3.3 ORIGINEA NOx DIN GAZELE DE EVACUARE ALE M.A.S. 3.3.1 Formarea NO n gazele de evacuare ale m.a.s. sunt prezeni NO i NO2, proporia cea mai mare fiind de NO. A fost msurat intensitatea spectral a radiaiei emise de reacia NO + O NO2, utiliznd ferestre practicate n chiulasa unui motor monocilindric:

Au fost analizate chimic probe de gaze prelevate din dou zone ale camerei de ardere:

Concluzii: a) concentraia local de NO crete n timp, cu vitez finit; b) concentraiile de NO sunt cu att mai ridicate cu ct punctul n care sunt determinate se afl mai aproape de bujie; c) odat atinse valorile maxime, concentraia de NO rmne cvasiconstant. Mecanismul ZELDOVICI de formare a NO n condiiile din motor: O + N2 NO + N, reacie cu vitez mare; NO + N O + N2, reacie cu vitez mic; O2 + N NO + O, reacie cu vitez mare; NO + O O2 + N, reacie cu vitez mic. Lanul de reacii este iniiat de O atomic care, n motor, are o concentraie de 100 ... 1 000 ori mai mare dect N atomic. [O] 1500 ppm [O] 1500 ppm

1000 500

1000 500

2500

3000 T [K]

0,8

1

1,2

a) gaze arse 1000 2000K b) flacr 2200 2800K; c) amestec iniial 700 800K.

Viteza reaciilor chimice de formare a NO este proporional cu temperatura:

w NO = A e

B T

Comprimarea tranelor de gaze arse este: -pentru nucleul de flacr:11 / k 11 / 1, 25

1 este momentul formrii nucleului de flacr; 2 este un moment ulterior din timpul fazei de propagare rapid a flcrii; 3 este momentul atingerii presiunii maxime n ciclu. p3 42 = 3,5 0, 2 = 1,28 ; p 12 1 pentru tranele de gaze arse formate la momentul 2:11 / k 11 / 1, 25

-

p3 42 = 1,05 . p 33 2 Dac temperatura nucleului de flacr era de 2800 K, la atingerea presiunii maxime va ajunge la p = 1,28 2800 = 3597 K. Tn3 = Tn 3 p 1 n cazul tranei formate la momentul 2, temperatura maxim va fi: p = 1,05 2800 = 2940 K, T23 = T2 3 p2 mai mic cu aproximativ 650 K dect cea a nucleului de flacr. Rezult c cele mai ridicate concentraii de NO vor fi atinse n tranele de gaze arse formate la nceputul procesului de ardere. Concluzii privind originea NO din gazele de evacuare Sunt necesare: a) prezena oxigenului (amestec srac); b) temperaturi ridicate; c) timp pentru desfurarea reaciilor chimice; d) cele mai ridicate concentraii de NO se gsesc n vecintatea bujiei. 21.03.2011 3.3.2 Formarea NO2 Calculele de echilibru chimic arat c n gazele arse, la temperaturi ntlnite uzual n flcri, concentraiile de NO2 sunt neglijabile n raport cu cele ale NO. Aa se ntmpl n cazul m.a.s. La m.a.c. ponderea NO2 n NOx ajunge pn la 30%. Prezena NO2 poate fi explicat prin aceea c NO format n gazele de flacr este convertit rapid n NO2 prin reacii de tipul: NO + H2O NO2 + OH. Ulterior, NO2 este reconvertit n NO prin reacia NO2 + O NO + O2, cu excepia cazurilor n care aceast ultim reacie este frnat prin rcire datorat amestecrii cu gaze reci. Astfel de situaii sunt: funcionarea prelungit la mers ncet n gol i la sarcini mici. Formarea NO2 se produce i n conducta de evacuare la turaii reduse, cnd gazele de evacuare se afl suficient timp n contact cu oxigenul.11 / k 11 / k

1.3. Originea emisiilor de hidrocarburi i oxizi de azot la motoare cu aprindere prin scnteie1.3.1. Originea emisiilor de hidrocarburiConcepia clasic asupra originii emisiilor de hidrocarburi Atunci cnd s-a pus problema apariiei hidrocarburilor n gazele de evacuare ale motoarelor cu aprindere prin scnteie cercetrile s-au orientat pe cauze posibile de ntrerupere a propagrii flcrii: rcirea local a amestecului i compoziia local necorespunztoare. S-a considerat c prima din cauze poate s intervin n apropierea pereilor i acest fenomen a fost denumit stingerea flcrii la perete. Cealalt cauz posibil a fost numit stingerea flcrii n masa gazelor. Apariia hidrocarburilor n gazele arse este determinat i de posibilitatea ratrii aprinderii (atunci amestecul proaspt trece n totalitate n gazele de ardere). Cele dou fenomene expuse mai sus au fost evideniate experimental de ctre diveri cercettori. Dar aceste fenomene au fost infirmat n anii 80 de un studiu teoretic, care n cadrul modelului au luat n considerare mai multe fenomene: stingerea flcrii la perete n stratul limit, difuzia ulterioar a acestora n stratul de stingere a gazelor, oxidarea hidrocarburilor n camera de ardere i n poarta supapei corespunztoare unor reacii globale. Concentraiile calculate au fost cu un ordin de mrime mai mici dect cele experimentale. n acest context s-a trecut la realizarea unor experimente de detaliu privind originea hidrocarburilor. Din aceste experimente s-a ajuns la concluzia c substanele care se sting la perete difuzeaz rapid n masa de gaze fierbini i sunt oxidate, avnd o pondere neglijabil la formarea hidrocarburilor. Studiile teoretice i experimentale indic alte surse pentru emisiile de hidrocarburi, n primul rnd spaiile nguste din cilindru. Rolul spaiilor nguste Camera de ardere a unui motor cu aprindere prin scnteie cuprinde mai multe spaii nguste, din care cel mai important este cel inelar format ntre piston, cilindru i primul segment de compresie. La acesta se adaug spaiul din jurul electrodului central al bujiei, dintre bujie i locaul su din chiulas, volumul cuprins ntre blocul cilindrilor i chiulas. nsumat, volumul total al acestor spaii reprezint cteva procente din volumul total al camerei de ardere. Fiind caracterizate prin un raport mare dintre suprafaa lateral i volum, rcirea amestecului proaspt este puternic n aceste zone. Curgerea spre i dinspre aceste zone este laminar, conducnd la stratificarea gazelor n aceste spaii, la ptrunderea succesiv a gazelor arse i amestecului proaspt, reducnd amestecarea lor, care conduce la absena oxidrii hidrocarburilor. Absorbia i desorbia n particula de ulei Emisiile de hidrocarburi ale motoarelor cu aprindere prin scnteie se mresc n prezena peliculei de uleidin camera de ardere. Aceasta realizeaz o absorbie a hidrocarburilor n perioada de comprimarei o eliberare a acestora dup terminarea arderii. Datorit scderii concentraiei vaporilor de combustibil din gazele din cilindru din timpul arderii o parte din vaporii absorbii n pelicula de ulei vor fi eliberai i se vor oxida n contact cu flacra. Absorbia i desorbia n depozitele solide Depozitele solide au acelai rol ca i pelicula de ulei. n final, din toate aceste zone se elibereaz hidrocarburile ce vor fi evacuate n gazele de ardere. Formarea oxizilor de azot Msurtorile efectuate au artat c oxidul de azot se formeaz prin oxidarea local a azotului atmosferic. Astfel, in condiiile n care oxigenul este n exces se dezvolt o reacie de oxidare a azotului i n final se obin compuii cunoscui sub simbolul NOx.