prelegerea 6 , elemente de electronica

Electronic pentru Automobile PRELEGEREA 6

1

PPrreelleeggeerreeaa nnrr.. 66 55.. TTEEHHNNIICCII DDEE EEVVAACCUUAARREE AA GGAAZZEELLOORR

PPrroobblleemmee ggeenneerraallee Arderea benzinei n cilindrul motorului este mai mult sau mai puin incomplet. Cu ct arderea este mai puin complet, cu att cresc emisiile poluante. Arderea perfect sau total a benzinei este imposibil, chiar atunci cnd este disponibil un surplus mare de aer. Raportul ideal ntre masa de aer i cea de benzin pentru o ardere complet este 14,7:1. Aceasta se obine pentru o valoare lambda egal cu 1, care este cunoscut ca fiind valoarea stoichiometric. Aceast valoare poate fi calculat prin determinarea numrului exact de atomi de oxigen necesari pentru oxidarea complet a numerelor corespunztoare de atomi de hidrogen i de carbon din hidrocarburile ce formeaz benzina. Dac se cunosc masele atomice ale respectivelor elemente se poate calcula valoarea lambda. Benzina conine un anumit numr de componente numite fraciuni. Ele aparin la trei serii chimice:

ppaarraaffiinnee,, ddee eexxeemmpplluu ooccttaannuull CC88HH1188 nnaafftteennee,, ddee eexxeemmpplluu cciicclloohheexxaannuull CC66HH1122 aarroommaattiiccee,, ddee eexxeemmpplluu bbeennzzeennuull CC66HH66..

Raportul ideal aer-benzin poate fi calculat pentru fiecare din aceste componente din ecuaia chimic de echilibru i din masele atomice ale atomilor. Masele atomice de interes sunt:

ccaabboonnuull,, CC,, mmaassaa aattoommiicc == 1122

hhiiddrrooggeennuull,, HH,, mmaassaa aattoommiicc == 11

ooxxiiggeennuull,, OO,, mmaassaa aattoommiicc == 1166.. Ecuaia chimic de echilibru pentru arderea complet a octanului este urmtoarea:

2C8H18 + 25O2 16CO2 + 18H2O Masa molecular pentru 2C8H18 este (2 12 8) + (2 1 18) = 228. Masa molecular pentru 25O2 are valoarea 25 16 2 = 800. Ca urmare, raportul oxigen-octan este 800:228 sau 3,5:1. Cu alte cuvinte, 1 kg de carburant folosete 3,5 kg de oxigen. Aerul conine 23% din mas oxigen (21% din volum), ceea ce nseamn c 1 kg de aer conine 0,23 kg de oxigen. Deci 1 kg de oxigen se gsete n 4,5 kg de aer. Raportul ideal aer-carburant pentru arderea octanului este 3,5 4,5 = 15,2:1. Dac se efectueaz un calcul similar pentru ciclohexan i benzen se obin urmtoarele rezultate:

PRELEGEREA 6 Electronic pentru Automobile

2

Ciclohexan:

C6H12 + 9O2 6CO2 + 6H2O raportul aer:carburant = 14,7:1 Benzen:

2C6H6 + 15O2 12CO2 + 6H2O raportul aer:carburant = 13,2:1. Exemplele de mai sus permit s se explice modul de calcul al raportului aer-benzin i, ntruct benzina este un amestec format dintr-un anumit numr de fraciuni, raportul ideal are valoarea 14,7:1. CCoommppoozziiiiaa ggaazzeelloorr ddee eevvaaccuuaarree nneettrraattaattee S-a constatat teoretic c prin arderea complet a benzinei n aer rezult bioxid de carbon, ap i azot. n realitate, procesele de ardere au anumite particulariti i n final rezult bioxid de carbon, ap, azot, monoxid de carbon, hidrocarburi nearse, oxizi de azot, hidrogen, oxigen i particule. Compoziia gazelor de evacuare variaz n funcie de calitatea arderii, dar n mod deosebit este o funcie de coeficientul excesului de aer (). n figura 5.1 se prezint variaia diferitelor componente ale gazelor de evacuare fr tratament n funcie de coeficientul excesului de aer .

Amestecurile bogate ( < 1, benzin n exces) produc concentraii ridicate de CO, H2 i HC, n timp ce amestecurile srace ( > 1, oxigen n exces) genereaz nivele nalte de NOx i oxigen liber. Temperaturi mai sczute ale camerei de ardere asociate cu valori ale amestecului cu > 1,2 au drept efect reducerea concentraiei de NOx nsoit de creterea concentraiei de HC. Maximul emisiei de CO2 (gaz cu efect de ser) se produce la amestecuri uor srace ( = 1,1). Normele de protecie a mediului impun reducerea drastic a emisiilor poluante din gazele de evacuare. Circa 1% din gazele de evacuare reprezint substane toxice: monoxid de carbon (CO), oxizi de azot (NOx) i hidrocarburi (HC). Problema major ce apare pentru controlul emisiilor poluante este aceea c fiecare din

cele trei substane toxice este dependent de raportul aer/benzin i aceste dependene au un caracter contradictoriu: cnd cresc concentraiile de CO i HC, scade concentraia de NOx i invers. PPoossttttrraattaarreeaa ccaattaalliittiicc permite reducerea substanial a nivelului emisiilor poluante. Pentru a controla nivelul emisiilor poluante ale unui motor exist trei posibiliti de aciune:

11.. ffoorrmmaarreeaa ccoorreecctt aa aammeesstteeccuulluuii;;

Figura 5.1


3

Figura 5.2 Figura 5.3

22.. pprrooiieeccttaarreeaa aaddeeccvvaatt aa mmoottoorruulluuii,, ccuumm aarr ffii ddee eexxeemmpplluu oo ooppttiimmiizzaarree aa ffoorrmmeeii ccaammeerreeii ddee aarrddeerree;;

33.. ppoossttttrraattaarreeaa ccaattaalliittiicc aa ggaazzeelloorr ddee eevvaaccuuaarree. Cea de-a treia modalitate de influenare a nivelului emisiilor poluante se realizeaz cu ajutorul unui convertor catalitic, a crui principal sarcin este de fapt o completare a procesului de ardere a benzinei. Principalele caracteristici ale convertorului catalitic sunt:

ssuussiinnee ppoossttaarrddeerreeaa CCOO ii HHCC,, ccuu ddeeggaajjaarreeaa ddee CCOO22 ii HH22OO,, ccaarree nnuu ssuunntt ssuubbssttaannee ppoolluuaannttee;;

rreedduuccee aazzoottuull ddiinn ooxxiizziiii ddee aazzoott pprreezzeennii nn ggaazzeellee ddee eeaappaammeenntt ((aappaarree aazzoott nneeuuttrruu))..

Acest mod de abordare a problemei permite o eficien mult mai mare dect postarderea gazelor de evacuare ntr-un reactor termic. Convertorul catalitic permite transformarea n substane nepericuloase a peste 90% din substanele toxice de evacuare. n prezent, cel mai rspndit catalizator este cel cunoscut sub denumirea de ccoonnvveerrttoorr ccaattaalliittiicc ccuu ttrreeii ccii. Termenul trei ci semnific faptul c cele trei substane poluante CO, NOx i HC sunt degradate simultan. Din punct de vedere costructiv, convertorul catalitic este realizat sub form de fagure, dintr-un material ceramic, acoperit cu metal preios (platin sau rhodiu). Metalul preios este sub form poroas, pentru a mri suprafaa de reacie. Cnd gazele de evacuare curg prin fagure, catalizatorul (metalul preios) accelereaz degradarea chimic a substanelor toxice. Efectul utilizrii convertorului catalitic rezult din figura 5.2, iar din fig 5.3 se poate observa eficiena tratamentului. Aceste convertoare catalitice nu pot fi folosite dect cu benzin fr plumb. Plumbul acoper porii i n general suprafaa metalului nobil catalizator, distrugndu-i proprietile catalitice.


4

Degradarea produs este ireversibil, catalizatorul nu mai poate fi regenerat prin nici o metod economic valabil. Prin urmare, la motoarele cu catalizator este obligatorie utilizarea benzinei fr plumb. CCoonnttrroolluull llaammbbddaa nn bbuuccll nncchhiiss Conversia catalitic presupune arderea de ctre un motor a unui amestec aer-benzin optimizat. Un asemenea optim este caracterizat pentru amestecul aer-benzin de factorul de exces de aer = 1,00 (stoichiometric). Convertorul catalitic funcioneaz eficient dac factorul este meninut cu precizie la acest nivel. Chiar i o deviaie redus, de 1%, are un efect negativ considerabil asupra eficienei posttratamentului. Orict de bun ar fi un control n bucl deschis, acesta nu poate menine amestecul aer-benzin ntr-o toleran att de strns. Soluia este utilizarea unui control n bucl nchis, de acuratee extrem, care s reduc aproape de zero abaterea. Controlul n bucl nchis va urmri, folosind o msurare adecvat, compoziia gazelor de evacuare. Rezultatele obinute n acest fel vor fi utilizate pentru corectarea cantitii de benzin injectate. Acest mod de control este deosebit de eficient la motoarele cu injecie, avnd n vedere faptul c nu apar timpi de ntrziere mari ca la motoarele cu carburator, ntrzieri datorate traseelor lungi de admisie. La motoarele cu injecie, benzina este introdus fie direct n cilindru, fie n imediata sa apropiere, ceea ce asigur un rspuns mult mai prompt. Sunt mai multe tipuri de sensori Lambda, folosind tehnologii de fabricaie dirferite. O prim variant numit sseennssoorr LLaammbbddaa ddee ttiipp NNeerrnnsstt (ZrO2) este n principiu un generator electrochimic pe baza concentraiei de oxigen, cu electrolit solid. Un element ceramic din bioxid de zirconiu i oxid de ytriu este folosit drept electrolit solid impermeabil pentru gaze. Acest amestec de oxizi este un conductor aproape perfect pentru ionii de oxigen de la o valoare ridicat a temperaturii. Electrolitul solid are rolul de a separa gazele de evacuare de atmosfer, folosit drept referin. Ambele fee sunt prevzute cu electrozi din platin catalitic activi. Structura sensorului este prezentat n figura 5.4.

Figura 5.4 La nivelul electrodului intern (plasat n aer atmosferic, la presiunea parial de oxigen pO2'' = 0,21 bari), reacia electronic:

O2 + 4e 2O2


5

ncorporeaz ioni de oxigen n electrolit. Acetia migreaz spre electrodul extern (plasat n gazele de evacuare, presiunea parial de oxigen pO2' variabil < pO2''), unde la nivelul suprafeei de separaie cu trei faze (electrolit-platin-gaz) se produce reacia invers (reversibil). Apare un cmp electric de opoziie i se generaz o tensiune Us ce corespunde raportului presiunilor pariale, conform relaiei lui Nernst:

RR ccoonnssttaannttaa uunniivveerrssaall aa ggaazzeelloorr

FF ccoonnssttaannttaa lluuii FFaarraaddaayy

TT tteemmppeerraattuurraa aabbssoolluutt ppOO22 pprreessiiuunneeaa ppaarriiaall aa ooxxiiggeennuulluuii..

PPrroocceessuull ccaattaalliittiicc.. Msurrile coninutului de oxigen pot servi numai ca baz pentru concluzii lipsite de ambiguitate privind valoarea lambda a gazelor de evacuare atunci cnd se stabilete o stare de echilibru termodinamic la electrozii catalitic activi ai sensorului de oxigen (oxigen rezidual). Concentraiile absolute ale componentelor individuale din gazele de evacuare ale motorului fluctueaz ntr-un domeniu larg n concordan cu condiiile instantanee de funcionare (nclzire, acceleraie, regim staionar, decelerare). Sensorul de oxigen trebuie s fie astfel capabil s converteasc amestecul de gaze pe care l primete ntr-o stare a echilibrului termodinamic complet. Cerinele rezultante sunt un nalt nivel al activitaii catalitice la nivelul electrodului i un strat protector capabil s limiteze cantitatea de gaz. Se poate demonstra c dac nu se atinge echilibrul termodinamic la nivelul electrodului, semnalul sensorului lambda va fi eronat. CCaarraacctteerriissttiiccaa.. Concentraia oxigenului rezidual fluctueaz exponenial (cu cteva ranguri zecimale) n vecintatea amestecului stoichiometric aer-benzin (lambda = 1). Conform expresiei Us aceasta duce la variaii semnificative ale tensiunii sensorului (salt la lambda = 1) i corespunztor n curba caracteristic lambda. Aceste aspecte sunt prezentate grafic n figura 5.5.

Figura 5.5 AAttmmoossffeerraa ddee rreeffeerriinn.. Cea mai comun referin de O2 este aerul din mediul nconjurtor. Alternativele includ un amestec metal-oxid de metal sau un mediu de referin cu pompare. Cu acest ultim metod, un curent de referin de O2 pompat se suprapune msurrii

''2

s '2

pORTU ln4F pO

=


6

tensiunii pentru a genera o presiune parial de O2 aproximativ constant la electrodul de referin ncapsulat. O alt variant lucrnd la lambda = 1 este sseennssoorruull ddee ttiipp sseemmiiccoonndduuccttoorr. Unii oxizi semiconductori, cum ar fi TiO2 i SrTiO3 ating rapid echilibrul cu presiunea parial de oxigen din faza gazoas ce i nconjoar la temperaturi relativ joase. Schimbri ale presiunii pariale pentru oxigenul nconjurtor produc variaii ale concentraiei golurilor de oxigen ale materialului (TiO2-x respectiv SrTiO3-x), deci se modific conductivitatea de volum: unde:

RRTT rreezziisstteennaa sseemmiiccoonndduuccttoorruulluuii

AA ccoonnssttaanntt

EE eenneerrggiiaa ddee aaccttiivvaarree

kk ccoonnssttaannttaa lluuii BBoollttzzmmaannnn

TT tteemmppeerraattuurraa aabbssoolluutt

nn == 11//44..

Acest efect, exploatat pentru a determina valoarea lambda, este suprapus peste dependena de temperatur a conductivitii. Rezistena electric i timpii de rspuns variaz invers proporional cu temperatura, ntruct echilibrul se realizeaz mult mai rapid prin difuzia golurilor n oxigen. PPrrooiieeccttaarree.. Posibilitatea de a se dispensa de o referin de O2 permite o proiectare extrem de simpl, cracterizat de prezena unui dispozitiv de nclzire integrat. Stratul gros de semiconductor poros este n general poziionat i sinterizat pe un substrat plan de Al2O3 ntre doi electrozi. S-a dezvoltat ca alternativ i tehnologia cu straturi subiri. CCaarraacctteerriissttiiccaa.. La lambda = 1, stratul sensor prezint o schimbare extrem a conductivitii datorit variaiei mari a presiunii pariale de oxigen pO2. Cnd sunt noi, sensorii cu TiO2 asigur n esen acelai rspuns ca i sonda lambda cu ZrO2. Pe ntreaga durat de via se produc variaii ale vitezei de cretere a rezistenei pentru amestec bogat i srac i ale timpului de rspuns, cu o deplasare semnificativ a sistemului de control al polurii spre amestecuri srace. MMoodduull ddee ffuunncciioonnaarree aa ccoonnttrroolluulluuii nn bbuuccll nncchhiiss Elementul principal, ce asigur semnalul de control al sistemului, este sseennssoorruull LLaammbbddaa. Acesta transmite la intrarea unitaii electronice de control, dup cum s-a vzut, o tensiune de semnal dependent de compoziia instantanee a amestecului aer-benzin. Sensorul Lambda se monteaz n galeria de evacuare, ntr-un punct care s asigure temperatura necesar pe ntreg domeniul de funcionare a motorului (tipic 600 C, oricum mai mare dect 350 C). Curba de tensiune a sensorului Lambda (pentru sensorul cu ZrO2, cu cea mai mare rspndire) funcionnd la temperatura de 600 C este prezentat n figura 5.6. Modul de amplasare a sensorului n galeria de evacuare se prezint n figura 5.7. Sensorul Lambda ptrunde n fluxul gazelor de evacuare i este proiectat astfel nct electrodul extern s fie nconjurat de gazele de evacuare, iar electrodul intern s fie n contact cu aerul atmosferic. Tensiunea aprut este un rezultat al compoziiei gazelor de evacuare.

nT 2

ER ApO expkT

=


7

Figura 5.6 Figura 5.7 11 sseennssoorr cceerraammiicc 22 eelleeccttrroozzii 33 ccoonnttaaccttee 44 ccoonnttaacctt eelleeccttrriicc ddee mmaass 55 ggaalleerriiee ddee eevvaaccuuaarree 66 nnvveellii cceerraammiicc pprrootteeccttoorr ((ppoorrooss)) n figura 5.8 se prezint structura sensorului Lambda.

Figura 5.8 11 -- ppiieess ddee ccoonnttaacctt 22 -- ssuuppoorrtt cceerraammiicc 33 -- sseennssoorr cceerraammiicc 44 -- tteeaacc pprrootteeccttooaarree ((nn fflluuxxuull ggaazzeelloorr ddee eevvaaccuuaarree)) 55 -- ccoonneexxiiuunnee eelleeccttrriicc 66 -- rroonnddeell 77 -- ccaarrccaass ((nn ccoonnttaacctt ccuu aaeerruull)) 88 -- ccoorrpp ((--));; 99 -- eelleeccttrroodd ((--));; 1100 -- eelleeccttrroodd ((++)) Uneori se utilizez un sseennssoorr LLaammbbddaa nnccllzziitt. Acesta difer constructiv de tipul anterior prin prezena unui element ceramic de nclzire. Corpul ceramic se menine la o temperatur de peste 350 C (necesar bunei funcionri). Utilizarea sensorului nclzit asigur urmtoarele avantaje:


8

ccoonnttrrooll eeffiicciieenntt llaa tteemmppeerraattuurrii rreedduussee aallee ggaazzeelloorr ddee eevvaaccuuaarree ((ddee eexxeemmpplluu llaa mmeerrssuull nn ggooll));;

eeffeecctt mmiinniimm aall vvaarriiaaiiiilloorr ddee tteemmppeerraattuurr aa ggaazzeelloorr ddee eevvaaccuuaarree;;

iinnttrraarree rraappiidd nn ffuunncciiuunnee aa ccoonnttrroolluulluuii LLaammbbddaa dduupp ppoorrnniirreeaa mmoottoorruulluuii ((ccccaa.. 3300 ss));;

rrssppuunnss rraappiidd llaa vvaarriiaaiiii eexxttrreemmee aallee ccoommppoozziiiieeii aammeesstteeccuulluuii;;

iinnssttaallaarree rraappiidd.. Prin intermediul controlului Lambda n bucl nchis, raportul aer-benzin poate fi meninut cu precizie la = 1,00. Schema bloc a circuitului de control este prezentat n figura 5.9.

11 ddeebbiittmmeettrruu ddee aaeerr 22 mmoottoorr;; 33aa,, 33bb-- sseennssoorrii LLaammbbddaa;; 44 ccoonnvveerrttoorr ccaattaalliittiicc;; 55 eelleeccttrrooiinnjjeeccttooaarree;; 66 uunniittaattee eelleeccttrroonniicc ddee ccoonnttrrooll UUSSaa ,, UUSSbb tteennssiiuunnii ddee llaa sseennssoorrii UUiinnjj tteennssiiuunnee ddee ccoonnttrrooll iinnjjeeccttooaarree QQBB ccaannttiittaattee ddee bbeennzziinn iinnjjeeccttaatt

Se observ c uneori poate fi prezent un al doilea sensor LLaammbbddaa ((33bb)) care permite s se monitorizeze eficiena ccoonnvveerrttoorruulluuii ccaattaalliittiicc ((44)). Sensorul Lambda furnizeaz informaia despre starea amestecului mai bogat sau mai srac dect = 1,00. n cazul deviaiei compoziiei amestecului de la valoarea = 1,00, tensiunea de ieire a sensorului se schimb brusc. Aceast modificare semnificativ este evaluat de circuitul de control n bucl nchis. Injecia de benzin va fi controlat n concordan cu informaiile asupra amestecului, astfel nct s se menin un coeficient de exces de aer = 1,00. Semnalul furnizat de sonda Lambda este prelucrat n unitatea electronic de control i este folosit pentru comanda injectoarelor electromagnetice. Controlul dozajului n aceast modalitate determin o modificare continu a compoziiei amestecului aer-benzin n interiorul unei zone avnd o anumit lime n jurul valorii =

1,00, din direcia bogat spre srac i n sens invers. Acest mod de variaie utilizat n control este ilustrat n figura 5.10. Semnalul de la sensor este prelucrat cu ajutorul unui amplificator i al unui integrator. n cazul unui amestec bogat U > Ur (Ur fiind o tensiune de referin bine precizat), semnalul de la ieirea amplificatorului devine zero. Ca urmare se reduce durata impulsurilor de injecie i amestecul devine din ce n ce mai srac. Acum amestecul se deplaseaz n regiunea cu > 1 (srac), tensiunea de la sensor scade sub valoarea de referin Ur i semnalul de la amplificator comut din nou. Ca urmare, la

Figura 5.9

Figura 5.10


9

ieire apare un impuls de durat T1. Impulsurile astfel aprute sunt aplicate integratorului care furnizeaz o informaie asupra tendinei controlului. n continuare, funcie de valoarea U n raport cu Ur, amestecul aer-benzin ncepe s se modifice, dar nu brusc. Pentru aceasta, sistemul de control acioneaz n direcia corect cu o vitez stabilit n funcie de semnalul de la integrator. n acest fel, sistemul de control modific n mod constant compoziia amestecului aer-benzin n interiorul unei benzi de toleran strns n jurul valorii = 1, din direcia bogat ctre srac i invers. Sistemul electronic de control ia n considerare n mod automat condiiile speciale de funcionare, cum ar fi pornirea, accelerarea i sarcina plin. n aceste situaii, controlul acioneaz dup cum urmeaz: PPoorrnniirree.. Sensorul Lambda trebuie s aib temperatura de cel puin 350 C pentru ca semnalul s fie sigur. Ca urmare, pn la nclzire se suprim funcionarea n bucl nchis. Pn la terminarea fazei de nclzire, amestecul aer-benzin este pstrat la un nivel mediu cu un control n bucl deschis. mbogirea amestecului n faza de pornire se asigur dup aceleai principii ca la sistemele fr control Lambda. AAcccceelleerraarree ii ssaarrcciinn pplliinn.. mbogirea amestecului pe durata accelerrii poate avea loc i n cazul utilizrii controlului n bucl nchis. La sarcin plin poate fi necesar s se lucreze cu un raport aer-benzin diferit de = 1,00 (de exemplu = 0,90 0,95, din criteriu de moment motor maxim). La detectarea regimurilor de accelerare i sarcin plin, unitatea de control comut comanda injeciei pe modul de lucru n bucl deschis. n acest mod apare posibil mbogirea amestecului, dincolo de limitele permise de controlul n bucl nchis (cu efect stabilizator). n general controlul Lambda n bucl nchis funcioneaz pentru = 0,8 1,2, domeniu pentru care o serie de variaii ce duc la modificarea coeficientului excesului de aer, cum ar fi efectul amplitudinii sau temperaturii aerului, pot fi compensate. n final controlul converge ctre = 1,00 1%. Un circuit de control supravegheaz sensorul Lambda pentru a preveni funcionarea prelungit n zonele de margine a controlului n bucl nchis. n momentul n care se detecteaz o astfel de eventualitate, controlul dezactiveaz modul de lucru n bucl nchis, trecndu-se n modul n bucl deschis. Dozajul va fi stabilit funcie de o valoare medie a coeficientului excesului de aer. CCoonnvveerrttoorruull ccaattaalliittiicc n ceea ce privete convertorul catalitic cu trei ci, acesta este un dispozitiv foarte simplu, asemntor cu o tob de eapament standard. n figura 5.11 se prezint o seciune ce pune n eviden elementele constructive. Aa dup cum s-a precizat, pentru a aciona eficient catalizatorul, motorul trebuie s funcioneze n zona amestecului stoichiometric.

11 -- mmaatteerriiaall cceerraammiicc aaccooppeerriitt ccuu ssuubbssttaannee ccaattaalliittiiccee aaccttiivvee

22 -- ssuuppoorrtt ddiinn ""llnn"" ddee ooeell 33-- ccoorrpp

Figura 5.11


10

n figura 5.12 se prezint un detaliu mrit din interiorul convertorului catalitic. Sunt prezentate de asemenea ecuaiile chimice de echilibru favorizate de catalizator. De fapt sunt mai multe tipuri de hidrocarburi, dar n figura 5.12 se ilustreaz principiul reaciei.

Figura 5.12 De notat faptul c reaciile impun necesitatea producerii de ctre motor a unei anumite cantiti de monoxid de carbon n vederea reducerii emisiilor de oxizi de azot. Aceasta este una din raiunile pentru care productorii au fost forai s realizeze motoare care funcioneaz cu amestec stoichiometric. Din acest motiv, legislaia a avut tendina de a nbui dezvoltarea tehnicii de ardere a amestecurilor srace. Detaliile de finee privind reglementrile noxelor pot avea un efect marcant asupra tehnicilor de reducere utilizate. n figura 5.11 este prezentat o variant de convertor cu suport ceramic monolitic pentru materialul catalizator. Aceast ceremic este silicat de magneziu i aluminiu, i ntruct are mii de canale, asigur o suprafa mare. Acest suprafa este acoperit cu un strat poros de oxid de aluminiu care crete suprafaa efectiv de circa 7000 de ori. Drept catalizator se folosesc metale nobile. Platina promoveaz oxidarea hidro-carburilor i a monoxidului de carbon, iar rhodiul ajut la reducerea oxizilor de azot. ntreg convertorul catalitic cu trei ci conine trei la patru grame de metale preioase. Domeniul de temperaturi ideale de funcionare este n jurul a 400-800C. O problem serioas ce trebuie rezolvat n prezent este legat de ntrzierea cu care catalizatorul atinge temperatura necesar. Pentru a reduce timpul de ntrziere se folosesc diferite metode, ntruct se produc cantiti nsemnate de noxe pn cnd catalizatorul devine activ. O soluie este nclzirea electric ca o form de arztor ce asigur aprinderea benzinei n interiorul convertorului. O alt arie promitoare pentru cercetri se refer la poziionarea sa ca o parte din galeria de evacuare i a colectorului de evacuare. Aceasta reduce semnificativ timpul pn la activare, dar problemele legate de curentul de gaze, vibraiile i variaiile excesive de temperatur pot reduce potenialul de via a convertorului. Convertorul catalitic poate fi deteriorat de ctre motor n dou moduri: n primul rnd prin folosirea de benzin aditivat cu plumb, situaie n care particule de plumb se depun pe suprafaa activ, ceea ce reduce suprafaa efectiv; n al doilea rnd prin rateurile de aprindere ale motorului, ceea ce poate provoca supranclzirea convertorului catalitic datorit arderii n interiorul unitii. Unii productori (cum ar fi de exemplu BMW) folosesc pe unele vehicule un sistem n care un sensor monitorizeaz ieirea de nalt tensiune a sistemului de aprindere i observ dac scnteia lipsete, situaie n care nu este permis injecia benzinei. O alt tehnic posibil pentru reducerea noxelor pe durata fazei de nclzire a catalizatorului este de a folosi un mic pre-convertor cu nclzire electric. Testele preliminare pentru acest sistem arat c emisiile de hidrocarburi pe durata fazei de nclzire pot fi reduse n mod semnificativ. Problema nc nerezolvat este c este necesar o putere de nclzire n jur de


11

30 kW pe durata primelor 30 secunde. Acesta necesit un curent de ordinul a 250 A. O soluie ar fi utilizarea unei baterii de acumulatori suplimentar pentru a asigura acest curent. Pentru ca un convertor catalitic s funcioneze la rata sa optim de conversie pentru a oxida monoxidul de carbon i hidrocarburile n timp ce reduce oxizii de azot, este esenial s se asigure o band de 0,5 % pentru valoarea lambda. Sensorii lambda folosii n prezent au tendina de a funciona n interiorul a circa 3% din valoarea medie lambda. Atunci cnd un convertor catalitic este n bun stare de funcionare, aceasta nu este o problem ntruct este capabil s stocheze suficient monoxid de carbon i oxigen. Totui, convertoarele defecte nu pot stoca cantiti suficiente din aceste gaze i ca urmare devin mai puin eficiente. Defectarea poate fi provocat de supranclzire sau prin "otrvirea" cu plumb sau siliciu. Dac controlul poate fi pstrat n interiorul benzii de 0,5% din lambda, convertorul va continua s fie eficient, chiar dac este ntr-o oarecare msur deteriorat. Noii sensori disponibili pot lucra cu aceste valori ale toleranei (0,5%). Un al doilea sensor Lambda montat dup convertorul catalitic (figura 5.9) poate fi folosit pentru monitorizarea eficienei convertorului. Un convertor funcionnd corect va stoca oxigen, ceea ce atenueaz oscilaiile controlului Lambda. Ca rezultat, semnalul de la sensorul Lambda de dup convertorul catalitic va diferi n mod semnificativ de semnalul de la primul sensor. Pe msur ce convertorul catalitic mbtrnete, acest rspuns se deterioreaz, pn ce n final semnalul de la sensorul de dup convertor se apropie de semnalul recepionat de la sensorul de dinainte. Baza determinrii strii convertorului este astfel furnizat de o comparaie a semnalelor de la cei doi sensori de oxigen. Cnd cele dou semnale au un anumit grad (predeterminat) de asemnare, nseamn c s-a atins limita de eficien a convertorului catalitic, respectiv s-a epuizat durata sa de utilizare. O lamp de avarii alerteaz conductorul auto n eventualitatea unui defect. NNoorrmmee eeuurrooppeennee pprriivviinndd ppoolluuaarreeaa n tabelele urmtoare sunt prezentate n g/km nivelul noxelor ce pot fi emise de un motor cu aprindere prin scnteie, respectiv un motor Diesel. Normele respective sunt obligatorii pe teritoriul Uniunii Europene. Din analiza datelor prezentate se poate observa dinamica restricionrii respectivelor valori ale nivelelor polurii.

MMoottooaarree ccuu aapprriinnddeerree pprriinn ssccnntteeiiee


12

MMoottooaarree DDiieesseell

prelegerea 6 , elemente de electronica

Documents