DIRECŢII MODERNE M.A.I.

Arderea amestecurilor stratificate

Măsurătorile experimentale arată că încă sunt necesari paşi semnificativi spre

optimizarea motoarelor, cum ar fi, de exemplu, optimizarea formării amestecului, astfel încât

motorul fără obturator, cu amestec sărac, să poată funcţiona pe un domeniu cât mai extins

de variaţie a sarcinii, precum şi la scurt timp după pornirea la rece. De asemenea,

funcţionarea la plină sarcină a motorului cu aprindere prin scânteie cu injecţie directă de

benzină, DISI (Direct Injection Spark Ignition Engine), oferă un potenţial semnificativ de

optimizare.

Comparativ cu motorul cu injecţie în colectorul de admisiune - MPI (Multi Point Injection

Engine), motorul care funcţionează cu amestecuri stratificate necesită injecţie directă de

benzină în camera de ardere, în timpul cursei de comprimare. O cantitate potrivită de

combustibil trebuie injectată în camera de ardere, într-un interval scurt de timp şi, totodată,

trebuie realizat un amestec optim aer/combustibil care trebuie transportat în preajma bujiei,

la momentul potrivit, pentru a fi aprins, pentru un domeniu cât mai extins de sarcini ale

motorului. Aceasta conduce la reducerea pierderilor cauzate de obturare şi în acelaşi timp la

creşterea eficienţei arderii datorită utilizării amestecurilor sărace.

Injecţia directă de benzină s-a impus datorită progreselor în realizarea sistemelor de

injecţie a benzinei la presiune mare şi a sistemelor de control electronic. În atenţia

cercetătorilor se află cele trei modalităţi de formare şi stratificare a amestecului: ghidarea cu

peretele, ghidarea cu aerul şi ghidarea jetului (injector vertical), fig. 1.

Fig. 1 Modalitati de formare si modificare a amestecului

(ghidarea cu peretele, ghidarea cu aerul si ghidarea jetului

Aşa numitul sistem de ghidare cu peretele constă în interacţiunea jetului de combustibil

cu pereţii camerei de ardere şi cupei din capul pistonului. Mişcarea încărcăturii din cilindru

facilitează formarea amestecului cu combustibilul depozitat pe suprafaţa cupei pistonului.

Această soluţie păcătuieşte prin creşterea semnificativă a emisiei de HC. De aceea s-a

dezvoltat o altă soluţie a cărei particularitate constă în aceea că se evită, pe cât posibil,

contactul jetului de combustibil cu pereţii. Acest lucru se poate realiza printr-o mişcare

intensă şi controlată a încărcăturii din cilindru prin vârtejurile de rostogolire (tumble motion),

aşa numitul sistem de ghidare cu aerul.

În fig. 2 a se prezintă principiul acestui sistem de ardere într-o secţiune transversală a

camerei de ardere. Desenul conţine şi un dispozitiv de variere a intensităţii mişcării

încărcăturii proaspete, care în poziţia activat permite creşterea intensităţii vârtejurilor de

rostogolire la funcţionarea cu amestecuri sărace, iar în poziţia dezactivat permite umplerea

completă la funcţionarea la plină sarcină. Aşa cum se vede în graficul din dreapta există un

singur nivel optim al vârtejurilor de rostogolire pentru diferite sarcini parţiale de funcţionare.

Aceasta permite realizarea unui dispozitiv care să asigure două trepte ale nivelului mişcării

de vârtej.

Procedeul de stratificare a amestecului prin ghidarea cu aerul a jetului de combustibil

injectat direct în cilindru, la un unghi de 22,5° faţă de orizontală, este utilizat de noul motor

Audi FSI de 2 l, cu 4 supape pe cilindru, fig. 2 b. Cupa din piston este astfel profilată încât să

genereze vârtejul de rostogolire necesar ghidării jetului spre bujie la momentul declanşării

scânteii electrice.

Un alt avantaj important al motorului cu aprindere prin scânteie cu injecţie directă, DISI,

constă în sensibilitatea mică la condiţiile de funcţionare. Aceasta poate fi evaluată prin

varierea avansului la scânteie şi la injecţie. Se vede, în partea de jos a figurii, că aprinderea

este foarte stabilă, ciclurile fără 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

În domeniul sarcinilor parţiale motorul funcţionează cu amestec stratificat şi complet

neobturat. Clapeta din conducta de admisiune de control al vârtejului este închisă. Injecţia

directă a benzinei se produce la sfârşitul cursei de comprimare astfel încât să se asigure

norul de amestec inflamabil în preajma bujiei. La sarcini parţiale mai mari, motorul

funcţionează cu amestecuri sărace omogene, ceea ce permite realizarea unor economii

suplimentare de combustibil fără a se fonna funingine în exces. Clapeta de vârtej din

admisiune este deschisă, iar injecţia directă a benzinei se produce în cursa de admisiune,

pentru a asigura timp suficient omogenizării amestecului. De asemenea, această strategie

permite funcţionarea metrului aproape fără să se apeleze la controlul prin obturator, fig. 2 a

şi fig. 2 b. Trebuie menţionat faptul că se controlează compoziţia amestecului şi prin

utilizarea pe scară largă a recirculării gazelor de evacuare.

Performanţele de economicitate ale acestui procedeu de formare a amestecului depinde

de strategia de funcţionare, fig. 5 .

In fig. 5 sunt evidenţiate şi regimurile de funcţionare corespunzătoare 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, în ciclul NEDC.

Este evident ca întregul ciclu de testare este acoperit de modul de functionare cu

amestecuri stratificate. Rezultă o reducere a consumului de circa 20% faţă de motorul de

înalta 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 şi în modul de functionare stratificat.

Cu toate că există un anumit efect pozitiv al EGR asupra randamentului termic al

motorului DISI, o anumită parte din câştigul de economicitate se pierde. Acest dezavantaj

poate fi contracarat prin strategia de utilizare a motorului şi sistemul de tratare catalitică a

gazelor de evacuare.

Sistemul de ardere cu vârtej de rostogolire, realizat de FEV Motorentechnik GmbH,

reprezintă o realizare promiţătoare în ceea ce priveşte consumul redus de combustibil şi al

emisiilor de HC şi fum, precum şi al caracteristcii excelente de funcţionare la plină sarcină,

întrucât caracteristicile mişcării din cilindri sunt decisive, a fost realizat un ştand de testare a

motorului echipat cu un sistem optic de analizare a mişcării din cilindru şi a influenţei

geometriei pistonului şi a chiulasei. Procesul curgerii curentului poate fi analizat utilizând

tehnici adecvate, cum ar fi PIV- analiza în strat laser (Laser Sheet Analysis). În plus,

interacţiunea dintre jetul injectat şi mişcarea încărcăturii poate fi vizualizată 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 câştigului remarcabil în stabilitatea arderii, care poate fi

obţinută prin optimizarea parametrilor cu ajutorul sistemelor prezentate, este arătat în fig. 8,

zona de inflamabilitate în funcţie de durata injecţiei şi avansul la scânteie. Modificarea

geometriei cupei din piston, pentru a îmbunătăţi ghidarea curentului şi a jetului de

combustibil spre bujie, însoţită de adaptarea poziţionării orizontale a conductei de admisiune

au fost principalii paşi ai optimizării, pentru extinderea zonei stabile de funcţionare a

motorului în care nu există cicluri fără aprindere (ardere). Optimizarea cupei pistonului

evidenţiază o îmbunătăţire semnificativă a stabilităţii arderii, aceasta fiind legată de

sensibilitatea redusă faţă de toleranţele de fabricare. Mai mult, configuraţia optimizată arată o

cerinţă mai redusă de vârtejuri de rostogolire în comparaţie cu modelul de referinţă, oferind

avantajul unor pierderi mai mici prin obturare.

O altă consideraţie referitoare la sistemul de ardere în motoarele cu injecţie directă se

referă la tendinţa crescută constatată spre emisia de fum. Dacă sistemul de ardere nu ar fi

optimizat, formarea amestecului, pentru amestec stratificat, la sarcini parţiale mari nu ar

putea evita zonele îmbogăţite în exces. Alte consecinţe negative rezultă dacă propagarea

jetului injectat este împiedicată şi se creează un film excesiv de combustibil pe perete. Acest

film de combustibil este acceptabil numai dacă mişcarea organizată permite îndepărtarea lui

în timp util.

Mişcarea variabilă a încărcăturii în sistemul de ardere FEV asigură minimizarea

consecinţelor acestui fenomen. La funcţionarea în domeniul amestecurilor sărace, emisia de

fum negru a fost în medie de 0,2 unităţi Bosch şi în puncte izolate nu depăşeşte 0,5 unităţi

Bosch. Aceasta corespunde nivelului cunoscut de la motorul convenţional cu injecţie în

poarta supapei.

Fig. 8. Extinderea zonei de inflamabilitate in functie de durata

injectiei si avansul la scanteie.

Avantajele arderii amestecurilor sărace, în sensul reducerii consumului de combustibil,

pot fi, de asemenea, obţinute şi-n afara modului stratificat de funcţionare. FEV a pus la punct

un mod suplimentar de funcţionare cu amestecuri sărace şi anume cu amestec sărac

omogen în domeniul sarcinilor mijlocii. Acesta permite extinderea avantajelor arderii

amestecurilor sărace până la regimurile cu presiunea medie efectivă de 6 bar.

Funcţionarea cu amestec omogen se realizează prin injecţia de combustibil pe durata

cursei de admisiune. La sarcini mai mari clapeta de vârtej (tumble) este deschisă şi se

dispune de toată capacitatea de curgere a conductei de admisiune. În scopul evitării

detonaţiei vârtejul creat în aceste condiţii este adaptat funcţionării la plină sarcină a

motorului. Testele realizate de FEV au demonstrat superioritatea sistemului de ardere cu

vârtejuri de rostogolire faţă de modelul de referinţă, în timp ce soluţiile investigate, cu vârtej

de rotaţie (swirl motion) şi vârtej de rostogolire invers (reverse tumble), oferă îmbunătăţiri

comparativ cu motorul convenţional, soluţia cu vârtej de rostogolire direct (direct -forward-

tumble) conduce la performanţe superioare. Numai în domeniul turaţiilor ridicate există

anumite dezavantaje determinate de performanţele sistemului de injecţie.

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

Fig. 10. Legi avansate de injectie a benzinei.

Noile generaţii de sisteme de injecţie necesită alte principii de formare a jetului. Similar

cu îmbunătăţirile enorme realizate la sistemele de injecţie diesel, injectoarele cu orificii cu

până la 40 de jeturi (Mercedes) sunt intens discutate şi cercetate ca o alternativă la atât de

folositul injector cu duză de tip vârtej de rotaţie. Un pas înainte 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 în 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 cerinţei de a realiza

schimbări minime la motorul MPI aflat în producţie. Aceasta poate produce un potenţial de

economicitate promiţător, dar insuficient, pentru a realiza economii de 20%, cât se cere

pentru reducerea emisiei de CO.

În consecinţă este nevoie să se combine injecţia directă cu alte soluţii tehnologice

pentru randamente înalte (reducerea cilindreei, supraalimentare şi raport de comprimare

variabil).

Primele motoare GDI cu amestec stratificat realizate în Japonia şi Europa au provenit

din versiunile MPI. Din intenţia de a nu schimba mult liniile tehnologice a rezultat

poziţionarea laterală înclinată a injectorului, între supapele de admisiune, aproape de

garnitura de chiulasă. Distanţa mare dintre injector şi bujie necesită o geometrie specială a

capului pistonului şi a mişcării aerului, pentru a asigura transportul sigur al amestecului spre

bujia centrală şi stabilizarea stratificării. Oricum, complexitatea mare a sistemului GDI cu

ghidarea la perete sau a curentului a fost subestimată, rezultând nu numai o amânare a

introducerii pe piaţă, ci şi într-o îmbunătăţire moderată a consumului de numai 5-12%, care

este sub aşteptări.

Comparativ cu nivelul actual generaţia l a GDI oferă un potenţial semnificativ de

reducere a consumului:

- optimizarea fazei de încălzire a motorului;

- perfecţionarea sistemului de injecţie, a EMS şi a tratării gazelor de evacuare;

- contolul mai bun al energiei gazelor de evacuare;

- creşterea ponderii regimului cu ardere stratificată în condiţii reale de drum;

- reducerea posibilităţii regenerării sulfului prin utilizarea combustibililor cu conţinut

redus de sulf.

De la bun început, la arderea amestecurilor stratificate, a apărut necesitatea micşorării

distanţei dintre injector şi bujie. Aceasta nu a fost posibilă din cauza tehnologiei disponibile

pentru injector. Îmbunătăţirea semnificativă a tehnologiei injectorului a permis înlăturarea

acestui neajuns. Sistemul cu ghidarea jetului - adesea numită a 2-a generaţie de GDI- oferă

noi posibilităţi de stratificare şi de reducere a consumului. Injectorul de înaltă presiune este

amplasat în centrul camerei de ardere. Combustibilul este injectat vertical spre cavitatea din

piston, iar stratificarea amestecului este asigurată prin vârtejul de rotaţie generat prin

geometria sistemului de distribuţie, fig. 11 . Această configuraţie oferă un control mai bun al

amestecului aer-combustibil decât sistemul cu amplasarea laterală a injectorului care este

geometric limitată. Noul sistem permite arderea amestecurilor foarte sărace (raportul

aer/combustibil ajunge până la 65:1) tolerând EGR până la 50%. Se înregistrează o reducere a

consumului de combustibil de până la 30% şi, totodată, emisii scăzute de NO.

Emisiile de HC sunt semnificativ mai reduse decât 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.

Îmbunătăţirea consumului se datorează pierderilor mai mici de căldură la pereţi, iar

emisiile mai mici de HC sunt rezultatul îmbunătăţirii procesului de ardere. Oricum, cerinţele

faţă de injector sunt mult mai sofisticate decât la generaţia 1 a GDI. Datorită spaţiului mai mic

dintre injector şi bujie timpul de formare a amestecului este redus. Astfel stratificarea

amestecului este controlată în principal de către injector şi mai puţin de mişcarea aerului şi,

în consecinţă, mult mai sensibil la variaţiile performanţelor injectorului. Oricum, mişcarea

variabilă a aerului şi presiunea de injecţie mai mare îmbunătăţesc formarea amestecului.

Poziţionarea centrală a injectorului necesită modificări importante ale chiulasei

motorului GDI din prima generaţie. Regimul termic al injectorului plasat central este mult mai

ridicat şi, în consecinţă, mult mai critic în ceea ce priveşte formarea depunerilor.

Cheile care pot impune sistemul GDI cu ghidarea jetului constau în evitarea

depunerilor pe injector, creşterea robusteţii şi a performanţelor acestuia, precum şi a

sistemului de aprindere. Emisiile mai reduse ale motorului GDI cu ghidarea jetului se

datorează condiţiilor mult mai favorabile de tratare a gazelor de evacuare sărace.

Strategia de funcţionare a motorului modern cu aprindere prin scânteie

Înăsprirea legislaţiei privind emisiile, pe de o parte, şi sofisticarea sistemelor de

propulsie cu emisii joase, pe de altă parte, este ca o competiţie care conduce la sisteme a

căror aplicare necesită îmbunătăţirea continuă a controlului electronic al motorului, în afară

de îmbunătăţirile în domeniul tehnologiei catalizatorului şi al controlului electronic al

motorului, reducerea continuă a emisiilor poluante ar putea fi obţinută prin perfecţionarea

procesului de ardere.

Întrucât catalizatorul tricomponent TWC (Three Way Catalysf) neutralizeză emisiile

corespunzătoare funcţionării la cald cu amestec stoichiometric, un rol deosebit revine

catalizatorului cu încălzire rapidă (catalizatorul de oxidare - Light-off Catalysf). O măsură

bine cunoscută pentru catalizatorul de încălzire este cea de întârziere a aprinderii la pornirea

la rece. Pentru un proces de ardere dat această calibrare este limitată de stabilitatea arderii

şi de emisiile de HC

Imbunătăţirea umplerii cilindrilor cu încărcătură proaspătă poate fi obţinută prin

colectoare de admisiune variabile (ca lungime) la sarcini parţiale. Se îmbunătăţeşte,

totodată, formarea amestecului şi se accelerează arderea. Primele soluţii constructive

asigurau un traseu de admisiune prelungit, pentru a favoriza regimurile de cuplu ridicat, şi

altul scurtat, pentru regimrile de putere ridicată, fig. 13 .

Fig. 13. Colector de admisie variabil

(doua lungimi posibile)

Cele mai moderne soluţii asigură varierea continuă a lungimii traseului de admisiune,

în funcţie de regimul comandat al motorului, cu alimentarea individuală a fiecărui cilindru

separat. Aceasta este una dintre condiţiile necesare pentru a face faţă legislaţiei americane

foarte severe, SULEV (Super Ultra Low Emission Vehicles), cu sisteme mai mult sau mai

puţin convenţionale de post-tratare catalitică a gazelor, fig. 14. Pentru a reduce emisiile în

primele secunde ale pornirii la rece sunt necesare măsuri suplimentare, cum ar fi injecţia

variabilă de aer secundar - SĂI (Secondary Air Injection), fig. 15. încălzirea rapidă a

curentului, înainte de intrarea în primul catalizator, se realizează prin injecţia de aer

secundar în curentul de gaze de evacuare imediat după supapa de evacuare. Apoi, injecţia

de aer secundar este comutată în intervalul de legătură dintre cele două catalizatoare pentru a

evita supraîncălzirea primului, în acest fel rezultă un avantaj suplimentar, întrucât, primul

catalizator fiind expus unor gaze de evacuare mai bogate, se realizează deja o reducere de

NOx.

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

Punerea la punct a unui motor GDI este mult mai complexă decât a unui motor

convenţional, datorită multitudinii parametrilor care trebuie optimizaţi pentru modurile diferite

de ardere:

• omogen stoichiometric;

• omogen sărac;

• stratificat sărac.

Mai mult, realizarea unui optim între consumul de combustibil şi emisia de NOx este o

problemă complexă. Scopul este de a găsi cel mai bun compromis referitor la emisii,

consumul de combustibil şi dinamicitate. Parametrii suplimentari şi modurile diferite de

ardere conduc la un volum mare de reglaje.

Fig. 15. Injectia de aer secundar

si variatia temperaturii gazelor de

evacuare.

Pe lângă consumul optim de combustibil şi emisii, stabilitatea arderii, nivelul fumului şi a

temperaturii gazelor de evacuare, înainte de catalizator, constituie condiţii limită importante

care definesc strategia de funcţionare. O dată realizată punerea la punct pentru condiţii

staţionare se poate trece la calibrarea vehiculului, în acelaşi timp optimizarea reglajelor

pentru emisii şi consum de combustibil poate începe pe un ştand care permite simularea

regimurilor tranzitorii.

În fig. 16 este evidenţiată configuraţia preferabilă în care catalizatorul de adsorbţie este

poziţionat sub podea şi este combinat cu un precatalizator (catalizator de oxidare -Light-off

Catalyst). În această poziţie catalizatorul de adsorbţie funcţionează la temperatura potrivită şi

randamentul de adsorbţie depăşeşte 80%. Oricum nu trebuie precupeţit nici un efort pentru a

reduce cât mai mult posibil emisiile motorului. De aceea reglarea pentru emisii joase a

motorului combinată cu aplicarea EGR este obligatorie.

Utilizarea catalizatorului de absorbţie a NOx necesită o funcţionare discontinuă a

motorului. Când catalizatorul şi-a atins capacitataea de stocare (saturaţie), sistemul trebuie

regenerat (desorbţie) prin funcţionarea motorului cu amestec bogat pentru perioade scurte

de timp. Aceasta necesită injectarea unei cantităţi suplimentare de combustibil care, desigur,

va creşte consumul. De aceea, economia de combustibil realizabilă depinde mult de

randamentul şi controlul sistemului catalitic. Un control în buclă închisă poate ajuta la

minimizarea acestui efect. O altă opţiune o constitue iniţializarea acestui proces de

regenerare în perioadele de accelerare a automobilului când motorul funcţionează cu

amestec stoichiometric. Acest lucru necesită un algoritm de control sofisticat şi, opţional,

senzori de NO.,, care oricum sunt impuşi de cerinţele diagnosticării la bord OBD.

Fig. 16. Strategia tratarii catalitice a

gazelor de evacuare.

Catalizatorul de NOt este foarte sensibil la prezenţa sulfului din combustibil. S-au impus

limite de 30-50 ppm şi chiar de 10 ppm. Se cercetează soluţii de desulfurizare a

catalizatoarelor în strânsă cooperare cu specialiştii în motoare.

Sensibilitatea catalizatorului de neutralizare (de adsorbţie) a NOX la conţinutul de sulf

din combustibil, ca şi banda îngustă de variaţie a temperaturii gazelor de evacuare în care

se poate realiza neutralizarea NO.„ îngreunează utilizarea lui pentru întregul ciclu european

de testare. Răcirea cu aer a catalizatorului, la vehiculele care funcţionează cu amestec

sărac, chiar şi la viteze mari, pe autostradă, constituie o soluţie a acestei probleme.

în continuare se urmăreşte creşterea stabilităţii la temperaturi înalte şi a durabilităţii

catalizatorului. Catalizatorul de oxidare asociat trebuie să aibă o capacitate minimă de

stocare a oxigenului pentru ca regenerarea catalizatorului de NOX să fie favorizată. Altfel

fazele de regenerare trebuie extinse cu rezultate dezavantajoase asupra consumului de

combustibil.

Oxidarea hidrocarburilor nearse se realizează în ambele catalizatoare, cel de NOX,

având o comportare bună ca TWC.

In fig. 17 se arată strategia de funcţionare a unui motor de concepţie FEV, cu vârtej de

rostogolire, în ciclul NEDC, pentru un automobil din clasa mijlocie, în scopul realizării unei

economii maxime de combustibil, motorul funcţionează cel mai mult timp în modul cu

amestec sărac stratificat. Arderea cu amestec sărac începe imediat după pornirea motorului

şi este limitată numai de temperatura gazelor de evacuare (EGT) şi masa de NOx [84].

In fig. 18 este reprezentată variaţia temperaturii gazelor de evacuare în ciclul NEDC.

După pornirea la rece motorul funcţionează cu amestec omogen pentru o încălzire mai

rapidă a catalizatorului. Pe măsură ce catalizatorul de NOX devine suficient de activ se trece

la funcţionarea cu amestec stratificat, în 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 în

ciclul NEDC.

Fig. 18. Variatia temperaturii gazelor din evacuarea la intrare în

catalizatorul absorbitor de NOX , in ciclul NEDC.

Nivelul temperaturii gazelor de evacuare pentru cea mai bună conversie a NOx în cadrul

catalizatorului de NOX, ar trebui să fie între 200°C şi 400°C (banda de culoare verde). Pe

durata ciclului extraurban (EUDC), temperatura gazelor în amonte de catalizator depăşeşte

acest nivel, în consecinţă motorul ori va funcţiona în modul stoichiometric, ori se iau măsuri

suplimentare, pentru a îmbunătăţii stocarea de NOX, la temperaturi înalte ale catalizatorului

de NOX, ori se va reduce temperatura gazelor la viteze mari ale automobilului.

O comparaţie între consumul de combustibil al motorului de referinţă MPI, cu injecţie

indirectă multipunct în poarta supapei, şi al motorului FEV DISI (Direct Injection

SparkIgnition - injecţie directă şi aprindere de la scânteie) este reprezentată în fig. 19. La

sfârşitul părţii din ciclu care simulează circulaţia în oraş se înregistrează o reducere a

cosumului de 22%. Datorită sarcinilor mari ale motorului şi funcţionării cu amestec

stoichiometric la viteze mari economicitatea, la sfârşitul ciclului EUDC, este mai mică decât

la finele ciclului ECE. în final se înregistrează o reducere a consumului de 13% în modul de

ardere cu vârtejuri de rostogolire, comparativ cu motorul MPI de referinţă cu λ=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 în cazul funcţionării cu

amestec stoichiometric.

În cazul arderii amestecurilor sărace se impun cerinţe suplimentare privitoare la post-

tratarea catalitică a gazelor de evacuare. O atenţie deosebită trebuie acordată gradului de

recirculare a gazelor arse, chiar si în regimurile tranzitorii, si tehnologiei de stocare (absortie) a

NOx pentru a le reduce la minim.

Optimizarea emisiilor, utilizând un sistem catalitic cu adsorbţie a NOx; este dependentă

de strategia de regenerare a filtrului de NOx.

În domeniul sarcinilor parţiale mari, funcţionarea cu amestec stratificat este mai puţin

limitată de sistemul de ardere propriu-zis, cât mai ales de necesitatea regenerării

catalizatorului de NOX, fig. 20.

Fig. 20. Procentajul regimurilor de functionare

pentru regenerarea catalizatorului de NOx.

Cu creşterea turaţiei şi a sarcinii, masa de NOX, ca şi temperatura gazelor de evacuare,

cresc substanţial, în timp ce capacitatea de stocare a NOX scade (datorită temperaturilor mai

mari) şi, totodată, scade economia de combustibil faţă de funcţionarea cu amestec

stoichiometric şi EGR. În consecinţă, combustibilul suplimentar necesar, pentru mai

frecventele faze de regenerare a catalizatorului de NOx, constituie o limită severă în

utilizarea amestecurilor sărace la sarcini mari). Din cauza aceasta calibrarea curentă a GDI

pentru Euro IV este făcută pentru amestecuri sărace numai în cazul celor stratificate.

Funcţioarea cu amestecuri sărace omogene la sarcini mai mari este înlocuită cu reglajul

pentru amestecul stoichiometric şi cu EGR. Cu aceasta se pierde un potenţial de aproximativ

1,5% de reducere a consumului, dar se realizează o reducere a NOX, în ciclul MVEG, de

circa 50% şi se evită, totodată, îmbătrânirea rapidă a catalizatorului.

Chiar în domeniul sarcinilor reduse regenerarea catalizatorului de NOx, diminuează

economia de combustibil cu 1,5-2%, în funcţie de nivelul propus al emisiilor, îmbunătăţirile

pot fi posibile prin noi strategii de regenerare şi capacitate redusă de stocare a oxigenului în

precatalizator.

In general, cel mai înalt grad de stratificare şi, cu aceasta, cel mai mare potenţial de

reducere a consumului, poate fi realizat cu sistemul de ardere cu jet orientat. Un astfel de

sistem suferă din cauza sensibilităţii la condiţiile de prelucrare şi a toleranţelor prescrise, ca

şi la problemele de durabilitate. Robusteţea cerută poate fi realizată în prezent numai cu

sistemul de ardere cu ghidarea curentului la perete.

Din motive de stabilitate şi al emisiei de HC, arderea stratificată este reglată pentru

degajarea mai devreme a căldurii în ciclu decât ar fi optim termodinamic. Pierderea relativă

de economicitate în ciclul MVEG este estimată la aproximativ 0,5-1%. Un potenţial de

economicitate de 1-2% poate fi realizat printr-o reducere de HC.

In fig. 21 este evidenţiată influenţa regenerării optimizate a catalizatorului de NOx,

asupra emisiilor de HC şi NOx pe durata ciclului NEDC. Cea mai mare parte a emisiei de HC

se realizează înainte ca dispozitivul catalitic de oxidare să-şi atingă temperatura optimă de

funcţionare, iar o parte importantă rezultă din ciclurile de regenerare a catalizatorului de NOx,

când amestecul se îmbogăţeşte pentru a se asigura regenerarea acestuia. Oricum, emisia

de HC, pe durata NEDC, rămâne la 50% din prevederile normelor Euro IV. Jumătate din

emisiile de NOx se produc înainte ca filtrul catalitic să atingă condiţiile de funcţionare.

Cealaltă parte este emisă pe durata ciclului EUDC, din cauză că atât emisia de NOx cât şi

temperatura gazelor de evacuare cresc, în 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 regenerării filtrului de NOx trebuie făcută astfel încât acesta să rămână

activ pe un interval cât mai extins de funcţionare. Etapele de accelerare, pe durata cărora se

trece de la modul stratificat la cel omogen stoichiometric, sunt utilizate pentru regenerarea

filtrului de NOx Aceasta înseamnă un consum suplimentar de combustibil mai redus. Pe de

altă parte, creşrerea emisiei de HC nu trebuie să se producă prea mult prin îmbogăţirea

amestecului. De aceea, este nevoie de un model sofistificat pentru NOx, în sensul

regenerării filtrului, pentru a evita saturarea catalizatorului şi fără o creştere semnificativă a

consumului şi a emisiei de HC.

Această tehnologie se bazează pe adsorbţia noncatalitică a NO2 de către materiale

adecvate dispersate pe îmbrăcămintea tobei. Pe măsură ce capacitatea de stocare se

apropie de saturaţie, eficienţa stocării scade. NO2 stocat este eliberat în gazele de evacuare

cu conţinut redus de oxigen, care afectează regenerarea necesară de adsorbţie. NO2

eliberat de adsorbitor trebuie să fie apoi descompus catalitic în componenţi inofensivi. Acest

lucru se produce în modul cunoscut în TWC prin contactul catalitic cu emisiile de CO şi HC,

care acţionează ca agenţi reducători în gazele de evacuare, fig. 22.

Fig. 22 Functionarea

catalizatorului de neutralizare a oxizilor de azot.

Pe măsură ce acumulatorul adsoarbe emisiile de NOx oxidul de azot trebuie, mai întâi,

să fie oxidat şi transformat în bioxid de azot. Acest lucru are loc în catalizatorul tricomponent,

care funcţionează ca un catalizator de pornire, prin acţiunea catalitică a platinei din

adsorbitor. De aceea catalizatorul ar trebui instalat cât mai aproape posibil de motor, astfel

încât, imediat după pornire, catalizatorul să acţioneze cu randament ridicat de conversie,

chiar şi la sarcini reduse cu temperaturi scăzute ale gazelor de evacuare. Este, de

asemenea, important ca acest catalizator să aibă o capacitate redusă de stocare a

oxigenului, astfel încât pe durata ciclurilor de regenerare, care ar trebui să fie cât mai scurte

posibil din motive de consum, vârfurile bogate să ajungă în acumulatorul de NOX cu o

întârziere cât mai mică posibil, pentru a asigura regenerarea şi reacţia oxizilor de azot

stocaţi. Conversia oxidului de azot care nu a fost oxidat în precatalizator trebuie să aibă loc

la contactul cu metalele preţioase din acumulatorul de NOx unde se produce stocarea

efectivă a oxizilor de azot ca nitraţi. Capacitatea de reducere a emisiilor de NOx este

puternic influenţată de dependenţa de temperatură a capacităţii de neutralizare a

materialelor utilizate.

Strategia tratării gazelor de evacuare şi dispunerea catalizatoarelor, în cazul

motoarelor cu amestecuri sărace stratificate, este prezentat în fig. 23, iar pentru

amestecurile stoichiometrice în fig. 24. Sunt evidenţiate limitele de temperatură între care

catalizatorul de stocare a NOx este activ. De asemenea, sunt menţionate temperaturile şi

duratele de timp necesare regenerării şi desulfurizării 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.