DIRECII MODERNE M.A.I.Arderea amestecurilor stratificate Msurtorile experimentale arat c nc sunt necesari pai semnificativi spre optimizarea motoarelor, cum ar fi, de exemplu, optimizarea formrii amestecului, astfel nct motorul fr obturator, cu amestec srac, s poat funciona pe un domeniu ct mai extins de variaie a sarcinii, precum i la scurt timp dup pornirea la rece. De asemenea, funcionarea la plin sarcin a motorului cu aprindere prin scnteie cu injecie direct de benzin, DISI (Direct Injection Spark Ignition Engine), ofer un potenial semnificativ de optimizare. Comparativ cu motorul cu injecie n colectorul de admisiune - MPI (Multi Point Injection Engine), motorul care funcioneaz cu amestecuri stratificate necesit injecie direct de benzin n camera de ardere, n timpul cursei de comprimare. O cantitate potrivit de combustibil trebuie injectat n camera de ardere, ntr-un interval scurt de timp i, totodat, trebuie realizat un amestec optim aer/combustibil care trebuie transportat n preajma bujiei, la momentul potrivit, pentru a fi aprins, pentru un domeniu ct mai extins de sarcini ale motorului. Aceasta conduce la reducerea pierderilor cauzate de obturare i n acelai timp la creterea eficienei arderii datorit utilizrii amestecurilor srace. Injecia direct de benzin s-a impus datorit progreselor n realizarea sistemelor de injecie a benzinei la presiune mare i a sistemelor de control electronic. n atenia cercettorilor se afl cele trei modaliti de formare i stratificare a amestecului: ghidarea cu peretele, ghidarea cu aerul i ghidarea jetului (injector vertical), fig. 1.

Fig. 1 Modalitati de formare si modificare a amestecului (ghidarea cu peretele, ghidarea cu aerul si ghidarea jetului

Aa numitul sistem de ghidare cu peretele const n interaciunea jetului de combustibil cu pereii camerei de ardere i cupei din capul pistonului. Micarea ncrcturii din cilindru faciliteaz formarea amestecului cu combustibilul depozitat pe suprafaa cupei pistonului. Aceast soluie pctuiete prin creterea semnificativ a emisiei de HC. De aceea s-a dezvoltat o alt soluie a crei particularitate const n aceea c se evit, pe ct posibil, contactul jetului de combustibil cu pereii. Acest lucru se poate realiza printr-o micare intens i controlat a ncrcturii din cilindru prin vrtejurile de rostogolire (tumble motion), aa numitul sistem de ghidare cu aerul. n fig. 2 a se prezint principiul acestui sistem de ardere ntr-o seciune transversal a camerei de ardere. Desenul conine i un dispozitiv de variere a intensitii micrii ncrcturii proaspete, care n poziia activat permite creterea intensitii vrtejurilor de rostogolire la funcionarea cu amestecuri srace, iar n poziia dezactivat permite umplerea complet la funcionarea la plin sarcin. Aa cum se vede n graficul din dreapta exist un singur nivel optim al vrtejurilor de rostogolire pentru diferite sarcini pariale de funcionare. Aceasta permite realizarea unui dispozitiv care s asigure dou trepte ale nivelului micrii de vrtej. Procedeul de stratificare a amestecului prin ghidarea cu aerul a jetului de combustibil injectat direct n cilindru, la un unghi de 22,5 fa de orizontal, este utilizat de noul motor Audi FSI de 2 l, cu 4 supape pe cilindru, fig. 2 b. Cupa din piston este astfel profilat nct s genereze vrtejul de rostogolire necesar ghidrii jetului spre bujie la momentul declanrii scnteii electrice. Un alt avantaj important al motorului cu aprindere prin scnteie cu injecie direct, DISI, const n sensibilitatea mic la condiiile de funcionare. Aceasta poate fi evaluat prin varierea avansului la scnteie i la injecie. Se vede, n partea de jos a figurii, c aprinderea este foarte stabil, ciclurile fr aprindere fiind nesemnificative.

Fig. 2. a Influenta vartejujului de rostogolire asupra consumului specific de combustibil si a emisiei de HC si dependenta stabilitatii arderii de avansul la scanteie si de avansul injectiei.

Fig. 2 b Stratificarea amestecului prin ghidarea cu aerul la motorul Audi FSI

n domeniul sarcinilor pariale motorul funcioneaz cu amestec stratificat i complet neobturat. Clapeta din conducta de admisiune de control al vrtejului este nchis. Injecia direct a benzinei se produce la sfritul cursei de comprimare astfel nct s se asigure norul de amestec inflamabil n preajma bujiei. La sarcini pariale mai mari, motorul funcioneaz cu amestecuri srace omogene, ceea ce permite realizarea unor economii suplimentare de combustibil fr a se fonna funingine n exces. Clapeta de vrtej din admisiune este deschis, iar injecia direct a benzinei se produce n cursa de admisiune, pentru a asigura timp suficient omogenizrii amestecului. De asemenea, aceast strategie permite funcionarea metrului aproape fr s se apeleze la controlul prin obturator, fig. 2 a i fig. 2 b. Trebuie menionat faptul c se controleaz compoziia amestecului i prin utilizarea pe scar larg a recirculrii gazelor de evacuare. Performanele de economicitate ale acestui procedeu de formare a amestecului depinde de strategia de funcionare, fig. 5 . In fig. 5 sunt evideniate i regimurile de funcionare corespunztoare ciclului NEDEc pentru un motor de autoturism de 1,6 l, cu 4 cilindri in linie.

Amestec stratificat

Amestec omogen

Fig. 3.a Strategia de functionare a motorului DISI VW.

Fig. 3.b. Strategia de functionare a motorului DISI Audi

Fig. 4. Potentialul de economicitate si strategia de functionare a motorului cu aprindere prin scanteie cu injectie directa, n ciclul NEDC.

Este evident ca ntregul ciclu de testare este acoperit de modul de functionare cu amestecuri stratificate. Rezult o reducere a consumului de circa 20% fa de motorul de nalta tehnologie MPI. Functionarea complet neobturata conduce la scaderea temperaturii gazelor de evacuare pana la un nivel care le face netratabile prin sistemul de post-tratare catalitica. Mai mult, reciclarea gazelor de evacuare(EGR) necesita un anumit nivel de vacuum. De aceea este necesar sa se realizeze o obturare partiala chiar i n modul de functionare stratificat. Cu toate c exist un anumit efect pozitiv al EGR asupra randamentului termic al motorului DISI, o anumit parte din ctigul de economicitate se pierde. Acest dezavantaj poate fi contracarat prin strategia de utilizare a motorului i sistemul de tratare catalitic a gazelor de evacuare. Sistemul de ardere cu vrtej de rostogolire, realizat de FEV Motorentechnik GmbH, reprezint o realizare promitoare n ceea ce privete consumul redus de combustibil i al

emisiilor de HC i fum, precum i al caracteristcii excelente de funcionare la plin sarcin, ntruct caracteristicile micrii din cilindri sunt decisive, a fost realizat un tand de testare a motorului echipat cu un sistem optic de analizare a micrii din cilindru i a influenei geometriei pistonului i a chiulasei. Procesul curgerii curentului poate fi analizat utiliznd tehnici adecvate, cum ar fi PIV- analiza n strat laser (Laser Sheet Analysis). n plus, interaciunea dintre jetul injectat i micarea ncrcturii poate fi vizualizat cu ajutorul fluorescentei induse laser(Laser Induced Fluorescence-LIF), fig.6 si fig.7.

Fig. 5. Vizualizarea miscarii din cilindru prin analiza in strat laser

Fig. 6. Vizualizarea vartejului de rostogolire si a sistemului de control din admisie

Fig. 7. Vederea simulata a camerei de ardere si a traseului de admisie la motorul care functioneaza cu amestec stratificat.

Un exemplu edificator al ctigului remarcabil n stabilitatea arderii, care poate fi obinut prin optimizarea parametrilor cu ajutorul sistemelor prezentate, este artat n fig. 8, zona de inflamabilitate n funcie de durata injeciei i avansul la scnteie. Modificarea geometriei cupei din piston, pentru a mbunti ghidarea curentului i a jetului de combustibil spre bujie, nsoit de adaptarea poziionrii orizontale a conductei de admisiune au fost principalii pai ai optimizrii, pentru extinderea zonei stabile de funcionare a motorului n care nu exist cicluri fr aprindere (ardere). Optimizarea cupei pistonului evideniaz o mbuntire semnificativ a stabilitii arderii, aceasta fiind legat de sensibilitatea redus fa de toleranele de fabricare. Mai mult, configuraia optimizat arat o cerin mai redus de vrtejuri de rostogolire n comparaie cu modelul de referin, oferind avantajul unor pierderi mai mici prin obturare. O alt consideraie referitoare la sistemul de ardere n motoarele cu injecie direct se refer la tendina crescut constatat spre emisia de fum. Dac sistemul de ardere nu ar fi optimizat, formarea amestecului, pentru amestec stratificat, la sarcini pariale mari nu ar putea evita zonele mbogite n exces. Alte consecine negative rezult dac propagarea jetului injectat este mpiedicat i se creeaz un film excesiv de combustibil pe perete. Acest film de combustibil este acceptabil numai dac micarea organizat permite ndeprtarea lui n timp util. Micarea variabil a ncrcturii n sistemul de ardere FEV asigur minimizare a consecinelor acestui fenomen. La funcionarea n domeniul amestecurilor srace, emisia de fum negru a fost n medie de 0,2 uniti Bosch i n puncte izolate nu depete 0,5 uniti Bosch. Aceasta corespunde nivelului cunoscut de la motorul convenional cu injecie n poarta supapei.

Fig. 8. Extinderea zonei de inflamabilitate in functie de durata injectiei si avansul la scanteie.

Avantajele arderii amestecurilor srace, n sensul reducerii consumului de combustibil, pot fi, de asemenea, obinute i-n afara modului stratificat de funcionare. FEV a pus la punct

un mod suplimentar de funcionare cu amestecuri srace i anume cu amestec srac omogen n domeniul sarcinilor mijlocii. Acesta permite extinderea avantajelor arderii amestecurilor srace pn la regimurile cu presiunea medie efectiv de 6 bar. Funcionarea cu amestec omogen se realizeaz prin injecia de combustibil pe durata cursei de admisiune. La sarcini mai mari clapeta de vrtej (tumble) este deschis i se dispune de toat capacitatea de curgere a conductei de admisiune. n scopul evitrii detonaiei vrtejul creat n aceste condiii este adaptat funcionrii la plin sarcin a motorului. Testele realizate de FEV au demonstrat superioritatea sistemului de ardere cu vrtejuri de rostogolire fa de modelul de referin, n timp ce soluiile investigate, cu vrtej de rotaie (swirl motion) i vrtej de rostogolire invers (reverse tumble), ofer mbuntiri comparativ cu motorul convenional, soluia cu vrtej de rostogolire direct (direct -forwardtumble) conduce la performane superioare. Numai n domeniul turaiilor ridicate exist anumite dezavantaje determinate de performanele sistemului de injecie.

Fig. 9. Performantele comparative ale motoarelor cu injectie de benzina.

Fig. 10. Legi avansate de injectie a benzinei.

Noile generaii de sisteme de injecie necesit alte principii de formare a jetului. Similar cu mbuntirile enorme realizate la sistemele de injecie diesel, injectoarele cu orificii cu pn la 40 de jeturi (Mercedes) sunt intens discutate i cercetate ca o alternativ la att de folositul injector cu duz de tip vrtej de rotaie. Un pas nainte l-ar putea constitui sistemul de injectie flexibil referitor la momentul injectiei si a dozei injectate. Aici, similar cu diesel-ul, tehnologia piezoelectrica ar putea fi aplicata cu succes, asa cum se arata n fig.10. Optimizarea schimbului de gaze, prin utilizarea distributiei variabile, si a geometriei colectorului de admisie poate imbunatati comportarea la regimurile de plina sarcina. Majoritatea motoarelor GDI actuale s-au dezvoltat pe baza cerinei de a realiza schimbri minime la motorul MPI aflat n producie. Aceasta poate produce un potenial de economicitate promitor, dar insuficient, pentru a realiza economii de 20%, ct se cere pentru reducerea emisiei de CO. n consecin este nevoie s se combine injecia direct cu alte soluii tehnologice pentru randamente nalte (reducerea cilindreei, supraalimentare i raport de comprimare variabil). Primele motoare GDI cu amestec stratificat realizate n Japonia i Europa au provenit din versiunile MPI. Din intenia de a nu schimba mult liniile tehnologice a rezultat poziionarea lateral nclinat a injectorului, ntre supapele de admisiune, aproape de garnitura de chiulas. Distana mare dintre injector i bujie necesit o geometrie special a capului pistonului i a micrii aerului, pentru a asigura transportul sigur al amestecului spre bujia central i stabilizarea stratificrii. Oricum, complexitatea mare a sistemului GDI cu ghidarea la perete sau a curentului a fost subestimat, rezultnd nu numai o amnare a introducerii pe pia, ci i ntr-o mbuntire moderat a consumului de numai 5-12%, care este sub ateptri. Comparativ cu nivelul actual generaia l a GDI ofer un potenial semnificativ de reducere a consumului: - optimizarea fazei de nclzire a motorului; - perfecionarea sistemului de injecie, a EMS i a tratrii gazelor de evacuare; - contolul mai bun al energiei gazelor de evacuare; - creterea ponderii regimului cu ardere stratificat n condiii reale de drum; - reducerea posibilitii regenerrii sulfului prin utilizarea combustibililor cu coninut redus de sulf. De la bun nceput, la arderea amestecurilor stratificate, a aprut necesitatea micorrii distanei dintre injector i bujie. Aceasta nu a fost posibil din cauza tehnologiei disponibile pentru injector. mbuntirea semnificativ a tehnologiei injectorului a permis nlturarea acestui neajuns. Sistemul cu ghidarea jetului - adesea numit a 2-a generaie de GDI- ofer

noi posibiliti de stratificare i de reducere a consumului. Injectorul de nalt presiune este amplasat n centrul camerei de ardere. Combustibilul este injectat vertical spre cavitatea din piston, iar stratificarea amestecului este asigurat prin vrtejul de rotaie generat prin geometria sistemului de distribuie, fig. 11 . Aceast configuraie ofer un control mai bun al amestecului aer-combustibil dect sistemul cu amplasarea lateral a injectorului care este geometric limitat. Noul sistem permite arderea amestecurilor foarte srace (raportul aer/combustibil ajunge pn la 65:1) tolernd EGR pn la 50%. Se nregistreaz o reducere a consumului de combustibil de pn la 30% i, totodat, emisii sczute de NO. Emisiile de HC sunt semnificativ mai reduse dect la sistemul cu ghidarea la perete sau a curentului, fig. 12 [55].

Fig. 11. Motorul Honda cu injectie directa de benzina cu ghidarea jetului.

Fig. 12. Emisia de HC si consumul specific de combustibil pentru trei procedee de formare a amestecului.

mbuntirea consumului se datoreaz pierderilor mai mici de cldur la perei, iar emisiile mai mici de HC sunt rezultatul mbuntirii procesului de ardere. Oricum, cerinele fa de injector sunt mult mai sofisticate dect la generaia 1 a GDI. Datorit spaiului mai mic dintre injector i bujie timpul de formare a amestecului este redus. Astfel stratificarea amestecului este controlat n principal de ctre injector i mai puin de micarea aerului i,

n consecin, mult mai sensibil la variaiile performanelor injectorului. Oricum, micarea variabil a aerului i presiunea de injecie mai mare mbuntesc formarea amestecului. Poziionarea central a injectorului necesit modificri importante ale chiulasei motorului GDI din prima generaie. Regimul termic al injectorului plasat central este mult mai ridicat i, n consecin, mult mai critic n ceea ce privete formarea depunerilor. Cheile care pot impune sistemul GDI cu ghidarea jetului constau n evitarea depunerilor pe injector, creterea robusteii i a performanelor acestuia, precum i a sistemului de aprindere. Emisiile mai reduse ale motorului GDI cu ghidarea jetului se datoreaz condiiilor mult mai favorabile de tratare a gazelor de evacuare srace. Strategia de funcionare a motorului modern cu aprindere prin scnteie nsprirea legislaiei privind emisiile, pe de o parte, i sofisticarea sistemelor de propulsie cu emisii joase, pe de alt parte, este ca o competiie care conduce la sisteme a cror aplicare necesit mbuntirea continu a controlului electronic al motorului, n afar de mbuntirile n domeniul tehnologiei catalizatorului i al controlului electronic al motorului, reducerea continu a emisiilor poluante ar putea fi obinut prin perfecionarea procesului de ardere. ntruct catalizatorul tricomponent TWC (Three Way Catalysf) neutralizez emisiile corespunztoare funcionrii la cald cu amestec stoichiometric, un rol deosebit revine catalizatorului cu nclzire rapid (catalizatorul de oxidare - Light-off Catalysf). O msur bine cunoscut pentru catalizatorul de nclzire este cea de ntrziere a aprinderii la pornirea la rece. Pentru un proces de ardere dat aceast calibrare este limitat de stabilitatea arderii i de emisiile de HC Imbuntirea umplerii cilindrilor cu ncrctur proaspt poate fi obinut prin colectoare de admisiune variabile (ca lungime) la sarcini pariale. Se mbuntete, totodat, formarea amestecului i se accelereaz arderea. Primele soluii constructive asigurau un traseu de admisiune prelungit, pentru a favoriza regimurile de cuplu ridicat, i altul scurtat, pentru regimrile de putere ridicat, fig. 13 .

Fig. 13. Colector de admisie variabil (doua lungimi posibile)

Cele mai moderne soluii asigur varierea continu a lungimii traseului de admisiune, n funcie de regimul comandat al motorului, cu alimentarea individual a fiecrui cilindru

separat. Aceasta este una dintre condiiile necesare pentru a face fa legislaiei americane foarte severe, SULEV (Super Ultra Low Emission Vehicles), cu sisteme mai mult sau mai puin convenionale de post-tratare catalitic a gazelor, fig. 14. Pentru a reduce emisiile n primele secunde ale pornirii la rece sunt necesare msuri suplimentare, cum ar fi injecia variabil de aer secundar - SI (Secondary Air Injection), fig. 15. nclzirea rapid a curentului, nainte de intrarea n primul catalizator, se realizeaz prin injecia de aer secundar n curentul de gaze de evacuare imediat dup supapa de evacuare. Apoi, injecia de aer secundar este comutat n intervalul de legtur dintre cele dou catalizatoare pentru a evita supranclzirea primului, n acest fel rezult un avantaj suplimentar, ntruct, primul catalizator fiind expus unor gaze de evacuare mai bogate, se realizeaz deja o reducere de NOx.

Fig. 14. Colectorul de admisie variabil de la BMW.

Punerea la punct a unui motor GDI este mult mai complex dect a unui motor convenional, datorit multitudinii parametrilor care trebuie optimizai pentru modurile diferite de ardere: omogen stoichiometric; omogen srac; stratificat srac. Mai mult, realizarea unui optim ntre consumul de combustibil i emisia de NOx este o problem complex. Scopul este de a gsi cel mai bun compromis referitor la emisii, consumul de combustibil i dinamicitate. Parametrii suplimentari i modurile diferite de ardere conduc la un volum mare de reglaje.

Fig. 15. Injectia de aer secundar si variatia temperaturii gazelor de evacuare.

Pe lng consumul optim de combustibil i emisii, stabilitatea arderii, nivelul fumului i a temperaturii gazelor de evacuare, nainte de catalizator, constituie condiii limit importante care definesc strategia de funcionare. O dat realizat punerea la punct pentru condiii staionare se poate trece la calibrarea vehiculului, n acelai timp optimizarea reglajelor pentru emisii i consum de combustibil poate ncepe pe un tand care permite simularea regimurilor tranzitorii. n fig. 16 este evideniat configuraia preferabil n care catalizatorul de adsorbie este poziionat sub podea i este combinat cu un precatalizator (catalizator de oxidare -Light-off Catalyst). n aceast poziie catalizatorul de adsorbie funcioneaz la temperatura potrivit i randamentul de adsorbie depete 80%. Oricum nu trebuie precupeit nici un efort pentru a reduce ct mai mult posibil emisiile motorului. De aceea reglarea pentru emisii joase a motorului combinat cu aplicarea EGR este obligatorie. Utilizarea catalizatorului de absorbie a NOx necesit o funcionare discontinu a motorului. Cnd catalizatorul i-a atins capacitataea de stocare (saturaie), sistemul trebuie regenerat (desorbie) prin funcionarea motorului cu amestec bogat pentru perioade scurte de timp. Aceasta necesit injectarea unei cantiti suplimentare de combustibil care, desigur, va crete consumul. De aceea, economia de combustibil realizabil depinde mult de randamentul i controlul sistemului catalitic. Un control n bucl nchis poate ajuta la minimizarea acestui efect. O alt opiune o constitue iniializarea acestui proces de regenerare n perioadele de accelerare a automobilului cnd motorul funcioneaz cu amestec stoichiometric. Acest lucru necesit un algoritm de control sofisticat i, opional, senzori de NO.,, care oricum sunt impui de cerinele diagnosticrii la bord OBD.

Fig. 16. Strategia tratarii catalitice a gazelor de evacuare.

Catalizatorul de NOt este foarte sensibil la prezena sulfului din combustibil. S-au impus limite de 30-50 ppm i chiar de 10 ppm. Se cerceteaz soluii de desulfurizare a catalizatoarelor n strns cooperare cu specialitii n motoare. Sensibilitatea catalizatorului de neutralizare (de adsorbie) a NOX la coninutul de sulf din combustibil, ca i banda ngust de variaie a temperaturii gazelor de evacuare n care

se poate realiza neutralizarea NO. ngreuneaz utilizarea lui pentru ntregul ciclu european de testare. Rcirea cu aer a catalizatorului, la vehiculele care funcioneaz cu amestec srac, chiar i la viteze mari, pe autostrad, constituie o soluie a acestei probleme. n continuare se urmrete creterea stabilitii la temperaturi nalte i a durabilitii catalizatorului. Catalizatorul de oxidare asociat trebuie s aib o capacitate minim de stocare a oxigenului pentru ca regenerarea catalizatorului de NOX s fie favorizat. Altfel fazele de regenerare trebuie extinse cu rezultate dezavantajoase asupra consumului de combustibil. Oxidarea hidrocarburilor nearse se realizeaz n ambele catalizatoare, cel de NOX, avnd o comportare bun ca TWC. In fig. 17 se arat strategia de funcionare a unui motor de concepie FEV, cu vrtej de rostogolire, n ciclul NEDC, pentru un automobil din clasa mijlocie, n scopul realizrii unei economii maxime de combustibil, motorul funcioneaz cel mai mult timp n modul cu amestec srac stratificat. Arderea cu amestec srac ncepe imediat dup pornirea motorului i este limitat numai de temperatura gazelor de evacuare (EGT) i masa de NOx [84]. In fig. 18 este reprezentat variaia temperaturii gazelor de evacuare n ciclul NEDC. Dup pornirea la rece motorul funcioneaz cu amestec omogen pentru o nclzire mai rapid a catalizatorului. Pe msur ce catalizatorul de NOX devine suficient de activ se trece la funcionarea cu amestec stratificat, n ciuda unei faze de incalzire mai mari, a fost inregistrat un avantaj in ceea ce priveste consumul de combustibil comparativ cu incalzirea in modul cu amestec stoichiometric.

Fig. 17. Variatia raportului aer/combustibil la functionarea motorului n ciclul NEDC.

Fig. 18. Variatia temperaturii gazelor din evacuarea la intrare n catalizatorul absorbitor de NOX , in ciclul NEDC.

Nivelul temperaturii gazelor de evacuare pentru cea mai bun conversie a NOx n cadrul catalizatorului de NOX, ar trebui s fie ntre 200C i 400C (banda de culoare verde). Pe durata ciclului extraurban (EUDC), temperatura gazelor n amonte de catalizator depete acest nivel, n consecin motorul ori va funciona n modul stoichiometric, ori se iau msuri suplimentare, pentru a mbuntii stocarea de NOX, la temperaturi nalte ale catalizatorului de NOX, ori se va reduce temperatura gazelor la viteze mari ale automobilului. O comparaie ntre consumul de combustibil al motorului de referin MPI, cu injecie indirect multipunct n poarta supapei, i al motorului FEV DISI (Direct Injection SparkIgnition - injecie direct i aprindere de la scnteie) este reprezentat n fig. 19. La sfritul prii din ciclu care simuleaz circulaia n ora se nregistreaz o reducere a cosumului de 22%. Datorit sarcinilor mari ale motorului i funcionrii cu amestec stoichiometric la viteze mari economicitatea, la sfritul ciclului EUDC, este mai mic dect la finele ciclului ECE. n final se nregistreaz o reducere a consumului de 13% n modul de ardere cu vrtejuri de rostogolire, comparativ cu motorul MPI de referin cu =1.

Fig. 19. Consumul cumulat de combustibil in ciclul NEDC.

Controlul emisiilor din gazele de evacuare Catalizatorul tricomponent (TWC) s-a dovedit a fi foarte eficient n cazul funcionrii cu amestec stoichiometric. n cazul arderii amestecurilor srace se impun cerine suplimentare privitoare la posttratarea catalitic a gazelor de evacuare. O atenie deosebit trebuie acordat gradului de recirculare a gazelor arse, chiar si n regimurile tranzitorii, si tehnologiei de stocare (absortie) a NOx pentru a le reduce la minim. Optimizarea emisiilor, utiliznd un sistem catalitic cu adsorbie a NOx; este dependent de strategia de regenerare a filtrului de NOx. n domeniul sarcinilor pariale mari, funcionarea cu amestec stratificat este mai puin limitat de sistemul de ardere propriu-zis, ct mai ales de necesitatea regenerrii catalizatorului de NOX, fig. 20.

Fig. 20. Procentajul regimurilor de functionare pentru regenerarea catalizatorului de NOx.

Cu creterea turaiei i a sarcinii, masa de NOX, ca i temperatura gazelor de evacuare, cresc substanial, n timp ce capacitatea de stocare a NOX scade (datorit temperaturilor mai mari) i, totodat, scade economia de combustibil fa de funcionarea cu amestec stoichiometric i EGR. n consecin, combustibilul suplimentar necesar, pentru mai frecventele faze de regenerare a catalizatorului de NOx, constituie o limit sever n utilizarea amestecurilor srace la sarcini mari). Din cauza aceasta calibrarea curent a GDI pentru Euro IV este fcut pentru amestecuri srace numai n cazul celor stratificate. Funcioarea cu amestecuri srace omogene la sarcini mai mari este nlocuit cu reglajul pentru amestecul stoichiometric i cu EGR. Cu aceasta se pierde un potenial de aproximativ 1,5% de reducere a consumului, dar se realizeaz o reducere a NOX, n ciclul MVEG, de circa 50% i se evit, totodat, mbtrnirea rapid a catalizatorului. Chiar n domeniul sarcinilor reduse regenerarea catalizatorului de NOx, diminueaz economia de combustibil cu 1,5-2%, n funcie de nivelul propus al emisiilor, mbuntirile pot fi posibile prin noi strategii de regenerare i capacitate redus de stocare a oxigenului n precatalizator.

In general, cel mai nalt grad de stratificare i, cu aceasta, cel mai mare potenial de reducere a consumului, poate fi realizat cu sistemul de ardere cu jet orientat. Un astfel de sistem sufer din cauza sensibilitii la condiiile de prelucrare i a toleranelor prescrise, ca i la problemele de durabilitate. Robusteea cerut poate fi realizat n prezent numai cu sistemul de ardere cu ghidarea curentului la perete. Din motive de stabilitate i al emisiei de HC, arderea stratificat este reglat pentru degajarea mai devreme a cldurii n ciclu dect ar fi optim termodinamic. Pierderea relativ de economicitate n ciclul MVEG este estimat la aproximativ 0,5-1%. Un potenial de economicitate de 1-2% poate fi realizat printr-o reducere de HC. In fig. 21 este evideniat influena regenerrii optimizate a catalizatorului de NOx, asupra emisiilor de HC i NOx pe durata ciclului NEDC. Cea mai mare parte a emisiei de HC se realizeaz nainte ca dispozitivul catalitic de oxidare s-i ating temperatura optim de funcionare, iar o parte important rezult din ciclurile de regenerare a catalizatorului de NOx, cnd amestecul se mbogete pentru a se asigura regenerarea acestuia. Oricum, emisia de HC, pe durata NEDC, rmne la 50% din prevederile normelor Euro IV. Jumtate din emisiile de NOx se produc nainte ca filtrul catalitic s ating condiiile de funcionare. Cealalt parte este emis pe durata ciclului EUDC, din cauz c att emisia de NOx ct i temperatura gazelor de evacuare cresc, n total emisia de NOX este sub 50% din prevederile normelor Euro IV.

Fig. 21. Influenta regenerarii catalizatorului de absortie a NOx asupra emisiilor totale de HC si NOx,in ciclul

Optimizarea regenerrii filtrului de NOx trebuie fcut astfel nct acesta s rmn activ pe un interval ct mai extins de funcionare. Etapele de accelerare, pe durata crora se trece de la modul stratificat la cel omogen stoichiometric, sunt utilizate pentru regenerarea filtrului de NOx Aceasta nseamn un consum suplimentar de combustibil mai redus. Pe de alt parte, crererea emisiei de HC nu trebuie s se produc prea mult prin mbogirea amestecului. De aceea, este nevoie de un model sofistificat pentru NOx, n sensul regenerrii filtrului, pentru a evita saturarea catalizatorului i fr o cretere semnificativ a consumului i a emisiei de HC.

Aceast tehnologie se bazeaz pe adsorbia noncatalitic a NO2 de ctre materiale adecvate dispersate pe mbrcmintea tobei. Pe msur ce capacitatea de stocare se apropie de saturaie, eficiena stocrii scade. NO2 stocat este eliberat n gazele de evacuare cu coninut redus de oxigen, care afecteaz regenerarea necesar de adsorbie. NO2 eliberat de adsorbitor trebuie s fie apoi descompus catalitic n componeni inofensivi. Acest lucru se produce n modul cunoscut n TWC prin contactul catalitic cu emisiile de CO i HC, care acioneaz ca ageni reductori n gazele de evacuare, fig. 22.

Fig. 22 Functionarea catalizatorului de neutralizare a oxizilor de azot.

Pe msur ce acumulatorul adsoarbe emisiile de NOx oxidul de azot trebuie, mai nti, s fie oxidat i transformat n bioxid de azot. Acest lucru are loc n catalizatorul tricomponent, care funcioneaz ca un catalizator de pornire, prin aciunea catalitic a platinei din adsorbitor. De aceea catalizatorul ar trebui instalat ct mai aproape posibil de motor, astfel nct, imediat dup pornire, catalizatorul s acioneze cu randament ridicat de conversie, chiar i la sarcini reduse cu temperaturi sczute ale gazelor de evacuare. Este, de asemenea, important ca acest catalizator s aib o capacitate redus de stocare a oxigenului, astfel nct pe durata ciclurilor de regenerare, care ar trebui s fie ct mai scurte posibil din motive de consum, vrfurile bogate s ajung n acumulatorul de NOX cu o ntrziere ct mai mic posibil, pentru a asigura regenerarea i reacia oxizilor de azot stocai. Conversia oxidului de azot care nu a fost oxidat n precatalizator trebuie s aib loc la contactul cu metalele preioase din acumulatorul de NOx unde se produce stocarea efectiv a oxizilor de azot ca nitrai. Capacitatea de reducere a emisiilor de NOx este puternic influenat de dependena de temperatur a capacitii de neutralizare a materialelor utilizate. Strategia tratrii gazelor de evacuare i dispunerea catalizatoarelor, n cazul motoarelor cu amestecuri srace stratificate, este prezentat n fig. 23, iar pentru amestecurile stoichiometrice n fig. 24. Sunt evideniate limitele de temperatur ntre care catalizatorul de stocare a NOx este activ. De asemenea, sunt menionate temperaturile i duratele de timp necesare regenerrii i desulfurizrii catalizatorului de neutralizare a oxizilor de azot.

Fig. 23. Sistemul de neutralizare a NOx din gazele de evacuare in cazul arderii amestecurilor sarace stratificate.

Fig. 24. Strategia neutralizarii emisiilor nocive din gazele de evacuare in cazul arderii amestecului stoichiometric pentru indeplinirea normelor SULEV.

.