatelios A. M., Patsatzis N.

A., “Size Determination of the Ceramic Diesel Particulate Trap”,


213

SAE 870253, 1987.

5) Pattas K.N., Samaras Z.C., Kikidis P.S., “Operation

Characteristics of the Ceramic Diesel Particulate Trap during

Forced Regeneration”, SAE 870252, 1987.:

6) Luders H., Stommel P., Backes R., “Applications for the

Regeneration of Diesel Particulate Traps by Combining Different

Regeneratio Sistems”, SAE 970470. 1997.

7) Walsh M. P., “ Global Trends In Diesel Emission Control – A

1998 Update”, SAE 980186. 1998.

8) Patas K. N., Samaras Z., et al., “Cordierite Filter Durability

With Cerium Fuel Additive” , SAE 920363, 1992.



10) Gairing M., Marriott J. M., Reders K. H., Reglitzky A. A.,

Wolveridge P. E., “ The Effect of Modern Additive Technology on

Diesel Fuel Performance”, SAE 950252, 1995.

11) Johnson J. H., Bagley S. T., Gratz L. D., Leddy D. G.,

“A Review of Diesel Particulate Control Technology and

Emissions Effects”, SAE 940233, 1994.

12) McKinnon D. L., Shephard D.A., Vermeychuk B. “Diesel

Particulate Filter System for a 6V-92TA Engine in a Neoplan

Bus”, SAE 920364, 1992.

13) Larsen C., Levendis Y. A., “On the Effectiveness and

Economy of Operation of ART-EGR Systems that Reduce Diesel

Emissions”, SAE 980537, 1998.


214

14) Barris M. A., “Development of Diesel Exhaust Catalytic

Converter Muffler”, SAE 920369, 1992

15) Ogura Y., Kibe K., Kaneko S., Ito Y., Aono N.,

“Development of Oxidation Catalyst for Diesel Engine”, SAE

940240. 1994.

16) Fridholm S., Andersson S., March P., D’Aniello M. J. Jr.,

Zammit M.G., Brear F., “Development of Diesel Oxidation

Catalyst for Heavy Duty Engines” , SAE 932719, 1993.

17) Voss K., Yavuz B., Hirt C., Farrauto R., “Performance

Characteristics of a Novel Diesel Oxidation Catalyst”, SAE

940239, 1994.

18) Denesen J., Sondergaard S., Christensen H.,

“Electrochemical Particulate Filter”, SAE 980547, 1998.

geneza

Documents