1

CAPITOLUL 3 ORIGINEA NOXELOR DIN GAZELE DE EVACUARE ALE M.A.S. DE AUTOVEHICULE

3.1 ORIGINEA HC DIN GAZELE DE EVACUARE ALE M.A.S. HC [%]

SFP SFMG + SFP 0,3 0,6 0,9 pca [bar] pca presiunea din colectorul de admisie La deschiderea clapetei de acceleraie, presiunea din colectorul de admisie crete, iar natura fenomenelor de apariie a concentraiilor de HC difer. Cmpul diagramei este mprit n 2 zone:

1. n care se nregistreaz concentraii ridicate de HC, iar curba scade rapid cu creterea p din admisie;

2. n care concentraia de HC e mai redus, se modific lent cu creterea presiunii din colectorul de admisie.

Concluzie: Geneza HC se explic prin desfurarea a cel puin 2 fenomene distincte. A) Stingerea flcrii la perete (SFP)

ntr-o camer de ardere n care sunt montate dou plci paralele ce pot culisa

modificnd astfel distana dintre ele, se realizeaz un experiment prin care se introduce un amestec de aer combustibil. Reducnd distana de la valoare mare la cea mic se constat c flacra se stinge la un moment dat, nainte de a intra plcile n contact i a obtura traseul. Frontul de flacr nu se mai poate propaga. Momentul n care se stinge flacra se noteaz cu scr. Gazele fierbini din flacr (temperaturi de 1500-25000C), apropiindu-se de pereii plcilor paralele (temperaturi de 400 9000C) se rcesc. La o apropiere prea mare flacra se stinge. ntre gazele care ard i perete are loc un transfer convectiv de cldur, astfel nct n zona vecin peretelui temperatura scade mult iar vitezele reaciilor chimice devin att de reduse nct aprinderea i arderea nu mai sunt posibile.

1

2

2

;5,0T

ctcr 9,0p

ctcr .

La T = 286OC i = 0,9 cr 1,4 mm. Dac amestecul este prenclzit, distana poate s fie mai mic. Arderea cu performane mari se obine la amestecuri puin mbogite.

- Viteza reaciei : Wca=A

, unde A i B sunt constante La 4000C reaciile adverse sunt iniiate cu dificultate. Hidrocarburile formate cnd flacra cuprinde amestecul iniial n ntregime se

datoresc ntreruperii propagrii flcrii n apropierea pereilor. Micarea turbionar a gazelor din cilindru genereaz un strat limit la suprafaa pereilor, n care temperatura variaz relativ puin din cauza transferului de cldur n apropierea pereilor. Cnd flacra ajunge n dreptul stratului limit, din cauza temperaturilor reduse, reacia chimic nceteaz. n stratul limit rmn hidrocarburi nearse.

3

Ex.: p = 10 bar; T = 1000K;

= 0,21 mm. 1 gaze arse; 2 strat limit; 3 peretele cilindrului; 4 lichidul de rcire La sarcini i turaii ridicate, temperatura poate fi pn la 25000C. ntre 2500 i

400 temperatura scade brusc i astfel nu se mai produc reaciile. Stratul limit depinde puternic de p, T precum i de a, m i n ce depind de dozaj. Frontul de flacr are pn la 1 mm. Acest fenomen se petrece indiferent de

presiunea din admisie. Zonele n care nu arde combustibilul i unde flacra nu se poate propaga se

numesc crevase.

B) Stingerea flcrii n masa gazelor (SFMG)

S-au realizat experimental nregistrri fotografice (deasupra camerei pistonului

s-a pus o fereastr de cuar) dintr-o camer de ardere n form de L (antrenare uoar, cma simpl cu o degajare pentru deschiderea supapei, bujia aezat

lateral), la diferite sarcini (pca):

= 0,05 ... 0,4 mm din fotonregistrri; nm

Tpa

30020 [mm]

a m n 0,85 0,068 0,66 0,71 1,00 0,079 0,52 0,56 1,35 0,144 0,55 0,89

4

La pca mari, stingerea flcrii se produce i n alte zone ale camerei de ardere dect cea a supapei de evacuare.

Scderea presiunii i mbogirea amestecului conduc la scderea din ce n ce mai accentuat a flcrii n masa de gaze; la creterea cderii de presiune, arderea nu se mai produce din cauza lipsei de oxigen i a lipsei de omogenitate.

5

a) funcionare normal; b) primul ciclu dup 4 cicluri fr aprindere (baleiere complet a camerei de ardere); c) ciclul urmtor

La funcionare normal a motorului n cilindrul acestuia rmn gaze arse

reziduale de la un ciclu la urmtorul; acestea sunt formate din: N2, CO2, H2O i alte gaze (NOX, CO, HC) n cantiti mult mai mici.

Primele trei gaze sunt inerte, ele nu mai pot participa la ardere, ci doar consuma energia pentru a se nclzi i, eventual, pentru a disocia (a-i rupe moleculele). n consecin ele constituie o frn n calea propagrii frontului de flacr. Distribuirea lor n cilindrul motorului este neuniform astfel nct, ele pot forma aglomerri (noriori) care vor genera acele zone n care propagarea flcrii nu poate acea loc. Aceste volume nu sunt ocupate numai de gaze arse reziduale, ci i de cantiti mai mari sau mai mici de amestec proaspt, care ns nu va putea s ard. n consecin, zonele netraversate de frontul de flacr sunt surse de HC nearse.

Debitul de gaze prin supapa de evacuare (stnga) i concentraia de HC din poarta supapei din evacuare (dreapta)

6

Diagrama de funcionare i ciclul termodinamic motor reprezentat n diagrama p-V Legenda:

1 - cilindrul 2 - chiulasa 3 - pistonul 4 - biela 5 - arborele cotit 6 - supapa de admisie 7 - supapa de evacuare

7

Schema originii emisiilor de HC, CO i NO la m.a.s.

Dup deschiderea supapei de evacuare are loc eliminarea gazelor provenite

cu precdere din zona central a cilindrului, acolo unde a avut loc fenomenul SFMG. Cantitatea de HC nears provenit astfel este relativ modest raportat la cantitatea total de gaze din cilindrii motorului. De aceea, pe cea mai mare parte a duratei procesului de evacuare concentraia de HC din poarta supapei de evacuare e relativ redus. n cursa de evacuare a pistonului de la PME la PMI, acesta execut o operaiune de raclare a gazelor din stratul vecin cilindrului, strat n care concentraia de [HC] e ridicat datorit fenomenului SFP. ncepe astfel s se dezvolte un nor toroidal deasupra capului pistonului cu gaze provenite din stratul limit, bogat n [HC]. La apropierea pistonului de PMI, gazele din acest nor toroidal vor prsi camera de ardere conducnd la creterea substanial a HC n poarta supapei.

La sarcini mari (a se vedea prima figur din capitol) SFMG nu mai apare deoarece la deschiderea mai mare a admisiei, jetul este mai mare i va mpinge gazele arse afar.

C) Evoluia HC n conducta de evacuare

postardere la t 675OC n galeria de evacuare e prezent O2, la amestecuri srace datorit excesului

de aer i la amestecurile mbogite datorit distribuiei neuniforme a aerului n cilindrii motorului. Poate influena i cantitativ prin scderea concentraiei de HC. D) Modificarea structurii chimice a hidrocarburilor Procese de cracare i oxidare

Natura hidrocarburilor din cilindru i conducta de evacuare la arderea propanului (C3H8)

Natura hidrocarburilor

Proporia diferitelor hidrocarburi nearse [%]

n cilindrul motorului n conducta de evacuare

CH4 2,6 11,7

C2H2 3,9 10,8

C2H4 6,9 19,8

C2H6 0,6 1,6

C3H6 2,9 7,2

C3H8 83,1 48,9

8

Datorit temperaturilor i presiunilor ridicate din cilindrii motorului hidrocarburile sufer procese de cracare i dehidrogenare, care continu si dup ncheierea arderii i chiar i n colectorul de evacuare. De aceea, structura chimic a hidrocarburilor evacuate n atmosfer difer de structura chimic a hidrocarburilor combustibilului cu care e alimentat motorul. n evacuare se vor gsi concentraii mai mari de hidrocarburi cu numr mai redus de atomi de C i H. Aadar, principalele evenimente care modeleaz concentraia de hidrocarburi n ardere:

- SFP; - SFMG; cantitative - Postardere; - Cracare i dehidrogenare. calitativ

3.2 ORIGINEA CO DIN GAZELE DE EVACUARE ALE M.A.S. CO, CO2 [%]

CO2

CO

1

La amestecuri bogate (ardere incomplet, cu lips de oxigen. La amestecuri srace ( Cinetica de oxidare a CO n flcri de HC este reprezentat de reacia: CO + OH CO2 + H, cu viteze mari n ambele sensuri. Constanta acestei reacii este:

OHCO

HCOk

2 ,

de unde rezult:

OHH

kCO

CO

1

2

n camera de ardere au loc reacii ntre oxigen, hidrogen i gruparea oxidril: OH + H H2 + O;

9

OH + O O2 + H; OH + H2 H2O + H; OH + OH H2O + O, Reaciile sunt reversibile, dar la o rcire foarte rapid datorat destinderii gazelor din cilindrii, reaciile inverse nu mai au timp s se deruleze, rezultnd o ngheare a reaciilor chimice i o cretere a concentraiei de H n raport cu cea de OH : [H] (56) [OH]. Rezult, potrivit legii echilibrelor chimice aplicate reaciei dintre CO i OH:

6...51

2

kCO

CO.

3.3 ORIGINEA NOx DIN GAZELE DE EVACUARE ALE M.A.S. 3.3.1 Formarea NO

n gazele de evacuare ale m.a.s. sunt prezeni NO i NO2, proporia cea mai mare fiind de NO. A fost msurat intensitatea spectral a radiaiei emise de reacia

NO + O NO2, utiliznd ferestre practicate n chiulasa unui motor monocilindric:

S-a constat c NO apare nainte de PMI la fereastra F2, iar la fereastra F3 apare la 6-7 0RA dup PMI. Sgeata arat sensul de propagare al flcrii. Analiznd evoluia n timp, se observ c s-au nregistrat concentraii variate cu valori mai mari n cazul ferestrei mai apropiate de bujie (F2) dect n cazul celei mai deprtate (F3).

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

10

n figur se prezint frontul flcrii n diferite momente de propagare. n cea de-a doua fereastr se consemneaz apariia NO n zona PMI. Aadar, att analiza fizic ct i cea chimic prezint aceleai evoluii. Concluzii:

a) concentraia local de NO crete n timp, cu vitez finit; b) concentraiile de NO sunt cu att mai ridicate cu ct punctul n care

sunt determinate se afl mai aproape de bujie; c) odat atinse valorile maxime, concentraia de NO rmne

cvasiconstant. Mecanismul ZELDOVICI de formare a NO n condiiile din motor:

O + N2 NO + N, reacie cu vitez mare; NO + N O + N2, reacie cu vitez mic; O2 + N NO + O, reacie cu vitez mare; NO + O O2 + N, reacie cu vitez mic.

Lanul de reacii este iniiat de O atomic care, n motor, are o concentraie de

100 ... 1 000 ori mai mare dect N atomic, deoarece N2 disociaz n N mai greu dect O2 (N este gaz nobil - nu se combin uor cu alte elemente). [O] ppm [O] ppm 1500 1500 1000 1000 500 500

2500 3000 T [K] 0,8 1 1,2

11

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

T

B

NO Aw

e

1 este momentul formrii nucleului de flacr;

2 este un moment ulterior din timpul fazei de propagare rapid a flcrii;

3 este momentul atingerii presiunii maxime n ciclu. Comprimarea tranelor de gaze arse este:

- pentru nucleul de flacr:

28,15,312

42 2,025,1/11/11

1

3

k

p

p;

- pentru tranele de gaze arse formate la momentul 2:

05,133

4225,1/11/11

2

3

k

p

p.

Dac temperatura nucleului de flacr era de 2800 K, la atingerea presiunii maxime va ajunge la

Tn3 = Tn

k

p

p/11

1

3 1,28 2800 = 3597 K.

n cazul tranei formate la momentul 2, temperatura maxim va fi:

T23 = T2

k

p

p/11

2

3 1,05 2800 = 2940 K,

mai mic cu aproximativ 650 K dect cea a nucleului de flacr. Rezult c cele mai ridicate concentraii de NO vor fi atinse n tranele de gaze arse formate la nceputul procesului de ardere.

12

Concluzii privind originea NO din gazele de evacuare

Sunt necesare: a) prezena oxigenului (amestec srac); b) temperaturi ridicate; c) timp pentru desfurarea reaciilor chimice;

Cele mai ridicate concentraii de NO se gsesc n vecintatea bujiei. 3.3.2 Formarea NO2

Calculele de echilibru chimic arat c n gazele arse, la temperaturi ntlnite uzual n flcri, concentraiile de NO2 sunt neglijabile n raport cu cele ale NO. Aa se ntmpl n cazul m.a.s. La m.a.c. ponderea NO2 n NOx ajunge pn la 30%. Prezena NO2 poate fi explicat prin aceea c NO format n gazele de flacr este convertit rapid n NO2 prin reacii de tipul:

NO + H2O NO2 + OH. Ulterior, NO2 este reconvertit n NO prin reacia:

NO2 + O NO + O2, cu excepia cazurilor n care aceast ultim reacie este frnat prin rcire datorat amestecrii cu gaze reci. Astfel de situaii sunt: funcionarea prelungit la mers ncet n gol i la sarcini mici.

Formarea NO2 se produce i n conducta de evacuare la turaii reduse, cnd gazele de evacuare se afl suficient timp n contact cu oxigenul.

3.4 ORIGINEA PARTICULELOR DIN GAZELE DE EVACUARE ALE M.A.S. Originea particulelor:

Plumbul din combustibili; Sulfai din sulful coninut de combustibili; Funingine;

13

Compui carbonai de pe pereii conductelor de evacuare.

Benzine aditivate cu compui coninnd 0,15 mg/l plumb particule 100 ... 150 mg/km care conin 25 ... 60% Pb. Particulele sunt formate prin condensarea

srurilor de Pb n traseul de evacuare. emisii mai intense la funcionare motorului la rece.

Emisiile de compui ai sulfului, mai ales la m.a.s. cu catalizatori. Sulful din benzine oxideaz la SO2 n camera de ardere. Acesta este oxidat la SO3 n reactorul catalitic, urmnd ca n prezena apei s se produc vapori de H2SO4.

La o funcionare normal, m.a.s. nu elimin funingine. Acest lucru se petrece numai n cazul funcionrii cu amestecuri prea bogate, datorate unor defeciuni ale sistemului de alimentare.

Compui carbonai se depun pe pereii conductelor de evacuare de unde se desprind, prelund i particule de fier (rugin).

n cazul unui consum exagerat de ulei, n gazele de evacuare pot fi prezeni aerosoli fini de ulei nears.