Solutii de reducere a emisiilor poluante la motoarele cu aprindere prin scanteie

Solutii de reducere a emisiilor poluante la motoarele cu aprindere prin scanteie

Generalitati

Dintodeauna mediul ambiant si in principal atmosferic au fost viciate de diversi poluanti, in primul rind naturali : praf, resturi organice, produsi ai eruptiilor vulcanice, viciere intr-o proportie mica si care influenteaza, in general,arii reduse. Bazinul aerian, practic infinit in comparatie cu cantitatile de poluanti emise astfel, asigura o diluare rapida a acestora.

Impactul negativ al m.a.i. asupra ambiantei terestre pe care o polueaza prin emisii de gaze nocive si zgomot, in principal, dar si prin alte inconveniente, cum ar fi scurgeri de uleiuri si combustibili, deseuri din procesul de fabricatie sau de reciclare al vehiculelor, perturbatii electromagnetice, reprezinta motivul pentru care efortul de a reduce cantitatea de emisii poluante provenite de la autovehicule intereseaza toti cetatenii toate tarile si mai ales pe acelea care au o industrie constructoare de autovehicule si automobile.

Poluarea mediului este o problema grava, care lezeaza nu numai populatia actuala dar care afecteaza imprevizibil mostenirea pe care o lasam generatiilor viitoare. Mijlocul de a mentine calitatea mediului consta in impiedicarea poluantilor de a patrunde in acesta.

Pentru a elimina produsii poluanti exista trei cai :

Impiedicarea formarii produsului poluant.

Retinerea produsului poluant.

Neutralizarea produsului poluant.

Este evident ca metoda de reducere a emisiilor poluante cea mai adecvata conditiilor transportului auto consta in combaterea produsului poluant la geneza (formare). De asemenea si neutralizarea poate fi avuta in vedere, desi acest lucru implica constructia autovehicolului.

Aspecte de geneza si neutralizare sunt in principal fenomene chimice care au loc in conditiile particulare din motor.

Necesitatea combaterii poluarii rezulta si din analiza efectului noxelor asupra individului.

Conventia de la Kyoto

Prin Conventia de la Kyoto au fost stabilite gazele care genereaza efectul de sera. Astfel, cei mai importanti dintre poluantii care sunt responsabili de efectul de sera, sunt bioxidul de carbon, metanul, oxizii azotului, ozonul troposferic si clorofluorocarburile.

Generatorii efectului de sera: CO2-61%; CH4-20%; CFC-10%; NOX-5%; O3-4%.

Substatele nocive din gazele de evacuare ale m.a.s:

Efectul poluant cel mai important al m.a.i se datoreaza emisiilor de gaze nocive existente in gazele de evacuare, emisii care apar datorita arderii defectuoase, incomplete, a combustibilului in m.a.i. Arderea ideala a combustibililor se realizeaza prin evidentierea compusilor prezenti in schema din figura 7.1.1.

Figura 7.1.1. Schema arderii ideale si reale

Substantele nocive din atmosfera sunt de doua feluri:

substante primare;

substante secundare.

Substantele primare sint in stare gazoasa (CO, HC, NOx) sau in stare solida sub forma de particule. Substantele secundare sint smogul fotochimic si smogul umed. Denumirea vine din limba engleza: smog = smoke (fum) + fog (ceata) si s-a raspindit ca atare.

In tabel, este redata structura noxelor inregistrate la arderea unui kilogram de combustibil. Din tabel se constata ca arderea defavorabila a benzinei in m.a.i determina o crestere mare a CO esapat, iar pentru motorina mai periculos este continutul de SO₂ din gazele arse.

Tabelul 7.1.1.

Nocivitatea emisiunilor poluante:

Oxidul de carbon (CO) are un efect toxic asupra organismului, deoarece sustrage hemoglobina din combinatia cu oxigenul, ceea ce impiedica alimentarea tesuturilor cu oxigen. Intoxicatia produce dureri de cap, oboseala, ameteli, tulburari de vedere, irascibilitate, voma, lesin, coma, moarte.

Hidrocarburile (se noteaza conventional HC), ca substante primare prezinta miros urit (formaldehida, acroleinele) si au actiune cancerigena (hidrocarburile aromate cu masa moleculara ridicata; benzpirenul produce in laborator tumori canceroase la animale). HC-ul este nociv mai ales ca substanta secundara.

Oxizii de azot (se noteaza conventionali cu NO si se refera la oxidul de azot NO si bioxidul de azot NO2 care se gasesc in gazele de evacuare, al doilea in proportie de 1/10 1/20), sint nocivi pentru ca si ei fixeaza hemoglobina din sange, irita ochii si caile respiratorii. NO_x-ul este mai periculos ca substanta secundara.

Particulele sint alcatuite din carbon si hidrogen (fumul sau funingine) sau din plumb si compusii lui. Particulelele de funingine reduc vizibilitatea. In gazele de evacuare se mai gasesc uneori urme de aldehide iar la m.a.c, oxizi de sulf, cind motorina contine sulf.

Smogul foto chimic (SF) reprezinta o ceata caracteristica unor zone geografice (statul California din S.U.A., Tokio, Iran). SF-ul se formeaza in atmosfera uscata, la o temperatura mai mare decit 20°C, in prezenta razelor solare. Este iritant pentru caile respiratorii si pentru ochi, reduce vizibilitatea. SF-ul este alcatuit din trei componente: ozonul; aldehidele; peroxinitratul acil (PAN-ul).

Originea emisiilor de hidrocarburi HC ale m.a.s.:

Studiile teoretice si experimentele indica pentru formarea emisiilor de HC, in primul rind existenta spatiilor inguste din camera de ardere, in care nu se poate propaga flacara.

Rolul spatiilor inguste

Camera de ardere a unui m.a.s. cuprinde mai multe spatii inguste. Cel mai important este spatiul inelar format de piston, cilindru si primul segment de compresie. Se adauga spatiul din jurul elecrodului central al bujiei, dintre bujie si locasul de chiulasa, blocul cilindrilor si garnitura. Volumul total al acestor spatii reprezinta cateva procente din volumul total al camerei de ardere. Fiind caracterizate printr-o valoare ridicata a raportului suprafata-volum, aceste spatii determina racirea puternica a gazelor din interior, pana la o temperatura apropiata de a peretilor.

In cursa de comprimare, in aceste spatii care cuprind initial gaze reziduale si amestec combustibil-aer este comprimat amestec din cilindru.

Curgerea amestecului din cilindru continua si in timpul arderii, in timpul cresterii presiunii din cilindru, pana la sosirea flacarii la intrarea acestor spatii. In functie de dimensiunea intrarii,de compozitia amestecului si starea termodinamica,flacara fie reuseste sa patrunda in interior realizand oxidarea partiala sau completa a combustibilului,fie se stinge la intrare.

Prin urmare in aceste spatii gazele sunt in mare masura stratificate, corespunzator ordinii de intrare. In cursa de destindere odata cu scaderea presiunii din cilindru, curgerea se inverseaza, si cea mai mare parte a continutului spatiilor inguste trece in cilindru.

O dovada directa ca spatiile inguste, in primul rind interstitiul de deasupra primului segment, constituie susa principala a emisiilor de HC, a fost adusa de experientele efectuate cu pistoane de constructie speciala, in vederea reducerii la minimum a volumului ingust, adica prin deplasarea la maximum a primului segment spre extremitatea capului pistonului, precum si prin etansarea cu inele "O" a spatiului segment - canal. Ca urmare a acestor modificari s-a obtinut, in gama regimurilor de functionare incercate, o reducere a emisiilor de HC de (47÷74)% fata de motorul cu pistoane de constructie standard.

Absorbtia si desorbtia in pelicula de ulei

Emisiile de HC ale m.a.s. se maresc in prezenta peliculei de ulei in camera de ardere. S-a experimentat si s-a observat ca:

- emisiile de HC cresc odata cu solubilitatea combustibilului in ulei;

- fractiunea de combustibil absorbita de pelicula de ulei este proportionala cu cantitatea de ulei si cu presiunea din cilindru;

- in timpul arderii, concentratia de combustibil din masa gazelor tinde la zero, declansand fenomenul invers, de desorbtie a vaporilor de combustibil din ulei, fenomen care se poate extinde pe cursele de destindere si evacuare;

- o parte din combustibilul desorbit care ajunge prin difuzie in contact cu gazele fierbinti are posibilitatea sa fie oxidat;

- fractiunea care se desoarbe cu intirziere, va intra in componenta gazelor de ardere;

Absorbtia si desorbtia in depozitele solide

Depozitele care se formeaza pe peretii camerei de ardere favorizeaza emisiile de HC in gazele de evacuare. Se aprecieaza ca depozitele solide actioneaza similar peliculei de ulei, prin mecanismul de adsorbtie-desorbtie a hidrocarburilor.

Evacuarea HC din camera de ardere

HC provenind din zonele inguste de stingere a flacarii sau prin desorbtie din pelicula de ulei si depozitele solide si care nu au fost oxidate sunt antrenate in final in masa gazelor arse evacuate din cilindru dupa deschiderea supapei de evacuare.

Evacuarea HC din apropierea cilindrului (provenind in cea mai mare parte din zona inelara ingusta de stingere a flacarii de la capatul pistonului) este limitata in perioada evacuarii libere, de formarea unui strat limita viscos. Grosimea acestui strat creste odata cu destinderea gazelor din cilindru. In cursa de evacuare, amestecul nears din stratul limita viscos va fi deplasat de piston spre partea superioara a cilindrului. In ultima parte a cursei se formeaza curenti de recirculare la partea superioara a cilindrului, care desprind restul de amestec nears de pe perete in masa de gaze care se evacueaza. Compozitia emisiilor de HC este importanta. Daca gazele nu sunt tratate inainte de deversarea in atmosfera intereseaza in special prezenta claselor de HC cu mare reactivitate in atmosfera, in special acetilenele si olefinele. Pentru motoarele prevazute cu dispozitive de tratare catalitica a gazelor de evacuare, intereseaza compozitia generala a HC. Optimizarea catalizatorilor din punct de vedere al eficientei oxidarii finale si al pretului de cost - trebuie realizata in functie de compozitia gazelor de ardere care depinde de constructia si regimul de functionare a motorului, precum si de combustibil si dozaj.

Formarea oxizilor de azot NOx in m.a.s.

Masuratorile locale efectuate in camera de ardere a unui m.a.s. au aratat ca oxizii de azot NO_x se formeaza cu viteze finite prin oxidarea azotului atmosferic. La trecerea flacarii prin dreptul zonei investigate se declanseaza reactiile arderii combustibilului, care decurg relativ rapid. Reactiile de formare a oxidului de azot NO sunt mai lente. NO se acumuleaza treptat pana la o valoare limita.

In functie de gradientul de temperatura care se stabileste in camera de ardere, se stabileste un camp de concentratii de NO_x. Scaderea temperaturii in cursa de destindere antreneaza descompunerea oxidului de azot. Viteza reactiilor de descompunere este relativ unica si timpul disponibil insuficient pentru refacerea concentratiiei initiale a oxigenului si azotului molecular. Reactiile "ingheata" la o anumita temperatura si concentratia medie care rezulta dupa amestecarea gazelor de ardere se regaseste in gazele de evacuare.

In vederea combaterii poluantilor chimici si acustici motorul din tema de proiectare va fi echipat cu un catalizator de oxidare si cu atenuator de zgomot.

Catalizatori de oxidare. Constructia catalizatorilor de oxidare

Un catalizator de oxidare are rolul de promovare a reactiilor de oxidare a HC si CO.

Constructiv, catalizatorii de oxidare sunt fixati pe un reactor catalitic (denumit si convertor catalitic), avand aceleasi particularitati ca si convertorul catalitic trivalent (denumit catalizator triplu sau, mai impropriu, catalizator cu trei cai, conform traducerii cuvant cu cuvant din limba engleza), folosit la motoarele cu aprindere prin scanteie.

Figura 7.1.2. Reactori catalitici cu granule si structuri monolite

Partile componente sunt: suportul, stratul intermediar, stratul catalitic activ si carcasa. Suportul ceramic poros (sau metalic) este acoperit cu un strat intermediar, cu scopul de a mari suprafata de asezare a catalizatorului, care este din platina, paladiu, rhodiu sau oxizi metalici. Suportul ceramic este un cilindru monolit cu sectiunea circulara sau eliptica, avand structura celulara, cu forma celulei, de regula, patrata. Materialul este un aliaj ceramic, alcatuit din oxizi de magneziu, aluminiu si siliciu.

Referat: Ferastrau circular cu masa mobila Referat: Criterii pentru aprecierea rezistentei la foc

Figura 7.1.3. Structura catalizatorului:

1  - suportul; 2 - stratul intermediar; 3 - stratul catalitic activ.

Suportul metalic este alcatuit din pachete de foi din tabla din otel inoxidabil, distantate prin intermediul unor foi din tabla ondulata, pachete care sunt rulate in forma de spirala.

Stratul intermediar este din oxizi de aluminiu, de regula A^Oa (alumina), care au rolul de a imbunatati reactivitatea chimica a stratului activ si de a oferi o suprafeta de depunere foarte mare.

Stratul activ se suprapune peste stratul intermediar si contine metale pretioase -platina, paladiu, rhodiu - dar si oxizi metalici (de titan vanadiu, molibden si niobiu).

Eficienta reducerii emisiilor poluante:

Eficienta reducerii unui poluant se defineste:

E = (ci - ce) / ci

in care: ci - concentratia poluantului inaintea catalizatorului;

ce - concentratia poluantului dupa catalizator.

Eficienta catalizatorilor de oxidare depinde de o multitudine de variabile: natura stratului catalitic activ, compozitia stratului intermediar si a materialului suportului, densitatea celulelor, rezistenta gazodinamica, continutul de aditivi din uleiul de ungere, continutul de sulf din combustibil, pozitia catalizatorului, viteza spatiala, ciclul de incercari, dar, mai ales, de temperatura gazelor arse la intrarea in catalizator. Acest ultim parametru este hotarator pentru eficacitatea reducerii particulelor solubile, o temperatura prea mare favorizand producerea reactiilor de formare a sulfatilor, in timp ce o temperatura prea mica nu reduce suficient particulele solubile organice.

Performantele catalizatorilor de oxidare, in principal eficienta si durabilitatea, sunt influentate de parametrii care depind de catalizator, de motor, precum si de combustibilul folosit.

Natura stratului catalitic activ. In prezent exista doua linii distincte dezvoltarea catalizatorilor destinati m.a.c.:

folosirea catalizatorilor trivalenti traditionali (cu metale rare), care au eficienta
conversiei CO si HC foarte mare si care sunt cercetati in scopul imbunatatirii reducerii NOx',

folosirea catalizatorilor zeolitici. cu efecte promitatoare de reducere a NOx in
conditiile asigurarii unor bune proprietati de oxidare.

Din prima grupa de catalizatori cele mai bune rezultate au fost obtinute in urma folosirii platinei si a paladiului. Cifrele obisnuite ale eficientei conversiei sunt de 70 - 90% pentru CO si de 50 - 70 % pentru HC, pentru aceste depuneri. Grosimea depunerii in cazul metalelor pretioase influenteaza eficienta reducerii; o crestere a depunerii volumice de platina de la 30 g / ft la 70 g / ft^j a condus la o crestere a eficientei catalizatorului (CO, HC si SO^) in medie cu l O %.

Materialul suportului. Suportii utilizati sunt de regula structuri de tip fagure, din materiale ceramice sau metalice, fiecare din ele avand avantajele si dezavantajele sale. Pentru m.a.c., suportii metalici au urmatoarele avantaje:

- cadere de presiune mai mica, datorita peretilor mai subtiri decat cei ai suportilor ceramici;

- tendinta de infundare a celulelor poate fi redusa, ca rezultat al suprafetei frontale a celulelor mai mari, datorita grosimii mai mici a peretelui metalic fata de cel ceramic, la aceeasi densitate a celulelor;

- se pot realiza constructii cu diametre mai mici, datorita posibilitatii de a evita carcasa exterioara.

Am ales un catalizator Arvin cu substrat metalic. Multe catalizatoare se defecteaza datorita dezintegrarii monolitului de ceramica din interior. Monolitul din otel inoxidabil din interiorul catalizatoarelor Arvin, confera o durata de viata mai mare fata de catalizatoarele traditionale din monolituri ceramice utilizate.

Figura 7.1.4. Catalizator Arvin

Atenuatorul de zgomot:

Zgomotul produs de motor, prin efecte psihologice si fiziologice impiedica conducerea sigura si agreabila a autovehiculului. Nivelul de intensitate al zgomotului se exprima in decibeli (dB). Zgomotul produs de motor se poate reduce pe calea controlului activ (se actioneaza asupra cauzelor) sau pe calea controlului pasiv (se actioneaza asupra zgomotului propriu-zis urmarind absorbtia lui prin izolare fonica).

Tipuri constructive de atenuatoare de zgomot:

Atenuatoarele de zgomot folosite in transporturile rutiere se pot clasifica, in functie de principiul folosit, in: atenuatoare absorbtive, atenuatoare reactive si atenuatoare dispersive.

Atenuatorul activ (absorbtiv). La acesta, reducerea zgomotului este realizata prin disiparea energiei acustice la trecerea prin materiale absorbante datorita frecarii si schimbului de caldura. Acest tip de atenuator prezinta un interes deosebit datorita faptului ca poate controla si emisiile poluante chimic si este reprezentat de catalizator.

Atenuatorul reactiv se bazeaza pe principiul interferentei dintre unda sonora incidenta si cea reflectata in momentul intalnirii unui obstacol.

Atenuatorul dispersiv functioneaza pe principiul difuziei, iar reducerea zgomotului este atribuita in primul rand dispersiei debitului de gaze pulsant prin tuburi lungi perforate intr-un volum mare. Unii autori nu considera acest atenuator ca un tip distinct, aplicandu-i, cu unele corectii, metoda de calcul de la atenuatoarele reactive.

Intrucat in practica se folosesc combinatii ale acestor trei tipuri de atenuatori de zgomot, combinatii determinate de spectrul de zgomot al evacuarii motorului masurat fara atenuator si de gradul de atenuare dorit, voi folosi pentru motorul din tema de proiectare un atenuator combinat, ca in figura de mai jos:

Figura 7.1.5. Atenuator combinat

Particularitati constructive:

Volumul atenuatorului (V)

Necesitatile de amplasare a tobei pe autovehicul precum si necesitatile economice impun ca toba de evacuare sa aiba un volum minim.

Experimental, s-au stabilit cateva dependente ale volumului tobei de:

a) cilindreea motorului:

- pentru autovehicule V= (35) V_h;

unde: V_h- este litrajul motorului;

V- volumul tobei;

adopt V = 4V_h = 4^*1.998 = 7.99 litri

b) formula constructiva, turatia si gradul de atenuare dorit:

= k_m

in care: z - este numarul de cilindri;

n - turatia nominala a motorului;

k_m - factor care depinde de gradul dorit de reducere a zgomotului

Vehicule si tehnologii nepoluante:

In lumea industrializata imperativul este de a reduce emisiile poluante din atmosfera. Din cauza unui numar tot mai mare de autovehicule care participa la traficul rutier, producatorii de automobile se confrunta cu o acuta nevoie de a gasi o cale pentru diminuarea efectului nociv al gazelor de esapament. Se inregistreaza in prezent o crestere a utilizarii combustibilului fara plumb, iar producatorii sunt preocupati de adaptarea si proiectarea unor motoare care sa corespunda noului tip de combustibil sau chiar unor combustibili neconventionali.

Reducerile de poluanti, impuse de normele actuale de poluare, intrate in vigoare incepand cu anul 2000, sunt importante in raport cu nivelul stabilit prin normele anterioare. Incepand cu anul 2005, odata cu implementarea normelor Euro4, reducerea limitelor emisiilor poluante va inregistra aceeasi dinamica. Solutiile tehnice, care sa duca la realizarea noilor deziderate, s-au orientat catre:

Optimizarea proceselor de gestionare a functionarii motorului ;

Constructia de noi tipuri de catalizatoare ;

Dezvoltarea unor noi sisteme de post-tratare a gazelor de evacuare ;

Gasirea de noi combustibili neconventionali care sa inlocuiasca actualii combustibili.

O directie promitatoare de realizare a unei reduceri importante a consumului de combustibil, la motoarele cu aprindere prin scanteie, o constituie injectia directa de benzina.

Figura 7.1.6. Sistem de injectie european

Concernul german Bosch, a realizat recent primul sistem de injectie european, destinat motoarelor cu injectie directa de benzina, care permite reducerea consumului de combustibil cu pana la 20% (figura 7.6.). Prototipul realizat a fost experimentat pe un motor cu cilindreea de 1,4 litri, pe o caroserie Volkswagen. Acest motor utilizeaza principiul sarcinii stratificate, care presupune functionarea cu amestecuri sarace. Totul este controlat de un microcomputer de bord.

Desi emisiile de NO_X la iesirea din motor sunt mai reduse decat la motorul clasic, acestea trebuie reduse si mai mult, cu ajutorul unui catalizator special. Catalizatorul cu acumulare de NO_X necesar pentru indeplinirea normelor legate de poluare trebuie sa fie regenerat intr-un interval de timp de cateva minute, adica sa elibereze oxizii de azot acumulati care sunt transformati in elemente nenocive (azot si oxigen). Pentru aceasta, motorul trebuie sa treaca de la functionarea cu "amestec sarac-stratificat" la functionarea "normala-omogena stoechiometrica".

Gratie sistemului propus de firma Bosch, aceasta solutie se incadreaza in normele de poluare Euro 4, prevazute pentru anul 2005. De altfel, se apreciaza ca cea mai atractiva solutie de viitor o constituie motorul cu injectie directa, amestec stratificat, raport de comprimare ridicat si catalizator de NO_X cu randament de cel putin 65%. In ceea ce priveste cresterea economicitatii motorului prin dezactivarea cilindrilor, cea mai buna solutie este aceea a firmei japoneze Mitsubishi, care permite o sporire a puterii maxime cu 21% si o reducere a consumului de combustibil de 16%, in ciclul japonez de testare.

Concernul german Opel, a realizat in premiera un autovehicul cu un consul mediu de numai 3,4 l/100 km denumit sugestiv Corsa Eco 3. Aceasta premiera are la baza un motor turbo diesel cu injectie directa si cu 4 supape pe cilindru. Testele in trafic au demonstrat ca in anumite conditii acest autovehicul poate sa consume chiar mai putin de 2 litri la 100 km.

In Italia, firma Fiat a dezvoltat un nou sistem, transpunand pe motorul diesel principiile injectiei electronice de benzina.

Figura 7.1.7.

O pompa ridica presiunea motorinei la o valoare foarte mare de circa 1.400 bari in conducta de alimentare unica (common rail), ce detine si functia de acumulator de presiune (figura 7.1.7.). Denumita CDI (Common Rail Direct Injection) tehnologia a fost aplicata de curand si de firma Mercedes pe modelul C220 si ulterior pe modelul A170. De asemenea firma franceza Peugeot foloseste acest principiu de functionare sub titulatura HDI (High Pressure Direct Injection) pe noile tipuri de motoare diesel. Fata de un motor clasic, noua generatie realizeaza o reducere cu 20% a emisiilor de CO₂, cu 40% a celor de CO si cu 50% a celor de hidrocarburi. Reducerea cea mai importanta este la particule unde procentul este de 60%. Mecanismul reducerii emisiilor se bazeaza pe atomizarea fina a combustibilului, datorita presiunilor mari de injectie, fapt ce conduce la o ardere mai buna. Pentru a elimina insa particulele fine sub 10 microni a fost conceput un filtru regenerabil. Regenerarea este posibila prin amorsarea unei postarderi care modifica temperatura gazelor de evacuare. Sistemul cuprinde un filtru de particule montat impreuna cu un precatalizator si senzori de presiune si temperatura. Cartusul filtrant este confectionat dintr-o carbura de siliciu poroasa care retine particulele din gazele de evacuare. Principiul de regenerare consta in arderea periodica a particulelor acumulate, in prezenta oxigenului, la o temperatura de 550de grade Celsius. Regenerarea filtrului este comandata de un microprocesor.

In scopul economisirii carburantului si reducerii poluarii fara afectarea negativa a performantelor motorului, specialistii de la firma Saab, au dezvoltat un sistem de control al arderii. Acesta se bazeaza pe utilizarea combinata a injectiei directe de benzina cu momentele variabile de deschidere si inchidere a supapelor prin intermediul unor arbori cu came pivotante. De asemenea sunt folosite in premiera bujiile cu ecartament variabil al electrozilor combinate cu aplicarea unei energii inalte a scanteii, conditie de baza pentru a se putea folosi un amestec diluat de gazele de evacuare.

Dincolo de Canalul Manecii, Universitatea din Warwik, pornind de la constatarea ca aproximativ 50% din emisiile de hidrocarburi nearse din motoarele conventionale in patru timpi sunt cauzate de stingerea flamelor din canalul segmentului superior, a realizat un piston de carbon

care poate reduce emisiile de hidrocarburi cu 30% mai mult fata de pistoanele clasice din aluminiu.

In ceea ce priveste autovehiculele grele de transport, toate firmele care produc asemenea carausi au modificat sistemele de injectie in vederea alinierii la normele Euro. La motoarele diesel mari pentru autocamioane si autobuze, controlul emisiilor de NO_X si al particulelor este de cea mai mare importanta. Astfel, a fost necesara marirea presiunii de injectie de la 1350 bari la 1800 de bari concomitent cu micsorarea dimensiunilor orificiilor duzei si cu marirea numarului acestora de la 5 la 8. Avand aceasta solutie, nu mai este necesar un nivel ridicat al vartejului in admisie, pentru a evita micsorarea coeficientilor de debit in portile supapelor. Se asociaza la acest aspect si redesenarea geometriei cupei din piston care poate avea o forma mult mai larga. Ultima etapa a procesului de optimizare necesita un sistem de control computerizat al tuturor parametrilor injectiei.

De asemenea, au fost necesare masuri suplimentare de reducere a consumului de ulei si controlul temperaturii aerului in functie de sarcina si turatie, pentru reducerea hidrocarburilor nearse, a particulelor si a fumului alb. Duzele cu geometrie variabila a orificiilor ar putea ajuta la imbunatatirea formarii amestecului in conditii de functionare variabila.

Directiile de cercetare sunt orientate si spre combustibili neconventionali, precum energia electrica, hidrogenul, gazul petrol lichefiat. Utilizarea mai eficienta a energiei disponibile implica, pe de o parte o noua conceptie a sistemului electronic al functionarii motorului, iar pe de alta parte, optimizarea transmiterii energiei mecanice la roti. Noul sistem va trebui sa mentina functionarea motorului numai la regimul de consum minim, indiferent de regimul de exploatare.

Sistemele de transmisie care se contureaza ca solutii in viitor, datorita performantelor realizabile si posibilitatilor de recuperare a energiei in fazele de decelerare sunt sistemele hibride. Firma japoneza Toyota a propus o solutie, care utilizeaza un motor pe benzina cu injectie directa, un mecanism planetar divizor de putere, un variator cu curea, un sistem reversibil motor generator electric care primeste si stocheaza energie intr-un acumulator pe baza de Ni. Totul este coordonat de un microprocesor aflat la bordul autovehiculului.

Motorul si variatorul cu curea formeaza un sistem care face ca motorul sa functioneze cat mai aproape posibil de regimul de consum minim, indiferent de conditiile de

deplasare ale autovehiculului.In plus la decelerare, energia data de grupul motor/generator, se stocheaza in acumulator. Aceasta energie se va refolosi, in momentul accelerarii, reducand sarcina motorului termic.

Autovehiculul este echipat cu un catalizator pentru neutralizarea oxizilor de azot, cu randament de 90% si indeplineste normele ULEV de poluare. Aceasta va fi o solutie pentru toate motoarele cu amestecuri sarace si cu injectie directa destinate unei game largi de autovehicule.

Un alt "carburant" care este in atentia specialistilor, este pila de combustie. Inca din anul 1994, firma franceza Renault, a demarat alaturi de alti cinci parteneri europeni, proiectul FEVER, un studiu de tractiune electrica alimentata de o pila de combustie. Astfel a fost prezentat Comisiei Europene un model experimental realizat pe baza unui Renault Laguna. Acest sistem de propulsie a stat si in atentia specialistilor de la Opel, care au prezentat la salonul de la Geneva din anul 2000, un autovehicul echipat cu pila de combustie bazat pe un monovolul compact Zafira.

Pe plan intern Romania incearca o aliniere la standardele internationale prin trecerea incepand cu anul 2001 la fabricarea autovehiculelor care sa se incadreze in normele Euro2. Principalul produs, marca Dacia, a prezentat o solutie simpla care consta in utilizarea unei injectii electronice monopunct controlata de un microprocesor, asociata cu un catalizator cu trei cai si o sonda lambda, pentru functionare in sistem inchis (figura 7.8.).

Figura 7.1.8. Carburanti nepoluanti

Dezvoltarea productiei materiale din ultimul secol, concomitent cu cresterea populatiei si, respectiv, a cerintelor de energie, de materii prime pentru industrie si de produse alimentare, au accentuat conflictul dintre procesele de dezvoltare economico-sociala si resursele naturale, cu urmari tot mai ingrijoratoare asupra echilibrului ecologic al planetei. Dezvoltarea economica si sociala a necesitat si necesita atragerea in circuitul economic a unor resurse naturale neregenerabile disponibile in cantitati finite.

Utilizarea surselor de energie

Tabelul 7.1.2.

G.P.L. - inlocuitor al benzinei

Introducerea gazului natural in transporturi constituie un pas inainte in vederea rezolvarii problemei acute a poluarii datorate traficului rutier. Acest combustibil este pastrat in stare lichida si este cunoscut sub numele de gaz petrolier lichefiat (GPL). A capatat cea mai larga utilizare, dintre toate solutiile alternative pentru petrol, numarul autovehiculelor care il folosesc drept carburant, a ajuns sa fie de ordinul milioanelor. Astfel, in Italia, numarul lor trece de un milion, in Olanda, consumul de GPL reprezinta 5% din consumul total de combustibili, iar in Franta, se incearca de cativa ani promovarea unor accize mai reduse decat cele pentru benzine sau motorine.

GPL reprezinta un subprodus inevitabil al distilarii petrolului, acesta este compus dintr-un amestec de circa 60% butan si 40% propan. In cazul utilizarii drept combustibil auto, procentajul are valori diferite pentru iarna si vara. De asemenea nivelul emisiilor poluante are valori diferite in functie de compozitia de vara sau de iarna a acestuia. In tabelul 7.1.3. sunt redate caracteristicile gazului petrolier lichefiat, comparativ cu benzina.

Prezinta marele avantaj de a putea fi lichefiat la o presiune de numai 5 bari, putand fi stocat si transportat cu usurinta in aceasta stare. GPL se adapteaza cu usurinta la autovehiculele existente, care isi conserva posibilitatea de a functiona cu benzina, fiind suficienta o simpla apasare de buton pentru a trece de la un combustibil la altul.

Caracteristicile combustibililor auto

Tabelul 7.1.3. 

O instalatie de alimentare cu gaz, in principiu, se compune dintr-o butelie, plasata in portbagaj, un vaporizator integrat cu un reductor de presiune si un dispozitiv de amestec cu aerul, plasat pe tubulatura de admisie, inaintea carburatorului sau inaintea corpului clapetei la motoarele cu injectie (figura 7.1.9.).

Figura 7.1.9. Instalatie de alimentare cu gaz

Nu este necesara nici o modificare a aprinderii sau a unitatii electronice de comanda a injectiei si nici a catalizatorului, atunci cand acesta exista. Singurele adaptari vizibile sunt un indicator de nivel, specific, un comutator benzina/gaz si o gura de umplere, plasata discret pe caroserie. Avantajele ecologice ale folosirii unei astfel de instalatii, dar si inconvenientele sunt urmatoarele:

Gazele de evacuare sunt mai putin poluante, fata de cele produse in cazul alimentarii cu benzina - lipsa plumbului, valori ale emisiilor mult diminuate;

Durata de utilizare mai lunga a uleiului pentru motor (nu mai apare diluarea acestuia in benzina);

Durata de viata a motorului mai lunga, datorita lipsei depozitelor de carburi;

Lipsa detonantilor conduce la scaderea vibratiilor;

Scade puterea motorului cu pana la 10% fata de alimentarea clasica;

Este necesar un rezervor mai mare datorita consumului la acelasi parcurs a unei cantitati cu circa 10% mai mult GPL.

Directii de actiune pentru indeplinirea viitoarelor standarde de poluare:

Indeplinirea viitoarelor standarde de poluare necesita o serie de imbunatatiri ale motoarelor si ale vehiculelor, atat cele de pasageri, cat si cele comerciale. Este, de asemenea, nevoie sa se recurga si la post - tratarea catalitica a gazelor de evacuare.

Unele dintre masurile preconizate pentru autoturisme ar putea fi urmatoarele:

in domeniul cercetarii si perfectionarii motoarelor:

tratarea gazelor de evacuare la functionarea cu amestecuri sarace (l > 1)

injectie directa de benzina

tratarea gazelor de evacuare la functionarea cu amestec stoichiometric (l = 1)

supra-alimentare

distributie variabila

combustibili si motoare alternative

in domeniul reducerii emisiilor netratate:

optimizarea geometriei camerei de ardere

formarea amestecului

recircularea gazelor de evacuare (EGR)

came cu faze variabile

aerisirea carterului

ventilarea rezervorului

conducerea motorului EMS (Engine Management System)

in domeniul tratarii gazelor de evacuare, incalzirea mai rapida a catalizatorului de oxidare si optimizarea altor procese:

incalzirea catalizatorului de la motor

injectia aerului secundar

tehnologia suprafetei active a catalizatorului

amplasarea catalizatorului cat mai aproape de motor

incalzirea electrica a catalizatorului

stocarea HC

eficienta de conversie a catalizatorului

densitatea celulelor catalizatorului

senzor suplimentar de oxigen pentru controlul lambda

De asemenea, si la vehiculele comerciale este nevoie de masuri suplimentare cum ar fi:

Presiune de injectie mai mare, racire intermediara, optimizarea geometriei pulverizatorului, cresterea numarului de orificii la injector, optimizarea volumului total al sacului pulverizatorului, racirea gazelor recirculate, 4 supape pe cilindru, minimizarea consumului de ulei si folosirea combustibililor cu continut redus de sulf.

Pentru viitoarele norme Euro IV si Euro V, este necesar sa se mareasca in continuare presiunea de injectie, sa se modifice forma legii de injectie si sa se utilizeze pulverizatoarele cu mai multe orificii. Principala tinta o constituie reducerea emisiei de NOx si particule. In plus, se mai au in vedere catalizatoarele de oxidare, filtrele de particule si alte forme de combustibili.

De asemenea, utilizarea ureei constituie o masura potrivita pentru atingerea tintei.

Incadrarea in limitele prevazute de normele Euro IV si Euro V referitoare la emisiile de NOx necesita, pe langa utilizarea sistemelor injector pompa, recircularea gazelor de evacuare.

Acestea sunt reintroduse in colectorul de admisiune dupa ce aerul a fost comprimat in sistemul de supraalimentare si racite, ceea ce complica sistemul. Pentru a depasi gradientul de presiune se utilizeaza un dispozitiv cu supapa, ca la MAN (reedvalve), sau un tub Venturi, ca la Cummins (unde gazele de evacuare sunt efectiv supte de curentul de aer furnizat de suflanta).

Este de preferat aceasta varianta pentru a preveni depunerea de funingine pe compresor si pe intercooler si pentru a evita atacul coroziv al emisiilor acide din evacuare (procedeu intalnit la MAN, in Europa, si Cummins si Detroit Diesel in S. U. A). Pentru a asigura un control optim al aerului in admisiune in vederea realizarii unui consum redus de combustibil, in conditiile normelor Euro IV si Euro V, este nevoie de turbine cu geometrie variabila (TGV).

In ultimii ani se manifesta tendinta de reducere a vartejului generat in cupa pistonuluiin locul ei realizandu-se presiuni de injectie mai mari, mai multe orificii mai mici ale pulverizatorului, pentru a realiza o pulverizare mai fina si o amestecare mai buna datorita penetratiei mai bune, si emisii de NOx mai mici. Vartejul mai scazut conduce la temperaturi

medii de ardere mai mari in cilindru si, deci, cupluri mai mari - mentinand, insa, generarea de NOx la niveluri joase in ciuda varfului de temperatura.

Sistemul injector - pompa este preferabil, in cazul motoarelor mari, sistemului Common Rail, pe de o parte, pentru ca durabilitatea este de aproximativ 1,6 milioane de km in loc de 500.000 km si, pe de alta parte, pentru ca jetul de combustibil parcurge mai usor spatiul mai mare din cilindru in conditiile presiunii maxime de 2000 bar fata de 1600 bar la cel din urma.

Pentru a indeplini normele Euro V, din 2008, care prevad maxim 2 g/kWh NOx, este nevoie de masuri speciale de tratare a gazelor de evacuare. O solutie o constituie utilizarea procedeului Active Selective Catalytic Reduction (SCR) care utilizeaza ca substanta activa o solutie de uree dizolvata in apa, pentru a indeplini normele Euro V, fig. . in catalizatorul de oxidare are loc neutralizarea (arderea) hidrocarburilor si a oxidului de carbon si transformarea oxidului de azot in bioxid de azot. In catalizatorul SCR, in prezenta solutiei de uree dizolvata in apa, are loc transformarea oxizilor de azot in azot inofensiv si apa.

Arderea mult mai completa, datorita injectiei combustibilului la presiuni mari si a utilizarii supraalimentarii cu turbine cu geometrie variabila, conduce la emisii mai reduse de particule. Cele care raman, multe dintre ele volatile, unele sunt oxidate la intrarea in catalizator, iar celelalte sunt colectate pe suprafata ceramica a filtrului, existand posibilitatea oxidarii lor de catre NO₂ care rezulta din NOx din catalizator.

In viitor se are in vedere realizarea unor sisteme combinate capabile sa neutralizeze simultan oxizii de azot si particulele nearse.

Carburanti

Cresterea continua a nivelului de performanta din industria auto si cerintele legale in permanenta schimbare impun necesitatea modificarii caracteristicilor tehnice ale carburantilor in sensul imbunatatirii calitatii lor. Pentru ca automobilele sa raspunda la toate exigentele crescande referitoare la performanta, fiabilitate, longevitate, este nevoie de coroborarea a doi factori esentiali :

Tehnologia constructiei de automobile si calitatea carburantilor utilizati.

Masurile pentru cresterea calitatii carburantilor cele mai importante sunt:

eliminarea plumbului din benzine care pe plan mondial tinde sa fie totala pana in 2010

desulfurarea carburantilor

Carburantii comercializati se impart in patru niveluri de calitate, functie de conditiile de mediu reglementate in diferite tari:

nivelul 1 - fara norme de emisii

nivelul 2 - corespunzator unui nivel mediu de control al emisiilor

nivelul 3 - corespunzator unui nivel avansat de control al emisiilor

nivelul 4 - corespunzator unui nivel strict de control al emisiilor.

Este prioritara preocuparea pentru gasirea unor solutii de reducere a emisiilor poluante ale vehiculelor, in mod special a:

poluantilor primari: hidrocarburi nearse, monoxid de carbon, compusi ai plumbului

poluantilor secundari: azot, oxizi de azot

emisiilor toxice: cele de benzen si de particule

Factori poluanti la benzina fara plumb

Tabelul 7.1.4.

a doua valoare se aplica numai pentru Euro 4

Substante generatoare de poluare:

Plumbul - se interzice comercializarea benzinei cu plumb pe plan mondial pentru 2005-2010; in cazul benzinei fara plumb, trebuie sa aiba o tendinta de scadere de la 0,005 g/l (Euro IV) pana la eliminarea totala dupa anul 2009.

Sulful - se impune limitarea de la max 500 la 150 ppm (ianuarie 2005), la 50 ppm (ianuarie 2007), iar pentru UE la max. 10 ppm in 2009 si chiar reducerea totala.

Benzenul - despre care s-a constatat ca are efecte cancerigene (ca si alte substante aromate), s-a redus drastic de la max. 1% v/v (pana in 2005), preconizandu-se eliminarea totala dupa 2007.

Continutul de hidrocarburi aromate in benzine este limitat la 42 % v/v din 2005, apoi a scazut la 35% v/v dupa 2007.

Bibliografie

1. Abaitancei, D., s.a. - Motoare pentru automobile si tractoare. Editura Tehnica, 1980.

2.     Burciu M. - Actionari cu motoare cu ardere interna, Ed. Bren, Bucuresti 2003.

3.     Burciu M. - Note de curs: C.E.I.E.M.A.I.

4.     Dumitru Gh. C. - Procese termodinamice si caracteristici de functionare. Alimentarea cu combustibil. Editura Universitatea din Galati, 1999.

5.     Gheorghiu C., Uzuneanu K. - Indrumar de proiectare, calculul mecanismului motor. Editura Universitatea din Galati, 1995.

6. Grunwald B., - Teoria, calculul si constructia motoarelor pentru autovehicule rutiere. Editura Tehnica, 1980.

7. Scarpete D. Calculul dinamic al motoarelor cu ardere interna. Editura Didactica si Pedagogica, 2004.