Curs Motoare

566
1 PARTEA I - COMBUSTIBILI ALTERNATIVI

Transcript of Curs Motoare

Page 1: Curs Motoare

1

PARTEA I - COMBUSTIBILI ALTERNATIVI

Page 2: Curs Motoare

PARTEA I – COMBUSTIBILI ALTERNATIVI

2

Autori: Veneţia SANDU Corneliu COFARU

1. GAZUL PETROLIER LICHEFIAT

1.1. GENERALITĂŢI Gazul petrolier lichefiat, numit de asemenea şi gaz petrolier lichid, GPL sau

gaz auto este un amestec de hidrocarburi gazoase şi este utilizat ca şi combustibil în

aparate de încălzire şi vehicule. Ca toţi combustibilii fosili, gazul petrolier lichefiat nu

este o sursă de energie regenerabilă. Gazul petrolier lichefiat (GPL) este un amestec

de propan (C3H8) şi butan (C4H10) în proporţii diferite, obţinut ca produs secundar la

rafinarea ţiţeiului, în proporţie de 5% din ţiţeiul brut.

Sursele din care se obţin gazele petroliere lichefiate GPL sunt:

a) separarea gazului asociat produselor petroliere brute;

b) câmpurile de gaze naturale;

c) staţiile de separarea gazului ;

d) rafinarea ţiţeiului brut.

Diferite ţări utilizează diferite proporţii de propan – butan, după cum urmează:

Tabelul 1.1. Proporţia de propan - butan din GPL

Anotimp

Vară Iarnă Ţară

propan [%] butan [%] propan [%] butan [%]

România 95 5 95 5

Germania

Anglia

Elveţia

30 70 50 50

Belgia, Olanda 60 40 60 40

Franţa 50 50 50 50

Austria - - 80 20

SUA 90 10 90 10

Propanul şi butanul se lichefiază relativ uşor, temperatura de fierbere la

presiunea atmosferică fiind: -42,6 °C pentru propan şi de -0,5 °C pentru butan.

Page 3: Curs Motoare

Gazul petrolier lichefiat

3

Dacă în cazul utilizării gazelor naturale, staţiile de alimentare trebuie să

dispună de instalaţii de comprimare de la presiunea reţelei de gaze la presiunea din

buteliile vehiculului (20 MPa), în cazul GPL alimentarea staţiilor şi distribuţia lui

rezervoarele autovehiculelor se realizează pe instalaţii asemănătoare distribuţiei

carburanţilor convenţionali.

Datorită proprietăţilor fizico-chimice şi ecologice, GPL este recomandat ca un

combustibil alternativ pentru aproape toate categoriile de autovehicule.

Tabelul 1.2. Proprietăţile GPL (95% propan, 5% butan) comparativ cu cele ale

benzinei

Caracteristica GPL Benzină Densitate (15 °C) [kg/l] 0,51 0,75

Putere calorică inferioară [kJ/kg] [kJ/l]

46350 23600

43200 32400

Căldura de vaporizare [kJ/kg] 352,26 397,44 Raportul dintre căldura de

vaporizare şi puterea calorică [kJ/MJ]

7,6 9,2

Cifra octanică CO/M CO/R

97 110

82,5 92

GPL este un gaz, la presiunea atmosferică şi temperatura normală a mediului

ambiant, dar el poate fi lichefiat la aplicarea de presiuni moderate sau când

temperatura este redusă suficient. El poate fi condensat uşor, ambalat, stocat şi

utilizat, ceea ce îl face să fie o sursă de energie ideală pentru o serie largă de

aplicaţii. Aceste gaze pot fi utilizate în stare lichefiată la 6 – 10 bar, iar la 15ºC devin

lichide la 4,4 bar, la -15ºC devin lichide la 1,7 bar şi la 50ºC devin lichide la 12,2 bar.

În mod normal, gazul este păstrat în formă lichidă, sub presiune, în recipiente

de oţel, butelii sau rezervoare. Presiunea din interiorul containerului depinde de tipul

de GPL şi de temperatura exterioară. La temperaturi şi presiuni normale, GPL se

evaporă. Din această cauză, GPL este furnizat în recipiente de oţel presurizate (cu

conţinut redus de carbon). Pentru a permite dilatarea lichidului din container,

recipientele nu trebuie să fie umplute complet; de obicei, ele sunt umplute în

proporţie de 80-85% din capacitatea lor. Acest amestec este foarte sensibil la

Page 4: Curs Motoare

PARTEA I – COMBUSTIBILI ALTERNATIVI

4

variaţiile de temperatură-creşterea dilatării funcţie de temperatură este foarte mare,

0,25% din volum la creşterea temperaturii cu 1ºC.

Raportul dintre volumul gazului vaporizat şi cel al gazului lichefiat variază

funcţie de compoziţie, presiune şi temperatură, dar este aproximativ 250:1. În stare

gazoasă, la presiunea atmosferică şi temperatură normală, GPL devine lichid la

15ºC, când presiunea este scăzută între 1,7 şi 7,5 bar.

GPL este folosit pe scară largă drept combustibil “verde” pentru motoarele cu

ardere internă, deoarece el reduce emisiile poluante. El are cifra octanică Research

(COR) între 90 şi 110 şi puterea calorică superioară între 25,5 MJ/l (pentru propanul

pur) şi 28,7 MJ/l (pentru butanul pur). GPL, ca şi combustibil gazos, este o alternativă

la benzină şi motorină. În mod special, el este atractiv din punct de vedere al utilizării

la autovehicule deoarece este stocat în stare lichidă şi folosit în stare gazoasă; acest

lucru făcând posibilă obţinerea unei densităţi mari de stocare a energiei şi obţinerea

unei combustii curate şi silenţioase.

Deoarece GPL are o cifră octanică mare, motoarele cu GPL pot fi concepute

cu raport mare de compresie, acesta fiind mult mai eficient decât cel al motoarelor

convenţionale pe benzină, deşi au o performanţă mai mică faţă de motoarele diesel

(cu 20%), datorită diferenţei în eficienţa ciclului de ardere.

La vehiculele grele, utilizarea GPL are ca rezultat o funcţionare mai uniformă

şi silenţioasă deoarece el asigură un cuplu mai mare la o turaţie mai mică.

Fabricanţii nu construiesc în mod normal maşini care să funcţioneze cu GPL.

De obicei, acestea sunt adaptate după ce au fost procurate pe piaţă.

Există proiecte de maşini care permit o dublă alimentare cu combustibil, astfel

încât pe acelaşi vehicul poate fi utilizat atât combustibilul convenţional, cât şi GPL.

Aceste proiecte necesită dublarea capacităţii de stocare a combustibilului, menţinând

rezervoarele originale de combustibil şi adăugând stocarea GPL.

1.2. BENEFICII PENTRU MEDIUL ÎNCONJURĂTOR ŞI SOCIAL GPL este unul dintre cei mai curaţi combustibili disponibili, producând de

departe mult mai puţin bioxid de carbon decât benzina şi mai puţine particule şi oxizi

de azot decât combustibilul diesel (motorina).

Testele paneuropene efectuate în 2003 pe vehicule noi au arătat că utilizarea

GPL a condus la reducerea cu 20% a CO2 faţă de benzină şi cu 1,8% faţă de

motorină. Pe drumurile urbane, în medie, un singur vehicul diesel emite aceleaşi

Page 5: Curs Motoare

Gazul petrolier lichefiat

5

particule fine ca şi 120 de vehicule alimentate cu GPL şi aceeaşi cantitate de NOx ca

şi 20 vehicule GPL. Vehiculele alimentate cu GPL pot ajuta echilibrarea considerabilă

a costurilor sociale şi a daunelor produse de poluare asupra sănătăţii şi a clădirilor;

nivelul de zgomot fiind mai mic decât la arderea în motorul diesel.

Alte surse referitoare la emisiile GPL consemnează următoarele: automobilele

alimentate cu GPL produc cu 90% mai puţine emisii de particule şi cu 90% mai puţini

oxizi de azot decât cele cu combustibil diesel. Motoarele cu GPL produc cu 75% mai

puţin monoxid de carbon decât cele cu benzină şi au un potenţial de formare a

ozonului cu 87% mai mic.

Teste recente au evidenţiat următoarele avantaje ale motoarelor cu GPL,

privitor la emisii:

• Comparativ cu benzina cu conţinut de sulf ultra scăzut –

11% până la 13% mai puţin CO2

15% până la 80% mai puţini NOx

20% până la 40% mai puţine hidrocarburi HC

30% până la 35% mai puţin CO

• Comparativ cu combustibilul diesel cu conţinut ultra scăzut de sulf –

80% până la 95% mai puţine particule

99% până la 99,8% mai puţine particule ultra fine

90% până la 99% mai puţini NOx

1.3. BENEFICII ECONOMICE

În majoritatea ţărilor, GPL este comercializat aproximativ la jumătate din preţul

benzinei, sau al combustibilului diesel, fiind susţinut prin taxe de drum mai mici.

Structura sa chimică simplă determină o ardere curată iar faptul că el este deja în

stare gazoasă la intrarea în cilindrul de ardere, îl face să ardă mai curat cu depuneri

mai mici în motor, acest lucru reprezentând o funcţionare mai uniformă şi pentru mai

mult timp.

Majoritatea automobilelor care au un motor cu aprindere prin scânteie pot fi

adaptate la GPL, iar costul conversiei va fi rapid amortizat prin costuri de funcţionare

mai mici.

Page 6: Curs Motoare

PARTEA I – COMBUSTIBILI ALTERNATIVI

6

1.4. ALTE BENEFICII

GPL este un produs al industriei de petrol şi gaze, astfel încât furnizarea sa pe

termen lung este tot atât de sigură cât şi a petrolului, în mod cert, nu mai puţin de 50

de ani.

În prezent, în Marea Britanie se află mai mult de 1200 de staţii de alimentare

cu GPL şi acest număr este în continuă creştere. Vehiculele adaptate pot fi setate să

funcţioneze cu benzină sau cu GPL. Rezervorul de benzină rămâne pe maşină şi

prin acţionarea unui comutator, se poate trece de la un combustibil la altul.

GPL este renumit pentru excelenţa sa siguranţă, la care contribuie

depozitarea, transportul şi utilizarea. Ca şi combustibil pentru vehicule, GPL este tot

aşa de sigur, dacă nu mai sigur ca şi benzina şi la fel de sigur ca şi combustibilul

diesel. În Viena, toate autobuzele funcţionează cu GPL şi în 30 de ani de operare nu

a fost nici un incident provocat de utilizarea GPL. Din ce în ce mai mulţi automobilişti

solicită vehicule GPL, şi drept urmare, acestea sunt produse de tot mai mulţi

fabricanţi, incluzându-i pe Vauxhall, Ford, Citroen, Diahatsu, Fiat, Mercedes, Nissan

şi Proton.

În prezent, în lume sunt operaţionale peste 9 milioane de vehicule cu GPL.

Coreea de sud este lideră cu peste 1,7 milioane, urmată de Italia, Polonia şi Turcia,

cu peste 1 milion de vehicule, Marea Britanie având peste 117.000 de vehicule

alimentate cu GPL.

1.5. DEZAVANTAJE GENERALE ALE GPL

Există şi o serie de dezavantaje în utilizarea GPL:

• Complicarea vehiculului - maşina este mai înaltă şi mai grea;

• Autonomie mai mică, pierderea de putere (5-10%), răspuns lent la accelerare;

• Timp de alimentare dublu faţă de alimentarea cu benzină ;

• Infrastructuri necesare - pompe, rezervoare, debitmetre.

1.6. CONFIGURAŢII ALE VEHICULELOR CU GPL

În figura 1.1 sunt prezentate circuitele de alimentare cu GPL a unui

autovehicul.

Sistemele GPL sunt în general proiectate să funcţioneze pe maşinile cu

benzină, dar ele diferă prin gradele de sofisticare:

Page 7: Curs Motoare

Gazul petrolier lichefiat

7

Figura 1.1.Circuitele de alimentare cu GPL a autovehiculelor

1.6.1. Prima generaţie GPL Prima generaţie de sisteme GPL utilizau un tub Venturi, sisteme în buclă

deschisă (fără control lambda) fără control electronic. În general au fost instalate pe

motoare cu carburator simplu, sistemul putând fi reglat în totalitate de către

instalatorul său.

Fig.1.2. Prima generaţie GPL

Amestecătorul (aer-gaz) acţionează ca un sistem controlat cu efect Venturi,

într-o manieră similară carburatoarelor cu benzină. GPL vaporizat este antrenat

Page 8: Curs Motoare

PARTEA I – COMBUSTIBILI ALTERNATIVI

8

printr-un orificiu determinat, ca răspuns la curgerea aerului în motor. Principiul de

proiectare de bază a rămas neschimbat de peste 30 ani. În timp ce aerul admis intră

în motor, este creat un efect Venturi prin intermediul valvei de aer a mixerului.

Această cădere de presiune care acţionează asupra unei diafragme cu arc este

proporţională cu curgerea aerului. Această acţiune poate fi descrisă mai bine ca fiind

un debitmetru de mare acurate

a rezervorului, şi nu din partea

superi

a o reglare precisă a presiunii

ombustibilului pentru mixer. Deoarece cererea la regulator creşte cu sarcina

otorului, regulatorul permite trecerea unui debit mai mare, în timp ce la scăderea

cererii, regulatorul restrânge debitul, în acest fel menţinându-se presiunea

combustibilului. Un regulator de înaltă presiune nu este necesar deoarece GPL din

rezervor are o presiune scăzută.

Rezervorul de combustibil este instalat, având în faţă un port de alimentare,

linii de alimentare şi supape de presiune de siguranţă. Un filtru înlătură particulele ce

ar putea fi prezente în gaz. Rezervoarele sunt construite după standarde stricte de

oţel, pentru a suporta o presiune de 70 bar. Presiunea normală de lucru a

rezervorului variază între 9 - 12 bar. Rezervoarele sunt echipate cu o supapă de

refulare, care în cazul unor presiuni anormal de mari, va elibera vaporii de gaz în

atmosferă pentru a preveni explozia rezervorului.

ţe care controlează curgerea combustibilului în motor

ca o funcţie a curgerii aerului.

Vaporizatorul converteşte propanul lichid în gaz. Sursa primară de căldură

pentru vaporizare o constituie apa din cămaşa motorului care circulă prin cămăşi

special proiectate în interiorul corpului vaporizatorului. Este necesar ca sistemul de

alimentare cu GPL să absoarbă din partea de jos

oară. Dacă alimentarea motorului se face din faza de gaz, componentele grele,

cu temperatură ridicată de fierbere din GPL, se vor concentra în mod gradual în faza

lichidă, creând o masă fluidă cu o presiune mare de vaporizare şi punct de îngheţ

ridicat. Acest lichid va crea diverse probleme în sistemul de alimentare. De aceea,

sistemele GPL iau gazul lichid din partea inferioară a rezervorului şi îl trimit prin

vaporizator care este încălzit de lichidul de răcire a motorului.

Funcţia regulatorului este de a asigur

c

m

Page 9: Curs Motoare

Gazul petrolier lichefiat

9

1.6.2. A dou

a generaţie GPL

Fig.1.3. Configuraţia celei de a doua generaţii GPL

Acest sistem a fost adoptat pentru sisteme de injecţie de combustibil

onopunct utilizând sisteme analogice cu sondă lambda pentru determinarea

conţinutului de o torului trivalent.

Sistem

m

xigen din gazele de evacuare şi a eficienţei cataliza

ul permite reglarea la mers în gol. Celelalte componente şi funcţionarea sunt

similare cu cele ale primei generaţii.

1.6.3. A treia generaţie GPL

Fig. 1.4. A treia generaţie GPL

Page 10: Curs Motoare

PARTEA I – COMBUSTIBILI ALTERNATIVI

10

Acest sistem GPL a fost adoptat pentru sisteme de injecţie de combustibil

multipu

ficate şi memorate, iar

l pentru fiecare model de motor şi vehicul.

ă pentru sisteme de injecţie secvenţială, multipunct,

u controlul în buclă închisă, cu microprocesor, a emisiilor admisibile. Nu este

reglabil şi nu interferează cu sistemul de diagnoză de la bord .

este secvenţial, multipunct, cu microprocesor, cu

contro

şi Italia au cele mai avansate tehnologii GPL din Europa. Olanda este

liderul

te staţiile de

alimen

umului lor de

combu

noi pentru

nct, controlate cu microprocesor în buclă închisă, cu respectarea emisiilor

poluante. Acestea au capacitate de autoinstruire, dar nu sunt reglabile de către

instalator. Defecţiunile de bază sunt diagnosticate la bord, codi

software-ul GPL este scris specia

1.6.4. A patra generaţie GPL Acest sistem se utilizeaz

c

1.6.5. A cincea generaţie GPL Acest sistem de injecţie

lul emisiilor poluante. Nu este reglabil, dar poate fi integrat cu sistemele de

diagnoză la bord a vehiculului.

1.7.POLITICA UE ŞI GPL 1.7.1. Piaţa Uniunii Europene

Olanda

în domeniul motoarelor GPL cu injecţie multipunct. În Olanda, GPL nu este

privit ca o alternativă la benzină, ci ca un combustibil obişnuit. Toa

tare aflate de-a lungul autostrăzilor furnizează GPL. Autoalimentarea este o

practică obişnuită, 10% dintre vehiculele de pasageri utilizând GPL. Consumul de

GPL la vehiculele de pasageri reprezintă 15% din totalul cons

stibil.

Tehnologiile de vârf sunt sistemele Dutch GENTEC – VIALLE şi KOLTEC –

NECAM, care sunt sisteme de injecţie multipunct controlate electronic.

În Italia, FIAT este implicată activ în adaptarea unora din automobilele sale la

GPL / CNG. Într–o asociere de proiect dintre FIAT / TNO şi BK – GAS, un FIAT

Tempera 2l a fost optimizat pentru injecţia multipunct de vapori GPL.

În Franţa, Renault a făcut diferite teste la vehiculele de regim uşor.

În Germania, Mercedes Benz a lansat un sistem GPL multipunct sofisticat

pentru noile sale modele. DAF a presetat un motor LT 160 GPL de regim greu.

Nissan Belgium şi Continental Energy Systems au de asemenea proiecte

Page 11: Curs Motoare

Gazul petrolier lichefiat

11

motoa

i taxelor pe GPL. În Marea

Britani

t, a crescut interesul pentru

utilizarea GPL, prin compania Guide Friday, subsidiară unei companiei de operare a

la punct o afacere în domeniul conversiei acestora şi care

este u

e vehicule uşoare rulează pe GPL. În Coreea de Sud, GPL este utilizat

drept combustibil pentru taxiuri şi reprezintă peste 90% din combustibilul utilizat pe

reea de Sud consumă peste un milion de tone de

GPL p

, 350.000 de vehicule

utilizea

re de regim greu. VANHOOL (Belgia) produce în prezent curent 2 autobuze

alimentate cu GPL pentru Olanda. BOON (Bruxel) importă şi adaptează pe vehicule

sistemele electronice de injecţie cu gaz ale firmelor NECAM şi KOLTEC.

Câteva companii de transport public cumpără autobuze diesel, care sunt

adaptate pentru a funcţiona cu GPL. Câteva oraşe principale au flotă de transport

operând pe GPL (Amsterdam, Groningen, Eindhoven şi Hertogenbosch).

În Marea Britanie, folosirea GPL drept combustibil motor, a scăzut în ultimii

ani. Numărul de staţii de alimentare cu GPL a scăzut de la, în jur de 500 în 1980, la,

în jur de 200 în zilele noastre, în principal datorită creşteri

e au rămas operaţionale un număr de vehicule cu GPL, incluzând câteva flote

mici de vehicule care operează în afară de bazele centrale (evitând necesitatea de a

găsi combustibil de la staţiile de alimentare). Recen

autobuzelor şi care a pus

tilizată acum de câţiva operatori din Marea Britanie.

În Spania, GPL a fost furnizat pentru prima oară pentru vehicule, în 1986, prin

două staţii de alimentare. În prezent sunt aproape 50 de puncte de alimentare de-a

lungul ţării şi 12.000 de vehicule cu GPL, toate taxiuri.

1.7.2. În afara pieţei UE În Australia, 4% dintre vehiculele de pasageri (330.000) rulează pe GPL. O

altă piaţă mare este Mexicul (între 200.00 şi 400.000 de vehicule). În Japonia,

300.000 d

acest segment. În particular, Co

e an şi au apărut probleme de alimentare, limitându-se utilizarea doar la taxiuri

şi interzicându-se utilizarea lui la automobilele private. În SUA

ză GPL, în timp ce Canada are 170.000 de autoturisme care utilizează

propanul.

1.7.3.Informarea despre GPL În Olanda şi Italia, informaţia privitoare la utilizarea GPL la vehiculele uşoare,

autobuze şi maşini de salubrizare este adecvată şi disponibilă.

Page 12: Curs Motoare

PARTEA I – COMBUSTIBILI ALTERNATIVI

12

Totuşi, în alte ţări europene există o lipsă de informaţii tehnice referitoare la

GPL. Angrosiştii de GPL nu îndrăznesc să aibă o politică puternică de piaţă: ei se

tem că

şi taxa pe

utomobilele GPL să fie fixă pentru următorii ani. Aceasta va asigura securitate

tii GPL pentru a începe investiţiile când piaţa va începe să se extindă.

stituie

subiec

talaţii de

ventila

ţiile de alimentare.

paţiile închise de parcare trebuie adaptate cu instalaţii specifice de ventilaţie.

nt accesibilitatea combustibilului (nu pentru operatorii de

flote c

transferat de la o maşină la alta.

vor atrage atenţia guvernului asupra acestui combustibil marginal şi atunci se

va mări taxa pe combustibilul GPL. Infrastructura existentă este de asemenea prea

veche pentru a suporta o creştere bruscă a cererii de GPL. De aceea, un prim pas ar

fi de a avea o declaraţie guvernamentală care să certifice preţul GPL

a

pentru angrosiş

În Marea Britanie există o asociaţie (LP Gas Asociation), care furnizează

informaţii şi sfaturi pentru potenţialii utilizatori, dar aceasta nu are o mare publicitate.

Mai multe informaţii sunt date prin intermediul industriei de autobuze odată cu

creşterea interesului pentru conversie acestora în vederea utilizării GPL.

1.7.4. Riscuri Deoarece GPL este mai uşor decât aerul, în diferite ţări, utilizarea lui con

tul anumitor restricţii. Atelierele de lucru trebuie adaptate pentru acest tip de

vehicule (cu GPL), respectiv, ele trebuie echipate cu sisteme electrice de siguranţă

împotriva incendiilor, trape de drenaj, detectoare speciale de gaz şi ins

ţie, toate adaptate la numărul de vehicule utilizate de către atelierul respectiv.

Instalaţiile de siguranţă totală trebuie instalate în vehicule şi sta

S

Principalele riscuri su

are se alimentează de la garajele proprii, ci pentru utilizatorii particulari), lipsa

măsurilor guvernamentale pentru stimularea în viitor a nivelelor preţ / taxe.

Siguranţa stocării şi a sistemelor de distribuţie GPL au constituit obiecte de

cercetare în Olanda, unde utilizarea gazului este larg răspândită.

1.7.5. Aspecte financiareBarierele financiare sunt similare celor întâlnite în cazul promovării motoarelor

cu gaz natural. Automobilele cu GPL sunt încă automobile pe benzină adaptate

ulterior pentru alimentare cu GPL. Acest lucru determină costuri suplimentare, dar

totuşi nu constituie o barieră fundamentală, luând în considerare durata de viaţă a

automobilului şi faptul că sistemul GPL poate fi

Page 13: Curs Motoare

Gazul petrolier lichefiat

13

1.7.6. Diferenţe de preţ Datorită costurilor suplimentare ale echipamentului GPL, este necesar un

regim financiar corespunzător pentru taxa de drum şi accize, în caz contrar, decizia

pentru utilizarea GPL va fi grea. Taxele suplimentare, pentru automobilele GPL care

rulează mai puţin de 15.000 km/an, compensează avantajele rezultate din preţul

GPL, comparativ cu automobilele pe benzină.

lui mic de staţii publice de alimentare cu gaz,

cât şi limitărilor determinate de disponibilitatea pe termen lung a acestuia. Totuşi,

vehicule, în special cele din zona urbană, cu o bază regulată,

este o

1.7.8. Reglementări rtificatelor de siguranţă care reglementează

utilizar

nea actori principali pe piaţa GPL (datorită originii

similar

1.7.7. Caracteristica de piaţă Este neverosimil că vehiculele GPL vor lua o proporţie semnificativă pe piaţa

vehiculelor private, datorită atât număru

piaţa pentru flotele de

ţintă corespunzătoare.

Faptul că persoana ce achiziţionează un automobil trebuie mai întâi să aleagă

între unul pe benzină, respectiv, pe motorină şi apoi să decidă pentru instalarea

sistemului GPL (şi să plătească suplimentar pentru instalare şi taxă), constituie o

barieră clară pentru vehiculele private.

Lipsa legislaţiei specifice şi a ce

ea GPL în vehicule şi staţiile de alimentare de-a lungul UE, ridică o barieră

semnificativă la răspândirea gazului drept combustibil uzual pentru autovehicule. De

asemenea, lipsa unor standarde comune pentru GPL constituie o barieră importantă

de interoperabilitate, deoarece este necesară reajustarea vehiculelor pentru fiecare

formulă diferită de gaz.

1.7.9. Constrângeri ale infrastructurii Infrastructura şi sistemele de distribuţie necesare pentru alternativa de

combustibil GPL pot constitui o barieră semnificativă la răspândirea sa. Totuşi,

această barieră este atenuată de faptul că actorii actuali de pe piaţă, companiile

petroliere notabile, vor fi de aseme

e a celor mai mulţi combustibili tradiţionali). O staţie GPL nu este aproape

deloc diferită de o staţie de benzină. Producerea de autocisterne de transport GPL,

construite să transporte gaz de joasă presiune, este o tehnică comună.

Page 14: Curs Motoare

PARTEA I – COMBUSTIBILI ALTERNATIVI

14

Reţeaua actuală de distribuţie nu face faţă unei creşteri de masă a vehiculelor

GPL. Creşterea pieţei trebuie să fie progresivă pentru a împiedica ştrangulările, dar

destul de puternică pentru a da un semnal companiilor de distribuţie, privind

necesitatea efectuării de investiţii.

Taxe - Taxa aplicată GPL, ca şi combustibil utilizat în transport, constituie un

factor decisiv privind viabilitatea financiară a acestei tehnologii. Stimulentul asupra

fiscalităţii trebuie să se bazeze pe îmbunătăţirile aduse asupra mediului înconjurător,

comparativ cu utilizarea altor combustibili. Comisia Europeană a propus ca taxa

aplicabilă surselor alternative de energie să nu depăşească 10% din taxa aplicată

combustibililor fosili. Datorită reducerilor de profit pe care le pot produce, guvernele

au tratat această problemă cu precauţie.

Factori de succes critici - Pentru a mări răspândirea vehiculelor GPL se poate

urmări nivelul taxelor (ex: un sistem de taxare bazat pe emisia de CO2, combinat cu

creşte

emisii de CO2 decât benzina şi mai puţine emisii de

alţi po

combustibil, pentru a-i încuraja să investească în sistemele de

stocare i ezvolte vehicule specifice GPL,

iar utili rsia vehiculelor existente pentru

a utiliza

De asemenea, pentru ca GPL să devină viabil la scară UE, este necesară

standardizarea specificaţiei GPL.

Pe deasupra, este necesar un suport din partea guvernelor naţionale, în

principal pentru:

• Introducerea regulamentelor de siguranţă;

• Înlăturarea interdicţiei parcării în interior;

• Înlăturarea taxelor suplimentare pentru GPL.

rea stringenţei regulamentelor pentru alte emisii poluante, vor fi în sprijinul

utilizării GPL, care are mai puţine

luanţi decât combustibilul diesel). Aceasta va da semnale corecte de preţ:

producătorilor de

ş distribuţie, constructorilor de vehicule, să d

zatorilor de vehicule, să investească în conve

GPL.

Page 15: Curs Motoare

Gazul petrolier lichefiat

15

Bibliografie [1] Apostolescu, N., Sfinţeanu, D. - Automobilul cu combustibili neconvenţionali. -

Editura Tehnică, Bucureşti, 1989. ISBN 973-31-0049-8.

[2] Bobescu, Gh.,şa - Tehnici speciale pentru reducerea consumului de

combustibil şi limitarea noxelor la autovehicule. - Universitatea din

Braşov,1989.

[3] Cofaru, C., ş.a.. - Autovehiculul şi mediul. Editura Universităţii Transilvania

Braşov, 1999. ISBN 973-98512-3-1.

[4] Cofaru.C. –Legislatia şi ingineria mediului in transportul rutier Editura

Universităţii Transylvania Brasov 2002 ,ISBN 973-635-185-8

[5] Degobert, P. – Automobiles and Pollution – SAE International, 1995.

[6] Timothy, T., Maxwell, Jesse, C., Jons. - Alternative fuels. SAE 1995. ISBN 1-

56091-523-4.

[7] R. Bechtold- Alternative fuels guidebook, Society of Automotive

Engineers,1997

[8] www.howtogogreen.com/2005/05/liquid-petroleum-gas.html

[9] www.boostlpg.co.uk

Page 16: Curs Motoare

PARTEA I – COMBUSTIBILI ALTERNATIVI

16

Autor: Veneţia SANDU

2. GAZUL NATURAL

2.1. INTRODUCERE

Gazul natural este un amestec de hidrocarburi, constituentul principal fiind

metanul (CH4), (80 – 98%), restul amestecului fiind format din etan (C2H6), propan

(C3H8), butan (C4H10) şi alte gaze, precum azotul, bioxidul de carbon, şi vapori de

apă (tabelul 2.1).

Tabelul 2.1. Compoziţia tipică a gazului natural

Component Simbol Procent

Metan CH4 70-90%

Etan C2H6

Propan C3H8

Butan C4H10

0-20%

Dioxid de carbon CO2 0-8%

Oxigen O2 0-0,2%

Azot N2 0-5%

Hidrogen sulfurat H2S 0-5%

Gazele naturale sunt combustibili fosili şi pot exista în zăcăminte

independente sau pot fi asociate cu zăcămintele de ţiţei. În primul caz, poartă

denumirea de gaze naturale uscate şi au în compoziţie 98...99% metan. Gazele

asociate zăcămintelor de petrol sunt numite gaze de sondă sau gaze umede, aceste

gaze fiind un amestec de hidrocarburi, dioxid de carbon şi eventual hidrogen sulfurat,

ponderea diferitelor categorii de hidrocarburi depinzând de zăcământ (ex: metan

80,83%, etan 6,40%, propan 5,56%, n-butan 1,15%, izobutan 0,79%, pentan 1,66%,

dioxid de carbon 0,96%, reziduu 2,65%).

Metanul, etanul, propanul şi butanul sunt gaze incolore, insolubile în apă la

temperatură şi presiune atmosferică. Principalele proprietăţi fizice sunt prezentate în

tabelul următor:

Page 17: Curs Motoare

Gazul natural

17

Tabelul 2.2. Proprietăţile fizico-chimice ale principalelor hidrocarburi ale gazelor naturale

Proprietatea Metan Etan Propan Butan Starea normală p0=0,1031 MPa, T0=273 K - densitate [kg/m3] - căldură specifică la p=ct. [kJ/Kg·K]

0,7168 2,117

1,336 1,666

2,019 1,550

2,703 1,918 (la 293 K)

Raportul căldurilor specifice 1,30 1,22 1,14 1,11 Masa moleculară 16,032 30,07 44,09 58,12 Temperatura de vaporizare [K] 111,45 184,55 230,58 273,65

Căldura de vaporizare [kJ/kg] 548,471 540, 097 447,088 403,608

Putere calorică inferioară [kJ/kg] 49949 47436 46348 45720

Temperatura de aprindere [K] 813...920 820 740...820 -

Componenta masică [%] C H

75 25

80 20

81,8 18,2

82,75 17,25

Componentul primar al gazului natural este metanul (CH4), cea mai scurtă şi

uşoară moleculă de hidrocarbură, cu un conţinut de hidrogen de 25%. El se găseşte

în câmpurile petroliere şi de gaze naturale, precum şi în straturile de cărbune; surse

biologice de metan sunt termitele, vitele (rumegătoarele) şi culturile, depozitele de

gunoi şi sistemele de tratare a apelor menajere. Metanul este insipid şi inodor, un

extrem de eficient gaz de seră care poate contribui la încălzirea globală atunci când

este eliberat în atmosferă.

Când este utilizat pentru transport, gazul natural trebuie fie comprimat (GNC),

fie lichefiat (GNL) pentru a stoca la bord o cantitate suficientă care să asigure o

autonomie acceptabilă a autovehiculului.

Punctul de fierbere este foarte coborât (-162ºC), temperatura de inflamabilitate

este foarte joasă faţă de cea a benzinei, iar temperatura de autoaprindere este mai

mare faţă de cea a acesteia din urmă, sugerând că scade şansa aprinderii la

contactul cu suprafeţele calde. Limitele de aprindere sunt mai ridicate şi mai largi

decât ale benzinei şi a motorinei. Raportul stoichiometric al metanului este mai mare

decât al celorlalţi doi combustibili, datorită faptului că metanul are un procentaj mai

mare de hidrogen. Cifrele octanice, Research (RON) şi Motor (MON) sunt în jur de

Page 18: Curs Motoare

PARTEA I – COMBUSTIBILI ALTERNATIVI

18

120, fiind dificil de a da o valoare exactă, deoarece testul CFR este pentru

combustibilii lichizi.

2.2. UTILIZAREA GAZELOR NATURALE

Pentru a fi utilizat, gazul natural trebuie comprimat sau lichefiat, pentru a

scădea volumul de stocare. Pentru a utiliza gazul natural, există două posibilităţi: fie

se adaptează (mai rar) autovehiculul cu motor cu aprindere prin scânteie într-un

centru de adaptare după cumpărare, fie se utilizează un autovehicul dedicat (care

este pregătit să funcţioneze cu gaz, direct din fabrică) precum motoarele General

Motors sau motoarele dedicate pieţei medii şi grele, de la Cummins şi Detroit

Diesels.

Gazele naturale conţin în principal metan între 80 - 98%. Cu toate că metanul

lichefiază cu dificultate, el este un combustibil atractiv pentru alimentarea vehiculelor

utilitare care circulă în oraşe (autobuze, furgonete, autogunoiere). Stocarea gazelor

naturale se realizează sub presiune de 20 la 50 MPa şi în viitor 100 MPa, în

rezervoare amplasate la bordul autovehiculelor.

Utilizarea gazelor naturale drept combustibil alternativ pentru alimentarea

autovehiculelor (GNV) are în vedere în primul rând dimensiunea de mediu. Înlocuirea

combustibililor lichizi cu metan conduce la reducerea poluării aerului prin reducerea

emisiunilor de particule, hidrocarburi, săruri şi miros. Emisiunile din gazele de

evacuare sunt mai puţin nocive pentru sănătate datorită reducerii emisiunilor de oxid

de carbon iar particulele emise nu conţin hidrocarburi aromatice şi nici aldehide. Pe

de altă parte, şi nivelul emisiilor sonore este mai redus.

La scară regională, metanul contribuie într-o proporţie mai redusă decât

carburanţii lichizi la formarea ploilor acide şi la formarea ozonului troposferic (emisii

reduse de hidrocarburi nearse). Aceste ameliorări pot fi explicate prin natura gazoasă

a carburantului care contribuie la formarea rapidă a amestecului aer-combustibil şi

prin aceea că metanul este cea mai simplă hidrocarbură (CH4).

La nivel global, emisiile gazoase şi utilizarea metanului la alimentarea

autovehiculelor au un efect de seră mult mai redus în raport cu carburanţii petrolieri (-

80%).

Politicile ţărilor dezvoltate propun utilizatorilor furnizarea de gaze naturale

comprimate la 20 MPa.

Page 19: Curs Motoare

Gazul natural

19

Calităţile fizico-chimice ale gazelor naturale fac din acestea un combustibil

sigur. Compoziţia GNV este simplă deoarece conţine peste 90% metan care este o

hidrocarbură foarte stabilă. Temperatura de autoaprindere este ridicată, peste 540°C,

în comparaţie cu 280°C pentru benzină şi 235°C pentru motorină. Densitatea sa este

de ordinul 0,6 în comparaţie cu aerul, ceea ce determină o diluare rapidă, eliminând

riscul de explozie (acest risc apare în cazul unor concentraţii de 5-15% şi dacă se

atinge temperatura de autoaprindere sau dacă amestecul primeşte o energie mai

mare de 0,2 mJ produsă de exemplu de o scânteie electrică).

Vehiculele alimentate cu GNV au sisteme de înaltă securitate. Toate

componentele care echipează sistemul de alimentare sunt prevăzute să reziste la

presiuni de peste 50 MPa. Încercările efectuate pentru a determina rezistenţa la

incendii şi şocuri de toate felurile au demonstrat fiabilitatea dispozitivelor aplicate

vehiculelor alimentate cu GNV.

Alegerea GNV drept combustibil alternativ pentru transportul urban de

persoane şi mărfuri ca şi pentru vehiculele utilitare are la bază trei factori principali:

1. Aprovizionarea cu gaze naturale este independentă de politica ţărilor

producătoare de petrol şi se realizează prin reţele de conducte cu o densitate

suficientă.

2. Bilanţul ecologic la utilizarea GNV este mai bun atât pentru emisiile

poluante reglementate cât şi pentru cele nereglementate. Emisiile se situează la

nivelul european al autovehiculelor cu grad redus de poluare (Environmentally

Enhanced Vehicle - Directiva 99/96 CEE).

3. Utilizarea GNV a atins stadiul industrial şi este rentabilă din punct de vedere

economic, apropiindu-se de costul carburanţilor clasici, ceea ce nu este cazul pentru

tracţiunea hibridă sau pila de combustie care încă sunt prea scumpe.

Prima generaţie de autovehicule alimentate cu GNV a avut motoare cu

aprindere prin scânteie sau motoare diesel modificate şi adaptate la funcţionarea cu

GNV. Noua generaţie de motoare este proiectată şi construită pentru funcţionarea cu

GNV utilizând injecţia de gaz multipunct şi amestec stoichiometric. Această

tehnologie asigură un raport bun între performanţele energetice şi de mediu, mai ales

la regimuri tranzitorii, asigurând totodată motorului fiabilitatea necesară traficului

urban.

În cazul autobuzelor, consumul de GNV este în jur de 75 Nm3/100 km ceea ce

asigură o autonomie cuprinsă între 250 şi 300 km. Raportul consum GNV în

Page 20: Curs Motoare

PARTEA I – COMBUSTIBILI ALTERNATIVI

20

Nm3/consum motorină se situează până la valoarea de 1,34. Rata depanărilor în

cazul motorizării cu GNV este comparabilă cu motorizarea pe bază de motorină, la

circuitul de gaz de înaltă presiune nefiind semnalate defecţiuni.

Motoarele sunt disponibile de obicei în următoarele categorii:

2.2.1. Motoare cu aprindere prin scânteie

Motoarele dedicate sau monocombustibil folosesc gazul natural ca singur

combustibil şi sunt optimizate ca eficienţă şi emisii. Motoarele bicombustibile

funcţionează fie cu gaz natural, fie cu benzină, după o conversie făcută de regulă

după cumpărarea vehiculului, în care benzina este folosită în principal pentru pornire.

Vehiculul tricombustibil combină vehiculul de tip 'flex-fuel' - combustibil flexibil

(benzină, etanol sau un amestec al acestora) cu vehiculul cu gaz natural.

2.2.2. Motoare cu aprindere prin comprimare

Un motor dual arde un amestec de gaz natural şi motorină, cu aprinderea

amestecului aer-gaz natural cu un jet pilot de motorină. Motorina este injectată în

camera de ardere, iar gazul natural este introdus prin admisia aerului, prin carburaţie

sau injecţie. La sarcini mici, cantitatea de motorină este mai mare, iar la sarcini mari

proporţia de gaz este mai mare, putând ajunge la 80%.

Diferenţa majoră dintre tehnologia bazată pe alimentarea vehiculelor cu gaz

natural şi cea tradiţională, pe benzină, o constituie sistemul de alimentare cu

combustibil.

Conceptul de gaz natural ca şi combustibil pentru autovehicule a apărut în jurul

anului 1930 şi multe ţări sunt cunoscute pentru utilizarea combustibilului gazos la

flote mari. Acestea sunt Argentina, Brazilia, SUA, Canada, Marea Britanie, Italia,

Franţa (încă din 1916), Pakistan, India, Australia şi Noua Zeelandă. În zilele noastre

se estimează că flota de gaz natural este reprezentată de peste 6.300.000 de

vehicule şi că există 10 300 de staţii de alimentare.

Vehiculele alimentate cu gaz natural se comportă similar cu cele bazate pe

tehnologiile convenţionale. Dovezile arată că vehiculele cu gaz natural necesită mai

puţine schimburi de ulei şi mai puţină întreţinere faţă de cele tradiţionale. Tehnologiile

Page 21: Curs Motoare

Gazul natural

21

bazate pe gaz natural au redus costurile de întreţinere generală, în special faţă de

tehnologia diesel.

Gazul natural reprezintă una dintre alternativele de combustibili disponibili,

având arderea cea mai curată şi oferind o serie de avantaje faţă de benzină. La

vehiculele uşoare cu gaz, poluanţii evacuaţi în aer sunt mult mai reduşi cantitativ

decât la vehiculele alimentate cu benzină. În plus, gazele producătoare de smog,

precum monoxidul de carbon şi oxizii de azot, sunt reduse cu mai mult de 90% şi

respectiv 60%, iar bioxidul de carbon, un gaz ce determină producerea efectului de

seră, este redus cu 30% - 40%. Vehiculele alimentate cu gaz natural, medii şi grele,

au demonstrat reducerea cu mai mult de 90% a CO şi a particulelor şi cu mai mult de

50% a NOX, faţă de motoarele comerciale diesel.

Vehiculele alimentate cu gaz natural, comparativ cu cele alimentate cu

benzină, produc mai puţin smog şi efect de seră, prin raportare la kilometrii parcurşi.

Vehiculele dedicate să funcţioneze cu gaz natural sunt cele mai curate vehicule cu

ardere internă disponibile în zilele noastre. Vehiculele adaptate şi cele dedicate spre

alimentare cu doi combustibili sunt de asemenea mai puţin poluante decât vehiculele

convenţionale.

O estimare a reducerii de emisii este ilustrată în tabelul 2.3, indicând scăderea

importantă de poluanţi, raportată la gram de poluant pe kilometru.

Tabelul 2.3. Emisii ale vehiculelor funcţionând cu benzină şi gaz natural

Poluantul Motor cu

benzină (g/km) Motor cu gaz natural (g/km)

Reducerea adusă de gazul natural (%)

NOx 1,087 0,619 - 43%

VOCs 0,700 0,046 - 93%

SO2 0,249 0,093 - 63%

PM10 0,159 0,017 - 89%

CO 13,940 3,587 - 74%

CO2 302,740 233,890 - 23%

Vehiculele uşoare şi medii pe bază de gaz natural sunt disponibile cu sisteme

de alimentare cu gaz natural comprimat (GNC), în timp ce vehiculele grele sunt

Page 22: Curs Motoare

PARTEA I – COMBUSTIBILI ALTERNATIVI

22

disponibile fie în configuraţii cu gaz natural comprimat, fie în cele cu gaz natural

lichefiat (GNL).

Sistemul de alimentare al vehiculului este pe deplin închis şi etanş faţă de

mediul înconjurător. Combustibilul este injectat în cilindrul motorului şi aprins prin

scânteie în acelaşi mod ca la vehiculele alimentate cu benzină.

2.3. SISTEMELE CU GAZ NATURAL COMPRIMAT (GNC)

Aceste sisteme păstrează gazul la presiunea de 250 bar în recipiente cilindrice

care necesită un volum de trei ori mai mare decât echivalentul de benzină.

Rezervorul este făcut din oţel sau aluminiu armat cu fibre de sticlă. Gazul este stocat

la bord în recipiente instalate în portbagaj, sub portbagaj sau deasupra cabinei. La

ieşirea din rezervor, gazul natural comprimat trece prin conductele de înaltă presiune

în regulatoarele de presiune, unde este redus la presiunea atmosferică. Gazul

natural este injectat la presiunea atmosferică prin intermediul unui mixer special (sau

prin injecţie directă) în care este amestecat cu aer în mod corespunzător. Apoi, gazul

natural este introdus în camera de combustie a motorului şi este aprins pentru a

genera putere. Valvele speciale de operare împiedică pătrunderea gazului în motor,

când acesta este oprit. Există sisteme de umplere lentă şi sisteme de umplere rapidă

de înaltă presiune, în funcţie de tipul vehiculului.

Principalele avantaje ale sistemelor GNC sunt:

Chiar dacă gazul natural nu este o resursă regenerabilă fiind un combustibil

fosil, utilizarea lui reduce cererea de combustibil petrolier;

Emisiile sunt mai reduse decât cele ale motoarelor cu scânteie sau diesel

convenţionale ;

Durata de viaţă a motorului este mai lungă, cu costuri de întreţinere mai

reduse;

Randament termodinamic mai mare, consum mai redus de combustibil;

Disponibilitatea gazului foarte mare, care poate proveni şi din surse

regenerabile (biogaz);

Cost al combustibilului mai redus;

Capacitate de a fi utilizat pe toate clasele de vehicule;

Cerinţe minime de procesare şi rafinare;

Mai sigur decât majoritatea combustibililor lichizi;

Posibilitate de alimentare de acasă sau de la locul de muncă;

Page 23: Curs Motoare

Gazul natural

23

Reducere importantă a zgomotului motorului.

Principalele dezavantaje ale sistemelor GNC sunt: Reducere de putere de 10-15% fată de cele alimentate cu benzină, de acelaşi litraj.

În unele zone infrastructura este limitată;

Cost relativ mare de conversie;

Recipientele de gaz necesită un volum excedentar şi îngreunează construcţia

vehiculului;

Deoarece combustibilul este gazos, există un efect de uscare al camerei de ardere

care duce la creşterea uzurii supapelor de evacuare.

2.4. GAZUL NATURAL LICHEFIAT (GNL)

GNL este gaz natural care a fost procesat pentru a înlătura impurităţile şi

hidrocarburile grele, apoi a fost condensat la presiunea atmosferică, prin răcirea lui la

aproximativ - 160ºC, transportat în vase speciale şi stocat în rezervoare, de

asemenea speciale. GNL are un volum de 1/600 din volumul gazului în condiţii

atmosferice standard, făcându-l mult mai economic de transportat pe distanţe lungi.

Condiţiile cerute pentru condensarea gazului natural depind de compoziţia sa

exactă, de piaţa pe care va fi vândut şi de procesul ce va fi utilizat, dar în mod tipic

implică temperaturi între -120 şi - 170ºC (metanul pur se lichefiază la -161,6ºC) şi

presiuni între 101-6000 kPa. Pentru stocare şi transport, gazului natural condensat în

acest mod îi este redusă presiunea.

Gazul natural introdus într-o staţie de producere GNL va fi tratat în vederea

îndepărtării apei, bioxidului de carbon şi a altor componente care ar îngheţa la

temperaturile necesare pentru stocare, sau ar putea fi distructive pentru materialele

de construcţie a facilităţilor de lichefiere.

GNL va necesita un volum de stocare doar de 1,5 ori mai mare decât cel necesar

benzinei echivalente, fiind un combustibil curat, fără apă, sulf sau ulei care nu pot

supravieţui lichefierii. Este necesar însă ca pereţii să fie izolaţi pentru a păstra o

temperatură scăzută.

GNL oferă o densitate de energie comparabilă cu a benzinei şi a

combustibilului diesel, este mai puţin poluant, dar costul său de producţie relativ

Page 24: Curs Motoare

PARTEA I – COMBUSTIBILI ALTERNATIVI

24

ridicat şi necesitatea stocării în rezervoare criogenice costisitoare au împiedicat

utilizarea sa pe scară largă în aplicaţiile comerciale.

Bibliografie [1] Apostolescu, N., Sfinţeanu, D. - Automobilul cu combustibili neconvenţionali. -

Editura Tehnică, Bucureşti, 1989. ISBN 973-31-0049-8.

[2] Bobescu Gh., Chiru A., Cofaru C., Radu Gh. Alex., Abăitencei H., ş.a. –

Motoare pentru Automobile şi tractoare, vol. III, Editura Tehnică Info Chişinău,

Republica Moldova, 2000, ISBN 9975-63-015-4.

[3] Cofaru.C. –Legislatia şi ingineria mediului in transportul rutier Editura

Universităţii Transylvania Brasov 2002 ,ISBN 973-635-185-8

[4] Cofaru, C., ş.a.. - Autovehiculul şi mediul. Editura Universităţii Transilvania

Braşov, 1999. ISBN 973-98512-3-1.

[5] Cofaru,C. Helerea,E.,Dumitrescu,L.,Perniu.D., Sandu,V., Materials-Energy

Sustainable development. Editura Universitatii Transilvania Brasov, 2002 ISBN

973-635-199-8

[6] Sierens, R., Rosseel, E. - Variable Composition Hydrogen / Natural Gas

mixtures for increased engine efficiency and decreased emissions. ASME 4,

1998.

[7] *** Le méthane carburant issue de biomasse agricole. ADEME, Angers, 1996.

[8] R. Bechtold - Alternative fuels guidebook, Society of Automotive Engineers,

1997

[9] *** ISO 15500 Road vehicles — Compressed natural gas fuel system

components

[10] http://www.nesea.org/greencarclub/factsheets_naturalgas.pd

Page 25: Curs Motoare

Probleme specifice ale utilizarii biocombustibililor

25

Staţie de alimentare cu gaz natural comprimat

Autobuz alimentat cu gaz natural

Page 26: Curs Motoare

PARTEA I – COMBUSTIBILI ALTERNATIVI

26

Autor: Corneliu COFARU

3. PROBLEME SPECIFICE ALE UTILIZĂRII BIOCOMBUSTIBILILOR

3.1. IN

şocurile

petroliere sau penuria de carburanţi fosili. În timpul celui de-al doilea război mondial

lab energetic care putea fi utilizat

la alim

a, Statele Unite şi Brazilia are ca

origine

ie.

uplimentari sau aditivi.

superioară

ţă redusă la arderea cu detonaţie. Raportul de

tua în intervalul 11-14. Rezistenţa la

TRODUCERE

Biocarburanţii formează categoria de carburanţi produşi de materiale vegetale

sau animale numite "biomasă".

Biocarburanţii au punctat întotdeauna crizele energetice cum ar fi

s-a utilizat gazogenul, sistem care produce un gaz s

entarea motoarelor cu aprindere prin scânteie. După cel de-al doilea război

mondial, producţia de biocarburanţi din Europ

crizele petroliere din 1973, 1979 sau alte crize geopolitice. Biocarburanţii pot

fi utilizaţi şi în situaţia când se doreşte valorificarea resurselor naturale şi în acest caz

ei preiau rolul de carburant energetic de substituţ

Astăzi s-au pus în evidenţă alte funcţii ale biocarburanţilor care pot fi

exploatate. Datorită compoziţiei oxigenate, ei pot îmbunătăţi arderea hidrocarburilor

şi pot reduce anumite emisii poluante. În funcţie de cantităţile utilizate ei pot fi

consideraţi drept carburanţi s

Biocarburanţii intră în categoria energiilor regenerabile.

3.2. CARACTERISTICILE BIOCARBURANŢILOR

Principalele caracteristici ale biocarburanţilor comparativ cu carburanţii de

origine fosilă sunt indicate in tabelele 3.1 şi 3.2.

Alcoolii în stare pură se caracterizează printr-o volatilitate redusă exprimată

prin valorile scăzute ale presiunii de vapori Reid. La temperaturi mai reduse de 10°C

procesul de vaporizare al alcoolilor se întrerupe.

O altă caracteristică a alcoolilor constă în nivelul ridicat al căldurii de

vaporizare, ceea ce impune un aport de căldură pentru a realiza amestecurile alcool

- aer. Amestecurile alcool - aer au o viteză de ardere laminară

amestecurilor benzină - aer.

Produşii organici oxigenaţi se caracterizează printr-o rezistenţă ridicată la

autoaprindere având o tendin

comprimare al motorului se poate si

Page 27: Curs Motoare

Probleme specifice ale utilizarii biocombustibililor 27

autoaprindere creeaz

aprindere prin comprimare.

cesteia cu temperatura. Pentru reducerea vâscozităţii se aplică un proces

ţionează în prezenţa unui catalizator cu

uleiul pentru a forma esteri de acizi graşi. Volatilitatea esterilor este inferioară faţă de

cea a motorinei, esterii având tendinţa de a forma gume, proces datorat oxidării

hidrocarburilor prezente alături de acizii graşi din compunerea esterilor.

Esterii au bune proprietăţi de autoaprindere, cifra cetanică fiind apropiată sau

superioară motorinei, dar puterea calorică a esterilor este inferioară faţă de cea a

motorinei.

Tabelul 3.1 Principalele caracteristici ale biocarburanţilor potenţiali pentru MAS

comparate cu cele ale benzinei

ETBE - Etil-Terţ-Butil-Eter; TBA - Terţ-Butil-Alcool; MTBE - Metil-Terţ-Butil-Eter; MTAE - Metil-Terţ-

Amil-Eter;

Caracteristica Benzină Etanol ETBE Metanol TBA MTBE MTAE Obs. Densitatea

[kg/m3] 748...762 794 745 796 792 746 750

Temperatura de fierbere [°C] 30...190 78,3 72,8 64,85 82,8 55,3 86,3

Presiunea de vapori Reid [daN/cm2]

0,7…0,9 1,54 0,4 0,37 - - -

Puterea calorică inferioară masică

[kJ/kg] 42086 26807 36120 19937 32560 35200 36500

Componenta masică [%]

C H O

~85 ~15

-

52 13 35

- - -

37,5 12,5 50

64,86 13,50 21,64

68,18 13,63 18,19

70,59 13,72 15,69

Cifra octanică [COR] 90 - 98 120 118 120 113 117 114

În cazul uleiurilor vegetale, principala problemă o constituie vâscozitatea şi

variaţia a

de transesterificare prin care un alcool ac

ă dificultăţi în utilizarea alcoolilor şi eterilor în motoarele cu

Page 28: Curs Motoare

PARTEA I – COMBUSTIBILI ALTERNATIVI

28

Tabelul 3.2 Principalele caracteristici ale biocarburanţilor potenţiali pentru MAC comparate cu ale motorinei

Caracteristica Motorină Metil ester de ulei de rapiţă

Ulei de floarea soarelui

Monoester de ulei de floarea soarelui

Metil ester de ulei de soia

Metil ester de ulei de soia aditivat

Etil ester de soia

Etil ester de soia aditivat

Butil ester de ulei de soia

Butil ester de ulei de soia aditivat

Densitatea [kg/m3] 825…870 870…900 921 887 884 887 881 882 887 876 Distilare t 50 [°C] t 90 [°C]

258 296

- -

588 -

368 372

336 342

336 347

336 344

337 351

352 364

353 369

Punct de inflamabilitate [°C] 92 - - - 171 166 174 163 185 179

Puterea calorică inferioară masică [kJ/kg]

42335 37556 36856 37113 37145 37239 37333 37333 37985 37892

Cifra cetonică [CC] 49…50 49…54 35,8 59,9 46,2 48,7 48,2 49,0 51,7 54,0Vâscozitate la 40 °C [cSt sau N·s/cm2] 2,39 - 33,93 4,96 4,08 4,14 4,41 4,40 5,24 5,21

Sulf [% gram] 0,25 - 0,01 0,01 0,01 0,01 0,01 0,01 0,01 0,01

Page 29: Curs Motoare

Alcoolii

29

3.3. PRODUCEREA BIOCOMBUSTIBILILOR PORNIND DE LA BIOMASĂ 3.3.1. Alcoolii şi eterii lor

3.3.1.1. Alcoolul etilic (etanol)

Toate zaharurile cu C6 sunt fermentabile şi în principal glucoza şi zaharoza pot

fi transformate în alcool şi dioxid de carbon după fermentare. Procesul de fermentare

este anaerob şi catalizat de o enzimă produsă de drojdie: Saceheromyces

Cerevisiae.

Reacţiile de fermentare sunt următoarele:

C6H12O6 → 2C2H5OH + 2CO2 (∆H=-412 kJ/kg) (3.1)

(glucoză) (etanol)

C12H22O11 + H2O → 4C2H5OH + 4CO2 (∆H=-479 kJ/kg) (3.2)

(zaharoză) (etanol)

∆H - reprezintă entalpia masică.

Aceste reacţii sunt teoretice şi randamentele lor sunt numite randamentele

Gay - Lussac. În fabricaţie apar subproduşi şi drojdii, producerea de etanol fiind

definită de randamentul Pasteur care este 94,7% din randamentul Gay - Lussac. În

aceste condiţii, din 100 kg de zahăr pornind de la glucoză şi zaharoză se obţin 48,4

kg respectiv 50,95 kg alcool etilic.

Materia primă - zaharurile sunt prezente în lumea vegetală într-o stare mai

mult sau mai puţin polimerizată. Plantele “de zahăr” sau zaharifere: sfecla de zahăr şi

trestia de zahăr produc direct zaharoză şi în acest caz, zahărul fermentabil este

extras prin difuzie. Plantele amilacee, cum ar fi cerealele, produc amidon care este

necesar să fie hidrolizat de către enzimele amilaze. Zahărul obţinut este un amestec

de glucoză şi maltoză. Etanolul produs în Europa pentru a fi utilizat sub formă de

biocarburant poate fi obţinut din prelucrarea zaharurilor provenite din sfecla de zahăr

şi grâu. Această filieră de obţinere a biocarburanţilor generează şi coproduşi cum ar

fi: reziduurile lichide (poşircă), ce pot fi utilizate ca fertilizant datorită conţinutului

bogat de materii minerale sau pulpă de sfeclă de zahăr şi borhot de grâu, bogate în

proteine, care pot fi utilizate în hrana animalelor. Poşircile pot fi folosite şi la obţinerea

prin metanizare a biogazului sau utilizate în mod direct drept biocombustibil după

creşterea concentraţiei de alcool.

Page 30: Curs Motoare

PARTEA I – COMBUSTIBILI ALTERNATIVI

30

Tehnologii

- Hidroliza - Se aplică industrial la prelucrarea amidonului obţinut din cereale.

Sunt utilizate două procedee:

- metoda umedă: grăunţele sunt măcinate şi constituenţii (tărâţe, gluten,

amidon etc.) sunt separaţi clasic, prin spălare. Numai amidonul este supus hidrolizei

enzimatice şi zaharurile obţinute sunt fermentate. Coproduşii rezultaţi sunt vânduţi

separat pe pieţe specifice.

- metoda uscată: grăunţele sunt măcinate şi constituenţii sunt supuşi în

totalitate hidrolizei enzimatice şi fermentării. Coprodusul este borhotul (numit în lb.

engleză Dried Distiller Grain and Solubles DDGS).

Hidroliza celulozei şi semicelulozelor este posibilă şi a făcut obiectul

cercetărilor în lumea întreagă. Exceptând procedeul utilizând hidroliza acidă, care a

fost utilizat în trecut, procedeele enzimatice şi/sau combinate cu pretratamentele

fizice, termice şi/sau chimice au făcut obiectul unor demonstraţii pilot fără să atingă

aplicaţii industriale.

- Fermentaţia - fermentaţia tradiţională a zaharurilor C6 (hexoze) de către

drojdii rămânea calea industrială de obţinere a etanolului. Numeroase lucrări de

cercetare au abordat fermentarea cu bacterii, alte drojdii precum şi cu ajutorul unor

ciuperci sau fermentarea zaharurilor C5 (pentoze). Aceste încercări au rezultate

interesante însă nu s-au aplicat industrial în obţinerea etanolului. În industrie la ora

actuală se aplică două metode de fermentare: metoda discontinuă şi metoda

continuă. Metoda continuă (procedeele Speichim şi Biostil) este cea mai productivă şi

are un randament superior metodei discontinue cu 1…6% însă este foarte sensibilă

la contaminări bacteriene.

- Separarea etanolului - distilarea fracţionată a vinului după etapa fermentării

conduce la separarea etanolului de restul constituenţilor, tehnologia aplicată

cuprinzând două etape: distilarea şi deshidratarea. Distilarea obişnuită permite să se

obţină o concentraţie masică de 96%. O distilare de vinuri printr-o coloană cu dublu

efect necesită 114 kg vapori/hl de alcool pentru un consum de electricitate de 2 kW/hl

alcool pur. Variantele combinate de concentrare a poşircilor cu segmente de distilare

sub vid permit îmbunătăţirea consumurilor energetice. Deshidratarea conduce la

obţinerea etanolului anhidru (99,7% min. masic) şi poate fi realizată prin două tehnici:

Page 31: Curs Motoare

Alcoolii

31

- distilarea azeotropică la presiunea atmosferică în prezenţa

ciclohexanului ca solvent de antrenare însoţită de o recomprimare mecanică a

vaporilor.

- strecurare moleculară obţinută prin procesele de absorbţie - desorbţie

a apei pe un suport de zeoliţi sintetici sau de silicoaluminaţi metalici cu o structură

cristalină tridimensională poroasă.

O a treia metodă tehnică a fost aplicată în trecut dar nu a fost suficient adoptată

pentru obţinerea etanolului din sfeclă de zahăr. Această metodă are la bază o

preevaporare printr-o membrană, din punct de vedere energetic metoda putând fi

aplicată pentru alţi alcooli.

În tabelul următor se prezintă performanţele energetice industriale ale

procedeelor utilizate:

Tabelul 3.3 Producţia şi randamentul bioetanolului

Cantitate din materia primă A Randamentul biocarburantului

Materie primă pentru

1hl de alcool

pentru 1t de alcool

Randamentul materiei prime B [t/h]

B/A l/h

B/A t/h

litri biocarburant/tonă materie primă

Grâu (1) Grâu (2) Grâu (3)

280 kg 280 kg 274 kg

3,526 t 3,526 t 3,451 t

7 t 9 t 7 t

2500 3214 2555

1,985 2,552 2,028

357 357 365

Sfeclă de zahăr 1000 kg 12,6 t 66 t 6600 5,238 100

EP2 (3) 280 kg 3,526 t - - - 357

Celuloză lemnoasă (4)

568…311 kg

4,2…7,15 t 10 t

1760…

3020

1,4 … 2,4 176…302

(1) Prin metoda umedă: grâul este măcinat, făina şi tărâţele sunt separate. Tărâţele sunt reîncorporate în borhotul de grâu. (2) Prin metoda uscată: grâul este măcinat iar întregul compus este amestecat cu apă pentru a se obţine o pastă. (3) EP2: scurgerile fabricilor de zahăr de al doilea jet. (4) Prin hidroliză chimică.

3.3.1.2. Alcoolul metilic (metanol) Metanolul este obţinut din abundenţă în lumea întreagă pornind de la gazele

naturale. El se poate obţine şi din biomasă (până în 1960 se putea obţine după

procedeul Delacotte). După 1980 s-a testat procedeul Fromatome (la Creusote -

Page 32: Curs Motoare

PARTEA I – COMBUSTIBILI ALTERNATIVI

32

Loire) de obţinere a metanolului din biomasă. La ora actuală, sunt testate şi alte

procedee în Canada, Suedia etc.

Metanolul produs poate fi folosit drept constituent pentru fabricarea esterilor

metilici din uleiurile vegetale sau a terţ-metil-butil-eter (MTBE). Costurile reduse de

obţinere din gaz natural a metanolului împiedică dezvoltarea tehnologiilor de obţinere

din biomasă.

Reacţiile de obţinere a metanolului din biomasă sunt:

C + H2O → CO + H2 (∆H=130 kJ) - reacţia gazului cu apa (3.3)

C + CO2 → 2CO (∆H=171 kJ) - reacţia Boudouard (3.4)

CO + H2O → CO2 + H2 (∆H=-41 kJ) - reacţia de conversie (3.5)

- sinteza de metanol cu catalizator sub presiune (5,0…10,0 MPa)

CO + 2H2 → CH3OH (∆H=-110 kJ) (3.6)

3.3.1.3. Fabricarea compuşilor oxigenaţi - Etil terţ-butil eterul (ETBE) - este un produs care se obţine plecând de la

diverse materii prime şi prin diferite procedee având la bază etanolul şi izobutena

după reacţia următoare:

C2H5OH + H2C=C(CH3)2 → CH3CH2OC(CH3)3 (3.7)

Izobutena este obţinută în rafinări prin ruperea compuşilor C4 în urma

procesului de cracare catalitică sau vapocracare după extragerea butadienei.

Industrial se obţine o compoziţie de 98,5% ETBE şi 1,5% etanol.

- Metil terţ-butil-eterul (MTBE) - poate fi produs în mod industrial pornind de la

metanol şi izobutenă. Reacţia de obţinere este următoarea:

CH3OH + H2C=C(CH3)2 ↔ CH3OC(CH3)3 (3.8)

Industrial se obţine în amestec de 99,2% MTBE şi 0,8% metanol.

- Metil terţ-amil-eterul (MTAE) - se obţine pornind de la metanol şi izomilene

conţinute în grupul C2, reacţia fiind:

CH3OH + CH=C(CH3)3 ↔ CH3OCCH(CH3)3 (3.9)

Sinteza MTAE este similară celei prin care se produce MTBE, grupul C2

rezultând prin cracare catalitică sau vapocracare.

Page 33: Curs Motoare

Alcoolii

33

Tabelul 3.4 Bilanţul fluxurilor de materiale şi consumabile pentru producţia de ETBE şi MTBE

Producţie Materiale şi energie utilizată 1kg ETBE

(98,5%) 1kg MTBE (99,2%)

Etanol [99,7%] [kg] 0,47 - Metanol [100%] [kg] - 0,36 Izobutenă [kg] 0,53 0,64 Vapori [kg] 0,95 1,02 Energie electrică [kWh] 0,014 0,015 3.3.2. Uleiurile vegetale şi esterii lor

3.3.2.1. Uleiurile vegetale netransformate chimic În mod clasic uleiurile vegetale se obţin prin presarea seminţelor oleaginoase,

urmată de o extracţie cu ajutorul unui solvent a uleiului rezidual conţinut în turtă. Ele

prezintă o vâscozitate ridicată şi un punct de autoaprindere scăzut care determină o

o utilizare dificilă la temperaturi joase datorită lanţului lung de carbon. Uleiurile pot fi

transformate chimic şi astfel caracteristicile lor se modifică.

Uleiurile sunt utilizate în stare pură, filtrate şi degomate, adică după ce au fost

retrase o mare parte din fosfolipide. În Europa, uleiurile de rapiţă, floarea soarelui şi

soia sunt indicate pentru a fi utilizate la fabricarea biocombustibililor pentru motoare

diesel.

3.3.2.2. Esterii uleiurilor vegetale Se pot obţine numeroşi esteri cu caracteristici diferite în funcţie de lungimea

lanţului de carbon. Acizii graşi ai uleiurilor vegetale sunt esterificaţi cu alcooli, cel mai

simplu fiind metanolul. Etanolul poate fi de asemenea utilizat, însă purificarea

industrială a esterului este mai dificilă decât în cazul esterului metilic.

Reacţia utilizată în cazul esterificării este următoarea:

O CH2 - O - C - R CH2OH CH - O - C R + 3CH3OH → 3R - C - O - CH3 + CHOH (3.10) O O CH2OH CH2 - O - C - R O ulei vegetal (1,05 t) metanol (0,1 t) ester metilic (1 t) glicerină (0,1 t)

Reacţia se desfăşoară cu un catalizator bazic sau acid la temperatură între 20

şi 80°C şi la presiune atmosferică. În cazul rapiţei, din 2,55 t de seminţe se obţine 1 t

de ulei ceea ce corespunde unei producţii realizate pe 0,85 ha. Un hectar de rapiţă

poate furniza în aceste condiţii 1273 l sau 1125 kg de ester metilic.

Page 34: Curs Motoare

PARTEA I – COMBUSTIBILI ALTERNATIVI

34

3.4. UTILIZAREA BIOCARBURANŢILOR 3.4.1. Utilizarea alcoolilor şi a eterilor Alcoolii precum etanolul sau metanolul au fost şi mai sunt încă utilizaţi în stare

pură sau amestecaţi în proporţii ridicate în benzină, utilizând motoare special

adaptate.

Etanolul şi derivaţii săi oxigenaţi pot fi utilizaţi în proporţii slabe drept carburant

adiţional sau aditivi în benzină. Acest mod de utilizare este raţional deoarece

avantajele şi constrângerile nu mai sunt aceleaşi ca la utilizarea în proporţii ridicate.

3.4.1.1. Utilizarea compuşilor oxigenaţi în proporţii ridicate Compuşii oxigenaţi pot fi utilizaţi în motoarele cu aprindere prin scânteie în

stare pură sau în amestec în proporţii ridicate în benzină. Ţările care acordă o atenţie

deosebită acestei utilizări sunt: Brazilia, Statele Unite, Suedia şi Franţa.

În Statele Unite şi în Suedia se utilizează amestec de alcool etilic obţinut din

biomasă cu benzină în proporţii de 85% (E85) sau 95% (E95). Ford şi General

Motors prezintă în catalog variantele de automobile motorizate pentru consumul

acestor combustibili. Automobilele pot funcţiona cu benzină pură sau cu amestec

alcool - benzină, ele sunt echipate cu captoare pentru analiza compoziţiei gazelor de

evacuare pentru a efectua reglajele necesare unei alimentări corecte. Măsurarea

emisiilor la un autoturism Ford Taurus alimentat cu amestec alcool - benzină au

indicat o diminuare a emisiilor de NOx de la -20 la -40%, a benzenului de la -70 la

-90% şi a emisiilor toxice cancerigene de la -55 la -65%. Consumul de combustibil de

1,3 litri E85 pentru 1 litru de benzină.

În Brazilia s-au dezvoltat sistemele de alimentare a autovehiculelor cu etanol

pur hidratat (95,5 °GL) având o cifră octanică COR 130 şi o putere calorică inferioară

de 24803 kJ/kg. În aceste condiţii motoarele sunt special adaptate ele ajungând la un

raport de comprimare de 12,7 pentru a compensa diferenţa de putere calorică dintre

alcool şi benzină. În zece ani, din 1980 până în 1991, Brazilia a produs mai mult de 5

milioane de autovehicule funcţionând cu alcool. În 1995, parcul de autovehicule

funcţionând cu etanol era de 4,3 milioane autovehicule.

Page 35: Curs Motoare

Alcoolii

35

În Franţa şi Suedia este aplicată la motoarele Diesel pentru autobuze

alimentarea cu alcool etilic hidratat (95 °GL) şi aditivat pentru îmbunătăţirea cifrei

cetanice.

3.4.1.2.Utilizarea compuşilor oxigenaţi în proporţii reduse

În Statele Unite şi în Franţa, după 1978 s-au realizat cercetări care au

evidenţiat faptul că bioetanolul poate fi încorporat în benzină în proporţii volumice de

5 la 10% fără să se afecteze construcţia şi performanţele motorului. În Franţa

amestecul de alcool în benzină este reglementat şi autorizează încorporarea

compuşilor oxigenaţi în limitele volumice a 3 la 15% în funcţie de natura compuşilor

oxigenaţi; maxim 5% pentru etanol şi 15% pentru eteri. În Statele Unite încorporarea

unor compuşi oxigenaţi este reglementată la 3,7% masic, ceea ce corespunde unui

procentaj volumic de 10%. Amestecul benzină - etanol poartă denumirea de gazohol.

Brazilia practică pe scară largă amestecul etanol anhidru (99,3% °GL, putere

calorică 26808 kJ/kg) în benzină până la 22%. Motoarele utilizate au rapoarte de

comprimare de 8,7 - identice cu cele care utilizează numai benzină. În 1995, parcul

de autovehicule care circulă cu acest tip de amestec era de 9,5 milioane.

3.4.1.3.Criteriile de utilizare a etanolului şi eterilor Adaosul de compuşi oxigenaţi în benzină îmbunătăţesc cifra octanică.

Încorporarea unui procentaj volumic de 5% de etanol determină creşterea cifrei

octanice a amestecului (COR) cu 1,2 unităţi în timp ce pentru a obţine aceeaşi cifră

octanică trebuie adăugată o cantitate dublă de ETBE (10%).

Tabelul 3.5 Cifra octanică COM pentru adaosuri de etanol

Proporţia de etanol [%] COM Variaţia COM datorată etanolului

0 72,5 - 5 74,8 2,3 10 76,6 1,8 15 78,5 1,9 20 80,3 1,8 25 81,4 1,1

Page 36: Curs Motoare

PARTEA I – COMBUSTIBILI ALTERNATIVI

36

Pe lângă îmbunătăţirea cifrei octanice, compuşii oxigenaţi aduc şi un aport de

oxigen în camera de ardere care conduce la o ardere mai completă a amestecului

aer-combustibil.

Tabelul 3.6 Corespondenţa între cantitatea de oxigen adusă în camera de ardere şi

procentajul volumic al compuşilor oxigenaţi încorporaţi în benzină

O2% masice

Etanol % volumice

ETBE % volumice

MTBE % volumice

2 5,7 12,7 11 2,7 7,7 17,2 15 3,5 10 23,6 19,2

Pentru a elimina fenomenul de separare a etanolului de benzină, etanolul utilizat

trebuie să fie anhidru sau să aibă un conţinut maxim de apă de 3000 ppm. Separarea

etanolului duce la pierderi energetice şi diminuarea cifrei octanice îmbunătăţite

datorită alcoolului.

3.4.1.4. Bilanţul energetic Comisia consultativă pentru carburanţii de substituţie CCPCS (Commission

Consultative pour les Carburants de Substitusion) a stabilit în anii 1990 - 1991

bilanţul energetic pentru filierele de producţie şi utilizare a compuşilor oxigenaţi iar în

anii 1995 - 1996 s-a realizat un ecobilanţ comparat între aceste filiere.

Randamentul energetic principal este utilizat pentru a arăta capacitatea de a

economisi şi substitui energia fosilă.

cheltuitafosilatotalaprimaraEnergiaoxigenatcarburantdeformasubrestituitaEnergieR1 =

Dacă se fac câteva comparaţii se pot trage concluzii interesante. Dacă se

consideră că pentru obţinerea de energie fosilă consumul de energie este o unitate,

la producţia bioetanolului pornind de la grâu consumul energetic este de 1,15 unităţi

şi de 1,65 unităţi dacă materia primă este sfecla de zahăr, în regiunile cu cele mai

bune randamente şi fără să se ţină seama de coproduşi. În cazul luării în considerare

a tuturor produselor obţinute la folosirea bioetanolului (paie, deşeuri, pulpe),

randamentul va fi următorul:

ibiluluibiocombustaobtineredefilierapecheltuitatotalaEnergia

R )ergie = obtinuteproduseloralecaloriceputerilor

en(2∑

Page 37: Curs Motoare

Alcoolii

37

Pentru o cheltuială de energie totală de o unitate, energia totală obţinută cu

ansamblul de produse este de 3,4 unităţi pentru grâu, de 2,4 unităţi pentru sfecla de

zahăr (pentru aceleaşi regiuni) şi de 1,4 unităţi pentru ETBE. Comparativ, bilanţul

energetic pentru benzină este de 0,74 la 0,84 sau mai mic. În cazul ecobilanţului,

relaţia este următoarea:

eterdesaualcooldeobtinelaconsumatafosilatotalaprimaraEnergia

oxigenatcarburantdeformasubrestituitaEnergiaR )ecobilant(1 =

rea

folosită în

rocesul de sinteză. Acest bilanţ este mai favorabil cu 27% faţă de bilanţul energetic

al MT ilă şi

cesul tehnologic se consum cantitate mai obute

e getice ale etanolului, esterilor şi benzinei

R1 R1 ecobilanţ R2

Consumul de energie primară este stabilit fază cu fază pentru producţia de

etanol şi urmat de esterificare. Randamentele R1, R2 pentru diverşi biocombustibili

sunt prezentate în tabelul 3.8.

Bilanţul energetic la producerea etanolului este mai mare de 1, aceasta

semnificând faptul că la obţinerea produsului consumurile de energie sunt inferioare

energiei conţinute în produsul obţinut. Bilanţul energetic al ETBE este inferior valorii 1

(Ecobilanţ), aceasta datorită consumului de izobutenă de origine fosilă

p

BE. Aceasta se datorează faptului că etanolul conţine energie regenerab

că în pro ă o mare de iz nă.

Tabelul 3.7 Randamentele en

Produs

r

Etanol din grâu 1,15 4 - 3,Etanol din sfeclă de zahăr 1,65 - 2,4 Etanol suc ver

din sfeclă de zahăr (100% ) de - 1,4 -

Etanol din sfeclă de zahăr (50% uc verde - 50% EP2) - 1,18 - s

ETBE - 0,93 1,4 MTBE - 0,73 - Be ă - - 0,74…0,84 nzin

3.4.1.5. Bilanţul de mediu Principalul interes în utilizarea compuşilor oxigenaţi îl constituie reducerea

emisiilor de CO, hidrocarburi şi mai ales a celor nemetanice (benzen şi 1,3 -

butadienă) din gazele de evacuare ale motoarelor cu ardere internă. Utilizarea

biocarburanţilor este încă puţin valorificată deoarece în acelaşi timp are loc o

reformulare a benzinei. Se prevede o optimizare a formulării benzinei care va permite

Page 38: Curs Motoare

PARTEA I – COMBUSTIBILI ALTERNATIVI

38

o reducere a poluării vehiculelor vechi dar şi a vehiculelor cu catalizator. Această

optimizare prevede o încorporare de 10…15% volumice de compuşi oxigenaţi de

şi programul american Auto/Oil (Air

Quality mulaţi,

nd pre l urmă

lul 3.8 o x ţi şi ale reformulă lProgramul Programul rogramul SUA

Auto/Oil

tipul ETBE care prin cifra octanică ridicată fac posibilă reducerea concentraţiei

emisiilor, substanţelor aromatice şi a benzenului.

Programul european de reformulare EPEFE (European Programme on

Emissions, Fuels and Engine Technology)

Improvement Program: AQIRP) au testat numeroşi combustibili refor

rezultatele fii zentate în tabelu tor:

Tabe Efectele c

EPEFE

mpuşilor oCE

igena rii benzine or P

Carburant Benzină rinţă

(medie)

Benzină IV

E10 MTBE15 ETBE17 Valori g/km] refe tip [m

Compoziţie oxigen [% 0,6 2 3,5 2,7 2,7 - masice] HC aromatice [%

e] 40 25 20 20 20 -

volumicbenzen [%

ice] 3

volum2, 0,7

- -

- -

Emisii CO - -17,2% -13,4% -9,3% -14,8% 1562 COV - -18,6% - - - - NOx - +6,36% +5,1% +3,6% -5,5% 380 benzen - - -11,5% -11,1% -8,1% 5,24 1,3 - butadienă - - -5,8% -1,7% -3,8% 0,55 HC - total - - -4,9% -6,5% -5,2% 127 HC - nemetanice - - -5,9% -7,0% -6,3% 105 formaldehidă - - +19,3% +15,8% -15,7% 0,98 acetaldehidă - - +159% -0,9% +254,2% 0,88 B tip IV - benzină reformulată şi oxigenată; 3.4.2. Utilizarea uleiurilor vegetale şi a derivatelor lor în mac Uleiul vegetal de arahide a fost folosit de inventatorul motorului cu aprindere

prin comprimare, Rudolf Diesel. În timp s-au efectuat numeroase încercări utilizând

ulei de rapiţă, floarea soarelui, p

enzină

almier, bumbac, soia. Pentru a fi utilizate, uleiurile

pure sunt filtrate şi degomate. Motorul cu injecţie indirectă este mai puţin sensibil la

depunerile carbonice din motor.

3.4.2.1. Esterii uleiurilor vegetale Noua politică de dezvoltare durabilă are ca linie directoare utilizarea energiilor

regenerabile. În acest context se înscrie şi utilizarea uleiurilor vegetale. Pentru a fi

Page 39: Curs Motoare

Alcoolii

39

utilizate trebuie să se reducă vâscozitatea acestora la valoarea motorinei. În acest

sens, se aplică un proces de transesterificare, prin care uleiul vegetal reacţionează

cu un alcool, în prezenţa unui catalizator pentru a forma esteri de acizi graşi. Masa

moleculară a unei molecule de ester este de aproximativ trei ori mai mică decât cea a

unei molecule de ulei. Esterii au vâscozitatea mai ridicată decât a motorinei, aceasta

luen

Caracteristicile esterilor utilizaţi în motoarele Diesel trebuie să respecte

3.9 Specificaţia esterilor metilici ai aţi a fi încorporaţi până la maxim 5% volum în motorină

inf ţând calitatea injecţiei carburantului şi deci, mărimea şi repartiţia picăturilor în

camera de ardere.

normele de calitate exemplificate în tabelul 3.9.

Tabelul uleiurilor vegetale destin

Parametrul Limite Aspect Clar, limpede la 15 °C Culoare <12 Masă volumică la 15 °C [kg/m3] 870 - 900 Vâscozitate la 40 °C [mm2/s] 3,5…5 Punct de limpezire [°C] ≥ 100 Distilare (sub presiune redusă) [% vol] ≥ 95% 360 °C Conţinutul de apă [mg/kg] ≤ 200Cifra cetanică măsurată ≥ 49 Reziduu de carbon pe 10% distilare în vid [%masă] 0,30

Indicele de aciditate [mg KOH/g] ≤ 0,5 Punctul de curgere [°C] ≤ -10 Conţinutul de ester [%masă] ≥ 96,5 Conţinutul de metanol [%masă] ≤ 0,1 Conţinutul de fosfor [mg/kg] ≤ 10 Conţinutul în metale alcaline (Na sau K) [mg/kg] ≤ 5 sau ≤ 5

Indicele de iod ≤ 115 Conţinutul în glicerină liberă [%masă] ≤ 0,02Conţinutul în monogliceride [%masă] ≤ 0,8 Conţinutul în digliceride [%masă] ≤ 0,2 Conţinutul în trigliceride [%masă] ≤ 0,2 Glicerină totală [%masă] ≤ 0,25

3.4.2.2. Utilizarea de esteri în proporţii reduse Încorporarea de esteri în motorină se realizează de către firmele producătoare

terii acţionează ca un aditiv.

şi este autorizată până la un volum maxim de 5%. Esterii îmbunătăţesc capacităţile

de ungere ale motorinei, deci în cantităţi reduse es

Page 40: Curs Motoare

PARTEA I – COMBUSTIBILI ALTERNATIVI

40

Uzura provocată de utilizarea diferitelor motorine cu sau fără sulf este

belul 3.10 Îmbunătăţirea c ăţii de ungere prin încorporarea de esteri ea uzurii comparat orina pură

diminuată prin încorporarea de esteri în motorină.

Ta apacit

Reducer ă cu motMetil ester de rapiţă 0 (2) [%vol] Motorină suedeză (1) Motorină EN59

0,8 15% 45% 1 45% 45% 2 70% (3) 65% (4) (1) 1 ppm sulf (2) 460 ppm sulf (3) numai 25% cu alt ester (4) numai 30% cu alt ester

Există programe de cercetări privind utilizarea esterilor ca şi cocarburant în

ot fi utilizaţi ca şi carburant adiţional în proporţii volumice de până la

raţi în motorină pot determina o reducere a emisiilor poluante cu

ână la 30%.

Obiectivul utilizării acestui amestec în mediul urban îl constituie ameliorarea

roduşi,

randamentul R2 exprimat în raport cu energia total obţinută este de 5,4. Bilanţul

bţinere al motorinei este de 0,895, fie un rezultat inferior.

următor:

proporţii volumice de până la 5%.

3.4.2.3. Utilizarea de esteri în proporţii ridicate Esterii p

30% la motoarele vehiculelor de transport urban. S-a demonstrat că utilizarea

esterilor încorpo

p

calităţii aerului.

3.4.2.4. Bilanţul energetic Bilanţul energetic al filierei de producţie şi de utilizare a metil esterului de

rapiţă a fost stabilit de CCPCS şi completat cu ecobilanţ comparând această filieră cu

aceea a motorinei. Randamentul energetic R1 indică că pentru o cheltuială de

obţinere a energiei fosilă egală cu 1 unităţi, la producţia de ester de rapiţă se cheltuie

1,9 unităţi energetice la un randament de 3t seminţe pe hectar fără a ţine seama de

coproduşi (paie, turte, glicerină). În cazul în care se ţine seama şi de cop

energetic de o

Ecobilanţul permite să se calculeze randamentul R3 în modul

esteruluiobtinerealaconsumatatotalaEnergiaoxigenatcarburantdeformasubrestituitaEnergia R3 =

Page 41: Curs Motoare

Alcoolii

41

Rezultatele acestor randamente sunt prezentate în tabelul următo

.11 Randam energetice ale etil esterului de rap şi ale motorinei

r:

Tabelul 3 entele m iţăProdusul R1 R2 R3

5,4 (cu paie) 3,7 (cu paie) metil ester de ulei de rapiţă 1,9 2,6 (fără paie) 2,7 (fără paie) Motorină 0,885 - - Randamentul energetic la producerea metilului ester de ulei de rapiţă este mai

mare decât 1, ceea ce arată că se consumă mai puţină energie decât energia

lui sunt reduse. Studii

efectuate cu un amestec de 5% ester în motorină arată că

oarelor. Emisiile de particule şi fum se diminuează

conţinută de produsul obţinut.

3.4.2.5. Bilanţul de mediu Esterii uleiurilor vegetale nu sunt toxici şi sunt biodegradabili (98% în 21 de

zile). Esterii nu conţin sulf şi deci emisiile cu derivaţi ai sulfu

efectuate în Germania, Franţa, Austria arată că la utilizarea esterilor uleiurilor

vegetale, efectul mutagen al gazelor de evacuare este cu aproximativ 60% mai redus

decât al gazelor de evacuare rezultate la utilizarea motorinei.

Impactul esterilor asupra poluării aerului depinde de gradul de încorporare în

motorină. Încercări

emisiile de hidrocarburi şi de hidrocarburi aromatice policiclice se reduc. Emisiile de

oxizi de azot cresc uşor iar emisiile de aldehide şi cetone nu sunt influenţate de

prezenţa esterilor.

În cazul utilizării unor amestecuri de 30% ester în motorină, amestecuri

utilizate la alimentarea autobuzelor şi a vehiculelor utilitare, emisiile depind de

calitatea motorinei şi de starea mot

(-20%), nivelul de oxid de carbon din gazele de evacuare se reduce (-21%) de

asemenea reducându-se emisiile totale de hidrocarburi (-26%) în timp ce emisiile de

oxizi de azot rămân neschimbate.

Utilizarea amestecului ester şi motorină permite reducerea cu 13% a

potenţialului fotochimic al gazelor precursoare formării ozonului. În cazul utilizării de

100% ester, potenţialul fotochimic se diminuează cu 45%.

În Franţa, în anul 1993 s-a realizat un ecobilanţ prin care se compară metil

esterul din ulei de rapiţă cu motorina, luând în calcul ansamblul filierei de obţinere a

esterului plecând de la producţia de rapiţă şi până la utilizarea în motor. Analiza a

Page 42: Curs Motoare

PARTEA I – COMBUSTIBILI ALTERNATIVI

42

arătat în mod clar că bilanţul de mediu al esterului comparat cu motorina este pozitiv.

Biocarburanţii sunt interesanţi deoarece au un caracter regenerabil şi nu participă la

agravarea efectului de seră, impactul lor fiind de la 4 la 5 ori mai redus. Dacă se

nalizează poluarea locală trebuie să se distingă stadiul de poluare agricolă de

rburant. În ceea ce priveşte primul stadiu, aportul de

hnologie de depoluare. Acest procedeu este aplicat pentru

ntre 1 până la 3 săptămâni şi se produce biogaz cu un

ă de materie organică degradată. Biogazul are un conţinut de 20 - 45%

ppm hidrogen sulfurat, gazul

reactor pun în evidenţă trei etape de degradare a

i în compuşi simpli solubili;

de a zi vo

egradarea acidului acetic CH3COOH → CH4 + CO2 (3.11)

xidarea hidrogenului (3.12) sau

CH3COOH + 4 4 + 3)

a

stadiul de utilizare ca şi ca

fertilizante şi substanţe fitosanitare trebuie să fie administrate în limite rezonabile

legate de nevoile plantei şi să se evite pe cât posibil riscurile de poluare a apelor.

3.4.3. Utilizarea biogazului Metanizarea este o tehnologie de conversie energetică a biomasei şi în

acelaşi timp o te

tratamentul depozitelor urbane prin staţii de epurare a efluenţilor industriali, a

deşeurilor organice menajere şi a dejecţiilor din crescătoriile animaliere. Procedeul se

poate aplica pentru transformarea celor mai multe vegetale chiar dacă au un conţinut

redus de celuloză.

Biomasa este tratată într-un reactor care are un volum în funcţie de cantitatea

tratată, de la câteva la mai multe milioane de metri cubi. Fermentarea anaerobă a

materiei organice durează î

conţinut între 55 şi 80% metan, obţinându-se aproximativ 500 m3 de metan pentru

fiecare ton

dioxid de carbon şi de la câteva zeci până la câteva mii

obţinut fiind saturat cu apă.

Reacţiile care au loc în

biomasei:

- hidroliza substratulu

- acidogeneza şi acetogeneza: formarea ci latili, amoniac, dioxid de

carbon, hidrogen şi acid acetic;

- metanogeneza prin:

d o

CO2 + 4H2 → CH4 + H2O

H2 → 2CH 2H2O (3.1

Page 43: Curs Motoare

Alcoolii

43

Tabelul 3.12 Productivit n metan ru cultu ergetice

nă ale u r)

atea î pent rile enCere

Sorg Lucer (stadiimatu

Rapiţă

Randament aterie uscată / ha] [tone m 15 12 10 8

Productivitate [m3 metan / t materie uscată] 347 267 270 250

Producţie [m3/ha] 5200 3200 2700 2000

Producţie [t 4,4 2ep/h] ,7 2,3 1,7 tep - tonă echivalent petrol O unitate de metanizare poate trata substraturi omogene sau amestecuri. Din

ntului pot fi:

45% materiale obţinute în culturi energetice;

surs , rezi

3.4 iomasă ca şi carburant pentru autovehicule,

pre

• nei activităţi economice în regiunile cu resurse;

diul rural atât în zonele cultivate cât şi în

zonele de creştere a animalelor;

a balanţei comerciale;

.4.3.2. Bilanţul energetic Energia produsă este de 4,6 ori mai mare decât cantitatea de energie cheltuită

atului, transportului, tratarea biogazului şi distribuţia

raţiuni energetice şi ecologice trebuie să se utilizeze amestecuri.

Amestecurile supuse tratame

35% dejecţii animaliere;

20% diverse deşeuri si subproduse organice (deşeuri menajere triate la

ă duurile unor culturi etc.);

.3.1 Bilanţul economic Utilizarea metanului obţinut din b

zintă o serie de avantaje în comparaţie cu alţi biocarburanţi:

dezvoltarea u

• menţinerea locurilor de muncă în me

• reducerea dependenţei energetice şi anume într-un sector sensibil,

transporturi;

• îmbunătăţire

3

pentru producerea substr

metanului obţinut.

Page 44: Curs Motoare

PARTEA I – COMBUSTIBILI ALTERNATIVI

44

3.4.3.3. Bilanţul ecologic Utilizarea metanului obţinut din biogaz la alimentarea autovehiculelor conduce

, purificate şi stabilizate.

e cu mai puţini nitraţi pentru că reziduurile utilizate

restituie solului elementele fertilizante deoarece numai lanţurile carbonice au fost

degradate în energie.

Utilizarea metanului drept combustibil pentru automobil reduce depunerile de

hidrocarburi pe suprafaţa drumului, fenomen care se află la originea unei poluări

neneglijabile a solului şi apelor.

la reducerea emisiilor care poluează aerul cu implicaţii pozitive asupra imisiilor

poluante la nivel local, regional şi global.

Reziduurile rezultate în urma procesului de metanizare sunt bogate în

elemente fertilizante şi ele pot fi utilizate în agricultură ca substrat brut deoarece sunt:

omogene, dezodorizate

Rotaţia culturilor, necesară unei aprovizionări regulate a unităţii de metanizare

permite să se menţină solul acoperit cu vegetaţie şi să se limiteze spălarea nitraţilor.

Culturile vor necesita tratament

Page 45: Curs Motoare

Alcoolii

45

Bibliografie [1] Apostolescu, N., Sfinţeanu, D. - Automobilul cu combustibili neconvenţionali. -

Editura Tehnică, Bucureşti, 1989. ISBN 973-31-0049-8.

[2] Bobescu Gh., Chiru A., Cofaru C., Radu Gh. Alex., Abăitencei H., ş.a. –

Motoare pentru Automobile şi tractoare, vol. III, Editura Tehnică Info Chişinău,

Republica Moldova, 2000, ISBN 9975-63-015-4.

[3] Cofaru.C. –Legislatia şi ingineria mediului in transportul rutier Editura

Universităţii Transylvania Brasov 2002 ,ISBN 973-635-185-8

[4] Cofaru, C., ş.a.. - Autovehiculul şi mediul. Editura Universităţii Transilvania

Braşov, 1999. ISBN 973-98512-3-1.

[5] Cofaru,C. Helerea,E.,Dumitrescu,L.,Perniu.D., Sandu,V., Materials-Energy

Sustainable development. Editura Universitatii Transilvania Brasov, 2002 ISBN

973-635-199-8

[6] Negrea, V., D., Sandu, V. - Combaterea poluării mediului în transporturile

rutiere. Editura Tehnică, Bucureşti, 2000. ISBN 973-31-1455-3.

[7] Timothy, T., Maxwell, Jesse, C., Jons. - Alternative fuels. SAE 1995. ISBN 1-

56091-523-4.

[8] W H. Crouse and D.N. Anglin, - Automotive Emission Control - McGraw Hill,

New York, 1977, 278 p.

Page 46: Curs Motoare

PARTEA I – COMBUSTIBILI ALTERNATIVI

46

Staţie de alimentare cu alcool în Brazilia

Autor: Mariana LIHTEŢCHI

4. ALCOOLII

4.1 DEFINIŢII ŞI TIPURI Biocarburanţii cuprind orice sursă de combustibil sau de energie care este

produsă din materie organică, ca şi uleiuri combustibile produse din plante sau

animale. Exemple de materii utilizate la producerea biocarburanţilor sunt alcoolul din

zaharuri fermentate, lemnul şi grăsimile animale. Definiţia poate fi extinsă incluzând

deşeuri municipale solide şi unele deşeuri industriale.

Biocarburanţii reprezintă o sursă de energie regenerabilă, spre deosebire de

alte surse energetice naturale ca petrolul, cărbunele sau combustibilul nuclear.

Carbonul din biocarburanţi a fost extras relativ recent din dioxidul de carbon

atmosferic de către plante în procesul de fotosinteză astfel că prin arderea lui nu

rezultă o creştere netă a dioxidul de carbon din atmosferă. Ca urmare, utilizarea

biocarburanţilor este considerată un mijloc de a reduce cantitatea de dioxid de

carbon eliberată în atmosferă şi o economisire a combustibililor fosili. Pentru

Page 47: Curs Motoare

Alcoolii

47

producerea energiei regenerabile se pot utiliza atât produse agricole cultivate special

pentru obţinerea de biocarburanţi, dar şi deşeuri din industrie, agricultură, silvicultură,

activităţi casnice, cum sunt paie, crengi, deşeuri organice animaliere sau resturi

alimentare. De obicei biocarburanţii sunt arşi pentru a degaja energia chimică .Există

totuşi o serie de cercetări care urmăresc transformarea biocarburanţilor în

electricitate cu ajutorul pilelor de combustibil. Energia din biomasă acoperă 15% din

consumul energetic mondial. Suedia şi Finlanda asigură 17% şi, respectiv, 19% din

necesarul lor energetic din biomasă. Energia poate fi utilizată în transporturi,

producţia de energie electrică şi încălzire centrală sau individuală.

Utilizarea biocarburanţilor est un instrument eficient de protecţie a mediului.

Pe lângă valorile mici ale CO2 net, arderea biocarburanţilor va genera mai puţine

emisii de SO2, care este una din principala cauză a ploilor acide, mai puţine emisii de

particule (funingine), hidrocarburi nearse (HC) şi monoxid de carbon (CO).

Există multe forme de biomasă solidă care este combustibilă cum ar fi: lemnul,

paiele, alte plante uscate, resturi animaliere sau cojile cerealelor.

Există forme de biomasă lichidă care poate fi folosită drept combustibil:

• Bioalcooli: Etanolul produs din trestie de zahăr sau cereale este utilizat drept

combustibil sau aditiv pentru benzină.

o Metanolul, care este produs current din gaz natural poate fi produs şi

din biomasă chiar dacă în prezent nu este rentabil. Economia bazată pe

metanol este o alternativă interesantă la economia bazată pe hidrogen.

• Uleiuri produse biologic pot fi utilizate în motoarele diesel:

o Ulei vegetal pur.

o Ulei vegetal uzat.

o Motorină obţinută din transesterificarea grăsimilor animale şi a uleiurilor

vegetale.

• Uleiuri produse din diferite deşeuri:

o Depolimerizarea termică poate extrage ulei, asemănător obţinerii

petrolului, din deşeuri.

Există forme de biomasă gazoasă care poate fi folosită drept combustibil:

• Metanul produs prin descompunerea naturală a gunoiului de grajd sau a altor

resturi agricole poate fi colectat şi utilizat drept combustibil.

Page 48: Curs Motoare

PARTEA I – COMBUSTIBILI ALTERNATIVI

48

Materialul următor va analiza biocarburanţii din punctul de vedere al utilizării lor în

domeniul transporturilor rutiere.

Pentru reducerea dependenţei de combustibili fosili (95%) şi de petrol (76%), ţările

europene pun în practică un set de măsuri care încurajează şi dezvoltă utilizarea

biocarburanţilor la funcţionarea motoarelor termice.

Funcţie de tipul motorului pe care sunt utilizaţi biocarburanţii sunt clasificaţi în

două grupe:

Alcooli şi combustibili derivaţi din alcooli care sunt utilizaţi la motoarele cu aprindere

prin scânteie.

Uleiuri vegetale şi combustibili derivaţi din uleiuri care sunt utilizaţi la motoarele cu

aprindere prin comprimare.

Al treilea tip de biocarburant care poate fi utilizat la motoarele cu aprindere

prin scânteie este biogazul; acesta se poate obţine din biomasă sau din deşeuri

urbane sau industriale. Totuşi, din cauza densităţii mici de energie raportate la

unitatea de volum biogazul se arde în motoare staţionare, iar aplicarea sa la miljoace

de transport rutier este deocamdată limitată.

Analiza chimică a biocarburanţilor, în special a alcoolilor, uleiurilor vegetale şi

a derivaţilor acestora indică prezenţa în moleculă a oxigenului, pe lângă carbon şi

hidrogen, de aceea biocarburanţii lichizi se mai numesc şi combustibili oxigenaţi.

4.2 ALCOOLII ŞI DERIVAŢII LOR Combustibilii oxigenaţi sunt acele hidrocarburi care conţin în lanţul molecular

unul sau mai mulţi atomi de oxigen. Printre aceşti combustibili cei mai cunoscuţi sunt

alcoolii (metanol şi etanol) şi derivaţii de tip eter: MTBE (Metil Tertiar Butil Eterul ) şi

ETBE (Etil Tertiar Butil Eterul). Aceşti combustibili cunoscuţi în ultimul secol de lumea

motoristică, au fost folosiţi pentru formularea combustibililor de curse pentru a

îmbunătăţi performanţele motorului; totuşi ei au fost excluşi de pe piaţa

combustibililor din motive economice.

Utilizarea etanolului în motoare este cunoscută din 1890 şi a înaintat

semnificativ în anii 1910-1920 ca şi în timpul celui de-al doilea Război Mondial.

Interesul pentru el a scăzut din 1945 fiindcă benzina obţinută din petrol era mai

ieftină. Interesul pentru combustibili oxigenaţi a reapărut în 1973 odată cu criza

petrolieră, din motive economice şi politice. În 1975, Brazilia a declanşat un program

Page 49: Curs Motoare

Alcoolii

49

naţional de promovare a alcoolului pentru a reduce dependenţa de importul de petrol

şi de a reduce deficitul comercial. Un program similar a început în SUA din 1979 cu

obiectivul creşterii "siguranţei energetice". Aceste programe scumpe s-au încheiat,

iar preţul petrolului s-a stabilizat. În prezent, utilizarea etanolului şi a altor combustibili

oxigenaţi este în creştere din considerente ecologice; au apărut şi a serie de avantaje

tehnice, economice şi sociale cum ar fi generarea de venituri şi locuri de muncă în

zone rurale sărace.

Utilizarea alcoolului drept combustibil pentru motoare cu ardere internă, fie

în stare pură sau în amestec cu alţi combustibili, a căpătat multă atenţie datorită

avantajelor de mediu şi economice pe termen lung faţă de combustibilii fosili. Atât

etanolul, cât şi metanolul au fost luate în considerare. Ambele pot fi obţinute din

petrol sau gaz natural, iar etanolul pare a fi mai uşor de obţinut din zahăr sau amidon

din cereale, trestie de zahăr sau lactoză. Prin amestecarea alcoolului cu benzina

produsul e cunoscut ca gazohol. Alte experimente au folosit butanol produs din

fermentarea plantelor.

Alcoolii pot fi utilizaţi ca înlocuitori totali sau parţiali ai benzinei la autoturisme

sau alte autovehicule comerciale. Totuşi s-au studiat şi alte metode neconvenţionale

de utilizare a alcoolilor în pile de combustie, fie direct, fie ca materie primă pentru

producerea de hidrogen. Alcoolii pot fi produşi dintr-o varietate de recolte, cum sunt

trestia de zahăr, sfecla de zahăr, ovăz, orz, cartofi, floarea soarelui, eucalipt, etc.

Două ţări au dezvoltat programe semnificative pro-alcool: Brazilia (etanol din trestie

de zahăr) şi Rusia (metanol din eucalipt). Etanolul pentru uz industrial este adesea

obţinut sintetic din materii prime petroliere, de obicei prin hidratare catalitică a etilenei

cu acid sulfuric pe post de catalizator. Acest proces este mai ieftin decât producţia

prin fermentaţie. Se poate obţine şi din etenă sau acetilenă, din carbura de calciu,

cărbune sau gaze petroliere.

Alcoolul obţinut din agricultură necesită cantităţi substanţiale de teren

cultivabil, cu soluri fertile şi apă. Este puţin probabil ca acest lucru să se poată

produce în zonele aglomerate şi industrializate din Europa de vest. De exemplu,

dacă Germania ar fi ocupată total de plantaţii de trestie de zahăr, s-ar acoperi numai

jumătate din nevoile sale energetice (incluzând combustibil şi electricitate).Totuşi,

dacă alcoolul este făcut din resturi agricole, atunci nu mai este nevoie de teren

suplimentar. Utilizând aceste resurse pentru acest scop va fi nevoie de materie

Page 50: Curs Motoare

PARTEA I – COMBUSTIBILI ALTERNATIVI

50

suplimentară pentru hrana animalelor, fertilizatori şi combustibili pentru centralele

electrice.

Pentru a fi viabilă o economie bazată pe alcool trebuie sa aibă un bilanţ al

energiei nete pozitiv, adică energia totală cheltuită în producerea de alcool incluzând

fertilizarea, semănarea, recoltarea, transportul, fermentarea, distilarea şi distribuţia

ca şi combustibilul utilizat la construcţia fermei şi a staţiei, nu trebuie sa depăşească

conţinutul energetic al produsului.

4.2.1. Etanolul Etanolul este denumit şi alcool etilic având formula moleculară C2H5OH , este

un lichid transparent cu densitatea de 0,789 g/cm³, solubil în apă, cu punctul de

fierbere la 78,4 °C (351,6 K),fiind inflamabil.

Etanolul poate fi obţinut din porumb, grâu, cartofi, paie de orez, rumeguş,

reziduuri urbane, reziduuri din industria hârtiei, crengi, trestie de zahăr, alge, recolte

în exces şi alte reziduuri celulozice. Petrolul este folosit de asemenea pentru a se

obţine etanol industrial.

Etanolul care este acelaşi cu alcoolul din băuturi alcoolice, poate atinge 96%

ca puritate volumică prin distilare şi este limpede ca apa, această puritate fiind

suficientă pentru combustia etanolului. Etanolul arde mai curat ca mulţi combustibili şi

nu produce CO2 net .Când arderea este completă, produşii sunt doar CO2 şi apă

care sunt produşii descompunerii resturilor celulozice. De aceea, etanolul este favorit

pentru scheme de transport ecologic şi e utilizat la autobuze urbane. Totuşi, etanolul

pur reacţionează sau dizolvă unele cauciucuri şi materiale plastice şi nu poate fi

utilizat în motoare care nu au modificări de materiale. În plus, etanolul are cifra

octanică mai mare decât benzina obişnuită, cerând schimbări ale raportului de

comprimare sau ale avansului la scânteie pentru a obţine performanţe maxime.

Pentru a modifica o maşină de la funcţionarea cu benzină la funcţionarea cu etanol

pur sunt necesare debite de combustibil cu circa 50% mai mari. Este necesar şi un

sistem de pornire la rece pentru a asigura vaporizarea suficientă pentru o bună

ardere şi pentru reducerea etanolului nevaporizat şi nears. Dacă 10-30% din etanol

se amestecă cu benzina, atunci nu sunt necesare modificări ale motorului. Multe

autoturisme moderne pot funcţiona cu amestec, cu o bună fiabilitate.

Termenul "E85" este folosit pentru un amestec de 15% benzină şi 85% etanol.

Începând cu modelele din 1999, multe autovehicule au fost dotate cu motoare care

Page 51: Curs Motoare

Alcoolii

51

pot să funcţioneze cu benzină şi etanol de la 0% la 85% , fără modificări. Multe

utilitare uşoare au fost proiectate să funcţioneze cu doi combustibili (flexible fuel) şi

acestea pot detecta automat tipul de combustibil şi pot comanda schimbarea

necesară în funcţionarea motorului, în principal dozajul şi avansul la scânteie pentru

a compensa diferitele cifre octanice ale combustibilului din motor.

Etanolul produce mai puţini poluanţi de tipul CO, CO2 şi HC, comparativ cu

benzina pură în teste echivalente. Studiile arată o creştere a emisiilor de NOx şi

compuşi organici volatili, care sunt precursorii formării smogului.

Etanolul în amestec cu benzina înlocuieşte tetraetilul de plumb, benzenul şi

MTBE – toţi fiind aditivi de ridicare a cifrei octanice. Etanolul cu cifra octanică de 110

depăşeşte benzina obişnuită şi compensează nevoia de alţi aditivi antidetonanţi.

Totuşi etanolul poate creşte presiunea de vapori a benzinei ducând la mărirea

emisiilor evaporative care totuşi nu sunt mai grave decât emisiile de plumb, benzen

sau MTBE.

Etanolul este mai puţin periculos decât benzina în ceea ce priveşte pericolul

de incendiu; metanolul fiind mai volatil, este mai probabil să producă incendii sau

explozii. Totuşi fiindcă etanolul şi metanolul se dizolvă în apă (benzina pluteşte pe

apă) incendiile se pot stinge cu conducte obişnuite de apă .

Pentru Europa recoltele cu posibilităţi de extragere a alcoolului sunt cele de

sfeclă şi cele de cereale (grâu, porumb şi ovăz).

În ciuda faptului că alcoolii pot fi folosiţi în stare pură la vehicule cu motoare

speciale, este mult mai practic să le foloseşti în motoare convenţionale ca un

amestec de diferite proporţii de combustibil diesel şi de benzină; aceste amestecuri

îmbunătăţesc de obicei comportamentul combustibililor tradiţionali.

Principalele avantaje tehnice ale folosirii acestor amestecuri de combustibili cu

benzina sunt:

a) Ridicarea cifrelor octanice a benzinelor: tendinţa de detonaţie este redusă,

permiţând creşterea raportului de compresie sau creşterea avansului la scânteie; în

consecinţă randamentul termodinamic al combustiei este mai mare.

b) Creşterea performanţei motorului: Oxigenul din combustibil reduce dozajul

stoichiometric, permiţând introducerea unei cantităţi mai mari de combustibil în

fiecare ciclu. (Controlul prin sonda lambda reglează cantitatea de combustibil

necesar corespunzător amestecului stoichiometric.) Limita cantităţii de oxigen care

poate fi adăugată combustibilului depinde de construcţia motorului prin cantitatea

Page 52: Curs Motoare

PARTEA I – COMBUSTIBILI ALTERNATIVI

52

minimă de gaze necesare pentru menţinerea temperaturii de evacuare; mai mult,

căldura de vaporizare ridicată a alcoolilor reduce temperatura de admisie şi o

cantitate mai mare de amestec poate fi introdusă în cilindru (eficienţa volumetrică mai

mare).

c) Referitor la consumul de combustibil, deşi combustibilii oxigenaţi au o putere

calorică mai mică decât benzina, experimentele au arătat consumuri similare

exprimate în l/km şi de obicei mai mici când sunt exprimate în unităţi de energie

(MJ/km).În ambele cazuri s-a observat un consum mai mic în ciclurile urbane.

d) În plus CO2 este recuperat din balanţa globală a emisiilor prin absorbţia de CO2

atmosferic a plantelor din combustibilii vegetali şi utilizarea acestor amestecuri de

combustibili produce o descreştere a emisiilor de hidrocarburi nearse (în special a

benzenului cancerigen) şi o importantă scădere a emisiilor de monoxid de carbon .

Utilizarea alcoolilor în amestec cu benzina prezintă o serie de dezavantaje :

a) Puterea calorică este mai mică, iar sistemul de alimentare trebuie adesea

modificat.

b) Afinitate mare pentru apă; apare separarea fazelor benzină-alcool atunci când

există apă în combustibili.

c) Potenţial de coroziune ridicat; alcooli pot ataca vopsele şi pot genera depuneri în

conductele de combustibili, în special în prezenţa apei; trebuie utilizate conducte

metalice şi plastice rezistente la acţiunea alcoolilor.

d) Apar probleme la pornirea la rece din cauza căldurii de vaporizare ridicate.

e) Manevrabilitatea pe vreme caldă poate scădea din cauza volatilităţii ridicate a

alcoolilor care provoacă dopuri de vapori în sistemul de alimentare.

f) Presiunea de vapori a amestecurilor benzină-alcooli este foarte ridicată, crescând

emisiile evaporative.

Alcoolii au cifre octanice mari şi călduri latente de vaporizare mari (tabelul 4.1).

Tabelul 4.1. Caracteristicile combustibililor

Mărimea Unitatea Metanol Etanol Benzină fără plumb

Cifra octanică Research

106 107 92-98

Cifra octanică Motor

92 89 80-90

Căldura latentă de vaporizare

MJ/kg 1,154 0,913 0,3044

Page 53: Curs Motoare

Alcoolii

53

Puterea calorică inferioară

MJ/kg 19.95 26,68 42-44

Presiunea de vapori

kPa 31,9 16,0 48-108

Limita inferioară de inflamabilitate

% 6,7 3,3 1,3

Limita superioară inflamabilitate

% 36,0 19,0 7,1

Temperatura de autoaprindere

°C 460 360 260-460

Punctul de inflamabilitate

°C 11 13 -43--39

4.2.2. Metanolul

Metanolul, cunoscut ca alcool metilic este un compus chimic cu formula CH3OH. Este cel mai simplu alcool, este uşor, (densitate 0,7918 g/cm³), volatil,

incolor, inflamabil, otrăvitor, care este folosit ca lichid antigel, solvent sau combustibil.

Metanolul este produs natural prin metabolism anaerobic de mai multe tipuri de

bacterii. Ca rezultat există o mică proporţie de metanol în atmosferă. Pe durata

câtorva zile, metanolul atmosferic se oxidează la lumină rezultând dioxid de carbon şi

apă. Metanolul a fost considerat un combustibil care poate înlocui benzina şi a fost

mai puţin studiat din cauza problemelor proprii. Principalul său avantaj este că poate

fi obţinut uşor din metan (principalul constituent al gazului natural ) ca şi prin piroliza

multor materiale organice . Metanolul de origine vegetală poate fi obţinut din biomasă

prin gazeificarea şi tratarea gazelor obţinute, (CO şi H2) într-un reactor catalitic la

presiuni şi temperaturi mari. Metanolul, spre deosebire de etanol, este toxic;

expunerea prelungită poate duce la probleme grave de sănătate, provocând chiar

orbire.

Metanolul este utilizat în mică măsură la motoare cu ardere internă fiindcă nu

este atât de inflamabil ca benzina. Amestecurile cu metanol sunt utilizate la maşinile

de curse şi la aeromodele comandate prin radio.

Pilele de combustie cu metanol sunt unice prin funcţionarea la temperatură

joasă şi presiune atmosferică, permiţând miniaturizarea la un nivel fără precedent.

Acest fapt combinat cu uşurinţa manevrării şi siguranţa stocării a deschis calea

utilizării acestor dispozitive în alimentarea echipamentelor electronice.

Page 54: Curs Motoare

PARTEA I – COMBUSTIBILI ALTERNATIVI

54

4.2.3. Derivaţii alcoolilor Mai recent decât alcoolii, derivaţii acestora, eterii, au fost folosiţi ca şi

componenţi combustibili (ETBE şi MTBE). Aceşti compuşi prezintă aceleaşi avantaje

ca şi alcooli, dar sunt mai capabili de a depăşi obstacolele alcoolilor fiindcă ei

dovedesc:

a) O putere calorică mai mare şi un raport stoichiometric apropiat de cel al benzinei,

de aceea sistemul de alimentare nu are nevoie de nici o modificare.

b) O foarte mică solubilitate în apă astfel că amestecurile benzină-eter sunt stabile în

prezenţa apei.

c) Au un potenţial coroziv mult mai redus decât al alcoolilor.

d) Căldura latentă de vaporizare este mult mai mică decât a alcoolilor, apropiată de

cea a benzinei, facilitând pornirea la rece.

e) Eterii au mult mai puţine probleme de manevrabilitate decât alcooli pe vreme caldă

fiindcă amestecurile benzină-eter au o volatilitate mai scăzută.

f) Emisiile evaporative sunt la acelaşi nivel cu cele ale benzinei şi mult mai scăzute

decât cele ale amestecurilor benzină-alcooli.

Comportarea ETBE şi MTBE ca aditivi de creştere a cifrei octanice este similară.

Singura diferenţă notabilă este descreşterea volatilităţii amestecurilor benzină - ETBE

care nu apare la amestecurile benzină - MTBE. Emisiile de hidrocarburi sunt mai

puţin toxice cu ETBE, iar unele studii pe animale apreciază că MTBE este probabil

cancerigen.

Page 55: Curs Motoare

Alcoolii

55

Bibliografie

[1] The oil companies’ European organization for environment, health and safety

(CONCAWE): Energy and Greenhouse Gas Balance of Biofuels for Europe –

an Update, Brussels, 2002

[2] Dri.wefa and Arthur d. Little: Future Powertrain Technologies, Lexington;

Cambridge, 2001

[3] European Commission, Directorate-General for Energy, Limited: A Technical

Study on Fuels Technology related to the Auto-Oil II Programme – Final

Report Volume II: Alternative Fuels, (writer: Arcoumanis; Bechtel), 2000

[4] European Parliament: Bioethanolbeimengung zu Kraftstoff, (writer: Oestling,

A.; Chambers, G.) Theme paper No. 07/2001, Luxembourg, Brussels, 2001

[5] International Energy Agency (IEA): Automotive Fuels for the Future – The

Search for Alternatives, Paris, 1999

[6] F. Tinaut et al. Motor biofuels: history, current status and future perspectives,

Fisita Congress,1998

[7] R. Bechtold - Ghidul combustibililor alternativi, Societatea Inginerilor de

Automobile,1997

Page 56: Curs Motoare

PARTEA I – COMBUSTIBILI ALTERNATIVI

56

Poluare industrială

Page 57: Curs Motoare

Uleiuri vegetate

57

Autori: Corneliu COFARU Daniela FLOREA

5.ULEIURI VEGETALE

5.1. INTRODUCERE Preocupările privind problemele mediului înconjurător legate de exploatarea

autovehiculelor au devenit probleme politice majore deoarece privesc calitatea vieţii.

Pe plan mondial sunt avansate mai multe opţiuni pentru a aplica tehnologii

“curate” în afara reînnoirea parcului de autovehicule cum ar fi:

• Utilizarea combustibililor alternativi în locul energiilor fosile tradiţionale;

• Utilizarea combustibililor de substituţie în parte de origine regenerabilă;

• Instalarea pe vehiculele existente de echipamente de depoluare a gazelor de

evacuare;

• Utilizarea unor noi sisteme motopropulsoare pentru autovehicule, cum ar fi

tracţiunea elecrică, pila de combustie fiind sursă energetică sau bateriile

electrice de stocare a energiei electrice preluate din reţea.

În acest context, utilizarea biocombustibililor apare ca o soluţie viabilă

deoarece răspunde principalelor cerinţe, cum ar fi: sunt regenerabili, sunt

biodegradabili, şi au un impact mai redus aspra mediului.

În Europa, datorită politicilor agricole, opţiunea utilizării biocarburanţilor pentru

alimetarea autovehiculelor constituie o puternică premisă pentru dezvoltarea durabilă

a sectorului agricol şi a sectorului de transport.

România, în perspectiva integrării în Uniunea Europeană va trebui să adopte

politicile Comunitare în toate domeniile iar prin aplicarea acestora se va confrunta cu

o limitare a suprafeţelor agricole destinate producţiei alimentare. Pe de altă parte, va

trebui să aplice politicile Comunitare privind calitatea combustibililor şi de mediu. Din

corelaţia acestor politici rezultă că România poate deveni în perioada următoare un

important furnizor şi utilizator de biocombustibili.

5.2. TENDINŢELE ACTUALE ÎN EVOLUŢIA TRANSPORTURILOR 5.2.1. Evoluţia cererii de transport în Europa

Studii publicate au arătat că între anii 1975 – 1990 ratele creşterii anuale de

transport măsurate în tone – km şi călători – km au fost de 2,8% în Europa şi 2,3% în

Statele Unite şi de 2,6% în Japonia (pentru rate anuale de creştere a PIB de 2,6%,

Page 58: Curs Motoare

PARTEA I – COMBUSTIBILI ALTERNATIVI

58

2,8% şi respectiv 4,2%). S-a constatat pentru această perioadă că rata de creştere a

cererii de transport nu urmăreşte întotdeauna rata de creştere a PIB.

La programarea infrastructurilor specialiştii din ţările Uniunii Europene au luat

în calcul că în perioada 2000-2010 va exista o creştere diferenţiată pe ţări a creşterii

de transport dar care va prezenta şi câteva puncte comune, cum ar fi:

1. Creşterea cererii de transport va fi datorată mai mult măririi distanţelor

parcurse decât volumului de mărfuri şi al persoanelor transportate;

2. Cel mai probabil, ritmul de creştere al PIB va fi mai mult sau mai puţin

deconectat de ritmul de creştere al cererii de transport;

3. Fluxurile de transport se concentrează în general pe axele rapide;

4. Cele mai frecvente preocupări vor viza creşterea puternică a traficului naţional

şi internaţional, circulaţia urbană şi regională putând genera poluare şi

consumul resurselor aparent rare.

5.2.2. Consumul de energie şi poluarea atmosferică Ţările dezvoltate consumă 80% din energia mondială utilizată pentru

transporturile rutiere.

Dacă ne referim acum la transporturile rutiere, ele consumă mai mult de 90%

din consumul energetic al sectorului transporturi pe plan mondial, combustibilii

utilizaţi fiind legaţi cvasi-exclusiv de petrol, consumul energetic situându-se în 1988 la

1,12 Gtep având un trend de creştere la 2,76 Gtep în 2020 şi de 5,06 Gtep în 2060,

când se aşteaptă dublarea parcului mondial de autovehicule. În aceste condiţii,

gazele cu efect de seră vor fi multiplicate cu 2,7, tone echivalent în carbon, în raport

cu 1992. Ponderea emisiilor de CO2 datorată vehiculelor utilitare va creşte de la 1/3

din globalul de CO2 al anului 1988 la 2/3 în 2060.

Se apreciază în studiile publicate că toate rezervele de petrol accesibile pot

asigura consumul energetic la actualul ritm de dezvoltare pe o perioadă de 40 ani şi

de 75 ani dacă se vor utiliza şi alte resurse fosile cum ar fi şisturile bituminoase.

Problema energiei necesare mobilităţilor de persoane şi de mărfuri trebuie

pusă în mod serios pentru următorii 50 de ani.

În ceea ce priveşte mediul înconjurător se apreciază că în 2010 principala

sursă de emisii de CO vor fi vehiculele cu motoare cu aprindere prin scânteie iar

principala sursă de emisii de NOx vor fi vehiculele dotate cu motoare Diesel. Cele

Page 59: Curs Motoare

Uleiuri vegetate

59

două tipuri de motoare se consideră că vor avea emisii de hidrocarburi nearse

sensibil egale.

Tabelul 5.1 Perspective asupra emisiilor poluante ale autovehiculelor

Joumard 1994

Renault* PSA** PSA** MIES 1990-2000

Corinair 1985-2000

Emisia

Sector transport

Autovehicule

Autovehicule

Autoturism

Sector transport

Sector transport

CO2 +22% - - - - +20%

CO -75% -80% -83% -85% -60% -40%...

-60%

HC -60% -75% -83% -91% -50% -40%...

-60%

NOx -33% -65% -52% -72% -35% Constant

Particul

e Constant Constant -45% -28% - -

* ipoteză: 50% din parc cu motoare Diesel în 2010; ** ipoteză: 40% din parcul de autoturisme, 80% vehicule utilitare şi 100% autovehicule grele cu motoare Diesel în 2010. Raportul din 1994 al grupului DRI/McGraw Hill estima că emisiile de CO2 ale

Uniunii Europene vor creşte cu 6,4% între anii 1990 şi 2000 dintre care 80% îi vor

reveni transportului iar pentru anii 2000 – 2015 emisiile vor creşte cu 15% din care

40% îi vor reveni sectorului transport în ipoteza că centralele electrice nucleare se

vor închide şi vor fi folosite centrale electrice cu combustibili fosili. În consecinţă,

efectul de seră se va accentua în următorii ani.

Un alt aspect care nu trebuie neglijat îl constituie creşterea continuă a

conţinutului de ozon troposferic. În 1800 conţinutul de ozon se situa la nivelul a 5 …

15 µg/m3 ca în 1991 să se ridice la 30 … 50 µg/m3.

Se estimează că în 20 de ani conţinutul de ozon va atinge valori de 75 … 80

µg/m3. Pentru a limita creşterea concentraţiei de ozon troposferic trebuie să se

limiteze şi să se diminueze emisiile de precursori ai ozonului.

Un alt efect care îngrijorează este rarefierea stratului de ozon stratosferic care

protejează lumea vie de radiaţiile ultraviolete.

Page 60: Curs Motoare

PARTEA I – COMBUSTIBILI ALTERNATIVI

60

5.3. CARACTERISTICILE DETERMINANTE ALE COMBUSTIBILILOR PENTRU PROCESELE DE AMESTECARE, AUTOAPRINDERE ŞI ARDERE Combustibilii destinaţi alimentării motoarelor pentru autovehicule trebuie să îndeplinească o serie de condiţii dintre care cele mai importante sunt:

1. Să asigure pornirea sigură şi rapidă a motorului pentru orice temperatură a

mediului ambiant;

2. Sa asigure funcţionarea sigură a motorului cu un randament cât mai ridicat;

3. Să nu producă solicitări mecanice şi termice ridicate precum şi uzuri

exagerate;

4. Să ardă complet, fără a produce emisii poluante dăunătoare sănătăţii umane

şi mediului ambiant;

5. Sa nu aibă o acţiune corozivă asupra materialelor cu care vine în contact;

6. Să poată fi transportat, depozitat şi distribuit în siguranţă şi să-şi menţină

proprietăţile în timp;

7. Să aibă un preţ acceptabil;

8. Să fie în cantitate suficientă.

La motorul cu aprindere prin comprimare, combustibilul convenţional este

motorina.

Următoarele proprietăţi intervin în procesele de formare a amestecului aer-

combustibil, autoaprindere şi ardere la utilizarea motorinei ca şi la ultilizarea

biocombustibililor.

Compoziţia fracţionată

Defineşte uşurinţa de vaporizare a combustibilului.

La motorul cu aprindere prin comprimare compoziţia fracţionată influentează

viteza de vaporizare a picăturilor de combustibil şi autoaprinderea.

Pe curba de distilare a combustibilului se precizează trei puncte de fierbere şi

anume punctele la care distilă 10%, 50% şi 90% dintr-un volum de combustibil. Ele

se notează cu t10, t50 respectiv t90.

De exemplu, la creşterea lui t50 de la 232 °C la 288 °C, conţinutul de fum din

gazele de evacuare creşte cu 30%. Fracţiunile grele din combustibil au cifra cetanică

mai mare, adică o mai mare uşurinţă la autoaprindere cu toate că mărirea

temperaturii t50 de la 225 °C la 285 °C a condus la creşterea timpului de pornire de

nouă ori.

Page 61: Curs Motoare

Uleiuri vegetate

61

Densitatea

Densitatea reflectă conţinutul de fracţiuni uşoare din combustibil şi

influenţează direct unele caracteristici ale combustibilului, ca indicele Diesel.

Densitatea motorinelor se situează în limitele 820-900 kg/m3.

Viscozitatea

Viscozitatea influenţează caracteristica jetului de combustibil, rezistenţa la

deplasarea combustibilului prin conductă, ungerea pieselor în mişcare din sistemul

de injecţie.

Limita superioară a viscozităţii este impusă de calitatea de pulverizare a

combustibilului şi de calitatea de fluiditate.

Pentru motorul cu aprindere prin comprimare, prezintă interes fluiditatea

combustibilului la temperaturi scăzute deoarece viscozitatea scade la reducerea

temperaturii. Viscozitatea motorinei este de 1,2-17 °E20 sau 2,5-8,5 cSt (2,5·10-6 –

8,5·10-6 m2/s).

Tensiunea superficială

Tensiunea superficială influenţează pulverizarea combustibilului deoarece

este determinată de lucrul mecanic necesar pentru mărirea suprafeţei lichidului

[kJ/m2 sau N/m]. Ea scade cu creşterea temperaturii şi presiunii şi creşte cu

conţinutul de fracţiuni grele din combustibil.

Cifra cetanică (CC)

Reprezintă uşurinţa la autoaprindere a combustibilului. Pentru motorul cu

aprindere prin comprimare este cea mai importantă caracteristică deoarece de ea

depinde uşurinţa pornirii şi funcţionarea normală a motorului. Cifra cetanică se

determină prin compararea combustibilului cu un amestec etalon (cetan, căruia i se

atribuie cifra cetanică 100 şi α-metil-naftalenul căruia i se atribuie cifra cetanică 0).

Indicele Diesel (ID)

ID apreciază uşurinţa de autoaprindere. Cu cât ID este mai mare, cu atât cifra

cetanică este mai mare. Pentru motorină, ID=45-53.

Page 62: Curs Motoare

PARTEA I – COMBUSTIBILI ALTERNATIVI

62

Punctul de congelare

Este temperatura la care combustibilul îşi pierde fluiditatea şi poate cauza

întreruperea alimentării motorului.

Indicele de cocs (IC)

Reprezintă procentul de cocs care se formează la încălzirea unei mase de

combustibil. IC=(mcs/mc)·100 – unde mcs este masa de cocs, mc este masa de

combustibil.

Puterea calorică

Căldura degajată în exterior prin arderea completă a unităţii de cantitate (kg,

kmol, m3) de substanţă combustibilă se numeşte căldura de reacţie.

Căldura de reacţie depinde de natura combustibilului şi de condiţiile de

presiune, temperatură, volum, în care se desfăşoară reacţia.

Căldura de reacţie precizată la presiunea constantă de 0,1 MPa şi

temperatura constantă de 273 °K se numeşte putere calorică.

Când puterea calorică include şi căldura de vaporizare se numeşte putere

calorică superioară (Qs).

În motoarele cu ardere internă, produsele de ardere se evacuează la o

temperatură superioară temperaturii de condensare a vaporilor de apă, de aceea,

prin ardere se degajă mai puţină căldură decât Qs. Dacă se scade din Qs căldura de

vaporizare a apei se obţine puterea calorică inferioară Qi.

Puterea calorică pentru motorină este 41850 [kJ/kg]. Puterea calorică

inferioară poate fi calculată cu o formulă care dă valori satisfăcătoare:

Qi = 34013c + 125600h – 10900(o – s) – 2512(9h + u) [kJ/kg]

unde:

c,h,o,s,u – fracţiunile masice de carbon, hidrogen, oxigen, sulf şi umiditate din

combustibil.

5.4. TENDINŢE DE UTILIZARE A BIOCOMBUSTIBILILOR DIESEL

La ora actuală agricultura europeană este victima propriului succes şi

problema supraproducţiei alimentare tinde să schimbe sistemul de plăţi al fermierilor.

Plata fermierilor se realizează pentru acele culturi ale căror fermieri acceptă ca o

Page 63: Curs Motoare

Uleiuri vegetate

63

parte a pământului lor să rămână necultivată (în rezervă) ei netrebuind să crească

producţia agricolă pentru a primi subvenţiile.

Cultivarea pământului în rezervă este admisă numai pentru plantele

“energetice” cum ar fi rapiţa, uleiul de rapiţă putând fi utilizat ca substitut al motorinei

pentru motoarele Diesel.

Această idee nu este nouă. Rudolf Diesel, inventatorul motorului cu aprindere

prin comprimare a prezentat prototipul motorului la Expoziţia de la Paris în 1900,

alimentat cu ulei de arahide.

Cele mai multe din motoarele Diesel actuale au fost dezvoltate să funcţioneze

pe bază de motorină obţinută din petrol şi dacă ele ar funcţiona pe bază de ulei de

rapiţă, pulverizatorul s-ar înfunda datorită procesului de cocsare al uleiului iar

ungerea motorului ar fi compromisă datorită degradării uleiului de ungere. Există

două soluţii tehnice:

Modificarea motorului pentru a fi alimentat cu uleiuri vegetale. Motorul Elsbett,

dezvoltat în Germania funcţionează cu o gamă largă de combustibili printre care şi

uleiuri vegetale. Dificultatea majoră este ca producţia de uleiuri vegetale să fie

semnificativă pentru a fi implementată în infrastructură şi acele motoare să devină

viabile din punct de vedere comercial.

Modificarea uleiurilor. Acesta este un simplu proces chimic de transesterificare prin

care se produce ester metil de rapiţă (Rape methyl ester RME) care are proprietăţi

apropiate de motorina obţinută din petrol. Prin prelucrarea seminţelor oleaginoase se

obţin ca subprodus turte cu înalt conţinut de proteine pentru hrana animalelor şi

glicerină.

O a treia cale posibilă o constituie filtrarea uleiurilor vegetale pentru

îndepărtarea impurităţilor şi amestecarea cu motorină în proporţie de 20% sau mai

mult.

Page 64: Curs Motoare

PARTEA I – COMBUSTIBILI ALTERNATIVI

64

Seminţe

- turte (hrană animalieră)

Extragere ulei

ulei + metanol + catalizatori

Distilare

- glicerină (uz farmaceutic, hrană

animalieră)

Biocombustibil

Metanol (reutilizabil)

Fig. 5.1. Schema de principiu de obţinere a biocombustibililor Diesel şi a

subproduselor plecând de la seminţele (fructele) oleaginoase

5.4.1. Ce este biocarburantul Diesel ? Biocarburantul Diesel (ester alchil ai acizilor graşi) este un înlocuitor al

motorinei obţinut din resurse naturale regenerabile, cum ar fi uleiurile vegetale şi

grăsimile animale.

Amestecat până la 20% în motorină poate fi utilizat aproape în toate motoarele

Diesel şi este compatibil cu majoritatea echipamentelor de stocare şi distribuţie.

Proporţiile mici de amestecare nu necesită nici o modificare asupra motoarelor, ele

asigurând aceleaşi performanţe ca şi motorina pură.

Amestecurile mai bogate în biocombustibili Diesel sau biocombustibilul pur

(B100) pot fi utilizate de motoarele construite după 1994 fără sau cu mici modificări .

Transportul şi stocarea în acest caz poate necesita un management special.

Page 65: Curs Motoare

Uleiuri vegetate

65

Utilizarea biocombustibililor Diesel într-un motor Diesel convenţional reduce

substanţial emisiile de hidrocarburi nearse, oxid de carbon, sulfaţi, hidrocarburi

aromatice policiclice, hidrocarburi aromatice policiclice nitrate şi particule. Aceste

reduceri cresc cu cantitatea de biocombustibil Diesel aflat în motorină, atingând

maximul pentru biocombustibilul Diesel pur B100.

Utilizarea biocombustibililor Diesel conduce la micşorarea fracţiunii de carbon

solid din particule (oxigenul aflat în combustibil este capabil să producă arderea mai

completă a acestuia) şi să reducă fracţiunea de sulfaţi (biocombustibilii Diesel conţin

mai puţin de 24 ppm sulf) în timp ce fracţiunile solubile sau fracţiunile de hidrocarburi

rămân în aceleaşi concentraţii. Biocombustibilii Diesel se comportă bine cu noile

tehnologii de tratare a gazelor cum ar fi convertorul catalitic de oxidare (care reduce

fracţiunile solubile ale particulelor dar nu şi fracţiunile de carbon solid).

Emisiile de oxizi de azot cresc cu concentraţia de biocombustibili Diesel din

motorină dar există aditivi care adăugaţi pot inhiba această creştere.

Tabelul 5.2. Caracteristicile fizice ale biocombustibililor Diesel (B100) şi motorinei Nr. Crt. Caracteristici Biocombustibil

Diesel (B100) Motorină

1 Densitate specifică 0,87-0,89 0,85 2 Viscozitate cinematică la 40 °C 3,7-5,8 1,3-4,1 3 Cifra cetanică 46-70 40-55 4 Sulf [%] 0,0 0,05 max. 5 Punctul de tulburare [°C] (-3)-12 (-15)-5 6 Punctul de limpezire [°C] (-15)-16 (-35)-(-15) 7 Indicele de iod 60-135 - 8 Puterea calorică interioară [kJ/kg] 36856-37985 42355 9 Amestecul stoichiometric (λ) 13,8 15 10 Punctul de fierbere [°C] 182-338 188-343 11 Punctul de aprindere [°C] 100-170 60-80 12 Carbon [%] masice 77 87 13 Hidrogen [%] masice 12 13 14 Oxigen [%] masice 11 0 15 Apă [ppm/kg] 0,05% max. 161 16 Temperatura de autoaprindere [°C] 316 - 17 Compoziţia combustibilului C12-C22 C10-C21 Biocombustibilii Diesel se pot obţine din uleiuri vegetale proaspete sau uzate

şi din grăsimi animale care sunt resurse regenerabile netoxice şi biodegradabile.

Grăsimile şi uleiurile sunt supuse unor reacţii cu un alcool – metanolul este cel mai

utilizat pentru a obţine compuşi cunoscuţi ca esteri metil ai acizilor graşi.

Page 66: Curs Motoare

PARTEA I – COMBUSTIBILI ALTERNATIVI

66

5.4.2. Comportarea biocarburanţilor Diesel în procesele de formare a amestecului aer-combustibil, ardere şi formare a emisiilor poluante

S-au efectuat numeroase studii care au examinat performanţele şi emisiile

poluante ale motoarelor Diesel care au utilizat uleiuri vegetale drept combustibil.

Datorită diferenţelor fizice în comparaţie cu motorina (cum ar fi viscozitatea mai

ridicată) există probleme la pulverizarea biocombustibililor precum şi a mecanismelor

de formare a depozitelor pe timpul arderii acestora.

Pentru a înţelege mecanismele de vaporizare şi de ardere ale jetului de

biocombustibil în motorul Diesel este necesar să se izoleze şi să se studieze o

picătură din jetul de combustibil.

Cercetări efectuate privind mecanismul de vaporizare a picăturilor S-au

efectuat numeroase studii care au examinat performanţele şi emisiile poluante ale

motoarelor Diesel care au utilizat uleiuri vegetale drept combustibil. Datorită

diferenţelor fizice în comparaţie cu motorina (cum ar fi viscozitatea mai ridicată)

există probleme la pulverizarea biocombustibililor precum şi a mecanismelor de

formare a depozitelor pe timpul arderii acestora.

Pentru a înţelege mecanismele de vaporizare şi de ardere ale jetului de

biocombustibil în motorul Diesel este necesar să se izoleze şi să se studieze o

picătură din jetul de combustibil.

Cercetări efectuate privind mecanismul de vaporizare a picăturilor În funcţie

de compoziţia chimică a uleiurilor vegetale şi a esterilor lor, cantitatea de reziduuri

care se formează poate fi mai mare sau mai mică.

Pentru diferite uleiuri vegetale, ierarhia în funcţie de viteza de vaporizare a

picăturilor din jet este următoarea:

cocos > palmier > floarea soarelui > rapiţă > bumbac > soia > in

Pentru îmbunătăţirea folosirii uleiurilor vegetale drept biocombustibili şi pentru

diminuarea efectului asupra mediului este necesar să se înţeleagă procesele chimice

care au loc pe timpul arderii şi să se identifice produsele formate pe timpul reacţiilor

de piroliză şi oxidare.

Sunt studii care s-au efectuat pentru a analiza cracarea termică a uleiurilor

vegetale. În funcţie de natura uleiurilor vegetale şi de temperatură (400-500 °C)

reacţiile de piroliză transformă cei mai mulţi esteri ai trigliceridelor în oxizi carboxilici.

Lanţurile nesaturate sunt transformate în hidrocarburi aromatice.

Page 67: Curs Motoare

Uleiuri vegetate

67

Pe timpul pirolizei uleiului de floarea soarelui au fost identificaţi următorii

compuşi: alcani, alcene, diolefine, acizi carboxilici şi aromatici.

În funcţie de temperatură, degradarea termică a uleiurilor vegetale este o

polimerizare (200-300 °C). Peste 300 °C, uleiurile se degradează în acroleină,

cetene şi acizi graşi formând alcani şi alcene. La peste 500 °C se formează un

amestec gaz-lichid.

Principalii compuşi ai pirolizei esterului metil de rapiţă sunt: alcani, alcene,

hidrocarburi aromatice (benzen şi toluen), metil-esteri (saturaţi şi nesaturaţi). Etilena

este produsul principal la temperaturi ridicate (850 °C) în timp ce esterii metil se

descompun în produşi secundari în intervalul de temperatură 600-800 °C.

Metil esterii uleiurilor vegetale se evaporă ca şi componenţi puri după o fază

importantă de preîncălzire.

Cercetările experimentale efectuale în bombe de cercetare la presiuni de 0,3-2

MPa şi temperaturi cuprinse între 900-2000 °K cu diferite dozaje aer-combustibil au

fost înregistrate cu aparate video de mare viteză. Amestecuri omogene şi heterogene

au putut fi obţinute prin injecţia combustibilului înainte sau după reflectarea undei de

şoc.

Amestecul aer-metil ester de rapiţă arde într-un mod diferit de amestecul aer-

motorină unde flacăra este aproximativ uniformă. La utilizarea uleiului vegetal,

pungile care conţin combustibilul aprins persistă pe o perioadă mai lungă, ceea ce se

explică prin existenţa unor picături de dimensiuni mai mari şi care ard cu flacără

difuzivă într-un timp mai lung decât cel disponibil în motor.

Dacă se realizează o injecţie secundară mai târziu, în condiţiile de

temperatură şi presiune ridicată atunci apare o ardere rapidă în tot volumul de

reacţie. Efectul imediat este că piroliza combustibilului la temperatură ridicată dă

emisii mai reduse.

Cantitatea de funingine rezultată din arderea uleiurilor este mai redusă decât

la arderea motorinei.

Analiza funinginii a scos în evidenţă existenţa hidrocarburilor aromatice

policiclice care sunt diferite de cele date de combustibilii clasici.

Cercetări experimentale efectuate cu mai multe tipuri de pulverizatoare au

demonstrat că se poate acţiona asupra proceselor din cilindrii motorului prin influenţa

pe care o are asupra procesului de atomizare a biocarburantului Diesel.

Page 68: Curs Motoare

PARTEA I – COMBUSTIBILI ALTERNATIVI

68

Prin înălţarea poziţiei de pulverizare se poate acţiona asupra formării

amestecului şi arderii, consecinţa fiind scăderea emisiilor de oxizi de azot însă cresc

cantităţile celorlalţi poluanţi iar performanţele generale ale motorului se înrăutăţesc.

Întârzierea injecţiei biocarburantului Diesel determină scăderea cantităţii de

oxizi de azot formaţi.

Modificarea concomitentă a poziţiei pulverizatorului şi momentului de injecţie

poate determina o reducere cu 75% a cantităţilor de poluanţi din camera de ardere.

Pentru motorul încercat, pierderea de putere la turaţia maximă a fost de 17%, de

10% la o turaţie mai scăzută şi neglijabilă la turaţii mici.

5.4.3. Beneficiile utilizării biocarburanţilor Diesel Biocombustibilii Diesel pot fi utilizaţi în orice motor Diesel convenţional fără

modificări constructive care să producă conversia motorului spre combustibilul

alternativ. Biocombustibilii Diesel pot fi stocaţi oriunde, ca şi motorina, toată

infrastructura de alimentare incluzând: pompe, rezervoare, autocisterne putând fi

utilizată fără modificări. Utilizarea biocombustibililor Diesel reduce emisiile de dioxid

de carbon cu 100% (CO2 cauzând “efectul de seră”).

Biocombustibilii Diesel pot fi folosiţi singuri 100% (B100) sau în orice amestec

cu motorina. Un amestec de 20% biocombustibil cu motorină este numit “B20”, un

amestec de 5% biocombustibil cu motorină este denumit “B5”.

Biocombustibilii au calităţi de ungere superioare motorinei, ceea ce conduce la

mărirea duratei de funcţionare a motorului şi poate să înlocuiască sulful ca agent

lubrifiant care prin ardere produce dioxid de sulf care conduce la formarea ploilor

acide. În locul sulfului, în Franţa toate motorinele conţin 5% biocombustibil Diesel.

Biocombustibilul Diesel poate fi manipulat în siguranţă fiind biodegradabil şi

netoxic. Conform “National Biodiesel Board”, biocombustibilul Diesel este

biodegradabil ca zahărul şi mai puţin toxic decât sarea.

Transportul biocombustibililor Diesel este mai sigur deoarece are temperatura

de aprindere de aproximativ 148,9 °C pe când temperatura de aprindere a motorinei

este de 51,6 °C.

Motorul Diesel alimentat cu biocombustibil Diesel are aceeaşi autonomie ca şi

la funcţionarea cu motorină. Autoaprinderea, consumul de combustibil, puterea şi

cuplul motor nefiind afectate de funcţionarea cu biocombustibil.

Mirosul generat la funcţionarea motorului cu biocombustibil Diesel este plăcut

în comparaţie cu mirosul emanat la funcţionarea cu motorină.

Page 69: Curs Motoare

Uleiuri vegetate

69

5.5. POLITICILE DE UTILIZARE A BIOCOMBUSTIBILILOR La începutul noului mileniu, întreaga lume este preocupată de riscurile

datorate poluării, încălzirii planetei şi degradării mediului înconjurător. Datorită

incertitudinii siguranţei de aprovizionare cu petrol pe de o parte şi datorită aportului

important la poluarea globală al sectorului de transport, se caută noi resurse

energetice regenerabile şi care să răspundă mai bine cerinţelor de mediu pentru a fi

folosite în acest sector.

Biocombustibilii Diesel provin din resurse regenerabile, fiind biodegradabil şi

netoxic Biocarburantul Diesel este un combustibil alternativ precum şi un aditiv

lubrifiant al motoarelor Diesel. El este un ester metilic sau etilic al uleiurilor vegetale

sau grăsimilor animale.

Biocarburantul Diesel poate fi utilizat în stare pură sau în amestec cu benzina

sau motorina convenţională. El poate fi fabricat pornind de la numeroşi produşi,

incluzând grăsimile animale, uleiuri vegetale pure sau reciclate, provenite din culturi

de soia, arahide, porumb, rapiţă, floarea soarelui şi măsline. Biocarburantul Diesel

poate fi obţinut şi din derivaţi oleaginoşi de calitate inferioară, uleiuri uzate în

bucătăria restaurantelor şi din uleiul produs de anumiţi lăstari rezultaţi ca rebuturi în

industria lemnului. Biocombustibilii Diesel utilizaţi drept combustibili alternativi, ca şi

aditivi lubrifianţi atrag din ce în ce mai mult atenţia în funcţie de interesul crescând al

societăţii pentru problemele ecologice şi de dezvoltare a tehnicilor economice de

obţinere.

Problemele acute de mediu cu care se confruntă omenirea sunt:

creşterea concentraţiei de ozon troposferic;

încălzirea globală a planetei;

Ozonul aflat la suprafaţa solului provoacă probleme respiratorii oamenilor şi

moartea plantelor. Ozonul troposferic nu ajută la ridicarea concentraţiei ozonului

stratosferic care protejează planeta de radiaţiile ultraviolete. Mai mulţi compuşi

reacţionează sub acţiunea radiaţiei solare pentru a forma ozonul de suprafaţă.

Această formă a ozonului în combinaţie cu umiditatea şi particulele aflate în

suspensie creează smogul, forma vizibilă a poluării aerului. Precursorii chimici ai

ozonului de suprafaţă sunt: oxidul de carbon, hidrocarburile nearse, benzenul, oxizi

nitroşi şi nitrici.

“Efectul de seră” constă în reţinerea razelor solare de către atmosferă.

Sinonimul este încălzirea planetei şi se manifestă prin mărirea temperaturii medii

Page 70: Curs Motoare

PARTEA I – COMBUSTIBILI ALTERNATIVI

70

terestre, care provine din creşterea concentraţiilor gazelor cu efect de seră provenite

din activităţile industriale, transporturi şi creşterea populaţiei. Gazele cu efect de seră

includ: dioxidul de carbon, metanul şi oxizii de azot.

“Schimbările climatice” se referă la mai multe schimbări ale condiţiilor

meteorologice rezultate din încălzirea planetei. O creştere importantă a temperaturii

medii planetare va modifica parametrii agricoli şi va topi calotele glaciare polare

determinând ridicarea nivelului mărilor şi inundarea regiunilor costiere joase.

Utilizarea biocarburanţilor Diesel ca înlocuitor al motorinei sau în amestec cu

aceasta poate conduce la reducerea emisiei gazelor cu efect de seră deci, aceşti

carburanţi oferă o oportunitate de a contribui la ridicarea calităţii aerului prin

reducerea emisiilor de: sulf, oxid de carbon, aldehide, compuşi aromatici,

hidrocarburi, particule şi dioxid de carbon în comparaţie cu combustibilii derivaţi din

petrol. Reducerea emisiilor poluante este foarte importantă în marile oraşe şi în

spaţiile înguste cu o ventilaţie slabă ca de exemplu în mine.

Încercările conduse de National Biodiesel Board şi U.S. Environmental

Protection Agency care au dat aprobările pentru biocarburantul Diesel ca potenţial

înlocuitor al motorinei au arătat că emisiile poluante date la utilizarea biocarburantului

Diesel în comparaţie cu motorina sunt mai reduse cu: 50% oxid de carbon, 30%

particule (legate de problemele respiratorii), 30% aldehide, 95% hidrocarburi, 50-95%

compuşi aromatici suspectaţi ca fiind cancerigeni şi eliminarea completă a emisiilor

de oxid de sulf şi sulfaţi care sunt prezenţi în centrele urbane şi mine şi care pot

provoca probleme respiratorii sau cardiace, consecinţa fiind moartea prematură.

Când biocombustibilul a efectuat un ciclu complet, emisiile de dioxid de carbon sunt

extrem de reduse.

Dioxidul de carbon emis în timpul producţiei de biocarburant şi în timpul arderii

în motor este egal cu cel absorbit de plante pe timpul creşterii lor.

Emisiile sunt mai reduse şi din cauza unor mai bune proprietăţi de ungere,

National Renewable Energy Laboratory determinând că efectul consumării de

biocombustibil pur la efectuarea unui ciclu complet este acela că emisia de dioxid de

carbon este mai redusă cu 78%.

Emisiile de oxizi de azot pot creşte în cazul utilizării biocarburanţilor însă

aceste emisii pot fi controlate cu ajutorul convertoarelor catalitice sau prin întârzierea

aprinderii.

Page 71: Curs Motoare

Uleiuri vegetate

71

Bilanţul de mediu al biocombustibililor este mai bun decât în cazul

combustibililor convenţionali.

La utilizarea unui amestec de motorină cu 20% biocarburant, s-au constatat

reduceri ale emisiilor poluante cu: 20% oxid de carbon, 22% particule, 30%

hidrocarburi, 13-50% compuşi aromatici. Emisiile de sulf sunt mai reduse cu 20%

însă emisiile de oxizi de azot pot creşte cu 2%. Când se efectuează un ciclu complet

, amestecul motorină + biocombustibil determină reducerea dioxidului de carbon cu

16% comparativ cu motorina pură.

Tabelul 5.3. Valorile de reducere a emisiilor poluante

Poluant B100 B20 CO -50% -20% PM -30% -22% Aldehide -30% Nespecificat HC -95% -30% SO2 Eliminat Nespecificat SO3 Eliminat -20% NOx -4% … +13% 0 … +2% CO2 -70% -16% Riscul de incendiu la utilizarea biocarburantului Diesel este mai redus decât în

cazul motorinei.

La utilizarea biocombustibilului Diesel pur, acesta este complet biodegradabil.

Când biocarburantul este utilizat în amestec cu motorina biodegradabilitatea

amestecului este de trei ori mai ridicată decât în cazul motorinei. Datorită

biodegradabilităţii, deversările accidentale de biocarburant sunt mai puţin

periculoase. De asemenea, el nu necesită o depozitare specială. Datorită toxicităţii

reduse şi biodegradabilităţii, biocombustibilii sunt recomandaţi să fie utilizaţi în zone

ecologice sensibile (căile marine).

National Renewable Energy Lab a realizat o analiză a ciclului complet al

biocarburantului. Cel mai bun bilanţ energetic pentru industrie, utilizând soia este de

3,24 la 1 ceea ce înseamnă că energia produsă de biocombustibil este de 3,24 ori

aceea cerută pentru creşterea bobului de soia şi la producerea biocombustibilului.

Potenţialul pentru industrie când producătorii utilizează tehnici până la punctul final

este de 4,1 la 1.

Materialele oleaginoase din care provin biocombustibilii Diesel sunt reciclabile.

Producerea de biocombustibili Diesel prezintă o bună oportunitate de a utiliza

Page 72: Curs Motoare

PARTEA I – COMBUSTIBILI ALTERNATIVI

72

grăsimile vegetale uzate utilizate în restaurante. Seminţele de rapiţă amestecate cu

un gel pot fi utilizate în criblură.

Datorită dezvoltării metodelor de producţie care sunt durabile şi care respectă

mediul, impactul producţiei agricole este minimizat.

a) Europa

În Europa primele cercetări privind posibilitatea de utilizare a biocombustibililor

au fost începute în anul 1970. Aceste cercetări s-au extins în timp şi în alte regiuni

cuprinzând Statele Unite şi Canada însă Europa se situează în fruntea acestui

demers. Astăzi instalaţiile europene pot produce peste 450.000 tone de

biocombustibil pentru motoarele Diesel. Trebuie notat faptul că acest progres a putut

fi atins în mare parte prin politicile de subvenţie şi alte programe puse în operă de

statele europene.

Uniunea Europeană pe de altă parte a impus o politică obligatorie pentru

statele membre în ceea ce priveşte cultivarea suprafeţelor agricole prin care se

limitează supraproducţia de produse alimentare în Europa aşa ca excedentul de

suprafeţe agricole poate fi utilizat la cultivarea plantelor oleaginoase.

Ţările care au pus accentul pe obţinerea de biocombustibili Diesel s-au înscris

în mod continuu în programele de mediu. De exemplu, Austria a început să

încurajeze utilizarea biomasei ca sursă energetică înainte de intrarea în vigoare a

politicii Uniunii Europene. Aşa că, promovarea biocombustibililor Diesel a apărut ca

alegerea logică în cadrul reglementărilor privind cultivarea terenurilor agricole.

În plus, densitatea populaţiei este mare şi problemele de poluare sunt grave,

ceea ce a determinat luarea unor măsuri prin care să se conserve mediul.

Pe de altă parte, în comparaţie cu alte ţări din lume, în Europa se întâlneşte o

proporţie ridicată de motorizări Diesel la autovehiculele care circulă în mediul urban.

Acest lucru determină biocombustibilii Diesel să devină combustibili privilegiaţi

datorită emisiilor poluante reduse pe care le generează la utilizarea lor la alimentarea

autovehiculelor.

Politica de restrângere obligatorie a culturilor agricole alimentare combinată cu

programele de mediu adoptate de Uniunea Europeană pentru reducerea poluării şi

de a încuraja utilizarea energiilor regenerabile, la care sunt adăugaţi factorii proprii

diferitelor ţări au favorizat dezvoltarea cu succes a industriei de biocarburanţi Diesel.

În anumite ţări, agricultorii primesc subvenţii suplimentare pentru a cultiva plante care

pot servi producţiei de biocombustibil Diesel. În acelaşi timp, un mare număr de ţări

Page 73: Curs Motoare

Uleiuri vegetate

73

încurajează cercetările privind dezvoltarea tehnologiilor de producţie şi utilizare a

biocombustibililor Diesel prin atribuirea de subvenţii şi reducerea taxelor fiscale.

Toate aceste facilităţi conduc la reducerea preţului biocombustibililor Diesel

raportat la carburanţii convenţionali, pe bază de petrol.

Ţările europene care nu au oferit subvenţii şi reduceri fiscale pentru a încuraja

punerea la punct a biocombustibililor Diesel nu au o industrie viabilă în acest sens.

b) Statele Unite şi Canada

În Statele Unite, interesul pentru biocombustibili Diesel a apărut înainte de

1980. În acea perioadă biocombustibilii Diesel erau în general percepuţi ca un

combustibil de înlocuire, acceptabili din punct de vedere tehnologic sau ca un produs

care putea fi amestecat cu motorina insă, costurile de producţie a biocombustibililor

erau prohibitive în comparaţie cu motorina şi ceilalţi derivaţi petrolieri.

Mai recent, adoptarea Clean Air Act Amendaments în 1990 şi Energy Policy

Act în 1992 au relansat activităţile axate pe comercializarea biocombustibililor Diesel

în Statele Unite.

Clean Air Act Amendaments a fost adoptat ca răspuns la problemele mediului

înconjurător. Aceste amendamente prevăd noi constrângeri normative pentru emisiile

poluante şi de asemenea punerea în practică a unor programe de reglementări

precise.

Aceste programe vizează emisiile produse de autobuzele urbane, motoarele

cu aplicaţii marine şi vehiculele “tous terrain” şi care vor necesita utilizarea unor

carburanţi mai puţin periculoşi pentru mediu.

Energy Policy Act (EPACT) a fost adoptat de Congresul american în 1992 cu

scopul de a creşte securitatea energetică a Statelor Unite prin promovarea

carburanţilor de înlocuire ca substitut al petrolului importat. În virtutea acestui

document trebuie ca începând din anul 2000, 75% din toate autovehiculele de stat şi

90% din parcurile de vehicule ale furnizorilor de combustibili de înlocuire, să fie

alimentate cu combustibili de înlocuire.

În Statele Unite, promotorii biocombustibililor Diesel au ales ca prim segment

de utilizare transportul urban, care ocupă un loc important pe piaţa de motorină şi

care este supus Clean Air Act Amendaments.

Se estimează că distribuţia de biocarburanţi Diesel va fi mai uşoară pentru

acele segmente sectoriale unde revitalizarea vehiculelor se realizează în depouri

centralizate. S-a constatat că această primă aplicare a biocombustibililor a fost de

Page 74: Curs Motoare

PARTEA I – COMBUSTIBILI ALTERNATIVI

74

succes pentru că astăzi un mare număr de firme de transport cu autobuze utilizează

acest carburant şi îl consideră drept un important carburant de înlocuire.

Sectorul de transport este actualul consumator de biocarburant Diesel în

Statele Unite.

La o scară mai redusă, biocarburanţii sunt utilizaţi la parcul de vehicule

reglementate, exploatările navale şi în aplicaţiile miniere.

Industria de biocarburant Diesel se găseşte într-un stadiu incipient,

biocarburantul Diesel nefiind încă subvenţionat de stat, în cea mai mare parte el fiind

utilizat cu titlu experimental, cercetările făcând în schimb obiectul unor subvenţii

acordate de stat.

Firma Procter&Gamble este principalul fabricant de biocombustibili Diesel în

Statele Unite. Această firmă vinde biocombustibili Diesel întreprinderilor distribuitoare

de carburanţi care la rândul lor îi vinde direct utilizatorilor finali. În 1994, societatea

Procter&Gamble a vândut 11.300 l de biocarburant care a fost utilizat drept

carburant. Recent, firma Twin Rivers Technologies Inc. a achiziţionat o veche uzină

de săpun a firmei Procter&Gamble cu scopul de a o transforma în uzină de

producere de biocarburanţi Diesel.

Costul de producţie a biocarburanţilor Diesel constituie în Statele Unite o frână

în comercializarea acestora.

În Statele Unite şi Canada, biocarburanţii Diesel trebuie să facă faţă atât

concurenţei combustibililor derivaţi din petrol cât şi altor carburanţi de înlocuire.

Canada a adoptat în 1995 legea asupra combustibililor de înlocuire prin care

se prevede utilizarea vehiculelor cu carburanţi de înlocuire în parcul guvernamental

de vehicule.

Drept combustibili de înlocuire sunt consideraţi metanolul, etanolul, gazul

natural, gazele petroliere lichefiate şi supercetanul. Metanolul este un alcool

carburant care poate fi produs plecând de la resurse regenerabile şi neregenerabile.

În Canada, metanolul este produs prin sintetizare din gaz metan. În SUA circulă

aproximativ 18.000 de vehicule alimentate cu metanol iar în Canada 500. Metanolul

este un carburant de înaltă performanţă însă este toxic şi are o putere calorică

inferioară benzinei.

Alcoolul etilic este un alt carburant ce se obţine prin fermentarea zaharurilor

conţinute în diverse fructe şi cereale. În Canada, producţia de etanol-carburant este

de aproximativ 21 milioane de litri. Acest carburant este vândut sub formă de

Page 75: Curs Motoare

Uleiuri vegetate

75

amestec sau combinat cu benzina în proporţie de 10% sau mai puţin, ceea ce nu

determină modificări asupra motoarelor autovehiculelor. La concentraţii ce depăşesc

20% alcool, motoarele trebuie să suporte modificări. La ora actuală sunt constructori

de motoare care pot utiliza fără modificări combustibili ce conţin mai mult de 80%

etanol. Etanolul este în general considerat ca un carburant neutru în ceea ce priveşte

emisia de dioxid de carbon, celelalte emisii fiind mai reduse în comparaţie cu

benzina, în plus, cifra octanică a etanolului fiind mai ridicată.

Gazele naturale pot fi utilizate drept carburant în motoarele cu ardere internă.

În Canada, mai mult de 36.000 de vehicule au fost convertite la funcţionarea cu gaze

naturale comprimate. Majoritatea vehiculelor sunt construite pentru a fi alimentate bi-

carburant, ceea ce înseamnă că aceste autovehicule pot fi alimentate fie cu un

combustibil clasic pe bază de petrol, fie cu un carburant de înlocuire, deci în cazul de

bază fie benzină, fie gaz natural. Gazele naturale sunt mai ieftine şi dau emisii

poluante mai reduse, şi în plus au o cifră octanică mai ridicată. Dezavantajul cu

funcţionarea la gaz natural este autonomia redusă şi necesitatea existenţei staţiilor

de comprimare a gazului natural pentru alimentarea autovehiculului. Canada oferă

numeroase subvenţii pentru convertirea vehiculelor la utilizarea gazelor naturale şi

pentru amenajarea staţiilor de alimentare.

Gazele petroliere lichefiate sunt în general sub produse ale tratării gazelor

naturale. În Canada circulă peste 170.000 de vehicule alimentate cu gaze petroliere

lichefiate şi care se pot alimenta din peste 5000 de staţii.

Supercetanul este un combustibil de înlocuire Diesel pus la punct în 1998 la

Saskatchewan Research Council şi are sursă primară uleiurile vegetale, grăsimile

animale şi uleiurile arborilor. Combustibilul de înlocuire obţinut este denumit

“supercetan” deoarece are o cifră cetanică ridicată. Procedeul de obţinere a

supercetanului este similar rafinării utilizate în industria petrolieră iar această

tehnologie de obţinere permite utilizarea lui în motoarele Diesel fără nici o modificare.

Supercetanul congelează la temperaturi mai ridicate şi este mai scump din cauza

costurilor ridicate ale materiei prime.

5.5.1 Disponibilitatea materiilor prime pentru uleiurile vegetale Sursele mondiale de uleiuri şi grăsimi vegetale asigură o cantitate de

aproximativ 62 milioane tone anual. O parte importantă din aceste uleiuri şi grăsimi

vegetale este destinată produselor alimentare iar o mică parte produselor chimice.

Page 76: Curs Motoare

PARTEA I – COMBUSTIBILI ALTERNATIVI

76

Utilizarea uleiurilor vegetale ca sursă a combustibililor este limitată, ea putând

fi evidenţiată în trei regiuni ale lumii: America de Nord, cu o producţie anuală de ulei

vegetal de aproximativ 17 milioane tone, Europa Continentală cu o producţie de

aproape 16 milioane de tone şi Asia de Sud Est cu o producţie de 8 milioane de tone.

Aceste trei regiuni produc mai mult de 66% din producţia mondială de uleiuri

vegetale.

Tabelul 5.4. Producţia mondială de uleiuri vegetale

Tipul de ulei Producţie [milioane tone] Soia 12,0 Rapiţă 8,5 Bumbac 5,0 Floarea Soarelui 7,0 Arahide 3,5 Nuci de cocos 2,6 In 0,5 Palmier 10,0 Măsline 1,6 Alte plante 10,9 Total 61,6

Repartiţia cantităţilor de ulei vegetal în funcţie de regiunile de producţie este

prezentată în următorul tabel.

Tabelul 5.5. Repartiţia regională a producţiei de uleiuri vegetale

Regiunea Milioane tone America de Nord 16,6 America de Sud 7,4 China 3,0 India, Pakistan, Bangladesh 3,7 Spaţiul Sovietic (fosta URSS) 6,2 Europa (fără Spaţiul Sovietic) 9,8 Africa 3,1 Malaiezia, Filipine, Indonezia 8,0 Alţii 3,8 Total 61,6

Astăzi, producţia mondială de uleiuri vegetale depăşeşte cererea alimentaţiei

umane, animaliere şi cererea industriei. Se estimează că din excedentul de ulei

vegetal se pot produce aproximativ 3-5 milioane de tone de biocarburant Diesel.

5.5.2. Caracteristicile materiei prime a biocarburanţior Diesel Biocarburantul Diesel este fabricat din uleiuri vegetale, grăsimi de bucătărie

reciclate şi grăsimi animale. Combustibilul conţine până la 14 acizi graşi diferiţi care

sunt transformaţi pe cale chimică în metil esteri ai acizilor graşi.

Page 77: Curs Motoare

Uleiuri vegetate

77

Tabelul 5.6. Formula structurală a acizilor graşi folosiţi la biocarburantul Diesel

Acidul gras

Nr. carbon şi duble legături

Structura chimică

Caprilic C8 CH3(CH2)6COOH

Capric C10 CH3(CH2)8COOH

Lauric C12 CH3(CH2)10COOH

Miristic C14 CH3(CH2)12COOH

Palmitic C16:0 CH3(CH2)14COOH

Palmitoleic C16:1 CH3(CH2)CH=CH(CH2)7COOH

Stearic C18:0 CH3(CH)16COOH

Oleic C18:1 CH3(CH2)7CH=CH(CH2)7COOH

Linoleic C18:2 CH3(CH2)4CH=CHCH2CH= CH(CH2)7COOH

Linolenic C18:3 CH3(CH2)2= CHCH2CH =CHCH2CH=CH(CH2)COOH

Arahidic C20:0 CH3(CH)18COOH

Eicosenic C20:1 CH3(CH2)7CH=CH(CH2)9COOH

Behenic C22:0 CH3(CH2)20COOH

Erucic C22:1 CH3(CH2)7CH=CH(CH2)11COOH

Diferite fracţiuni ale fiecărui tip de metil ester al acizilor graşi se găsesc în

seminţele sau fructele diferitelor plante.

5.5.3. Efectele caracteristicilor materiei prime asupra proprietăţilor biocombustibililor Diesel Biocarburantul Diesel, din punct de vedere chimic este simplu deoarece nu

conţine decât şase sau şapte esteri ai acizilor graşi.

De cele mai multe ori, esterii nu acoperă toate proprietăţile importante ale

carburantului cum ar fi: cifra cetanică, viscozitatea, punctul de tulburare, punctul de

curgere şi gradul de saturare. Proprietăţile carburantului sunt influenţate în egală

măsură de prezenţa impurităţilor. În consecinţă, proprietăţile biocombustibililor Diesel

sunt tributare alegerii materiei prime. În calitate de carburant alternativ al motorinei,

biodiesel-ul prezintă o cifră cetanică mai ridicată însă viscozitatea şi punctul de

tulburare sunt mai slabe.

Esterii acizilor graşi prezenţi în moleculele saturate şi în lanţurile carbonate

lungi au o cifră cetanică ridicată.

Page 78: Curs Motoare

Ester Densitate [kg/m3]

la 15,5 °C

Viscozitate cSt la 40 °C

Cifra cetanică

Putere calorică [MJ/kg]

Punct de amestec °C

Palmitat 867 4,37 74 39,4 30,6

Stearat 867 5,79 75 40,1 39,1

Oleat 878 4,47 55 39,9 -19,8

Linoleat 890 3,68 33 39,7 -35,0

PARTEA I – COMBUSTIBILI ALTERNATIVI

Proprietăţile esterilor componenţi în stare pură sunt prezentate în tabelul

următor:

Amestecul dintre biocarburantul Diesel şi motorină prezintă o relaţie aproape

liniară pentru cele mai multe dintre proprietăţile carburantului. La un amestec de 20%

biodiesel cu 80% motorină (B20), cele mai multe din proprietăţile amestecului sunt

mai apropiate de motorină decât de biocarburantul Diesel.

Prin comparaţie cu motorina, biocombustibilii Diesel au cifra cetanică,

viscozitatea şi punctele de tulburare şi de curgere mai ridicate.

78

Viscozitatea biocarburantului produs din ulei vegetal reciclat din restaurante şi

grăsimi animale este mai ridicată în comparaţie cu viscozitatea biocarburantului

Diesel produs din uleiuri vegetale virgine de soia şi rapiţă.

Proprietăţile de fluaj cum ar fi punctele de tulburare şi de curgere sunt

importante pentru utilizatorii de biocarburant Diesel la utilizarea pe timp de iarnă.

În general, biocombustibilii Diesel obţinuţi din grăsimi animale şi uleiuri

saturate reciclate au puncte de tulburare şi de curgere mai ridicate, ceea ce îi face

improprii pentru utilizare la temperaturi scăzute.

Diferite uleiuri şi grăsimi animale pot conţine diferite tipuri de acizi graşi, în

consecinţă şi proprietăţile biocarburantului Diesel sunt diferite după cum sunt

prezentate în tabelul următor.

Tabelul 5.7 Proprietăţile esterilor metilici ai acizilor graşi în stare pură

Page 79: Curs Motoare

PARTEA I – COMBUSTIBILI ALTERNATIVI

Tabelul 5.8. Proprietăţile biocombustibililor Diesel

CFPP – temperatura de curgere la limita filtrabilităţii. PID – punctul de început al distilării;PSD – punctul de sfârşit al distilării;

Nr. Crt. Carburant Cifra

cetanică

Punctul de limpezire [°C]

PID [°C]

T10 [°C]

T50 [°C]

T90 [°C]

PSD [°C]

Densitate [kg/m3]

Putere calorică sup. [MJ/kg]

Putere calorică inf. [MJ/kg]

Punct de tulburare [°C]

Punct de curgere [°C]

CFPP Viscozitate [cSt] la 40°C

Indice de iod

1 Motorină D2 40-52 60-72 185 210 260 315 345 850 44,9 43,4 (-25)-(-

15) (-25)-5 (-10)-(-20) 2,6 8,6

2 Ester metilic de soia

50,9 131 299 328 336 340 346 885 40,4 37,0 -0,5 -3,8 -4,4 4,08 133,2

3 Ester metilic de rapiţă

52,9 170 326 340 344 348 366 883 40,7 37,3 -4,0 -10,8 3,6 4,83 97,4

4 Ester etilic de soia 48,2 160 - - 336 344 - 881 40,0 - -1,0 -4,0 - 4,41 123,0

5 Ester etilic de rapiţă 64,9 185 - - - - - 876 40,5 - -2,0 -15,0 - 6,17 99,7

6 Ester metilic de untură

58,8 117 209 324 328 342 339 876 40,2 - 13,9 9,0 11 4,8 -

7 Ester etilic de ulei reciclat

61 124 - - - - - 872 40,5 37,2 9,0 8,0 - 5,78 -

Page 80: Curs Motoare

PARTEA I – COMBUSTIBILI ALTERNATIVI

80

Proprietăţile şi compoziţia chimică a biocarburantului Diesel depinde de

lungimea şi de gradul de nesaturare al acizilor graşi. Un acid saturat nu poate fi

hidrogenat chimic, pe când unul nesaturat poate fi. Acizii saturaţi au un punct de

congelare mai ridicat decât acizii nesaturaţi. Punctul de fierbere depinde de lungimea

lanţului de carbon fiind mai puţin influenţat de gradul de nesaturare. Efectele structurii

chimice asupra punctelor de amestecare si fierbere se aplică şi esterilor acizilor

graşi.

Tabelul 5.9. Efectul structurii chimice asupra punctelor de amestecare şi fierbere ale

acizilor graşi şi esterilor metilici

Acidul gras

Atomi de carbon

Punct de amestec al acidului [°C]

Punct de fierbere al acidului [°C]

Punct de amestec al esterului metilic [°C]

Punctul de fierbere al esterului metilic [°C]

Caprilic C8 16,5 239 -40 193 Capric C10 31,3 269 -18 224 Lauric C12 43,6 304 5,2 262 Miristic C14 58,0 332 19 295 Palmitic C16:0 62,9 349 30 415 Palmitoleic C16:1 33 - 0 - Stearic C18:0 69,9 371 39,1 442 Oleic C18:1 16,3 - -19,9 - Linoleic C18:2 -5,0 - -35 - Linolenic C18:3 -11,0 - - - Arahidic C20:0 75,2 - 50 - Eicosenic C20:1 23 - -15 - Behenic C22:0 80 - 54 - Erucic C22:1 34 - - -

Cifra cetanică Biocombustibilii Diesel au în general cifra cetanică mai ridicată decât a

motorinelor obişnuite. Efectul amestecării biocombustibililor cu motorina asupra cifrei

cetanice este o manifestare liniară în funcţie de conţinutul de esteri amestecaţi.

Cifra cetanică a biocarburanţilor Diesel depinde de conţinutul de acizi graşi din

materia primă din care provine uleiul vegetal. Dacă lanţul de carbon al acizilor graşi

este lung şi dacă moleculele sunt mai saturate atunci cifra cetanică a carburantului

este mai ridicată. Materiile nesaponificabile prezente în biocombustibilul Diesel nu

prezintă efecte asupra cifrei cetanice.

Page 81: Curs Motoare

Uleiuri vegetale

81

Densitatea Biocarburantul Diesel prezintă o densitate superioară care variază între 870-

890 kg/m3 faţă de motorină (aprox. 850 kg/m3). Densitatea carburantului influenţează

caracteristicile jetului de combustibil şi prin urmare procesele de formare a

amestecului aer-combustibil şi arderea.

Viscozitatea Viscozitatea este o altă proprietate importantă a biocombustibilului Diesel prin

care se influenţează asupra funcţionării sistemului de injecţie, în particular la

temperaturi scăzute. Viscozitatea mărită afectează fluiditatea carburantului,

biocombustibilii Diesel au o viscozitate mai ridicată decât a motorinei. O viscozitate

ridicată influenţează negativ atomizarea combustibilului în procesul de pulverizare.

Comparativ cu motorina, viscozitatea biocarburanţilor Diesel şi a amestecurilor

creşte rapid cu scăderea temperaturii ambiante.

Proprietăţile de curgere la temperaturi scăzute Punctul de tulburare este temperatura la care parafina sau ceara începe să se

solidifice.

Punctul de curgere este temperatura la care cantitatea de parafină sau ceară

dintr-o soluţie este suficientă pentru a solidifica carburantul, fiind deci cea mai

coborâtă temperatură la care combustibilul poate curge. În aceste condiţii, punctul de

tulburare subestimează aptitudinile combustibilului de a fi utilizat la temperaturi

scăzute, punctul de curgere supraestimându-le.

Comparativ cu motorina, biocombustibilii Diesel au cele două puncte mai

ridicate.

Stabilitatea biocombustibililor Diesel Termenul de stabilitate înglobează stabilitatea termică la temperaturi ridicate şi

joase, rezistenţa la oxidare, polimerizare, absorbţia apei şi activitatea microbiană.

Principala sursă de instabilitate a biocombustibililor Diesel o constituie lanţurile

de acizi graşi nesaturaţi.

Metalele şi elastomerii, în contact cu biocarburanţii Diesel pe timpul depozitării

pot influenţa asupra stabilităţii.

Page 82: Curs Motoare

PARTEA I – COMBUSTIBILI ALTERNATIVI

82

Prezenţa apei în biocarburanţii Diesel poate cauza ruginire şi coroziune pe

când prezenţa acizilor şi hidroperoxizilor generează oxidarea carburantului. Prezenţa

apei favorizează proliferarea microbiană la interfaţa apei cu biocarburantul Diesel.

Indicele de iod Indicele de iod permite cuantificarea gradului de nesaturare al combustibilului.

Nesaturarea poate antrena formarea depozitelor şi poate pune probleme asupra

stabilităţii biocarburantului Diesel la depozitare.

Esterii metilici de soia şi rapiţă au indici de iod de 133 şi respectiv 97. Nu

există date asupra esterilor grăsimilor animale însă se aşteaptă un indice de iod

scăzut, luându-se în considerare procentul ridicat de acizi graşi saturaţi aflaţi în

materia primă.

Cercetări efectuate de Mercedes Benz au arătat că un biocombustibil cu un

indice de iod superior a 115 nu este acceptabil din cauza depozitelor excesive de

carbon.

5.5.4. Tehnologii de obţinere a biocarburanţilor Diesel (Biodiesel) Procesul de transesterificare constituie procedeul clasic de obţinere al

biocarburantului Diesel. Prin acest procedeu uleiurile vegetale virgine sau uzate,

grăsimile animale şi/sau uleiurile pe bază de microalge sunt amestecate cu un alcool

(metanol sau etanol) în prezenţa unui catalizator (hidroxid de sodiu sau potasiu)

pentru a forma esteri graşi (ester metilic sau etilic). Transformarea uleiurilor

trigliceride în esteri metilici sau etilici permite reducerea masei moleculare la o treime

din cea a uleiurilor utilizate, reduce viscozitatea de opt ori şi creşte volatilitatea.

Temperatura, tipul catalizatorului, raportul alcool/ester şi viteza de amestec sunt

variabile importante care influenţează tipul de desfăşurare a reacţiilor de

transesterificare şi eficienţa transformării. Puritatea agenţilor reactivi, de exemplu

prezenţa apei, a acizilor graşi liberi şi a altor produşi ce contaminează uleiurile

nerafinate (şi alte materii prime) sunt de asemenea variabile importante.

Un bilanţ stoichiometric simplificat al materialelor poate fi prezentat sub forma

următoarei ecuaţii:

Ulei sau grăsimi + Metanol = Ester metilic + Glicerină

1000 kg 107,5 kg 1004,5 kg 103 Kg

Page 83: Curs Motoare

Uleiuri vegetale

83

Ca urmare a reacţiilor, produsele sunt separate în două faze, ceea ce va

uşura evacuarea glicerinei şi a subprodusului industrial util obţinut în cursul primei

faze a procesului. Amestecul rezidual alcool-ester este apoi separat, excesul de

alcool fiind reciclat.

Urmează apoi o spălare şi o epurare a esterilor prin spălare cu apă, distilare,

uscare sub vid şi filtrare.

Biocarburantul Diesel obţinut pe această cale este cunoscut sub denumirea

comună de ester vegetal.

În tabelul următor se prezintă proprietăţile elementare ale esterilor metilici

produşi plecând de la diferite uleiuri vegetale.

Tabelul 5.10. Proprietăţile biocarburantului Diesel

Uleiul utilizat

Densitate g/cm3

Viscozitate cSt la 40° C

Cifra Cetanică

Putere calorică MJ/kg

Punct de tulburare [°C]

Palmier 0,880 5,7 62 37,8 +13 Soia 0,884 4,08 46,2 39,8 +2 Floarea soarelui 0,880 4,6 49 38,1 +1

Seu/untură 0,877 4,1 58 39,9 +12 Rapiţă 0,880 4,4 49,6 40,1 -1 Al doilea procedeu de obţinere face apel la hidrogenarea catalitică simultan cu

procesul de cracare a uleiurilor vegetale.

Acest procedeu este utilizat pentru a produce un tip de biocarburant Diesel

plecând de la un subprodus numit “tallol” de tratare pastelor Kraft. Principalele

elemente constituente ale tallolului sunt acizii graşi C18 nesaturaţi, acizii răşinici şi

hidrocarburile nesaporificabile ca alcoolii şi aldehidele. Prin acest procedeu se obţine

un biocarburant Diesel numit “supercetan”, deoarece prezintă o cifra cetanică în jur

de 60.

Se estimează că producţia mondială de tallol este de 1,2 milioane de tone din

care 60% revin Statelor Unite.

Utilizarea tradiţională a tallolului presupune ca acesta să fie degudronat şi apoi

distilat pentru a obţine un subprodus de valoare conţinând acizi graşi de tallol şi răşini

de tallol.

Procedeul CANMET care vizează transformarea tallolului în subproduşi de

valoare utilizează hidrogenarea catalitică simultan cu cracarea tallolului degudronat.

Page 84: Curs Motoare

PARTEA I – COMBUSTIBILI ALTERNATIVI

84

La acest procedeu de producţie a “Supercetanului”, tallolul degudronat este

pompat într-un circuit de înaltă presiune unde se amestecă cu hidrogenul, faza lichid-

gaz trecând apoi printr-un grup de încălzire electrică înainte de a intra în reactorul

catalitic pe un pat rulant. Produsul este trecut prin două coloane de vaporizare apoi

decantat pentru a se elimina apa. După acest proces, produsul este distilat şi trecut

printr-un alimentator dozator pentru a se obţine fracţiunile dorite. Gazul este tratat şi

reciclat după ce impurităţile au fost îndepărtate cu ajutorul separatoarelor.

În instalaţia de obţinere a supercetanului (biocarburantului Diesel) este

importantă repartiţia celor trei puncte de fierbere ale tallolului degudronat şi separare

a hidrocarburilor lichide în trei fracţii: nafta-petrol <160 °C, supercetan (fracţiunea

supercetan biodiesel 160 – 325 °C) şi păcură (fracţiuni grele >325 °C).

Proprietăţile supercetanului, ale tallolului degudronat şi ale motorinei (D1) sunt

prezentate în următorul tabel.

Tabelul 5.11. Proprietăţile supercetanului (SC) şi tallolului degudronat

comparativ cu ale motorinei (D1)

Proprietate Tallol degudronat Supercetan Motorină D1

Densitate [kg/m3] 961,6 829,7 850 C % masice 79,1 86,4 - H % masice 11,0 13,5 - O % masice 9,5 0,02 - N mg/dm3 58 1,3 - S mg/dm3 993 18,6 500 Indice de aciditate gKOH/g 152,2 <0,05 0,1

10% [°C] 345 225 215 90% [°C] 404 322 288 Distilare 100%[°C] 573 344 316

Cifra cetanică - 64 40

Page 85: Curs Motoare

Uleiuri vegetale

85

5.6. CERCETĂRI PRIVIND UTILIZAREA BIOCARBURANŢILOR DIESEL Sursele de energie regenerabilă prezintă un interes în creştere deoarece ele

vin în întâmpinarea cerinţelor de viitor cunoscut fiind faptul că sursele energetice

tradiţionale sunt limitate.

Materiile prime utilizate pentru obţinerea biocarburanţilor Diesel sunt:

• uleiurile vegetale virgine şi uzate;

• grăsimile animale.

Biocombustibilii Diesel obţinuţi prin metoda transesterificării sau prin metoda

hidrogenării pot fi utilizaţi în amestec (BX) sau în stare pură (B100).

Prin cercetări intense se vizează posibilitatea utilizării la alimentarea

motoarelor Diesel, fără modificări constructive, a uleiurilor vegetale virgine fără a fi

transformate chimic.

5.6.1. Utilizarea amestecurilor motorină-biocarburant Diesel Biocombustibilii Diesel (metil ester sau etil esteri/ulei vegetal) prezintă o bună

miscibilitate cu motorina, neseparându-se în prezenţa apei.

În cazul unui amestec cu motorina a unei cantităţi de biocombustibil mai mic

de 5% (ex. B2, B5) se îmbunătăţesc calităţile lubrifiante ale motorinei fără a afecta

major performanţele ecologice ale motorinelor, se îmbunătăţeşte economia de

combustibil şi se reduc emisiile de CO2 simultan.

Pe plan mondial se comercializează un amestec de 20% biocombustibil Diesel

în motorină (B20). Utilizarea acestui amestec nu necesită nici o modificare

constructivă a motorului Diesel. Cercetările experimentale au demonstrat că

performanţele energetice ale motoarelor nu se modifică, în schimb emisiile poluante

se reduc după cum urmează: CO cu 20%, particule cu 22%, hidrocarburile nearse cu

30%, compuşii sulfului cu 20%, CO2 cu 16%, pot creşte uşor emisiile de oxizi de azot

(cu până la 2%). Nivelul zgomotului datorat arderii amestecului B20-aer este mai

redus decât în cazul utilizării motorinei pure.

Un alt avantaj pe care îl are utilizarea amestecului B20 îl constituie uzura mai

mică a motorului.

Page 86: Curs Motoare

PARTEA I – COMBUSTIBILI ALTERNATIVI

86

5.6.2. Utilizarea biocarburanţilor Diesel în stare pură (B100) Proprietăţile biocarburanţilor Diesel (metil ester, etil ester/ulei vegetal, grăsimi)

sunt apropiate de cele ale motorinei.

Cercetări experimentale au arătat că motoarele Diesel actuale pot funcţiona

cu B100 fără modificări constructive. Performanţele energetice se diminuează cu

aproximativ 8% însă printr-o ajustare a pompei de injecţie se poate compensa

această diminuare.

Ceea ce recomandă utilizarea biocarburantului Diesel sunt calităţile de mediu

ale acestuia, emisii reduse şi biodegradabilitate.

5.6.3. Utilizarea uleiurilor vegetale pentru alimentarea motoarelor Diesel Reducerea costului biocombustibililor Diesel se poate realiza prin eliminarea

unor procese tehnologice costisitoare.

Utilizarea uleiurilor vegetale în stare pură presupune anumite modificări

constructive aduse motorului datorită diferenţelor dintre proprietăţilor motorinei şi ale

uleiului vegetal.

Au fost efectuate cercetări experimentale pentru a stabili posibilitatea de

utilizare a uleiului de rapiţă în stare pură.

Proprietăţile comparative ale motorinei şi uleiului de rapiţă sunt prezentate în

următorul tabel.

Tabelul 5.12. Proprietăţile comparative ale motorinei şi uleiului de rapiţă

Caracteristica Motorină Ulei de rapiţă Cifra cetanică 51 41 Densitate [kg/m3] [15 °C] 850 920 Putere calorică [MJ/kg] 43,6 37,3 Viscozitate [mm2/S] [20 °C] 4,7 75 C : O : H [%] 86 : 14 : 0 78 : 10 : 12 Sulf [%] 0,20 0,0012 Apă [%] - 0,07 Cenuşă [%] - 0,01 Hidrocarburi aromatice [%] 21,5 - Acizi graşi liberi [%] - 0,86 Cifra de neutralizare [mg KOH/g] - 1,54

Uleiul de rapiţă utilizat a fost obţinut în parte prin presare la o temperatură de

80 până la 100 °C şi cu ajutorul haxanului din turtele rezultate la presare. Uleiul astfel

obţinut a fost filtrat, separat de apă şi gume.

Page 87: Curs Motoare

Uleiuri vegetale

87

Uleiul de rapiţă este compus dintr-un număr de acizi graşi saturaţi şi

nesaturaţi, cel mai important fiind acidul oleic (60%), linoleic (21%), α-linoleic 10% şi

acidul palmitic (5%).

Cu toate că uleiul de rapiţă are cifra cetanică mult mai scăzută, experimentele

efectuate au arătat că întârzierea la autoaprindere şi procesul de ardere sunt similare

motorinei.

Puterea calorică a uleiului de rapiţă este cu 14% mai scăzută decât a

motorinei însă dacă se raportează la volum, diferenţa este de numai 7%.

Uleiul de rapiţă prezintă o viscozitate puternic dependentă de temperatură, la

20 °C fiind de 16 ori mai mare decât a motorinei.

Uleiul de rapiţă congelează la -5 °C. Curbele de distilare pentru motorină şi

uleiul de rapiţă arată o diferenţă notabilă la temperaturi reduse unde sunt impuse

bune condiţii de evaporare.

Cercetările experimentale au arătat că randamentul efectiv este superior la

utilizarea uleiului de rapiţă pe întreaga gamă de sarcini şi turaţii (cu până la 3%).

Degajarea de căldură este similară pentru cei doi combustibili, micile diferenţe fiind

datorate densităţilor diferite.

5.6.4. Impactul utilizării biocarburanţilor Diesel asupra mediului Măsurători privind emisiile nocive la alimentarea motoarelor Diesel cu

biocombustibili în stare pură şi în amestec cu motorina au arătat nivele mai reduse

decât în cazul utilizării motorinei pure.

Potenţialul de formare al ozonului de suprafaţă pornind de la precursorii daţi

de biocarburanţii Diesel este cu aproape 50% mai redus decât în cazul utilizării

motorinei.

Emisiile de compuşi ai sulfului sunt complet eliminaţi la utilizarea

biocarburantului Diesel pur.

Încercările experimentale au arătat că la utilizarea biocombustibililor Diesel

emisiile de hidrocarburi nearse, oxid de carbon şi particule sunt substanţial mai

reduse iar emisiile de oxizi de azot rămân aceleaşi sau cresc uşor.

Emisiile de oxid de carbon (gaz otrăvitor) sunt mai reduse cu aproximativ 47%

în cazul utilizării biocombustibililor Diesel comparativ cu cele date de motorină.

Page 88: Curs Motoare

PARTEA I – COMBUSTIBILI ALTERNATIVI

88

Tabelul 5.13. Gradul de reducere/creştere a emisiilor poluante şi a efectelor

nocive ale biocarburantului Diesel în comparaţie cu motorina

Emisia B100 B20 Oxid de carbon -48% -12%

Hidrocarburi -67,0% -20,0%

Oxizi de azot +10% +2%

Particule -47% -12%

Sulfaţi -100% -20%

Hidrocarburi aromatice policiclice -80% -13%

Hidrocarburi aromatice policiclice nitrate

(nPAH) -90% -50%

Ozonul potenţial datorat precursorilor -50% -10%

Toxicitatea aerului -60% … -90% -12% … -20%

Mutagenitate -80% … -90% -20%

Emisiile de particule sunt considrate drept periculoase pentru sănătatea

umană. Emisia de particule datorate utilizării biocarburanţilor este cu aproximativ

47% mai scăzută decât în cazul motorinei.

Hidrocarburile nearse care contribuie la formarea ozonului troposferic sunt mai

reduse ca şi concentraţie în gazele arse ale biocombustibililor Diesel comparativ cu

motorina.

Emisiile de oxid de azot provenite din utilizarea biocombustibililor Diesel pot fi

mai mari sau mai mici în funcţie de caracteristicile motorului şi de procedurile de

încercare. Emisiile de oxid de azot provenite din utilizarea biocombustibililor Diesel

puri cresc cu 10%. Lipsa sulfului din combustibil permite utilizarea unor metode de

control imposibil de aplicat în cazul utilizării motorinei.

Utilizarea biocarburantului Diesel reduce riscurile asupra sănătăţii umane care

sunt asociate utilizării produselor petroliere.

Analiza gazelor de evacuare ale autovehiculelor care utilizează biocombustibili

arată o scădere a nivelului de hidrocarburi aromatice policiclice şi de hidrocarburi

aromatice policiclice nitrate care sunt identificate ca substanţe cancerigene.

Cercetări recente au arătat că diminuarea emisiilor hidrocarburilor aromatice

policiclice este de 75% până la 85% cu excepţia benzo(a)antracen care s-a redus cu

aproximativ 50%. În ceea ce priveşte hidrocarburile aromatice policiclice nitrate

Page 89: Curs Motoare

Uleiuri vegetale

89

(nPAH), emisiile s-au redus dramatic la utilizarea biocombustibilului Diesel, astfel: 2-

nitrofluorena şi 1-nitropirena s-au micşorat cu aproape 90% restul acestei categorii

de hidrocarburi s-a redus până la categoria de “urme”.

Biocombustibilii Diesel nu conţin substanţe toxice pentru sănătatea umană.

În cazul manipulării lor, vaporii pot cauza iritaţia mucoaselor şi a ochilor iar

contactul îndelungat sau periodic poate cauza iritarea pielii, care este mai redusă

decât cea indusă de o soluţie 4% săpun în apă.

Ingurgitarea biocombustibilului Diesel este letală la o doză mai mare de

17,4g/kg-corp. Prin comparaţie, sarea de bucătărie este de 10 ori mai toxică.

Biocombustibilii Diesel nu produc toxicitate a apelor, experimentele arătând că

pe 96 ore concentraţia letală a trebuit să fie mai mare de 1000g/litru apă. În

consecinţă, se consideră că toxicitatea biocombustibililor Diesel în apă este

nesemnificativă.

Un alt element important pe care-l reprezintă biocarburanţii Diesel asupra

mediului ambiant în reprezintă biodegradabilitatea lor. Biocarburantul Diesel se

degradează de mai mult de patru ori mai repede decât motorina. În 28 de zile, un

biocarburant Diesel se degradează în proporţie de 85-88% în apă.

Amestecarea biocarburanţilor Diesel în motorină, B20 de exemplu,

accelerează biodegradabilitatea amestecului de două ori în comparaţie cu cea a

motorinei.

5.7. CONSIDERAŢII TEORETICE PRIVIND PROCESELE DIN CILINDRII MOTORULUI

5.7.1. Formarea amestecului în motoare cu aprindere prin comprimare

Formarea amestecului în motorul Diesel comportă aspecte specifice, cum ar fi:

Necesitatea unui nivel energetic dat de mişcarea încărcăturii proaspete şi de jetul de

combustibil

Et = Ea + Ec (5.1)

unde:

Ea – energia încărcăturii proaspete;

Ec – energia jetului de combustibil;

Page 90: Curs Motoare

PARTEA I – COMBUSTIBILI ALTERNATIVI

90

Timpul scurt avut la dispoziţie pentru a pregăti sub aspect fizic şi chimic amestecul

pentru autoaprindere;

Existenţa unei pronunţate neomogenităţi a amestecului în camera de ardere;

Suprapunerea parţială a procesului de formare a amestecului cu procesul de ardere.

5.7.1.1. Mişcarea aerului în camera de ardere a MAC

Formarea amestecului aer-combustibil necesită ca încărcătura proaspătă să

posede un nivel energetic optim dat de mişcarea organizată şi neorganizată a

încărcăturii proaspete.

Mişcarea organizată este indusă în general în timpul cursei de admisie,

intensitatea componentelor acesteia depinzând de caracteristicile constructive şi

funcţionale ale motorului.

Mişcarea organizată a aerului poate fi descompusă după trei direcţii în raport

cu axa cilindrului:

- Mişcarea tangenţială a aerului, de rotaţie (swirl), este generată de

amplasarea tangenţială a canalului de admisie în raport cu alezajul cilindrului.

Intensitatea acestei mişcări poate fi realizată prin utilizarea canalelor de

admisie elicoidale sau a supapelor cu ecran.

- Mişcarea axială a aerului este generată de deplasarea pistonului între

punctele moarte, sensul ei fiind cel al pistonului.

- Mişcarea radială poate fi dinspre camera de ardere spre oglinda cilindrului

când volumul de deasupra pistonului este în creştere şi dinspre oglinda cilindrului

spre camera de ardere când volumul de deasupra pistonului se micşorează.

Toate aceste componente ale mişcării aerului au intensităţi diferite pentru

diferitele poziţii ale pistonului în ciclul motor, care trebuie controlate pentru a

răspunde cerinţelor energetice şi de mediu.

Mişcările neorganizate reprezintă turbulenţa încărcăturii proaspete, aceste

mişcării referindu-se la pachete mici de încărcătură şi sunt induse de construcţia

motorului (canal de admisie rugos, poartă a supapei şi chiar supapă) sau de

utilizarea fenomenelor dinamice ale schimbului de gaze. Utilizarea supraalimentării

acustice centrează poarta supapei ca o sursă de unde în cilindrul motorului.

Mişcarea de rotaţie (swirl) este generată de curgerea aerului pe direcţie tangenţială

la periferia cilindrului şi este dată de poziţia tangenţială a canalului de admisie.

Page 91: Curs Motoare

Uleiuri vegetale

91

Fig. 5.1 – Supapa de admisie cu ecran

Această mişcare este caracterizată de raportul de vârtej rω definit prin raportul

dintre viteza unghiulară de rotaţie a aerului ωa şi viteza unghiulară a arborelui cotit ω.

rraar = =

ωω

ω (5.2)

rentul de aer în partea opusă poziţiei lui

bricaţie şi reducerea gradului de umplere datorită creşterii rezistenţei

cu ecran sunt în parte eliminate prin utilizarea unor

anale de admisie elicoidale.

unde:

na, n – turaţiile corespunzătoare vitezelor unghiulare.

O mişcare de rotaţie de intensitate sporită se organizează în cursa de admisie

prin intermediul unor construcţii speciale cum ar fi utilizarea supapei de admisie cu

ecran prin intermediul căreia se dirijează cu

pe supapă amplificând mişcarea de rotaţie.

Supapele ecranate antrenează unele dezavantaje cum ar fi: complicarea

tehnologiei de fa

gazodinamice.

Dezavantajele supapei

Fig. 5.2 – Canal de admisie elicoidal

c

Page 92: Curs Motoare

PARTEA I – COMBUSTIBILI ALTERNATIVI

92

La construcţiile moderne, mişcarea de rotaţie a încărcăturii proaspete poate fi

controlată in funcţie de turaţia motorului prin utilizarea a mai multor canale de

admisie cu forme si amplasame în raport cu cilindrul motorului, debitul de

er prin canale putând fi controlat în funcţie de cerinţele intensităţii mişcării de vârtej.

ţie a aerului poate fi optimizată ţinând seama de

faptul că aceasta trebuie corelată cu tipul camerei de ardere, numărul jeturilor de

combustibil şi dispersia jeturilor:

nte diferite

a

Fig. 5.3 – Utilizarea canalelor de admisie cu forme şi aranjamente diferite

Viteza unghiulară de rota

a znopt

⋅⋅πω = jδ

12 (5.3)

nde:

ghiul de dispersi

Zj – numărul de orificii de pulverizare al pulverizatorului

ă pe secţiunea transversală.

Forma camerei de ardere poate influenţa nivelul componentelor mişcărilor

urii proaspete.

u

n – turaţia motorului;

δ – un e a jetului;

injectorului.

Mişcarea radială (squish) este determinată prin efectul de prag.

Mişcarea axială este generată de deplasarea pistonului. Viteza de deplasare

axială a fluidului proaspăt este variabil

organizate ale încărcăt

Page 93: Curs Motoare

Uleiuri vegetale

93

Mişcarea turbulentă Prin mişcare turbulentă se înţelege mişcarea dezordonată a unor pachete de

fluid de dimensiuni reduse cu viteze diferite şi care pot fi descrise cu valori medii,

distin ţa liberă (în masa

n

tele de fluid

se ordonează de la o dimensiune maximă până la o dimensiune minimă.

lui contribuie la obţinerea unui amestec favorabil

i controlului

care se analizează calitatea pulverizării

ombustibilului, fineţea şi omogenitatea.

în

trului mediu al particulelor de combustibil din jet se poate

statistice.

Se ge turbulenţa pe perete (în stratul limită) şi turbulen

fluidului).

Valorile medii ale mărimilor care caracterizează turbulenţa se definesc în

raport cu timpul sau în raport cu distanţa şi rezultă două scări distincte ale

turbulenţei; o scară temporală şi o scară spaţială. În primul caz, într-un punct dat din

spaţiu, un anumit model de mişcare se repetă, mai mult sau mai puţin regulat după

un timp determinat; în al doilea caz, în două puncte distincte din spaţiu, la u

moment dat, se repetă un anumit model de mişcare mai mult sau mai puţin regulat.

Când mişcarea turbulentă nu este întreţinută, intensitatea ei scade treptat în

timp până se anulează. Amortizarea mişcărilor turbulente este determinată de

disiparea energiei cinetice a pachetelor de fluid în energia cinetică a moleculelor.

Mecanismul de disipare a energiei turbulente presupune că pache

5.7.1.2. Pulverizarea combustibilului Elementul central al formării amestecului motorului cu aprindere prin

comprimare îl constituie jetul de combustibil pulverizat prin intermediul injectorului. În

afară de parametrii de stare ai încărcăturii proaspete (temperatură şi presiune),

nivelul energetic al mişcării aeru

autoaprinderii şi arderii acestuia.

Dezvoltarea jetului de combustibil dă măsura optimizării ş

aprinderii şi emisiilor poluante la motorul cu aprindere prin comprimare.

Analiza jetului de combustibil se poate realiza pe baza caracteristicilor de

calitate ale acestuia, caracteristici prin

c

Fineţea pulverizării înfăţişează gradul de fărâmiţare a jetului de combustibil

curentul de aer şi se apreciază prin diametrul mediu al particulelor de combustibil.

Calculul diame

realiza cu formulele:

Page 94: Curs Motoare

PARTEA I – COMBUSTIBILI ALTERNATIVI

94

∑∑

=

== k

i i

k

i iiam

n

ndd

1

1, (5.4) a)

∑ =i ii dn1

2 b)∑k dn 3

(5.5)

nde:

mai multe relaţii de calcul ale

ot fi aplicate aceleaşi formule

a nd tervin decât mărimi fizice.

Relaţiile prezentate în literatura de specialitate pentru diametrul mediu al

icăturilor în cazul motorinei, după diferiţi autori sunt:

sm

sm

−−

−−

∆⋅⋅=

⋅=

ηρρ (5.6)

u

== ki ii

smd 1,

u

di – diametrul mediu al unui grup de picături;

ni – numărul de picături;

k – numărul grupurilor de picături;

Pe baza experimentelor au fost exprimate

diametrului mediu al picăturilor, experimentele fiind efectuate cu motorină. Se

suspectează că în cazul biocombustibililor Diesel p

vâ în vedere că nu in

p

][107,0

][)(Re107,8223,011,0157,0576,0186,05

,

28,06,

mmpd

mWedd

ccc

i

a

nde:

Re – criteriul Reynolds

c

iinjdwυ

Re (5.7) =

We – criteriul Weber

cσ ciinjdw ρ

(5.8)

];

mbustibilului [Ns/m3], 2/s];

We =

ρa – densitatea aerului [kg/m3

ρc – densitatea combustibilului [kg/m3];

ηc, νc – viscozitatea dinamică, respectiv cinematică a co

[m

Page 95: Curs Motoare

Uleiuri vegetale

95

∆p – diferenţa între presiunea de injecţie şi presiunea din cilindrul motorului

cantitatea de combustibil injectată pe ciclu [kg/ciclu];

torului [m].

ine să se utilizeze

âns. Se poate aprecia printr-un calcul statistic repartiţia dimensională a

ul L străbătut de jetul de combustibil în

camera de ardere pe direcţia orificiului pulverizatorului în timpul τ.

Penetraţia jetului se adoptă în funcţie de caracteristicile camerei de ardere în

aşa fel încât pe timpul injecţiei, aceasta să străbată întreaga cameră de ardere

pentru a utiliza aerul disponibil. La formarea amestecului aer-combustibil,

preponderent în volum, picăturile de combustibil nu trebuie să atingă pereţii reci ai

camerei de ardere, în acest caz penetraţia jetului fiind un factor de optimizare a

amestecului.

La momentul τ, penetraţia jetului poate fi descrisă cu relaţii empirice stabilite

e experimentale, ele fiind de tipul:

[Pa];

mc –

winj – viteza de injecţie [m/s];

σc – tensiunea superficială a combustibilului [N/m];

di – diametrul orificiului de pulverizare al injec

Pentru a calcula diametrul picăturii de combustibil prin care se poate aprecia

omogenitatea combustibilului Diesel, în faza de proiectare este b

formula în care intră cele mai multe mărimi fizice ale combustibilului.

Omogenitatea pulverizării caracterizează gradul de uniformitate al dimensiunilor

picăturilor.

Omogenitatea este cu atât mai bună cu cât intervalul de variaţie al picăturilor

este mai restr

picăturilor de combustibil într-un jet de combustibil.

Penetraţia jetului reprezintă drum

pe baz

( )

][10621,6 54,062,0213,031,054,04 mzdmL iiacc−−−−−⋅=⎦⎣ ⎦⎣

ρρ

][31 25,05,0 mpa ∆⋅⎥⎥⎢ ⎟⎟⎞

⎜⎜⎛⋅ τρ673,162

][0

5,02515,0

15

dL

mL

cc

ai

ca

⎢⎢⎡

⎠⎝+⋅=

⎟⎠

⎜⎝

=

ρρρ

ρ

5.9)

unde:

461, 7,011,0 thp⋅⎟

⎞⎜⎛ ∆⋅ τυ

25,0

Page 96: Curs Motoare

PARTEA I – COMBUSTIBILI ALTERNATIVI

96

zi – numărul de orificii ale pulverizatorului;

bi cazulindL τττρ

>⋅⎟⎟⎠

⎜⎜⎝

= ,95,1a

(5.10)

bc

p

cazulinpL τττρ

⎞⎛ ∆

<<⋅∆

= 0,239,0

25,0

unde:

pd

a

icb ∆

⋅=

ρρτ 65,28 (5.11)

Dacă în cilindru există organizată o mişcare de rotaţie caracterizată de

raportul de vârtej rω, atunci penetraţia jetului poate fi rima exp tă cu relaţia:

( ) LdpLnrLr =a ⎦⎣ ⎠⎝2ρ i ⎥⎤

⎢⎡

⎟⎟⎞

⎜⎜⎛

∆⋅⋅+ 388,101 ω (5.12)

mbustibil este unghiul de

ispersie (δ) ale jetului format de tangentele la conturul jetului, concurente în orificiul

pulverizatoru ie caracterizează gradul de împrăştiere a

icăturilor de combustibil în camera de ardere.

Dispersia picăturilor din jetul de combustibil poate fi apreciată şi prin raza de

Un alt element prin care se apreciază jetul de co

d

lui. Unghiul de dispers

p

dispersie Rd.

Relaţiile de calcul sunt:

( ) [ ]

p 115,014,0

2mHdwR iinjd

acc

45,02,0766,0 τ

09,003,097,0 ρρηδ

⋅⋅⋅= (5.13)

unde: H – distanţa de la injector la peretele camerei de ardere; În cazul existenţei unei mişcări de rotaţie a încărcăturii în camera de ardere,

unghiul

∆⋅

de dispersie al jetului poate fi apreciat cu formula:

⋅⋅⋅= −

Page 97: Curs Motoare

Uleiuri vegetale

97

( ) δρ

δ ω ⋅⎥⎥⎦

⎢⎢⎣

⎡⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛⋅∆⋅⋅⋅+= 2

3.88,101a

ir

dpLnr (5.14)

5.7.1.3 Factorii de influenţă ai calităţii pulverizării Pulverizarea combustibilului este influenţată de o multitudine de factori care

dacă sunt controlaţi pot influenţa calitatea amestecului de combustibil.

ermină pe de o

şi pe de altă parte influenţează parametrii de

eşterea nivelului presiunii din camera de ardere

eriferia

ă geometrie a orificiului

itatea picăturilor

şi penetraţia jetului.

uraţiei

ce va determina viteza medie a

fineţea şi penetrabilitatea

tului de combustibil datorită amplificării energiei cinetice a acestuia.

atea jetului se diminuează.

Presiunea din camera de ardere

Valoarea presiunii aerului la sfârşitul cursei de comprimare det

parte nivelul de temperatură al aerului

calitate ai jetului de combustibil. La cr

se îmbunătăţeşte fineţea picăturilor de combustibil însă penetraţia jetului se reduce

datorită rezistenţei mărite la înaintarea acestuia şi a frecărilor sporite la p

jetului, existând posibilitatea neutilizării eficiente a aerului disponibil în camera de

ardere

Presiunea de injecţie Valoarea presiunii de injecţie pentru o anumit

pulverizatorului poate influenţa toţi parametrii de calitate ai jetului de combustibil.

Mărirea nivelului presiunii de injecţie influenţează fineţea şi omogen

de combustibil, influenţează pozitiv dispersia

T a motorului Turaţia motorului influenţează în mod direct asupra turaţiei arborelui pomp

de injecţie (la sistemele convenţionale), ceea

pistonaşului pompei de injecţie.

Mărirea turaţiei motorului va mări viteza medie a pistonului pompei de injecţie,

ceea ce va spori nivelul presiunii de injecţie, influenţând

je

Geometria orificiului de pulverizare a) Diametrul orificiului de pulverizare

Reducerea diametrului orificiului de pulverizare îmbunătăţeşte fineţea şi

omogenitatea jetului de combustibil iar penetrabilit

Page 98: Curs Motoare

PARTEA I – COMBUSTIBILI ALTERNATIVI

98

La menţinerea unei valori constante a dozei de combustibil pe ciclu, micşorarea

diametrului orificiilor de pulverizare va conduce la creşterea penetrabilităţii jetului ca

urmare a creşterii vitezei picăturilor de combustibil din jet.

rea lungimii orificiilor prelucrate în vârful pulverizatorului se

itatea acestuia.

ălţime a acului injectorului se realizează reducerea

ificării curgerii turbulente.

ei medii a pistonului pompei de injecţie determină amplificarea

cul aer-combustibil în motorul cu aprindere prin comprimare se

caracterizează printr-o puternică neomogenitate şi prin urmare procesele de

autoaprindere şi de ardere sunt foarte complexe.

se scurge o perioadă de timp care poartă denumirea de întârziere la

in existenţa unor fenomene de

egăt

erizarea şi vaporizarea combustibilului;

r de oxidare;

ntă fizică αîaf în care au loc procesele de formare a amestecului;

b) Lungimea orificiului de pulverizare

Prin micşora

măreşte dispersia jetului şi se micşorează penetrabil

În ea de ridicare a acului injectorului Prin limitarea înălţimii de ridicar

diametrului picăturilor de combustibil din jet datorită ampl

Viteza medie a pistonului pompei de injecţie Mărirea vitez

energiei cinetice a jetului de combustibil ceea ce va conduce la creşterea

penetrabilităţii jetului de combustibil în camera de ardere.

5.7.2. Autoaprinderea şi arderea amestecurilor aer-combustibil în motoarele Diesel Ameste

De la începutul procesului de injecţie şi până în momentul autoaprinderii

amestecului

autoaprindere.

Întârzierea la autoaprindere poate fi explicată pr

pr ire a arderii:

- pulv

- amestecarea combustibilului cu aerul;

- iniţierea reacţiilo

- parcurgerea stadiilor autoaprinderii polistadiale.

În mod convenţional, perioada întârzierii la autoaprindere se descompune în

două componente:

- o compone

- o componentă chimică αîach în care are loc pregătirea chimică prealabilă

aprinderii şi arderii.

Page 99: Curs Motoare

Uleiuri vegetale

99

În consecinţă, întârzierea la autoaprindere poate fi privită ca sumă a acestor

componente:

chf iaiaia ααα += (5.15)

În realitate, cele două componente se suprapun. Întârzierea la autoaprindere

i combustibilul rece sub efectul

ată de dezvoltarea rapidă în întreaga

iţia unor noi centre

nsideră în

că creşterea

rite de oxizi de azot.

ă, procesul de ardere

des în destindere.

erii, urmează o a treia

fază, a e ză se caracterizează prin menţinerea presiunii la

o valo αm), arderea este influenţată de

perfec ă şi a celui care se

mai inj t

depinde de:

- temperatura şi presiunea amestecului iniţial la sfârşitul comprimării;

- proprietăţile fizico-chimice ale combustibilului;

- schimbul de căldură între aerul încălzit ş

turbulenţei;

- proporţia relativă între combustibil, oxigen şi gazele inerte aflate în amestec

şi în camera de ardere.

Apariţia centrelor de autoaprindere marchează intrarea în faza arderii rapide.

Faza arderii rapide este caracteriz

cameră de ardere ca urmare a propagării flăcării turbulente şi apar

de autoaprindere.

Momentul în care presiunea încetează să mai crească rapid se co

mod convenţional ca sfârşitul celei de-a doua faze (αr).

Procesul arderii în faza a doua se caracterizează prin viteza mare de creştere

a presiunii în camera de ardere.

Dacă durata întârzierii la autoaprindere este mare, atunci creşte cantitatea de

amestec preformat şi apare posibilitatea desfăşurării reacţiilor de ardere cu viteze

extrem de mari iar cantitatea de căldură degajată este mare şi provoa

rapidă a presiunii efectul fiind funcţionarea brutală a motorului, mărirea solicitărilor

mecanice şi termice şi posibilitatea formării unor cantităţi spo

În cazul în care întârzierea la autoaprindere este mică, atunci în cilindrii

motorului ajunge o cantitate redusă de combustibil, ca urmare, viteza de degajare a

căldurii este redusă iar creşterea presiunii este neînsemnat

făşurându-se cu eficienţă redusă

Deoarece nu tot combustibilul găseşte aerul necesar ard

rd rea moderată. Această fa

are relativ constantă. În această fază (

ţiunea amestecării combustibilului rămas din faza precedent

ec ează cu oxigenul necesar arderii.

Page 100: Curs Motoare

PARTEA I – COMBUSTIBILI ALTERNATIVI

100

e

are în acest caz un caracter difuziv, adică, viteza de

formar port cu viteza reacţiei chimice.

t tă postarderea, proces prin care combustibilul care a

scăpat tă reacţii de oxidare totală sau

parţial considerată o subfază a arderii moderate. Căldura

deg ză este utilizată neeconomic însă din punctul de vedere al

i depind nivelele

de CO C prindere prin comprimare.

n i presiunii din cilindrul unui motor cu aprindere prin

compr ele procese ce au loc.

scopul obţinerii unor performanţe ridicate de putere,

economicit poate realiza prin factorii de

influen

ui în momentul injecţiei, prin:

dmisie cu caracteristici diferite;

;

combustibilului;

2. Arderea rapidă

Cantitatea de amestec preformat până în momentul aprinderii, prin:

dere;

• legea de injecţie;

combustibilului:

• număr de jeturi;

• arhitectura camerei de ardere;

Ac astă fază se încheie când presiunea începe să scadă.

Faza arderii moderate

e a amestecului este dominantă în ra

Ul ima fază o reprezin

reacţiilor de oxidare în primele faze supor

ă. Faza postarderii este

ajată în această fa

emisiilor poluante este foarte importantă deoarece de desfăşurarea e

, H şi particule emise de motorul cu a

Di analiza evoluţie

imare se pot identifica principal

Controlul arderii în

ate şi nivel redus de emisii poluante se

ţă ai fazelor de ardere:

1. Întârzierea la autoaprindere

Mărimile de stare ale aerul

• raportul de comprimare;

• presiunea şi temperatura de admisie;

• intensitatea mişcării aerului prin:

• arhitectura canalului de admisie;

• utilizarea mai multor canale de a

• supapă cu ecran;

• arhitectură a camerei de ardere;

• avansul la injecţie

• calităţile de aprindere ale

• calităţile pulverizării;

• durata întârzierii la autoaprin

• distribuţia

Page 101: Curs Motoare

Uleiuri vegetale

101

• intensitatea vârtejului;

Numărul nucleelor de flacără, prin:

• numărul de jeturi;

3. Arderea difuzivă

nsitatea turbulenţei;

• legea de ardere;

e şi caracteristicile jetului de

influenţează direct durata întârzierii la autoaprindere.

rsei de

creşterea temperaturii aerului admis

rovoacă scăderea emisiei de hidrocarburi nearse şi creşterea emisiei de oxizi de

Creşterea cantităţii de gaze reziduale determină reducerea întârzierii la

autoaprindere datorită măririi temperaturii amestecului iniţial. Diluarea amestecului cu

Formarea amestecului aer-combustibil:

• distribuţia combustibilului:

• arhitectura camerei de ardere;

• inte

• viteza de difuzie;

Caracteristica de degajare a căldurii:

• durata aprinderii;

• arhitectura camerei de ardere.

5.7.2.1. Influenţa factorilor de stare

Presiunea aerului Valoarea presiunii la sfârşitul cursei de comprimare determină în principal

nivelul de temperatură al încărcăturii proaspet

combustibil şi deci se

Temperatura aerului La creşterea temperaturii de admisie creşte temperatura la sfârşitul cu

comprimare ceea ce va influenţa pozitiv durata întârzierii la autoaprindere.

Prin creşterea temperaturii aerului admis, randamentul umplerii se

înrăutăţeşte.

Din punctul de vedere al poluării,

p

azot.

Cantitatea de gaze arse reziduale Gazele arse care rămân în camera de ardere de la ciclul anterior sunt inerte

din punct de vedere chimic.

Page 102: Curs Motoare

PARTEA I – COMBUSTIBILI ALTERNATIVI

102

gaze inerte va înrăutăţi arderea, combustibilul nemaigăsind în timp util oxigenul

necesar reacţiilor de oxidare.

Recircularea unei părţi a gazelor arse se aplică pentru reducerea emisiilor de

ţa directă fiind creşterea întârzierii la autoaprindere.

rii la intensificarea mişcării de vârtej datorită îmbunătăţirii

condiţiilor de formare a amestecului.

îmbunătăţeşte economicitatea şi determină

emisiilor poluante din gazele de evacuare.

şcării de vârtej poate

iţii,

rbulente se manifestă asupra întârzierii la autoaprindere

tate concomitent cu scăderea

nivelului emisiilor poluante.

oxizi de azot însă emisiile de CO şi particule cresc.

Umiditatea aerului Vaporizarea apei în colectorul de admisie va micşora temperatura aerului

admis în motor, consecin

Dacă apa este introdusă în cilindrii motorului printr-un procedeu oarecare, va

avea loc un efect suplimentar asupra caracteristicii de degajare a căldurii şi prin

urmare temperatura de ardere se diminuează. Parametrii de putere pot fi diminuaţi

însă emisiile de particule şi NOx scad drastic.

Mişcarea organizată a încărcăturii proaspete Formarea amestecului aer-combustibil la motorul cu aprindere prin

comprimare se află în relaţie directă cu intensitatea mişcării încărcăturii din camera

de ardere şi în principal cu mişcarea de rotaţie (swirl).

Se remarcă o reducere a întârzierii la autoaprindere şi creşterea vitezei

maxime de degajare a căldu

Intensificarea procesului de ardere

reducerea

Intensitatea mişcării de rotaţie a încărcăturii trebuie corelată cu numărul

jeturilor de combustibil.

Pentru un anumit număr de jeturi, intensificarea mi

determina transportul de gaze arse dintr-un jet în altul ceea ce va avea ca efect

utilizarea neeficientă a aerului disponibil în camera de ardere. În aceste cond

parametrii de putere şi economicitate se deteriorează iar emisiile poluante cresc.

Turbulenţa Influenţa mişcărilor tu

şi asupra fazei de ardere difuzivă. Controlul intensităţii acestor mişcări poate optimiza

parametrii acestor faze, obţinându-se o scădere a întârzierii autoaprinderii şi o

desăvârşire a arderii în faza ultimă. Prin controlul acestor mişcări se pot obţine

îmbunătăţiri ale parametrilor de putere şi economici

Page 103: Curs Motoare

Uleiuri vegetale

103

5.7.2.2. Influenţa factorilor funcţionali

Sarcina La motorul cu aprindere prin comprimare, variaţia sarcinii se realizează

modificarea calităţii

lui aer-combustibil va modifica şi evoluţia

şi temperaturii pe parcursul desfăşurării proceselor din cilindrii motorului.

a la

ează şi emisiile poluante. Sărăcirea amestecului prin reducerea

ere prin comprimare.

În primul rând, la creşterea turaţiei motorului apare o creştere a regimului

datorită reducerii pierderilor de căldură prin pereţi. În aceste

ndiţi

lverizare şi o

calitativ prin modificarea dozei de combustibil pe ciclu, deci prin

amestecului caracterizat de coeficientul de exces de aer λ.

Modificarea calităţii amestecu

presiunii

La reducerea sarcinii, temperatura încărcăturii proaspete din cilindru are o

valoare mai redusă datorită micşorării dozei de combustibil şi întârziere

autoaprindere se măreşte.

Reducerea sarcinii până la o anumită valoare poate îmbunătăţi procesul

arderii datorită excesului de oxigen însă sub această valoare amestecurile aer-

combustibil devin prea sărace şi arderea se înrăutăţeşte, ceea ce provoacă o

deteriorare a parametrilor de putere şi economicitate.

Durata procesului de ardere se micşorează la reducerea sarcinii. Reducerea

sarcinii influenţ

sarcinii influenţând negativ asupra arderii determină creşterea emisiilor de HC şi CO

datorită arderii incomplete.

Emisiile de fum au o tendinţă de scădere la micşorarea sarcinii.

Sărăcirea amestecului determină scăderea temperaturii de ardere, ceea ce va

influenţa pozitiv asupra formării NOx.

Turaţia Influenţa turaţiei motorului se manifestă pe mai multe planuri asupra

proceselor ce se desfăşoară în cilindrii motorului cu aprind

termic al motorului

co i, temperatura încărcăturii proaspete în momentul injecţiei va avea valori mai

mari. De asemenea, valoarea presiunii încărcăturii proaspete va fi mai mare.

Consecinţa directă va fi pe de o parte îmbunătăţirea procesului de pu

mai bună vaporizare a combustibilului, rezultatul direct fiind scăderea întârzierii la

autoaprindere.

Page 104: Curs Motoare

PARTEA I – COMBUSTIBILI ALTERNATIVI

104

În al doilea rând, prin creşterea turaţiei apare un efect secundar care va

influenţa pozitiv procesele de amestecare şi de ardere şi anume intensificarea

tăţirea procesului de amestecare

şi de ardere, îndeosebi în fazele de autoaprindere şi de ardere difuzivă.

upra proceselor din cilindrii motorului va

rmare a poluanţilor şi nivelul de emisie al acestora. De

nomicitate şi emisii poluante.

ermic al motorului Regimul termic al motorului este influenţat de turaţia şi sarcina motorului.

fluenţează asupra fazei de autoaprindere a

ază asupra întârzierii autoaprinderii.

are prin influenţele pe care le are asupra procesului de

mişcărilor organizate şi neorganizate ale încărcăturii din cilindrii motorului.

Mărirea turaţiei motorului determină îmbună

Modificarea turaţiei, influenţând as

influenţa şi procesele de fo

asemenea, nivelul de zgomot creşte cu turaţia motorului.

Avansul la injecţie Momentul de început al injecţiei este un factor determinant în desfăşurarea

proceselor de formare a amestecului aer-combustibil şi de ardere şi deci va influenţa

decisiv asupra parametrilor de putere, eco

Valori optime ale avansului de injecţie pentru toate regimurile de turaţie şi

sarcină ale motorului se pot obţine numai cu sistemele electronice de reglare.

Regimul t

Creşterea regimului termic in

amestecului în sensul scăderii întârzierii la autoaprindere.

În consecinţă, arderea este mai liniştită iar nivelul de zgomot al motorului se

diminuează şi emisiile poluante gazoase se reduc.

5.7.2.3. Influenţa factorilor constructivi

Raportul de comprimare

Valoarea raportului de comprimare determină nivelul presiunii şi temperaturii

încărcăturii proaspete la sfârşitul procesului de comprimare, prin urmare se

influenţe

Creşterea raportului de comprimare, cu toate că îmbunătăţeşte randamentul

arderii, valoarea acestuia este limitată deoarece determină nivelul de solicitare

mecanică şi termică a pieselor motorului.

Raportul de comprim

ardere va influenţa şi procesele de formare a poluanţilor şi nivelele de emisie ale

acestora.

Page 105: Curs Motoare

Uleiuri vegetale

105

Dimensiunea alezajului cilindrului La motorul cu aprindere prin comprimare, influenţa dimensiunii alezajului

ri şi prin urmare se influenţează pozitiv asupra proceselor ce

rului se îmbunătăţeşte.

echipamentului de

jecţie

a pulverizării combustibilului se

un

şte prin realizarea unui bun compromis între

ă asupra procesului

e injecţie şi asupra caracteristicilor jetului de combustibil.

Numărul de orificii de pulverizare realizează distribuţia combustibilului în

oaspete.

in comprimare cu injecţie directă au camera de

ardere plasat te legate de nivelul emisiilor

poluante se aplic ia combustibilului preponderent în volum.

ă jetul de combustibil nu

ă reacţii chimice

şilor carbonoşi.

ă încărcătura în mişcare în jurul

pulverizatorului injectorului. F ţează nivelul mişcărilor

organizate

trebuie să se realizeze în corelaţie cu dimensiunea cursei pistonului prin raportul S/D.

Creşterea raportului S/D amplifică nivelul mişcărilor organizate şi neorganizate

ale încărcăturii din cilind

au loc, astfel că economicitatea moto

Echipamentul de injecţie

Pentru o anumită presiune şi temperatură date ale încărcăturii proaspete,

caracteristicile jeturilor de combustibil sunt date de caracteristicile

in .

La nivelul pompei de injecţie, caracteristica principală o constituie presiunea

de injecţie. La creşterea presiunii de injecţie, calitate

îmb ătăţeşte iar viteza de vaporizare creşte, aceasta conducând la scăderea

întârzierii la autoaprindere.

Presiunea de injecţie se stabile

economicitatea motorului şi nivelul de emisii poluante. În acelaşi mod se stabileşte şi

durata de injecţie.

Diametrul şi lungimea orificiului de pulverizare influenţeaz

d

camera de ardere şi acesta se corelează cu intensitatea mişcării de rotaţie a

încărcăturii pr

Caracteristicile camerei de ardere

Motoarele cu aprindere pr

ă în capătul pistonului. Din consideren

ă injecţ

Principiul la aceste camere de ardere este acela c

trebuie să atingă peretele rece al acestora deoarece se favorizeaz

lente care conduc la formarea compu

Camera de ardere concentreaz

orma camerei de ardere influen

şi neorganizate ale aerului.

Page 106: Curs Motoare

PARTEA I – COMBUSTIBILI ALTERNATIVI

106

ma camerei de ardere, aceasta este dezvoltată din

consid cologice prin luarea în considerare a particularităţilor

mişcăr icilor de injecţie a combustibilului.

5.8. CONCLUZII ombustibililor Diesel a scos în evidenţă

următo

Existe surse pentru a fi utilizate:

• gr

Posibilit

Uleiuri vegetale pure:

sau mai reduse în funcţie de mărimea dimensiunilor

fundamentale ale motorului;

area motorului şi instalaţiilor vehiculului

1. sisteme de injecţie;

• Uleiuri

na;

În ceea ce priveşte for

erente energetice şi e

ilor aerului şi caracterist

Analiza privind utilizarea bioc

arele:

nţa unor importante

plantele oleaginoase;

uleiuri de bucătărie uzate;

ăsimi animale;

ăţi de utilizare:

• Fără modificarea motorului

1. performanţe apropiate de cele ale motorinei;

2. emisii mai ridicate

• Modific

2. cameră de ardere;

3. sistemul de filtrare;

4. rezervor de combustibil încălzit;

5. sistem de alimentare dual;

transformate:

1. transesterificare;

2. hidrogenare:

3. utilizare în amestec cu motorina (B2, B5, B20);

4. utilizare în stare pură (B100);

5. utilizarea nu necesită modificări ale motorului;

6. performanţe nealterate;

7. emisii poluante reduse comparativ cu motori

Page 107: Curs Motoare

Uleiuri vegetale

107

Existenţa unor politici naţionale şi internaţionale de promovare a combustibililor

erabili, biodegradabili şi care prin utilizare în motoarele cu ardere internă au un regen

impact redus asupra mediului.

[1]

[2] a,M.G.Motoare cu ardere interna. Vol. I .Editura

[3]

. MTZ 53, nr.7/8.

[5]

Oil and Methyl Ester of Seed Oils. SAE 861564.

[7]

n Ignition

[8] ns by

[9] y performance and regulatory

[11] ppett, S.L. (1995). Fuel properties of tallow and

soybean oilesters. JAOCS, Vol.72, No.12, page 1557, 1995.

Bibliografie

Cofaru,C.Legislatia si ingineria mediului in transpotul rutier. Editura

Universitatii Transilvania Brasov ,2002 ISBN973-635-185-8.

Negurescu,N.,Pana,C.,Pop

MATRIX ROM SRL Bucuresti 1995.ISBN 973-97004-2-X.

Negurescu,N.,Pana,C.,Popa,M.G.Motoare cu ardere interna. Vol.II .Editura

MATRIX ROM SRL Bucuresti 1995.ISBN 973-97004-3-8.

[4] Constien,M., Woschni,G. Vorausberechnung des Brennverlaufes aus dem

Einspritzverlauf fuer einen direkteinspritzenden Dieselmotor

1992.

Kumar,S.,Watson,H.,Milkins,E.,Edsell,J. Combustion Modelling of Diesel

fuel,Seed

[6] Lustgarten,G. Modelluntersuchungen zur Gemischbildung Verbrennung im

Dieselmotor und. MTZ nr.4. 1974.

Mathur,H.B.,Gajendra,Babu, M.K. Prasad,Y.N. A Thermodynamic Simulation

Model for a Dual Fuel Open Combustion Chamber Compressio

Engine. SAE 861275

Uchida,N.,Daisho,Y.,Saito,T. The Control Of Diesel Emissio

Supercharging and Varying Fuel-Injection Parameters. SAE 920117.

ABA, IRI (1994). Biodiesel: a technolog

overview.Rapport préparé par l’American Biofuels Association et Information

Resources, Inc.pour le compte du National Soydiesel Development Board,

Jefferson City, MO, USA.

[10] Ahouissoussi, N.B. et Wezstein, M.E., (1996). The Economics of

EngineReplacement I Repair for Biodiesel Fuels, Final Report, Department of

Agriculturaland Applied Economics, University of Georgia, mars 1996.

Ali, Y., Hanna, M.A. et Cu

Page 108: Curs Motoare

PARTEA I – COMBUSTIBILI ALTERNATIVI

108

[12] Bagby, M.O.et Freedman, B. (1989). Diesel Engine Fuels from Vegetable

Oils,document présenté à la 80eréunion annuelle de l’American Oil Chemists'

Society.

[13] Bickel, K.L., McDonald, J., Fruin, J.E. et Tiffany, D. (1997). Economic

comparison ofBiodiesel blends to commercially available exhaust emission

ersité du Minnesota, janvier 1997.

ELI/SP-42O-5571 - Rev.2.

[16] Crichton, B.A.L. et Cruse, H.W.

55.

[20] for Diesel Engines. Gas

[21]

10.

e, organisée par l’ASAE, page

[23]

944.

Engine Manufacturers Association (1995). Biodiesel fuels and their

reduction technologiesfor underground mines. Rapport final au National

Biodiesel Board préparé parl’Univ

[14] Biofacts (1995). Produit pour le compte de l’U.S. Department of Energy par le

NationalRenewable Energy Laboratory,NR

[15] Biofuels Update (1997). Rapport de l’U.S. Department of Energy Biofuels

Technology,Vol.5, Issue 2, printemps, 1997.

Blackburn, J.H., Pinchin, R. Nobre, J.l.T.,

(1983).Performance of lubricating oils in vegetable oil ester fuel diesel engines.

Documentde la SAE, no8313

[17] Blondeau, J., Pon, G., Bresciani, S. et Reaney, M. (1996). Analysis of

Selected DieselFuel Markets in Canada: Markets for Canola Biodiesel, rapport

pour le compted’Agriculture Canada et de la Saskatchewan Canola

Development Commission.

[18] Booz-AIlen & Hamilton (1995). Technical and Economic Assessment of

Biodiesel forVehicular Fuel Use, document présenté au National Soydiesel

Development Board,avril 1995.

[19] Canadian Grains Industry Handbook (1996). Publié par la Commission

canadiennedes grains, Winnipeg, Manitoba, Canada.

Chowdury, D.H. (1942). Indian Vegetable Fuel Oils

and OilPower, Vol. 37, page 80.

Clark, S.J. et al. (1984). Methyl and ethyl soybean esters as renewable fuels

for dieselengines, JAOCS, Vol. 61, no

[22] Clements, L. Davis (1996). Blending Rules for Formulating Biodiesel Fuel.

Compterendu de la 3rd Liquid Fuels Conferenc

44, Nashville,TN, USA, 15 au 17 sept. 1996.

De Vedia, M.R. (1944). Vegetable Oil as Diesel Fuel. Diesel Power, Vol. 22,

page1298, décembre 1

[24] Dunn, R.O., Shockley, M.W. et Bagby, M.O. (1997). Document, no 971682 de

la SAE.

Page 109: Curs Motoare

Uleiuri vegetale

109

use in dieselengine applications. Rapport préparé par l’Alternative Fuels

Committee de l’EMA,Chicago, Ill., USA.

[26] cturing and Development (1994). Emissions Testing on

[27] anufacturing and Development (1995). Optimize 20% Methylsoyate

[30] M.S., Ross, J.D. et McCormick, R.L. (1996). Document no961166 de

[31]

[32] B.P. (1997). Winter 1997 Evaluation of Canola Methyl Ester and a

onnement

[34]

eir Mixtures, JAOCS.

[25] Feug, Y., Wong, A. et Monnier, J. (1993). Chemical Composition of Tall Oil-

BasedCetane Enhancer for Diesel Fuels. Compte rendu de la First Biomass

Conference of the Americas, Burlington, VT, USA, 30 août au 2 sept. 1993.

Fosseen Manufa

Biodieseland Biodiesel Blends. Rapport final noNSDB4F15 au National Soy

DieselDevelopment Board, Jefferson City, MO, USA.

Fosseen M

and Diesel Blend - 1997 DDC 6V-7lN Coach. Rapport au National Biodiesel

Board, Contract 219-2, janvier 1995.

[28] Freedman, B. et Bagby, M.O. (1989). Heats of Combustion of Fatty Esters and

Triglycerides. JAOCS, Vol. 66(11), page 1601.

[29] Graboski, M.S. et McCormick, R.L. (1997). Combustion of fat and vegetable oil

derived fuels in diesel engines. À paraître dans Progress in Energy and

Combustion Science.

Graboski,

laSAE.

Hendren, F. (1996). Results of SuperCetane testing at MSED, lettre à Ed

Hogan,CANMET, 14 février 1996.

Hertz,

Canola Oil Derivative obtained for heated seed as Lubricity Additive for Diesel

Fuel, rapportpréparé pour le compte d’Agriculture et Agroalimentaire Canada,

novembre 1997.

[33] Howes, P. et Rideout, G. (1995). Evaluation of Biodiesel in Urban Transit

Buses,rapports no 95-26743-1 et no 95-26743-2 du MISTC, Envir

Canada.

Janarthanan, A.K., Clements, E.D., Clements, L.D. (1996). Densities and

Viscosities of Methyl Esters of Fatty Acids and Th

[35] Krawczyk, T. (1996). Biodiesel Fuel. International News on Fats, Oils and

Related Materials (INFORM), Vol. 7, no8, page 801, août 1996.

[36] Lawson, A. et Thurston, D. (1986). Design, Development, Fabrication,

andEvaluation of a Fuel Management System to Permit a Farm Tractor to

Page 110: Curs Motoare

PARTEA I – COMBUSTIBILI ALTERNATIVI

110

Operate on Various Fuels. Contrat no23 SU.01843-2-EL 19, Agriculture

Canada.

Manicom, B., Gr[37] een, C. et Goetz, W. (1993). Methyl Soyate Evaluation of

[38] er of tallow and grease on exhaust

[39] , W., Schumacker, L., Howell, S. (1995). Engine Exhaust Emissions

[40]

istics of soy methyl ester fuels in an IDI compression

[41]

[42] Tritthart, P., (1988). Diesel fuel derived from vegetable oils,

[43] ach, M.P., Tritthart, P. et Junck, H. (1983). Diesel fuel derived from

, USA.

[46] . A Study of the Catalytic Esterification of

[47] ond

Edition,publié par la SAE, Warrendale, PA, USA, 1995.Paris, France (1993).

Various Diesel Blends in a DDC 6V-92TA Engine, ORTECH International,

rapport final no 93-E14-21 à Fosseen Manufacturing and Development, avril

1993.

Marshall, W.F. (1993). Effects of methylest

emissions and performance of a Cummins L-10 engine. National Institute for

Petroleum and Energy Research, Bartlesville, Oklahoma, USA.

Marshall

Evaluation of a Cummins LIOE when Fueled with a Biodiesel Blend.

McDonald, J.F., Purcell, D.L., McClure, B.T. et Kittelson, D.B. (1995).

Emissions character

ignition engine.Document no 950400 de la SAE.

Midwest Biofuels Inc. (1993). Biodiesel Pour Point and Cold Flow Study,

rapport auNational Soydiesel Development Board, 30 sept. 1993.

Mittelbach, M.P.,

Ill:Emissions tests using methyl esters of used frying oil. Journal of the

American OilChemists' Society, Vol. 65 (7), page 1185.

Mittelb

vegetableoil, II: Emissions tests using rape oil methyl ester. Energy Agriculture,

Vol. 4, page208.

[44] Monnier, Jacques (1997). Laboratoires de recherches énergétiques de

CANMET,Ottawa, Canada. Communications personnelles.NBB (1997).

Communications personnelles et renseignements obtenus auprès du National

Biodiesel Board, Jefferson City, MO

[45] Niehaus, R. A., Goering, C.E., Savage, L.D. et Sovenson, S.C. (1985).

Crackedsoybean oil as a fuel for a diesel engine. Document no 85-1560 de

l’ASAE.

Nye, M. et Southwell, P. (1983)

Rapeseed Oil as a Fuel for Diesel Engines. Contrat no 23 SU. 01843-2-EL 12,

Agriculture Canada.

Owen, K. et Coley, T. (1995). Automotive Fuels Reference Book, Sec

Page 111: Curs Motoare

Uleiuri vegetale

111

[48] *** Lifecycle Analysis of Biodiesel: Report to the Prolea Onidal,Ecobalance,

Ltd. mars 1993.

[49] Perkins, L.A. et al. (1991). Durability testing of transestrified winter rape oil as

fuel in small bore, multi-cylinder, Dl, Cl, engines. Document no911764 de la

SAE.

[50] Peterson, C.L. (1986). Vegetable Oil as a Diesel Fuel: Status and

ResearchPriorities. Transactions of ASAE, Vol. 29 (5), page 1413.

[51] Pischinger, G.M., Falcon, A.M., Siekmann, R.W. et Fernandes, F.R.

(1982).Methylesters of plant oils as diesels fuels, either straight or in blends.

Vegetable OilFuels, publication no 4-82 de l’ASAE, page 198, Amer. Soc.

Agric. Engrs., St. Joseph,Ml, USA.

[52] Prakash, C.B. et Goetz, W. (1995). Impact of Biodiesel on Emissions

andPerformance of a Heavy Duty Diesel Engine, compte rendu de la

[53] l, H. et Worgetter, M. (1996). Influence of the iodine number of biodiesel

15 au 17 sept. 1996.

[55]

at rapeseed oil as an alternative to diesel fuel. Document

[56] n oil methyl

[57]

érence sur les sources énergétiques de

[58]

EleventhInternational Symposium on Alcohol Fuels, Vol. 3, page 837, SunCity,

South Africa, 14au 17 avril 1996.

Prank

to theengine performance. Compte rendu de la 3rd Liquid Fuels Conference

organisée parl’ASAE, page 191, Nashville, TN, USA,

[54] Reaney, M. (1997). Agriculture et Agroalimentaire Canada, Saskatoon,

Saskatchewan,communications personnelles.

Reece, D.L. et Peterson, C.L. (1993). A report on the Idaho on-road vehicle

test with RME and ne

no 93-5018 del’ASAE.

Scholl, K.W. et Sorenson, S.C. (1993). Combustion of a soybea

ester in adirect injection diesel engine. Document no 930934 de la SAE.

Schumacker, L.G., Hires, W.G. et Borgelt, S.C. (1992). Fueling a diesel engine

with methyl ester soybean oil. Liquid Fuels from RenewableResources -

compte rendud’une conf

remplacement, Nashville, TN, USA.

Schumacker, L.G., Borgelt, S.C. et Hires, W.G. (1993). Soydiesel I Biodiesel

BlendResearch. Document no 93-6523 de l’ASAE.

[59] Schumacker, L., Borgelt, S., Hires, W., Fossen, D. et Goetz, W. (1995).

Fueling Diesel Engines with Blends of Methyl Ester Soybean Oil and Diesel

Fuel.

Page 112: Curs Motoare

PARTEA I – COMBUSTIBILI ALTERNATIVI

112

[60] Schumacker, L.G., Weber, J.L., Russell, M.D., Krahl, J.G. (1995A). An

Alternative Fuelfor Urban Buses - Biodiesel Blends.

Schumacke[61] r, L.G. et Van Gerpen, J. (1996). Research needs resulting from

[62] B. (1987). Preparation and

[63]

Biodiesel: Established of Engine

Montana

[65] 994). Transient Emissions Testing of Biodiesel in a 6V-92tA

sel Board, octobre 1994.

[67] Injection

par provinces.

[69] Oils as Diesel Substitutes and

[70] B.C. et Clements, L.D. (1988). Properties of Fatty Acids and Their

[71]

experiences of fueling of diesel engines with biodiesel, compte rendu de la 3rd

Liquid Fuels Conference organisée par l’ASAE, page 207, Nashville,TN, USA,

15 au 17 sept.1996.

Schwab, A.W., Bagby, M.O. et Freedman,

properties of diesel fuels from vegetable oils. Fuel 66, page 1372.

Shafer, A. (1994). Biodiesel Research. Mercedes Benz - Engine Warranty

Policy,présenté à Commercialization of

Warranties, page 125, University of Idaho National Center for Advanced

Transportation Technology.

[64] Sharp, C.A. (1996). Emissions and Lubricity Evaluation of Rapeseed Derived

Biodiesel Fuels, rapport final du Southwest Research Institute au

Department of Environmental Quality, novembre 1996.

Sharp, C.A. (1

DDECH Engine, rapports no 6602 et 6673 du Southwest Research Institute au

National Biodie

[66] Sninivasan, R.P. et Gopalakrishnan, K.V. (1991). Vegetable oils and their

methylesters as fuels for diesel engines. Indian Journal of Technology, Vol. 29.

Page292.

Starr, M.E. (1997). Influence on Transient emissions at various

Timings,Using Cetane Improvers, Bio-Diesel, and Low Aromatic

Fuels.Document no 972904 de la SAE. Statistique Canada (1996). Demande

en carburant diesel au Canada,

[68] Stotter, R., Human, D. (1995). Transient Emission Evaluation of Biodiesel Fuel

Blendin a 1987 Cummins L-10 and DDC 6V-92TA, rapport no ETS-95-128 au

National Biodiesel Board, novembre 1995.

Stumborg, M. et Craig, W. (1996). Vegetable

Extenders: A Canadian Perspective, rapport à Agriculture Canada.

Teoh,

Derivatives,, Fats et Oils Laboratory, University of Nebraska, Lincoln.

Tyson, S.K. (1997). Présentation d’un projet du NREL sur le biodiesel au DOE,

16 sept.1997.

Page 113: Curs Motoare

Uleiuri vegetale

113

[72] Tyson, S.K. (1998). Communications personnelles et réunion au NREL, 8

janvier 1998.

USBM (1995). Field trials of soy methyl esters as a fuel for diesel p[73] owered

A, 15 au17 sept. 1996.

ction of Transportation Fuels.

février

[77]

The Role of Unburnt Fuel in the Organic Fraction Composition.

[78]

[79] gievan.org/

alia, Commonwealth of Australia, Canberra, 1999

ources for Western Australia, Energy Advisory Council of WA, Perth,

[81]

s, March 1980, Perth.

[83] Personal communication, Murdoch University, 1999

equipment in underground mines. Rapport final de l’AF 95 au National

Biodiesel Board, USBM CRDA, no 6200-0063.Van Gerpen, J., Hammond,

E.G., Yu, L. et Monyen, A. (1997). Document no 971685 de la SAE.

[74] Van Gerpen, Jon (1996). Cetane number testing of biodiesel. Compte rendu

de la 3rd Liquid Fuels Conference organisée par l’ASAE, page 197, Nashville,

TN, US

[75] Venendaal, R. (1997). European Energy Crops Overview - Utilization for

Power andHeat Generation and for the Produ

Compte rendu de la Third Biomass Conference of Americas, Vol. 2, page

1291, Montréal, Canada, 24 au 29 août 1997.

[76] Whiteway, P.(1997). Diesel Stinks, Canadian Mining Journal, page 10,

1997.

Williams, P.T., Andrews, G.E. et Bartle, K.D. (1987). Diesel Particulate

Emissions:

Document no 870554 de la SAE.

Ziejewski, M., Kaufman, K.R., Schwab, A.W. et Pryde, E.H. (1984). Diesel

engine evaluation of a nonionic sunflower oil - aqueous ethanol microemulsion.

Journal of the American Oil Chemists Society, Vol. 61(10), page 1620.

Tickell, J. The Great American Veggie Van Adventure,http://veg

Australian Greenhouse Office Australia’s StateandTerritoryGreenhouseGas

Inventory – Western Austr

[80] Pullan, C. et al Research Priorities for Transport Fuels from Biomass and

Other S

1981

Parker, A.J. et al Transport Fuels from Biomass. Research Opportunities

Symposium Proceeding

[82] Australian Greenhouse Office Alternative Fuels Program – Issues Paper,

Commonwealth of Australia, Canberra, 1999

Barton, Alan (Prof)

Page 114: Curs Motoare

PARTEA I – COMBUSTIBILI ALTERNATIVI

114

[84] Sims, R. Yields, Costs and Availability of Natural Oils/Fats as Diesel Fuel

Substitutes, Report No LF2021 for the Liquid Fuels Trust Board, Wellington

(NZ) 1982

[85] SECWA (Now Western Power), Evaluation of Rapeseed and Sunflower oil in a

Stationary Diesel Generator, NERDDC Project No 80/0294, Januar 1984 Perth

hort.purdue.edu/newcrop/duke_energy/dukeindex.html

[89] ent Australia (National Heritage Trust) (2000b). Setting National Fuel

rs (Petrol

[90] ., Brown, R., Edwards, J., Nelson, P., Watson, H., Williams,

D. (2000) Life-Cycle Emission Analysis of Alternativ

tralia

s, R. A Comparison Of Life-Cycle Emissions Of Liquid Biofuels

[94]

[96]

849 – 858, NREL

[86] Duke, J. A. Handbook of Energy Crops, (written 1983) Unpublished on paper

but available from

http://www.

[87] Lide, D.R. et al Handbook of Chemistry and Physics, 76th Edition, CRC Press,

Boco Raton, USA, 1996

[88] Goering, B. USDOE Seminar II. Vegetable Oils as Diesel Fuel, Oct. 21, 22,

1981

Environm

Quality Standards – Paper 2 - Proposed Standards for Fuel Paramete

and Diesel), Canberra

Beer, T., Grant, T

e Fuels for Heavy Vehicles.

CSIRO, Aus

[91] Calais P. & Sim

And Liquid And Gaseous Fossil Fuels In The Transport Sector, Proceedings of

Solar 2000, Brisbane 2000

[92] Beer T. et al Comparison of Transport Fuels, Report EV45A/2/F3C for the

Australian Greenhouse Office, 2001

[93] Sheehan, J., Camobreco, V., Duffield, J., Graboski, M., Shapouri, H. (1998).

An Overview of Biodiesel and Petroleum Diesel Life Cycles. NREL, Golden,

Colorado.

Quick, G.R. A summary of some current research in Australia on vegetable oils

as candidate fuels for diesel engines. Seminar II, USDA, Peoria, IL., 1981

[95] Sims, R., (1996). The Potential for Biodiesel in New Zealand. Proceedings of

Conference ‘Applications of Bioenergy Technologies’ Rotarua, pp 139 – 148

EECA.

Sims, R., (1995). The Biodiesel Research Program of New Zealand.

Proceedings of the Second Biomass Conference of the Americas, Oregon, pp

Page 115: Curs Motoare

Biogazul

115

Autor: Corneliu COFARU 6. BIOGAZUL

6.1. GENERALITĂŢI

Biogazul este un amestec de gaze combustibile, care se obţine prin

descompunerea substanţelor organice vegetale sau animale în mediu umed şi lipsă

etanul din gazele de mlaştină.

anice

vegeta

Age (20 - 45° ) au

fost cercet ul a stabilit în 1899 că la

acest proc roduşii de fermentaţie ai celulozei

una dintre e i importante de metan - Bacillus cellulosae

methanicu ntităţi importante de hidrogen - Bacillus cellulosae

hydrogenic te specii au fost reunite sub denumirea comună de

Methanob e

Ca m

de oxigen. Din acest amestec de gaze componenta de bază o reprezintă metanul (50

– 70 %), şi cantităţi variabile de CO2, vapori de apă şi hidrogen sulfurat, pot exista şi

alte substanţe în funcţie materialele supuse procesului. Primele descrieri a biogazului

au fost prezentate de către Volta la sfârşitul secolului al XVII-lea. Volta a extras

pentru prima dată m

Fermentarea materiei organice se numeşte metanizare şi se poate produce

natural sau spontan in cazul colectoarelor de deşeuri sau poate fi provocata artificial

în reactoare destinate acestui scop. Fermentarea anaerobă a materialelor org

le sau animale se desfăşoară în trei etape: hidroliză, acidogeneză şi

metanogeneză.

nţii fermentării anaerobe ai celulozei la temperaturi mezofile

aţi de Söhngen, Hoppe-Seyler si Omelanski. Ultim

es participa 2 specii de bacterii. Printre p

le formeaza cantităţ

s - iar cealaltă, ca

us. Ulterior aces

act rium omelianski.

aterie primă la formarea biogazului serveşte biomasa, ce reprezintă materiale

organice reziduale. Materia organică moartă înmagazinează energie solară

convertită în energie chimică, în componentele fotosintetizate de plantele din care a

provenit. O cantitate apreciabila din energia solara, acumulată de plante, este

stocată în celuloză.

Celuloza este principalul component a materiei organice utilizate la formarea

biogazului. Conţinutul celulozei în materia organică este de circa 50%. Dintre alte

componente putem menţiona plantele acvatice, algele, resturile animaliere etc.

În prezent există circa şapte procedee de recuperare a energiei din reziduurile

organice agricole:

• fermentarea anaerobă la temperatura mediului ambiant;

Page 116: Curs Motoare

PARTEA I – COMBUSTIBILI ALTERNATIVI

116

• fermentarea anaerobă la temperaturi ridicate;

• descompunere anaerobă termofilă;

• distilarea distinctivă;

• Compostarea;

;

mă, cantitatea de metan în diogaz este de 35-80%. Alte

surse

ele de energie,

cercet

ste zambila de apa (Eichhornia crassipes). Aceasta creşte spontan în

ei este trecut prin

inii şi oxigenului, în

La descompunerea materiei organice mai

fermentative nespecializate: bacterii celulozice, lactice,

ficatoare, precum şi numeroase specii de ciuperci

• Incinerarea;

• transferul de căldură

Cel mai ridicat potenţial îl are procesul de fermentare anaerobă la temperaturi

în jur de 40°C. Prin fermentarea anaerobă microorganismele descompun materia

organică, eliberând o serie de metaboliţi, în principal dioxid de carbon şi metan. În

dependenţă de materia pri

de biomasă, care pot fi convertite în biogaz, sunt reprezentate de biomasele

foarte hidratate. Într-o clasificare a biomaselor, în raport cu problem

ătorii au inclus în grupa biomaselor foarte hidratate, plantele acvatice şi algele.

Acestea au un conţinut de apă de aprox. 95%.Caracteristic pentru culturile

energetice foarte hidratate este capacitatea extrem de mare de a-şi multiplica

biomasa într-un timp relativ scurt, ceea ce creează o disponibilitate de materie

organică ce poate fi folosită în filiera de metanizare. Dintre plantele acvatice, cea mai

cunoscuta e

lacurile din ţinuturile tropicale din Africa şi America de Sud. Alte asemenea plante

sunt: pistia, azola, iarba de mare, alga brună şi laminaria, care creste aproape 50 cm

pe zi

Cantitatea maximă de metan se obţine la fermentarea resturilor animaliere, în

special de la complexele avicole.

Biogazul necesită a fi prelucrat până la utilizare. De obic

separatoare speciale, unde metanul este separat de restul gazelor. Utilizarea

biogazului brut (preseparat) poate duce la intoxicare, deoarece în restul gazelor se

poate conţine gaze toxice.

Dintre componentele chimice ale materiei organice gradele cele mai ridicate

de conversiune în biogaz au celulozele, hemicelulozele şi grăsimile.

Fermentarea anaerobă nu poate avea loc în prezenţa lum

lipsa unui mediu cu umiditate mare.

participă microorganismele

acetice, sulfat-reductoare şi denitri

Page 117: Curs Motoare

Biogazul

117

şi unele drojdii. Microorganismele menţionate îşi petrec activitatea în prima fa

fermentării.

ză a

În fa

ritatea metanobacteriilor

folo

prin re os de către metano-

bac

CO2 + 2O + Q(energie) (6.1)

En

întreţin

circa 4 ea procesului de fermentare fără

ene

mai eli , indol şi scatol.

1 - Sta ale;

- Decantor gravitaţional;

3 – Sistem de manevrare nămolui

4 - Staţie de dis

- Reactor de fermentaţie anaerobă dotat cu un clopot metalic pentru captarea

biogaz

rile rezultate în staţiile de epurare. Metanizarea acestora permite

eliminarea compuşilor organici, iar staţia respectivă poate deveni

re energetic;

iogaz.

za următoare, numită metanogeneză, acţionează bacteriile metanogene

anaerobe specializate în producerea de metan. Majo

sesc ca substrat numai hidrogenul şi dioxidul de carbon. Metanul se formează

ducerea dioxidului de carbon şi oxidarea hidrogenului gaz

teriile, care folosesc hidrogen. Reacţia sumară a procesului este:

4H2O --> CH4 + 2H

ergia eliminată în urma procesului este mică şi, de obicei, se utilizează la

erea procesului de bază, care are o productivitate mai mare la temperaturi de

0°C, ceea ce permite pe timp de iarnă realizar

rgie termică din exterior (nu necesită instalaţii suplimentare). Pe lângă metan se

mină hidrogen, hidrogen sulfurat, vapori de apă, amoniac, azot

O staţie de biogaz industrială este formată în general din:

ţie de pompare a apei rezidu

2

tribuţie a nămolului;

5

ului.

Sursele de biomasă ce pot fi uşor supuse procesului de metanizare cu scopul

obţinerii metanului şi al reducerii poluării mediului de pot fi:

• Deşeuri urbane, însă biogazul obţinut are o calitate slabă, rolul major al

prelucrării fiind evitarea emisiilor de metan în atmosferă;

• Deşeuri colectate selectiv şi deşeuri putrescibile şi care pot fi metanizate în

bioreactoare;

• Nămolu

independentă din punct de vede

Dejecţiile animaliere, acestea supuse metanizării pot aduce un surplus de

metan înafara consumului propriu care poate fi comercializat;

• Efluenţii rezultaţi în industria agro-alimentară pot constitui o sursă importantă

pentru obţinerea de b

Page 118: Curs Motoare

PARTEA I – COMBUSTIBILI ALTERNATIVI

118

Fig. 6.1. Schema reactorului de metanizare a biomasei

cu volum mare sau presiuni ridicate în

olume mici.

re speciale, unde metanul este separat de restul gazelor. Utilizarea

at) poate du intoxicare, deoarece în restul gazelor

tă în eliminarea de CO2, a

zată constă în spălarea gazului cu apă.

Metanul este componentul care conferă biogazului valoare energetică. În

stare pură este un gaz combustibil, lipsit de culoare, miros sau gust; mai uşor decât

aerul (M=16); arde cu flacără albăstruie; are o putere calorică de 97 MJ pe mililitru

(puţin mai mult ca motorina). Biogazul, comparativ cu metanul pur, are o putere de

25 MJ/ml, din cauza prezenţei în el a bioxidului de carbon şi altor gaze. Metanul nu

se lichefiază la temperatura mediului ambiant (de la -20°C până la +40°C). Se

păstrează la presiuni joase în containere

v

6.2.VALORIFICAREA BIOGAZULUI Biogazul necesită a fi prelucrat până la utilizare. De obicei este trecut prin

separatoa

biogazului brut (presepar ce la

poate conţine gaze toxice.

Epurarea biogazului este indispensabilă pentru a-l putea comprima şi utiliza la

alimentarea motoarelor. Operaţia de epurare cons

hidrogenului sulfurat şi a apei. Tehnologia utili

O variantă consta în utilizarea apei sub presiune (20 bar).

Page 119: Curs Motoare

Biogazul

119

Tabelul 6.1. Epurarea biogazului

Compuşi Biogaz brut Biogaz epurat CH4 65% 99,5% CO2 34% 0,2...0,5% H2S 0,05% < 5 ppm

Biogazul obţinut în cantităţi suficiente contribuie la diminuarea efectului de seră prin

diminuarea consumului de gaze naturale şi alţi combustibili fosili. Utilizarea

biogazului aduce un câştig financiar, o parte acoperind investiţiile în instalaţii pentru

bţine

s. În energetică poate fi ars într-un motor cu gaz

sau o

) Metanul poate fi utilizat la obţinerea hidrogenului prin descompunere

2 (6.2)

are, când se obţine carbon, vapori de apă sau oxizi de carbon şi

2CH4

acest

clorme

Prin c

organ

o rea lui, iar pe de altă parte reduce efortul financiar pentru asigurarea pieţei cu

combustibili similari.

Biogazul poate fi utilizat în diverse aplicaţii, cum ar fi:

a) Metanul se întrebuinţează ca agent energetic. Este un combustibil superior

cărbunelui şi chiar unor produse petroliere prin puterea calorică mai mare, cheltuieli

de exploatare şi transport mai redu

turbină cu gaze pentru producere de electricitate care să fie introdusă în reţea

sau poate fi ars pentru căldură pentru cogenerare. El poate fi utilizat în egală măsură

în întreprinderile consumatoare de combustibil,cum ar fi : termocentrale, fabrici de

ciment , centrale de încălzire locuinţe, etc.

b

CH4 --> C + 2H

au prin oxids

hidrogen

+ O2 --> 2CO + 4H2 (6.3)

c) Poate fi folosit ca materie primă pentru obţinerea unor produse superioare, în

sens este importantă reacţia de clorurare a metanului, în urma cărora se obţine

tan, diclormetan, tricolormetan, tetraclormetan

CH4 + Cl2 --> CH3Cl + HCl (6.4)

lorurarea metanului se obţin unii dizolvanţi şi agenţi frigorifici.

Prin nitrarea metanului se obţine nitrometanul, folosit ca dizolvant şi în unele sinteze

ice prin amonooxidare.

Page 120: Curs Motoare

PARTEA I – COMBUSTIBILI ALTERNATIVI

120

d)Poate fi folosit drept combustibil al alimentarea motoarelor cu ardere internă

Biogazul obţinut este epurat şi poate fi folosit drept combustibil în motorul cu

internă, el fiind id

ardere entic cu gazul natural (GNV = gaz natural pentru vehicule).

aprins în motoare cu

funcţionarea pe gaz (rezervor, regulator de presiune, amestecător).

20 Mp este echivalent cu 1,1l benzină). Un studiu realizat în

uedia pe un autobuz alimentat cu biogaz şi prevăzut cu catalizator a evidenţiat o

ducere de 80% a emisiilor de CO, 40% a emisiilor de NOx şi 90% a emisiilor de

articule. Numai emisiile de hidrocarburi au crescut cu 20% (emisii metanice) faţă de

n autobuz dotat cu motor Diesel.

Marele avantaj la utilizarea biogazului îl constituie diminuarea emisiilor de

etan în atmosferă datorate fermentaţiei anaerobe a compuşilor organici care sunt

e cele mai multe ori deşeuri. Dioxidul de carbon rezultat în urma utilizării biogazului

re un impact mai redus asupra efectului de seră în comparaţie cu emisiile de metan

rezultat din aceiaşi cantitate de materiale organice.

Bibliografie [1] Apostolescu, N., Sfinţeanu, D. - Automobilul cu combustibili neconvenţionali. -

Editura Tehnică, Bucureşti, 1989. ISBN 973-31-0049-8.

[2] Bobescu Gh., Chiru A., Cofaru C., Radu Gh. Alex., Abăitencei H., ş.a. –

Motoare pentru Automobile şi tractoare, vol. III, Editura Tehnică Info Chişinău,

Republica Moldova, 2000, ISBN 9975-63-015-4.

[3] Cofaru.C. –Legislatia şi ingineria mediului in transportul rutier Editura

Universităţii Transylvania Brasov 2002 ,ISBN 973-635-185-8

[4] Cofaru, C., ş.a.. - Autovehiculul şi mediul. Editura Universităţii Transilvania

Braşov, 1999. ISBN 973-98512-3-1.

[5] Cofaru,C. Helerea,E.,Dumitrescu,L.,Perniu.D., Sandu,V., Materials-Energy

Sustainable d Brasov, 2002 ISBN

973-635-199-8

Datorită calităţilor de autoaprindere scăzute, amestecul aer-biogaz trebuie

cu ajutorul unei bujii. Deci motoarele Diesel trebuie convertite

aprindere prin scânteie. Şi motoarele cu aprindere prin scânteie trebuie adaptate la

Pentru a se asigura autonomia autovehiculului gazul trebuie comprimat (max.

a) (1 Nm3 biogaz epurat

S

re

p

u

m

d

a

evelopment. Editura Universitatii Transilvania

Page 121: Curs Motoare

Biogazul

121

[6] Negrea, V., D., Sandu, V. - Combaterea poluării mediului în transporturile

rutiere. Editura Tehnică, Bucureşti, 2000. ISBN 973-31-1455-3.

[7] Timothy, T., Maxwell, Jesse, C., Jons. - Alternative fuels. SAE 1995. ISBN 1-

56091-523-4.

[8] W H. Crouse and D.N. Anglin, - Automotive Emission Control - McGraw Hill,

New York, 1977, 278 p.

Unitate de producere biogaz în Germania

Page 122: Curs Motoare

PARTEA I – COMBUSTIBILI ALTERNATIVI

122

Audi A2 H2 dotată cu pilă de combustie

Fiat Panda dotată cu pilă de combustie alimentată cu hidrogen

Page 123: Curs Motoare

Utilizarea hidrogenului in pila de combustie

123

Autor: Corneliu COFARU

7. UTILIZAREA HIDROGENULUI IN PILA DE COMBUSTIE

7.1. UTILIZAREA HIDROGENULUI IN TRANSPORT

Hidrogenul este cel mai răspândit element din Univers. Este un gaz incolor,

odor se găseşte în cantităţi mici în atmosfera

sindu-se combinat cu oxigenul sau cu carbonul în

ste absorbit de metale cum ar fi: Fe, Al, şi Cu,

lină care determină modificarea unor proprietăţi ale

in şi insipid. În stare gazoasă

Pământului, în cantităţi mari gă

compuşii organici. Hidrogenul gazos e

cu inserarea în reţeaua crista

acestora.

Proprietăţile fizico-chimice ale hidrogenului sunt prezentate în tabelul următor:

Tabelul 7.1 Proprietăţile fizico-chimice ale hidrogenului

Proprietatea Valoare Masa moleculară 2,0156

Starea normală (p0=0,1013 MPa; T0=273 K) - densitatea [kg/m3] - densitatea relativă la aer - căldura specifică la p=ct. [kJ/kg·K]

0,08987 0,06984 14,235

Temperatura de fierbere [°C] 0=0,1 -252,78 (p 013 MPa)

Raportul căldurilor specifice 1,41 Aerul teoretic arderii [Nm3 aer/Nm3 H2] 2,38 Puterea calorică inferioară [kJ/Nm3] [kJ/kg]

10760 119617

Energia minimă de aprindere [mJ] 0,02 Temperatura de autoaprindere [K] 845

Limitele de inflamabilitate (p0=0,1013 MPa; T0=273 K) - amestecuri sărace (coeficientul de exces de aer λ) - amestecuri bogate

10 0,394

Hidrogenul poate fi stocat pentru a fi utilizat ulterior în următoarele moduri:

- comprimat în butelii, procedeu dezavantajos datorită restricţiilor privind

volumul şi presiunea de încărcare care penalizează drastic încărcătura utilă a

ilizarea acestui mod

de stocare la bordul autovehiculului este neconvenabil din punctul de vedere al

autovehiculului;

- în stare lichidă; hidrogenul lichid poate fi stocat numai la temperatura de

-253 °C ceea ce impune folosirea unor rezervoare criogenice. Ut

Page 124: Curs Motoare

PARTEA I – COMBUSTIBILI ALTERNATIVI

124

complexităţii şi costului sistemului (rezervor, echipamente auxiliare cum ar fi

schimbătoarele de căldură, pompele criogenice precum şi echipamentele de control,

bsorbţia hidrogenului în metal are loc printr-o reacţie exotermă iar desorbţia

rintr-o reacţie endotermă.

Hidrogenul u benzina (de 7-8

ai mare). A acteri

ridicate de funcţionare ale motoru

estecu - limite de aprindere foarte largi şi se

ază prin viteze ridicate de ardere.

altă caracteristică a uti ogenulu ustib te tendinţa

cu deton curil - ae d uşor prin contact cu

ţi.

ilizarea p unor suri constructive i de reglaj al

i pentru

- propagarea inversă a flăcării;

hidrogen - aer sărace şi prin recircularea unei părţi din gazele de

vacuare.

motoare cu aprindere prin scânteie cât şi

comandă şi siguranţă);

- în hidruri metalice: hidrurile metalice sunt compuşi chimici solizi între

hidrogen şi un metal (Fe, Ni, Cu, Mn, La, Ti, Zn, V, Pa) sau aliajele acestuia.

A

p

prezintă o viteză ridicată de difuzie comparabil c

ori m ceastă car stică favorizează

lui.

formarea amestecului la turaţiile

Am rile hidrogen aer au

caracterize

O lizării hidr i drept comb il es

arderii aţie. Ameste e hidrogen r se aprin

suprafeţele calde ale motorului sau gazele fierbin

Ut hidrogenului im une luarea mă ş

motorulu a se evita:

- tendinţa arderii rapide;

- tendinţa de ardere anormală;

- pericolul de explozie;

Din punctul de vedere al emisiilor poluante, motorul cu ardere internă

alimentat cu hidrogen poate fi considerat un motor relativ curat. Emisiile de

hidrocarburi si oxid de carbon sunt extrem de mici, ele avându-şi originea în arderea

incompletă a uleiului care ajunge în camera de ardere. Cantităţile de oxizi de azot

care se formează în camera de ardere a motorului alimentat cu hidrogen sunt

importante datorită desfăşurării arderii cu temperaturii ridicate ale flăcării. Reducerea

ratei de formare a oxizilor în camera de ardere se poate realiza prin utilizarea unor

amestecuri

e

Pot fi alimentate cu hidrogen atât

motoare cu aprindere prin comprimare.

Page 125: Curs Motoare

Utilizarea hidrogenului in pila de combustie

125

Datorită complexităţii constructive a mo i, sistemului de alimentare şi torulu

stărilor.

- aer

a gazelor arse.

bţinută în pila de combustie.

bustibil în energie electrică. Energia electrică obţinută este

l combustibilului şi oxidantului

Presiunea de funcţionare [Mpa]

proceselor ce au loc în cilindrii motorului, alimentarea cu hidrogen nu a depăşit faza

te

Rezultate bune au fost obţinute la utilizarea hidrogenului drept carburant

adiţional. Adaosul de hidrogen în amestecurile combustibil convenţional

determină îmbunătăţirea procesului de ardere, diminuează dispersia ciclică ceea ce

va conduce la diminuarea emisiilor de CO, HC şi particule. Emisiile de NOx au

tendinţa de creştere însă pot fi reduse prin utilizarea unor amestecuri sărace şi prin

recirculare

7.2. PILA DE COMBUSTIE Autovehiculul electric cu pilă de combustie poate fi considerat ca un vehicul

hibrid la care energia primară este o

Configurarea unui automobil cu pilă de combustie diferă de un automobil

hibrid serie, elementele de tracţiune, comandă şi control fiind asemănătoare.

Pila de combustie este dispozitivul care transformă direct energia chimică

conţinută de un com

rezultatul procesului de oxidare a combustibilului la anod şi reducere a oxidantului la

catod.

Tabelul 7.2 Caracteristicile pilelor de combustie

Temp. de TipuTip Electrolit funcţionare

[°C]

PEMFC Membrană

(P P schimbătoare de protoni

70 - 80 HCMS ) 0,3 - 1 2 + CO2

A Alcalin 80 - 100 HFC CA) Aer fără CO2

0,1 2 - pur (PPAFC (PCAF) Acid fosforic 190 - 200 H2 + CO

(< 0,5% CO) 0,1 - 0,8

MCFC (PCCT) Carbonat topit 600 - 65 - - 0

SOFC (PCOS) Oxid solid - 800 - 1000 -

PCMSP - pilă de combustie cu membrană schimbătoare de protoni;

PCCF - pilă de combustie cu carbonat topit; PCOS - pilă de combustie cu oxid solid.

PCA - pilă de combustie alcalină; PCAF - pilă de combustie cu acid fosforic;

Page 126: Curs Motoare

PARTEA I – COMBUSTIBILI ALTERNATIVI

126

Avantajul unic şi absolut al pilei de combustie este funcţionarea cu hidrogen

drept combustibil. Hidrogenul poate fi stocat la bordul autovehiculului comprimat,

în idruri etalic

la b rdul

nţei la bordul autovehiculului a unei

stalaţii de reformare pentru obţinerea hidrogenului, pot exista emisii de CO2 (de

rsat în

tmosferă).

.2.1. Pila de combustie alcalină (AFC) Această pilă utilizează drept electrolit o soluţie apoasă de KOH. Reacţiile

lectrochimice sunt:

- Anod: H2 + 2OH- → 2H2O + 2e- (7.1)

- Catod: 1/2O2 + H2O + 2e- → 2OH- (7.2)

- Reacţia globală: H2 + 1/2O2 → H2O (7.3)

Performanţele electrozilor sunt ridicate dacă se adoptă un bun compromis

tre o conductivitate ridicată şi activitatea catalitică a acestora la 70 - 80 °C.

Ambele gaze, H2 şi aer sunt circulate în sistem la presiuni reduse: 2 - 4 kPa.

În aerul atmosferic co ximativ 300 ppm; pentru a

ia acestuia cu electrolitul, conţinut de CO2 din aer trebuie diminuat la

<50 ppm.

Materialul electrozilor se bazează pe politetrafluoretilenă acoperită cu un strat

de carbon şi susţinută de o grilă de Ni. Materialul activ îl constituie cristalele de Pt

absorbite pe particulele de carbon.

Pentru ca gazele ce alimentează pila să ajungă la cristalele de Pt este

necesar ca acestea să nu conţină vapori de apă. Scurgerea electrolitului spre

compartimentele gazelor este împiedicată de către un separator poros din

politetrafluoretilenă.

Cristalele de Pt ale anodului pot fi scoase din funcţiune dacă hidrogenul

conţine CO.

Randamentul unei unităţi standard variază între 69% (la 25 A) şi descreşte la

2% (la 120 A) pentru o temperatură de lucru de 70 °C. La temperatura de 25 °C

ndamentul este de 67% (la 25 A) şi 48% (la 87,5 A).

lichefiat în rezervoare criogenice sau h m e sau poate fi obţinut la bordul

autovehiculului. În cazul stocării hidrogenului o autovehiculului, emisiile

poluante ale acestuia sunt zero. În cazul existe

in

exemplu, reformarea metanolului produce 25% CO2, care va fi deve

a

7

e

în

nţinutul de CO2 este de apro

se evita reacţ

5

ra

Page 127: Curs Motoare

Utilizarea hidrogenului in pila de combustie

127

Tensiunea unităţii standard este:

- la 70 °C : 5,4 V pentru 0 A şi 3,87 V pentru 120 A;

- la 25 °C : 5,5 V pentru 0 A şi 3,5 V pentru 88 A.

Pornirea pilei de combustie se realizează în câteva minute.

Fig. 7.1. Schema pilei de combustie alcaline

7.2.2. Pila de combustie cu acid fosforic (PCAF) Principalele reacţii electrochimice care au loc într-o pilă de combustie cu acid

fosforic sunt:

- Anod: H2 → 2H+ + 2e- (7.4)

- Catod: 1/2O2 + 2H+ + 2e- → H2O (7.5)

- Reacţia globală: H2 + 1/2O2 → H2O (7.6)

În figurile 7.2. şi 7.3. se prezintă configuraţia unei celule a pilei de combustie.

Page 128: Curs Motoare

PARTEA I – COMBUSTIBILI ALTERNATIVI

128

Fig. 7.2. Configuraţia celulei

a m terial lor la ncţionarea la temperatura de

încorporate în pudra de carbon depusă pe suport din politetrafluoretilenă sub formă

Fig 7.3. Dispunerea elementelor celulei

Din cauză că apare coroziune a e fu

200 °C, numai carbonul sau grafitul poate fi folosit pentru componentele structurale

ale pilei de combustie cu acid fosforic.

Electrozii utilizează platină, mai recent aliajele pe bază de platină care sunt

Page 129: Curs Motoare

Utilizarea hidrogenului in pila de combustie

129

de hârtie, pâslă sau spumă, cu separatori din grafit. Cantitatea de platină utilizată

este de 0,25 mg/cm2 pentru anod şi 0,5...1 mg/cm2 pentru catod.

În pila de combustie cu acid fosforic se poate utiliza hidrogen care conţine

CO2 şi CO, CO2 acţionând ca un diluant şi reducând presiunea parţială a H2.

CO este tolerat de către anod datorită temperaturilor ridicate de funcţionare (la

ţinere în

ind de

Membrana schimbătoare de protoni este o reţea polimerică la care se

capabile să schimbe cationi sau anioni. În general materialul este

id la care

nionii

190 °C impurificarea hidrogenului cu 0,5% C este tolerată de anod).

Pentru a porni o pilă de combustie cu acid fosforic este necesar ca aceasta să

fie încălzită la 130 °C. Mai mult, celula trebuie menţinută sub o sarcină parţială

pentru a preveni coroziunea suportului de carbon al catodului. Pornirea de la

temperatura ambiantă durează în jur de o oră iar de la temperatura de men

câteva minute.

Sunt utilizate mai multe metode de răcire, în funcţie de construcţia sistemului.

Performanţele electrochimice al pilei de combustie cu acid fosforic dep

presiunea şi temperatura sistemului.

7.2.3. Pila de combustie cu membrană schimbătoare de protoni

ataşează grupuri

un acid la care grupul acid se include în matrice. Toate membranele schimbătoare de

protoni acide sunt geluri şi cer prezenţa moleculelor de apă pentru conductivitatea

protonilor.

Raportul H2O la H+ pentru a realiza conductivitatea este 3:1. În aceste condiţii,

membrana schimbătoare de protoni poate fi privită ca un simplu electrod ac

a sunt imobilizaţi în structura polimerului.

Secţiunea transversală a unei celule a pilei de combustie cu electrolit

polimeric este prezentată în figura 7.4.

Page 130: Curs Motoare

PARTEA I – COMBUSTIBILI ALTERNATIVI

130

Fig. 7.4. Schema pilei de combustie cu membrană schimbătoare de protoni

Celula constă dintr-o placă conductivă bipolară (de exemplu grafit) care este presată

→ 2H2O (7.8)

ie c mem rană schimb

bus cu emb nă schimbă

este absorbit, ceea ce face posibilă

bu tibili sili ( etan, hidrocarburi, metanol,

itul combustibilului; circuitul de răcire; circuitul aerului.

pe ansamblul membranei electrod. Pe faţa anodului, hidrogenul suportă reacţia :

H2 → 2H+ + 2e- (7.7)

Protonii rezultaţi trec prin electrolitul polimeric spre catod, unde sunt catalitic

combinaţi cu O2 şi electroni după reacţia:

4H+ + O2 + 4e-

Încercările au arătat ca cel mai bun material catalitic este platina pentru ambii

electrozi.

Avantajul major al pilei de combust u b ătoare de protoni

este că poate funcţiona la temperatura mediului ambiant. Randamentul acestei pile

de combustie este de 46% până la 57%.

La sistemul de pilă de com tie m ra toare de protoni,

datorită acidităţii electrolitului CO2 nu

funcţionarea cu H2 derivat din com s fo m

cărbuni). Deoarece sistemul funcţionează la temperaturi scăzute, este extrem de

sensibil la prezenţa CO în hidrogen, determinând "otrăvirea" catalizatorului.

Sistemul conţine: circu

Page 131: Curs Motoare

Utilizarea hidrogenului in pila de combustie

131

Temperatura de funcţionare este de 80 °C la presiune de 0,35 MPa dar poate

fi şi mai ridicată de 1,0 MPa. Presurizarea necesită existenţa unui compresor.

putere.

7.2 bustie

ă atingă 99,95%.

La pornirea pilei de combustie trebuie să se debiteze combustibil şi aer.

Sistemul se încălzeşte în câteva minute şi poate debita întreaga

.4. Reactanţii utilizaţi în pila de com

a) Combustibilul

Pila de combustie utilizează ca unic combustibil hidrogenul, care poate fi

stocat în rezervoare comprimat, lichefiat sau în hidruri metalice sau poate fi produs la

bordul autovehiculului.

Puritatea hidrogenului depinde de metoda de obţinere şi de tipul pilei. Pentru

pila de combustie alcalină, puritatea hidrogenului trebuie s

În pila de combustie cu acid fosforic se poate utiliza un amestec de H2 şi CO2

obţinut prin reformarea metanolului sau a gazelor naturale. Asemenea amestec

poate fi utilizat şi în pila de combustie cu membrană schimbătoare de protoni.

Tabelul 7.3. Restricţiile de impurificare a hidrogenului

PCA PCAF PCMSP CO2 <50 ppm fără restricţii fără restricţii CO <50 ppm <0,5% câteva ppm H2O - - saturat PCMSP - pilă de combustie cu membrană schimbătoare de protoni.

b) Oxigenul

În pilele de combustie cu acid fosforic şi cu membrană schimbătoare de

rotoni se utilizează aerul ambiental. În cazul pilei de combustie alcaline , trebuie să

50 ppm la sub 50 ppm.

p

se reducă conţinutul de CO2 al aerului ambiental de la 250…3

c) Instalaţia de generare a hidrogenului

Alcoolii şi combustibilii fosili susceptibili de a fi folosiţi la alimentarea pilei de

combustie nu au reactivitate electrochimică şi din această cauză ei nu pot fi folosiţi

direct. De aceea este nevoie de o instalaţie de procesare (reformare) catalitică

pentru a se obţine hidrogenul necesar alimentării pilei de combustie.

Page 132: Curs Motoare

PARTEA I – COMBUSTIBILI ALTERNATIVI

132

Instalaţiei de reformare catalitică I se impun o serie de cerinţe la utilizarea pe

autovehicul: livrarea hidrogenului în funcţie de regimul de funcţionare al pilei de

combustie, să intre rapid în funcţiune, să urmărească comenzile rapid, să realizeze

conversie totală a combustibilului pentru toate valorile de sarcină, în procesul de

reformare să se obţină cantităţi neglijabile de CO pentru a se evita otrăvirea

anodului, să aibă emisii poluante zero, să fie uşoară, compactă şi ieftină.

Instalaţia de reformare catalitică include întotdeauna un reactor unde

combustibilul este descompus într-un amestec de H2, CO2 şi urme de alte gaze

n hidrogen, foloseşte procesul numit

formarea aburilor care este endotermic. Reacţia globală este de forma:

CH3OH + H2O → 3H2 + CO2 (7.9)

ă reacţie este rezultatul a două trepte în reacţia de descompunere a

CH3OH → CO + 2H2 (7.10)

C H2O → CO2 + H2 (7.11)

°C. La reactor se obţin 75% volumice H2 şi 25% volumice CO2 conţinând

ător sau

sunt: etanolul, benzina şi gazele naturale.

reform

• CO2;

rezulta

redus anţi pot fi soluţii apoase de mono sau dietanolamină care

dintre care principalul este CO. În funcţie de tipul pilei de combustie este posibil să

se folosească amestecul aşa cum a fost obţinut sau să fie trecut printr-o instalaţie de

purificare amplasată după reactor.

Reactorul, pentru a converti metanolul î

re

Aceast

metanolului, prima treaptă fiind endotermică de forma:

iar, a doua reacţie este uşor exotermică:

O +

Aceste reacţii au loc cu un catalizator Cu-Zn la temperaturi mai mari de 180

ieşirea din

urme de CO şi alţi compuşi.

Necesarul de căldură pentru reacţia endotermă este furnizat de un arz

un sistem elastic de încălzire.

Alţi combustibili cu potenţial de a fi folosiţi la alimentarea pilei de combustie

Instalaţia de purificare a amestecului de gaze rezultat din procesul de

are poate folosi o multitudine de procedee, printre care:

absorbţia

• preoxidare şi injecţie de oxigen;

difuzia prin membrane Pd/Ag.

Pentru a diminua conţinutul de CO2 pot fi utilizaţi mai mulţi absorbanţi. Gazele

te pot fi spălate cu apă în turnuri presurizate unde conţinutul de CO2 poate fi

la 0,1%. Alţi absorb

Page 133: Curs Motoare

Utilizarea hidrogenului in pila de combustie

133

pot fi regenerate folosind căldura. Utilizarea de solvenţi în locul apei pentru

rea conţinutului de COreduce ăldură

ecesară regenerării agentului de spălare.

Pentru reducerea conţinutului de CO se utilizează instalaţii de oxidare

catalitică care utilizează o cantitate de aer controlată cu precizie pentru a nu afecta

debitul de hidrogen. Instalaţia poartă numele de unitate de oxidare preferenţială. În

această unitate, drept catalizator se utilizează platina pe suport de Al2O3. Cantitatea

de oxigen injectată trebuie să depăşească ă ori conţinutul de CO din gazele

şite din reactor.

O metodă de purificare a hidrogenului o constituie t

gaze obţinut prin reformare prin membrane Pd/Ag. Principiul de func

bazează pe faptul ca membrana este impenetrabilă la gaze, numai ionii de hidrogen

XILIARE PILEI DE COMBUSTIE

tinuu

apă, p

2 poate determina reducerea cantităţii de c

n

de dou

ie

recerea amestecului de

ţionare se

putând migra prin paladiu. Hidrogenul obţinut prin acest procedeu de purificare are o

puritate de 99,9999%.

7.3. ECHIPAMENTELE AU

Instalaţia de control al aerului are rolul de a furniza oxigenul necesar

funcţionării pilei de combustie. Elementul principal al acestei instalaţii îl constituie

compresorul şi motorul de antrenare al acestuia care trebuie să asigure presiunile

necesare funcţionării pilei. În instalaţia de control al aerului sunt amplasate şi o serie

de schimbătoare de căldură prin care se reglează temperatura şi umiditatea

acestuia.

Un element important în funcţionarea pilei de combustie îl constituie controlul

temperaturilor şi circulaţia apei. În celulele pilei de combustie se produce în con

rin combinaţia electrochimică a hidrogenului şi a oxigenului, care trebuie

înlăturată. Gazele utilizate în pilă trebuie să conţină vapori de apă pentru a preveni

uscarea membranelor. Deci, apa este produsă şi consumată în sistem. Atât

elementele pilei de combustie cât şi cele ale instalaţiei de reformare funcţionează cu

temperatură controlată iar circuitul apei realizează acest lucru dispunând de un

sistem complex de schimbătoare de căldură.

Controlul parametrilor de funcţionare ai unei instalaţii de obţinere a energiei

electrice cu pilă de combustie este dificil datorită complexităţii. trebuie reglate

Page 134: Curs Motoare

PARTEA I – COMBUSTIBILI ALTERNATIVI

134

debitele, temperaturile şi presiunile gazelor şi fluidelor care participă în proces pentru

a obţine eficienţa globală maximă a sistemului.

[3] Le

ecomposition.Haldor Topsoe

requirements

vol.23A,1989.

[6] Proceedings of the 24th ISATA International Symposium on Automotive

brid drive. 3.Aachener Colloquium Automobile and Engine Technology,

Bibliografie [1] Linden, D. Handbook of Baterries and Fuel Cell. Mc.Graw-Hill Book Company

.1983

[2] Appleby,A.J., Foulkes,F.R. Fuel Cell Handbook. Van Nostrand Rheinhold. New

York. 1988

mons,R.A. Fuel Cell for Transportation. Journal of Power Sources 29.1990

p.251-264.

[4] Laursen,J.K. Hydrogen Generation by Methanol D

A/S DK-2000 Lyngby, Copenhagen, Denmark.

[5] DeLuchi,M., Wang, Q.,Sperling,D.. Transportation Research, Electric Vehicles:

Performances, Life Cycle Costs, Emissions, and recharging

Technology and Automation. Florence, Italy, 20-24 May 1991. Electric/Hybrid

Vehicles.

[7] Kaberlah, Q. Hybrid drives systems for cars. Automotive Engineering

Vol.99,No 7 July 1991.

[8] Harbola,B.,Buschhaus,W. Concept selection and development of a passenger

car hy

Aachen, Oct.1991.

[9] Maggetto,G., Van den Bossche,P. Advanced Electric Drive Systems for Buses,

Vans and Passenger Cars to Reduce Pollution. Summary Report .1992

Page 135: Curs Motoare

Utilizarea hidrogenului la alimentarea MAI

135

Autori: Roger SIERENS Sebastian VERHELST

8. UTILIZAREA HIDROGENULUI LA ALIMENTAREA MOTOARELOR CU A

chipate cu catalizatoare cu 3 căi şi cu sisteme

compli

cred – care sunt deja foarte rari au trebuit să admită

posibil

25% din totalul emisiilor de CO2) la 140 g/km în

2008.

RDERE INTERNĂ

8.1. DE CE HIDROGEN? Încurajările pentru dezvoltarea unei economii bazată pe hidrogen ca purtător

de energie sunt foarte bine cunoscute, cele mai importante argumente fiind emisiile

scăzute şi varietatea de termen lung a metodelor de producere. Pot exista diferende

pe tema emisiilor „curate”, care au devenit din ce în ce mai nepoluante în cazul

motoarelor moderne pe benzină, e

cate de management al motorului. S-a demonstrat că unele autovehicule

aflate deja pe piaţă au un nivel foarte scăzut al emisiilor poluante, noile tehnologii

permiţând autovehiculelor chiar să cureţe aerul din zona în care se deplasează.

Totuşi, emisiile rămân o problemă ţinând cont că numărul poluanţilor este în

creştere, lăsând la o parte tehnologiile de reducere a poluării. Al doilea interes pentru

hidrogen îl reprezintă combustibilii fosili. Aceştia sunt în general hidrocarburi, din

compoziţia cărora rezultă CO2, care a fost numit ca fiind cel mai radioactiv pentru

atmosfera pământului, rezultând încălzirea globală sau aşa numitul “efect de seră”[

termenul “forţare radioactivă” este folosit în ştiinţă pentru a arăta tulburările radiaţiilor

atmosferice prin comparare a energiei primite (soarele) şi cea cedată (radiaţia în

spaţiu).]. Chiar şi cei ce nu

itatea efectelor dezastruoase rezultate din continuarea emiterii sau chiar

creşterea emisiilor de CO2 având provenienţă activităţile umane.

Toate părţile protocolului de la Kyoto, s-au angajat să reducă antropogeneza

emisiilor de dioxid de carbon sub nivelul celui din 1990 în perioada 2008-2012, astfel

eficienţa transformării energiei va trebui s[ crească sau trebuie promovate sursele

alternative de energie ce nu produc dioxid de carbon. Asociaţia Constructorilor de

Automobile Europeni au ajuns la un acord privind reducerea emisiilor de CO2 din

transportul rutier (cu aproximativ

Page 136: Curs Motoare

PARTEA I – COMBUSTIBILI ALTERNATIVI

136

Hidrogenul este privit ca un agent de mărire securităţii energiei, fiindcă

rezerv

faptul că producţia

MIA DE HIDROGEN

i rezolvată de orice ţară care are surse de

energi

bustie) cât şi mari facilităţi de producţie. Înlocuirea bateriilor laptop-urilor

şi tele

te surse sunt

ele de combustibili fosili sunt concentrate geografic, cea mai mare concentrare

a resurselor energetice fiind în regiunile instabile politic.

Mai mult rezervele energetice clasice sunt finite, este evident

petrolieră a atins un maxim sau va fi atins în viitorul foarte apropiat În sfârşit,

combustibili fosili vor deveni materie primă pentru industria polimerilor.

8.2. ECONOAceastă lucrare ar fi incompletă fără câteva remarci asupra economiei de

hidrogen, un cuvânt cheie privind numeroasele posibilităţi de utilizare a hidrogenului

ca purtător de energie. Aceste posibilităţi au fost create datorită numărului mare de

utilizare a tehnologiilor de producere de hidrogen. Câteva ilustraţii sunt prezentate

aici, pentru cititorii interesaţi sunt referiri în alte lucrări detailate prezentate în

bibliografie.

Dacă hidrogenul poate fi obţinut din combustibili fosili şi din surse

regenerabile, problema energiei poate f

e suficient de mari. Câteva dintre insulele retrase cu surse regenerabile, pot

avea primele economii bazate pe hidrogen, ţinând cont că sectorul de transport al

acestora se bazează pe importuri de uleiuri scumpe şi ameninţarea cu schimbarea

climei, şi-au manifestat interesul şi au făcut şi primii paşi în acest sens, Islanda,

Hawaii şi Noua Zeelandă, care pot să se confrunte cu mari greutăţi în viitor

(creşterea nivelului marilor).

Hidrogenul poate fi ars în motoarele cu ardere internă sau în turbinele cu gaze

sau în combinaţii cu oxigenul în pilele de combustie, producând electricitate. Astfel,

hidrogenul poate (în teorie) înlocui surse mici de energie (înlocuind bateriile cu mici

pile de com

foanelor mobile, poate fi foarte profitabilă, astfel încât creşterea autonomiei

dată de pilele de combustie poate fi un avantaj competitiv la un nivel mai mare.

Cuvinte de precauţie sunt amintite în literatura şi în informaţiile generale

privind economia de hidrogen şi pile de ardere. Se pare că cele mai mul

foarte optimiste sau vin de la oponenţi fanatici. Omiterea datelor esenţiale

(intenţionat sau nu), false sau adevărate, înţelegeri greşite, etc. sunt din păcate

destul de comune. Studiile Sondă la roată “Well To Wheels” (WTW) au astfel de

Page 137: Curs Motoare

Utilizarea hidrogenului la alimentarea MAI

137

înclinaţii şi rezultatele depind în mare măsură de grupurile de interese, publicând

(sau plătind) studiile ( de exemplu studiile privind alegerea celui mai bun combustibil

pentru

a interesului publicului şi persoanelor neimplicate în

ştiinţă,

este justificată

de teh

TERNĂ?

rea a

hidrogenului. Alimentarea motoarelor cu ardere internă cu hidrogen precum şi a

crare s-a ocupat de utilizar enului la motoarele cu ardere internă

otoarele cu e internă au beneficiat de o dezvoltare

mai mult de un seco că mai prez otenţial pentru optimizări

ogia pile e combustie încă la început; aceasta

lor d bustie fiind prohibitiv. Cei ce încurajează

mbustie, spun că preţul va scădea (preţul curent face diferenţa

pilele de ardere, vezi Dunn).

Cu toate că aceste rezultate sunt controversate, ele au fost în parte

responsabile pentru creştere

în continuare trebuie avut grijă să nu se piardă credibilitatea publicului

general. Este important să aibă o privire realistă asupra posibilităţilor, la fel asupra

problemelor asociate cu utilizarea hidrogenului. Una peste alta, putem spune că

hidrogenul oferă potenţial pentru a câştiga o parte din piaţă. Aceasta

nologiile curente bazate pe hidrogen, la fel şi părţile care au investit ( sau au

de gând să investească) sume mari în proiecte de cercetare, dezvoltare, demonstraţii

şi educaţie. Părţile implicate cuprind guverne (U.S., E.U., Japonia, ş.a), companii

petroliere (Shell, BP, Amoco, ş.a.), ţări producătoare de petrol(Dubai) si marii

producători de autovehicule.

Cele mai importante provocări pentru dezvoltarea economiei de hidrogen, se

poate împărţi în trei categorii, economic, de exemple: costul producţiei de hidrogen,

transport, stocare unde pila de combustie şi motoarele termice pe hidrogen trebuie

să devină competitive; tehnologic, aici problemele privind stocarea sunt cele mai

presante şi în fine dar nu cea din urmă categorie socială unde percepţia publicului

asupra hidrogenului trebuie sa fie legată strâns legată de lanţul producere de energie

şi utilizatorul final (datorită descentralizării producerii energiei sau chiar forţării pentru

utilizarea energiei regenerabile)

8.3. DE CE HIDROGEN ÎN MOTOARELE CU ARDERE IN

Aşa cum s-a menţionat înainte, sunt un număr de tehnologii de utiliza

pilelor de combustie, sunt două căi propuse sectorului transport.

Această lu ea hidrog

din următoarele motive: m arder

continuă timp de l şi în intă p

viitoare.

Pe de altă parte, tehnol lor d este

se reflectă şi în preţ, costul al pile

utilizarea pilelor de co

e com

Page 138: Curs Motoare

PARTEA I – COMBUSTIBILI ALTERNATIVI

138

între pile de combustie şi motoare ardere in ) prin intermediul unor

econ e , dar treb ă se ia în c rile

lelor electrice care nu au reuşit să devin ate. În

nui mo cu ardere in în motor cu hidrogen îi

dar acest cost este limitat.

ard internă, permite funcţionarea cu doi

ă cât şi pe hidrogen)

şi cerinţele de autonomie. Acest lucru ar

putea facilita începutul unei economii bazate pe hidrogen, unde experienţa

acumulat

mbustie, randamentul total fiind astfel mai scăzut.

În plus, eficien

ţiile cu regim de lucru uşor deoarece ele sunt încărcate parţial

majoritatea timpului, dar poate deveni un lucru important din punct de vedere al

cu hidrogen.

Frecvent se face menţiunea că pila de combustie nu este limitată de

randamentul ciclului Carnot al motoarelor termice, ceea ce este în fond adevărat, dar

cei mai mulţi uită că randamentul Carnot este expresia celei de a doua lege a

le cu ternă

dezvoltări ulterioare şi diferenţe omic uie s alcul păre

despre preţurile bateriilor vehicu ă realit

mod normal, transformarea u

creşte costul

tor ternă

Folosirea motoarelor cu ere

combustibili (ex. motorul poate funcţiona atât pe benzin

crescând densitatea staţiilor de benzină

ă în legătură cu transportul, alimentarea şi depozitarea se transferă în mod

direct asupra vehiculelor alimentate cu hidrogen.

Pilele de combustie au încă handicapul problemelor legate de pornirea la rece

(îngheţarea pilelor de combustie) şi de necesitatea utilizării unui hidrogen pur pentru

a evita otrăvirea pilelor de combustie. Motorul cu ardere internă nu are asemenea

probleme.

Eficienţa teoretică reprezintă cel mai mare avantaj al pilelor de combustie.

Totuşi, pilele de combustie încă nu ating această eficienţă ridicată. Stiva de pile de

combustie (al cărui randament este de cele mai multe ori menţionat) este o parte a

sistemului pilei de co

ţa scade o dată cu creşterea sarcinii (pierderile din cadrul pilelor cresc

cu pătratul curentului din pila de combustie). Acesta nu este un dezavantaj major

pentru aplica

aplicaţiilor cu regim de lucru greu.

Diferenţa mare dintre eficienţa teoretică a stivei de pile de combustie şi

eficienţa efectivă a unui motor cu ardere internă apare doar pe hârtie, în practică,

aceasta fiind mult mai mică.

În plus, motoarele cu hidrogen au potenţial pentru a creşte puterea motorului,

cu un randament indicată demonstrat de 52%, pentru un motor cu aprindere prin

scânteie alimentat cu hidrogen şi cu un randament pentru puterea generată de 49%,

pentru un motor cu aprindere prin comprimare alimentat

Page 139: Curs Motoare

Utilizarea hidrogenului la alimentarea MAI

139

termodinamicii, ceea ce este valabil şi pentru pila de combustie şi atunci totul

condu

Tabel

ce spre un randament teoretic maxim.

În concluzie, atât motoarele cu ardere internă cât şi pilele de combustie care

sunt alimentate cu hidrogen au amândouă avantaje şi merită să fie cercetate pentru

a li se demonstra adevăratul potenţial. Motorul cu ardere internă alimentat cu

hidrogen poate fi folosit ca o tehnologie de tranziţie spre pilele de combustie sau

poate avea propria parte de piaţă alături de acestea (şi alte tehnologii). În principal

această secţiune tratează proprietăţile hidrogenului importante pentru M.A.I,

comparaţia între hidrogen şi combustibilii convenţionali şi prezintă starea actuală a

cercetărilor legate de m.a.i.-ul pe bază de hidrogen.

8.4. PROPRIETĂŢI RELEVANTE ALE HIDROGENULUI

Hidrogenul are proprietăţi foarte diferite faţă de combustibilii tradiţionali.

8.1. Comparaţia proprietăţilor hidrogenului cu cele ale metanului şi ale benzinei

Proprietăţi Hidrogen Metan Benzină

Greutate moleculară (g/mol) 2.016 16.043 ~107

Densitate (kg/m3 ) 0.08 0.65 ~750

Difuzitatea masică în aer (cm2/s) 0.61 0.16 0.05

Viscositatea cinematică (mm2/s) 110 17.2 1.18

Proporţia volumică pentru amestec 29.5 9.5

stoichiometric (în aer)

1.65

Energia minimă de aprindere (mJ) 0.02 0.28 0.25

Temperatura de auto aprindere(K) 858 813 ~500-750

Temperatura flăcării adiabatice(K) 2390 2225 ~2275

Emisivitatea flăcării normalizate

(200K,1atm)

1 1.7 1.7

Limita de inflamabilitate în aer (vol.%) 4-75 5-15 1.0-7.6

Distanţa de stingere a flăcării (mm) 0.64 2.03 ~2.0

Valoarea calorică inferioară(MJ/kg) 120 50 45

Valoarea calorică superioară (MJ/kg) 142 55 48

Tabelul 8.1 prezintă cele mai importante proprietăţi fizice şi cele legate de

ardere ca punct de referinţă pentru următoarea prezentare. Toate temperaturile şi

presiunile dependente sunt date în condiţii de temperatură şi presiune normală,

Page 140: Curs Motoare

PARTEA I – COMBUSTIBILI ALTERNATIVI

140

proprietăţile legate de ardere citate sunt în condiţii stoichiometrice de ardere. Mare

parte din date sunt fie rotunjite, fie aproximate pentru a facilita compararea lor.

Datele exacte pot fi găsite în bibliografia citată.

Temperatura de autoaprindere a hidrogenului este mai mare decât cea a

metanului şi decât cea a benzinei. Acest lucru face ca hidrogenul să fie potrivit mai

ales pentru procesul de aprindere cu scânteie şi nepotrivit pentru aprinderea prin

comprimare.

Restul lucrării va trata în consecinţă exclusiv motoarele cu aprindere cu

rin care un

motor

şi o formă

incipie

scânteie mai puţin în cazul în care se afirmă explicit că se va vorbi despre un alt

element.

8.5. SINTEZĂ LITERATURĂ: CERCETAREA EXPERIMENTALĂ

Literatura de specialitate care tratează motoarele cu ardere internă alimentate

cu hidrogen este foarte stufoasă, lucrări pe acest subiect au fost publicate începând

cu anul 1930 şi până în prezent, majoritatea concentrându-se în anumite perioade de

timp (ex. în timpul şi după perioada crizei petrolului). Un rezumat al celor mai

importante descoperiri este realizat în următoarele secţiuni cu scopul de a clarifica

unele afirmaţii contradictorii şi de a oferi o imagine asupra trăsăturilor p

pe bază de hidrogen diferă de unul convenţional.

8.5.1 Arderea anormală

Suprimarea arderii anormale în motoarele cu hidrogen s-a dovedit a fi foarte

provocatoare şi măsurile luate pentru a evita aceste arderi au implicaţii asupra

proiectării motorului, formării amestecului şi controlul umplerii. Pentru M.A.S. există

trei tipuri de ardere anormală: detonaţia (autoaprinderea amestecului aflat în faţa

frontului de flacără), aprindere în avans înainte de scânteie (ardere necontrolată

indusă de către un punct cald, prematur al aprinderii cu scânteie) şi întoarcerea

flăcării (aprinderea prematură în timpul de admisie care poate fi privită ca

ntă a pre-aprinderii).Efectele detonaţiei şi pre-aprinderii sunt bine cunoscute:

în cel mai bun caz zgomotul si vibraţia, iar în cel mai rău caz afectarea majoră a

motorului. Efectele întoarcerii flăcării sunt un zgomot puternic în cel mai bun caz , o

oprire a motorului datorată consumului de combustibil înainte ca acesta să poată

intra în cilindrii şi să lucreze sau o distrugere a colectorului de admisie în cel mai rău

caz.

Page 141: Curs Motoare

Utilizarea hidrogenului la alimentarea MAI

141

Întoarcerea flăcării a fost un obstacol dificil de surmontat în dezvoltarea

motoarelor cu hidrogen. Majoritatea, dacă nu chiar toată literatura de specialitate

timpurie menţionează cauzele întoarcerii flăcării deoarece se produce foarte des în

cazul

şi particulele provin din arderea (parţială) uleiului lubrifiant

şi/sau

aprinderea într-un alt cilindru

când c

rinderea este des întâlnită în motoarele cu hidrogen datorită

energi

vansului a pre-aprinderii continuă până ajunge în cursa de admisie ceea

ce va determină întoarcerea flăcării determinând rateuri. Mecanismul este numit

motoarelor pe bază de hidrogen cu formarea externă a amestecului

(întoarcerea flăcării se poate produce când combustibilul este prezent în canalul de

admisie).Cauzele citate pentru întoarcerea flăcării sunt:

• Puncte calde în camera de ardere: depuneri şi particule, bujia, gazele reziduale,

supape de evacuare, etc. Aceste puncte calde sunt citate ca fiind cauzele întoarcerii

flăcării “datorită energiei scăzute de aprindere a hidrogenului” care este în ordinea

magnitudinii mai mică decât a hidrocarburilor şi a limitelor largi de inflamabilitate (vezi

Tabel 1.1.) Depunerile

formării de rugină pe parcursul unei neutilizări prelungite (motoare mai vechi).

• Energie reziduală în circuitul de ardere datorită concentraţiei scăzute de ioni a

flăcării hidrogen/aer comparată cu flacăra hidrocarbură/aer ,este posibil ca energia

de ardere să nu fie complet cuprinsă în flacără şi să rămână în circuitul de aprindere

până când condiţiile cilindrului sunt în aşa fel încât o a doua nedorită aprindere se

poate produce mai ales în timpul destinderii sau al admisiei când presiunea este

scăzută.

• Inducţia în cablul de aprindere, la motoarele cu mai mulţi cilindrii aprinderea

controlată într-unul dintre cilindrii poate cauza şi induce

ablurile de aprindere sunt plasate unul lângă celalalt.

• Arderea în zona superioară a capului pistonului persistă până în momentul

deschiderii supapei de admisie aprinzând noua încărcătură. Aceasta este cauzată de

un strat limită mai redus stingere a flăcării a amestecurilor de hidrogen comparat cu

cel al hidrocarburilor tipice, acest fapt dă ocazia flăcării de hidrogen să se propage la

suprafaţă.

• Pre-aprinderea: pre-ap

ei scăzute pentru aprindere şi a limitelor de inflamabilitate largi ale

hidrogenului. Ca şi o ardere prematură care cauzează arderea majorităţii

amestecului în timpul compresiei, temperatura în camera de ardere creşte, ceea ce

determină apariţia punctelor calde care conduc spre pre-aprindere la o temperatură

mărită, rezultând pre-aprinderea amestecului mai devreme la ciclul următor. Această

înaintare a a

Page 142: Curs Motoare

PARTEA I – COMBUSTIBILI ALTERNATIVI

142

funcţio

rinde în mod spontan. Din

mome

easta înseamnă că distanţa de stingere a hidrogenului (împreună cu

limitele

fără rateuri este atribuită de constructorii soluţiilor privind răcirea intensivă, controlul

nare anormală a preaprinderii şi poate rezulta şi de la un ciclu cu detonaţie

care creşte temperatura camerei de ardere şi care creează puncte calde.

Opinia autorului este aceea că energia de aprindere cu nivel scăzut este

deseori considerată drept cauza principală a rateurilor. Energia necesară aprinderii

se defineşte ca energia minimă necesară pentru a aprinde amestecul. Pentru ca

amestecul să se aprindă, în timp ce aprinderea maselor precum supapele sau gazele

reziduale influenţează temperatura de autoaprindere a amestecului, temperatura

trebuie să atingă nivelul la care amestecul se va ap

nt ce temperatura de autoaprindere a hidrogenului este destul de ridicată (mai

mare decât cea a metanului si a benzinei, vezi Tabelul 8.1), pare aproape imposibil

ca aceste mase termice să determine rateul, deoarece, în cazul în care motorul este

setat corespunzător, ele ating foarte greu temperatura de autoaprindere.

S-a demonstrat că pentru a asigura autoaprinderea în cazul motoarelor cu

ardere internă care folosesc hidrogen, sunt necesare raporturi foarte mari de

comprimare. Din acest motiv, este puţin probabil ca gazele reziduale, spre exemplu,

să determine în mod termic aprinderea (în cazul unor condiţii normale de funcţionare,

având un timp optim pentru scânteie, etc). În plus, acest lucru nu explică apariţia

rateurilor în condiţii de temperaturi mici. De asemenea, în cazul unui motor ce

funcţionează în condiţii bune, apar depuneri şi particule deşi concentraţia acestora

este foarte mică la motoarele cu hidrogen. Praful din aer este totuşi prezent, în ciuda

funcţionării filtrului de aer.

Au avut loc experimente în care au fost eliminate aprinderile necontrolate, dar

şi toate punctele calde (prin curăţarea cu mare atenţie a motorului, un control

avansat al uleiului sau chiar operaţiuni nelubrifiate, evacuarea gazelor reziduale, bujii

reci, supape de evacuare răcite...) şi totuşi au apărut întoarceri ale flăcării, deci,

rateuri . Ac

largi de inflamabilitate) care determină arderea amestecului aflat în zona

superioara a pistonului este de fapt un parametru care a fost trecut cu vederea de

către mulţi constructori.

De asemenea, s-a demonstrat că motoarele funcţionând cu hidrogen în

amestec stoichiometric nu au avut întoarceri ale flăcării printr-o selectare atentă a

segmenţilor de piston şi a volumului interstiţiilor, nefiind nevoie de injecţie

sincronizată sau de răcirea supapelor de evacuare . Creşterea zonei de funcţionare

Page 143: Curs Motoare

Utilizarea hidrogenului la alimentarea MAI

143

uleiului prin montarea de diferiţi segmenţi de piston, baleiaj intensiv al camerei de

ardere etc. Atribute prin care se obţine o funcţionare fără rateuri pentru a reduce

puncte

rii camerei de ardere. Alţii însă, consideră că este necesară o creştere a

portului de comprimare, ce rezultă într-o creştere a raportului dintre suprafaţa şi

tfel determinând creşterea transferului de căldură şi a

răcirii g

. Amândouă sunt mecanisme valide şi indică existenţa unui raport de

com r a puterii datorită creşterii

ran

pentru

motoru

cauzele

enu e

motor cestui fenomen, având în

ved e

norma uită ca rezultat al zonelor fierbinţi,

apa i pre-aprinderea

ceea

„hidrogenul are o cifra octanica efectivă mare” iar alta că „cifra octanică echivalentă a

le calde dar în acelaşi timp însă, constructorii au luat măsuri (chiar poate fără

a o realiza) de diminuare a arderii cauzată de interstiţii.

În literatura de specialitate ce se referă la legătura dintre rateuri-raportul de

comprimare există totuşi unele ambiguităţi. Unii autori menţionează o scădere a

raportului de comprimare pentru a creşte rezistenţa la rateuri prin scăderea

temperatu

ra

volumul camerei de ardere, as

azelor reziduale.

Un raport de comprimare mărit determină scăderea cantităţii de gaze

reziduale

p imare optim: mărirea lui determină o creştere

damentului până la un anumit punct, în timp ce amestecul trebuie să fie mai sărac

a evita pre-aprinderea amestecului în acest caz va apare o scădere a puterii

lui.

Pentru a încheia discuţia cu fenomenul de întoarcere a flăcării: toate

m rate mai sus pot avea ca rezultat aprinderea inversă şi prin proiectarea unui

alimentat cu hidrogen se poate încerca evitarea a

er ca sunt posibile şi alte condiţii de funcţionare ale motorului decât cele

le. Chiar dacă aprinderea inversă care e atrib

riţ a zonelor fierbinţi trebuie să fie prevenită deoarece pot cauza

ce determină creşterea încărcării termice a motorului şi poate avea efecte

dăunătoare chiar fără să conducă la aprindere inversă.

Comportamentul la detonaţie al motoarelor cu hidrogen a fost înţeles greşit

mai mult decât fenomenul de aprindere inversă. Cu aprindere inversă, câteva cauze

au fost încurcate sau efectele lor au fost supraestimate, dar având în vedere

detonaţia, există afirmaţii contradictorii în literatura de specialitate. Majoritatea

lucrărilor nu reuşesc să sublinieze faptul că rezistenţa la detonaţie este o proprietate

a amestecului aer/combustibil, specificând cifrele octanice dar fără a da rapoartele

de echivalenţă corespunzătoare. Unele lucrări pretind că cifra octanică are valori

foarte scăzute, altele ca au valori foarte ridicate. O lucrare a afirmat atât că

Page 144: Curs Motoare

PARTEA I – COMBUSTIBILI ALTERNATIVI

144

hidrogenului este destul de scăzută”!. Doar câteva lucrări menţionează cifrele

octanice ca funcţie a unui amestec bogat. Experimentele au indicat şi faptul că

hidrogenul poate acţiona ca un antidetonant atunci când este adăugat într-un

amestec de iso-octan fără plumb.

Există dovezi care arată cauzele detonaţiei hidrogenului pot fi diferite de cele

ale detonaţiei benzinei, fiind cauzată de vitezele foarte mari ale flăcării şi nu ca o

reacţie a gazelor aflate în faţa frontului flăcării. Astfel, reducerea gradientului presiunii

ar fi o măsură mai eficientă pentru a controla detonaţia decât să se limiteze perioada

de ardere.

Din literatura experimentală despre M.A.S.-urile alimentate cu hidrogen, pre-

aprinderea pare să fie factorul de limitare al rapoartelor de comprimare, avansului la

aprindere şi al amestecului şi nu detonaţia. Au fost publicate rezultatele măsurărilor

realiza

amestecurile

stoichi

Au fost testate mai multe modalităţi de formare a amestecurilor pentru

oritatea urmărind funcţionarea fără aprindere

inversă

te pe motor cu raport de comprimare de 11:1 şi presiune de supraalimentare

de 0.85 bar la amestecuri stoichiometrice şi de asemenea rezultatele la utilizarea

unor amestecuri sărace la rapoarte de comprimare de 14:1 sau mai mult fără apariţia

detonaţiei. Astfel, se pare că se poate spune că hidrogenul are o cifra octanica

efectivă mai mare decât benzina regular şi ar fi interesant dacă ar fi disponibile date

cantitative.

Se poate nota că munca experimentală şi teoretică a lui Karim şi a colegilor

săi indică regiuni foarte largi de detonaţie, unde se spune că

ometrice pot detona şi la rapoarte de comprimare de 6:1. Deoarece aceste

rezultate contrazic toate experimentele raportate în literatura de specialitate acestea

par a fi foarte neverosimile şi sunt probabil afectate de alte cauze, necunoscute

autorilor.

8.5.2 Formarea amestecului

motoarele alimentate cu hidrogen, maj

• Amestec format în exterior folosind un carburator;

• Amestec format în exterior prin „inducţie paralelă”: câteva modalităţi de

întârziere a alimentarii cu hidrogen, ex. conducta de alimentare este închisă

de o supapă separată poziţionată deasupra supapei de admisie care se

deschide doar când supapă de admisie s-a deschis suficient de mult ;

Page 145: Curs Motoare

Utilizarea hidrogenului la alimentarea MAI

145

• Amestec format în exterior folosind un carburator şi injecţia de apa, câteodată

folosind şi recircularea gazelor de evacuare (EGR);

• Amestec format în exterior cu injecţie de combustibil în colector sau în poarta

supapei câteodată şi cu „inducţie paralelă;”

• Amestec format în interior prin injecţie directă de combustibil.

Injecţia de apa, introducerea întârziată a hidrogenului şi injecţia directă sunt

toate menite să întârzie sau să prevină aprinderea inversă fie prin răcire

suplimentară sau evitând un amestec ce se poate aprinde în timpul ciclului de

admisie. În ultimul deceniu, doar injecţia în poarta supapei şi injecţia directă (în

timpul compresiei sau mai târziu) au fost utilizate deoarece alte metode nu sunt la fel

de flexibile şi nu pot fi controlate atât de uşor. Formarea amestecului în exterior prin

injecţia în poarta supapei a dovedit a avea eficienţa crescută, funcţionare prelungită

cu amestecuri sărace, variaţii ciclice mici şi niveluri mai scăzute de NOx în

comparaţie cu injecţia directă. Aceasta este consecinţa creşterii omogenităţii datorate

itată din cauza scăderii coeficientului de umplere: din

cauza

e întârzie momentul

injecţiei. Formarea amestecului în exterior oferă un grad de libertate crescut privind

perioadelor prelungite de amestecare pentru injecţia în poarta supapei ,de asemenea

şi amestecarea mai ineficientă pentru injecţia directă deoarece turbulenţa generată

de admisie contribuie mai puţin la formarea amestecului. În plus, costul şi

complexitatea sunt semnificativ mai scăzute pentru injecţia în poarta supapei faţă de

injecţia directă şi este posibilă echiparea ulterioară a echipamentului pe un motor

existent. Pe de alta parte, puterea unui motor cu hidrogen a cărui amestec se

formează în exterior este lim

densităţii scăzute a hidrogenului şi cerinţele scăzute de aer pentru amestecuri

stoichiometrice, volumul ocupat de hidrogen în cilindru în amestec stoichiometric

poate ajunge la 29.5% (Tabelul 8.1) Aceasta duce la o scădere a nivelului de energie

cu 18% a hidrogenului în comparaţie cu benzina. Dacă injecţia directă este folosită

pentru a introduce hidrogenul după ce supapa de admisie a fost închisă, puterea

maximă poate fi cu până la 17% mai mare decât la utilizarea benzinei.

Avantajul important al injecţiei directe faţă de injecţia în poarta supapei este

imposibilitatea apariţiei autoaprinderii. Şi aceasta determină creşterea puterii maxime

a motorului în cazul injecţiei directe faţă de injecţia în poarta supapei, deoarece pot fi

folosite amestecuri mai bogate fără riscul de a apărea aprindere inversă. Pre-

aprinderea poate totuşi apărea, exceptând cazul în care s

Page 146: Curs Motoare

PARTEA I – COMBUSTIBILI ALTERNATIVI

146

stocarea hidrogenului: Injecţia directă în timpul compresiei necesită hidrogen sto

la presiuni înalte, deci necesită stocarea hidrogenului în stare lichidă.

Astfel, atât

cat

formarea exterioară cât şi interioară a amestecului au avantaje şi

dezava

valuări recente ale tehnicilor

trolul

arcinii. Vitezele ridicate ale flăcării amestecului hidrogenului şi nivelul sau ridicat de

mestecuri sărace şi substanţial diluate.

Randa

uşor de utilizat şi poate realiza uşor amestecuri sărace.

Hid r

poate

rezerv

Compr

şi o cr

clapeta de accelera ie deschisă la maxim este folosită pentru a utiliza avantajul

cre

loc de

din po

maxim

foarte

strang

creşte

Mai m

scăder

strang

atunci

ntaje. Injecţia directă este mai bună pentru performanţe în sarcină maximă

(putere maximă) şi injecţia în poarta supapei este mai bună la sarcini parţiale

(randament maxim al motorului). Au fost propuse proiecte diferite de motoare,

folosind ambele modalităţi de formare a amestecului. E

de formare a amestecului pentru hidrogen pot fi găsite în bibliografia prezentată

8.5.3 Strategii de control al sarcinii Hidrogenul este un combustibil foarte instabil când e vorba de con

s

inflamabilitate permite funcţionarea sa în a

mentul motorului şi emisiile de NOx sunt cei doi parametrii folosiţi pentru a

stabili strategia de control a sarcinii A fost folosit un raport constant de echivalenţă

pentru funcţionare clapetei de acceleraţie, în special pentru scopuri demonstrative

deoarece este destul de

ru ile metalice pot furniza doar hidrogen la presiune joasă, hidrogenul comprimat

fi utilizat dar aceasta limitează conţinutul efectiv al rezervorului deoarece

orul nu poate fi golit decât la presiunea de injecţie a combustibilului.

imarea hidrogenului gazos la bordul autovehiculului ar necesita un compresor

eştere substanţială de energie necesară. Unde este posibil, funcţionarea cu

şterii randamentului, reglând sarcina şi bogăţia amestecului (controlul calitativ) în

coeficientul de umplere (controlul cantitativ) deci evitând pierderile rezultate

mpaj. Limitările privind funcţionarea cu clapeta de acceleraţie deschisă la

sunt datorate lipsei aprinderii, hidrogen nears şi stabilitate scăzută la sarcini

mici (ralanti) şi emisiile de NOx crescute la sarcini medii şi mari. Astfel,

ularea prin închiderea clapetei este utilizată la sarcini foarte mici pentru a

stabilitatea arderii şi să scadă nivelul de emisii de hidrogen nears.

ult, aceasta creşte randamentul în aceste condiţii: creşterea randamentului prin

ea emisiilor de hidrogen nearse compensează scăderea randamentului prin

ulare datorată de închiderea clapetei de acceleraţie. Randamentele motoarelor

când sunt strangulate şi atunci când funcţionează cu clapeta de acceleraţie

Page 147: Curs Motoare

Utilizarea hidrogenului la alimentarea MAI

147

deschi

amest la care se foloseşte strangularea depinde de motor şi variază între λ =

3/Φ

genera

accele

folosea

NOx d

Motoru

putând r cu căi pentru reducerea NOx urmând astfel o

scă

gazelo

stoichi

depen

faţă de

nivelul

nu est

turaţie

serie, nt

ulte

Sunt p

motoru

posibil

amest

8.5 M

cuprin

hidrog

vedere

ile reci pot fi folosite deoarece aproape

ca nici nu exista depuneri pe bujie şi care trebuie să fie arse. Nu folosesc bujii

să la maxim sunt comparate în materialele bibliografice prezentate, limita de

ec sărac

=0.33 şi λ =4/ Φ =0.25.

Pentru sarcini mai mari, temperaturile flăcării depăşesc rapid limitele de

re a NOx. Aceasta duce la o limită a NOx la funcţionarea cu clapeta de

raţie deschisă la maxim. S-ar putea limita calitatea amestecului şi să se

scă amestecuri suficient de sărace pentru ca aceste emisii să fie sub limita de

e 10 sau 100 ppm, dar aceasta implică o scădere mare a puterii maxime.

l poate fi sugrumat peste această limită folosind amestec stoichiometric,

astfel folosi un catalizato

dere a randamentului motorului. O altă strategie implică utilizarea recirculării

r arse(RGA) pentru a putea controla sarcina: folosind amestecuri

ometrice dar în locul sugrumării, refolosind gazele de evacuare într-o proporţie

dentă de cerinţa de putere. Aceasta creşte randamentul

sugrumare. Injecţia de apă poate de asemenea fi folosită pentru a reduce

de emisii NOx de la amestecurile bogate şi este mai eficientă decât (RGA) dar

e practică.

Dacă un motor cu hidrogen este proiectat pentru funcţionare la o singura

/putere, ex. pentru generarea de putere staţionară într-un vehicul hibrid în

se poate obţine o funcţionare foarte curată şi foarte eficientă fără tratame

rior (al cărui randament ar putea scădea cu timpul)

osibile emisii de NOx situate sub 10 ppm sau chiar 1 ppm, cu randamente ale

lui de 50%. Hidrogenul este singurul combustibil cu care acest lucru este

(la utilizarea hidrocarburilor emisii reduse de NOx se obţin la arderea de

ecurilor sărace care implică creşteri ale emisiilor de hidrocarburi nearse )

.4 AS alimentate numai cu hidrogen În această parte a lucrării, se realizează o prezentare pentru a oferi o vedere

zătoare asupra proiectării motoarelor pentru a profita de avantajele

enului şi să contracareze dezavantajele sale, elementele care trebuie avute în

la proiectare sunt:

Bujii-folosirea bujiilor reci pentru a evita temperaturi ale electrodului ce

depăşesc limita de autoaprindere. Buji

Page 148: Curs Motoare

PARTEA I – COMBUSTIBILI ALTERNATIVI

148

cu electrozi de platină deoarece acestea pot acţiona ca şi catalizator pentru

oxidarea hidrogenului (platina a fost utilizată la evacuare pentru a oxida

hidrogenul nears)

Sistemul de aprindere- se evită aprinderea necontrolată datorate energiei

reziduale de aprindere prin împământarea corespunzătoare a sistemului de

aprindere sau schimbând rezistenţa cablului de înaltă tensiune, se evită

aprinderea prin inducţie într-un cablu învecinat, prin utilizarea unui sistem

bobina - bujie se poate obţine o ten

siune mai ridicată în secundarul sistemului

sta nu reprezintă o problemă pentru motoarele cu hidrogen

folosind injecţie directă în

elor de evacuare; folosirea chiulaselor cu mai multe

în colector, fie injecţie directă); asigurarea unui baleiaj corespunzător (ex.

folosind distribuţie variabilă) pentru a scădea temperatura gazelor reziduale

(probabil din cauza concentraţiei mai reduse de ioni de hidrogen în flacără)

sistemul bobină bujie poate satisface această condiţie. Alternativ, distanţa

dintre electrozii bujiei poate fi micşorată pentru a scădea tensiunea de

aprindere, acea

deoarece nu vor fi depuneri aproape deloc. Distanţe între electrozi de 0.25mm

au fost folosite (deşi ulterior au fost mărite la 0.5 mm din cauza dificultăţilor

întâmpinate la pornirea la rece a motorului datorită apei condensate pe vârful

bujiei)

Sistemul de injecţie: pentru temporizarea injecţiei se utilizează, fie injecţie în

poarta supapei şi injecţia să fie programată astfel încât perioada iniţială de

răcire cu aer să aibă loc în faza iniţială a cursei de admisie şi sfârşitul injecţiei

să fie astfel încât tot hidrogenul sa fie aspirat, fără să rămână hidrogen în

colector când supapă de admisie se închide, fie

timpul compresiei. Injectoare cu debit foarte mare sunt necesare în ambele

cazuri, mai multe injectoare pentru fiecare cilindru putând astfel uşura

îndeplinirea acestei cerinţe

Regiunile fierbinţi: existenţa acestora în camera de ardere ar putea iniţia pre-

aprinderea sau aprinderea inversă pentru a se evita aceste procese se

realizează răcirea supap

supape pentru a reduce şi mai mult temperatura supapelor de evacuare;

asigurarea unui control corespunzător al lubrifiantului; realizarea unor camere

de trecere a lichidului de răcire suplimentare în jurul supapelor şi a altor zone

cu încărcare termică mare (dacă este posibil); întârzierea introducerii

combustibilului pentru a crea o perioada de răcire cu aer (folosind fie injecţie

Page 149: Curs Motoare

Utilizarea hidrogenului la alimentarea MAI

149

olum, se folosesc

toleranţe de 0.152 mm pentru a stinge flacăra de hidrogen. Schimbarea

volumului interstiţiilor şi/sau a segmenţilor cu scopul de a reduce curgerea

ţi.

ţia pozitivă în carter

cât de

Segmenţii si volumul interstiţiilor: scăderea jocului dintre capul pistonului şi

cilindru pentru a preveni ca flacăra să ajungă în acest v

secundară a amestecului nears către capul pistonului (prevenind „alimentarea”

unei flăcări din acest spaţiu în timpul evacuării si admisiei)

• Scaunele de supapă şi injectoarele: nivelul foarte scăzut de lubrifiere al

hidrogenului trebuie luat în considerare iar proiectarea injectoarelor trebuie să

ţină cont de acest lucru. Aceasta este problema cu orice combustibil gazos

uscat (cum ar fi gazul natural) dar problema este mai mare pentru hidrogen

(gazul natural comprimat conţine mici cantităţi de uleiuri din ceaţa de ulei a

compresorului, pe când compresoarele de hidrogen au toleranţe mai mici

pentru a evita scurgerile de hidrogen)

• Lubrifierea: trebuie ales un lubrifiant compatibil cu o concentraţie mai mare

de apă în carter, un raport al unui drive test în Germania realizat de către TUV

a utilizat doua opţiuni: un ulei de demulsifiere şi un ulei sintetic care formează

o soluţie cu apa. De Luchi pretinde o durată de viaţă crescută a uleiului

deoarece uleiul nu este diluat de către hidrogen şi se formează mai puţini

acizi. Un ulei fără calciu este recomandat pentru evitarea regiunilor fierbin

Efectul hidrogenului asupra compoziţiei şi structurii chimice nu a fost încă

relatat în literatura de specialitate.

• Ventilaţia carterului: este în general recomandată ventila

datorită funcţionării fără clapetă (presiune ridicată a aerului în colector) şi

descreşterii concentraţiei de hidrogen din carter (prin scurgerile datorate

neetanşeităţii).

• Raportul de comprimare: alegerea raportului optim de comprimare este

asemănătoare cu aceea a oricărui alt combustibil, trebuie ales pe

avantajos posibil pentru a creşte randamentul motorului, limita fiind stabilită

prin creşterea transferului de căldură sau prin prezenţa arderii anormale (în

cazul hidrogenului, în principal pre-aprinderea). Alegerea poate depinde de

utilizare, deoarece raportul de comprimare optim pentru randamentul

motorului poate fi diferit faţă de cel mai înalt punct al puterii la ieşire. În

Page 150: Curs Motoare

PARTEA I – COMBUSTIBILI ALTERNATIVI

150

general raportul de comprimare al unui motor pe bază de hidrogen poate fi

mai mare decât al unui motor pe bază de benzină.

e de ardere

eldovich. Viteza de ardere

lamina

• Turbulenţa în cilindri: datorită vitezei mari de ardere a hidrogenului pot fi

folosite, camerele de ardere cu turbulenţa redusă (camer

orizontale sau camere de ardere cu forma de disc sau galerii de admisie

aliniate axial simetric), şi care aduc beneficii asupra randamentului motorului.

Ele sunt necesare pentru a evita ardere anormală în timpul funcţionării cu

amestec stoichiometric.

• Acceleraţia electronică: după cum s-a menţionat mai sus, motoarele pe bază

de hidrogen ar trebui să funcţioneze cu clapeta de acceleraţie deschisă la

valoarea maximă în orice moment, dar diminuarea secţiunii de curgere este

necesară pentru a menţine la încărcări joase stabilitatea arderii şi limita

emisiilor de hidrogen nears. În cazul sarcinilor medii până la înalte, diminuarea

secţiunii de curgere poate fi necesară pentru a limita emisiile NOx. Acest lucru

poate fi realizat doar cu un sistem de conducere electronic.

8.6. LITERATURĂ DE SPECIALITATE:CERCETĂRI ANALITICE Literatura de specialitate care se referă la simularea motoarelor cu hidrogen

este destul de limitată. Fagelson şi colegii săi folosesc un model cvasi-dimensional

pentru a calcula puterea la ieşire şi emisiile NOx la un M.A.S. pe bază de hidrogen. Ei

folosesc un model aproape empiric de ardere turbulentă de forma ut = AReBul, unde A

si B sunt constante, Re este numărul Reynolds bazat pe diametrul pistonului, viteza

medie a pistonului şi proprietăţile gazelor arse; ut şi ul sunt vitezele arderii turbulente

şi respectiv arderii laminare. Se consideră propagarea sferică a frontului de flacără,

transferul de căldura este neglijat şi formarea NOx este calculată folosind 10 zone

constante de masă ale gazelor arse şi mecanismul Z

ră este calculată dintr-o reacţie generală de ordinul doi şi energia estimată

pentru activare. Modelul este validat numai pentru măsurătorile efectuate prim

variaţia raportului de echivalenţă şi avans la aprindere. Prahbu-Kumar şi colegii săi

folosesc acest model pentru a determina performanţele unui motor pe bază de

hidrogen supraalimentat, dar nu au făcut nici o schimbare asupra modelului original.

Ei notează o supraestimare a ratei creşterii presiunii (şi implicit a vitezei de ardere).

Page 151: Curs Motoare

Utilizarea hidrogenului la alimentarea MAI

151

Keck prezintă măsurătorile pe un motor accesibil optic, ce funcţionează şi pe

ază de propan şi de hidrogen şi foloseşte un model cu turbulenţă pentru a compara

tendin

vansului la aprindere şi turaţie a motorului.

Dezvo

eacţiei bazate pe cele doua rate globale ale

reacţiil idrogenului şi ale benzinei.

Valida

un model semi-

ănător celui PDF bazat pe o rată măsurată a căldurii disipat e

poziţie făcută pentru a

nu a putut fi

folosit primul model al arderii pentru optimizări, dat fiind faptul că el permite un număr

b

ţele prevăzute cu cele ale observaţiilor experimentale.

Johnson foloseşte codul de simulare a motorului Kiva-3V creat la Los Alamos

National Laboratory cu modelul standard de mişcare ciclică eddy pentru a simula un

motor pe bază de hidrogen la dozaj şi coeficient de umplere fixe. Modelul standard

conţine un parametru liber care este adaptat pentru hidrogen şi este menţinut

constant pentru diferite valori ale a

ltările următoare se vor axa pe aceste referinţe urmărind să includă

dependenţa modelului constant în funcţie de raportul amestec aer-combustibil,

presiune şi temperatura în viteza de ardere laminară. Cei de la Fontana au modificat

codul Kiva-3V pentru a putea simula cu el un motor cu aprindere prin scânteie

alimentat cu un amestec de benzina şi hidrogen. Modelul folosit, a fost un model

hibrid pentru care rata globală a reacţiei este dată fie de modelul standard

transformat, fie de o rată masică a r

or de ardere ale h

rea modelului s-a realizat pe baza funcţionării pe benzina şi apoi au fost

calculate efectele adăugării diferitelor cantităţi de hidrogen în benzina.

Modelele zero si multi-dimensionale au fost folosite la Universitatea Tehnica

din Cehia pentru a simula un motor ce funcţionează cu hidrogen. Un model zero-

dimensional bazat pe codul GT-Power este folosit împreună cu legea lui Wiebe

adaptată pentru a măsura ratele de disipare a căldurii, mecanismele Zeldovich

extinse folosite în calcularea emisiilor de NOx. Un aşa numit model avansat eulerian

cu zone multiple a fost dezvoltat pentru simulările multidimensionale. Acest model

este un amalgam de elemente zero-dimensionale şi multidimensionale: camera de

ardere pare a fi limitată la nişte geometrii simple din cauza limitărilor date de

generarea reţelei de elemente finite, iar transferul de căldura este modelat pentru

conţinutul cilindrului ca un volum compact. Modelul arderii, este

empiric asem e şi p

supoziţia că frontul de flacără are o forma semisferică, su

localiza propagarea flăcării. A doua opţiune pentru modelarea arderii se bazează pe

un mecanism al reacţiei foarte detailat, dar se pare ca momentan

integrat în codul complet al motorului din cauza unor „dificultăţi numerice”. Autorii au

Page 152: Curs Motoare

PARTEA I – COMBUSTIBILI ALTERNATIVI

152

limitat de calcule, dar scopul final este acela de a integra şi cinetica reacţiei chimice

în cod. În orice caz, momentan rămâne incertă cantitatea de informaţii suplimentare

câştigată din combinarea unui model zero-dimensional al arderii cu un model

multidimensional din punct de vedere al calculelor referitoare la dinamica fluidelor,

părând la prima vedere că cele doua nu au nici o legătură; de asemenea, dacă

cinetica reacţiei chimice este şi ea integrată în cod, timpii necesari efectuării

calculelor nu vor mai justifica folosirea sa în optimizare.

tor

cu hid

e că

neliniarităţile regimurilor sunt dependente de definiţia dată grosimii laminare a flăcării,

permiţând deci variaţia limitelor sale.

Se dau relaţiile:

δl < ηK (8.1)

ηK <dl <Λ (8.2)

δl > Λ (8.3)

În sfârşit, cei de la Maetal. folosesc un model zero-dimensional, bazat pe

legile lui Wiebe. Nu este însă clar căror legi se supun aceste date. Modelul este

folosit pentru a calcula efectele modificării raportului de compresie şi a avansului la

aprindere şi pentru a determină un „diametru optim al cilindrului” pentru un raport de

echivalenţă fix. Nu este dată nici o validare cu date experimentale şi nici o justificare

pentru extrapolările condiţiilor, care sa fie potrivite cu modelul dat. De aceea calitatea

rezultatelor din raport este îndoielnice.

8.7 STRUCTURA FLĂCĂRII ÎN MOTOARELE CU HIDROGEN

În aceasta secţiune se încearcă o clasificare a structurii flăcării într-un mo

rogen. Această estimare este făcută pentru a afla efectele diferitelor proporţii

de hidrogen în comparaţie cu hidrocarburile într-un regim de ardere turbulentă.

Analiza este făcută folosind o diagrama a regimului de ardere, folosind presupuneri

simple. Singurul scop este ilustrarea diferenţelor dintre modul de ardere al

hidrogenului şi al hidrocarburilor.

Bazându-se pe raportul dintre scările chimice şi turbulente se pot deosebi în

regimurile turbulente ale amestecurilor pre-formate. O clasificare folosită pe scară

largă a lungimilor de baza ale scărilor va conduce la trei zone în structura flăcării

date de următoarele caracteristici. Se presupune că avem de-a face cu o reacţie

chimică într-un singur pas şi cu un singur reactant. De asemenea se presupun

Page 153: Curs Motoare

Utilizarea hidrogenului la alimentarea MAI

153

Aici δl este grosimea frontului laminar de flacără (definită aici ca ν/ul) cu viscositatea

cinematică şi ul ul viteza de ardere laminară. .ηK este scala de lungime a lui

Kolmogorov şi Λ scala integrală de lungime. Scara integrală Λ este o măsură a

structurilor ce conţin cea mai multă energie în cazul unei arderi turbulente,

dimensiunea ei este determinată de geometria ce conţine curgerea. Scara de

lungime a lui Kolmogorov .ηK determină dimensiunea celor mai mici curenţi. În

această scală, disiparea viscozităţii moleculare depăşeşte energia cinetică

turbulentă, astfel încât nu pot exista structuri mai mici. Definiţia scării ηK este dată de

rata disipării energiei turbulente Є, şi de viscositatea cinematică ν:

ηK =(ν3/Є)0.25 (8.4)

Ca o alternativă, . ηK poate fi calculat din relaţia Λ dată de :

Λ /ηK=(Ret)0.75 (8.5)

unde Ret este numărul lui Reynolds pentru curgeri turbulente, dat de:

Ret =u’Λ/ν (8.6)

unde u’ este radicalul vitezei turbulente. Spectrul scării lungimii turbulente este deci

limitat de Λ şi erea printr-o

oar să deformeze şi să bruieze

grosim

de ηK.. Cele mai mari scări de lungime sunt date de curg

geometrie dată, dimensiunea lor fiind deci menţionată mai sus şi fiind determinată de

geometrie. Scările mai mici îşi au originea în cascadă a energiei turbulente: ele sunt

formate în momentul scăderii curenţilor de turbulenţa datorită disipării. Scara lungimii

lui Kolmogorov reprezintă limita de jos pentru acest nivel, energia turbulentă fiind

disipată în căldură.

Pentru a relua clasificarea regimului de ardere laminar ec.(8.1) scoate în

evidenţă o regiune în care grosimea flăcării δl este mai mică decât cea mai mică

măsura pe scara . ηK. Aceasta este cunoscută sub numele de criteriul Klimov-

Williams. În această regiune mişcările turbulente pot d

ea flăcării laminare. O serie de termeni sunt folosiţi pentru a denumi aceasta

regiune (front laminar de flacăra bruiat , regim superficial de reacţie, regim de flacără

mixt ), de asemenea sunt date şi diverse descrieri (flacăra laminară înconjurată de o

curgere turbulentă, flacăra laminară bruiată, suma flăcărilor laminare înconjurate de

un câmp de curgere turbulentă), dar în final toate descriu aceeaşi structură. În

această lucrare, referirile la aceasta regiune se fac prin regimul de flacără bruiată.

Ecuaţia (8.3) marchează o regiune în care toate regimurile turbulente pe o

scară a lungimii sunt mai mici decât grosimea laminară a frontului de flacără. Aceasta

ecuaţie este cunoscută sub numele de criteriul Damköhler. În această regiune,

Page 154: Curs Motoare

PARTEA I – COMBUSTIBILI ALTERNATIVI

154

fenomenul de transport în zona de reacţie a flăcării nu mai este determinat în mod

singular de un proces molecular ci este în egală măsura determinat de o mişcare

turbulentă. Aceasta mişcare poate fi descrisă ca o împletire de curenţi în zona de

reacţie, ceea ce explică faptul că denumirea de ”front de flacără” nu mai poate fi

considerată folositoare. Diferite nume sunt folosite din nou în literatura de specialitate

pentru a descrie această regiune (reactorul de amestec omogen, reactorul de

amestec perfect , regimul distributiv de reacţie, regimul flăcărilor cu front gros).

Figura 8.1. Regimurile unei arderi turbulente preformate

Printre aceste regiuni, în zona marcată prin ecuaţia (8.2), se găseşte o regiune în

care o parte din curenţii turbulenţi sunt înconjuraţi de frontul de flacără, curenţii

respectivi au o scară a lungimii mai mică decât δl. Numele folosite în literatura de

specialitate pentru a indica această regiune pot crea confuzii ca în ref.[73] ,această

regiune poate fi găsită sub numele de „zona de reacţie distribuită”, nume care, după

cum s-a menţionat anterior, este folosit de numeroşi autori pentru a descrie regiunea

descrisă în ec. (8.3). Pentru alţi autori această zonă nu are un nume, referirile la ea

făcându-se cu „regiune intermediară”. În alte lucrări este folosit numele de „front de

flacăra înconjurat de un regim de curenţi turbulenţi”.

Regimurile de flacără pot fi reprezentate în diagrame care vor arăta relaţiile

dintre diferite mărimi adimensionale, de exemplu în diagrama Borghi, raportul u' /ul

Page 155: Curs Motoare

Utilizarea hidrogenului la alimentarea MAI

155

reprezentat împreună cu raportul Λ /δl este folosit pentru a arăta graniţele fiecărui

regim de flacără. Altă posibilitate este aceea de a plota o diagramă cu numărul lui

Reynolds pentru regimuri turbulente pe abscisa şi numărul lui Damköhler pe

ordonată. O astfel de diagramă este prezentată în figura 8.1. Aici numărul lui

Damköhler este reprezentat de raportul timpului caracteristic unei curgeri turbulente

raportat la timpul caracteristic al reacţiilor chimice. În funcţie de aplicaţia aleasă, se

poate

cără se vor deosebi, deci pe baza scărilor

de lun

u nu poate exista în aceste condiţii.

regiunea intermediară (‘B’ în figură) mecanismul arderii poate fi reprezentat

de un

opta pentru diverse scări de timp, o opţiune posibilă fiind reprezentată de

integrarea scării uzuale a timpului τI dată de Λ / u' ,care este o măsura a timpului de

viaţă a unei structuri vortex din componenţa curgerii. Scara timpului în cazul reacţiei

chimice τI poate fi aleasă ca timp de referinţă în regimul flăcării laminare δl/ul l.

Urmatorul număr Damköhler este apoi derivat:

Da=τI/ττl = =(Λ/u’ )/(δl/ul ) (8.7)

În figura 8.1, diferitele regimuri de flacăra sunt separate de drepte ce reprezintă

egalităţile ηK = δl şi Λ = δ. Regimurile de fla

gime asemănătoare cu discuţiile de mai sus. În regiunea Λ <δl, deci sub linia Λ

<δl = 1, este valabil regimul distribuit de reacţie (regiunea ‘C’ în figura). Aceasta

regiune este pătrunsă în cazul scărilor de lungime mici integrate şi în cazul valorilor

mici ale numărului Damköhler. Combinaţia dintre scările de lungime mici integrate,

deci a pasajelor de curgere mici, şi cu intensităţi de turbulenţă mari, deci viteze mari,

nu apar la motoarele cu ardere internă. Pentru această problemă nu există încă o

părere clară dacă acest fel de ardere poate sa

Pentru regiunea ηK > δl, deci deasupra liniei ηK / δl =1, regimul de ardere este

valabil (regiunea ‘A’ în figura). În acest regim Da > 1, lucru care indică faptul că în

regiune există o reacţie chimică rapidă (în comparaţie cu amestecul turbulent).

Modelarea arderii turbulente permite separarea chimiei din turbulenţă, lucru ce

simplifică mult modelul. Modelarea reacţiilor chimice poate fi grupată în corelaţie cu

viteza de ardere laminară, influenţa turbulenţelor se limitează la suprafaţă arderii şi la

creşterea suprafeţei frontului de flacără.

În

aşa numit model „de curenţi frânţi”. Aici ideea se leagă de faptul ca rata arderii

este determinată de rata cu care regiunile cu gaze nearse sunt divizate în regiuni mai

mici (fapt determinat de rata turbulenţei de disipare Є), astfel fiind mărită suprafaţă de

contact dintre amestecul nears şi gazele calde, până ce aceasta devine destul de

Page 156: Curs Motoare

PARTEA I – COMBUSTIBILI ALTERNATIVI

156

mare pentru a porni reacţia chimică. Rata arderii este extinsă mult datorită ratelor de

amestec turbulent şi deci de lungimile scărilor turbulente.

Abraham et al. au determinat valorile minime şi maxime ale numărului lui

Reynolds şi ale numărului lui Damköhler ce pot exista în condiţiile unei arderi în

otoarele cu amestecul pre-format. În figura.8.1, aceste valori sunt reprezentate prin

dreptunghiul cu linii subţiri în care este situată flacăra în motoarele cu ardere internă.

rită limitelor de inflamabilitate)

ordinele de mărime ale u’ şi Λ sunt similare şi în alte

referinţe, după cum sunt considerate variaţiile turaţiei motorului şi dimensiunile

acestu

m

În această categorie intră şi motoarele comerciale şi motoarele de cercetare. S-a

ajuns la concluzia că procesul de ardere în motoarele considerate se situează în

regimul de flacără bruiată şi că procesul de ardere în motoarele comerciale se

situează în regiunea intermediară, excepţie făcând motoarele cu viteze de rotaţie mai

mici de 1500 rpm, pentru care regimul de ardere se situează în regimul de flacăra

bruiată. Deci regimul de flacără bruiată împreună cu regimul de ardere intermediar

sunt regimurile ce prezintă importanţă pentru studiul arderii în motoarele cu aprindere

prin scânteie.

Referinţa [72] este folosită ca bază pentru calculul valorilor minime şi maxime

ale numerelor Damköhler şi Reynolds în motoarele cu hidrogen. Valorile lor se vor

schimba datorită diferitelor motive: viscositatea cinematică a hidrogenului este mai

mare decât cea a hidrocarburilor, vezi Tabelul 1.1 (viscositatea cinematică mai mică

se compensează cu densitatea mai mică), şi variaţia vitezei de ardere laminară este

mai mare cu mai mult de un ordin de mărime (viteze foarte mari de ardere la

amestecul stoechiometric, în plus este posibil şi un mod de operare cu amestec

sărăcit dato

Presupunerea legată de

ia. Pentru un raport de comprimare se consideră o variaţie mai mare (7 -14),

de asemenea pentru fracţiunea de gaze reziduale (0- 50 vol%) şi de asemenea

pentru raportul de echivalenţă (.λ=1 → 4 sau Φ =0.25 → 1). Proprietăţile amestecului

au fost calculate utilizându-se codul ecuaţiei gazelor (Gas eq code). Viteza de ardere

laminară a fost luată din datele găsite în [1].

Valorile rezultate sunt reprezentate de linia îngroşată din diagrama vitezei

flăcării în figura. 8.1. După cum se poate vedea apare o creştere semnificativă în

suprafaţa regimului de funcţionare (scara logaritmică!). Acest fapt se datorează în

principal variaţiilor mari ale raportului de echivalenţă, care determină viteza de ardere

laminară, dar care poate cauza de asemenea variaţii în proprietăţile amestecului

Page 157: Curs Motoare

Utilizarea hidrogenului la alimentarea MAI

157

(vezi Tabelul 1.1, aprox. 30% din volumul cilindrului pentru un amestec stoichiometric

de hidrogen în cazul condiţiilor uşoare de funcţionare λ = 4.0/ Φ, ceea ce reprezintă

9.5%).

Prima observaţie este aceea că regiunea de ardere bruiată creşte. Acest fapt

este cauzat de vitezele de ardere mai mari posibile la hidrogen (regim chimic rapid).

În orice caz, suprafaţa aflată în regim de ardere intermediar se măreşte şi ea (variaţii

mai mari în Ret datorate variaţiilor mai mari în viscositatea amestecului). Deci ambele

regimuri pot co-exista în cazul unui motor alimentat cu hidrogen. Structura flăcării va

depinde de condiţiile de funcţionare ale motorului (sarcină mică- amestec sărac-

regim intermediar, sarcina mare- amestec aproape stoichiometric- regim de ardere

bruiată. Heywood and Vilchis confirmă experimental apartenenţa amestecurilor

stoichi

cu privire la prezentul studiu este prezentată în continuare.

oate motoarele menţionate sunt în patru timpi cu aprindere prin scânteie. Munca

eral Motors descrisă în Secţiunea 8.8.2 este de

ăsurii necesare de precauţie a motoarelor

limentate cu hidrogen. În continuare, Secţiunea 8.8.3 prezintă munca pe motorul

CFR c

ogen

dovedeau un concept. Pe scurt spus a fost luat un motor diesel cu injecţie directă

ometrice de hidrogen la regimul de ardere turbulentă.

8.8 CERCETAREA EXPERIMENTALĂ Departamentul autorului are în spate o istorie în cercetările asupra motoarelor

cu aprindere prin scânteie alimentate cu hidrogen de aproape 15 ani. O scurtă

prezentare asupra activităţii anterioare este prezentată în Secţiunea 8.8.1. Munca

experimentală executată

T

experimentală pe motorul Gen

ansamblu general, posibilităţi şi m

a

u atenţie specială acordată măsurătorilor presiunii din cilindru, care au fost

colectate pentru a forma o baza de date contra cărora sa fie validate rezultatele

simulărilor. În final, Secţiunea 8.8.4.discută despre munca iniţială şi viitoare pe

motorul Audi. Viitoare operaţii asupra strategiilor de lucru a motorului cu hidrogen

privitoare la puterea dezvoltată şi emisiile de NOx care urmează sa fie executate pe

motorul CFR si Audi, sunt de asemenea discutate. Toate datele despre emisii sunt

date brute, ieşite din motor, măsurătorile gazelor evacuate (fără tratamente

ulterioare)

8.8.1. Istoria experimentelor

Chiar primele experimente făcute pe motoare alimentate cu hidr

Page 158: Curs Motoare

PARTEA I – COMBUSTIBILI ALTERNATIVI

158

(marca Valmet torina au fost

rap l de comprimare t scăzut (de la rin

a de diferite pentru a tare a fost mont de

fluenţa parametrilor motorului asupra arderii hidrogenului a fost studiată

ega ăldura pe baza măsurării presiunii din cilindru. Studiul

presiunii în cilindru înainte şi în timpul apariţiei exploziilor datorate întoarcerii flăcării

prinder ntrolate care d teuri. Pre era în

ă de detonări şi a fost propus un algoritm de detectare a detonaţiilor

datele presi pentru a evita detonaţiile şi întoarcerea flăcării.

arburatorul de gaz e fost, într-un final, schimbat cu un sistem de injecţie

secvenţială, implicând si testarea injectoarelor pentru hidrogen (la momentul

u de găsit în comerţ şi erau nefiabile). Supraalimentarea motorului a

ă dar se nu putea dezvolta o putere mai ridicată comparativ

cu motorul normal as

ărac comparativ cu funcţionarea pe gaz natural. Interesant,

adăugarea unei anumite cantit

autobuzul menţionat în secţiunea precedentă era doar dovada unui concept, iar

, patru cilindri în linie, 4.4 litri), injectoarele de mo

înlocuite cu bujii, ortu a fos 16:1 la 8.7:1) p

montare pistoane iar limen at un carburator

gaz. In

folosind analiza d jării de c

arătau auto-a

general însoţit

i neco uceau la ra -aprinderea

bazat pe unii din cilindru

C

respectiv nu era

fost de asemenea testat

pirat din cauza utilizării amestecului sărac necesar pentru a

evita întoarcerea flăcării. În paralel, dovada de concept a fost demonstrată într-un

program Belgian şi European prin modificarea unui autobuz diesel, folosit la transport

public, la funcţionarea cu hidrogen. Modificările au constat în cele descrise mai sus,

şi instalarea unui rezervor de hidrogen cu hidruri metalice fiind instalate şi măsuri de

siguranţă.

Avantajele alimentarii cu hidrogen la motoarele cu gaz natural cu aprindere

prin scânteie au fost cercetate de către General Motors şi prezentate în Secţiunea

2.3. Alimentarea cu hidrogen a crescut randamentul motorului si a mărit gama de

funcţionare cu amestec s

ăţi de gaz natural la hidrogen (aproximativ 20% în

volume) rezultă într-o funcţionare fără întoarcerea flăcării indiferent de concentraţia

amestecului carburant.

8.8.2 Motorul General Motors

8.8.2.1 Cercetări Experimentale

Un motor General Motors de tipul 454 (mai cunoscut sub denumirea de

Chevrolet BigBlock) a fost adaptat pentru combustibili gazoşi. Interesul pentru acest

motor s-a trezit deoarece era folosit la un autobuz alimentat cu gaz natural,

Page 159: Curs Motoare

Utilizarea hidrogenului la alimentarea MAI

159

sponso

Tabe tors

ipul motorului V8 DSA 42 oRAC IPMS

rul laboratorului de lucrări cu hidrogen a dorit continuarea proiectului cu un

pas mai înainte, prin convertirea unui autobuz de pe gaz natural pe hidrogen. Motorul

a fost iniţial echipat cu un carburator de gaz, experimentele cu amestecuri de gaz

natural şi hidrogen menţionate în secţiunea precedentă foloseau acestui ansamblu.

Ca parte din experimentele făcute de prezentul autor, a fost montat un sistem de

injecţie multi-punct secvenţial cu un sistem programabil de control. Caracteristicile

motorului sunt prezentaţi în Tabelul 8.2

lul 8.2. Caracteristicile motorului General Mo

T

Alezaj 107.95 mm ISA 95 oRAC DPMI

Cursa 101.6 mm DSE 93 oRAC IPMI

Cilindree totală 7.4 litri ISE 62 oRAC DPMS

Raportul de comprimare

8.5:1 ordinea de aprindere

18436572

Turaţia 750-4000 rpm

8.8.2.2 Injecţia Controlul sarcinii

După cum este menţionat în introducere (Secţiunea 1.4), limitele mari de

inflamabilitate ale hidrogenului în aer permit un control al sarcinii prin variaţia calităţii

amestecului aer/hidrogen. Acest control calitativ este benefic pentru randamentul

motorului comparativ cu amestecul cantitativ folosind o clapetă de acceleraţie. De

altfel, la turaţia de mers în gol a fost măsurată emisia de hidrogen nears în evacuare

din cauza rateurilor cu amestec s

ţie de variaţiile mediului de

ărac folosit. Ca atare accelerarea este folosită la

turaţia de mers în gol pentru a asigura arderea completă şi stabilă. În toate celelalte

condiţii clapeta de acceleraţie este larg deschisă. Toate experimentele precizate în

acest capitol sunt făcute cu clapeta de acceleraţie larg deschisă, numai dacă nu este

menţionat altfel.

Sistemul de control al motorului calculează începutul, durata precum şi

reglarea injecţiei în funcţie de variabilele principale, care sunt turaţia şi puterea

motorului. Valorile astfel calculate sunt corectate în func

Page 160: Curs Motoare

PARTEA I – COMBUSTIBILI ALTERNATIVI

160

funcţionare: presiunea (de obicei 3 bari) şi temperatura combustibilului, presiunea şi

temperatura aerului şi temperatura agentului de răcire. A fost utilizat un accelerator

ilară cu caracteristica unei pompe diesel: independent de

turaţia motorului şi dependent liniar faţă de poziţia pedalei de acceleraţie.

Caracteristica duratei de injecţie este prezentată în figura 8.2. A fost obţinută o

funcţionare mai stabilă la relanti prin programarea unei durate de injecţie mai lungă

atunci când turaţia motorului scade sub turaţia de relanti, astfel încât motorul să

revină la turaţia de funcţionare la relanti.

ca parametru de sarcină, utilizând un generator funcţie de unde pentru a produce o

undă pătrată cu o frecvenţă reglabilă pentru a simula semnalul senzorului de

presiune a aerului din colectorul de admisie. Sistemul de control al motorului (Zytek)

foloseşte o scara de încărcare de la 0 la 2000 mbar. Astfel în graficele rezultate

puterea este proporţională cu presiunea aerului din colector, dată în mbar, 0 bar

pentru sarcină 0% si 2000vmbar pentru sarcină de 100%.

Datorită controlului sarcinii asemănător motoarelor diesel, caracteristica

duratei de injecţie este sim

Figura 2.1: Caracteristica duratei de injecţie

Ardere inversă

Instalarea unui sistem de injecţie secvenţial multipunct măreşte rezistenţa

împotriva întoarcerii flăcării deoarece cantitatea de hidrogen la un moment dat în

colectorul de admisie este mai mică în comparaţie cu un motor cu carburator. Mai

mult, utilizând o injecţie întârziată, atunci când injectoarele sunt dimensionate

corespunzător: sfârşitul injecţiei este setat în aşa fel încât tot combustibilul este

injectat înainte de închiderea supapei de admisie. Dacă injectoarele sunt suficient de

Page 161: Curs Motoare

Utilizarea hidrogenului la alimentarea MAI

161

mari a

stfel camera de ardere şi zonele cu temperatura ridicată

care a

ecesar. Această variabilă a limitat caracterul bogat al amestecului pentru a garanta

o funcţionare sigură în vederea evitării înto rcerii flăcării λ. ~ 2 (Φ ~ 0.5) şi astfel se

obţine o putere de aproximativ 105kW (la 3750rot/min).

8.8.2.3 Aprinderea mal pentru valoarea cea mai mică la care

se ob

moment ridicat şi în acelaşi timp se

limitea

stfel încât sa distribuie cantitatea necesară de combustibil într-un timp scurt,

începutul injecţiei poate fii setat astfel încât iniţial, în timpul cursei de admisie, să fie

introdus doar aer, răcind a

r putea declanşa întoarcerea flăcării. Sunt necesare mari curgeri masice de

combustibil în condiţii de sarcină totală şi turaţie ridicată, dacă injectoarele sunt alese

pentru a obţine o injecţie întârziată, trebuie menţionat însă că la sarcină si turaţie

redusă reproducerea ciclică a evenimentului apar probleme. Utilizând injectoarele

prototip folosite la motoarele GM, s-au constatat probleme pentru funcţionarea la

relanti printr-o deviere a duratei de injecţie între fiecare injector.

Astfel au fost montate versiuni mai noi cu o cursă mai mică pentru a asigura

un timp de răspuns egal pentru duratele de injecţie mai scurte. Unghiul conului acului

injectorului a fost modificat pentru a fi mai obtuz, astfel încât sa nu se diminueze

curgerea maximă de combustibil. Cu toate acestea , la sarcina totală şi turaţie mare,

nu s-a putut folosi o injecţie întârziată datorită volumului mare de combustibil

n

a

Avansul la aprindere este setat nor

ţine momentul optim (Maximum Brake Torque timing)(MBT timing).

Compromisul făcut pentru cel mai bun cuplu este asemănător pentru motoarele cu

hidrogen ca pentru orice motor cu aprindere prin scânteie. Acest lucru este prezentat

în figura 2.2. Graficul este pentru sarcină totală (aşa cum a fost menţionat mai sus,

setările sunt pentru λ. ~ 2 / Φ ~ 0.5) şi turaţie ridicată (3500 rot/min)). Astfel, un reglaj

al aprinderii de aproximativ 15° RAC va da un

ză emisiile de NOx.

Page 162: Curs Motoare

PARTEA I – COMBUSTIBILI ALTERNATIVI

162

Figura 2.2: Momentul motor si emisii NOx în funcţie de reglarea aprinderii

l

amestecului, gazele de evacuare conţin emisii mici de NOx sub valoarea de 100 ppm

(echivalentul a 1g/ekWh).

ele folosite, au fost făcute câteva modificări la sistemul

origina

Pentru amestecuri sărace (sarcini reduse si turaţii mici), reglarea optimă a

aprinderii se obţine până la 50° RAC înainte de PMS, puterea motorului având o

influenţa considerabila. Pentru sarcini totale si turaţii mari (puterea maximă), reglarea

optimă a aprinderii se obţine la aproximativ 20° înainte de PMS. Astfel în figura 2.3

este reprezentată reglarea aprinderii în funcţie de puterea si turaţia motorului.

Randamentul unui motor alimentat cu hidrogen depinde de reglarea cât mai corectă

a aprinderii în funcţie de controlul cantitativ al amestecului (de exemplu, puterea, aşa

cum a fost menţionat mai sus). Figura 8.4. reprezintă influenţa considerabilă a puterii

faţă de turaţia motorului.

Utilizând reglajul pentru cuplul optim (MBT) şi controlul cantitativ limitat a

Referitor la dispozitiv

l de aprindere: distribuitorul si bobina de aprindere separată au fost înlocuite

cu un sistem bobină - bujie. Prin folosirea bobinelor individuale pentru fiecare cilindru

şi montarea lor deasupra bujiei, se evită interferenţele care ar putea duce la

inversarea flăcării. De asemenea se obţin tensiuni de aprindere ridicate (pentru

amestecuri sărace) fără a apărea probleme legate de izolaţie. Datorită tensiunilor

mari de aprindere măsurate în anumite condiţii (Capitolul 1.5.4), distanţa între

Page 163: Curs Motoare

Utilizarea hidrogenului la alimentarea MAI

163

electrozi a fost redusă substanţial de la valoarea originală de 0.9mm la 0.4mm. Acest

lucru a dus la diminuarea tensiunii necesare pentru aprindere şi a îmbunătăţit

stabilitatea arderii. Pentru motoarele alimentate cu hidrogen, distanţa dintre electrozi

poate fi diminuată datorită cantităţii reduse de depuneri (cauzate numai de lubrifiant).

Figura 8.4: Diagrama aprinderii

8.8.2.4. Ungerea şi ventilaţia carterului În timpul măsurării compoziţiei gazelor din carter, s-a observat un procent

ridicat de hidrogen (+ 5vol%, depăşind scara dispozitivului de măsurare), datorită

scăpărilor datorită neetanseităşii segmenţilor. Scăpările pot fi foarte accentuate

datorită creşterii mari de presiune si densitatea mică a hidrogenului. Compoziţia

lubrifiantului (ulei semi sintetic ‘universal’, clasa de viscozitate 15W50) a fost

analizată şi comparată cu lubrifiantul nefolosit.

.

Concentraţiile diferiţilor adit a rezistenţei la uzură, de

sfat de zinc) au scăzut iar esterii prezenţi în lubrifiantul nefolosit

n totalitate în lubrifiantul folosit. Concluziile au fost trase

analizâ

Proprietăţile lubrifiantului s-au schimbat prin diminuarea calităţilor de lubrifiere

ivi (de lubrifiere si de mărire

exemplu dialkilditiofo

au dispărut aproape î

nd absorbţia diferitelor elemente în spectrul infraroşu. Acest lucru se poate

înţelege atunci când se ştie că hidrogenul este utilizat în industrie pentru a

transforma uleiurile în grăsimi hidrogenate (prin desfacerea legăturilor duble de

carbon).

Page 164: Curs Motoare

PARTEA I – COMBUSTIBILI ALTERNATIVI

164

Viscozitatea lubrifiantului a crescut în condiţii atmosferice (având ca rezultat

forţe de frecare mari la pornire) si a scăzut atunci când temperatura a crescut (având

ca rezultat o lubrifiere insuficientă când motorul a ajuns la temperatura de

funcţionare). Viscozitatea cinematică înregistrată la 40°C a lubrifiantului folosit a fost

de 141.9 mm2/s , în comparaţie cu valoarea înregistrată pentru lubrifiantul nefolosit de

111.8mm2/s.

La 100°C au fost înregistrate valori de 14.33 mm2/s respectiv 17.25 mm2/s.

Indexul de viscozitate pentru lubrifiantul folosit s-a ridicat până la 99, cu mult mai mic

decât cel pentru lubrifiantul nefolosit cu valoarea de 163.

La analiza cu s fost detectate uzuri

pentru comp otorului, fiind normal pentru un motor cu timp de

tfel a caracte lubrifiantului es

influenţa gazelor scăpate în carter.

mai bună fi utilizarea unui lubrifiant spe re

hidrogen, însă momentan nu este disponibilă. D

ecuritate s-a utilizat un sistem de ventilaţie forţată a carterului pentru a menţine

rului comprimat şi supapa de by pass de la intrarea pompei de vacuum.

Concentraţia de hi ub 1vol%.

5 Supraalimentarea Aşa cum a mai fost menţionat, motorul de la GM a fost conceput pentru

ă puterea şi momentul motoarelor aspirate natural erau prea

ă care folosită pe aceste autobuze. S-au efectuat

şi un

pectrometru fluorescent cu raze X nu au

majore onentele m

testare redus. As sch aimb re risticii te strict legată de

Cea soluţie ar cial pentru motoa

alimentate cu in considerente de

s

concentraţia de hidrogen mult sub limita de inflamabilitate. Aerul este introdus în

carter utilizând reţeaua de ventilaţie a laboratorului, setată la o suprapresiune redusă

prin folosirea unor supape de reglare. Pentru a elimina gazele din carter s-a folosit o

pompă de vacuum, nu înainte de a trece gazele printr-un separator de ulei.

Presiunea din carter este controlată pentru a obţine o uşoara subpresiune prin

controlul ae

drogen în carterul cu ventilaţie a fost înregistrată s

8.8.2.

autobuze urbane. Îns

mici pentru transmisia automat

studii pentru a evalua potenţialul de supraalimentare al motorului. Pentru experiment

a fost ales un compresor antrenat mecanic. Viteza de rotaţie al compresorului

VortechV1 a fost controlată cu un invertor care controlează frecvenţa semnalului la

motorului electric asincron folosit la antrenarea compresorului. A fost folosit

Page 165: Curs Motoare

Utilizarea hidrogenului la alimentarea MAI

165

intercooler pentru a reduce temperatura aerului comprimat până la valoarea în

condiţii normale.

În figura 8.5 este prezentat momentul maxim obţinut la un motor

supraalimentat în comparaţie cu cel aspirat natural. Se poate observa că

supraalimentarea nu este în totalitate dorită pentru acest motor. Diminuarea bruscă a

momentului motor peste 2000 rot/min, aşa cum se vede şi pe curbă, pentru varianta

cu supraalimentare, se datorează unui amestec sărac, necesar pentru a evita

întoarcerea flăcării şi probabil parţial datorită asimetriei colectorului de admisie,

rezultând într-o ardere mai bogată în cilindrii 1 si 2 (arderea inversă se înregistrează

întotdeauna într-unul din aceşti cilindrii). Momentul rezultat reprezentat pentru

motorul supraalimentat este momentul efectiv, în aşa fel încât sa compenseze

momentul necesar antrenării compresorului. Aceste rezultate au arătat că utilizând

un agregat de supraalimentare îmbunătăţit se pot obţine valori mai ridicate ale puterii

şi momentului (ceea ce nu era valabil pentru motorul Valmet descris în subcapitolul

8.8.1).

Figura 8.5: Comparaţie între momentul motor la motorul supraalimentat si motorul

aspirat natural productie GM

8.8.3 M

t pentru combustibili

ul curelei

de transmisie – pentru test a fost folosită turaţia de 600 rot/min) şi variaţia raportului

otorul CFR

8.8.3.1 Experimental Motorul CFR (Cooperative Fuel Research), a fost echipa

gazoşi şi este folosit de obicei pentru determinarea cifrei octanice a combustibilului.

Acest lucru se realizează prin menţinerea unei turaţii constante a motorului, prin

cuplarea acestuia cu un motor electric (600 sau 900 rot/min în funcţie de tip

Page 166: Curs Motoare

PARTEA I – COMBUSTIBILI ALTERNATIVI

166

de comprimare. Iniţial a fost folosită o instalaţie specială aferenta standului de

încercare pentru alimentarea cu comb fost montat un sistem de

injecţie secvenţial. Pentru configuraţia cu instalaţie separată de alimentare,

caracterul bogat al amestecului a fost reglat prin variaţia presiunii de alimentare.

Pentru versiunea cu injecţie caracterul bogat al amestecului a fost reglat prin variaţia

duratei de injecţie la o presiune constantă a combustibilului. Specificaţiile principale

pentru acest motor sunt date în Tabelul 8.3..

Tabelul 8.3. Specificaţiile motorului CFR

Alezaj 82.55 mm DSA 10 oRAC DPMS

ustibil, după care a

Cursă 114.2 mm ISA 34 oRAC DPMI Lungimea bielei 254 mm DSE 40 oRAC IPMI

Cilindree 612.5 cm3 ISE 15 oRAC DPMS Raport comprimare

variabil Turaţie 600 rpm (constantă)

Controlul distribuţiei dat în Tabelul 8.3. este distribuţia standard prescrisă de

manua zura

componentelor din ansamblul pele se deschid mai târziu şi

se închid mai devreme în comparaţie cu valorile date. Valorile distribuţiei măsurate

sunt date în tabelul 8.4. Un factor important este dispariţia timpului de suprapunere a

supapelor.

Tabelul 8.4.Distribuţia măsurată pe motorul CFR o

lul ASTM pentru motorul CFR . Datorită jocului cauzat de u

acţionarii supapelor, supa

DSA 18 RAC IPMS

ISA 25 RAC DPMI o

DSE 34 oRAC IPMI

ISE 7 oRAC DPMS

Aşa cum este prezentat în Tabelul 8.3 avem o suprapunere a deschiderii supapelor

e 5 0RAC în configuraţia originală. Totuşi, datorită uzurii, supapa de admisie se

lucru

diminuează substanţial coeficientul de umplere.

În chiulasă s-a instalat un traductor de presiune piezoelectric răcit cu apa,

proiectând combustibilul pe peretele camerei de ardere. Un amplificator transformă

semnalul de la traductorul de presiune în tensiune. Semnalul este apoi citit de un

d

deschide la 110RAC după ce supapă de evacuare se închide. Acest

Page 167: Curs Motoare

Utilizarea hidrogenului la alimentarea MAI

167

sistem înregistrare de date prin intermediul unui senzor de marcaj de unghi

(CrankAngleMarker -CAM) şi un interpolator care permite o acurateţe în măsurare de

1, 0.5, 0.25 sau 0.1oRAC. Presiunea de referinţa a fost obţinută prin egalarea

presiunii medii efective din cilindru în timpul schimbului de gaze cu presiunea

atmosferica minus căderea de presiune din ghidajul si supapă de admisie minus

căderea de presiune din canalul de admisie, determinat în funcţie de debitul de aer

(aceasta procedura a atins cerinţele necesare pentru un motor CFR cu turaţie

constanta).

Debitul de aer si de hidrogen au fost măsurate cu debitmetre masice. Datorită

caracterului puls , un rezervor

ştire a fost poziţionat între debitmetrul de aer şi motor pentru a obţine valori

sate pe stand sunt utilizate pentru a

calcula

ru amestecuri bogate cu viteza

de ard

atoriu al curgerii pentru un singur cilindru la turaţie mică

de lini

precise. Valorile obţinute cu debitmetrele ampla

raportul aer/combustibil. Un senzor de oxigen cu banda largă a fost plasat pe

conducta de evacuare pentru a transmite valoarea iniţială a caracterului bogat al

amestecului, însă toate calculele sunt făcute utilizând valorile date de debitmetre.

8.8.3.2 Rezultate obţinute pentru versiunile cu carburator A fost măsurată influenţa raportului aer/combustibil (cu sarcina) la diferite

valori ale distribuţiei şi rapoarte de comprimare asupra puterii indicate Pi şi

randamentului indicat ηi. Domeniul rapoartelor de comprimare utilizate a fost de 7:1

la 9.5:1, rapoartele de echivalenţă aer/combustibil λ de la 1.4 la 2.7 (Φ între 0.37 şi

0.72) şi avans la aprindere de la 10 to 20 0RAC înainte de PMS. Figura 8.6(a)

reprezintă puterea indicată (normalizat la 293K şi 1 atm pentru a compensa variaţiile

din mediul de funcţionare) şi figura. .8.6(b) reprezintă randamentul indicat în funcţie

de raportul de aer/combustibil şi pentru diferite valori ale avansului (pentru un raport

de comprimare de 9:1).

Reglarea avansului este foarte importantă: pent

ere mare, avansul trebuie sa fie mic pentru a evita punctul de presiune

maximă care este dispus prea devreme în ciclu de funcţionare.

Pentru amestecuri mai sărace cu viteza de ardere mică avansul trebuie mărit. În

figura 8.7 sunt reprezentate emisiile de NOx. Acestea se măresc când avem un

amestec mai bogat decât λ =2(Φ =0.5), datorită măririi temperaturii flăcării.

Page 168: Curs Motoare

PARTEA I – COMBUSTIBILI ALTERNATIVI

168

(a) Putere indicată

(b) Randament indicat

Fig. 8.6: Puterea indicată şi randamentul în funcţie de raportul echivalent

aer/combustibil şi avans

Page 169: Curs Motoare

Utilizarea hidrogenului la alimentarea MAI

169

Figura 8.7. Emisii NOx v.s. raport echivalent aer combustibil

8.8.3.3Variantele de injec

a) Joncţiune-T ; b) Joncţiune-Y; c) Joncţiune la 45o; d) Joncţiune inversă la 45o.

Rezultate obţinute pentru versiunile cu injecţie ţie a hidrogenului permit o libertate mai mare pentru condiţiile

iniţiale, utilizând un control variabil al injecţiei şi presiunii. Influenţa geometriei de

injecţie a fost de asemenea măsurată, injectorul fiind poziţionat la diferite unghiuri

relativ la direcţia de curgere a aerului în admisie Figura 8.8 prezintă cele patru

geometrii de admisie examinate ( diferite joncţiuni):

Fig. 8.8: Geometrii ale admisiei – poziţii ale injectorului

Page 170: Curs Motoare

PARTEA I – COMBUSTIBILI ALTERNATIVI

170

Geometria admisiei şi începutul injecţiei (II) Figura 8.9 arată puterea indicată produsă pentru diferite joncţiuni ca funcţie de

momentul de începere al injecţiei în grade IPMS- schimb de gaze ( pentru .λ = 2/Φ

=0.5, MA = 15 grade IPMS, RC=8:1) Joncţiunea Y la momentul de începere al

injecţiei de 80 de grade produce cea mai mare putere ( o minima este atinsa la II ~

40 grade) Diferenţa dintre cea mai mare şi cea mia mică valoare este de aproape

10%. Importanţa momentului de începere al injecţiei poate fi observat la consumul de

aer şi de combustibil în raport cu momentul începerii injecţiei. Debitele de aer şi

combustibil, şi asemenea presiunea în camera de ardere sunt maxime la momentul

închiderii supapei de admisie, pentru începerea injecţiei la 80 de grade, şi atunci de

asemenea presiunea în cilindru este cea mai ridicată la momentul începerii injecţiei,

după cum poate fi văzut în figura 8.10 Din aceasta rezultă cel mai ridicat coeficient

de umplere şi implicit cea mai ridicată putere. Explicaţia pentru aceasta evoluţie es

intera

(de la închiderea şi deschiderea supapei de admisie).

La momentul deschiderii supapei de admisie (18 grade IPMS), presiunea din

cilindru este puţin scăzută faţă de cea din canalul de admisie. Presiunea din canalul

de admisie scade şi se produce o destinde r undele de depresiune circulă prin

cana

se p

sunt întărite nea este

scăzut , apar „interferenţe distructive”. Acestea pot fi văzute în figura 8.11 unde

începu

ximativ 150

e grade, în timp ce pentru momentul de început al injecţiei la 80 de grade (puterea

dezvoltată mai mare) presiunea maximă apare mai târziu. Pentru momentul de

început al injecţiei la 80 de grade, maximul este de asemenea mai mare, presiunea

continuă să crească după 150 de grade şi la momentul închiderii supapei de admisie,

în cilindru este o presiune de 1.1 bar. Astfel rezultând un câştig al puterii de 10%.

Influenţa joncţiunii (a geometriei admisiei) asupra puterii este mai mică decât

începutul injecţiei şi toate joncţiunile dezvoltă puterea maximă aproximativ la

te

cţiunea dintre jetul de H2 injectat şi presiunea undelor din canalul de admisie

re, ia

l, ca apoi să fie respinse la deschidere ca o unda de comprimare. Dacă injecţia

roduce când undele de presiune la admisie sunt la valoarea maximă, undele

şi presiunea va creşte. Dacă injecţia începe când presiu

ă

tul injecţiei este optim (80 de grade), prea devreme (40 de grade) şi prea

târziu (100 de grade). Începutul injecţiei se remarcă prin creşterea bruscă a

semnalului presiunii. Nu doar amplitudinea undelor este influenţată, dar şi poziţia în

timpul maximului de presiune se schimbă semnificativ. Cu începutul injecţiei la 40 de

grade (puterea dezvoltată este mai mică) presiunea maximă este la apro

d

Page 171: Curs Motoare

Utilizarea hidrogenului la alimentarea MAI

171

momentul începerii injecţiei de 80de grade.(vezi figura 8.8). Joncţiunea Y dezvoltă

cea mai ridicată putere iar joncţiunea inversă de 45 de grade dezvoltă cea mai mică

putere. În cea din urmă, fluxul de aer (cel mai mare debit de aer) trebuie să facă cea

mai mare cotitură, rezultând cele mai mari pierderi de presiune. Joncţiunea Y pare să

fie cea mai bună combinaţie între omogenizarea amestecului şi pierderile în

presiune, dezvoltând cea mai mare putere.

ite joncţiuFig.8.9. Puterea dezvoltată cu difer ni, în funcţie de începerea injecţiei

Fig.8.10 Presiunea maximă în cilindru cu diferite joncţiuni în funcţie de începutul

inje ţiei

Figura 8.12 prezintă ran rite joncţiuni în funcţie de

începutul injecţiei ( din nou . .λ = 2/Φ = 0.5,.=2/f=0,5, MA=15 grade IPMS, RC= 8:1)

c

damentul indicat pentru dife

Page 172: Curs Motoare

PARTEA I – COMBUSTIBILI ALTERNATIVI

172

Influenţa începutului injecţiei asupra randamentului este mai scăzută decât asupra

puterii dezvoltate. Joncţiunea de 45 de grade a dat cele mai bune rezultate

randament. Cele mai ridicate randamente sunt cu începerea injecţiei la 40 de grade

IPMS. O posibilă explicaţie este că pentru un început al injecţiei la 40 de grade

undele de presiune sunt răsfirate, apare o creştere a turbulenţelor care dau un

amestec mai omogen al aerului cu combustibilul rezultând, astfel, o ardere mai

completă (din nefericire măsurători asupra emisiilor care să confirme acest lucru nu

s-au efectuat în timpul acestor experimente).

Raportul de echivalenţă şi momentul aprinderii Figura 8.13 arată influenţa raportului de echivalenţă aer/combustibil şi a

momentului aprinderii asupra puterii indicate pentru doua momente de început ale

injecţiei ( joncţiune Y şi RC=8:1). Momentul aprinderii a fost schimbat de la 2 la 20 de

grade IPMS. Cu momentul de aprindere optim puterea dezvoltată variază aproape

liniar cu raportul de echivalenţă aer/combustibil.

Fig. 8.11. Curbele de presiune în canalul de admisie (la 8 cm de supapă de

admisie) pentru II=400 RAC, II=80 oRAC, II = 100 oRAC

Momentul aprinderii este dependent de raportul de echivalenţă aer/combustibil

(schimbând de la 2 0RAC la λ. =1.7/Φ =0.6 la 20 0RAC la λ =2.5/ Φ =0.4).

Din nou influenţa MII se observă în figură, este de asemenea remarcat că la

fieca

re raport de echivalenţă, MII de 80 de grade dezvoltă cea mai ridicată putere.

Page 173: Curs Motoare

Utilizarea hidrogenului la alimentarea MAI

173

Fig.8.12. Randamentul indicat pentru diferite joncţiuni în funcţie de II(începutul

injecţiei)

Fig.8.13 Puterea dezvoltată în funcţie de raportul de echivalenţă aer/combustibil

pentru momentul aprinderii variind de la 2 la 20 de grade IPMS (MA optim este

mai crescut pentru amestec mai sărac) joncţiune Y, RC= 8:1.

Page 174: Curs Motoare

PARTEA I – COMBUSTIBILI ALTERNATIVI

174

Figura 8.14 redă randamentul indicat pentru diferite joncţiuni în funcţie de

raportul de echivalenţă aer/combustibil (şi momente de aprindere diferite).

Bineînţeles cel mai ridicat randament a fost obţinut pentru un moment de aprindere

optimizat (acelaşi cu care se dezvoltă cea mai ridicată putere). Cel mai ridicat

randament obţinut pentru joncţiunea de 45 de grade este din nou obţinut.

Fig.8.14 Randamentul indicat în funcţie de raportul de echivalenţă aer/combustibil

cu MA variind de la 2 la 20 de grade IPMS (MA mai mare pentru amestecuri mai

i devreme pentru presiuni joase de injecţie.

sărace)

Presiunea de injecţie Toate testele de mai sus au fost realizate cu o presiune de injecţie de 3 bar.

Figura 8.15. arată influenţa presiunii de injecţie şi a începerii injecţiei asupra

puterii indicate pentru joncţiunea de 45 de grade la . λ = 2/Φ= 0.5, MA=10 grade

şi RC=8:1.

Figura 8.15 arată că la cea mai joasă presiune a injecţiei interacţiunea dintre

jetul de combustibil şi undele de presiune din canalul de admisie scade, fapt care

determină şi scăderea influenţei momentului injecţiei asupra puterii dezvoltate.

Momentul optim de injecţie este ma

Page 175: Curs Motoare

Utilizarea hidrogenului la alimentarea MAI

175

Influenţa presiunii de injecţie asupra randamentului este foarte mică (mai puţin de

0,1%)

Fig.8.15. Puterea dezvoltată în funcţie de momentul de începere al injecţiei la

diferite presiuni de injecţie.

Strategia injecţiei târzii Injectorul folosit pe motorul CFR pentru m surătorile prezentate în aceasta parte a

fost de acelaşi model cu cel folosit şi pe motorul GM, cu mici modificări, pentru a

îmbunătăţi reproductibilitatea rezultatelor pentru durate scurte ale injecţiei.

Dimensiunile mari ale injectorului au permis testarea tuturor strategiilor de injecţie

prezentate în Secţiunea 8.8.2.2. Figura 8.16 arată evoluţia puterii indicate în funcţie

de raportul de echivalenţă aer/combustibil pentru 2 MA, demonstrând capacitatea de

a funcţiona în condiţii stoichiometrice (λ = 1) fără ca flacăra să se întoarcă. Aici, a

fost utilizată joncţiunea Y, lungimea canalului de admisie a fost scăzută comparativ

cu măsurătorile prezentate anterior (injectorul a fost dispus aproape de supapă de

admisie),a fost utilizată presiunea de injecţie de 7 bar, cu momentul de injecţie la 170

de grade IPMS (schimb de gaze). Funcţionarea cu MII=150 de grade şi raportul de

echivalenţă aer/combustibil de 0,92 (Φ =1.09) a fost stabilă pentru o funcţionare

stabilă fără întoarceri ale flăcării. Experimente efectuate mai târziu au arăta că există

posibilitatea de a funcţiona stoichiometric fără întoarceri ale flăcării până la un raport

ă

Page 176: Curs Motoare

PARTEA I – COMBUSTIBILI ALTERNATIVI

176

de -

aprinderea

comprimare de 12:1. la raportul de comprimare 13:1 a început să apară auto

Puterea indicată în funcţie de raportul de echivalenţă aer/combustibil,

8.8.3.4unt privitoare în mare parte la reducerea

. GA)

este o trivită pentru

rii pe trei-căi

astfel

pierde

pentru a studia posibilităţile de reducere a NOx la funcţionarea stoichiometrică

rţial oxidate (ex

CO) c nsează prin existenţa agentului puternic reducător

ara

funcţio u amestecuri stoichiometrice +

nţei la

întoar convertoare catalitice cu trei căi pentru

amestecuri sărace precum şi filtre pentru NOx. Catalizatori cu reducere catalitică

Fig.8.16.

strategia injecţiei târzii.

. Strategii de reducere a NOx

Lucrările executate pe motorul CFR s

NOx După cum s-a menţionat în Secţiunea 1.5.3. recircularea gazelor arse (R

metoda eficientă pentru reducerea NOx şi este o opţiune foarte po

funcţionarea stoichiometrică, pentru că astfel se pot utiliza catalizato

(CTC) pentru reducerea NOx. Mai mult de atât, se poate modifica puterea dezvoltată

prin modificarea cantităţii de gaze recirculate, în loc de accelerare, evitând

rile la randament. Un sistem RGA a fost montat pe motorul CFR de încercări

folosind CTC, ar putea fi dezavantajat prin absenţa hidrocarburilor pa

u toate că acesta se compe

H2. În această perioadă se execută lucrări de cercetare pentru a comp

narea cu amestecuri sărace şi funcţionare c

RGE, asupra randamentului, puterii dezvoltate, emisiilor de NOx şi reziste

cerea flăcării. Sunt planificate teste cu

Page 177: Curs Motoare

Utilizarea hidrogenului la alimentarea MAI

177

selectivă (RCS) nu vor fi consideraţi ţinte principale pe motoarele vehiculelo

eri unde nu este de dorit rezervorul în plus.

r de

pasag

8.8.4.1estul de folositor

a pregătirii motoarelor pentru

limentarea cu hidrogen, dar în timp a definit impropriu ca motor de cercetare. Cei 8

e (şi scump) de

hidrog făcută la toţi 8 cilindri. Cu atât mai mult că pentru

arte,

iunea 8.8.3. este mai adecvat din punct de vedere al

senzo

consta este prea scăzută-şi nu este reprezentativă pentru

sa se

fost folosit un motor de cercetări de la firma Audi-NSU utilizat în anii 80 pentru studiul

tor,

numit aţiile motorului sunt

prin

preluc

pentru a monta o bujie.

teristicile motorului Audi

A

8.8.4. Motorul Audi

Cercetări experimentale Motorul General Motors prezentat la Secţiunea 8.8.2 a fost d

pentru a căpăta experienţă la aspectele practice

a

cilindri şi capacitatea cilindrică mare însemnă un consum mar

en şi fiecare adaptare trebuia

datele de presiune din cilindru nu era nevoie decât de un cilindru. Pe de alta p

monocilindrul de la CFR din Secţ

cercetărilor pentru că poate accepta diverşi senzori de presiune (sau altfel de

ri) şi variază foarte puţin în gama de turaţii. Pe de alta parte, această turaţie

ntă este un dezavantaj:

motoarele de autovehicule, şi nu poate redă date la diferite turaţii. Ca atare s-a decis

construiască un stand de încercare cu un monocilindru de turaţie ridicată. A

curgerii în motoarele diesel cu injecţie directă pentru autovehicule, Acest mo

motorul Audi a fost ales ca bază pentru noul stand. Specific

prezentate în tabelul 8.5 Raportul de comprimare a fost redus de la 16:1 la 11:1

rarea pistoanelor, orificiul de montare original pentru injector a fost utilizat

Tabel 8.5. Carac

lezaj 77.02 mm DSA 23o RAC IPMS

Cursă 86.385 mm ISA 50o RAC DPMS

C I ilindree 402.5 cm3 DSE 80o RAC IPMo RAC DPMI Raport de 11:1 ISE 15

comprimare

Turaţie 1000-4500 rpm

Page 178: Curs Motoare

PARTEA I – COMBUSTIBILI ALTERNATIVI

178

O schemă a standului de încercare a motorului Audi este prezentat în figura

8.17 Momentul de aprindere şi momentul de injecţie (de începere al injecţiei şi durata

i

simula i

răcire,

carter sferat pe motorul Audi (Section 8.8.2.4).

ificilă

decât ire pentru

tă). O

diafrag ui

senzo ă, pentru că doar un capăt al

arbore ibraţiilor a complicat şi mai mult prelungirea arborelui

locui

pe cea a obţine astfel un

t pă

o alini

piezor eaşi

cu cea imbului

de ga de presiune dintre ele este mică. Influenţa duratei şi a

ie între

20 de

motoarele cu hidrogen

de

ardere nd momentul MBT în funcţie

a

contro la

frână (pmef) cu raportul de echivalenţă aer/combustibil.

Momentan, cel mai bogat amestec nedetonant este în jurul valorii . λ =1.4/Φ =0.7

injecţ ei) sunt controlate de o unitate de control MoTec M4Pro, cu turaţie şi sarcina

tă MAP (vezi Secţiunea 8.8.2.2.) ca parametrii de bază. Temperatura lichidulu

de răcire uşor ajustabilă de către o supapă automată, controlând debitul de lichid de

temperatura lichidului fiind stabilită la 75 grade C. Sistemul de ventilaţie al

ului folosit la motorul GM a fost tran

Montarea unui senzor de presiune în cilindru pe motorul Audi a fost mai d

pe motorul CFR. Într-un final s-a optat pentru un senzor fără răc

compactitate, produs în special pentru a limita şocul termic (precizie crescu

mă specială permite precizii de nivelul senzorilor răciţi cu lichid. Montarea un

r pe arborele cotit s-a dovedit de asemenea dificil

arborelui cotit era liber. Cu atât mai mult ca un al doilea arbore era condus de către

le cotit pentru reducerea v

cotit. O noua contragreutate cu diametrul mai mic a fost calculată pentru a o în

originală pentru a permite prelungirea arborelui cotit pentru

capă liber. Aceasta a permis ca un senzor de rotaţie al arborelui să fie montat, du

ere precisă a extensiei arborelui.

Pentru citirea presiunii de referinţă, a fost folosită metoda senzorilor

ezistivi montaţi în canalul de admisie. Aici presiunea din cilindru este ace

(absolută) din canalul de admisie la punctul mort inferior în timpul sch

ze, când diferenţa

poziţ i intervalului pentru referinţă a fost verificată, un interval optim a fost găsit

grade şi 50 de grade DPMS. (aceasta valoare depinde de motor).

8.8.4.2 Rezultate iniţiale

O gamă largă de momente de aprindere a folosită la

(datorită gamei largi a raportului de echivalenţă aer/combustibil, implicit viteze

) Acest fapt este demonstrat în figura 8.18, arătâ

de raportul de echivalenţă aer/combustibil la 2800 rpm

Relaţia dintre raportul de echivalenţă şi puterea dezvoltată, folosită pentru

la sarcina este prezentată în figura 8.19 calculând presiunea medie efectivă

Page 179: Curs Motoare

Utilizarea hidrogenului la alimentarea MAI

179

Fig.8.17. Schema standului de încercare a motorului Audi

Figura 2.18: Momentul MBT în funcţie de reportul de echivalenţă aer/combustibil

Page 180: Curs Motoare

PARTEA I – COMBUSTIBILI ALTERNATIVI

180

Figura 2.19 Controlul calitativ al sarcinii

Munca actuală şi de vii8.8.4.3 tor udi,

experi ermiţând o

durată ultatele iniţiale arată

a flăcă

ii în cilindru la motorul Audi au fost făcute pentru a

tem

[1] g in waterstofverbrandingsmotoren -

[2] B., Heck R.M., and Poles T.C. PremairR catalyst system – a new

[3] , UK edition, 2002.

int/.

Se prevede a evalua eficacitatea strategiei injecţiei târzii pe motorul A

mente iniţiale au fost făcute folosind 2 injectoare în loc de unul, p

mai scurtă a injecţiei şi o injecţie mai târzie. Rez

posibilitatea folosirii unor amestecuri mai bogate fără a exista procesul de întoarcere

rii, în special la turaţii mai mari.

Măsurători ale presiun

obţine date la diferite turaţii (la motorul CFR nu se puteau obţine)

Se prevăd schimbări la standul de încercare prin care să se prevadă un sis

de recirculare a gazelor arse (RGA) şi un compresor.

Bibliografie

Verhelst S. Onderzoek naar de verbrandin

A Study of the Combustion in Hidrogen-Fuelled Internal Combustion Engines.

PhD thesis, Ghent University, 2005.

Hoke J.

approach to cleaning the air. SAE, paper nr 1999-01-3677, 1999.

Rifkin J. The hidrogen economy. Polity Press

[4] United Nations Framework Convention on Climate Change, http://unfccc.

Page 181: Curs Motoare

Utilizarea hidrogenului la alimentarea MAI

181

[5]

scenario. Int. J. Hidrogen Energy, 28:267–

[6]

[9] New Zealand for use of

[10]

[11]

[12]

http://www.eere.energy.gov/hidrogenandfuelcells/.

[13]

[14] NEDO New Energy and Industrial Technology Development Program,

[15]

ble hidrogen –a research objective for Shell. Int. J. Hidrogen Energy,

ogen

cture, Montreal,

s affecting the acceptance of

[18]

Automotive Congress, paper nr F2004F397,

[19] ,

r 2002-01-0242, 2002.

Barreto L., Makihira A., and Riahi K. The hidrogen economy în the 21st

century: a sustainable development

284, 2003.

Lovins A.B. Twenty hidrogen myths. White paper published at

http://www.rmi.org, 2003. ´

[7] Arnason B. and Sigf´usson T.I. Iceland – a future hidrogen economy. Int. J.

Hidrogen Energy, 25:389–394, 2000.

[8] Dunn S. Hidrogen futures: towards a sustainable energy system. Int. J.

Hidrogen Energy, 27:235–264, 2002.

Kruger P., Blakeley J., and Leaver J. Potential in

hidrogen as a tranportation fuel. Int. J. Hidrogen Energy, 28:795–802, 2003.

Cherry R.S. A hidrogen utopia? Int. J. Hidrogen Energy, 29:125–129, 2004.

State of the union address of the president to the joint session of

congress,January 28, 2003, USA.

Hidrogen, Fuel Cells & Infrastructure Technologies Program,

The European Hidrogen and Fuel Cell Technology Platform,

http://www.HFPeurope.org.

http://www.nedo.go.jp/english/.

Gosselink J.W. Pathways to a more sustainable production of energy:

sustaina

27:1125–1129, 2002. 35

[16] Segal L. Transition infrastructure for hidrogen fuel. 14th World Hidr

Energy Conference, plenary session on hidrogen infrastru

June 2002.

[17] Schulte I., Hart D., and van der Vorst R. Issue

hidrogen fuel. Int. J. Hidrogen Energy, 29:677–685, 2004.

Kazuyukin. et al. Study on fuel cell poisoning resulting from hidrogen fuel

containing impurities. Fisita World

2004.

Tang X. et al. Ford P2000 hidrogen engine dynamometer development. SAE

paper n

Page 182: Curs Motoare

PARTEA I – COMBUSTIBILI ALTERNATIVI

182

[20] Akagawa H. et al. Development of hidrogen injection clean engine. 15th World

Hydrogen Energy Conference, paper nr 28J-05, Yokohama, Japan, July 2004.

Lutz A.

[21] E., Larson R.S., and Keller J.O. Thermodynamic comparison of fuel

[22] .

Hidrog 3, 1990.

on. Int. J. Hidrogen Energy, 21:703–715, 1996.

gy,

4th

ed paper, Montreal, Canada, 2002.

h IECEC

ural application. Int. J. Hidrogen Energy, 27:479–487, 2002.

mbustion engine group,

King’s College, London, UK, 1980.

[29] Berckm¨uller M. et al. Potentials of a charged SI-hidrogen engine. SAE, paper

nr 2003-01-3210, 2003.

0] Stockhausen W.F. et al. Ford P2000 hidrogen engine design and vehicle

development program. SAE, paper nr 2002-01-0240, 2002.

1] Swain M.R., Swain M.N., and Adt R.R. Consideration in the design of an in

expensive hidrogen-fueled engine. SAE, paper nr 881630, 1988.

[32] Project Coordinator Motor Vehicles and Road Transport, T UV Rheinland e.V.

for the Federal Ministry for Research and Technology. Alternative energy

sources for road transport -hidrogen drive test. Technical report, T UV

Rheînland, 1990.

[33] Kondo T., Iio S., and Hiruma M. A study on the mechanism of backfire in

external Mixture formation hidrogen gines –about back fire occurred by the

cause of the spark plug–. SAE, paper nr 971704, 1997.

cells to the Carnot cycle. Int. J. Hidrogen Energy, 27:1103–1111, 2002.

Das L.M. Hidrogen engines: a view of the past and a look into the future. Int. J

en Energy, 15:425–44

[23] DasL.M. Hidrogen-oxygen reaction mechanism and its implication to hidrogen

engine combusti

[24] KarimG.A. Hidrogen as a spark ignition engine fuel. Int. J. Hidrogen Ener

28:569– 577, 2003.

[25] Bardon M.F. and Haycock R.G. The hidrogen research of R.O. King. 1

World Hidrogen Energy Conference, invit

[26] MacCarleyC.A. A study of factors influencing thermally induced back firing in

hidrogen fuelled engines, and methods for backfire control. 16t

conference, Atlanta, USA, 1981.

[27] Das L.M. Near-term introduction of hidrogen engines for automotive and

agricult

[28] LucasG.G. andMorrisL.E. The back fire problem of the hidrogen engine.

Symposium organized by the university’s internal co

[3

[3

en

Page 183: Curs Motoare

Utilizarea hidrogenului la alimentarea MAI

183

[34] Swain M.R.,SchadeG.J.,and Swain M.N. Design and testing of a dedicated

hidrogen fueled engine. SAE, paper nr 961077, 1996.

5] KoyanagiK.,HirumaM.,and FuruhamaS. Study on mechanism of back fire in

hidrogen engines. SAE, paper nr 942035, 1994.

6] Lee J.T., Kim Y.Y., Lee C.W., and Caton J.A. An investigation of a cause of

backfire and its control due to crevice volumes în a hidrogen fueled engine.

USA, 2000.

[37] Lee S.J., Yi H.S., and Kim E.S. Com stion characteristics of intake port

injection type hidrogen fueled engine Int. J. Hidrogen Energy, 20:317–322,

1995.

[38] Heywood J.B. Internal Combustion Engine Fundamentals. McGraw-Hill, 1988.

[39] Jorach R.W. Low nitrogen oxide emission combined with high power density

by using the hidrogen combustion m with advanced internal micuture

formation. MTZ Worldwide, 58-4:5–8, 1997.

0] Jing-Ding L., Ying-Qing L., and Tian-Shen D. Improvement on the combustion

of a hidrogen fueled engine. Int. J. Hidrogen Energy, 11:661–668, 1986.

1] Natkin R.J. et al. Hidrogen IC engine boosting performance and NOx study.

SAE, paper nr 2003-01-0631, 2003.

2] Binder K. and Withalm G. Mixture formation and combustion in hidrogen

engine using hidrogen storage technology. Int. J. Hidrogen Energy, 7:651–659,

1982.

3] Li H. and Karim G.A. Knock in spark ignition hidrogen engines. Int. J. Hidrogen

ergy, 29:859–865, 2004.

4] Heffel J.W., Johnson D.C., and Shelby C. Hidrogen powered Shelby Cobra:

vehicle conversion. SAE, paper nr 2001-01-2530, 2001.

[45] Smith J.R., Aceves S., and Van Blarigan P. Series hybrid vehicle and

optimized hidrogen engine design. SAE, paper nr 9

[46] Li H. and Karim G.A. Hidrogen fuelled spark ignition engines: pr

ex-perimental performance. ASME Spring Technical Conference, paper nr

.

Olavson L.G., Baker N.R., Lynch F.E., and Meija L.C. Hidrogen fuel for

underground mining machinery. SAE, paper nr 840233, 1984.

[3

[3

ASME Spring Technical Conference, paper nr 2000-ICE-284, San Antonio,

bu

.

ethod

[4

[4

[4

[4

En

[4

51955, 1995.

edictive and

ICES2003-548, Salzburg, Austria, 2003

[47]

Page 184: Curs Motoare

PARTEA I – COMBUSTIBILI ALTERNATIVI

184

[48] Davidson D., Fairlie M., and Stuart A.E. Development of a hidrogen-fuelled

[53]

d passenger automobile. SAE,

designed for single speed/power operation. SAE, paper nr 961690, 1996.

[59]

combustion proces. Fisita World Automotive Congress, paper

nr F2004V113, Barcelona, Spain, 2004.

farm tractor. Int. J. Hidrogen Energy, 11:39–42, 1986.

[49] Heffel J. W.,Mc Clanahan M.N.,and Norbeck J.M. Electronic fuel injection for

hidrogen fueled internal combustion engines. SAE, paper nr 981924, 1998.

[50] Meier F. et al. Cycle-resolved hidrogen flame speed measurement with high-

speed Schlieren technique in a hidrogen direct injection SI engine. SAE, paper

nr 942036, 1994.

[51] Furuhama S. Problems of forecasting the future of advanced engines and

engine characteristics of the hydrogen injection with LH2 tank and pump.

Journal of Engineering for Gas Turbines and Power, 119:227–242, 1997.

[52] Guo L.S., Lu H.B., and Li J.D. A hydrogen injection system with solenoid

valves for a four-cylinder hidrogen-fuelled engine. Int. J. Hydrogen Energy,

24:377–382, 1999.

Kim J.M., Kim Y.T., Lee J.T., and Lee S.Y. Performance characteristics of

hidrogen fueled engine with the direct injection and spark ignition system.

SAE,paper nr952498, 1995.

[54] Yi H.S., Min K., and Kim E.S. The optimized mixture formation for hydrogen

fuelled engines. Int. J. Hidrogen Energy, 25:685–690, 2000.

[55] Peschka W. and Escher W.J.D. Germany’s contribution to the demonstrated

technical feasibility of the liquid-hydrogen fuele

paper nr 931812, 1993.

[56] RottengruberH.etal. A high-efficient combustion concept for direct injection

hidrogen internal combustion engine. 15th World Hidrogen Energy

Conference, paper nr28J-01, Yokohama, Japan, 2004.

[57] Heffel J.W. NOx emission reduction în a hidrogen fuelled internal combustion

engine at 3000 rpm using exhaust gas recirculation. Int. J. Hidrogen Energy,

28:1285–1292, 2003.

[58] Van BlariganP. Development of a hydrogen fueled internal combustion engine

Aceves S.M. and Smith J.R. Hybrid and convenţional hidrogen engine vehicles

that meet EZEV emissions. SAE, paper nr 970290, 1997.

[60] GerbigF.et al. Potentials of the hydrogen combustion engine with innovative

hidrogen specific

Page 185: Curs Motoare

Utilizarea hidrogenului la alimentarea MAI

185

[61]

bustion Science

Theoretical

charged hidrogen engine. Int. J. Hidrogen

tructure and speed în spark-ignition engines. 19th

ymp. es 1451–1466, 1982.

as a zero-emission, high-efficiency fuel: uniqueness,

Int. Conf. ICE97, Internal combustion engines:

, Naples, Italy, 1997.

7]

premixed lean gasoline-hidrogen-air mixtures. 14th

eal, Canada, 2002.

eled reciprocating engine as an automotive prime

tive Congress, paper nr F98T/P693, Paris,

ats M., and V´itek O. Application of advanced

simulation methods ans their combination with experiments to modeling

ngine emission potentials. SAE, paper nr 2002-01-0373,

n on the

structure in premixed charges. SAE, paper nr 850345, 1985.

[73] Warnatz J., Maas U., and Dibble R.W. Combustion. Springer, 1996.

DeLuchi M.A. Hidrogen vehicles: an evaluation of fuel storage, performance,

safety, environmental impacts, and cost. Int. J. Hidrogen Energy, 14:81–130,

1989.

[62] Strebig K.C. and Waytulonis R.W. The bureau of mines’ hidrogen powered

mine vehicle. SAE, paper nr 871678, 1987.

[63] Fagelson J.J., McLean W.J., and de Boer P.C.T. Performance and NOx

emissions of spark-ignited combustion engines using alternative fuels — quasi

one-dimensional modeling. I. hidrogen fueled engines. Com

and Technology, 18:47–57, 1978.

[64] Prabhu-Kumar G.P., Nagalingam B., and Gopalakrishnan K.V.

studies of a spark-ignited super

Energy, 10:389–397, 1985.

[65] Keck J.C. Turbulent flame s

S (Int.) on Combustion, pag

[66] Johnson N.L. Hidrogen

experiments and simulation. 3rd

experiments and modelîng

[6 Fontana G., Galloni E., Jannelli E., and Minutillo M. Numerical modeling of a

spark ignition engine using

World Hydrogen Energy Conference, Montr

[68] Tak´ats M. et al. Hidrogen fu

mover? Fisita World Automo

France, 1998.

[69] Pol´a.sek M., Macek J., Tak´

ofhidrogenfueled e

2002.

[70] MaJ.,SuY.,ZhouY., and Zhang Z. Simulation and predictio

performance of a vehicle’s hidrogen engine. Int. J. Hidrogen Energy, 28:77–83,

2003.

[71] Turns S.R. An Introduction to Combustion. McGraw-Hill, 2000.

[72] AbrahamJ.,Williams F.A., and BraccoF.V.A discussion of turbulent flame

Page 186: Curs Motoare

PARTEA I – COMBUSTIBILI ALTERNATIVI

186

[74] Gaseq, http://www.c.morley.ukgateway.net/.

[75] Heywood J.B. and Vilchis F.R. Comparison of flame development in a spark-

ignition Engine fueled with propane and hidrogen. Combustion Science and

7]

8] Sierens R.and Rosseel E. Back fire mechanism in a carburetted hidrogen

12th World Hidrogen Energy Conference, pages 1537–1546,

idrogen engine. SAE,paper nr

ns R.Greenbus: a hidrogen fuelled citybus. Int. J.

fficiency and decreased emissions. Journal of

Engineering for Gas Turbines and Power, 122:135–140, 2000.

rating motor fuels by motor and research methods.

Technology,38:313– 324, 1984.

[76] Sierens R. Installation and first experimental results of a hidrogen fuelled

engine. 9th World Hidrogen Energy Conference, pages 31–40(Addendum),

1992.

[7 Sierens R.and Rosseel E. The computation of the apparent heat release for a

hidrogen fuelled engine. ASME Fall Technical Conference, ICE 27-3:99–108,

1996.

[7

fuelled engine.

Buenos Aires, 1998.

[79] Rosseel E.and Sierens R .Knockd etection in a h

970039, 1997.

[80] Sierens R. and Rosseel E. Sequential injection of gaseous fuels. 5th EAEC

European Automotive Congress, paper nr SIA 9506A03, 1992.

[81] Vandenborre H.and Siere

Hidrogen Energy, 21-6:521–524, 1996.

[82] Sierens R. and Rosseel E. Variable composition hidrogen/natural gas mixtures

for increased engine e

[83] ASTM. ASTM manual for

1964.

[84] Brunt M.F.J. and Pond C.R. Evaluation of techniques for absolute cylinder

pressure correction. SAE, paper nr 970036, 1997.

Page 187: Curs Motoare

Poluarea mediului ambiant

187

EVALUAREA IMPACTULUI ASUPRA MEDIULUI

PARTEA A-II-A -

Page 188: Curs Motoare

PARTEA II – EVALUAREA IMPACTULUI ASUPRA MEDIULUI

188

Autori: Corneliu COFARU

Anghel CHIRU

9. POLUAREA MEDIULUI AMBIANT

9.1. POLUAREA AERULUI Activitatea umană generează emisia a numeroşi poluanţi gazoşi în atmosferă.

În societatea modernă industrială într-o economie globalizată mobilitatea este un

factor de prim ordin. Transportul de suprafaţă asigură mobilitatea a mai mult de 90%

e rata de creştere a traficului motorizat

avut factorul 100, şi încă are tendinţă de creştere. Creşterea traficului motorizat a

creşterea populaţiei, iar pe de altă parte de

de dioxid de carbon contribuie la efectul de seră cu

Alte surse evaluează

din transportul de pasageri (pasager x km) şi peste 40% din totalul mărfurilor

transportate (tone x km). Mijloacele de transport folosite utilizează motoare

alimentate cu combustibili fosili. În ultimul secol rata de creştere a populaţiei a fost

caracterizată de un factor egal cu 4, în timp c

a

fost determinat pe de o parte de

industrializarea şi motorizarea ţărilor în curs de dezvoltare, de distribuţia globală a

producţiei industriale, de inovaţiile tehnologice şi de creşterea continuă a schimburilor

comerciale internaţionale.

Mijloacele de transport contribuie la poluarea globală a mediului înconjurător

(aer, sol, apă) cu o serie de poluanţi primari cum ar fi: monoxidul de carbon(CO),

oxizi de azot (NOx) hidrocarburi (HC), particule (PM) şi contribuie cu precursori la

formarea poluanţilor secundari (ozon troposferic, smog fotochimic, particule şi ploi

acide). De asemenea emisiile

efectul bine cunoscut de încălzire globală a atmosferei. Emisiile de zgomot şi vibraţii

vin să agraveze efectele datorate emisiilor chimice.

Pentru a evalua contribuţia traficului rutier asupra emisiilor gazelor cu efect de

seră, a precursorilor ozonului şi a particulelor sub formă de aerosoli trebuie să se

stabilească un cadru de referinţă pentru a putea realiza comparaţia. Mulţi compuşi

atmosferici pot avea surse naturale, iar alţi compuşi se pot forma prin reacţii chimice

între diferite specii precursoare (ex. CO) dar tot atât de bine sursa poate fi traficul

rutier. În anul 1996 Agenţia Internaţională a Energiei stabilea că traficul rutier

contribuie cu 11% din emisiile gazelor cu efect de seră.

contribuţia combustibililor fosili la emisiile poluante la 80% pentru NO şi 43% pentru

CO.

Page 189: Curs Motoare

Poluarea mediului ambiant

189

În ţările industrializate contribuţia traficului rutier la poluare este mai ridicată,

ia la nivelul anului 1999 contribuţia transportului la emisiile

îmbunătăţirile tehnologice aduse autovehiculelor, combustibililor,

număr de poluanţi iar studiile efectuate la nivel

erna

oluanţi asupra sănătăţii umane,

unt:

- oxidul de carbon (CO);

c (As);

nic cu combustibil lichid sau cărbune şi industria).

lf. Reglementări relativ recente au limitat drastic

spre exemplu în German

totale era de 21% pentru CO2, 61% pentru NO, 52% pentru compuşi organici volatili

şi 20% pentru aerosoli.

Cu toate

infrastructurii rutiere şi managementului traficului rutier, contribuţia acestuia la

poluarea globală rămâne importantă.

Autovehiculele emit un mare

int ţional permit cuantificarea poluanţilor emişi de traficul rutier.

Datorită riscurilor reprezentate de diferiţii p

pentru faună şi floră, s-au adoptat reglementări naţionale şi internaţionale care

specifică valorile limită ale concentraţiilor poluanţilor atmosferici.

În Europa reglementările prevăd limite pentru şapte poluanţi atmosferici (OMS

recomandă limitarea a 28 de poluanţi dăunători sănătăţii) care s

- dioxidul de sulf (SO2);

- particulele în suspensie (PM10);

- plumb (Pb);

- dioxidul de azot (NO2);

- ozonul (O3);

- benzenul (C6H6);

La nivel european se poartă tratative să se reglementeze şi emisia în

atmosferă a următorilor poluanţi:

- hidrocarburi aromatice policiclice;

- cadmiu (Cd);

- arseni

- nichel (Ni);

- mercur (Hg);

9.1.1. Dioxidul de sulf Emisiile de SO2 provin în special din instalaţiile care ard combustibili fosili

(încălzitul cas

O lungă perioadă de timp vehiculele dotate cu motoare diesel au contribuit la

poluarea atmosferei cu dioxid de su

Page 190: Curs Motoare

PARTEA II – EVALUAREA IMPACTULUI ASUPRA MEDIULUI

190

co tul de sulf din motorina utilizată drept combustibil în transporturi. Astfel

participarea traficului rutier la poluarea globală cu dioxid de sulf a scăzut simţitor.

În consecinţă, luarea în considerare a acestui poluant la studiile de mediu

privind o infrastructură rutieră se va limita la evidenţierea surselor industriale

emiţătoare şi că valorile cumulate pot atinge valorile limită sau le pot d

nţinu

epăşi.

ajor al ploilor acide care contribuie la

ndul lor la acidificarea solului, apelor, accelerează coroziunea clădirilor şi

c vizibilitatea atmosferică.

ănătăţii prin

men mai

icătur

loare închisă ca să fie observate ca funingine sau fum.

ltele sunt atât de mici că pot fi detectate numai cu un microscop electronic.

dimensiuni mai mici de 2,5 µm (PM2,5) şi ele au ca origine

e şi măcinare precum şi de antrenarea prafului de vânt.

Concentraţii înalte de SO2 pot altera funcţiile respiratorii pentru copiii şi adulţii

bolnavi de astm. Expunerea îndelungată la SO2 asociată cu un nivel ridicat de

particule în suspensie poate altera funcţiile plămânilor şi agrava bolile

cardiovasculare existente.

Emisiile de SO2 constituie un precursor m

monumentelor şi redu

9.1.2. Oxizii de azot Mai mult de jumătate din emisiile de oxizi de azot se datorează traficului rutier,

restul fiind datorat instalaţiilor de încălzire şi industriei.

Dioxidul de azot este recunoscut pentru impactul negativ asupra s

afectarea căilor respiratorii. Efectele asupra faunei sau florei nu sunt identificate cu

claritate. Oxizii de azot intervin însă la formarea ozonului de suprafaţă, feno

important în mediul interurban.

Oxizii de azot contribuie de asemenea la formarea ploilor acide, la acidificarea

apelor dulci şi a celor costiere şi la creşterea nivelului de toxine din corpul peştilor şi

a altor vieţuitoare acvatice.

1.1.3. Particule în suspensie Termenul de particule este utilizat pentru un amestec de particule solide şi

p i lichide care se găsesc în suspensie în atmosferă. O serie de particule sunt

de dimensiuni mari sau au cu

A

Particulele “fine” au

arderea în motoarele autovehiculelor, instalaţiile energetice, instalaţiile industriale

precum şi instalaţiile de încălzit casnice. Particulele cu dimensiuni mai mici de 10 µm

(PM10) sunt generate de traficul pe străzi nepavate, la manipularea unor materiale,

la operaţiile de sfărâmar

Page 191: Curs Motoare

Poluarea mediului ambiant

191

Anumite particule sunt emise direct de la sursă, coşuri sau eşapamentul

autovehiculelor. În alte cazuri, gazele cum ar fi oxidul de sulf, SO2, NOx şi compuşii

solane agravează bolile sistemului respirator cum ar fi astmul. Inhalarea

Dintre autovehicule, cele dotate cu motoare diesel sunt socotite ca principale

substanţe toxice cum ar fi

prafaţă este un poluant secundar care se formează prin reacţiile

nici volatili au drept sursă emitentă autovehiculele, fabricile chimice,

finăr

idului de azot în gazele de evacuare ale

piere a unei

frastructuri rutiere are un nivel cu mult inferior valorilor limită.

se pot găsi în aglomeraţii urbane, în zonele cu

organici volatili, interacţionează cu alţi compuşi aflaţi în aer şi formează particule fine.

Compoziţia chimică şi fizică a particulelor variază în funcţie de locaţia geografică,

anotimp şi vreme.

Particulele fine şi grosolane pot fi inhalate şi pot fi acumulate în sistemul

respirator putând da numeroase efecte negative asupra sănătăţii. Expunerea la

particule gro

particulelor fine conduce la descreşterea funcţiilor plămânilor şi poate produce

moartea prematură.

Particulele, pe lângă problemele de sănătate pe care le induc, determină şi o

reducere a vizibilităţii în multe regiuni. Particulele formate în atmosferă pot determina

deteriorarea picturilor şi a materialelor clădirilor.

surse emitente de particule (funingine) care conţin

metalele grele şi hidrocarburile.

9.1.4. Ozonul

Ozonul de su

dintre NOx şi compuşii organici volatili în prezenţa căldurii şi radiaţiei solare. Oxizii de

azot sunt emişi de către autovehicule, instalaţii energetice şi alte surse de ardere iar

compuşii orga

ra iile, fabricile, produse comerciale şi alte surse industriale.

Formarea ozonului este un mecanism foarte complex în care intervin numeroşi

parametri chimici şi climaterici care îngreunează stabilirea cu certitudine a implicării

diferitelor surse.

Se cunoaşte că prezenţa monox

autovehiculelor limitează formarea ozonului (NO reacţionează cu ozonul pentru a

forma NO2). Aşa se explică că nivelul de ozon măsurat în imediata apro

in

Nivele mai ridicate de ozon

trafic uşor şi la periferia oraşelor, deoarece ozonul şi precursorii poluanţi formării

Page 192: Curs Motoare

PARTEA II – EVALUAREA IMPACTULUI ASUPRA MEDIULUI

192

ozonului pot fi transportaţi la distanţe mari. Deci, o autostradă este susceptibilă de a

tri distanţă.

caracter regional. Expunerile pe termen scurt (1 – 3

re) şi

ozon sunt reducerea funcţiilor

ricole şi forestiere. Ozonul de suprafaţă distruge frunzele pomilor şi ale

estetică şi ornamentală a pomilor precum şi

erea incompletă a combustibilului în motoarele

emisii de CO şi poate

tovehiculelor. Vârfurile concentraţiilor de CO în

culelor sunt mai mari.

dul de carbon are serioase efecte asupra sănătăţii umane, el pătrunde

lelor se combină cu hemoglobina formând un compus

e CO poate

nătatea indivizilor este afectată apărând manifestări ca:

xpunere pot conduce la decesul indivizilor.

genera ozon la mai mulţi kilome

Ozonul este un poluant cu

o prelungit (6 – 8 ore) într-o atmosferă ce conţine ozon de suprafaţă pot cauza

creşterea spitalizărilor pentru probleme respiratorii. Expunerile repetate la ozon pot

determina subiecţilor infecţii respiratorii şi / sau agravarea unor boli de plămâni

existente. Alte efecte de sănătate atribuite expunerii la

plămânului, creşterea simptomelor respiratorii ca: dureri de piept şi accese de tuse.

Expunerea pe termen lung la nivele moderate de ozon poate produce

schimbări ireversibile la nivelul plămânilor care pot determina apariţia prematură a

bolilor cronice de plămâni.

Ozonul afectează vegetaţia şi ecosistemele, conducând la reducerea

producţiilor ag

altor plante, distruge valoarea

frumuseţea parcurilor şi spaţiilor de recreere.

9.1.5. Monoxidul de carbon (CO) Monoxidul de carbon (CO) este un gaz incolor şi inodor cu un grad înalt de

nocivitate şi este generat prin ard

autovehiculelor, instalaţiile energetice şi instalaţiile de încălzire casnice.

Traficul rutier este una din principalele surse de

participa cu mai mult de 60% la poluarea globală cu CO. În oraşe, aproximativ 95%

din emisiile de CO sunt datorate au

atmosferă se întâlnesc în lunile reci ale anului când emisiile de CO ale

autovehi

Monoxi

în plămâni unde la nivelul celu

stabil numit carboxihemoglobină care nu este capabil de a transporta oxigenul la

nivelul organelor şi ţesuturilor. Expunerea chiar la concentraţii reduse d

afecta grav persoanele cu afecţiuni cardiovasculare cum ar fi angina pectorală. La

expuneri mai serioase, să

reducerea acuităţii vizuale, reducerea capacităţii de muncă, reducerea dexterităţii

manuale, abilitatea de a învăţa scade, apar dificultăţi de îndeplinire a sarcinilor.

Nivelele înalte de e

Page 193: Curs Motoare

Poluarea mediului ambiant

193

Concentraţii ridicate de CO se măsoară în vecinătatea infrastructurii rutiere; pe

ţiile scad prin transformare în CO2.

oliere şi se

ât orine zate la alimentarea motoarelor

ui chiar în cazul în care

nz ce onstrează formarea lui în timpul

activităţi industriale. Benzenul este

ţ .

ă la ii a concentraţie şi timp de

vi d Alte efecte asupra sănătăţii

ot fi: distrugerea sistemului imunitar, neurologic şi reproductiv, efecte care se

us pe sol sau pe suprafaţa apelor poate avea un

lui; ca şi oamenii, animalele pot avea probleme de

la care au fost expuse.

o tibilii auto la 0.8% volumic printr-

ite de particulele aflate în suspensie în

aromatice

licic

măsură ce distanţa creşte, concentra

9.1.6. Benzenul (C6H6) Benzenul este un constituent de origine al produselor petr

regăseşte atât în benzinele c şi în mot le utili

autovehiculelor.

Analiza gazelor de evacuare arată prezenţa benzenul

combustibilul nu a conţinut be en, ea ce dem

proceselor ce au loc în motor.

Emisiile de bezen apar şi de la alte

clasificat de OMS printre substan ele cancerigene

Populaţia expus emis le de benzen de o numită

expunere are şanse mărite de a se îmbolnă e cancer.

p

dezvoltă încet în timp, după luni şi ani de la expunerea iniţială.

Benzenul din aer, dep

puternic impact asupra mediu

sănătate în timp, dacă au fost ridicate concentraţiile

Prezenţa benzenului a fost limitată în c mbus

o directivă CEE în anul 2000.

9.1.7. Hidrocarburile aromatice policiclice Această categorie de hidrocarburi grupează substanţe constituite din 2 până la

6 cicluri aromatice juxtapuse. Dacă numărul de cicluri este până la 3, hidrocarburile

aromatice policiclice sunt considerate uşoare, dacă numărul ciclurilor este mai mare

de 4 atunci ele sunt considerate grele, prezentând caracteristici fizico-chimice şi

toxicologice diferite.

Hidrocarburile aromatice sunt absorb

atmosferă (îndeosebi de particulele emise de motoarele diesel).

În mediul urban principalele surse de emisie ale hidrocarburilor

po lice sunt autovehiculele.

O mare parte din substanţele din această categorie au un puternic caracter

cancerigen.

Page 194: Curs Motoare

PARTEA II – EVALUAREA IMPACTULUI ASUPRA MEDIULUI

194

Nivelul de concentraţie al acestor substanţe nu este încă legiferat şi sistemul

de monitorizare este slab dezvoltat.

În mediul urban, prezenţa, conţinutul şi impactul hidrocarburilor aromatice

licic

utier, există posibilităţi de calcul şi de determinare

nţa lor la formarea ozonului de suprafaţă.

uia principala sursă de emisii de plumb. La ora

entraţii ridicate de Pb se găsesc în apropierea

ilor de baterii.

La studiile de impact trebuie să se ţină seama de fenomenul bioacumulării în

plante şi sol şi trebuie dete a stării iniţiale.

Expunerea l în inhalarea lui din aer, prin

ea alimen plumb sau, prin praf, apă ş e

oase şi ţ cipal ficatul, sistemul nervos şi alte

ivă la plumb poate determina deteriorări neurologice ca:

tardare ulburări ntale

i de învăţare şi o reducere a gradului de inteligenţă.

tru proprietăţile fizice, chimice şi

electrochimice la fabricarea aliajelor metalice, acumulatoarelor nichel – cadmiu, a

po lice asupra florei şi faunei încă fac obiectul unor cercetări. Progresul ştiinţific

rapid va permite într-un viitor apropiat luarea în considerare a hidrocarburilor

aromatice policiclice la întocmirea studiilor de mediu, luând în considerare condiţiile

de conservare ale resurselor naturale regenerabile (faună, floră, sol).

În ceea ce priveşte traficul r

a totalului hidrocarburilor nemetanice. În acest caz, la întocmirea studiilor de impact

asupra mediului înconjurător ale traficului rutier, este corect să se ia în considerare

totalul hidrocarburilor nemetanice, având în vedere reglementările în vigoare şi

influe

9.1.8. Plumbul (Pb) În trecut, traficul rutier constit

actuală, datorită eforturilor de eliminare din benzină a adiţiunilor pe bază de plumb,

concentraţiile medii anuale ale emisiilor de Pb se situează sub cifra de 0.5 µg / m3,

fixată de normele europene. Conc

turnătoriilor de metale feroase şi neferoase şi a producător

rminat conţinutul de Pb la stabilire

la plumb poate avea loc în principa

ingerar telor cu i sol. Plumbul s acumulează în

sânge, esuturi. El poate afecta în prin

organe. Expunerea exces

acces, re mentală, t comportame .

În cazul unor expuneri la doze reduse, apar deteriorări ale sistemului nervos al

fetusului iar la copii apar dificultăţ

Plumbul se poate depozita în frunzele vegetaţiei şi pe sol, ceea ce va conduce

la intrarea sa în lanţul trofic.

9.1.9. Cadmiul (Cd) Cadmiul şi sărurile sale sunt utilizate pen

Page 195: Curs Motoare

Poluarea mediului ambiant

195

pigmenţilor, a stabilizanţilor sau coloranţilor pentru materiale plastice şi pentru

tratamentul suprafeţelor.

Principalele surse sunt legate de arderea gunoiului menajer sau activităţi

buie să se analizeze concentraţiile de cadmiu pentru că acesta

Nivelul concentraţiei de zinc din atmosferă va fi reglementat în viitor. Zincul

este prezent în apele care se scurg de pe infrastructura rutieră şi în solul apropiat

industriale (metalurgie, rafinarea zincului) şi agricole (aplicarea de amendamente).

În comparaţie cu alte surse, automobilul emite foarte puţin cadmiu. El se

găseşte în aditivii lubrifianţilor şi în pneuri. Pentru studiile de mediu în localităţi,

cadmiul produs de traficul rutier nu prezintă interes. În cazul studiilor de mediu pentru

ariile interurbane tre

se acumulează în plante şi poate constitui un pericol pentru om dacă plantele sunt

alimentare.

La ora actuală sunt cercetări care vizează determinarea zonei de influenţă a

infrastructurii rutiere precum şi conţinutul de cadmiu din sol şi vegetaţie datorat

traficului rutier. Rezultate preliminare au arătat că nivelul de poluare datorat traficului

se situează la valori minime. Rămâne ca să se urmărească în viitor nivelul de cadmiu

din sol datorită pericolelor care le prezintă acest metal.

9.1.10. Arsenicul (As), nichelul (Ni) şi mercurul (Hg) La studiile de impact aferente traficului rutier aceste elemente nu vor fi luate în

considerare pentru că ele nu sunt emise în gazele de evacuare ale autovehiculelor şi

nici prin uzura pieselor.

9.1.11. Zincul (Zn)

infrastructurii.

Emisiile de zinc pe infrastructura rutieră şi în zona acesteia se datorează

pierderilor de lubrifiant şi eroziunii glisierelor infrastructurii rutiere. Zincul se poate

găsi şi în gazele de evacuare ale autovehiculelor, sub formă de particule. Sunt în

curs cercetări pentru a se stabili responsabilitatea autovehiculelor la concentraţiile de

zinc în zona de influenţă a infrastructurii.

Concentraţiile de zinc din zona infrastructurii rutiere scot în evidenţă că şi

originea celorlalte metale sunt autovehiculele şi echipamentele străzilor.

Page 196: Curs Motoare

PARTEA II – EVALUAREA IMPACTULUI ASUPRA MEDIULUI

196

9.1.12. Dioxidul de carbon (CO2) Dioxidul de carbon nu are un impact direct asupra calităţii aerului şi nici asupra

nătă

Prin poluare fotochimică se înţelege un amestec complex de poluanţi formaţi

chimic în atmosferă sub efectul radiaţiei solare cu lungime de undă scurtă, pornind

li şi monoxid de carbon).

n atmosferă

ţie cu ozonul stratorsferic:

până l

zonul format în troposferă are ca origine geneza oxigenului atomic, ca

rezultat al disociaţiei dioxidului de azot sub efectul radiaţiei ultraviolete.

Poluarea fotochimică (smogul fotochimic) poate fi explicată printr-o serie de

reacţii chimice înlănţuite.

să ţii umane. El intervine în efectul de seră, prin care planeta se încălzeşte.

9.1.13. Alte tipuri de poluare

9.1.13.1. Poluarea fotochimică

de la precursori emişi de surse naturale sau datorate activităţilor umane (oxizi de

azot, compuşi organici volati

Principalul poluant fotochimic este ozonul, care în procesul de apariţie este

însoţit şi de alte substanţe cu proprietăţi acide sau oxidante, cum ar fi: aldehidele,

compuşii organici nitraţi, acidul nitric, apa oxigenată. Acest tip de poluare este

cunoscut şi sub alte denumiri: smog fotochimic, smog de Los Angeles, smog de vară,

ceaţă oxidantă. Ozonul astfel format se acumulează în păturile joase ale atmosferei.

Repartiţia ozonului î

Ozonul stratosferic este rezultatul acţiunii razelor ultraviolete asupra oxigenului

molecular. El prezintă o concentraţie maximă la o altitudine de aproximativ 25 km.

Ozonul format în păturile joase ale atmosferei (troposferă) cuprinse între

suprafaţa Pământului şi o altitudine de 7 până la 12 km prezintă alte caracteristici în

compara

- concentraţia ozonului de suprafaţă este mai mică, el reprezentând

aproximativ 10 % din totalul de ozon existent în atmosferă;

- în regiunile industrializate, pe timpul verii, nivelul de ozon poate creşte cu

a 10 ori faţă de fondul natural;

- nivelul fondului de ozon s-a dublat în emisfera nordică datorită activităţilor

umane;

Formarea poluării fotochimice

O

Page 197: Curs Motoare

Poluarea mediului ambiant

197

Substanţele precursoare sunt hidrocarburile, oxizii de azot, şi monoxidul de

carbon. Smogul fotochimic are trei componente: ozonul (O3), aldehidele şi

peroxinitratul acil.

1. NO + H2O → NO2 + OH

2. NO2 + hnν → NO + O

3. O + O2 → O3

4. O3 + NO → NO2 + O2

5. O3 + CmHn → RCHO + RCO2

6. O + NO2 → NO + O2

7. O + CmHn → R + RCHO

8. R + O2 → RO2

9. RO2 + NO → RO + NO2

10. RO → R + O

11. RO + NO2 → RONO2

12. RCO2 + NO → NO2 + RCO

13. RCO + NO2 + O2 → RCO 3NO2

Reacţi

NO + OH → NO2 + H

compuşilor

organi

ile 2, 3, 4 sunt rapide şi la echilibru formarea ozonului depinde de raportul

NO2/NO şi de radiaţia solară.

hnν

O3 + H2O → 2OH + O2

CO + OH → COOH

Formarea ozonului începe în cantităţi mici dar ea creşte prin existenţa

proceselor adiţionale capabile să regenereze NO2 fără a mai trece prin reacţia 4.

Aceasta se realizează datorită prezenţei în aer a speciilor oxidante de tipul H2O, RO2,

RCO2 după reacţiile 1, 9 şi 12. Radicalii implicaţi provin din degradarea

ci volatili şi a monoxidului de carbon sub efectul radicalului hidroxil format

pornind de la ozon şi vaporii de apă sub efectul radiaţiei ultraviolete. Schematic,

bilanţul poluării fotochimice este următorul :

COV + NOx + CO + hnν → O3 + peroxinitratul acil + aldehide +

acid nitric + apă oxigenată.

Page 198: Curs Motoare

PARTEA II – EVALUAREA IMPACTULUI ASUPRA MEDIULUI

198

În general, elementul măsurabil al poluării fotochimice este ozonul.

Fenomenele care intervin în poluarea fotochimică sunt complexe pentru că pot

interveni şi alte gaze emise de trafic şi surse industriale.

or, existând reacţii

are favorizează sau inhibă procesul.

ele izolate şi puţin influenţate de activităţile umane, concentraţiile de

Ox sunt scăzute, prin creşterea conţinutului de compuşi organici volatili (COV),

de az termina intensificarea

de az (în special NO), procesul de formare a ozonului fiind încetinit

O2.

ici volatili

însă o rită transportului

zona urbană

Angel

de ozon (O3) [mg/m3]

O caracteristică importantă a chimiei atmosferice este neliniaritatea. Formarea

ozonului nu este proporţională cu conţinutul iniţial al precursoril

c

În zon

N

formarea tinde să se diminueze. În zonele cu o atmosferă cu conţinut ridicat de oxizi

ot creşterea conţinutului de compuşi organici volatili de

procesului de formare a ozonului.

În zonele urbane şi în proximitatea infrastructurilor rutiere, concentraţia oxizilor

ot este ridicată

datorită excesului de NO care determină desfăşurarea reacţiei : O3 + NO → NO2 +

Traficul rutier este o importantă sursă de NOx şi de compuşi organ

zonul se formează departe de infrastructura rutieră dato

acestor precursori la mari distanţe.

În anumite condiţii, poluarea fotochimică se poate manifesta şi în

cum ar fi condiţii pronunţate anticiclonice, oraşe foarte întinse şi însorite (Los

es, Mexico, Atena, Marsilia).

Concentraţiile de ozon troposferic în Europa sunt :

Tabelul 9.1 Concentraţia de ozon

ConcentraţiaZona Medie Max. pe oră Max. pe 8 ore Max. pe 24

ore Izolată - 20 – 60 - - Rural /

bane 35 – 90 150 – 400 100 – 350 100 – 250 eSuburUrbane 20 – 60 100 – 350 - 50 – 200

Poluarea fotochimică este ciclică şi este legată de var iaţiile zilnice şi sezoniere

le gradului de radiaţie solară.

Ciclul zilnic – în regiunile europene în mediul urban, formarea ozonului

troposferic formează un ciclu care prezintă n maxim al concentraţiei după amiază şi

a

u

Page 199: Curs Motoare

Poluarea mediului ambiant

199

un minim noaptea. În zonele izolate, ni lul de ozon troposferic este mai puţin

fluctuant pe timpul zilei.

Ciclul sezonier – se constată o concentraţie maximă a ozonului troposferic pe

timpul verii în zonele cu emisii puternice ale precursorilor şi un minim pe anotimpul

de iarnă.

Precursorii poluării fotochimice provin din emisii naturale sau activităţi umane

în proporţii variabile regional. În regiunile industrializate sursele naturale de emisii ale

ecursorilor ozonului joacă un rol marginal. Pentru aceste zone, reducerea poluării

tochimice nu se poate obţine decât prin diminuarea precursorilor emişi de către

activităţile umane.

Complexitatea proceselor fotochimice impune utilizarea unor modele de

simulare pentru studierea corectă a relaţiei dintre emisiile de precursori şi formarea

poluanţilor fotochimici. Aceste modele pot fi aplicate la scară locală sau la o scară

mai mare pentru elaborarea unor scenarii de luptă contra poluării fotochimice.

Modelele de simulare servesc la determinarea corectă a participaţiei reale a traficului

rutier la poluarea globală şi pentru a evalua efectele benefice ale introducerii noilor

soluţii tehnologice asupra motoarelor şi carburanţilor precum şi acţiunile întreprinse

pentru gestionarea traficului şi diminuarea emisiilor NOx şi COV.

Introducerea modelării fizico-chimice a atmosferei necesită date detaliate

asupra situaţiei meteorologice şi a emisiilor precursorilor în zona studiată. Rezultatele

unei astfel de modelări nu sunt transferabile spre alte regiuni, deoarece sunt legate

de condiţiile strict specifice regiunii pentru care s-a realizat modelarea. Se apreciază

că în Europa este necesar să se reducă cu aproximativ 50 % emisiile de NOx şi COV

pentru a diminua în mod semnificativ nivelul de ozon.

9.1.13.2. Ploile acide Prin ploi acide sau depuneri acide se înţeleg căderile de compuşi cu caracter

acid rezultaţi din reacţiile atmosferice ale dioxidului de sulf (SO2) şi oxizilor de azot

(NOx) cu apa, oxigenul şi compuşii oxidanţi. Aceşti compuşi cad pe Pământ sau ape

sub formă uscată (gaze sau particule) sau sub formă umedă (ploaie, zăpadă sau

ceaţă). Aceşti compuşi se formează şi sunt transportaţi de curenţii de aer la mari

depărtări de locul de emisie al precursorilor ploilor acide.

ve

pr

fo

Page 200: Curs Motoare

PARTEA II – EVALUAREA IMPACTULUI ASUPRA MEDIULUI

200

Înainte de a cădea pe pământ, SO2 şi NOx precum

i nitraţi) contribuie la înrăutăţirea vizibilităţii atmosferice şi afectează sănătatea

respirator contribuind la

devine un mediu ostil faţă de o serie de peşti şi animale

patrimoniul fiecărei naţiuni.

CĂTRE TRAFICUL RUTIER structurii pot fi poluate de către transportul rutier

upă s

idenţiat că în Europa rata de -1 -1

n volum al traficului zilnic de 50.000 vehicule cum este

in emisii,

Depunerea poluanţilor se poate realiza într-un proces uscat sau

med.

de plumb din compoziţia combustibililor

se acumuleze în pânza freatică.

nici prezenţi în gazele evacuate de autovehicule pot să

ri nearse alifatice şi hidrocarburi poliaromatice ca rezultat

in motor şi de pe traiectul de evacuare. Scurgerile de ulei şi

şi 2,8 g pe milă.

şi particulele acide (sulfaţi

ş

umană. Precursorii ploilor acide afectează sistemul

distrugerea ţesuturilor plămânilor provocând moartea prematură a subiecţilor expuşi.

Ploile acide determină creşterea nivelului de aciditate al solului (deteriorând

vegetaţia) şi a apelor (apa

acvatice). De asemenea, ploile acide contribuie la distrugerea rapidă a clădirilor,

statuilor şi monumentelor care fac parte din

9.2. POLUAREA APELOR DEApele din vecinătatea infra

d chema din figura 1.1

Rata de acumulare a poluanţilor pe suprafaţa infrastructurii rutiere se studiază

având ca parametru bază, particulele de material depuse şi care variază în funcţie de

categoria de drum. Cercetările efectuate au ev

acumulare variază de la un minim de aproximativ 2000 kg.ha .an pentru o densitate

a traficului de 5000 vehicule pe zi valabil pentru o infrastructură rutieră rezidenţială, la

peste 10.000 kg.ha-1.an-1 la u

cazul autostrăzilor.

Poluanţii de pe infrastructura rutieră pot avea o depunere directă d

uzura pieselor vehiculului, scurgeri de lichide (combustibil, ulei, lichide hidraulice de

la diferite sisteme) şi poluarea provenind de lucrările de mentenanţă sezonieră a

infrastructurii rutiere.

u

Datorită eliminării aditivilor pe bază

poluarea cu plumb s-a diminuat considerabil. Este posibil ca aditivii care au înlocuit

plumbul cum ar fi metil terţ butil eter (MTBE) să

Alţi compuşi orga

includă emisii de hidrocarbu

al reacţiilor chimice d

fluide hidraulice în condiţii normale de funcţionare sunt apreciate ca fiind într-un

interval cuprins între 0,2

Page 201: Curs Motoare

Poluarea mediului ambiant

201

Fig.9.1. Schema de poluare a apei de către transportul rutie

r.

ţei asfaltice produce eliberarea de

tral sau este

împrăştiată în zonele adiacente infrastructurii sau este aruncată în cursurile de apă.

Uleiul uzat conţine o serie de metale cum ar fi: Ba,Ca, Mg, Yn, Cu, Fe, Cd şi

Pb. Principalii poluanţi care provin din procesele abrazive şi corozive sunt metale,

particule de polimeri provenind din uzura pneurilor. Procesele de uzură ale pieselor

produc particule metalice, piesele de motor(Cr,Cu, Fe, Mn) lagărele şi bucşe (Pb, Cu

şi Ni).

Au fost identificaţi trei factori care influenţează particulele fine de la suprafaţa

infrastructurii rutiere: vârsta şi condiţia suprafeţei şoselei, condiţiile climatice locale şi

scurgerile de combustibil sau ulei. Uzura suprafe

hidrocarburi aromatice şi ceva metale (Ni) care este asociat la materialele de

construcţii. Marcajele rutiere conţin metale cum ar fi : Cr, Cu, Ti şi Zn. Dacă

marcajele sunt în stare proastă contribuţia acestora la poluare este mică.

În anotimpul rece se execută o serie de lucrări de mentenanţă cum ar fi

curăţarea zăpezii şi a gheţii pentru a menţine condiţii de siguranţă a circulaţiei.

Impactul asupra mediului depinde de zăpada mutată şi dacă acesta este sau nu

asociată cu poluanţi şi dacă este transportată la un depozit local sau cen

Page 202: Curs Motoare

PARTEA II – EVALUAREA IMPACTULUI ASUPRA MEDIULUI

202

Pentru dezgheţ se folosesc agenţi de dejivrare a căror compoziţie depinde de

condiţiile de îngheţare. Aceşti agenţi se pot transforma în anumite condiţii în

substanţe toxice.

Pentru distrugerea vegetaţiei din apropierea infrastructurii se folosesc ierbicidele,

care pot polua . Pentru împrăştierea lor se alege o vreme uscată.

Bibliografie [1] Apostolescu, N., Sfinţeanu, D. - Automobilul cu combustibili neconvenţionali. -

Editura Tehnică, Bucureşti, 1989. ISBN 973-31-0049-8.

[2] Bobescu, Gh.,şa - Tehnici speciale pentru reducerea consumului de

. - Universitatea din

Braşov,1989.

-3-1.

]

.N. Anglin, - Automotive Emission Control - McGraw Hill,

SAE Paper No. 690502, 1969,11 p.

0] P.F. Nelson and S.M. Quigley, - The hydrocarbon composition of exhaust

emitted from gasoline fuelled vehicles - Atmosph. Environm., 18, 1984, 79-87.

from modern European vehicles

combustibil şi limitarea noxelor la autovehicule

[3] Cofaru, C., ş.a.. - Autovehiculul şi mediul. Editura Universităţii Transilvania

Braşov, 1999. ISBN 973-98512

[4] Cofaru.C. –Legislatia şi ingineria mediului in transportul rutier Editura

Universităţii Transylvania Brasov 2002 ,ISBN 973-635-185-8

[5] Degobert, P. – Automobiles and Pollution – SAE International, 1995.

[6] *** Les études d'environment. ADEME, Angers, référence 4050.

[7 W.E. May et al., - Characterization of polycyclic aromatic hydrocarbons in air

particulate extracts by liquid gas chromatographic methods - identification and

analysis of organic pollutants in air, L.H. Keith, Butterworth Publications,

Boston, 1984, pp. 159-169.

[8] W H. Crouse and D

New York, 1977, 278 p.

[9] S.W. Martens, - Evaporative emission measurements with the SHED, A

second progress report -

[1

[11] Mc Arragher et al., - Evaporative emissions

and their control - SAE Paper No. 880315, 1988, 9 p.

Page 203: Curs Motoare

Poluarea mediului ambiant

203

Exemplu de poluare datorat autovehiculelor

Page 204: Curs Motoare

PARTEA II – EVALUAREA IMPACTULUI ASUPRA MEDIULUI

204

Autor: Corneliu COFARU

9.3. EMISI Autovehic

A SONORĂ PR TOVEHICULE ulul este lă de poluare sonoră

autovehiculelor depind de i care determină intensitatea

sonor.

O serie de factori s tovehiculelor, alţii sunt generaţi de construcţia

drumului şi interacţiunea om-vehicul-drum.

Emisia de zgomot e mătorii factori:

onstructiv

- factori de exploata

lui;

Fa grupului

de suspensie, frânare, direcţie, sis

precum şi de construcţia caroseriei autovehiculului.

torii de exploatare - p cial dozajul amestecului, combustibilul

ina, turaţia, regimul termic al motorului şi de asemenea viteza de

deplasare a autovehiculului.

Caracteristicile drumului - influenţează emisiile sonore prin particularităţile

acţiunii om-vehicul-drum - caracterizează

terac

te fi generat pe următoarele căi:

în

mişcare ale motorului.

ODUSĂ DE AU o sursă mobi . Emisiile sonore ale

o serie de factori interconectaţ

şi forma spectrului

unt proprii au

ste influenţată de ur

- factori c i;

re;

- caracteristicile drumu

- factorii de influenţă ai interacţiunii om-vehicul-drum.

ctorii constructivi - ţin de principalele caracteristici constructive ale

motopropulsor, sistemelor temului de rulare

Fac rivesc în spe

utilizat, sarc

constructive: pante, curbe etc. care impun schimbarea regimului de viteză.

Factorii de influenţă ai inter

in ţiunea dintre acoperământul drumului şi pneu precum şi stilul de conducere al

conducătorului auto.

9.3.1. Emisiile de zgomot ale motorului Ansamblul motorului constituie principala sursă de zgomot a autovehiculului.

Zgomotul poa

- mecanic;

- aerodinamic;

- termic;

Generarea mecanică a zgomotelor se datorează contactului pieselor

Page 205: Curs Motoare

Poluarea mediului ambiant

205

Procesele de schimb de gaze - admisia fluidului proaspăt şi evacuarea gazelor

arse, datorită vitezelor mari de curgere şi a fenomenelor ondulatorii care au loc în

tubulaturile de admisie şi de evacuare generează unde sonore cu un spectru larg.

Arderea amestecului aer-combustibil în cilindrii motorului este însoţită de

esiunii fluidului cu viteze mari care generează pulsaţii care se propagă

de tip otorul cu aprindere prin comprimare, datorită particularităţilor

aprind rindere prin comprimare cu cameră de

imare cu

camer

imul rând

compr constructive, sistemul de distribuţie.

itatea blocului

teristicile constructive ale

stalaţiilor auxiliare (alimentare, supraalimentare, răcire, ungere, etc.).

Vibraţia suprafeţei exterioare a motorului este provocată de creşterile rapide

de presiune din timpul arderii şi de şocurile produse pe reazemele interioare de

organele în mişcare care se propagă prin structura motorului. Şocurile dintre piston şi

cilindru, dintre fusurile arborelui şi lagăre, dintre bolţ şi reazeme, dintre capul bilei şi

maneton sunt datorate acţiunii forţelor variabile şi jocurilor funcţionale.

Zgomotul generat de sistemul de distribuţie depinde de: numărul, poziţionarea

şi tipul de antrenare al arborelui cu came ( ţi dinţate, lanţ, curea dinţată), numărul de

supape pe cilindru şi de jocul termic al supapelor.

La motoarele turbosupralimentate, prezenţa turbocompresorului are o influenţă

contradictorie: pe de o parte el este o sursă de zgomot prin funcţionarea la turaţii

ridicate şi prin influenţa pe care o introduce asupra proceselor de admisie a fluidului

proaspăt (presiune, temperatură) şi de ardere (presiune, temperatură a fluidului în

motor) iar pe de altă parte el se comportă ca un atenuator de zgomot deoarece o

parte din energia gazelor evacuate este transformată în lucru mecanic de antrenare a

suflantei diminuând astfel nivelul energetic al gazelor arse după turbină.

creşteri ale pr

sub formă de vibraţii la nivelul structurii motorului şi în unde sonore în exterior.

La analiza nivelului emisiilor sonore, trebuie să se ţină seama în primul rând

ul motorului. M

constructive şi funcţionale are un nivel de emisii sonore mai ridicat decât motorul cu

ere prin scânteie iar motorul cu ap

ardere unitară este mai zgomotos decât motorul cu aprindere prin compr

ă de ardere divizată.

Nivelul de emisii sonore emis de un anumit motor este influenţat în pr

de: numărul de cilindri, ordinea de aprindere, raportul cursă alezaj, raportul de

imare, jocurile

Zgomotul şi vibraţiile emise sunt influenţate de materialul şi rigid

motor şi chiulasei, materialele diferitelor capace şi carac

in

ro

Page 206: Curs Motoare

PARTEA II – EVALUAREA IMPACTULUI ASUPRA MEDIULUI

206

O pondere importantă în emisia sonoră a motorului o

cauzată îndeosebi de vibraţia palelor ventilatorului. La motoarele răcite cu lichid,

e

uxiliare se constată o generare de vibraţii şi unde sonore datorită antrenării acestora

idelor pe care acestea le vehiculează.

is de motor este influenţat şi de factorii de exploatare cum ar fi:

ozajul amestecului, calitatea combustibilului, sarcina şi turaţia motorului care

luen

dere sau avansului la injecţie.

nturii, reglajele jocurilor funcţionale (la

a

ă.

de frânare, direcţie, suspensie

are instalaţia de răcire

cămăşile de răcire se comportă ca un atenuator fonic. La nivelul celorlalte sistem

a

şi variaţiilor de presiune a flu

Zgomotul em

d

inf ţează procesele din motor şi implicit nivelul forţelor care iau naştere în

mecanismele motorului. În această categorie poate fi inclusă şi variaţia în funcţie de

factorii funcţionali ai avansului la aprin

9.3.2. Emisiile de zgomot ale sistemelor autovehiculului

9.3.2.1. Transmisia autovehiculului Nivelul emisiei sonore a transmisiei depinde în mare măsură de tipul de

transmisie: faţă, spate sau integrală.

La transmisia “faţă” se simplifică transmisia fluxului de putere către roţi.

Zgomotele şi vibraţiile sunt influenţate de: numărul de roţi dinţate aflate în angrenare,

tipul danturii, modul de prelucrare al da

angrenajele conice şi rulmenţii conici), tipul de ungere şi calitatea uleiului utilizat.

La transmisia “spate” prezenţa arborelui cardanic amplifică nivelul de vibr ţii

transmis caroseriei. Existenţa pe spate a mai multor punţi motoare şi prezenţa

diferenţialului interaxial poate amplifica nivelul de emisii sonore, acelaşi lucru

întâmplându-se şi prin utilizarea unor transmisii finale cu roţi cilindrice sau planetare

plasate la roţile motoare.

Transmisia “integrală” în funcţie de tipul de distribuţie a fluxului de putere

poate avea un număr sporit de roţi în angrenare şi de arbori cardanici care determină

o emisiune sonoră superioar

9.3.2.2. SistemulNivelul sonor emis de aceste sisteme depinde în general de soluţia tehnică

adoptată pentru servo-asistare (hidraulic sau pneumatic) prin prezenţa dispozitivelor

de antrenare şi existenţa pompelor, compresoarelor, regulatoarelor de presiune.

Page 207: Curs Motoare

Poluarea mediului ambiant

207

9.3.2.3

i şi ale celorlalte subansamble ale autovehiculului iar

la vite

9.3.2.4. Caracteristicile drumului depinde şi de caracteristicile drumului.

oselele c

hiculului.

c

9 r sonore datorate autovehiculelor este reglementat în funcţie

d

e

p

. Caroseria În primul rând caroseria preia o parte din vibraţiile surselor generatoare şi o

poate converti la suprafaţa acesteia în unde sonore iar în al doilea rând prin forma sa

poate crea la înaintare curenţi şi turbioane de aer a căror energie poate fi convertită

în energie sonoră.

Viteza autovehiculului poate fi o sursă de poluare fonică, la viteze reduse

predominând emisiile motorulu

ze ridicate predominând zgomotul generat de interacţiunea pneului cu drumul

şi zgomotul datorat curenţilor de aer generaţi de înaintarea autovehiculului.

Poluarea fonică datorată traficului rutier

Ş u pante şi curbe strânse influenţează emisiile în sensul creşterii intensităţii

acestora prin adaptarea vitezei de mers la cerinţele acestora având loc o multitudine

de schimbări de viteză, accelerări, decelerări şi mers turat al motorului. Şoselele

plane permit deplasări cu viteze ridicate şi în acest caz poluarea fonică se datorează

îndeosebi interacţiunii roată - drum şi curenţilor de aer generaţi de deplasarea

autovehiculului.

9.3.3. Interacţiunea om - roată – drum

Stilul de conducere influenţează poluarea fonică prin regimurile de accelerare

şi turaţie a motorului şi prin nivelul de viteză al autove

Construcţia pneului şi îmbrăcămintea drumului (asfalt neted, poros, piatră

ubică) influenţează nivelul de poluare sonoră datorată traficului rutier.

.3.4. Reglementări privind emisia sonoră la autovehicule

Nivelul emisiunilo

e categoria din care face parte şi caracteristicile acestora.

În oraşe, unde vitezele de deplasare ale autovehiculelor sunt mici predomină

misiunile sonore ale motorului iar reglementările ţin seama de această

articularitate.

Page 208: Curs Motoare

PARTEA II – EVALUAREA IMPACTULUI ASUPRA MEDIULUI

208

T

8

Categoria Caracteristica Nivelul de zgomot max. [dB]

abelul 9.2. Nivelul maxim permis de zgomot măsurat în conformitate cu Directiva

1/334/EC bazată pe Directiva 92/97/EC

autovehiculului nr. pasageri <9 (inclusiv şoferul) 74 nr. pasageri >9 (inclusiv şoferul) Gt < 2000 kg 76

2000 < Gt < 3500 kg 77 Pe < 150 kW 78

Transport pasageri

Pe >150 kW 80 Gt < 2000 kg 76 2000 < Gt < 3500 kg 77 Gt > 3500 kg; Pe < 75 kW 77 75 < Pe <150 kW 78

Transport marfă

Pe > 150 kW 80 Gt - greutatea totală a autovehiculului; Pe - puterea maximă a motorului;

Tabelul 9.3. Nivelul maxim permis de zgomot pentru vehiculele cu două roţi în

conformitate cu Directiva 81/334/EC bazată pe directiva 87/56/EC

Categoria autovehiculului Caracteristica Nivelul de zgomot max. [dB]

Vt < 80 cm3 75 80 < Vt < 175 cm 77 3

Motorete Moto lcic ete

Vt > 175 cm3 78 Vt - cil metrului şi măsurarea se

efect

mplet echipat, neîncărcat,

staţio t ând valorile nu diferă cu mai mult

de 2 ă la o distanţă de 7,5 m de la

ieşire gimul de funcţionare al motorului este următorul:

rimare la turaţia maximă prescrisă de

const

din turaţia maximă.

ai mare de 5000 rot/min,

măsu 0

a se efectuează la 3/4 din turaţia maximă a motorului.

indreea totală a motorului;

Nivelul de zgomot se măsoară cu ajutorul sono

uează pe curba de ponderare (A).

Nivelul de zgomot se măsoară cu autovehiculul co

na . Se utilizează maximum două măsurători c

dB(A). Microfonul sonometrului se amplaseaz

a conductei de eşapament. Re

- motor cu aprindere prin comp

ructor;

- motor cu aprindere prin scânteie accelerat la 3/4

- motociclete: dacă turaţia maximă a motorului este m

rarea se execută la 1/2 din turaţia maximă; dacă turaţia este mai mică de 500

rot/min atunci măsurătoare

Page 209: Curs Motoare

Poluarea mediului ambiant

209

or. Există metodologii de

măsu reducerea activă a

acest

Bibliografie [1] h.,şa - Tehnici speciale pentru reducerea consumului de

a noxelor la autovehicule. - Universitatea din

[2]

[3]

l, 1995.

[5]

[6] *** Les études d'environment. ADEME, Angers, référence 4050.

[7] *** Noise. European Parliament Fact Sheets, 2002.

În Europa nu există valori limită de zgomot pentru mot

rare a zgomotului motoarelor, utile constructorilor pentru

uia.

Bobescu, G

combustibil şi limitare

Braşov,1989.

Cofaru, C., ş.a.. - Autovehiculul şi mediul. Editura Universităţii Transilvania

Braşov, 1999. ISBN 973-98512-3-1.

Cofaru.C. –Legislatia şi ingineria mediului in transportul rutier Editura

Universităţii Transylvania Brasov 2002 ,ISBN 973-635-185-8

[4] Degobert, P. – Automobiles and Pollution – SAE Internationa

Timothy, T., Maxwell, Jesse, C., Jons. - Alternative fuels. SAE 1995. ISBN 1-

56091-523-4.

Page 210: Curs Motoare

PARTEA II – EVALUAREA IMPACTULUI ASUPRA MEDIULUI

210

Autor: Adrian NOVAC

9.4. COMPATIBILITATEA ELECTROMAGNETICA A AUTOVEHICULELOR ŞI A ECHIPAMENTELOR ELECTRICE/ELECTRONICE DE BORD

9.4.1. Informaţii generale

9.4.1.1. Preambul

Mediul electromagnetic este spaţiul planetei unde se desfăşoară viaţa

(biosfera), precum şi spaţiul (domeniul) unde trebuie să funcţioneze dispozitivele

electrice şi electronice create de om.

Mediul electromagnetic este determinat atât de natura fizică a planetei cum ar

fi: câmpul magnetic al planetei, descărcările electrostatice din atmosferă, razele şi

undele cosmice, lumina solară, depozitele radioactive, cât şi de activitate umană, de

exemplu generarea şi transportul energiei electrice, re omunicaţii militare şi

paţiale, emiţătoarele radio şi TV, telefonia pe fir şi fără fir, GSM, GPS, tehnologia

igitale sau analogice) ale

autovehiculelor comerciale şi de pasageri.

Compatibilitatea electromagnetică “CEM”, în sens larg, poate fi interpretată ca

şi coexistenţa neconflictuală între sursele de energie electromagnetică şi

receptoarele acestor energii. În această categorie sunt incluse biosfera precum şi

dispozitivele electrice/electronice destinate pentru a funcţiona satisfăcător în

ambientul lor electromagnetic. Trebuie subliniat că domeniul “CEM” este într-o

continuă, rapidă şi cuprinzătoare dezvoltare, incluzând în aceasta şi activitate umană

în ansamblul ei, precum şi biosfera. Este necesară stabilirea prin standarde a unor

mite de securitate şi sig ilitate), care să limiteze

prezintă aptitudinea

unui

(imunita

(emisii) acestui mediu sau altor dispozitive aflate în acel mediu.

ţelele de c

s

informatică (IT), echipamente electrocasnice (cuptoarele cu microunde) şi nu în

ultimul rând dispozitivele electrice şi electronice (d

li uranţă (interferenţă şi susceptib

poluarea electromagnetică.

9.4.1.2. Definiţii Compatibilitatea electromagnetică, abreviată “CEM”, re

dispozitiv sau echipament să funcţioneze în mediul său electromagnetic

tea acestuia), fără ca el să introducă perturbaţii electromagnetice intolerabile

Page 211: Curs Motoare

Poluarea mediului ambiant

211

“CEM” reprezintă un criteriu important în aprecierea calităţii autovehiculelor în

ansa l sceptibilitatea) şi emisii

ale d ulelor, prin generarea de

câmp

ţa (perturbator “EMI”) şi de imunitate

(susc

C

L

pentru imunitate ”EMS”. Valorile limită, metodele de măsurare precum şi

instru

9.4.2.“C

În prezent marea majoritate a autovehi

electronice digitale (microproces ţiilor acestora

şi pentru a transmite date la

cu reţeaua local

(modulul e

general ac şi

ţiei emisiilor de radio frecvenţă (RF) şi a cerinţelor privind

ea ambianţei cu interferenţe electromagnetice cu nivele peste nivelele

ormale a fost suficient de vagă în decursul istoriei.

− Int

ă “IEM”, este de 3volt/metru

(V/m)

mai multe ori, au limite mult mai ridicate (severe)

decât majoritatea actualelor medii industriale sau altor ambianţe. Nivelul test, de

imunitatea la câmp electromagnetic radiat este de 10(v/m). Această valoare este

mb ul lor, dar şi evidenţierea nivelelor de imunitate (su

ispozitivelor electrice/electronice de la bordul autovehic

uri electromagnetice de conducţie şi radiaţie. În acord cu definiţia, “CEM” se

subdivide în câmp electromagnetic de interferen

eptibilitate) “EMS”, astfel “CEM” poate fi privit ca sumă a EMI şi EMS:

EM=EMI+EMS

egislaţiile recomandă valori maxime pentru interferenţă “EMI” şi valori minime

mentele de măsură sunt specificate în standarde.

EM” în proiectarea autovehiculelor

culelor sunt echipate cu dispozitive

oare) şi analogice pentru controlul func

dispozitivele periferice asociate. De exemplu conexiunile

ă a modulului electric al motorului, cutiei de viteze, suspensiei “MEC”

lectronic de control), ABS, liniile de telecomunicaţii GSM, GPS etc. În

este produse aparţin clasei de produse din tehnologia informaticii (IT)

sunt supuse legisla

imunitatea acestui domeniu, atât în SUA, cât şi în ţările din Uniunea Europeană.

Definir

n

ensitatea câmpului electric de interferenţă, de comun acceptat ca un prag al

unui ambient de ridicată interferenţă electromagnetic

. În mod normal nivelele de interferenţă mai mari de 3(V/m) depăşesc limitele

de imunitate la zgomot a dispozitivelor digitale şi a sensibilităţii dispozitivelor

electronice analogice.

− Imunitatea (susceptibilitatea) “SEM”, în multe situaţii, permite selectarea

defectelor unor produse. Limitele utilizate la testele de imunitate variază dependent

de intensitatea semnalului. În multe cazuri testele au concluzionat că directivele

privind mediul “CEM”, de cele

Page 212: Curs Motoare

PARTEA II – EVALUAREA IMPACTULUI ASUPRA MEDIULUI

212

arhisuficientă pentru testele de imunitate pentru o largă categorie de dispozitive şi

c ctuale.

9.4.3.“CEM” teorie generală

ă c lă

între emiţătoarele şi receptoarele de energie electromagnetică. Aceasta se traduce

pţionată fără

nici o

rice / electronice. Transmiţătoare de energie

lectromagnetică sunt de asemenea şi acele dispozitive electrice / electronice, care

d poluanţi electromagnetici ai

me

netice

(emiţători), sunt incluse şi echipamentele electrice / electronice ale autovehiculelor.

Prezentăm pentru exemplificare o parte din aceste echipamente:

− echipamentele de aprindere prin scânteie ale autovehiculelor;

− scânteierile colectoarelor motoarelor electrice de acţionare;

− regimurile tranzitorii ale comutărilor sub sarcină;

− contactele releelor la comutare;

− controlul câmpului de excitaţie al alternatoarelor;

− convertoare DC/DC, surse de alimentare;

− lămpi cu descărcare în gaze (fluorescente);

− echipamentele

− radar anti-coliziune, mers înapoi;

:

e hipamente electrice / electronice ale autovehiculelor a

9.4.3.1. Interferenţă electromagnetică Compatibilitatea electromagnetică (CEM) reprezint oexistenţa neconflictua

prin aceea că emiţătorul transmite o anumită informaţie, care este rece

perturbare (interferenţă). Termenii de transmiţător şi receptor nu se referă

numai la dispozitivele de comunicaţie, acestea se utilizează în sens larg şi pentru

toate dispozitivele elect

e

emit perturbaţii electromagnetice nedorite, reprezentân

diului.

În această categorie de transmiţători de perturbaţii electromag

de alarmă;

descărcări electrostatice ”DES”;

− module electronice digitale de control ( ECM);

− sisteme de comunicaţie si poziţionare (GSM,GPS).

În categoria receptoarelor susceptibile la emisii electromagnetice, altele decât

aparatele de radio şi TV

echipamentele electrice / electronice de automatizare şi măsură ;

− dispozitivele electronice de bord digitale şi analogice;

Page 213: Curs Motoare

Poluarea mediului ambiant

213

− module electronice de control ale motorului (MEC);

− modulul electronic de control al cutiei de viteze (MEC);

− modulul electronic de control al suspensiei (MEC);

− ABS-ul;

− GPS-ul;

− GSM-ul;

− calculatorul de bord;

− telefoanele fixe şi telefoanele mobile.

Noţiunea de “CEM” este actualmente mai cuprinzătoare în era digitală

comparativ cu noţiunea anterioară de antiparazitare radio.

P

ra.9.2. se prezintă un model general al interferenţei electromagnetice

între transmiţător (sursa perturbatoare) şi receptor (obiectul perturbat).

.9.2 Modelul interferenţei electromagnetice între emiţător şi receptor printr-un mediu fizic de cuplaj

În

rin înţelegerea mai sugestivă a interferenţelor electromagnetice (perturbaţiilor)

între transmiţător (dispozitivul perturbator) şi receptor (dispozitivul perturbat), vom

încerca să ilustrăm modelele acestor fenomene electromagnetice.

În figu

Fig

Există două situaţii diferite de interferenţe electromagnetice (IEM)

− Interferenţe de sistem

− Interferenţe inter-sistem

figura. 9.3.a şi figura. 9.3.b sunt prezentate modelele acestor două tipuri de

interferenţe.

Page 214: Curs Motoare

PARTEA II – EVALUAREA IMPACTULUI ASUPRA MEDIULUI

214

Fig. 9.3.a Interferenţa “Inter-sistem”

În figura9.3.a este ilustrat modelul interferenţei electromagnetice între sistemul

e exemple:

− Variaţia curentului de-a lungul circuitelor surselor de alimentare, liniile (bus-

uri) de date apropiate ale modulelor electrice digitale (clock-urile

microprocesoarelor, relee );

− Între diferitele etaje de amplificare ale aceluiaşi echipament;

transmiţător “T” şi “n” sisteme receptoare perturbate “R”

Fig. 9.3.b Interferenţă de sistem

În figura. 9.3.b este ilustrat modelul interferenţei electromagnetice de sistem

între obiectul elementul / perturbator şi obiectul / elementul perturbat, componente

ale aceluiaşi echipament.

În această categorie se pot prezenta o serie d

Page 215: Curs Motoare

Poluarea mediului ambiant

215

− Tensiuni de inducţie la variaţia curenţilor de sarcină;

− Scânteierile colectoarelor motoarelor de acţionare.

Ca o consecinţă, transmiţătoarele (emiţătoarele) şi receptoarele pot fi

considerate electromagnetic compatibile dacă:

− Transmiţătoarele emit numai pe frecvenţele alocate, fără armonici

importante, iar energia electromagnetică radiată scade cu distanţa, astfel ca

un alt transmiţător care emite pe aceeaşi sau pe o frecvenţă apropiată să nu

fie perturbat;

− Transmiţătoarele, care emit perturbaţii electromagnetice nedorite, pot fi

considerate compatibile atunci când intensitatea perturbatoare nu depăşeşte

un anumit nivel .N ate este stabilit astfel ca

nivelului perturbator

rimile principale

tensiuni, intensităţi ale câmpului electric şi magnetic, de curenţi şi al puterilor. În

domeniul “CEM” se utilizează logaritmul acestor rapoarte, care este de mare ajutor

ii.

xemplu, la tensiunea de referinţă “U0=1µV”, raportul de sistem al tensiunii este

ivelul limită al intensităţii radi

receptoarele să poată funcţiona în condiţii acceptabile, la anumită distanţă

sau ambianţa, faţă de interferenţa electromagnetică “IEM”;

− Receptoarele sunt considerate compatibile atunci când acestea sunt apte să

recepţioneze semnalul util într-un mediu electromagnetic perturbator cu un

raport semnal / zgomot sau prag al nivelului de zgomot compatibil şi acestea

(receptoarele) să nu genereze şi ele perturbaţii proprii incompatibile.

9.4.3.2. Nivelele de interferenţă – domeniul semnal+perturbaţii – limita

Pentru a se aprecia nivelele “CEM” trebuie plecat de la mă

care definesc adecvat interferenţele electromagnetice.

Interferenţele “CEM” pot fi cu exactitate apreciate cu ajutorul rapoartelor de

pentru tratarea “CEM” prin simplă adiţiune a nivelelor de semnal şi perturbaţ

rimi. De Valorile “CEM” absolute sunt divizate la valori de referinţă ale fiecărei mă

e

denumit “nivel de tensiune”.

Page 216: Curs Motoare

PARTEA II – EVALUAREA IMPACTULUI ASUPRA MEDIULUI

216

- Raportul mărimilor de sistem – Niveluri absolute

Nivel de tensiune: udB=20 lg [ ]vx dB

uu

µ0

; unde u0=1 µV;

Nivel de curent: idB=20 lg [ ]vx dB

II

µ0

; unde I0=1µA;

Nivelul intensităţii de câmp electric: EdB= 20 lg [ ]mvx dB

EE

/0

µ : unde E0=1 µv/m ;

Nivelul intensităţii de câmp magnetic: HdB= 20 lg [ ]mAx dB

HH

/0

µ ; unde H0=1 µA/m

Atunci când nivelul raportului de semnal util este mai mic decât nivelul de

zgomot, receptorul percepe aceasta ca o perturbaţie, acest nivel este definit ca

nivelul pragului de zgomot .

- Raportul mărimilor de sistem – Niveluri relative Nivelele relative sunt reprezentate prin diferenţele între nivelele semnalului util şi

.

şi zgomot. În

nivelul semnalului util.

nivelul pragului de zgomot (perturbaţia) aşa numitul raport semnal/zgomot

Fig.9.4. Limitele de nivel relative “CEM”

În figura 9.4 este prezentată diagrama nivelelor relative “CEM” în dependenţă

de frecvenţele câmpului electromagnetic (f). Diagrama defineşte domeniul de zgomot

(perturbaţii), domeniul de securitate la perturbaţii şi domeniul de semnal

diagramă se prezentă şi nivelele de zgomot, nivelul pragului de zgomot precum şi

Page 217: Curs Motoare

Poluarea mediului ambiant

217

Nivelurile relative, spre deosebire de nivelurile absolute sunt determinate de

diferenţele între niveluri. În cazul semnalelor analogice, în tehnica măsurătorilor, sunt

acceptate diferite valori pentru rapoartele semnal / zgomot, dependent de mediul

“CEM”. De exemplu în radio şi TV se acceptă valori între 30 şi 60 dB, însă în

telefonie nu se acceptă un raport mai mare de 10 dB. Limitele şi metodele de

măsurare ale perturbaţiilor electromagnetice sunt recomandate în standarde

interna

it

nivel de imunitate specific (dependent de tipul şi familia circuitului logic, TTL sau

CMOS), nu sunt perturbate sub nici o formă, dar peste acest nivel ele sunt perturbate

indubitabil. Trebuie subliniat aici că limitele de securitate depind substanţial de starea

câmpului perturbator, dacă este în stare staţionară, cvasi-staţionară sau dinamică.

În situaţia în care timpul de acţiune al perturbaţiei este mai mic decât timpul de

întârziere la propagare al unui anumit circuit (delay time), se poate accepta o limită

mai mare a perturbaţiei, comparativ cu cerinţele pentru nivelul limită al stării

staţionare.

9.4.3.3 Interferenţa “EMI” – metode de cuplare

ilizat în mod

şi

refer ii

distincte:

− Sursa electromagnetica perturbatoare. Amplitudinile tensiunilor, curenţilor,

fronturile

pulsaţiilor;

− Metodele de cuplaj, suportul fizic (conducţie, mutual, radiaţie);

− “SEM” (susceptibilitatea) dispozitivelor perturbate (receptori). Nivelele

acceptate ale perturbaţiilor în domeniul frecvenţă şi timp.

Dacă emiţătoare şi receptoare perturbaţiile pot fi tratate prin măsurarea

nivelelor emise respectiv prin nivelele de perturbaţii receptate, căile de cuplaj (mediul

fizic / suportul fizic) de cele mai multe ori necesită abordări mai profunde şi

ţionale specifice fiecărui domeniu.

În comparaţie cu sistemele analogice, echipamentele digitale sub un anum

Modelul general al interferenţei prezentat în fig. 1 nu poate fi ut

practic. Multe tipuri de circuite electronice emit (radiază) sau sunt sensibile la “IEM”

ar trebui ecranate pentru a li se asigura performanţele indicate. Stabilirea unor

inţe a CEM, pentru un proiect de echipament electronic, necesită trei direcţ

intensităţii câmpului electromagnetic, spectrul frecvenţelor,

Page 218: Curs Motoare

PARTEA II – EVALUAREA IMPACTULUI ASUPRA MEDIULUI

218

cunoştinţe intime de electrotehnică şi experienţă în tehnica analizei reţelelor şi

circuitelor electrice.

Modurile de cuplare a energiei electromagnetice, de la sursă la receptoare, se

încadrează într-unul din cele patru categorii, după cum urmează:

Conducţie (curent electric / galvanic);

Inducţie (câmp magnetic);

Capacitiv (câmp electric);

Radiaţie (câmp electromagnetic).

Căile de cuplare identificat calea de

cuplar

sunt un complex de moduri, dificil de

e dominanta, chiar dacă set cunosc emiţătoarele şi receptoarele. Sunt mulţi

paşi pentru a atenua o anume cale de cuplaj, care implicit amplifică altă cale de

cuplaj. Interferenţele pot fi radiate dintr-un anumit echipament pe mai multe căi,

dependent de frecvenţele acestor interferenţe. Modul căilor de cuplare între sursa

(emiţător) de perturbaţii de energie electromagnetică şi receptoarele perturbate este

ilustrat în figura 9.5.

Fig. 9.5. Metode de cuplare a “IEM” a) La frecvenţe joase (sub 30 MHz), interferenţele pot apărea cel mai frecvent pe

calea cablajelor de conectare a echipamentelor (cuplaj galvanic), cum ar fi circuitele

de semnal sau de alimentare aşa numite emisii prin conducţie. Aceste interferenţe

pot apărea între două circuite electrice care au o impedanţă comună “Z”, care poate

fi un simplu segment de circuit, o impedanţă de transfer sau un anumit dipol. În figura

1.6 a este ilustrat acest tip de cuplaj prin conducţie.

Page 219: Curs Motoare

Poluarea mediului ambiant

219

Fig.9.6.a Cuplaj prin conducCurentul (circuitul sursă de perturbaţii) generează pe

impedanţa com siune perturbato (∆Uz), care se suprapune

peste semnalu orul perturbat)

b) Cuplajul prin câmp magnetic, cuplajul inductiv, are loc între două sau mai multe

circuite parcurse de curenţi electrici. În figura 9.5b sunt ilustrate două moduri diferite

t

.C) şi celălalt pe calea cuplajului inductiv mutual (M) prin intermediul a

ouă inductanţe L1 şi L2, elemente a două circuite distincte I şi II.

2 Cuplaj mutual inductiv

În

magneti

compon ura 9.6.b2 circuitul “I” perturbă circuitul “II” prin

cuplaj mutual inductiv “M”, între bobina cu inductanţa “L1” din circuitul “I” cu bobina cu

inductanţa “L2” din circuitul “II”, circuitul perturbat.

ţie “i1” al circuitului I

ună “Z” o cădere de ten are

l util al circuitului II (recept .

de cuplaj inductiv, cuplaj pe calea câmpului magnetic cvasi-staţionar (curen

alternativ / A

d

Fig.9.6.b1 Cuplaj prin câmp magnetic Fig. 9.6.b cvasi- staţionar

figura 9.6.b1 curentul alternativ i1 (A.C) din circuitul “I” generează un câmp

c variabil care induce o tensiune perturbatoare în circuitul “II”, circuit

ent al echipamentului “II”. În fig

Page 220: Curs Motoare

PARTEA II – EVALUAREA IMPACTULUI ASUPRA MEDIULUI

220

c) C a

Cu

căror tra gura9.6.c1 şi figura 9.6.c2 sunt

ilustr

modelul

câmp ele

din circuitul II. În teoria

circuitelor este dific alc p electric, este

mult mai uşor cu tensiunile surselor, curenţilor din fiecare circuit, precum şi cu

mărimile componentelor active şi pasive ale acestora. În această situaţie cuplajul prin

câmp electric este convertit în cuplaj prin conducţie al circuitelor din fiecare reţea, cu

menţiunea că este totuşi foarte important să cunoască originea reală a cuplajului

pentru a se efectua o modelare cât mai exac iecărui circuit.

d) Cuplaj prin câmp magnetic radiat

Cuplajul prin câmp electric radiat este un mod de cuplaj prin medii

neconductive. Această metodă de cuplaj, separat prin cuplaj câmp magnetic şi prin

upl j prin câmp electric (cuplaj capacitiv)

plajul prin câmp electric sau cuplaj capacitiv are loc între două circuite a

see conductive sunt la potenţiale diferite. În fi

ate două modele de cuplaj prin câmp electric. În figura 9.6.c1 se prezintă

unui cuplaj prin câmp electric “E” şi în fig. 9.6.c2 modelul unui cuplaj prin

ctric perturbator prin capacităţi parazite Cp1 şi Cp2.

Fig. 9.6.c1 Cuplaj prin câmp electric Fig. 9.6.c2 Reţea de circuite cuplaj

prin capacităţi parazite

În fig. 9.6.c 1 este ilustrat modelul circuitului perturbator “I” şi a circuitului

perturbat “II”. Potenţialul liniei de circuit “I” este mai ridicat decât al liniei de circuit “II”,

care este mai aproape de potenţialul masei. Interferenţele între cele două circuite

sunt prin intermediul cuplajului câmp electric “E”.

În fig. 9.6.c2 este ilustrat un model al circuitelor de reţea, care sunt cuplate

prin capacităţi parazite. Aceste două capacităţi parazite echivalente Cp1 şi Cp2 apar

între liniile perturbatoare din circuitul I şi liniile perturbate

il să se trateze (să se c uleze) cu mărimi de câm

se

tă a f

Page 221: Curs Motoare

Poluarea mediului ambiant

221

câmp electric în regim cvasi-staţionar, a fost descris la punctul b şi c în care câmpul

electric

constituit din

mbele câmpuri: câmp electric ”E” şi câmp magnetic “H”, care oscilează

perpendicular unul distanţe mult mai

m

ra 9.6.d1 este ilustrată s mpului electromagnetic

tic), precum i metoda de propagare în mediu neconductiv.

Fig. 9.6.d1 Schema de prezentare a câmpului electromagnetic compus, câmp

electric ”E” şi câmp magnetic “H” şi modul de propagare (cuplaj)

În figura 9.6.d2 este ilustrat modelul interferenţei prin cuplaj prin radiaţie.

şi magnetic interferă independent în imediata apropiere a circuitelor sursă şi

receptoare. Cuplajul prin radiaţie al câmpului electromagnetic care este

a

faţă de celălalt şi interferă cu receptoarele şi la

ari.

În figu chematic dualitatea câ

(câmp electric şi magne ş

Page 222: Curs Motoare

PARTEA II – EVALUAREA IMPACTULUI ASUPRA MEDIULUI

222

Fig. 9.6.d2 Model de cuplaj prin radiaţie

În figura 9.6.d2 sistemul perturbator (emiţător) ”I” şi sistemul perturbat

(receptor) II nu trebuie priv ţie.

Interferenţa electromagnetic tele electrice care

nu se prezintă

un complex de combina şi este foarte

dificil să se stabileas

atinge performanţ

Interferenţ trice / electronice ale

autovehiculelor depind de frecven ţe mai joase

(<30MHz), interferen uitelor conductoare, cum ar fi

cablajele pentru circuitele de semnal urbatoare

de conducţ se propage la distanţe

mai mari în forma de emisii prin radia ţie şi cele

prin radiaţie a fost acceptată ca fiind în jurul frecvenţei de 30 MHz, sub această

valoare sunt dominante emisiile prin conducţie, iar peste aceasta devin dominante

emisiile prin radiaţie.

La frecvenţe ridicate căile de circuit pot deveni în mod direct surse de radiaţie.

Perturbaţii electrice de radio frecvenţă apar în perioada funcţionării simultane a mai

multor componente ale echipamentelor electrice / electronice ale autovehiculelor.

Emisiile acestor componente sunt generate într-un domeniu larg de frecvenţe cu

diferite caracteristici electrice şi pot fi distribuite echipamentelor şi sistemelor electrice

şi electronice de la bordul autovehiculelor prin conducţie sau radiaţie. Caracteristicile

de imunitate la perturbaţii ale autovehiculelor la perturbaţii prin radiaţie, generate de

surse de la bordul sau din afara autovehiculului, includ un domeniu de frecvenţe de

ite în mod necesar ca antene de emisie / recep

ă se poate realiza şi direct prin circui

în mod explicit ca antene. Căile de cuplaj deseori sunt determinate de

ţii a celor patru (4) moduri de cuplaj prezentate

că, care dintre acestea pot fi reduse (atenuate) pentru a se

ele prescrise ale echipamentelor electrice / electronice.

ele prin radiaţie ale echipamentelor elec

ţa interferenţelor. La frecven

ţele se pot transmite pe calea circ

şi alimentare în formă de emisii pert

ie. Aceste emisii prin conducţie pot foarte uşor să

ţie. Tranziţia între emisiile prin conduc

Page 223: Curs Motoare

Poluarea mediului ambiant

223

la 0,1 MHz până la 18.000 MHz. Metodele de evaluare a imunităţii autovehiculului la

perturbaţii prin radiaţie se efectuează dependent de frecvenţă cu variaţie continuă,

pe benzi de frecvenţă îngustă, cu diferiţi paşi pe fiecare bandă.

În tabelul 9.4 sunt prezentate benzile de frecvenţă şi mărimea maximă a

paşilor de frecvenţă pentru fiecare bandă (conform standardului ISO11451).

Tabelul 9.4. Benzile de frecvenţă şi paşii maximi

Bandă de frecvenţă Paşii maximi de frecvenţă

9.4.3.4. Clasificarea stării de performanţă a funcţionării – niveluri de severitate a încercării Clasificarea stării de funcţionare

Clasificarea stării de funcţionare a dispozitivelor şi echipamentelor electronice

ale autovehiculelor după expunerea acestora în anumite medii de interferenţă

electromagnetică “IEM”, oferă un important criteriu în evaluarea imunităţii

(susceptibilităţii) electromagnetice (SEM) la cuplaj prin conducţie şi radiaţie.

Starea de performanţă a funcţionării se clasifică astfel:

− Clasa A : Toate funcţiile unui dispozitiv / sistem se realizează aşa cum au

fost proiectate în timpul şi după expunerea la perturbaţii.

− Clasa B : Toate funcţiile unui dispozitiv / sistem se realizează aşa cum au

fost proiectate; totuşi una sau mai multe dintre ele pot merge dincolo de

toleranţele specificate. Toate funcţiile revin automat în limitele normale după

ce este înlăturată expunerea.

[MHz] [MHz]

> 0,01 până la ≤ 0,1 0,01

> 0,1 până la ≤ 1 0,1

> 10 până la ≤ 200 2

> 200 până la ≤ 1000 20

> 1.000 până la ≤ 18.000 200

Page 224: Curs Motoare

PARTEA II – EVALUAREA IMPACTULUI ASUPRA MEDIULUI

224

− Clasa C : O funcţie a dispozitivului / sistemului nu se realizează aşa cum a

fost proiectată, în timpul expunerii, dar revin automat la funcţionarea

normală, după ce este înlăturată expunerea.

− Clasa D : O funcţie a dispozitivului / sistemului nu se realizează aşa cum a

fost proiectată, în timpul expunerii şi nu revine la funcţionarea normală până

nu es itivul / sistemul nu este repus în starea

iniţială prin simpla acţiune “operator / utilizator”.

− Clasa E : Una sau mai multe funcţii ale dispozitivului / sistemului nu se

realizează aşa cum a fost proiectată în timpul şi după expunere şi nu poate fi

adusă la funcţionarea normală fără reparări sau înlocuiri a dispozitivului /

sistemului.

Nivelul de severitate a încercării Nivelul de severitate specifică nivelele de încercare ale intensităţii câmpului,

tensiunii, curentului sau puterii aplicate dispozitivului supus testării (DUT- Device

Under Test) pentru o metodă de încercare dată. Dispozitivul / echipamentul supus

încercării va funcţiona în conformitate cu clasificarea stării de funcţionare în timpul şi

după încercare. Clasele de selecţie a nivelului de severitate tipic sunt listate în

tabele. Valorile diferitelor nivele de severitate vor fi stabilite prin acord între

producător şi furnizor, tipice pentru diferitele familii de echipamente electrice.

În tabelul 1.5 este prezentată schematic o selecţie a metodelor pentru

încercări.

Tabelul 9.5. Niveluri de severitate

Nivel de severitate al încercării

Valori (V, mA, V/m, W)

te înlăturată expunerea şi dispoz

I *

II **

III ***

IV ****

V Valori specifice agreate

de utilizatorii ISO 11.451

Page 225: Curs Motoare

Poluarea mediului ambiant

225

În tabelul 9.6 este dată o schemă de prezentare a nivelelor de severitate ale

încercării conform cu clasificarea funcţională si a benzilor de frecvenţă.

Tabelul 9.6. Niveluri de severitate a încercării

Nivelul de severitate a încercării corespunzător cu clasificarea stării de funcţionare

Banda de frecvenţă

A B C D E

F1 I II

F2 II III IV

F3

F4 I V

9.3.4. Metode pentru reducerea interferenţelor electromagnetice ale autovehiculelor şi a dispozitivelor /echipamentelor lor electrice / electronice

Dispozitivele electronice, care funcţionează în parametri normali în mediul

pentru care au fost destinate, fără a emite valori excesiv de mari de energie

electromagnetică, prin conducţie sau radiaţie şi nu sunt susceptibile la aceste energii

provenite din interiorul sistemului sau din surse exterioare, se definesc a fi în stare de

compatibilitate electromagnetică “CEM”.

În concordanţă cu explicaţiile de mai sus “CEM” reprezintă o sumă dintre

“IEM” (interferenţă) şi “SEM” (susceptibilitate) .

O mare parte dintre tipurile de dispozitive electrice radiază sau sunt

susceptibile la interferenţe electromagnetice “IEM”. Pentru a funcţiona la parametrii

stabiliţi, aceste dispozitive trebuie ecranate.

Stabilirea unei baze, în ceea ce priveşte compatibilitatea electromagnetică a

unui dispozitiv electromagnetic, impune două direcţii distincte de abordare:

a) reducerea interferenţelor” IEM” generate de sursele interioare

sistemului;

b) eficientizarea filtrării şi ecranării.

a) Interferenţele electromagnetice IEM de la surse interne ale dispozitivelor electrice

pot fi reduse din fazele incipiente de realizare a produsului şi anume din faza de

Page 226: Curs Motoare

PARTEA II – EVALUAREA IMPACTULUI ASUPRA MEDIULUI

226

proiectare astfel ca dispozitivele să genereze intrinsec cât mai puţine interferenţe

electromagnetice. Prin îmbunătăţirea imunităţii dispozitivelor electronice

(reducerea susceptibilităţii) la interferenţe de la surse externe se poate realiza

prin proiectarea adecvată a traseelor electrice pe circuitul placat “PCB” (Plate

Circuit Band) şi prevederea de componente electronice (circuite integrate), care

intrinsec să fie cât mai puţin sensibile la interferenţe.

b) Cele mai multe probleme legate de sursele de interferenţe electromagnetice

“IEM” s-au dovedit a fi cablajele circuitelor electrice interioare şi exterioare ale

dispozitivelor electrice / electronice.

Semnalele de intrare şi ieşire, din interiorul echipamentelor, trebuie adecvat

filtrate şi tipul conductoarelor cablajelor trebuie să fie alese specific pentru fiecare

aplicaţie, chiar şi în situaţia în care se impune ecranarea sau torsadarea

acestora. O ecranare eficientă a cablajelor şi filtrarea semnalelor transmite prin

aceste cablaje, conduc la evitarea apariţiei unor probleme “CEM”. În mod obişnuit

dispozitivele funcţionează la frecvenţe ridicate, prin urmare sunt necesare filtre

adecvate care să respingă frecvenţele mari, care să nu fie radiate în exteriorul

dispozitivului prin intermediul cablajelor de intrare sau ieşire. Filtrele pasive pentru

eliminarea interferenţelor “IEM/RTI” constau din inductanţe, condensatoare şi, în

anumite situaţii, rezistoare selectate în combinaţii care să permită trecerea sau

respingerea anumitor frecvenţe. Radiaţia electromagnetică primară a cablajelor

este datorată câmpurilor electromagnetice generate de trecerea curenţilor prin

acestea, care nu sunt anulate de câmpuri electromagnetice de sens opus. Ideal,

curenţii care traversează cablajele care conduc semnale la frecvenţe mari trebuie

bine echilibraţi, astfel curenţii de ieşire din interiorul dispozitivului să fie egali cu

cei de intrare, rezultând o anulare totală a câmpurilor electromagnetice generate

de aceştia. Practic, în conceptul modern de realizare a cablajelor aceasta se

realizează prin torsadarea a câte două conductoare. Actualmente interferenţele

electromagnetice “IEM“ sunt un subiect “tare“ pentru cercetătorii în domeniu

pentru a fi bine elucidat. Ansamblul problematicii legate de “CEM“ poate fi în mare

pericol datorită limitelor practice şi a complexităţii teoretice a acestui domeniu,

elemente primare care pot contribui la reducerea interferenţelor “IEM“ şi la

creşterea imunităţii (susceptibilităţii) “SEM“ a echipamentelor electrice /

electronice.

Page 227: Curs Motoare

Poluarea mediului ambiant

227

Din aceste motive, compatibilitatea electromagnetică “CEM“ trebuie să fie tratată

într-un echilibru între abilităţile echipamentelor moderne de a funcţiona adecvat în

ambianţa noastră cu zgomot electromagnetic fără a introduce intrinsec perturbaţii

nepermise şi preţul de cost al acestora. Cerinţele “CEM“ ale autovehiculelor

precum şi metodele de testare cuprinse în standardele internaţionale trebuie

tratate ca recomandări. Aceste standarde nu sunt acceptate ca verificabile pe

fiecare piaţă de desfacere a autovehiculelor, dar formează o bază de discuţie a

fabricanţilor de autovehicule, ca un minim acord privind comercializarea

autovehiculelor pe diverse pieţe.

9.4.5. Standarde „CEM” relevante

De la 1 ianuarie 2007 România este membru al Comunităţii Europene, astfel

autovehiculele precum şi echipamentele acestora nu se pot comercializa decât dacă

respectă anumite “Directive CE”. Procedura legală, necesară, pentru a fi îndeplinite

cerinţele referitoare la “CEM“ este obţinerea marcajului “CE“. Marcajul “CE“ este o

etichetă pe care fabricantul o amplasează pe un echipament, pentru a certifica că

acel produs îndeplineşte cerinţele diverselor standarde cum ar fi cele de securitate

precum şi cele “CEM“, care sunt cuprinse printre acestea. Procedura care se

recomandă pentru obţinerea marcajului “CE“ trebuie să plece de la stabilirea

standardelor „CEM” care se aplică tipului de autovehicul, precum şi echipamentelor

electrice / electronice de la bordul acestora, funcţie de cerinţele pe care trebuie să le

respecte. Echipamentul care are marcajul “CE“ este o indicaţie a fabricantului că

produsul îndeplineşte cerinţele privind omologările de tip.

În acest caz echipamentul nu necesită o testare de o terţă parte, dar din

motive de încredere, trebuie să fie certificat de laboratoare de testare acreditate.

Recomandările privind căror standarde trebuie să corespundă produsul sau

echipamentul, de cele mai multe ori, sunt greu de stabilit.

În tabelele care urmează se încearcă să se prezinte standardele “CEM“

relevante, aplicabile autovehiculelor în ansamblu, precum şi echipamentelor /

dispozitivelor de la bordul acestora.

Page 228: Curs Motoare

PARTEA II – EVALUAREA IMPACTULUI ASUPRA MEDIULUI

228

Tabelul 9.7. Standarde internaţionale

Aplicabilitate Standard Titlu Parte Data Veh. Echipa-

ment 0 1 2 3 4 5

Vehicule rutiere – Perturbaţii electrice din conducţie şi cuplaj Toate 2002

Definiţii şi consideraţii generale 1 2002

ISO 7637

Conducţia electrică tranzitorie de-a lungul liniilor de alimentare 2 2004

nu da

Autoturisme şi vehicule comerciale uşoare cu alimentare la 12V – conducţia electrică tranzitorie de-a lungul liniilor de alimentare

1 1990

Vehicule comerciale cu alimentare la 24V – conducţia electrică tranzitorie de-a lungul liniilor de alimentare

2 1990

ISO 7637

Vehicule alimentate la tensiunea nominală de 12V şi 24V –transmisie tranzitorie prin cuplaj capacitiv prin alte cabluri decât cele de alimentare

3 1995

nu da

TR 1995 da da ISO 10605

Vehicule rutiere – Metode de testare pentru perturbaţiile electrice datorate descărcărilor electrostatice 1 2001 da da

Vehicule rutiere – Metode de testare a vehiculului pentru perturbaţiile electrice produse de energia electromagnetică radiată în bandă îngustă

Toate -

Partea 1: Definiţii şi consideraţii generale 1 2001

Partea 2: Surse de radiaţii exterioare vehiculului 2 2001

Partea 3: Simularea transmiţătorului de la bord 3 1994

ISO 11451

Partea 4: Injecţia de curent în substrat 4 1995

da nu

Vehicule rutiere – Metode de testare a componentelor pentru perturbaţiile electrice produse de energia electromagnetică radiată în bandă îngustă

Toate -

Partea 1: Definiţii şi consideraţii generale 1 2001

Partea 2: Cameră de absorbţie liniară (1995) 2 2001

ISO 11452

Partea 3: Celula electromagnetică transversală (TEM) 3 2001

nu da

Page 229: Curs Motoare

Poluarea mediului ambiant

229

Partea 4: Injecţia de curent în substrat (BCI) 4 2001

Partea 5: Linia “strup” 5 2002 Partea 6: Antena plata paralelă 6 1997 Partea 7: Injecţia de putere directă de radio frecvenţă (RF) 7 1995

CISPR-12

Vehicule, bărci cu motor şi dispozitive acţionate cu motoare cu aprindere prin scânteie –Caracteristicile perturbaţiilor radio - Limite şi metode de măsură

1 2001-09 da da

CISPR-25

Caracteristica perturbaţiilor radio pentru protecţia receptoarelor utilizate la bordul vehiculelor, bărcilor şi altor dispozitive - Limite şi metode de măsură

1 2002-08 da da

1978 R10ECE-

UN

Prescripţii asupra aprobării

autovehiculelor referitoare la filtrele

RF

Toate 1994

da nu

Tabelul 9.8. Standarde europene ( Directive CEM-CE)

Aplicabilitate Standard Titlu Parte Data Vah.

Echipa-mint

0 1 2 3 4 5

Directiva

95/54/EC

Aproximarea legilor de stare a filtrării

interferenţei radio produsă de

motoarele cu aprindere prin scânteie

care echipează autovehicule

1 1995 da da

Directiva

95/56/EC

Dispozitive pentru prevenirea utilizării

neautorizate a autovehiculelor 1 1995 nu da

Directiva

97/24/EC

Componente şi caracteristici ale

autovehiculelor cu două sau trei punţi 1 1997 da da

Directiva

2000/2/E

C

Filtrarea interferenţei radio produsă

de motoarele cu aprindere prin

scânteie care echipează tractoare

agricole sau forestiere

1 2000 da da

Page 230: Curs Motoare

PARTEA II – EVALUAREA IMPACTULUI ASUPRA MEDIULUI

230

Directiva

2002/24/

EC

Certificarea de tip a autovehiculelor

cu două sau trei punţi 1 2002 da da

Directiva

2003/77/

EC

Certificarea de tip a autovehiculelor

cu două sau trei punţi 1 2003 da da

Directiva 2004/104

/EC

Aproximarea legilor Ţărilor Membre referitoare la CEM (Directiva 2004/104/EC şi Directiva 89/336/REC)

1 2004 da da

Directiva 2005/49/

EC

Interferenţa (CEM) vehiculelor şi aproximarea legilor Ţărilor Membre referitoare certificarea de tip a autovehiculelor şi remorcilor (amendamente pentru radarul anticoliziune la distanţă mică, de 24 GHz şi 79 GHz )

1 2005 da da

Tabelul 9.9. Standarde americane (SUA)

Aplicabilitate Standard Titlu Parte Data Veh.

Echi-pament

0 1 2 3 4 5

Niveluri de performanţă şi metode de

măsură a CEM a vehiculelor, bărcilor

(până la 15m) şi maşinilor (50HZ

până la 18GHZ)

1 2002

SAE 551

Limite de testare şi metode de

măsură a caracteristicilor de

perturbare radio a vehiculelor,

bărcilor şi a dispozitivelor antrenate

de motoare cu aprindere prin

scânteie

2 1994

da nu

Page 231: Curs Motoare

Poluarea mediului ambiant

231

Limite de testare şi metode de

măsură a caracteristicilor de

perturbare radio a vehiculelor şi a

dispozitivelor, de bandă largă şi,

150KHz până la 1000MHz

4 2000

Niveluri de performanţă şi metode de

măsură a câmpului magnetic şi

electric a vehiculelor electrice, de

bandă largă, 9KHZ până la 30MHz

5 1997

Imunitatea electromagnetică a

vehiculului la sursele de pe vehicul 11 2000

Imunitatea electromagnetică a

vehiculului la simularea transmiterii la

bord

12 1996

Imunitatea electromagnetică a

vehiculului injecţia de curent de

substrat

13 2003

Imunitatea electromagnetică a

vehiculului-descărcarea electrostatică

(ESD)

15 2002

Imunitatea electromagnetică a

vehiculului câmpuri magnetice ale

liniilor de alimentare

17 2003

Măsurarea CEM şi limite pentru

componente (exceptând avioanele)

(50Hz până la 18GHz)

1 2002

Măsurarea CEM şi limite pentru

componente (exceptând avioanele) –

imunitate condusă, 30HZ până la

250KHz- toate cablurile

2 1996

SAE

J1113

Imunitate condusă, 250Hz până la

500MHz, injecţie directă de frecvenţă

radio (RF)

3 1995

nu da

Page 232: Curs Motoare

PARTEA II – EVALUAREA IMPACTULUI ASUPRA MEDIULUI

232

Imunitate la câmpuri

electromagnetice radiate –metoda

curentului de injecţie de substrat

4 1998

Imunitate la conducţie tranzitorie a

cablurilor de alimentare 11 2000

Interferenţă electrică prin conducţie şi

cuplaj 12 2000

Imunitate la descărcare electrostatică 13 2002

Imunitate la câmpuri

electromagnetice, 10Hz până la

18GHz, cameră cu absorbţie lineară

21 1998

Imunitate la câmpuri

electromagnetice radiate 22 2003

Imunitate la câmpuri

electromagnetice radiate, 10Hz lăţime

de bandă cu celula TEM

24 2000

Imunitate la câmpuri

electromagnetice radiate, 10 Hz până

la 500MHz- metoda liniei triple

25 1999

Imunitate la câmpuri electrice de

curent alternativ 26 2001

Imunitate la câmpuri

electromagnetice radiate, metoda

reverberaţiei

27 1995

Limite şi metode de măsură a

caracteristicilor perturbaţiilor radio a

componentelor utilizate la bordul

vehiculelor

41 2000

SAE

J1113

Emisii tranzitorii prin conducţie 42 2000

nu da

Page 233: Curs Motoare

Poluarea mediului ambiant

233

Bibliografie

[1] Adolf J. Schwab – “Compatibilitatea Electromagnetică” – ED.III-a 1993, Editura

tehnica 1996

[2] Cezar Ionescu – “Antiparazitarea instalaţiilor electrice de pe autovehicule” -

Editura Tehnică – Bucureşti 1963

[3] M Preda – “Bazele electrotehnicii” – ED. Didactică şi pedagogică” 1969

[4] Norman Bolobanian, T.A. Bickart – “Electrical network theory” 1969 John

Wiley&Sons. Inc.

[5] P.E. Grey, C.L. Searle. – “Principles Physics, and circuits” 1969 John Wiley

&Sons. Inc.

[6] ISO Standards: 7637 – 1, 2, 3,/2003, 11.451-1/2001

[7] CISPR Standards: 12/2001 and 25/2004

[8] IEC – Standard – 801-2/1991

[9] “SAE” Standards J 551 and J 1113

[10] “Directive” 2004/108/EC

[11] “Directive” 98/34/EC

[12] Measurement product catalog: Rhode – Schwartz/2003

[13] ICMET – Craiova EMC Laboratory. http\\www.ICMET.ro/lab_EMC_test _html

Page 234: Curs Motoare

PARTEA II – EVALUAREA IMPACTULUI ASUPRA MEDIULUI

234

Autori: Corneliu COFARU Daniela FLOREA

9.5. EFECTELE POLUĂRII

9.5.1. Efectele asupra sănătăţii

9.5.1.1. Efectele pe termen scurt Numeroase studii pun în evidenţă efectele poluării urbane asupra sănătăţii.

Începând cu anii ’50 s-au luat în studiu efectele poluării atmosferice asupra

mortalităţii (în particular cele legate de patologia respiratorie si cardiovasculară).

Aceste studii au fost efectuate in diverse ţări cum ar fi : Statele

Unite,Franţa,Grecia, Polonia, Marea Britanie şi Germania. Ca indicatori ai poluării

atmosferei au fost emisiile de SO2, fumul negru, particulele, oxizii de azot, oxidanţii şi

mai rar CO. Aceste emisii nu se referă numai la cele care au ca origine autovehiculul

(spre exemplu : SO2 este un indicator al poluării industriale şi al instalaţiior de

încălzire). Aceşti indicatori au fost înregistraţi si permit o bună analiză a evoluţiei in

timp a poluării şi se pot corela cu mortalitatea asociată acesteia.

În Statele Unite un studiu publicat în 1993 arată că o creştere cu 10 µg/m3 a

nivelului zilnic de particule este asociată cu o creştere de ordinul a 1% a mortalităţii

neaccidentale, cu 3,4% a mortalităţii respiratorii şi cu 1,4% a mortalităţii

cardiovasculare.

Într-o altă analiză publicată in anul 1994 se arată ca o creştere de 100 µg/m3 a

particulelor aflate în suspensie determină o creştere de 6% a mortalităţii totale

neaccidentale. De asemenea se arată că riscul relativ este constant de la un oraş la

altul în funcţie de climat şi independent de variaţiile sezoniere.

În Germania s-a demonstrat că trecerea de la conţinutul de particule observat

în 18 zile cu poluarea cea mai scăzută a anului la conţinutul de particule înregistrat în

18 zile cu cea mai mare poluare a anului determină o creştere a mortalităţii

neaccidentale cu 22% (cu 10% pentru SO2).

La Atena s-a pus în evidenţă o legătură între nivelul de SO2, fum şi CO din aer

şi mortalitate. Relaţia observată nu poate fi explicată prin condiţiile climatice asociate

şi nici prin variaţiile sezoniere. S-a constatat că o reducere cu 10% a fumului negru

(media zilnică fiind de 83 µg/m3) este legată de o reducere a mortalităţii cu 0,75%.

Efectele SO2 şi ale fumului sunt independente.

Page 235: Curs Motoare

Poluarea mediului ambiant

235

O analiză efectuată pentru perioada 1987-1992 în Ile de France pune în

evidenţă o creştere a numărului de decese în relaţie cu creşterea nivelului de

particule, SO2 şi O3. Prin luarea în considerare a 18 zile ale anului cu cea mai

scăzută poluare si raportând-o la 18 zile cu cea mai ridicată poluare dintr-un an se

constată o creştere a mortalităţii cu 3 – 6%. Mortalitatea legată de cauzele respiratorii

este strâns legată de concentraţia de particule aflate în suspensie în atmosferă. Se

poate afirma că în ţările dezvoltate după eliminarea efectelor temperaturii şi umidităţii,

mortalitatea zilnică generala se corelează cu nivelul de poluare măsurat de staţiile de

supraveghere a oraşelor. Creşterea mortalităţii zilnice poate fi de ordinul a 6% pentru

o creştere de 100 µg/m3 de particule în suspensie măsurate de reţeaua de

supraveghere. Mortalitatea din cauze respiratorii şi cardiovasculare apare în special

la subiecţii în vârstă sau la persoane care prezintă afecţiuni respiratorii sau

cardiovasculare. Decesul acestor persoane este precipitat cu o durată de câteva

săptămâni.

Relaţiile între poluarea atmosferică urbană şi mortalitate au fost stabilite şi prin

studii epidemiologice.

Studiile efectuate în Ile de France pentru intervalul 1987-1992 au evidenţiat un

decalaj variind intre 0 si 2 zile a creşterii spitalizărilor pentru cauze respiratorii

datorate ridicării nivelului de poluare cu SO2, NO2 şi O3. Manifestări mai importante

apar la persoanele vârstnice spitalizate pentru bronhopneumonii cronice datorită

nivelului de ozon de suprafaţă (nivelul mediu pentru 8 ore fiind 20 µg/m3). Aceste

spitalizări cresc cu 3% faţă de zilele din an cu cea mai scăzută poluare, iar la

creşterea nivelului de ozon la 81 µg/m3 respectiv 103 µg/m3 , creşterea spitalizărilor

este de 14,5 si 19%. Acelaşi lucru se întâmplă şi în cazul persoanelor cu astm

bronşic care este legat de nivelul de NO2 (medie zilnica pentru NO2, 43µg/m3).

Spitalizările pentru astm la copii sunt corelate cu nivelul de SO2 din atmosferă.

Creşterea spitalizărilor pentru cauze cardio – vasculare este legată de

creşterea poluării acido – particulare şi în mai mică măsură de nivelul de NO2. Pe

măsură ce se atinge nivelul zilnic de poluare (46 µg/m3 particule, 13,23 µg/m3 SO2 şi

38 µg/m3 NO2) se constată creşterea internărilor pentru cardiopatii ischemice cu

3,5%, 4,5% şi 2,49% în raport cu nivelul de poluare cel mai scăzut înregistrat în 18

zile din an. Această creştere variază între 4,6 şi 9,5% pentru nivelele de poluare cele

mai ridicate înregistrate in an.

Page 236: Curs Motoare

PARTEA II – EVALUAREA IMPACTULUI ASUPRA MEDIULUI

236

Studiile efectuate au evidenţiat o strânsă legătură între evoluţia nivelului de

poluare de fond măsurată de reţelele de supraveghere şi sănătate. În aceste studii

trebuie să se ţină seama şi de modul de viaţă al populaţiei (fumători, profesiune,

poluare casnică) deoarece analizele se aplică aceleiaşi populaţii. De aceea este încă

dificil să se acuze un poluant sau altul, o sursă sau alta, deoarece nu se dispune

decât de câţiva indicatori pentru toţi poluanţii prezenţi în atmosfera oraşelor.

Corelaţiile între varianta poluării atmosferice urbană pe termen scurt şi

sănătate sunt constante chiar pentru concentraţii scăzute ale poluanţilor în toate

anotimpurile şi independente de variaţiile meteorologice (temperatură şi umiditate).

Patologia respiratorie cu caracter alergic sau infecţios este raportată în special

la copii şi persoanele în vârstă.

9.5.1.2. Efectele pe termen lung

Influenţa expunerii la poluarea urbană pe termen lung este greu de pus în

evidenţă din cauza dificultăţilor de măsurare sau evaluare deoarece intervin o

mulţime de factori variabili.

În California, un studiu efectuat asupra populaţiei adventiste (nefumătoare)

referitor la incidenţa bolilor obstructive ale căilor respiratorii, bronşitelor cronice şi

astmului, a evidenţiat nivelul ridicat la persoanele care au fost expuse mai mult de

1000 de ore la 200µg/m3 total particule (riscul relativ fiind 1,36, 1,33 şi 1,74).

În Italia s-a efectuat un studiu care a comparat simptomatica respiratorie intre

o zonă rurală şi trei zone urbane (dintre care în două poluarea atmosferică a fost

atribuită traficului rutier iar la cea de-a treia zonă urbană poluarea atmosferică a fost

atribuită traficului rutier şi industriei). După luarea în considerare a vârstei,

tabagismului, predispoziţiei familiale la boli respiratorii şi alergice, expunerii

profesionale şi familiare, nivelului de educaţie, s-a constatat că ratele simptomelor

astmatice, dispnee şi rinitelor sunt mai ridicate în zonele urbane poluate de traficul

rutier existând riscuri relative cuprinse între 1,2 şi 2,0. Pentru a treia zonă urbană,

poluată atât de traficul rutier cât şi de industrie, riscul relativ este mult mai ridicat, fiind

cuprins între 1,7 şi 4,0.

Un studiu publicat în Statele Unite asupra particulelor fine (< 2,5µ) care dau

calitatea aerului pe un eşantion de 8000 de adulţi din şase oraşe americane într-un

Page 237: Curs Motoare

Poluarea mediului ambiant

237

interval de timp de 15 ani arată că diferenţa de supravieţuire între oraşele cele mai

puţin poluate şi cele mai poluate este de 26%.

Rezultate comparabile au fost obţinute într-un studiu recent care a vizat o

perioadă de 7 ani asupra populaţiei a 151 de oraşe americane folosind 552000 de

subiecţi. De asemenea, rezultatele au fost confirmate şi de studii efectuate în

Polonia.

Studii efectuate în diferite ţări ale lumii au evidenţiat că modul de viaţă urban

conduce la ridicarea ratei de incidenţă a cancerului de esofag, ficat, plămân, col

uterin, prostată, sistem limfatic şi a tuturor cancerelor combinate la populaţia

rezidentă în oraşe. Cauzele încă nu sunt stabilite cu precizie din cauza factorilor

variabili care intervin pe o perioadă lungă de timp. Se cunoaşte cu certitudine

incidenţa ridicată la cancerul de plămâni la populaţia fumătoare însă nu s-a stabilit cu

precizie interacţiunea dintre fumat şi poluarea atmosferică, cu toate că studiile

efectuate în diferite oraşe cu populaţii nefumătoare distincte (mormoni, adventişti)

sugerează o interacţiune asociativă între fumat şi poluare atmosferică.

Tabelul 9.10 - Valori limită ale poluării aerului (Europa)

Poluanţi Parametrul statistic considerat

Valoare limită [µg/m3]

Valoare ghid [µg/m3]

98% din conţinutul

zilnic de SO2 pe anul

tropic

250 dacă fumul

negru > 150

300 dacă fumul

negru < 150

98% din conţinutul

zilnic de fum negru

pe anul tropic

250

Conţinutul median

zilnic de SO2 pe anul

tropic

80 dacă conţinutul

median de fum negru

> 40

120 dacă media

conţinutului de fum

negru < 40

SO2

Particule fine în

suspensie (fum

negru sau particule

solide)

Conţinutul median

zilnic de fum negru

pe anul tropic

80

Page 238: Curs Motoare

PARTEA II – EVALUAREA IMPACTULUI ASUPRA MEDIULUI

238

Conţinutul median

zilnic de SO2 pe

perioada de iarnă

(oct. – mart.)

130 dacă conţinutul

median de fum negru

> 60

180 dacă conţinutul

median de fum negru

< 60

Conţinutul median

zilnic de fum negru

pe perioada de iarnă

(oct. – mart.)

130

Media aritmetică a

conţinutului zilnic de

SO2 şi de fum negru

în timpul anului tropic

40 – 60

Conţinutul maxim

zilnic de SO2 şi fum

negru în timpul anului

tropic

100 – 150

Plumb Media conţinutului

zilnic pe un an civil 2

98% din conţinutul

orar pe anul civil 200 135

NO2 Conţinutul median al

mediei orare pe anul

civil

Anul tropic = 1 aprilie – 31 martie ; Median = 50%

Page 239: Curs Motoare

Poluarea mediului ambiant

239

Tabelul 9.11 - Recomandări ale OMS asupra nivelului de poluare al aerului

Durata măsurătorii Poluant U/M 10 -15

min. 30 min.

1 oră 8 ore 24 ore 1 an

SO2 µg/m3 500 - 350 - 125 50

Total

particule în

suspensie

µg/m3 - - - - 120 -

SO2 + fum

negru µg/m3 - - - -

125 +

125 50 + 50

CO µg/m3 100 60 30 10 - -

NO2 µg/m3 - - 200 - 150 40

O3 µg/m3 - - 150 –

200

100 –

120 - -

Pb µg/m3 - - - - - 0,5 – 1

Formaldehidă

(HCHO) µg/m3 - 100 - - - -

Toluen

(CH3C6H5) µg/m3 - - - - 7500 -

O3 (protecţie

vegetaţie) µg/m3 - - 200 - 65

60 -

anotimp

vegetaţie

NO2

(protecţie

vegetaţie)

µg/m3 - - 95 – pe durată

de 4 ore - 30

Page 240: Curs Motoare

PARTEA II – EVALUAREA IMPACTULUI ASUPRA MEDIULUI

240

9.5.2. Efectele asupra florei, faunei şi solului

Studiile efectuate au arătat că 65% din poluanţii emişi de traficul rutier pe o

infrastructură rutieră interurbană se dispersează în vecinătatea străzii contaminând

culturile şi fauna, direct sau indirect, traversând alimentaţia.

Impactul poluării aerului, legat de infrastructura rutieră, asupra ecosistemelor

şi resurselor biologice poate fi abordat prin două tipuri de expunere la poluanţi :

- direct, prin aer

- indirect, rezultând din posibilitatea de transfer a poluanţilor prin intermediul

apei sau solului la faună sau floră şi prin lanţul alimentar poate ajunge la om;

La nivelul biocenoză se disting trei categorii de organisme definite de funcţiile

ecologice pe care le îndeplinesc :

1. producătorii primari (vegetali), capabili să sintetizeze materii organice

plecând de la elementele minerale;

2. consumatori (erbivore, carnivore, omnivore) care nu pot trăi decât în

dependenţă cu materia organică fabricată de producătorii primari;

3. descompunătorii, care asigură transformarea materiei organice moarte în

elemente minerale;

Aceste trei categorii de organisme depind foarte strâns unele de altele sub formă

liniară, relaţiile alimentare existente între ele constituind un lanţ trofic. Contaminarea

mediului ambiant cu agenţi poluanţi se va traduce cu transferul lor în fiinţele vii.

9.5.2.1. Efectul asupra florei De la începutul secolului şi până în anii ’80, efectul poluării atmosferice asupra

vegetaţiei a fost legat de puternica concentraţie de SO2 care provenea în principal

din emanaţiile gazoase datorate industriei şi a instalaţiilor de încălzire şi s-a

caracterizat printr-un puternic impact : necroza florală, mortalitate ridicată la speciile

sensibile, dispariţia lichenilor în oraş.

După 1980, concentraţia de SO2 din atmosferă se diminuează, însă vegetaţia

este expusă la o nouă agresiune a poluanţilor atmosferici datorită creşterii poluării

datorate transporturilor.

Poluarea atmosferică are două acţiuni asupra florei :

- o acţiune în proximitatea infrastructurilor rutiere;

Page 241: Curs Motoare

Poluarea mediului ambiant

241

- o acţiune globală, departe de sursele punctuale, care determină pierderea

randamentului culturilor de cereale (datorită prezenţei ozonului de suprafaţă) sau

creşterea efectului de seră;

Poluanţii primari, CO, NOx, HC si particulele sunt puţin fitotoxice. Acţiunea

asupra vegetaţiei este datorată transformării lor în poluanţi secundari :

- fenomenul de ploi acide;

- ozonul de suprafaţă;

În mediul urban concentraţia poluanţilor secundari este scăzută şi efectele

asupra vegetaţiei urbane sunt slabe. Aici se pune mai mult problema sărăturării

solului datorită aplicării pe infrastructura rutieră a materialelor de curăţenie şi

implementarea acestora în sol.

În mediul interurban poluanţii (în principal ozonul) se repartizează pe un

teritoriu întins. Chiar şi la concentraţii scăzute ale poluanţilor, datorită reacţiilor de

apărare ale vegetaţiei, vitalitatea acestora scade, ceea ce antrenează o scădere a

randamentului exploatărilor agricole şi forestiere.

Poluarea gazoasă pătrunde în plante prin intermediul unor mici orificii situate

pe frunze (stomate). Plantele reacţionează la acest stres oxidant prin închiderea

stomatelor şi prin eliberarea de enzime. După absorbţie, poluanţii antrenează

perturbaţii la nivelul unui mare număr de procese fiziologice celulare şi planta

reacţionează punând în funcţiune procese de restabilire. Pericolul apare când planta

nu poate repara sau compensa disfuncţiile celulare. La doze mari ale poluanţilor

disfuncţiile celulare pot deveni ireversibile şi pot provoca mortalitatea celulară şi

apariţia necrozei frunzelor.

Sensibilitatea la fiecare poluant variază în funcţie de speciile vegetale şi în

funcţie de factorii abiotici (temperatură, umiditate, lumină) şi biotici (boli, paraziţi,

genotip, vârstă) care modifică fiziologia plantei şi răspunsul la poluant.

Fitotoxicitatea poluanţilor este diferită: astfel, O3 este mai toxic decât SO2 care

este şi el mai toxic decât NO2. Efectele acestor poluanţi depind înainte de toate de

doza de poluant preluată, adică de concentraţia acestuia în aer şi de timpul de

expunere. De asemenea la doze egale sa constată că reacţia plantei la poluant

depinde de dinamica dozei. Valorile de vârf ale poluării pe un timp scurt au efectele

cele mai puternice. Valorile scăzute ale poluanţilor dau doze slabe ce produc

perturbaţii metabolice care pot să nu aibă efecte vizibile dar ele se vor traduce intr-o

pierdere de randament.

Page 242: Curs Motoare

PARTEA II – EVALUAREA IMPACTULUI ASUPRA MEDIULUI

242

Ozonul de suprafaţă este poluantul principal care are o influenţă majoră

asupra randamentului culturilor agricole. Ozonul contribuie cu 90% la pierderea

randamentului agricol datorat poluării atmosferice. Nivelele ridicate ale concentraţiei

ozonului de suprafaţă se întâlnesc în perioada de vară şi pot determina diminuarea

randamentelor recoltelor şi arborilor forestieri între 5 şi 15%.

9.5.2.2. Poluarea în vecinătatea infrastructurii de transport Studii şi analize au scos în evidenţă impactul pe care-l are poluarea datorată

traficului rutier în jurul infrastructurii de transport. Prin analiza fotografiilor aeriene s-a

evidenţiat nivelul de defoliere al molizilor în limita a 200 m în raport cu o autostradă la

depăşirea nivelului de zgomot de fond al traficului. Efectele poluării chimice gazoase

sunt încă puţin studiate.

Se cunoaşte însă sigur că sarea utilizată pentru curăţirea de zăpadă a

străzilor interurbane are un efect de reducere generală a creşterii vegetaţiei.

Pe o stradă de mare viteză sarea împrăştiată pentru curăţire este proiectată la

mai mult de 100 m şi ea constituie sursa principală de poluare.

Asupra coniferelor efectul vizibil al acestui tip de poluare apare la sfârşitul

iernii. La răşinoasele cu frunză permanentă, acele de un an iau o culoare brun-

roşiatică începând de la extremitatea acestora, cele mai în vârstă cad prematur

afectând capacitarea fiziologica a arborilor. Se mai poate constata că ramurile care

primesc proiecţii saline se usucă şi mugurii mor. De asemenea, ramurile devin tot

mai scurte şi în final se constată dispariţia lor.

Asupra foioaselor stricăciunile apar la creşterea primăvăratică şi la începutul

înfloririi. La arborii şi arbuştii care schimbă frunza şi asupra cărora au fost proiectate

soluţii saline se remarcă moartea unei părţi din muguri şi întârzierea apariţiei

frunzelor. Anumite ramuri pot rămâne în totalitate fără frunze. După o iarnă, ramurile

moarte sunt înlocuite de noi vlăstare pornind de la muguri neatinşi de sare. La

trecerea mai multor ierni noile mlădiţe devin din ce in ce mai scurte şi se localizează

la baza tijei ramurii. Ramificaţia rezultată la această creştere în tufă este cunoscută

sub denumirea de “mătura vrăjitoarei“.

Impactul proiecţiilor de sare este mai important pe partea expusă drumului şi

este influenţat de direcţia vântului dominant. Partea cea mai afectată a arborilor şi

arbuştilor se situează între 0 şi 2 m înălţime.

Page 243: Curs Motoare

Poluarea mediului ambiant

243

9.5.2.3. Contaminarea solului datorită infrastructurii de transport

Contaminarea solului este datorată prezenţei poluanţilor care sunt dispersaţi

de traficul rutier şi care se depun pe sol.

Poluanţii sub formă solubilă sunt cei mai toxici deoarece ei sunt asimilaţi de

către plante după ce au fost absorbiţi prin rădăcini. Aceşti poluanţi se pot acumula în

plante şi pot contamina lanţul trofic.

Posibilitatea de acumulare în plante a metalelor variază în funcţie de numeroşi

parametri cum ar fi : tipul solului (pH, compoziţie, etc.), tipul elementului, specia din

care face parte planta, tipul organului considerat.

Pentru a se studia impactul contaminării solului trebuie întâi să se studieze

caracteristicile pedologice ale solului şi speciile prezente pe acest sol. Pe de altă

parte trebuie să se inventarieze caracteristicile drumului pentru că s-a constatat

contaminarea diferită a solului în funcţie de geometria infrastructurii rutiere (debleu,

rambleu) fără a neglija rolul vegetaţiei înconjurătoare şi a condiţiilor climatice locale.

S-a demonstrat relaţia între conţinutul de metale din ecosistem şi distanţa de

infrastructura de transport rutier.

S-a efectuat studiu pe o traiectorie perpendiculară pe o autostradă cu puncte

de măsurare situate la 5, 10, 20, 40, 80 şi 200 m de autostradă pe o adâncime de 10

cm. Determinarea conţinutului de metale grele ale fondului geochimic al diferitelor

formaţiuni superficiale întâlnite a permis să caracterizeze nivelul de contaminare în

funcţie de distanţa de la autostradă. Poluarea maximă autorizată pentru solurile

agricole se obţine scăzând conţinutul fondului geochimic standard din conţinutul

maxim admisibil (pentru unele ţări europene atât conţinutul de metale grele al

fondului geochimic standard cât şi conţinutul maxim admisibil de metale grele sunt

legiferate). Rezultatele studiului pe traiectul luat în considerare sunt :

zinc : Poluarea este maximă la primele puncte de măsurare (5 si 10 m), după

care ea descreşte şi devine nesemnificativă sau nulă la distanţa de 20 la 100 m de

autostradă. Poluarea maximă este pe partea de sub vânt şi nu a depăşit 65 ± 10 ppm

şi rămâne inferioară maximului permis de 250 ppm pentru terenurile agricole (in

Franţa conţinutul maxim este de 300 ppm iar în Germania fondul geochimic standard

situează conţinutul de zinc la 50 ppm).

plumb : Poluarea este maximă la nivelul taluzului, după care descreşte câte

puţin cu distanţa de la autostradă ca să dispară începând cu distanţa de 20 până la

Page 244: Curs Motoare

PARTEA II – EVALUAREA IMPACTULUI ASUPRA MEDIULUI

244

80 m. Poluarea măsurată rămâne moderată ea situându-se la valoarea de 30 ± 15

ppm şi este inferioară maximului permis de 70 ppm.

cadmiu : Nu s-a înregistrat o poluare vizibilă, valorile situându-se în jurul

conţinutului fondului geochimic standard.

nichel, arsenic : Până în prezent aceşti poluanţi au fost puţin studiaţi însă ei

vor fi luaţi în calcul prin reglementările viitoare.

Studiul a evidenţiat că poluarea este maximă pentru primii 10 cm de sol la o

distanţă de 5 – 10 m de autostradă.

9.5.2.4. Contaminarea vegetaţiei datorită traficului rutier

Metalele grele pot fi toxice pentru plante. Din punct de vedere fiziologic,

metalele grele se pot grupa în două clase : elemente necesare metabolismului

plantelor şi care pot deveni toxice dacă ele sunt absorbite în cantităţi mai mari decât

necesar (ex : zincul) şi elemente care nu sunt necesare metabolismului plantelor (ex

: cadmiu, plumb) şi care absorbite sunt toxice la concentraţii foarte mici.

Un caz aparte de poluare îl constituie praful. Depozitele de praf pot fi la

originea stresului asupra vegetaţiei situate în lungul străzii şi care se traduce prin

multiplicarea înfrunzirii arborilor sau prin dificultăţi de plantare a unor arbuşti tineri.

Culturile de pomi fructiferi, grădinile de zarzavat şi culturile furajere din

proximitatea infrastructurii rutiere sunt cele mai expuse şi prezintă riscul transferului

poluanţilor la animale şi om. Culturile de cereale sunt relativ protejate de

caracteristicile seminţelor.

Acoperirea suprafeţelor din proximitatea infrastructurii rutiere cu

bioacumulatori pasivi de tipul gramineelor are avantajul de a pune în evidenţă

importanţa metalelor grele depuse pe frunze sau incorporate în părţile interne ale

vegetaţiei.

9.5.2.5. Contaminarea faunei datorită traficului rutier

Emisiile automobilelor sunt susceptibile să contamineze fauna direct sau

indirect, prin alimentaţie. Studiile efectuate asupra populaţiei de animale sălbatice au

scos în evidenţă faptul că iepurii care trăiesc în vecinătatea unei autostrăzi prezintă

în blană o concentraţie de plumb de trei ori mai mare decât cei care trăiesc în zone

Page 245: Curs Motoare

Poluarea mediului ambiant

245

mai îndepărtate. Din aceste situaţii a reieşit că odată cu mărirea traficului şi a pantei

autostrăzii contaminarea se agravează iar precipitaţiile puternice o diminuează.

Rezultatele preliminare ale unui studiu asupra micromamiferelor ce trăiesc în zona

bordurii infrastructurii rutiere (şoarecele de câmp roşiatic, şoarecele de pădure,

chiţcanul pigmeu şi chiţcanul încoronat) prezintă o rată de contaminare cu plumb mai

ridicată cu 78,7 % a două organe analizate (ficat şi rinichi).

Rezultatele obţinute arată o bună corelare între regimul alimentar şi

contaminare. La chiţcani (carnivori), contaminarea este mai puternică decât la

şoarecele de pădure (granivor) şi şoarecele de câmp roşcat (omnivor). Deci,

acumularea contaminanţilor are loc în lanţul trofic.

La nivelul speciilor domestice, un studiu efectuat asupra oilor care păşteau în

apropierea infrastructurii rutiere de la periferia Londrei a evidenţiat că lâna acestora

avea un conţinut de metale net superior acelora care păşteau la distanţe

considerabile. Concentraţia de plumb din sângele acestora se corelează foarte bine

cu expunerea la emisiile autovehiculelor. Aceleaşi efecte s-au constatat şi la caii care

păşteau în imediata vecinătate a autostrăzii, asimilarea metalelor făcându-se fie pe

cale respiratorie, fie pe cale alimentară.

În studiile de impact al unei infrastructuri rutiere asupra mediului, starea iniţială

se adoptă aceea a mediului care va fi traversat de aceasta, ţinând seama de zonele

sensibile şi care trebuie protejate (culturi specializate, grădini de zarzavat, culturi

fructifere) prin măsuri de reducere a poluării (panouri, ecrane).

9.5.2.6. Efectele emisiilor transportului rutier asupra clădirilor

În aglomerările urbane sau industriale, clădirile, edificiile şi diversele

monumente prind în general, cu timpul, o patină care contribuie la frumuseţea

patrimoniului. Uzura naturală a clădirilor prin îmbătrânirea materialelor, eroziune,

ploaie sau îngheţ este lentă.

În prezenţa unui poluant atmosferic suprafaţa clădirilor se murdăreşte şi

materialele se distrug mai rapid, apare o înnegrire inestetică şi trebuie intervenit

frecvent pentru a se evita degradarea în profunzime a materialelor, picturilor şi pentru

păstrarea frumuseţii şi bogăţiei patrimoniului istoric.

Acest efect al poluării poate fi observat atât la clădirile expuse direct emisiilor

autovehiculelor (poluare de proximitate) cât şi la faţadele clădirilor neexpuse (poluare

Page 246: Curs Motoare

PARTEA II – EVALUAREA IMPACTULUI ASUPRA MEDIULUI

246

de fond), contribuţia transportului rutier la efectele asupra clădirilor fiind diferită în

cele două cazuri.

Deteriorarea faţadelor clădirilor expuse circulaţiei rutiere se manifestă prin :

- murdărirea provocată de depozitele de funingine (gazele Diesel) şi a altor

particule provenind de la uzura pneurilor, ambreiajului, frânelor şi îmbrăcăminţii

străzii;

- fărâmiţarea pietrelor de faţadă;

- coroziunea picturilor şi metalelor dată de către NOx şi SO2;

- fisuri şi distrugeri cauzate de vibraţii;

S-a demonstrat că în zonele rurale (Elveţia) durata medie de viaţă a faţadelor

clădirilor expuse unei intense circulaţii rutiere este cu 20 – 30 % mai redusă decât

cea a faţadelor neexpuse.

La expunerea indirectă deteriorarea constă într-o înnegrire inestetică a

suprafeţelor clădirilor însoţită de dezvoltarea unei cruste de culoare neagră sulfatată

constituită dintr-un ciment gipsos care include particule provenind din poluarea

aerului cum ar fi cenuşa din atmosferă, emisă la arderea cărbunilor şi combustibilului

greu în marile instalaţii industriale, microfuninginea, emisă la arderea combustibililor

uşori (motoare Diesel, instalaţii de încălzire casnice) şi a arderii produselor vegetale.

Cu timpul, la suprafaţa clădirilor, statuilor şi a altor construcţii se constată o

alternanţă a zonelor de culoare albă, la partea expusă la ploaie, cu zone negre, la

partea adăpostită. Zonele albe spălate de ploaie sunt supuse fenomenelor de

eroziune şi dizolvare a pietrei direct legată de aciditatea precipitaţiilor. Sub crusta

formată piatra rămâne intactă în zonele adăpostite (excepţie făcând pietrele poroase

care se degradează prin pătrunderea în material a gipsului). Formarea crustei negre

nu este legată de materialul clădirii : piatră calcaroasă sau silicoasă, sticlă, metal sau

lemn.

Un alt mecanism de degradare a suprafeţelor este legat de poluarea cu SO2 a

atmosferei, care determină transformarea carbonatului de calciu în sulfat de calciu,

ceea ce dă naştere la fenomene de dilatare şi de apariţie a crăpăturilor.

Prin studierea compoziţiei crustei formate la suprafaţa zidurilor se poate

determina participaţia transportului rutier la deteriorarea clădirilor.

Page 247: Curs Motoare

Poluarea mediului ambiant

247

Bibliografie [1] Bobescu, Gh.,şa - Tehnici speciale pentru reducerea consumului de

combustibil şi limitarea noxelor la autovehicule. - Universitatea din

Braşov,1989.

[2] Cofaru, C., ş.a.. - Autovehiculul şi mediul. Editura Universităţii Transilvania

Braşov, 1999. ISBN 973-98512-3-1.

[3] Cofaru.C. –Legislatia şi ingineria mediului in transportul rutier Editura

Universităţii Transylvania Brasov 2002 ,ISBN 973-635-185-8

[4] Degobert, P. – Automobiles and Pollution – SAE International, 1995.

Page 248: Curs Motoare

PARTEA II – EVALUAREA IMPACTULUI ASUPRA MEDIULUI

248

Autor: Corneliu COFARU

10. LEGISLAŢIA REFERITOARE LA EVALUAREA IMPACTELOR DE MEDIU

10.1. INTRODUCERE Directiva 2001/42/EC a Parlamentului European şi a Consiliului, care se referă

la evaluarea efectelor anumitor planuri şi programe asupra mediului („Directiva

SEA”), acestă directivă a intrat în vigoare la 21 iulie 2001. Directiva obligă autorităţile

publice să considere dacă planurile sau programele pe care le pregătesc vin în

întâmpinarea scopului acestei Directive şi, deci, dacă este necesară realizarea unei

evaluări de mediu a acestor propuneri, în conformitate cu procedurile din Directivă.

Directiva 2001/42/EC a fost transpusă în legislaţia română prin HG 1076/2004 privind

stabilirea procedurii de realizare a evaluării de mediu pentru planuri şi programe

(publicată în Monitorul Oficial, partea I, nr. 707 din 5 august 2004).

Experienţa Directivei 85/337/EEC, în ceea ce priveşte evaluarea efectelor

anumitor proiecte publice şi private asupra mediului („Evaluarea impactului asupra

mediului sau Directiva EIA”) a arătat că este important să se asigure o aplicare şi o

implementare consecventă în toată Comunitatea pentru a realiza potenţialul maxim

în ceea ce priveşte protecţia mediului şi dezvoltarea durabilă.

Acest document nu-şi propune să explice cum se realizează o evaluare de

mediu, deşi oferă unele sfaturi practice despre cum pot fi îndeplinite anumite cerinţe.

Documentul este util autorităţilor care trebuie să aplice Directiva şi deci HG

nr.1076/2004 (HG SEA), în pregătirea planurilor şi programelor lor. Poate fi util şi

atunci când autorităţile iau în considerare şi Protocolul UNECE asupra evaluării

strategice de mediu, care a fost semnat şi de România la 21 mai 2003 în cadrul celei

de-a cincia Conferinţe Ministeriale „Mediu pentru Europa”, la Kiev, în Ucraina.

Prezentul manual are la bază Ghidul privind implementarea Directivei 2001/42/EC

privind evaluarea efectelor anumitor planuri şi programe asupra mediului, elaborat de

Directoratul General-Mediu al Comisiei Europene.

Page 249: Curs Motoare

Legislatia referitoare la evaluarea impactelor de mediu

249

10.2. OBIECTIVUL H.G. 1076/2004 Obiectivul H.G. 1076/2004 este de a asigura un nivel înalt de protecţie a mediului şi

de a contribui la integrarea consideraţiilor cu privire la mediu în pregătirea şi

adoptarea anumitor planuri şi programe, în scopul promovării dezvoltării durabile,

prin efectuarea unei evaluări de mediu a planurilor şi a programelor care pot avea

efecte semnificative asupra mediului, prin :

• asigurarea unui nivel înalt de protecţie a mediului;

• contribuirea la integrarea aspectelor de mediu în pregătirea şi adoptarea

anumitor planuri şi programe care promovează dezvoltarea durabilă.

Transpunerea acestei Directive prin HG 1076/2004 realizează integrarea

obiectivelor de protecţie a mediului în celelalte sectoare ale activităţii economice,

asigurând concordanţa legislaţiei naţionale în domeniu cu cea comunitară.

Bibliografie [1] www.mmediu.ro/legislatie/legislatie.

[2] http://eur-lex.europa.eu/en/index.htm

Page 250: Curs Motoare

PARTEA II – EVALUAREA IMPACTULUI ASUPRA MEDIULUI

250

Autor: Corneliu COFARU 11. BAZELE TEORETICE ALE EVALUĂRII IMPACTULUI DE MEDIU

11.1. PRINCIPIILE EVALUĂRII IMPACTULUI DE MEDIU (EIM) 11.1.1. Natura evaluării impactului de mediu

Evaluarea impactului de mediu poate fi definit în sens restrâns ca fiind

procesul prin care se identifică consecinţele asupra mediului datorate activităţilor

umane înainte ca aceste activităţi să înceapă. Comisia economică pentru Europa a

ONU dă următoarea definiţie:

“evaluarea impactului este o activitate planificată asupra mediului”.

11.1.1.1. Evaluarea impactului de mediu(EIM) - proces În esenţă, EIM este un proces sistematic prin care se examinează

consecinţele acţiunilor de dezvoltare asupra mediului, paşii de procesului sunt

descrişi în Tabelul 11.1

Tabelul 11.1.Paşii procesului de evaluare a impactului asupra mediului

Nr crt.

Paşii procesului de evaluare

Activităţi

1 Prezentarea proiectului;

Se realizează o descriere a aplicării evaluării impactului asupra mediului asupra impactelor majore ale proiectului

2 Întindere;

In stadiul incipient la orice proiect se iau în considerare toate posibilele impacte pornind de la toate alternativele ale acestuia

3 Luarea în considerare a alternativelor;

Se prezintă toate alternativele fezabile ale proiectului ca: locaţii, mărime, procese, aşezare,condiţii de funcţionare.

4 Descrierea acţiunilor de dezvoltare a proiectului;

Se realizează o clarificare raţională a proiectului pentru a înţelege mai bine diferitele caracteristici incluzând stadii de dezvoltare , locaţie şi procese.

5 Descrierea liniei de bază a mediului;

Se stabilesc stările prezente şi viitoare ale mediului în absenta proiectului luând în considerare schimbările care survin datorita evenimentelor naturale şi din alte activităţi umane.

6 Identificarea principalelor impacte;

In acest stadiu se aduc împreună paşii anteriori cu scopul de a se evidenţia identificarea tuturor impactele potenţiale

Page 251: Curs Motoare

Bazele teoretice ale evaluarii impactului de mediu

251

asupra mediului şi că ele au fost luate în procesul de evaluare..

7 Previziune a impactelor

Scopul este de a identifica mărimea sau alte dimensiuni ale schimbării mediului prin implementarea proiectului in comparaţie cu situaţia fără proiect.

8 Evaluarea si aprecierea impactelor semnificative

Se realizează o evaluare a relevanţei impactelor previzionate focalizată în special pe impactele negative.

9 Diminuare

Se prezintă măsurile de anulare, reducere remediere sau compensare pentru orice impact negativ semnificativ.

10 Consultarea si participarea publicului

Scopul consultării publicului este de a asigura calitate , înţelegerea si eficienţă a evaluării impactului asupra mediului. Opiniile publicului trebuie luate in considerare la adoptarea deciziei.

11 Prezentare evaluării impactului de mediu

Este pasul vital al procesului, deoarece în cazul în care nu este întocmit adecvat el poate fi contestat

12 Revizuire

Implică o evaluare sistematică a EIM ca o contribuţie la luarea deciziei.

13 Luarea deciziei

Luarea deciziei privind implementarea unui proiect se realizează pe baza EIM şi a altor documente relevante

14 Monitorizare după luarea deciziei

Se realizează înregistrarea rezultatelor asociate cu dezvoltarea impactelor după ce decizia a fost luată. Contribuie la managementul efectiv al proiectului.

15 Audit Auditul urmează după monitorizare. Poate implica compararea rezultatelor previzionate cu cele efective si poate compara daca masurile de diminuare previzionate corespund celor efective.

11.1.1.2. Prezentarea impactului de mediu – documentaţie

Documentele de prezentare a impactului de mediu prezintă informaţii şi

estimări ale impactelor care derivă din diferiţii paşi în proces.

În general la întocmirea documentaţiei privind evaluarea impactului asupra

mediului se aplica principiul “ prevenţia este mai bună decât remedierea”.

In dezvoltarea raportului se pot scoate in evidenţă impacte negative care pot

conduce la anularea sau modificarea proiectului.

În conţinutul documentaţiei este necesară o descriere nontehnică prin care să

se îmbunătăţească comunicarea cu diferitele părţi implicate. De asemenea trebuie sa

Page 252: Curs Motoare

PARTEA II – EVALUAREA IMPACTULUI ASUPRA MEDIULUI

252

se rescrie metodele de elaborare ale studiului încă de la început pentru a clarifica

informaţiile de bază ale acestuia. Cuprinsul studiului obligatoriu va conţine programul

de monitorizare, conţinutul raportului EIM variază de la caz la caz.

Dezvoltarea activităţilor unui proiect pot avea impact nu numai asupra

mediului fizic dar şi asupra mediului economic şi social. Pot fi afectate oportunităţile

locurilor de muncă, serviciile ( ex:. sănătate învăţământ) structura comunităţii, stilul

de viaţă, etc.

Ca parte integrantă a studiului de impact se poate adăuga un capitol care să

privească evaluarea impactului socio-economic sau evaluare a impactului social.

Evaluarea strategică a mediului extinde EIM de la proiect la politici, planuri şi

programe. Există proiecte la care EIM trebuie să conţină un capitol special dedicat

Managementul riscului datorită riscurilor potenţiale pe care le implica implementarea

proiectului.

11.1.1.3. Scopurile evaluării impactului asupra mediului

Factor de luarea deciziei

Pentru organismele decizionale (autorităţi locale, autorităţi departamentale ,

autorităţi guvernamentale) alături de documentele de planificare, studiile de evaluare

a impactelor asupra mediului oferă o examinare sistematică a implicaţiilor asupra

mediului a activităţilor de implementare a proiectelor de dezvoltare şi alternativele la

aceste proiecte, cu mult timp înainte de luarea deciziei.

Studiile de impact asupra mediului nu se substituie luării deciziei ci aduce

clarificări asupra implementării proiectelor de dezvoltare ceea ce determina luarea

deciziilor raţionale şi bine structurate. Luarea deciziilor se constituie atunci, intr-un

proces de negociere între iniţiatorul proiectului, grupuri de interese , public şi

organismul planificator. Decizia va reflecta o balanţă între interesele de dezvoltare şi

mediu.

Factor în formularea acţiunilor de dezvoltare

Luarea în considerare a impactelor asupra mediului în activitatea de

planificare ale dezvoltării zonale şi regionale poate conduce la o dezvoltare axată pe

mediu. Această abordare poate duce la îmbunătăţirea relaţiilor dintre iniţiatorul

proiectului care vede în EIM o îngrădire suplimentară şi restul actorilor interesaţi de

Page 253: Curs Motoare

Bazele teoretice ale evaluarii impactului de mediu

253

mediu ( organismele de planificare, autorităţi locale şi public). In aceste condiţii EIM

oferă un avantaj major deoarece iniţiatorul proiectului are cadrul necesar stabilirii

locaţiei proiectului , a cerinţelor de realizare a proiectului şi îndeplinirea cerinţelor de

mediu.

La ora actuala cererea crescândă de bunuri fără efecte negative asupra

mediului a impus iniţiatorilor de proiecte de dezvoltare o abordare flexibilă prin care

sa negocieze câştigul ecologic al soluţiilor prin care se poate elimina sau diminua

impactele negative pentru a reduce opoziţia locala la implementarea proiectelor şi să

anuleze eventualele costuri datorate reclamaţiilor ulterioare.

Factor de dezvoltare durabilă

Rolul principal şi central al studiului de impact este de instrument pentru

obţinerea unei dezvoltări durabile deoarece principiul care-l ghidează este „mai bine

previi decât să repari”.

Scopul economic principal este creşterea Produsului Naţional Brut utilizând

mai multe intrări pentru a obţine mai multe produse şi servicii, însă acest scop este

însoţit de efectul propriei distrugeri, deoarece creşterea intrărilor necesită mai multe

resurse, iar rezultatele nu sunt numai o cantitate mărită de bunuri şi servicii ci ţi o

cantitate sporita de deşeuri ( gazoase, lichide ,solide). O lungă perioada de timp

dezvoltarea economică a fost însoţită de poluare a mediului şi secătuire a resurselor

naturale.

în ultimii ani s-a recunoscut de la nivel local la nivel internaţional interacţiunea dintre

dezvoltarea economică şi socială şi mediul înconjurător şi impactul mutual între

activităţile umane şi lumea biofizică.

Primele programe europene de acţiune în domeniul mediului au pus bazele

unei legislaţii în diverse domenii cum ar fi: poluarea aerului, protecţia naturii,

managementul deşeurilor, evaluarea impactului de mediu, etc.

Procesul de dezvoltare în corelaţie cu mediul este prezentată în următoarea

figură.

Page 254: Curs Motoare

PARTEA II – EVALUAREA IMPACTULUI ASUPRA MEDIULUI

254

Fig.11.1. Corelarea procesului de dezvoltare cu mediul

Cel de al cincilea program de acţiune în domeniul mediului „Către dezvoltarea

durabilă” pune accentul pe integrarea performanţelor tehnologice cu protecţia

mediului în diferite sectoare economice cum sunt industria, energia,transportul,

agricultura şi turismul. Politica de mediu pentru aceste sectoare se bazează pe

principiul precauţiei, în acest context toate atingerile asupra mediului trebuie

rectificate la sursă, pentru atingerea obiectivelor propuse au fost implementate

instrumente noi care fexibilizează intervenţiile asupra mediului.

11.1.2. Proiectele de dezvoltare şi impactul de mediu

11.1.2.1. Natura proiectelor de dezvoltare

Proiectele de dezvoltare au o mare varietate atingând toate sectoarele

economice, ele implicând investiţii majore .Aceste proiecte putând fi: proiecte pentru

activităţi extractive cum ar fi: fabrici petrochimice, fabrici siderurgice, sonde, mine şi

cariere; obiective industriale; infrastructură rutieră; facilităţi diferite pentru deşeuri;

centre comerciale; noi facilităţi din domeniul sănătăţii şi învăţământului, utilităţi şi

infrastructură cum ar fi: centrale electrice, rezervoare, conducte baraje etc.

Proiectele care privesc infrastructura se pot împărţi în proiecte punctiforme şi

proiecte bandă sau liniare.

Proiectele punctiforme pot include: centrale electrice, poduri, porturi etc.

Proiectele liniare (bandă) includ: linii de înaltă tensiune, drumuri si canale.

Page 255: Curs Motoare

Bazele teoretice ale evaluarii impactului de mediu

255

O schemă cadru a unei dezvoltări durabile se prezintă în următoarea figură.

11.2. Proiecte de dezvoltare şi impactul de mediu

Aceste proiecte au în vedere ocuparea unei mari suprafeţe şi utilizarea unui

număr de personal atât în faza de construcţie cât şi în faza de funcţionare a

obiectivului.

Tabelul 11.2. Caracteristicile proiectelor de dezvoltare

Nr.crt. Caracteristici 1. Investiţie majoră de capital 2. Ocupă o suprafaţă mare şi implică un număr ridicat de personal 3. Dispunere complexă a legăturilor organizaţionale 4. Gama largă a impacturilor 5. Impacturi semnificative 6. Cere proceduri speciale 7. Domenii: extracţie, industrie primară inclusiv agricultură, servicii,

infrastructură, utilităţi 8. Sursă: liniară, punctiformă

Page 256: Curs Motoare

PARTEA II – EVALUAREA IMPACTULUI ASUPRA MEDIULUI

256

Proiectele de dezvoltare au un ciclu de viaţă de proiectare şi dezvoltare

incluzând o mare varietate de stadii. Cunoaşterea stadiilor este importantă deoarece

impactele asupra mediului variază semnificativ de la stadiu la stadiu.

Principalele stadii de dezvoltare a unui proiect se prezintă in schema

următoare:

Fig.11.3.Schema planificării şi dezvoltării unui proiect de dezvoltare Proiectele sunt iniţiate să răspundă unor nevoi, ele pot fi înaintate urmând diferite căi:

• Să răspundă la oportunităţile pieţei (ex. oraşe de vacanţă, centre comerciale,

staţii distribuţie gaze);

• Să răspundă unor necesităţi publice;

• Să răspundă unor necesităţi de prestigiu ( reabilitări de muzee, clădiri istorice,

etc.);

• Iniţiative ale sectorului public.

Page 257: Curs Motoare

Bazele teoretice ale evaluarii impactului de mediu

257

Stadiul de planificare poate să dureze mai mulţi ani li în urma studiilor de

planificare se adoptă locaţia cea mai potrivită pentru obiectivul prevăzut.

11.1.2.2. Componentele si dimensiunile mediului Există o mare varietate de căi de a structura mediul după componente

principale fizice, biologice, culturale, economice şi sociale în spaţiu şi timp. În primul

rând se pot evidenţia componentele biofizice ale mediului care pot fi axate pe mediile

care pot fi poluate şi care includ: aer, apă, şi sol; floră, fauna, şi sănătate umană;

zone peisagistice, conservarea mediului urban , rural şi a patrimoniului, în al doilea

rând pot fi incluse componentele mediului care au impact economic şi socio-cultural,

cum ar fi: structura economică, piaţa muncii, demografie, construcţia de locuinţe şi

servicii (sănătate, educaţie, poliţie, pompieri, etc.). Un exemplu de evidenţiere a

componentelor mediului se prezintă în tabelul următor.

Tabelul 11.3. Componentele mediului

Nr.crt Componenta Caracteristica 1. Aer Calitatea aerului 2. Apă Cantitatea şi calitatea aerului 3. Sol Clasificare, riscuri 4. Flora şi fauna Vegetaţie terestră şi acvatică, păsări, animale,

peşti, animale acvatice 5. Peisaj Caracteristici şi calitate 6. Sănătate umană Sănătatea fizică şi mentală 7. Moştenire culturală Arii protejate, clădiri istorice, situri istorice si

arheologice. 8. Climat Regimul pluvial, vânt, temperatură, etc. 9. Energie Iluminat, zgomot, vibraţii, etc. 10. Economică+ influenţă directă Locuri de muncă, caracteristicile pieţei de muncă şi

tendinţele locale şi nonlocale 11. Economică + influenţă

indirectă Oferta şi cererea de muncă, ocuparea în servicii, etc.

12. Demografie Structura populaţiei şi tendinţe 13. Construcţia de locuinţe Ofertă şi cerere 14. Servicii locale Ofertă şi cerere de servicii sănătate, învăţământ,

poliţie, etc. 15 Socio-culturală Stil de viaţă, calitate a vieţii, probleme sociale

( situaţii conflictuale)

Dimensiunile mediului pot fi analizate atât din punct de vedere al extinderii

geografice cât şi din punct de vedere temporal. O asemenea analiză se prezintă în

figura următoare.

Page 258: Curs Motoare

PARTEA II – EVALUAREA IMPACTULUI ASUPRA MEDIULUI

258

Fig.11.4 Dimensiunile mediului

La cele mai multe proiecte impactul asupra mediului este local. Însă sânt

proiecte la care impactul poate fi regional şi global, aici se înscriu proiectele de

infrastructură rutieră care contribuie la poluarea locală prin emisiile de HC, NOx şi

CO, la poluarea regională cu O3 şi la efectul de seră prin emisiile de CO2.

Mediul are o scară temporală prin faptul că orice analiză începe cu perioada

prezentă ca bază şi se analizează fenomenele în timp, fără implementarea

proiectului şi cu implementarea acestuia.

11.1.2.3. Natura impactelor Impactele asupra mediului datorate proiectelor sunt acele rezultate care

conduc la schimbarea parametrilor mediului comparativ cu situaţia neimplementării

acestuia.

Aceşti parametrii ai mediului pot fi de orice tip cum ar fi: calitate a aerului, calitate a

apei, zgomot, nivel local al şomajului, etc.

La un proiect de dezvoltare trebuie să se analizeze cu o deosebită atenţie

natura şi magnitudinea impactelor pe componente pentru a se alege cel mai bun

compromis.

Un proiect poate avea beneficii fizice în cazul în care poluare previzionată este

diminuată şi efectele asupra solului sunt îndepărtate şi adus în starea de producţie,

similar şi în cazul impactelor socio-economice când există o presiune asupra

sănătăţii populaţiei ,asupra pieţei locuinţelor şi asupra creşterii conflictelor locale.

Page 259: Curs Motoare

Bazele teoretice ale evaluarii impactului de mediu

259

Fig.11.5. Natura impactului de mediu

Proiectele pot avea impact direct şi imediat precum şi impacte secundare,

indirecte care se manifestă mult mai târziu.

Impactele directe şi indirecte pot fi corelate cu impactele pe termen scurt şi pe

termen lung, insă trebuie să se realizeze o distincţie între acestea pentru a le separa

în diferitele stadii de implementare a proiectului (construcţie, funcţionare).

Impactele au o dimensiune spaţială şi trebuie să se realizeze o distincţie între

dimensiunea locală , regională, naţională şi chiar internaţională.

Tipurile de impact sunt prezentate în următorul tabel

Tabelul 11.4. Tipurile de impact de mediu Nr.crt. Tip impact 1 Fizic şi socio-economic 2 Direct şi indirect 3 Termen scurt , termen lung 4 Local, regional, naţional,

internaţional 5 Benefic, dăunător 6 Reversibil , ireversibil 7 Cantitativ, calitativ 8 Distribuţie de către un grup şi-sau

suprafaţă 9 Real sau previzionat 10 În corelaţie cu alte dezvoltări

Page 260: Curs Motoare

PARTEA II – EVALUAREA IMPACTULUI ASUPRA MEDIULUI

260

În general resursele de mediu nu pot fi înlocuite, odată ce au fost distruse sunt

pierdute pentru totdeauna. De aceea este important să se realizeze o separaţie între

impacturile reversibile şi cele ireversibile şi care nu au soluţii de remediere, acestea

din urmă fiind foarte bine scoase în evidenţă în studiul de impact.

În anumite cazuri poate fi posibilă înlocuirea, compensarea ori reconstrucţia

resurselor de mediu pierdute, ideal ar putea fi substituirea acestora.

Unele impact pot fi măsurabile altele sunt mai puţin tangibile şi de multe ori

acestea din urmă sunt neglijate.

In fapt toate impactele trebuie comparate cu situaţia în care nu se realizează nimic şi

totul se analizează fără proiect, proiectul bazându-se pe o estimare data de furnizorii

de echipamente

În fapt denumirile de impact şi efect sunt sinonime şi apar în toate studiile

privind mediul înconjurător.

11.1.2.4. Cerinţele evaluării impactului de mediu Scopul evaluării

Legislativul impune limite asupra poluării, iar studiul de impact presupune

utilizarea celor mai bune practici: Deci un proiect trebuie sau nu să fie evaluat ? Dacă

da impactul negativ biofizic al dezvoltării proiectului şi impacturile socio-economice

constituie sau nu constrângeri în luarea deciziei pentru implementarea proiectului

a) Natura metodelor evaluării impactului de mediu

În multe studii de impact pot lipsi anumite capitole, de aici şi dificultăţi în

aprecierea paşilor de urmat în realizarea studiului. Estimarea impacturilor asupra

mediului determina numeroase probleme conceptuale şi tehnice, cum ar fi stabilirea

poziţia de bază a mediului. Poate fi dificilă de asemenea stabilirea dimensiunii şi

stadiilor de dezvoltare a proiectului. Mai mult trebuie estimat ceea ce se întâmplă cu

mediul fără implementarea proiectului precum şi stabilirea interacţiunilor complexe

care au loc. O alta problemă dificilă o constituie lipsa datelor şi tendinţa de

accentuare pe latura cantitativă şi pe un singur indicator. De asemenea există

întârzieri şi discontinuităţi între cauză şi efect şi discontinuităţi între politicile de mediu

şi proiect.

Page 261: Curs Motoare

Bazele teoretice ale evaluarii impactului de mediu

261

Pentru a elimina aceste incertitudini s+au dezvoltat metode inovative pentru

estimarea impacturilor asupra mediului plecând de la simple liste de verificare şi

matrici şi ajungând la modele matematice complexe.

b) Rolul participanţilor în evaluarea impactului

Diferiţii actori care au acces şi intervenţii in procesul de evaluare a impactului

asupra mediului, cum ar fi iniţiatorul proiectului, părţile afectate, publicul, organismele

guvernamentale de la diferite nivele pot influenţa rezultatele studiului de impact.

In general iniţiatorul proiectului de dezvoltare pregăteşte un studiu de impact

prin care evaluează cum proiectul va interacţiona cu mediul înconjurător, dar îi va fi

greu să menţioneze efectele dezastruoase asupra mediului. Iniţiatorul proiectului va

reclama lipsa de timp şi costurile pentru realizarea studiului de impact.

Participarea publicului la realizarea studiului de impact poate fi graduală,

acesta situându-se între o participare activă prin înţelegerea fenomenelor şi o

participare formală.

Organismele locale de cele mai multe ori au experienţă şi cunoştinţe limitate

de aceea accesul lor la realizarea studiului de impact trebuie să fie analizat cu

atenţie deoarece îi va fi dificil să manevreze cu scopul şi complexitatea studiului de

impact. Organismele guvernamentale centrale pot oferi studiului de impact un ghid

limitat a celor mai bune practici în domeniu.

Calitatea evaluării

Studiul de impact trebuie să conţină toate capitolele tehnice si nontehnice, iar

din studiile efectuate trebuie să se acumuleze experienţă. Calitatea studiilor de

impact poate varia în funcţie de tipul de proiect de dezvoltare, de asemenea poate fi

diferit în funcţie de ţară şi tradiţie în condiţiile aceluiaşi cadru legislativ.

Iniţiatorii proiectelor puse in operă pot solicita un audit al evaluărilor

impacturilor precum şi monitorizarea acestora ca bază pentru viitoarele proiecte.

11.1.3. Metodologia de realizare evaluării impactului de mediu Metodologia de realizare a evaluării a impactului de mediu trebuie să atingă

obiectivele propuse urmărind sistematic principiile cadru pentru procesul decizional

într-o strategie particulară utilizând metode şi tehnici specifice.

Page 262: Curs Motoare

PARTEA II – EVALUAREA IMPACTULUI ASUPRA MEDIULUI

262

Procesul de evaluare a impactului de mediu implică utilizarea unei echipe care

să abordeze studiul multidisciplinar, pentru a se asigura integrarea ştiinţelor naturale

şi sociale intr-o în contextul mediului înconjurător. Abordarea multidisciplinară nu

reflectă numai scopul principal al evaluării impactului de mediu pornind de la datele

biofizice la cele socio-economice ci şi procesele complexe care au loc.

Echipa care va realiza Bilanţul impactului de mediu poate fi formată din

specialiştii firmei care iniţiază proiectul, poate fi condusă de un consultant extern,

echipa poate fi formata din consultanţi externi angajaţi prin subcontractare la proiect

sau echipa poate fi formată din specialişti independenţi. Mărimea echipei poate

cuprinde între doi şi doisprezece membrii sau chiar mai mulţi în cazul unor proiecte

de anvergură. Specializările membrilor trebuie să corespundă scopului propus şi să

acopere ariile fizic-chimic, biologic-ecologic, cultural-socio-economic, astfel va

cuprinde: un specialist în planificare urbană, ecologist, , chimist, inginer de mediu,

arheolog, avocat, iar din aceştia cel puţin unul trebuie să fie

11.1.3.1. Elementele cadrului metodologic Schema cadru se bazează pe elementele metodologiei evaluării impactului

de mediu. Elementele principale ale evaluării impactului de mediu sunt prezentate în

schema prezentată în figura 11.6.

11.1.3.2.Iniţierea evaluării Decizia de realizare a unei evaluări de impact este complexă. Când evaluarea

impactului de mediu este folosit într-o organizaţie ca parte a politicii sau ca procedură

a dezvoltării proiectelor, atunci exista la nivelul organizaţiei un ghid intern care să

dimensioneze evaluarea impactului de mediu care va fi realizată.

Page 263: Curs Motoare

Bazele teoretice ale evaluarii impactului de mediu

263

Fig.11.6. Elementele evaluării impactului de mediu

Bibliografie [1] Bruton, M.J. Introduction to transportation planning. London UCL Press.1985

[2] Glasson, J. Methods of EIA. London UCL Press.1995

[3] Glasson, J and al. Introduction to Environmental Impact assessment. London

UCL Press.1999

[4] Morgan, R., Environment Impact Assessment .Kluwer. Academic Publisher.

ISBN 0-412-72990-3

[5] Street, E., planning and Environmental Impact Assessment in Practice.

Logman Scientific and Technical, Harlow. 1997.

[6] Wood, C., Environment impact assessment: a comparative review. Logman

Scientific and Technical, Harlow. 1995.

[7] Weston,J Planning and Environmental impact assessment in practice. Logman

Scientific and Technical, Harlow. 1997.

Page 264: Curs Motoare

PARTEA II – EVALUAREA IMPACTULUI ASUPRA MEDIULUI

264

Autor: Corneliu COFARU

11.2. IDENTIFICATEA IMPACTURILOR 11.2.1. Identificarea sistematică a impacturilor

Scopul principal al identificării impacturilor într-un studiu de evaluare a

mediului îl constituie stabilirea efectelor asupra mediului înconjurător datorate

activităţilor propuse în cadrul unui proiect ca bază pentru colectarea opiniilor

publicului despre proiect şi de previzionare a impacturilor datorate activităţilor

propuse.

În literatura de specialitate o serie de autori scot în evidenţă o serie de raţiuni

pentru a realiza identificarea impacturilor, după cum urmează:

• Să existe concordanţă cu legislaţia in vigoare;

• Să asigure o acoperire a întregii game de impacturi inclusiv cele sociale,

economice şi fizice;

• Să distingă între: pozitiv şi negativ, mare şi mic, termen lung şi termen scurt,

reversibil şi ireversibil;

• Să identifice impacturile directe , indirecte, secundare şi cumulative;

• Să distingă între impacturile semnificative şi cele nesemnificative;

• Să prevadă o comparaţie a propunerilor de dezvoltare alternative;

• Să considere impacturile ca şi constrângeri;

• Să conţină informaţii cantitative şi calitative;

Impacturile să fie utilizate în sumar şi raportul de impact.

Metodele şi tehnicile de identificare a impacturilor sunt cunoscute de mai mult

de 25 ani, din păcate însă se tinde să se aplice tehnici specifice studiilor de impact

care aplică una sau mai multe tehnici în mod mecanic. Un evaluator de impact se

confruntă cu o serie de necunoscute care se referă la mediu, la activităţile propuse ,

la posibile alternative şi despre interacţiunea dintre proiectul propus şi mediu, de

aceea este nevoie de o abordare a studiului de impact intr-un mod riguros si

sistematic pentru a găsi răspunsurile corecte din informaţiile disponibile, a le sorta

pentru a începe procesul de organizare şi structurare a activităţilor studiului de

impact.

Beneficiile abordării sistematice sunt :

Page 265: Curs Motoare

Bazele teoretice ale evaluarii impactului de mediu

265

1. Acesta ajută evaluatorul să treacă în revistă toate aspectele principale ale

propunerii şi ale mediului fără să omită aspectele cu adevărat importante;

2. Ajută ca în procesul de evaluare să se realizeze o diferenţiere a aspectelor

importante de cele nesemnificative.

3. Metodele şi tehnicile utilizate în studiul de evaluare a impacturilor nu sunt

tehnici matematice care să conducă la un rezultat precis pe baza datelor de

intrare, ci ele ajută să se structureze şi sa se aprecieze o varietate mare de

informaţii.

4. Evaluatorul precum şi alţi participanţi au o sarcină importantă la procesul de

evaluare a impacturilor asupra mediului ţinând cont de gama mare de posibile

impacturi şi de deciziile ce trebuie luate în funcţie de importanţa lor.

11.2.2. Metodele şi tehnicile de identificare a impacturilor

11.2.2.1. Listele de verificare Cele mai simple instrumente utilizate de evaluator sunt listele de verificare

pentru activităţile proiectului şi componentele de mediu.

Listele de verificare pot fi împărţite în : liste generale, liste generice şi liste

specifice.

Listele generale pot acoperi orice proiect şi orice tip de mediu pe când listele

generice sunt realizate pentru diferite proiecte cu caracter particular (ex. autostrăzi)

sau mediu (ex. bălţi).

Listele de verificare specifice sunt dezvoltate pentru un proiect dat sau pentru

caracteristicile unui anumit mediu.

În funcţie de structura lor listele de verificare pot fi împărţite în patru categorii:

1. Liste de verificare simple;

2. Liste de verificare descriptive;

3. Liste de verificare de măsurare sau notare;

4. Liste de verificare chestionare.

Listele de verificare simple trec în revistă componentele sau aspectele de

mediu însă nu oferă un ghid sau un ajutor în procesul de identificare a impacturilor.

Listele descriptive de verificare oferă un ajutor suplimentar printr-un surplus de

indicaţii, spre exemplu variabile specifice care pot fi măsurate pentru a caracteriza

fiecare componentă.

Page 266: Curs Motoare

PARTEA II – EVALUAREA IMPACTULUI ASUPRA MEDIULUI

266

Liste de verificare de măsurare sau notare aduc în plus sisteme simple pentru

evaluarea importanţei ori semnificaţiei impacturilor previzionate. Aceste sisteme pot

utiliza o scală literală sau numerică repartizate după comparaţii cu criteriile oferite de

lista de verificare pentru a indica importanţa unui impact.

Lista de verificare tip chestionar este o formă a listei de verificare de măsurare

sau notare care utilizează o serie de întrebări pentru a obţine informaţii despre

posibilele impacturi şi a importanţei lor.

Punctul forte al listelor de control constă în faptul că stimulează descoperirea

posibilelor impacturi înainte chiar ca evaluarea să fie efectuată.

Punctele slabe ale listelor de control sunt legate de faptul că sunt statice, nu

cuantifică impacturile şi interacţiunea dintre ele se referă mai ales la caracteristicile

componentelor mediului şi la posibilele impacturi

11.2.2.2.Matricea

Matricile utilizate se pot plasa într-o gama largă de complexitate (de la simple

la complexe). Matricea utilizată pentru studiile de impact este matricea Leopold. O matrice simplă care investighează o componentă specifică de mediu este

constituită dint-o celulă divizată pe diagonală care are trecută intr-o parte

magnitudinea (amplitudinea ) impactului iar în cealaltă importanţa (gravitatea)

impactului utilizând criterii de ierarhizare specifice (mărimi scalare, litere sau culori)

Fig.11.7. Matricea Leopold

La utilizarea matricilor simple pot apărea o serie de probleme:

• Nu pot evidenţia impacturile indirecte precum şi aspectele temporale ale

impacturilor;

• Rigiditate potenţială a categoriilor;

Page 267: Curs Motoare

Bazele teoretice ale evaluarii impactului de mediu

267

• Natura restrânsă a matricei când se includ mai multe variabile pe axele

acesteia;

• Posibilitatea de a greşi în acordarea valorilor numerice ale magnitudinii şi ale

importanţei impactului;

• Dificultate în însumarea informaţiilor despre impact şi în compararea

alternativelor.

Un alt tip de matrice dezvoltat din analiza reţelelor de transport îl constituie matricea de interacţiune a componentelor.

Matricea cuprinde componentele de mediu găsite în zona de studiu, acestea

fiind listate pe ambele axe ale matricei, atunci celulele formate vor reprezenta

legăturile posibile între componente. Evaluatorul va coda legăturile directe dintre

componente înscriind în celulele respective „1” iar în celelalte celule „0”. Prin

multiplicarea matricei cu ea însăşi, matricea rezultantă indicând acele componente

care sunt pe treapta 1 (legături directe) şi treapta 2 (legături indirecte) în comparaţie

cu alte componente. Multiplicările ulterioare pot identifica treptele 3-,4-,5- ale

legăturilor între componentele mediului. Dacă multiplicarea continuă până când toate

celule au o valoare diferită de zero matricea rezultantă este matricea legăturilor

minime. În anumite cazuri sunt celule care rămân după multiplicări cu valoarea zero

aceasta indică că nu există legături directe sau indirecte între componentele

existente.

Utilizarea matricilor de interacţiune a componentelor permite să se evidenţieze

conexiunile existente în cadrul unui sistem de mediu şi constituie baza investigării

posibilelor impacturi datorate de proiectul propus asupra componentelor de mediu .

Un exemplu pentru un ecosistem de baltă este prezentat în tabelul 11.5

Page 268: Curs Motoare

PARTEA II – EVALUAREA IMPACTULUI ASUPRA MEDIULUI

268

Tabelul 11.5 Interacţiunea unor componente de mediu

Componenta Componente dependente Tipul dependenţei

Plantele acvatice de sedimente

Sursă de nutrienţi

Fauna acvatică Nutrienţi Peşte Nutrienţi

1 Vegetaţie cu rădăcină

Păsările locale Nutrienţi 2 Plantele acvatice de

sedimente Vegetaţie cu rădăcină Sursă de nutrienţi

3 Fauna acvatică Plantele acvatice de sedimente

Hrană

Vegetaţie cu rădăcină Hrană Plantele acvatice de sedimente

Hrană 4 Peşte

Fauna acvatică Hrană 5 Păsările locale Plantele acvatice de

sedimente Hrană

6 Oameni Peşte Hrană /recreare 1 2 3 4 5 6 1. Vegetaţie cu rădăcină 0 1 1 1 1 0 4 2. Plantele acvatice de sedimente

1 0 0 0 0 0 1

3. Fauna acvatică 0 1 0 0 0 0 1 4. Peşte 1 1 1 0 0 0 3 5. Păsările locale 0 0 1 1 0 0 2 6. Oameni 0 0 0 1 0 0

1

2 3 3 4 1 0

Fig.11.8. Matricea de interacţiune a componentelor

1 2 3 4 5 6 1. Vegetaţie cu rădăcină 2 1 1 1 1 0 2. Plantele acvatice de sedimente

1 2 2 2 2 0

3. Fauna acvatică 2 1 3 3 3 0 4. Peşte 1 1 1 2 2 0 5. Păsările locale 2 2 1 1 3 0 6. Oameni 2 2 2 1 3 0

Fig.11.9 Matricea legăturilor minime ale componentelor de mediu

Page 269: Curs Motoare

Bazele teoretice ale evaluarii impactului de mediu

269

11.2.2.3. Reţelele de identificare Reţelele de identificare provin din tehnica matricilor , ele trasează legăturile

dintre componentele de mediu direct afectate şi alte aspecte de mediu şi dau harta

principalelor consecinţe ale unei acţiuni care afectează mediul în termenii intensităţii

şi a implicaţiilor lor.

În cadrul acestor tehnici se disting două abordări:

• Prima abordare se bazează pe conceptul cauză-efect a acţiunii, principalele

metode de identificare a impacturilor se referă la reţele, diagramele fluxurilor şi matricele în trepte.

• A doua abordare se bazează pe interconexiunile existente în cadrul mediului

ca bază de înţelegere a interacţiunii cu proiectul propus şi ca metode pot fi

utilizate diagramele sistemului sau modelele sistemului. A.) Reţele

Reţelele sunt derivate din tehnica matricilor şi ele trasează legăturile între

componentele de mediu afectate direct şi alte aspecte ale mediului. Se trasează o

hartă a principalelor consecinţe ale unei acţiuni care afectează o componentă a

mediului stabilindu-se ordinul de mărime al efectelor şi implicaţiile acestora.

Un exemplu îl constituie reţeaua care stabileşte impactul tăierii pădurii asupra solului

care este prezentată în figura 11.10

Se constată din aceasta reţea că din acţiunea de defrişare decurg toate

consecinţele asupra solului cum ar fi: reducerea de substanţe organice nutritive cu

efecte negative pentru viitorul solului, tot ca efect al defrişărilor apare sărăcirea

solului precum şi reducerea grosimii acestuia .

Punctul slab al reţelelor îl constituie lipsa feed-back-ului în diagrama cauză –

efect, precum şi faptul că se complică foarte mult în cazul în care se înscriu şi

consecinţele efectelor.

Metoda nu include măsurarea cantitativă a mărimii impacturilor sau importanţa

acestora, prin această metodă se evidenţiază totalitatea impacturilor şi se poate

compara alternativele propuse.

Datorită lipsei de răspuns şi caracterului uni direcţional al reţelelor analiştii în

domeniul mediului se îndreaptă spre cel de al doilea grup de metode, adică spre

metodele bazate pe sistemul de mediu.

Page 270: Curs Motoare

PARTEA II – EVALUAREA IMPACTULUI ASUPRA MEDIULUI

270

B) Modelele sistem şi diagramele sistem Metodele bazate pe sistem pentru identificarea impacturilor sunt mai puţin

formale decât alte metode şi tehnici prezentate anterior.

Metoda se bazează pe modelele sistemului de mediu şi sunt constituite din diagrame

care prin căsuţe şi săgeţi se creează un model complex prin care se pot previziona

impacturile cuantificate asupra mediului. Evaluatorii de mediu preferă să utilizeze

modele conceptuale ale sistemului de mediu deoarece pot evidenţia pe baze

ştiinţifice din perspective ecologice problemele care apar în analizele de mediu.

Dezvoltarea fazei de model de simulare coincide cu faza de identificare a

impacturilor iar prin aplicarea cuantificării se poate ajunge la previziunea acestora.

Modelele bazate pe sistemele de mediu cer un înalt nivel de înţelegere al

componentelor de mediu şi al proceselor care au loc care necesită în ultimă instanţă

simplificări, iar dacă necesită introducerea cuantificărilor, datele necesare au un

volum ridicat ceea ce poate îngreuna procesul de evaluare. Cu toate aceste dificultăţi

modelele sistemelor de mediu reflectă totuşi realitatea şi sunt folosite pentru

acurateţea lor. În acest proces de modelare a sistemelor de mediu verificarea şi

validarea modelelor este foarte importantă cu toate că implică costuri suplimentare la

procesul de evaluare.

11.2.2.4. Strategia de identificare a impacturilor de mediu

Activitatea de identificare a impacturilor asupra mediului constituie baza unui

studiu al stării mediului prin implementarea unui proiect de dezvoltare economică, şi

trebuie să existe o strategie de planificare bine stabilită.

Paşii în realizarea acestei planificări sunt:

Pasul 1. Se referă în principal la stabilirea graniţelor spaţiale şi temporale ale studiului

de impact care va fi realizat. Participanţii sunt în general specialişti în domeniul

mediului, iar stabilirea graniţelor de urmat se realizează pe baza ideilor şi discuţiilor

întregii echipe.

Page 271: Curs Motoare

Bazele teoretice ale evaluarii impactului de mediu

271

Fig.11.10. Diagrama reţea cauză – efecte a acţiunii de despădurire asupra solului.

Page 272: Curs Motoare

PARTEA II – EVALUAREA IMPACTULUI ASUPRA MEDIULUI

272

Luarea deciziilor urmăreşte printr-o procedură pas cu pas ideile specifice

subiectului prin discuţii asupra acestor idei într-un mod structurat pentru a le putea

ordona în funcţie de priorităţi.

Fig. 11.11. Schema de planificare a identificării impacturilor

Pasul 2. Se identifică interacţiunile, utilizând matricea interacţiunilor definită prin două

liste de verificare dezvoltate de coordonatorul studiului de impact, una din liste

referindu-se la activităţile proiectului iar a doua referindu-se la componentele de

mediu din zona de studiu.

Rezultatul va fi o “matrice demonstrativă” care va fi discutată şi revizuită până

în momentul când va exista un consens din partea echipei de analiză asupra tuturor

interacţiunilor.

Impacturile posibile sunt clasificate pe această bază de către specialişti în

impacturi de prioritate scăzută sau înaltă. Impacturi de prioritate înaltă sunt

Page 273: Curs Motoare

Bazele teoretice ale evaluarii impactului de mediu

273

considerate sunt acelea care dau schimbări majore asupra mediului sau există o

mare incertitudine asupra evoluţiei lor, impacturile de prioritate scăzută sunt acelea a

căror efecte sunt nesemnificative.

Pasul 3. Fiecare impact direct este identificat în matrice şi dacă este considerat ca

având o înaltă prioritate este analizat printr-o diagramă cauză – efect. Aceste

diagrame sunt realizate de specialişti în domeniul mediului în sfera de competenţă şi

rezultatul va fi o prezentare a efectelor indirecte datorate unor impacturi directe.

Pasul 4. Este stadiul care precede stadiul de evaluare propriu zisă şi presupune două

activităţi: prima se referă la identificarea indicatorilor variabili care pot fi utilizaţi

pentru caracterizarea efectelor evidenţiate anterior. Aceşti indicatori sunt parametrii

măsurabili şi care sunt utilizaţi pentru a detecta schimbările de mediu indicate de

matrice şi diagrame, în acelaşi timp cu aceşti parametri se poate analiza şi evalua

efectele asupra mediului.

Criteriile considerate de specialişti fiind: dispunerea efectelor în timp şi spaţiu,

dacă efectele sunt directe sau indirecte , mărimea şi durata efectelor.

În cadrul paşilor 5, 6 şi 7, se pleacă de la identificarea nevoilor de informaţii ca să se

ajungă la studiul propriu zis pe baza evaluării impacturilor reale.

Bibliografie [1] Bruton, M.J. Introduction to transportation planning. London UCL Press.1985

[2] Glasson, J. Methods of EIA. London UCL Press.1995

[3] Glasson, J and al. Introduction to Environmental Impact assessment. London

UCL Press.1999

[4] Morgan, R., Environment Impact Assessment .Kluwer. Academic Publisher.

ISBN 0-412-72990-3

[5] Street, E., planning and Environmental Impact Assessment in Practice.

Logman Scientific and Technical, Harlow. 1997.

[6] Wood, C., Environment impact assessment: a comparative review. Logman

Scientific and Technical, Harlow. 1995.

[7] Weston,J Planning and Environmental impact assessment in practice. Logman

Scientific and Technical, Harlow. 1997.

Page 274: Curs Motoare

PARTEA II – EVALUAREA IMPACTULUI ASUPRA MEDIULUI

274

Autor: Corneliu COFARU

11.3. PARTICIPAREA PUBLICULUI

Implicarea publică într-o evaluare a impactului asupra mediului datorat unui

proiect de dezvoltare poate fi cheia succesului acestuia deoarece pentru iniţiatorii şi

proiectanţii proiectului este importantă atitudinea şi opinia publicului care poate fi

afectat prin implementarea proiectului. Această implicare devine mai importantă in

cazul în care evaluarea impactului asupra mediului este cerută pentru obţinerea unor

licenţe, iar cei care trebuie să ia deciziile în acest caz au nevoie de implicarea

comunităţilor locale intr-un anumit climat politic.

11.3.1 Scopul şi obiectivele implicării publicului în evaluarea impactului asupra mediului

Implicarea publicului poate fi analizată ţinând cont de următoarele perspective:

• Filozofică Politică, implicarea publicului are loc în contextul unei bune

guvernări precum şi a rolului cetăţenilor la acest proces;

• Îmbunătăţirea planificării, în acest context se consideră participarea publicului

la luarea deciziilor;

• Reglarea conflictelor politice, implicarea publicului reduce sau elimină

conflictele datorită participării la luarea deciziilor.

Studiile efectuate au evidenţiat următoarele funcţii ale implicării publicului la

realizarea evaluării impactului de mediu:

1. Rolul de validare - publicului îi sunt prezentate informaţii despre

propunerea de proiect şi despre procesul de evaluare al impactului cu

intenţia de a participa la evaluarea care va fi realizată cu intenţia de a

se reduce eventualele obiecţii şi litigii;

2. Funcţia de internalizare – participarea este utilizată pentru a aduce

valorile şi preferinţele publicului în procesul de evaluare a impactului de

mediu;

Page 275: Curs Motoare

Bazele teoretice ale evaluarii impactului de mediu

275

3. Funcţia de definire a proiectului de mediu – publicul ajută la educarea

iniţiatorilor despre datele proiectului şi principalele emisii, dar în acelaşi

timp publicul începe să-şi apere mediul înconjurător.

În alte studii scopul participării publicului este văzut mai mult sub aspectul

socio-politic care implică

1. Oportunitatea persoanelor pentru a-şi exprima opiniile;

2. Furnizarea de informaţii suplimentare factorilor de decizie;

3. Consolidarea factorilor de decizie politici şi administrativi;

4. Creşterea încrederii publicului în factorii de decizie.

Alţi autori identifică alte raţiuni ale participării publicului la evaluarea impactului

de mediu, cum ar fi :

• Creşterea competenţei deciziei finale dacă sunt încorporate în proces

nivelul de cunoştinţe locale, decizia fiind în concordanţă cu limitele

emisiilor locale;

• Creşterea legitimităţii rezultatelor finale din cauză că părţile afectate au

avut ocazia să exprime opinia lor;

• Luarea deciziilor au loc într-un cadru democratic;

• Ajută cetăţenii să devină mai responsabili şi să adopte cadru

democratic.

Formele de implicare ale publicului depind în primul rând de relaţiile stabilite

cu factorii de decizie, iar acestea pot să varieze în limite largi de la un control total al

factorilor de decizie până la un control slab sau de loc. În acest spectru larg se

manifestă un proces consultativ, în care publicul este alimentat cu informaţii şi el

oferă răspunsuri, la extrema controlului public, publicul devine partener în luarea

deciziilor. Acest model de implicare de un înalt nivel al publicului trebuie văzut de

către iniţiatorii de proiecte care afectează comunităţi locale ca un potenţial în

promovarea acestor proiecte.

În cazul în care iniţiatorii de proiecte provin din mediul privat, iar proiectele

propuse afectează nu numai comunităţile la nivel local ci şi pe cele regionale sau

naţionale, atunci implicarea publicului se va desfăşura după modelul controlului slab

asupra factorilor de decizie. Model care implică informarea publicului, preluarea

preferinţelor şi a valorilor acestuia şi incorporarea acestor informaţii în evaluarea

impactului.

Page 276: Curs Motoare

PARTEA II – EVALUAREA IMPACTULUI ASUPRA MEDIULUI

276

În general iniţiatorii de proiecte de dezvoltare nu agreează implicarea

publicului în luarea deciziilor, deoarece se tem că pierd timp şi bani prin întârzieri în

luarea deciziei considerând că diferite grupuri de interese au preocupări şi priorităţi

diferite iar deciziile care se iau reflectă interese de grup şi nu interesul publicului

larg., de aceea iniţiatorii stabilesc bune relaţii cu autorităţile de planificare locală.

Majoritatea iniţiatorilor iau contact cu publicul la stadiul iniţial de planificare şi

efectuarea primelor cereri la autorităţi de cele mai multe ori participarea publicului se

rezumă la a stopa proiectul, din această cauză iniţiatorii de proiecte nu văd

participarea publicului în sens pozitiv

O serie de autori prezintă următoarele argumente susţinute fie de iniţiatorii de

proiecte fie de birocraţi pentru a limita implicarea publicului.

11.3.2. Comunicarea in procesul de evaluare a impactului. O mare importanţă o prezintă circuitul informaţiilor care privesc activităţile

evaluării impactului asupra mediului între diferiţii actori implicaţi. Diferiţii participanţi în

proces trebuie să comunice efectiv unii cu alţii iar informaţiile să fie transmise corect

pentru ca întregul proces să se desfăşoare corect. Una din cele mai importante

legături ale sistemului de comunicare care de fapt este şi partea dificilă de condus o

reprezintă relaţia dintre experţii tehnici şi public (în care sunt incluşi si reprezentanţii

politici ai publicului).

Pentru o bună înţelegere a procesului de comunicare trebuie să se abordeze

distinct cele două componente fundamentale ale procesului de comunicare a)

informaţia, b) mecanismul de transmitere al informaţiei.

11.3.2.1. Informaţia în procesul de evaluare a impactului de mediu

Pe parcursul evaluării impactului de mediu se vehiculează o multitudine de

informaţii care includ: date ştiinţifice, interpretări ale experţilor, opinii personale şi

valori stabilite.

Cele mai multe informaţii generate de procesul de evaluare a impactului de

mediu sunt de natură tehnică, ştiinţifică, inginerească, economică sau umanistică.

Informaţiile sunt prezentate în termeni specializaţi pentru a fi interpretate uşor de alţi

specialişti din domeniu, în plus conţin detalii despre metode şi tehnici utilizate,

Page 277: Curs Motoare

Bazele teoretice ale evaluarii impactului de mediu

277

condiţii de măsurare, ipoteze pentru ca în procesul de comunicare dintre specialişti

să se utilizeze aceleaşi convenţii tehnice de specialitate

Se consideră că un expert este eficient când are capacitatea să comunice

informaţii unui public care nu are expertiza într-un domeniu sau altul. Este o greşeală

de neiertat să se considere neînţelegerea informaţiei ca stupiditate din partea

interlocutorului neavizat.

O sarcină majoră o reprezintă transferul informaţiilor necesare despre

aspectele tehnice ale evaluării impactului de mediu părţilor interesate într-o formă

care să permită înţelegerea acestora. De cele mai multe ori raportul de evaluare a

impactului cuprinde colajul rapoartelor diferiţilor specialişti tehnici participanţi în

proces care conţin în detaliu prezentarea tehnică specifică.

Când persoanele care citesc un raport tehnic de impact nu-l înţeleg înseamnă

că specialiştii nu au ştiut să comunice şi acest lucru nu se întâmplă din cauza

ignoranţei ceea ce ar fi un blam.

Directorul de proiect trebuie să se asigure că raportul privind impactul de

mediu este unitar chiar dacă este construit din părţi separate şi poate fi înţeles de

persoanele interesate.

11.3.2.2. Mecanismele de transfer ale informaţiei

Rapoartele privind evaluarea impactului trebuie să comunice informaţiile spre

o largă audienţă. Rapoartele de impact sau bilanţurile de mediu au câteva

caracteristici care le fac atractive pentru rolul lor: sunt produse inexpresiv; pot fi

distribuite uşor; nu solicită tehnologie în plus pentru a accesa informaţiile; cât ar fi de

lungi ele pot fi citite.

Îmbunătăţirea redactării şi prezentării poate ridica gradul de înţelegere al

documentului, însă nu totdeauna este cea mai bună cale de informare a publicului.

Există mai multe stadii în procesul de elaborare a evaluării impactului de mediu în

care informaţia trebuie să circule, în stadiul raportării finale, informaţia este

disponibilă publicului şi cu care ocazie pot fi folosite şi alte mijloace de distribuţie

În stadiul de explorare a posibilităţii de iniţiere a unui proiect propunerea trebuie să

fie cunoscută de public, broşurile distribuite la domiciliul populaţiei au un impact mai

redus decât o prezentare video realizată la sediul primăriei ori în şcoli ori în pieţe

publice. O prezentare publică are un impact mai ridicat decât un material bazat pe un

text scris.

Page 278: Curs Motoare

PARTEA II – EVALUAREA IMPACTULUI ASUPRA MEDIULUI

278

Chiar pentru stadiul final se recomandă ca pe lângă forma de raport scris să

se utilizeze şi alte metode de informare, cum ar fi: formatul electronic pe suport CD,

prezentare video, prezentare internet utilizând mijloacele multimedia.

În general pe lângă raportul tehnic se prezintă şi un scurt raport scris într-un limbaj

non-tehnic în stil jurnalistic pentru a studiul de impact să fie înţeles mai uşor.

În raportul de bază materialul trebuie organizat în aşa fel încât cititorul să înţeleagă

materialul uşor şi repede. Tabelele, figurile şi hărţile trebuie să fie plasate cât mai

apropiate de text.

Există recomandări privind modul de redactare a rapoartelor de impact ca să

fie uşor lizibile:

• Mărime literă 11 sau 12 Times New Roman;

• Lungimea rândului nu mai mult de 70% din lungimea rândului;

• Distanţa dintre rânduri = un rând;

• Pagina să nu conţină prea mult text;

• Imprimare bună;

• Aranjament coerent în pagină;

• Prezentare stilistică a paginii, dacă este posibil color.

Bibliografie [1] Bruton, M.J. Introduction to transportation planning. London UCL Press.1985

[2] Glasson, J. Methods of EIA. London UCL Press.1995

[3] Glasson, J and al. Introduction to Environmental Impact assessment. London

UCL Press.1999

[4] Morgan, R., Environment Impact Assessment .Kluwer. Academic Publisher.

ISBN 0-412-72990-3

[5] Street, E., planning and Environmental Impact Assessment in Practice.

Logman Scientific and Technical, Harlow. 1997.

[6] Wood, C., Environment impact assessment: a comparative review. Logman

Scientific and Technical, Harlow. 1995.

[7] Weston,J Planning and Environmental impact assessment in practice. Logman

Scientific and Technical, Harlow. 1997

Page 279: Curs Motoare

Bazele teoretice ale evaluarii impactului de mediu

279

Autor: Corneliu COFARU

11.4. METODOLOGIA DE PREVIZIUNE PROGNOZĂ ŞI METODELE UTILIZATE

În studiile de impact o problemă de real interes o constituie prognoza

schimbărilor datorate implementării unui proiect de dezvoltare, deoarece trebuie să

scoată în evidenţă toate modificările care sunt aduse mediului sub toate aspectele.

Stadiile procesului de previziune sunt:

1. Identificarea efectelor potenţiale;

2. Investigarea preliminară a efectelor;

3. Definirea cerinţelor pentru informaţiile privind efectele;

4. Selectarea metodelor de previziune;

5. Utilizarea metodelor de previziune alese;

6. Organizarea şi prezentarea rezultatelor.

Primele trei stadii sunt în general parcurse în procesul de prezentare a

studiului de impact şi este important pentru ca priveşte integrarea activităţilor de

evaluare a impacturilor. Următorul stadiu este utilizat în procesul de evaluare şi luare

a deciziei a celei mai bune căi de urmat, iar ultimele două stadii constituie de fapt

procesul de previziune în procesul de evaluare.

Procesul de previziune are trei sarcini de bază, după cum urmează:

• Stabilirea condiţiilor liniei de bază a mediului şi previziunea schimbărilor

naturale ale acestuia, în cazul în care nu se realizează schimbări socio-

economice;

• Previziunea schimbărilor viitoare ale mediului datorită schimbărilor socio-

economice generale;

• Previziunea schimbărilor viitoare ale mediului datorită efectelor datorate

implementării proiectului propus şi schimbărilor socio-economice generale.

11.4.1. Starea actuală Pentru procesul de prognoză sunt importante pe de o parte informaţiile privind

starea mediului la nivelul începutului studiului de impact considerată ca bază pentru

următoarele evaluări. Pe de altă parte sunt necesare informaţii despre activităţile şi

procesele ce se vor desfăşura la implementarea proiectului şi care sunt suspectate

că vor afecta mediul şi pentru care se solicită o abordare ştiinţifică de previziune a

impactului.

Page 280: Curs Motoare

PARTEA II – EVALUAREA IMPACTULUI ASUPRA MEDIULUI

280

Informaţiile colectate şi care privesc starea actuală a mediului (linia de bază a

studiului) sunt folosite pentru a previziona starea mediului la orizontul proiectului

ţinând seama de evoluţia factorilor de influenţă existenţi. De aici derivă activitatea de

întocmire a unui plan de monitorizare. Este important să se stabilească încă de la

început un număr limitat de variabile specifice care să poată fi monitorizate. O altă

raţiune pentru colectarea datelor privind starea de bază o constituie stabilirea datelor

de calibrare a procesului de monitorizare.

11.4.2. Eşantionare În afara factorului timp, principala constrângere metodologică pentru

colectarea datelor privind starea liniei bază o constituie natura schemei de

eşantionare utilizate.

După stabilirea schemei de eşantionare este nevoie să se urmeze următoarele căi

cheie pentru a avea rezultatele solicitate de studiu:

1. Care sunt caracteristicile activităţilor propuse şi cum vor influenţa cu mediul

înconjurător? Cum va reacţiona mediul ţinând seama de natura, durata şi

periodicitatea fiecărui rezultat al unei activităţi propuse?

Efectele pe termen lung la un nivel redus de al poluanţilor vor fi diferite de

efectele produse de acelaşi nivel al poluanţilor asupra mediului local pe o perioadă

scurtă de timp.

2. Care vor fi variabilele măsurabile?

Nu poare fi real, practic şi de dorit să se măsoare tot ce afectează mediul,

trebuie să se realizeze o selecţie a factorilor măsurabili şi care privesc procesul de

eşantionare. Alegerea variabilelor va depinde: natura impacturilor produse de

activităţile propuse, de experienţa şi judecata specialiştilor care vor alege acele

variabile care vor fi considerate ca cei mai buni indicatori, în funcţie echipamente, de

pregătirea personalului şi de costurile implicate de culegerea datelor.

3. Care va fi zona geografică care va fi eşantionată?

Aceasta va fi zona care se aşteaptă ca efectele proiectului să se facă simţite.

Dacă evaluatorul va lua în considerare numai efecte directe atunci aria de

eşantionare va fi foarte restrânsă. În general luarea în considerare şi a efectelor

indirecte conduc la extinderea ariei de studiu. Aceste probleme trebuie stabilite

înainte de începerea colectării datelor pentru stabilirea linie de bază. Eşantionarea

Page 281: Curs Motoare

Bazele teoretice ale evaluarii impactului de mediu

281

trebuie proiectată pentru a detecta variaţiile naturale înainte ca să se previzioneze

schimbări datorită impacturilor activităţilor propuse.

4. În ce perioadă va începe eşantionare?

Sistemele de mediu prezintă o multitudine de schimbări temporale, cum ar fi :

schimbări sezoniere, schimbări zilnice şi chiar schimbări orare. Este important ca

perioada de eşantionare să cuprindă principalele cicluri de variaţie. Spre exemplu

fiinţele care migrează sau hibernează trebuie să fie studiate pe un ciclu anual pentru

a se asigura că toate efectele asupra stadiilor de viaţă au fost evidenţiate. La un alt

nivel, populaţia dintr-o comunitate poate scăpa atenţiei studiului la nivelului unei zile

deoarece pe durata zilei pot fia anumite grupuri activează în afara casei, fie la

muncă, fie la şcoală fie să fie ocupaţi în diferite activităţi sociale. Eşantionarea

trebuie să evite super reprezentarea unui grup din cauza timpului luat pentru studiul

unei comunităţi.

5. Studierea unei populaţii pe un ciclu complet poate fi nesemnificativă.

Spre exemplu, studierea unei specii de animal mare, perioada de studiu poate

coincide cu o perioada bună din punctul de vedere al asigurării hranei. Acesta lucru

elimină stresul asupra mediului care are coincidenţă cu specia respectivă. Din

această cauză evaluatorul trebuie să considere condiţiile normale de mediu, iar la un

înalt nivel de impact populaţia luată in studiu poate fi vulnerabilă.

6. Se intenţionează să se controleze situl luat în studiu pentru monitorizare?

Una din metodele puternice utilizate pentru detectarea schimbărilor o

constituie comparaţia cu un alt sit neafectat de activităţi.

11.4.3. Metodele de previziune Studiile de impact nu utilizează metode şi tehnici proprii de predicţie ale

impacturilor asupra mediului, de fapt predicţia impacturilor se realizează cu metode şi

tehnici utilizate în mai mute discipline şi care sunt aplicate sistemelor de mediu şi

sociale

Metodele de previziune pot fi clasificate în funcţie de complexitate, după cum

urmează:

Page 282: Curs Motoare

PARTEA II – EVALUAREA IMPACTULUI ASUPRA MEDIULUI

282

11.4.3.1. Utilizarea experienţei acumulate prin extrapolare la situaţia curentă

Aceasta este cea mai simplă metodă de previzionare a impacturilor. La

aplicarea metodei există pericolul ca informaţiile să fie insuficiente şi la fel şi

experienţa în domeniu.

11.4.3.2. Aprecierea experţilor

În acest caz previziunea impacturilor se bazează pe intuiţia personală, pe

competenţa profesională şi experienţa acumulată de către specialist. În acest caz se

pune întrebarea dacă expertul a înţeles pe deplin condiţiile locale de mediu pentru a

aplica cunoştinţele sale în procesul de previziune. De aceea aplicarea acestei

metode implică un grad înalt de incertitudine, iar rezultatele trebuie să fie confirmate

de studii ştiinţifice.

11.4.3.3.Utilizarea experimentelor de laborator

Această metodă de previziune aduce o rigoare de abordare. Metoda este

aplicată în general când există cunoştinţe puţine despre interacţiunea proceselor

unui proiect şi mediul local, în special dacă acest mediu este complex. Experimentele

vor fi canalizate pentru investigarea proceselor specifice pentru a simula efectele

acestor procese asupra sistemului de mediu luat în studiu. Există cazuri în care

anumite impacturi previzionate nu sunt confirmate de experimente, în acest caz

trebuie să se realizeze o investigaţie de detaliu.

11.4.3.4. Utilizarea modelelor teoretice

Aceste modele sunt dezvoltate pentru a descrie aspecte specifice ale

interacţiunilor activităţilor propuse şi sistemul local de mediu de unde se dezvoltă

diverse ipoteze. Aceste investigaţii se pot realiza folosind date din teren sau date

rezultate în urma experimentelor.

11.4.3.5.Utilizarea modelelor cantitative

Metoda este o alternativă la metoda experimentală. Aceste modele sunt

reprezentări simplificate ale lumii reale şi sunt utilizate la previziunea sistemelor din

lumea reală. Cele mai simple modele sunt empirice, relaţiile utilizate în procesul de

modelare nu reprezintă procesele reale sau caracteristicile lumii reale însă se obţin

Page 283: Curs Motoare

Bazele teoretice ale evaluarii impactului de mediu

283

răspunsuri apropiate de valorile din lumea reală. Modelul este dezvoltat utilizând

relaţii matematice standard cu date culese din teren pentru a obţine cele mai bune

relaţii de previziune. Apoi modelele matematice sunt testate utilizând datele obţinute

şi confirmate în alte situaţii.

11.4.3.6.Utilizarea modelelor fizice

Aceste modele sunt simplificări ale lumii reale dar explicate în termeni fizici

mai bine decât în termeni matematici şi ele sunt utilizate pentru a simula lumea reală.

Este posibil să se realizeze la scară structuri fizice şi apoi să se reproducă diferite

procese. Modelele fizice tind să confirme anumite tipuri de evaluări, cum ar fi :

curgerea curenţilor de aer în jurul clădirilor, investigarea posibilelor schimbări ale

râurilor datorită reducerii debitelor, evaluarea impactului vizual datorită noilor

construcţii. Modelarea poate în mod efectiv să rezolve problemele privind previziunea

impacturilor asupra mediului iar dacă utilizează date culese din teren modelul se

poate apropia de condiţiile de mediu locale luate în studiu. În plus odată dezvoltat un

model poate fi folosit şi în alte cazuri determinând economii de resurse financiare.

Modelele odată dezvoltate pot fi îmbogăţite pentru a simula situaţii complexe pentru

care metodele experimentale nu se pot aplica,( ex. accidente cu substanţe

periculoase).

Utilizarea unei metode de previziune sau a alteia poate să difere în funcţie de

contextul studiului de impact. Spre exemplu, evaluarea impactului unui proiect mic nu

va presupune utilizarea unor metode sofisticate, decizia putând fi luată pe baza

analizei experienţei acumulate la evaluarea unor proiecte similare.

11.4.4. Efectele cumulate

La realizarea unui studiu de impact, o atenţie deosebită trebuie acordată

previziunii efectelor cumulate. Analiza efectelor cumulate sau a impacturilor cumulate

trebuie abordată sistematic luând în considerare factorii cauzali, factorii disturbatori,

răspunsurile sistemului şi impacturile potenţiale. La previziunea efectelor cumulate,

problema principală o constituie compunerea acestora într-o mare varietate, cu

evoluţie în timp şi spaţiu.

Pentru evaluarea efectelor cumulate se pot aborda două grupe de metode:

a) Abordare analitică; b) Abordare planificată.

Page 284: Curs Motoare

PARTEA II – EVALUAREA IMPACTULUI ASUPRA MEDIULUI

284

În cazul primei abordări pentru identificarea şi caracterizarea efectelor cumulate se

aplică metode ştiinţifice sau tehnice, iar în cel de al doilea caz efectele cumulate sunt

caracterizate utilizând metodele şi informaţiile folosite la evaluarea opţiunilor de

management sau planificare.

11.4.4.1 Metodele de evaluare a efectelor cumulate

Există două abordări pentru evaluarea efectelor cumulate:

• Metode cantitative – matrice

Metodele sunt mai mult cantitative şi utilizează matricile pentru evaluarea

interacţiunilor proiectului şi efectele cumulative ale acestor interacţiuni.

• Metode orientate pe efecte

Această abordare este mai mult calitativă şi utilizează reţelele pentru determinarea

interacţiunilor şi caracterizarea efectelor cumulate.

11.4.5. Monitorizare Scopul activităţii de monitorizare într-un studiu de impact este de a măsura în

timp variabilele identificate, de a stabili frecvenţa acestor măsurători precum şi modul

în care datele obţinute vor fi utilizate. În managementul mediului monitorizarea se

referă la colectarea informaţiilor asupra sistemelor majore de mediu pornind de la

nivel local la nivel global pentru a detecta schimbările de mediu şi a identifica

tendinţele pe termen lung.

Necesitatea introducerii activităţii de monitorizare într-un studiu de impact este

determinată de următoarele raţiuni:

• Realizarea unei avertizări timpurii asupra unor impacturi neprevizionate,

informaţiile obţinute sunt folosite în cadrul managementului impacturilor;

• Verificarea implementării măsurilor de reducere a impacturilor;

• Verificarea eficacităţii măsurilor de reducere a impacturilor;

• Prevede suport pentru acordarea sau refuzul cererilor de compensare a

daunelor cauzate de impacturi asupra populaţiei sau proprietăţilor;

• Să avertizeze când valorile unor variabile ating nivelul de atenţie

predeterminat;

• Să furnizeze informaţii pentru public;

• Să furnizeze informaţii tuturor participanţilor la studiul de impact pentru ca

previziunile să fie corectate iar managementul să ia deciziile corect;

Page 285: Curs Motoare

Bazele teoretice ale evaluarii impactului de mediu

285

• Să examineze aspecte distributive,adică : cum sunt afectate diferitele sectoare

ale comunităţii ?

• Să verifice procesul de previziune prin evaluarea preciziei previziunii şi să

evalueze performanţele tehnicilor şi metodelor de previziune;

• Să evalueze performanţele întregului proces de evaluare a impacturilor;

• Să documenteze impacturile reale ale unei activităţi pentru utilizare în situaţii

similare ;

• Să prevadă o bază de date privind istoria impacturilor şi care să fie utilizată la

înnoirea licenţei obiectivului care a necesitat studiul de impact sau pentru a

planifica activităţi viitoare.

Programul de monitorizare, în general, reflectă influenţele a două seturi de

factori şi anume:

1. Factori instituţionali şi administrativi;

2. Factori metodologici.

11.4.5.1. Influenţa factorilor instituţionali şi administrativi

În această categorie sunt incluşi o multitudine de factori importanţi, cel mai

important factor fiind stabilirea momentului când să aibă loc monitorizarea datorită

interesului scăzut al autorităţilor care administrează cerinţele studiului de impact, cel

de al doilea factor important îl reprezintă faptul c agenţia care administrează

programul de monitorizare să nu aibă resursele necesare pentru acesta. Cel de al

treilea factor care are o influenţă majoră îl reprezintă costurile monitorizării. În fapt

dacă se demonstrează faptul că informaţiile obţinute sunt utilizate parţial în folosul

publicului, atunci cei care realizează propunerea de proiect pot argumenta şi susţine

ca publicul să susţină o parte din costurile implicate de procesul de monitorizare.

11.4.5.2. Influenta factorilor metodologici

Din punct de vedere metodologic monitorizarea trebuie să fie concepută şi

implementată ca o activitate de producere de informaţii. Această activitate trebuie

concepută înainte de alte faze ale studiului de impact pentru a fi inclusă în toate

fazele studiului şi în principal în faza de prezentare şi de previzionare a impacturilor.

În fapt cheia în conceperea unui proces de monitorizare îl constituie decizia prin care

sunt selectate variabilele care vor fi măsurate şi adoptarea programului de

eşantionare.

ă

Page 286: Curs Motoare

PARTEA II – EVALUAREA IMPACTULUI ASUPRA MEDIULUI

286

Principalele puncte importante în adoptarea unui program de monitorizare sunt:

alegerea variabilelor în funcţie de natura impacturilor şi care au fost definite în

prezentarea proiectului şi în activităţile de previzionare, aceste variabile pot sau să

fie măsurate în practică. O atenţie deosebită trebuie acordată conceptului de

variabilă indicator, care în fapt este o variabilă selectată pentru monitorizare ca

indicator specific a unei resurse sau a unui proces de mediu.

În general, într-un studiu de impact este necesar să se măsoare o multitudine

de variabile pentru a oferi o bună înţelegere şi o identificare a schimbărilor în cadrul

variabilelor indicator.

Adoptarea unei eşantionări distribuite spaţial şi temporal care să surprindă

variaţiile variabilelor indicator.

Alegerea ariei de monitorizare trebuie să reflecte aria unde se manifeste

impacturile de mediu.

Activitatea de monitorizare trebuie să răspundă cerinţelor de calitate.

Metodele şi tehnicile utilizate în programul de monitorizare trebuie să includă

colectarea datelor de bază care trebuie să corespundă scopului propus şi care

trebuie să fie folosite cu acurateţe. Pentru activităţile de măsurare tehnică sunt

utilizate proceduri standardizate, în special pentru analiza chimică a eşantioanele de

mediu. Metodele analitice definite şi aprobate de organismele de mediu devin de

facto proceduri standardizate de analiză a eşantioanelor. Răspândite sunt şi

materialele standard utilizate pentru validarea realităţii metodelor analitice precum şi

a procedurilor utilizate.

Procesul de monitorizare este rulat pe o perioadă lungă de timp, iar personalul

implicat poate să suporte schimbări, din acest punct de vedere aplicarea unor

proceduri standardizate elimină influenţele negative datorate acestor schimbări de

personal, datele acumulate de la începutul programului trebuie să fie accesibile şi

inteligibile şi la sfârşitul programului. Datele colectate în procesul de monitorizare

trebuie să fie disponibile pe întreaga durată de viaţă a proiectului şi să fie stocate

într-un format care să permită prelucrări statistice.

Bibliografie

[1] Bruton, M.J. Introduction to transportation planning. London UCL Press.1985

[2] Glasson, J. Methods of EIA. London UCL Press.1995

Page 287: Curs Motoare

Bazele teoretice ale evaluarii impactului de mediu

287

[3] Glasson, J and al. Introduction to Environmental Impact assessment. London

UCL Press.1999

[4] Morgan, R., Environment Impact Assessment .Kluwer. Academic Publisher.

ISBN 0-412-72990-3

[5] Street, E., planning and Environmental Impact Assessment in Practice.

Logman Scientific and Technical, Harlow. 1997.

[6] Wood, C., Environment impact assessment: a comparative review. Logman

Scientific and Technical, Harlow. 1995.

Page 288: Curs Motoare

PARTEA II – EVALUAREA IMPACTULUI ASUPRA MEDIULUI

288

Autor: Corneliu COFARU

11.5. EVALUARE

Evaluarea este stadiul procesului de elaborare studiului de impact asupra

mediului în care toate informaţiile despre impacturi sunt aduse împreună , sunt

analizate şi se constată dacă acestea sunt acceptate sau nu din punct de vedere

social. Pe această bază este luată decizia asupra activităţilor propuse şi asupra

măsurilor de minimizare a schimbărilor care apar datorită acestora.

Factorii de decizie sunt chemaţi să judece propunerea, inclusiv alternativele la

aceasta, pe baza unei mari cantităţi de informaţii incorporând tipuri diferite şi

semnificaţia socială a impacturilor. Având în vedere toate acestea rezultă ca

evaluarea este un proces extrem de complex. Din punct de vedere tehnic evaluarea

solicită factorii de decizie să compare alternativele care pot fi caracterizate prin

diferite proiecte, diferite caracteristici funcţionale, posibile locaţii şi să selecteze cea

mai bună alternativă în conformitate cu criteriile de mediu, economice, tehnice şi

politice.

Abordarea promovării de proiecte se poate realiza în doua moduri:

a) de la început se prevăd diferite alternative la proiect;

b) se prevede o singură propunere.

Înaintarea propunerii de proiect cu alternative dă posibilitatea factorilor de

decizie să aplice metode tehnice de evaluare, iar soluţia aleasă să poată fi uşor

justificată.

În cazul în care se promovează o singură propunere de proiect, factorii de decizie

sunt chemaţi să decidă acceptabilitatea sau nu a acesteia, de asemenea au puterea

de a recomanda modificări la propunere pentru a reduce efectele negative. În acest

caz atitudinea publicului prin participarea la luarea deciziei este mai importantă decât

procesul de apreciere a impacturilor.

Ambele abordări sunt supuse criticilor care îmbracă două aspecte:

1. În ce situaţii şi cum informaţia de mediu este simplificată?

2. Cum se vehiculează semnificaţia socială a impacturilor previzionate?

Prin aplicarea metodelor tehnice formale de evaluare, informaţia este

simplificată prin procesul de amalgamare sau agregare iar valorile publice sunt

încorporate în procesarea informaţiei de impact cu ajutorul procedurilor tehnice. Se

Page 289: Curs Motoare

Bazele teoretice ale evaluarii impactului de mediu

289

agreează ideea că factorii de decizie trebuie să fie capabili de a utiliza informaţii

complexe de impact într-o cantitate apreciabilă, de aceea ei trebuie să fie organizaţi,

cu o activitate raţională care ducă la un bilanţ echilibrat dintre nevoia de a simplifica

informaţia şi luarea în considerarea a atitudinii publicului.

Pentru evaluare se utilizează metodele tehnico-ştiinţifice care cuprind două

grupuri:

• Metode de evaluare monetare;

• Metode de evaluare nemonetare.

11.5.1. Metodele de evaluare monetare Metodele de evaluare monetare se bazează pe analiza cost-beneficiu utilizată

în economie şi care au rolul de a plasa aspectele de mediu într-un consistent cadru

conceptual pentru a uşura sarcinile factorilor de decizie. Metoda analizei cost –

beneficiu nu poate reflecta valorile nemonetare din domeniul mediului , spre

exemplu: cum să apreciezi valoric un peisaj frumos, sau cum sa apreciezi valoric o

specie de păsări când nu exista echivalent de piaţă.

La presiunile organismelor financiare şi a guvernelor de a aplica principiile

economice şi contabilizarea cheltuielilor publice, economiştii au depus eforturi

deosebite pentru a găsi metode de evaluare a entităţilor intangibile şi necomerciale,

dezvoltând metode şi concepte de bogăţie economică speciale. În consecinţă creşte

importanţa utilizării metodelor de evaluare monetară în studiile de impact

11.5.1.1. Valoarea economică

O schimbare importantă din domeniul aprecierii valorii economice a fost

mutarea de la utilizarea conceptului comparativ îngust al valorii bazat pe un puternic

utilitarism al mediului şi resurselor spre o perspectivă mai largă, marcată de

introducerea conceptului de valoare economică totală (VET). Valoarea economică totală arată că mediul are o valoare care se situează în

afara analizei cost-beneficiu tradiţională şi că ea promovează includerea şi a altor

mărimi neutilizate în analiza cost – beneficiu, ca patrimoniu de mediu şi social.

Page 290: Curs Motoare

PARTEA II – EVALUAREA IMPACTULUI ASUPRA MEDIULUI

290

Tabelul 11.6. Valori utilizate şi neutilizate care pot fi cuprinse în valoarea economică totală

Valori utilizate Valori neutilizate Utilizare directă

Utilizare indirectă

Valori opţionale

Valori moştenite Valori existente

Rezultate direct consumabile

Beneficii funcţionale

Valori viitoare directe şi indirecte

Valori utilizate şi neutilizate ale moştenirii de mediu

Valori ale cunoştinţelor existenţei continue

Hrană Biomasă Recreare Sănătate

1) Controlul inundaţiilor 2) Protecţia contra furtunilor 3) Cicluri de nutriţie

1)Biodiversitate, 2)Habitat conservat

Habitat Prevenirea schimbărilor ireversibile

1)Habitat 2)Specii 3)Genetic 4)Ecosistem

Valori utilizate

Trebuie să se realizeze o distincţie între valorile bazate pe consumul direct al

unui anumit sort de resursă şi valorile bazate pe beneficii reale însă indirecte ale

activelor resurselor naturale (de exemplu: pădurea care protejează integritatea

solului şi calitatea apelor din bazinele hidrografice). Mai puţin evidentă este valoarea

opţională , prin care se înţelege preţul pe care cetăţenii agreează să-l plătească

pentru a menţine o resursă sau un activ natural pentru viitor şi care vor fi disponibile

ca opţiune de utilizare în viitor.

Valori neutilizate Valorile neutilizate cuprind valorile moştenite şi valorile existente. Valorile

moştenite sunt acele care măsoară beneficiile care ar reveni unui individ cunoscând

că resursa sau activul natural va fi disponibil beneficiului populaţiilor viitoare.

Valorile existente reprezintă acele valori care ar reveni unui individ cunoscând că

activul natural există, fără nici-o posibilă utilizare economică directă sau indirectă.

Această abordare extinde analiza cost - beneficiu tradiţională care ia în calcul

preferinţele private orientate pe câştigul individul spre includerea preferinţelor publice

orientate spre beneficiul social.

În cazul evaluării impactului de mediu al proiectelor de dezvoltare aceste doua

orientări pot intra in conflict. Se recunoaşte faptul că este nevoie să se treacă de la

Page 291: Curs Motoare

Bazele teoretice ale evaluarii impactului de mediu

291

beneficiile individuale la beneficiile comunităţii, ia conceptul mai larg de valoare

economică totală poate face acest lucru mai explicit.

Mulţi cercetători consideră că a atribui o sumă pentru distrugerile făcute

mediului este ilicit sau chiar imoral. Justificarea pentru atribuirea unei valori monetare

este că arată în ce măsură s-a câştigat sau s-a pierdut din bogăţie, aşa că banii sunt

mijlocul de măsură şi este cel mai bun indicator de care se dispune. Economiştii de

mediu pot explica cum utilizează banii ca mijloc de măsură.

11.5.1.2. Metodele de evaluare monetară

Economiştii care lucrează în domeniul mediului împart metodele de evaluare

monetară în metode directe care implică exprimarea monetară directă şi metode indirecte care implică comparare cu bunuri şi servicii care au piaţă. Aceste metode

au fost aşa împărţite pentru a face faţă situaţiilor când nu este o piaţă clară pentru

bunuri şi servicii aşa cum sunt schimbările de mediu şi care nu sunt bunuri de piaţă

în adevăratul sens al cuvântului.

Metodele directe Metoda experimentală:

Cea mai simplă metodă să se evalueze un bun sau un serviciu este ca acesta

sa fie supus ca într-un experiment la regimuri de încărcare diferite pentru a afla cât

de mult se poate plăti pentru bunul sau serviciul respectiv.

Această metodă poate fi aplicată cu succes pentru evaluarea posibilelor măsuri de

reducere a impacturilor.

Studii prin chestionare:

Constituie principala metodă de a identifica valoarea Există două tipuri de

studii care sunt aplicate valoarea contigentală şi ierahizarea contigentală.

A) Metoda valorii contigentale. Este folosită de economiştii din domeniul mediului deoarece oferă o stabilitate

rezonabilă şi rezultate utile, putând fi aplicată pentru estimarea valorilor neutilizate.

Metoda valorii contigentale are la bază punerea de scenarii (în cazul mediului

posibilele schimbări ale acestuia cu beneficii şi pierderi care pot rezulta din

implementarea proiectului de dezvoltare) şi solicitarea prin chestionar publicului cât

ar fi dispus să plătească pentru un beneficiu specificat sau cât de mari ar trebui să fie

Page 292: Curs Motoare

PARTEA II – EVALUAREA IMPACTULUI ASUPRA MEDIULUI

292

schimbările sau pierderile pentru a fi acceptate. Chestionarele pot cere răspunsuri de

la utilizatorii specifici existenţi de servicii şi bunuri .

Metoda permite să se exploreze valoarea opţională, valoarea existentă şi

valoarea moştenită, prin modificarea scenariilor cât şi a întrebărilor. Plecând de la

valoarea individuală este posibil să se calculeze valoarea totală pentru fiecare

componentă de mediu pentru o populaţie ţintă de o anumită mărime cunoscută.

Informaţiile despre avantaje pot fi utilizate pentru a explora analitic structurile valorilor

grupurilor în concordanţă cu caracteristicile socio-economice ca răspuns la situaţiile

puse de scenarii. Rezultă un număr mare de situaţii când populaţia este solicitată să

plaseze bani într-o situaţie ipotetică, de cele mai multe ori ei estimează foarte larg

dorinţa de a plăti un rezultat deoarece doresc sa-l vadă înregistrat şi ca urmare să

conteze la luarea deciziei, în acest caz banii sunt nominali, şi ca atare la atribuirea lor

nu există o mare responsabilitate.

S-au dezvoltat mai multe strategii pentru ca evaluarea să se fie cât mai

apropiată de lumea reală:

• Jocul de a licitaţia:

În acest caz se solicită indivizilor să ofere o sume de bani ( suma de deschidere)

care poate fi fixată la un nivel foarte ridicat sau foarte scăzut, apoi progresiv prin

scădere sau prin adunare să ajungă la suma pe care ar dori s-o plătească

individul. Prin acesta se cere individului să răspundă la o întrebare simplă, vrei să

plăteşti această sumă preţ, aceiaşi întrebare este pusă mai multor indivizi

utilizând diferite sume sau preţuri. Răspunsurile da-nu obţinute sunt prelucrate

prin producerea unei distribuţii a frecvenţei lor, după care se poate evalua

valoarea medie a sumei sau preţului

• Jocul de opţiune:

Se cere unui individ să considere două bunuri: unul este o sumă de bani

considerată ca un cadou, iar altul este un atribut al mediului ( exemplu calitatea

apei din lacul local). Individul trebuie să le ierarhizeze unele sub altele sau să-şi

exprime opţiunea pentru unul din cele două bunuri. Suma de bani este modificată

şi după o serie de comparaţii este posibil să se identifice punctul la care individul

doreşte să opteze pentru atributul de mediu pentru o sumă de bani. Acelaşi

exerciţiu poate include diferite atribute ale mediului, pentru a explora valori

comparative.

• Alegerea fără costuri:

Page 293: Curs Motoare

Bazele teoretice ale evaluarii impactului de mediu

293

Metoda este asemănătoare cu precedenta numai că se înlocuieşte suma de bani

cu un bun familiar indivizilor din eşantion.

• Metoda de evaluare a priorităţilor:

Metoda este complexă, ea utilizează un număr de bunuri familiare împreună cu

atributele de mediu pentru a crea o piaţă pentru aceste bunuri, pentru care se

prevăd atribute de mediu în diferite cantităţi. Acesta pentru a stabili o piaţa cu

oportunităţi de cumpărare restrictive. Preţurile sunt fixate pentru bunuri şi atribute

în diferite cantităţi, individul este prevăzut cu sumă nominală de bani cu care

cumpără, fie bunuri, fie atribute. Scopul exerciţiului este să se modifice preţurile la

cumpărăturile disponibile până când nivelurile de preţ pentru fiecare cumpărătură

este la fel ca la celelalte cumpărături. Aşa ca atributele de mediu pot fi estimate.

B) Metoda ierarhizării contigentale

Acesta metoda este similară cu metoda valorii contigentale, însă scopul

studiului este de a stabili o ierarhie a preferinţelor şi care în diferite faze pot fi legate

de bunuri comerciale de către analist pentru a câştiga bani.

Metodele indirecte a)Abordarea de piaţă

În multe situaţii efectele impacturilor de mediu pot fi văzute ca un curent

descendent cu valoare de piaţă. Aceste informaţii pot fi utilizate pentru estimarea

unei valori monetare pentru impactul de mediu.

Există două tipuri de abordări: prima trebuie să identifice impacturile cu acele

bunuri care au preţ de piaţă şi să se calculeze costul impacturilor de mediu utilizând

acele valori (aşa numita abordare răspuns doză), a doua abordare o reprezintă

calculul costului restaurării,reparării sau înlocuiri bunurilor deteriorate ( abordare

cost reparare înlocuire).

Metoda abordare răspuns doză este simplă , ea poate fi aplicată cu uşurinţa

la orice resursă naturală la care rezultatul are o valoare de piaţă şi are definite

legături între activitate şi scăderea producţiei. De exemplu:o cultură cerealieră este

afectată de impactul de mediu cum ar fi poluarea. Costul producţiei pierdute poate fi

calculat utilizând preţul de piaţa al produsului, în acest mod poate fi apreciată

valoarea impactului de mediu.

Page 294: Curs Motoare

PARTEA II – EVALUAREA IMPACTULUI ASUPRA MEDIULUI

294

Asemănător se poate aprecia costul impactului asupra sănătăţii populaţiei prin

aplicarea salariului zilelor de muncă pierdute, apreciază că acest cost este minim

deoarece nu ia în calcul copii, părinţii care îngrijesc copii, bătrânii la pensie. Acest

calcul nu ia în seama scăderea de productivitate datorită impactului asupra sănătăţii,

însă se poate aprecia luându-se în considerare creşterea cheltuielilor de sănătate .

Abordarea prin cost de reparare înlocuire estimează costurile bunurile

mediului stricate de activitatea umană, costurile referindu-se la muncă şi materiale,

iar aceste costuri pot fi utilizate la aprecierea costurilor impacturilor.

b)Abordare prin piaţă surogat

În cazul în care nu există bunuri şi servicii care să fie utilizate la aprecierea

impacturilor, se apelează la piaţa surogat prin care se rulează bunuri şi servicii care

interesează evaluarea impacturilor.

Abordarea prin cheltuieli defensive

Costul impactului se stabileşte ca suma ce ar fi plătită pentru a diminua sau

elimina efectele negative. În general, costurile stabilite sunt costuri agregate pentru

mai multe măsuri de reducere a efectelor negative.

Costuri de realocare.

Această metodă calculează costul mutării facilităţilor, parţial sau în întregime

pentru a elimina efectele adverse ale proiectului de dezvoltare. Exemplu mutarea

unui sat din cauza unui lac artificial, costul este complex deoarece trebuie să

acopere cheltuielile cu pământul, materiale , transport, dar şi alte componente

intangibile cum ar fi pierderea structurii comunităţii, întreruperea culturală şi efectele

psihologice asupra sănătăţii.

Metoda costului călătoriei

Este o metodă aplicată de economişti din domeniul mediului pentru evaluarea

bunurilor din parcurile naţionale, situri arheologice, facilităţi de recreare şi la care nu

se percepe taxă de intrare. Conceptul se bazează pe ideea ca facilităţile pot fi

estimate prin costurile pe care indivizii doresc să le plătească călătorind până la

facilitate. Metoda este scumpă în termeni de timp şi resurse.

Metoda preţului hedonic

Se bazează pe faptul că bunurile de mediu vor influenţa preţul de piaţă al

bunurilor asociate. Principala sarcină este să se găsească componentele de preţ ale

bunurilor vândute pe piaţă şi care pot fi atribuite bunurilor de mediu şi care de

Page 295: Curs Motoare

Bazele teoretice ale evaluarii impactului de mediu

295

asemenea pot fi utilizate pentru a evalua efectele schimbărilor bunurilor de mediu

datorate proiectelor de dezvoltare. Metoda este complexă, utilizează un număr de

analize statistice ca să se izoleze contribuţia individuală a bunurilor de mediu.

11.5.2. Metode de evaluare nemonetare

11.5.2.1. Metodele de evaluare tehnico-ştiinţifică

Evaluarea ştiinţifică se poate realiza prin metodele de cântărire – ponderare.

Metodele cântărire – ponderare pentru evaluarea informaţiilor despre impacturile de

mediu şi luarea deciziilor sunt de fapt aplicaţii ale metodelor multicriteriale Abordarea multicriterială clasică presupune:

• Fixarea alternativelor propuse, fiecare caracterizate de atribute proprii;

• Greutatea poate fi utilizata de factorul de decizie ca un criteriu de valoare;

• Fiecărei alternative atributele îi sunt înmulţite cu greutatea;

Informaţiile sunt utilizate să se compare alternativele. Cea mai simpla regulă

de decizie este să se adune atributele fiecărei alternative şi să se selecteze

alternativa cu cel mai mic total

Pentru a înţelege metodele dezvoltate pentru a fi folosite în evaluarea

impactului de mediu trebuie să se ia în considerare trei paşi utilizaţi în metodologia

de evaluare: cântărire/măsurare (scaling), ponderare (weighting), şi regula deciziei.

a)Cântărirea În procesul de evaluare a impacturilor de mediu intervin o multitudine de date

privind informaţii cantitative asupra proceselor şi sistemelor. Produsul final este o

cantitate mare de date rezultate în urma măsurătorilor care sunt prezentate într-o

largă varietate de unităţi de măsură. În aceste condiţii este dificil pentru public şi

factorii de decizie să interpreteze importanţa diferitelor nivele a diferitelor variabile şi

să compare alternativele propuse. Pentru a evita acest lucru este nevoie de a stabili

o bază comună obţinută prin care convertirea tuturor măsurătorile cuantificabile,

acest proces este cunoscut drept cântărire. O serie de cercetători au sugerat că energia poate fi folosită monedă surogat

pentru evaluarea impacturilor de mediu. Aplicaţiile ulterioare au arătat că o serie de

Page 296: Curs Motoare

PARTEA II – EVALUAREA IMPACTULUI ASUPRA MEDIULUI

296

procese biofizice pot fi apreciate în termeni energetici în timp ce procesele sociale şi

culturale nu pot fi caracterizate în acelaşi mod.

Pentru a rezolva problema au fost dezvoltate alte două metode :

• Metoda calităţii mediului;

• Metoda utilităţii.

Ambele metode stabilesc o bază comună metrică ori o baza de măsurare prin

care fiecărei variabile sau atribut utilizat pentru caracterizarea variantelor este

dezvoltată o funcţie prin care evaluatorul transformă un impact specific în unităţi

metrice comune.

În cazul metodei calităţii mediului unităţile sunt în general pe o scală de la 0 la

1, funcţia de conversie fiind dezvoltată de un grup de specialişti din domeniul

variabilei luate în considerare.

Metoda utilităţii foloseşte funcţii de conversie similare metodei anterioare în

care locul unităţilor metrice sunt „utilităţi”. Teoria utilităţii cu atribute multiple se

bazează pe cât factorul de decizie consideră să fie preferat un anumit nivel pentru un

atribut al unei activităţi propuse. În procesul de evaluare a impactului de mediu

funcţia de conversie este stabilită de specialiştii de mediu în acelaşi mod ca şi

funcţiile de calitate.

b) Ponderare Ponderarea este pasul prin care se realizează distincţia dintre atributele

impactului de mediu.

O metodă simplă este ca fiecărui atribut să i se acorde un notă, utilizând o

scală numerică simplă, cum ar fi de la 0 la 10 sau de la 0 la100.

O altă metodă prin care se poate realiza ponderarea o constituie analiza

regresiei multiple.

c) Regula deciziei S-au dezvoltat o multitudine de metode pentru a stabili o bază pentru a

selecta alternativa cu cele mai bune caracteristici.

Una din regulile cele mai simple şi utilizate o constituie metoda adunării simple

ponderilor, cunoscută ca “suma ponderală”. Regula este să se aleagă opţiunea sau

alternativa care produce cea mai mare sau cea mai mică sumă (în funcţie de

Page 297: Curs Motoare

Bazele teoretice ale evaluarii impactului de mediu

297

procedura aleasă) pentru care toate atributele au fost multiplicate cu ponderea

corespunzătoare şi însumate. Metoda presupune că atributele sunt independente

unele de altele şi modelul sumativ este aplicabil.

În cazul impacturilor de mediu atributele sunt în general interdependente într-

un sistem de caracteristici biofizici şi sociali. În acest caz de asemenea se presupune

ca ponderile sunt independente de mărimea impactului şi de mărimea altor impacturi.

11.5.2.2. Metodele de evaluare socio-economice

Abordările tehnico-ştiinţifice cantitative bazate sau nu pe criteriul monetar sunt

criticate deoarece o evaluările impacturilor de mediu realizate trebuie să fie mai

eficiente decât sunt prezentate. Se solicită o mai consistentă prelucrare a

informaţiilor privind impacturile de mediu care afectează grupuri umane sau indivizi la

luarea deciziilor. În fapt se solicită o strategie prin care să se echilibreze balanţa, pe

de o parte, între metodele tehnice de evaluare şi pe de altă parte între metodele de

detaliu. Acesta presupune utilizarea mecanismelor sociale prin implicarea publicului,

grupurilor de interese ca metode socio-ştiinţifice.

În procesul de evaluarea a impacturilor de mediu se pot aplica metode sociale

care conduc la rezultate pertinente tot atât de bine ca şi metodele tehnice.

Aceste metode sunt:

• Metoda SAGE;

• Metoda de evaluare panel;

Metoda SAGE Metoda SAGE ( Social judgement capturing, Adaptive Goal achievment

Environmental assessment) a fost dezvoltată ca răspuns la slăbiciunile metodei de

evaluare multicriteriale. Această metodă are scopul de a realiza un proces de

evaluare flexibil care să ia în considerare atât faptele cât şi valorile şi asigură că

valorile aduse proces au fost reprezentative părţilor afectate.

Metoda presupune patru faze:

1. Previziunea efectelor, acesta fază se realizează după algoritmul clasic;

2. Cântărirea atributelor în profit (câştig). Acesta fază presupune separarea

atributelor în grupuri care vor reflecta anumite obiective pentru factorii de

decizie (ex. maximizarea eficienţei economice). Atributele cu valoare

Page 298: Curs Motoare

PARTEA II – EVALUAREA IMPACTULUI ASUPRA MEDIULUI

298

monetară sunt grupate într-un grup de profit (câştig) cărei i se stabileşte

valoarea. Celelalte atribute sunt grupate pe grupe de profit ( ex. calitatea

mediului, accesibilitatea publicului la servicii). Atributele sunt cântărite utilizând

metodele prezentate, mărimea impacturilor este convertită pe o scală de la 0

la 1, şi atunci ponderea (numită în SAGE coeficient relativ de importanţă) este

calculată utilizând procedura ierarhizării prin comparaţii pereche (pair-wise

ranking procedure) Cântărirea şi ponderarea se realizează în interiorul

grupului de profit şi este făcut de experţii din domeniu. În acesta fază se

realizează o ierarhizare a alternativelor în interiorul fiecărui grup de profit.

3. Identificarea ponderii sau preferinţelor care sunt considerate ca afectând

indivizii sau grupurile în relaţie cu grupurile de profit. Metoda se bazează pe

teoria judecăţii sociale. Reprezentanţi provenind din grupurile afectate propun

o serie alternative, fiecare descrise în termenii contribuţiei la fiecare obiectiv

principal de luare a deciziei ( la diferite grupuri de profit). Alternativele propuse

în mod deliberat sunt formulate ca prezentând contribuţii slabe, medii sau

puternice la fiecare obiectiv pentru a realiza variate combinaţii de alternative.

Reprezentanţii ierarhizează alternativele în concordanţă cu preferinţele lor

utilizând o scală de la 0 la 100. Analize de regresie multiple sunt utilizate

pentru a analiza ierarhizarea fiecărui reprezentant. Valorile dependente sunt

distribuite ierarhizat alternativelor (de la 0 la100), valorile independente sunt

contribuţii numerice la obiectivele alternativelor măsurate pe o scală potrivită

(ex. valoare monetară pentru impacturi economice, valori de la 0 la 1 pentru

impacturi nemonetare). Scala de unităţi este definită înainte de efectuare

analizei. Coeficienţii de regresie generaţi prin analiză va arăta importanţa

reprezentanţilor desemnaţi pentru a ierarhiza un anumit obiectiv specific, iar

aceştia vor fi valorile de ponderare pentru reprezentantul respectiv. În

consecinţă în faza treia se realizează o analiză pentru a stabili valoare

ponderii acordate de grupurile de interese pentru luarea deciziei asupra unor

obiective ale alternativelor propuse, factorii de decizie vor identifica nevoile

printre obiectivele propuse pentru a satisface diverse grupuri de interese.

4. Întocmirea raportului cu concluzii pentru factorii de decizie. Acesta va cuprinde

o parte care va descrie valorile de ponderare şi cum trebuie să fie interpretate.

De asemenea în această parte se mai pot include mai multe informaţii care

Page 299: Curs Motoare

Bazele teoretice ale evaluarii impactului de mediu

299

privesc investigarea şi calcularea ponderilor. Sunt interesante atât variaţiile

ponderilor în interiorul grupurilor de interese cât şi variaţiile între grupuri.

Metoda de evaluare panel

Metoda de evaluare panel a fost dezvoltată din necesitatea de a uşura luarea

deciziilor în alocarea resurselor unde se lucrează cu o multitudine de incertitudini

privind posibilele impacturi şi unde este dificil să se colecteze informaţiile publicului

asupra importanţei impacturilor precum şi meritul social al activităţilor propuse.

Obiectivele metodei sunt:

• Să identifice şi să se definească orice impact posibil precum şi orice parte

afectată;

• Să se realizeze judecăţi de valoare explicite într-o formă cantitativă;

• Să se identifice ce mai potrivită propunere prin utilizarea diferitelor criterii de

evaluare.

Aplicarea metodei de evaluare panel presupune parcurgerea a trei faze:

1. Definirea şi identificarea impacturilor;

2. Măsurarea importanţei;

3. Stabilirea criteriilor.

1. Definirea şi identificarea impacturilor

În această fază fiecărui membru al panelului i se dau informaţii despre

propunere, date despre condiţiile de mediu şi se vizitează locul prevăzut pentru

implementarea proiectului propus.

Fiecare membru separat şi anonim va întocmi două liste cu impacturile pe

care le identifică ca fiind posibile ( lista impacturilor nefavorabile, lista impacturilor

folositoare).

Aceste liste se predau coordonatorului activităţii de evaluare. Coordonatorul ia

toate listele cu impacturi nefavorabile şi împreună cu grupurile în legătură cu

impacturile definesc impacturile în termenii rezultatelor asupra stării sociale, lista

rezultată este recirculată şi comentată. Acelaşi proces îl suportă şi listele cu

impacturile folositoare.

Page 300: Curs Motoare

PARTEA II – EVALUAREA IMPACTULUI ASUPRA MEDIULUI

300

Rezultatul final îl constituie două liste a impacturilor care prevăd termenii de referinţă

pe baza cărora specialiştii vor realiza investigaţii şi vor întocmi raportul de impact

care va fi prezentat membrilor panelului înainte de începerea celei de a doua faze.

2. Măsurarea importanţei

Pentru a se evalua importanţa socială a impacturilor previzionate membrii

panelului parcurg trei stadii:

Stadiul 1: fiecare membru al panelului notează importanţa impacturilor individuale pe

o scală de la 1 (foarte neimportant) la 7 (foarte important) într-un formular special

pregătit. Acest procedeu se aplică celor două liste separate : lista impacturilor

nefavorabile şi lista impacturilor folositoare. Pentru a realiza o judecată asupra

importanţei, membrilor panelului li se solicită să reflecte cum o comunitate mai largă

trebuie să privească impactul, în consecinţă să reprezinte un mai larg interes al

comunităţii. Utilizând procedeul Delphi se realizează notarea fiecărui impact de către

întregul panel, această notare este reprezentată într-o histogramă care va circula la

membrii panelului pentru comentarii. Un membru din panel la care propria notare

este pronunţat diferită de ceilalţi membrii ai panelului poate solicita coordonatorului

mai multe informaţii despre impact. Atunci membrii panelului repeta ierarhizarea

impacturilor şi procesul continuă până nu mai există mai multe convergenţe în

notare.

Stadiul 2: Fiecare membru al panelului notează impacturile pe baza notării

importanţei care a fost realizată în faza precedentă.

Stadiul 3:Fiecare membru al panelului imaginează ponderi pentru a indica importanţa

socială a fiecărui impact existent în cele două liste.

Pentru a realiza o prelucrare a ponderilor acordate de membrii panelului intr-o

mărime compozită se recomandă următoarea procedură:

a. Membrii panelului alocă nota zero sau o pondere fiecărui impact notat la

limita inferioară a listei considerat ca neavând o importanţă reală pentru

comunitate. Pentru celelalte impacturi considerate cu impact scăzut care totuşi

au importanţă se atribuie nota10 şi constituie punctul de plecare pentru

notarea celorlalte.

b. Realizarea listei de impacturi notate. Membrii panelului acordă note

celorlalte impacturi indicând raportul importanţei lor cu impactul considerat ca

Page 301: Curs Motoare

Bazele teoretice ale evaluarii impactului de mediu

301

punct de plecare ( ex. un impact considerat de patru ori mai important i se va

acorda nota 40).

Notele sunt revizuite pe parcurs şi se realizează ajustările necesare de către

membrii panelului până când ei vor fi satisfăcuţi comparativ cu nota finală

fixată.

c. Procesul de ponderare este aplicat ambelor liste de impact şi impacturile

considerate ca puncte de plecare din cele două liste sunt comparate. În cazul

în care membrii panelului nu le găsesc o importanţă egală, nota care reflectă o

importanţă mai scăzută este ajustată în sensul creşterii importanţei la un nivel

acceptabil. În acest caz celelalte note din lista în care s-a realizat ajustarea

sunt crescute în acelaşi raport pentru a păstra consecvenţa notării. Procentul

mediul al ponderii impacturilor nefavorabile şi folositoare servesc factorilor de

decizie ca indicator precis a preferinţelor unui grup de oameni bine structurat

care poate fi considerat reprezentativ pentru comunitate.

Bibliografie [1] Bruton, M.J. Introduction to transportation planning. London UCL Press.1985

[2] Glasson, J. Methods of EIA. London UCL Press.1995

[3] Glasson, J and al. Introduction to Environmental Impact assessment. London

UCL Press.1999

[4] Morgan, R., Environment Impact Assessment .Kluwer. Academic Publisher.

ISBN 0-412-72990-3

[5] Street, E., planning and Environmental Impact Assessment in Practice.

Logman Scientific and Technical, Harlow. 1997.

[6] Wood, C., Environment impact assessment: a comparative review. Logman

Scientific and Technical, Harlow. 1995.

[7] Weston,J Planning and Environmental impact assessment in practice. Logman

Scientific and Technical, Harlow. 1997.

Page 302: Curs Motoare

PARTEA II – EVALUAREA IMPACTULUI ASUPRA MEDIULUI

302

Autori: Corneliu COFARU

Daniela FLOREA

12. ELEMENTELE STUDIULUI PRIVIND EVALUAREA IMPACTULUI DATORAT TRAFICULUI RUTIER

12.1. ORGANIZAREA STUDIILOR DE MEDIU LA NIVELUL TRANSPORTULUI RUTIER Studiile de mediu fac parte din studiile tehnice care însoţesc proiectele

realizării infrastructurilor rutiere şi care pot fi împărţite în două clase: autostrăzi

concesionate şi reţeaua rutieră naţională neconcesionată.

Pentru aceste două categorii se organizează diferite nivele de studii de mediu.

12.1.1. Autostrăzi concesionate Tabelul 12.1 Caracteristicile organizării EIA pe străzi concesionate

Nivelul 1 Studii preliminare

Cuprinsului anteproiectului

Aceste studii fixează opţiunile majore din domeniul mediului şi permit definirea caietului de sarcini al anteproiectului sau al operaţiilor de despăgubire.

Nivelul 2 Cuprinsul anteproiectului , Dosar de aglomerare serviciului de drumuri

Studiile de mediu servesc ca bază la redactarea studiului de impact. Obiectivul principal al documentului este de a pregăti ancheta prealabilă declaraţiei utilităţii publice.

Declaraţia utilităţii publice

Nivelul 3 Anteproiectul autostrăzii Acest dosar este întocmit sub responsabilitatea societăţii concesionare. El defineşte cu precizie caracteristicile proiectului şi a modalităţii de implantare a acestuia.

12.1.2. Străzi naţionale neconcesionate

Tabelul 4.2. Caracteristicile organizării EIA pe străzi neconcesionate

Nivelul 1 Studii preliminare Aceste studii fixează opţiunile majore de amenajare rutieră şi integrează

Page 303: Curs Motoare

Elementele studiului de impact datorat traficului rutier

303

elementele majore în domeniul mediului şi amenajării teritoriului.

Nivelul 2 Cuprinsul anteproiectului Aceste studii au ca principal obiectiv pregătirea anchetei prealabile declaraţiei de utilitate publică sau înscrierea în documentele de urbanism. Aceste studii conţin toate elementele studiului de impact.

Declaraţia de utilitate publică

Nivelul 3 Studiile de proiect Definesc de o manieră precisă toate lucrările care se vor desfăşura, costurile pe care le implică, angajarea achiziţiilor funciare şi pregăteşte dosarele pentru consultarea antreprizelor.

12.1.3. Elementele studiilor preliminare

12.1.3.1. Principii

Studiile de mediu din fazele preliminare constituie primul nivel al studiilor

tehnice în vederea realizării unui proiect şi trebuie să se realizeze pe următoarele

principii: continuitate, progresivitate, selectivitate şi dezvoltare durabilă.

Continuitate – Poluarea atmosferică trebuie să fie luată în considerare pe parcursul

desfăşurării diferitelor faze ale studiilor proiectului.

Progresivitate – Pe măsura dezvoltării studiilor, datele acumulate trebuie să fie

desăvârşite independent de natura proiectului şi de aria geografică la care se

raportează. Studiile preliminare trebuie înainte de toate să identifice prezenţa

puternicelor mize sau zonele delicate în raport cu calitatea aerului în zona de studiu

şi care să facă posibilă o analiză mai precisă într-o fază ulterioară.

Selectivitate – Culegerea de date corespunzător acestei prime faze poate fi cu

dificultate selectivă. De aceea trebuie să se încerce să fie cât mai exhaustive pentru

ca în faza următoare selectivitatea să fie mai pertinentă.

Principiul precauţiei şi dezvoltarea durabilă – Ca în toate cazurile când se tratează

nocivitatea vieţii moderne urbane şi poluarea, aceste studii trebuie să se guverneze

după principiul precauţiei. Dezvoltarea durabilă, concept prin care se urmăreşte

Page 304: Curs Motoare

PARTEA II – EVALUAREA IMPACTULUI ASUPRA MEDIULUI

304

conservarea resurselor pentru generaţiile viitoare, are în obiectiv pentru luarea

deciziei de dezvoltare rutieră stabilirea cu precizie a tuturor riscurilor grave sau

ireversibile şi a posibilităţilor de diminuare şi eliminare iar tratarea acestor cauze

trebuie efectuată ca şi în cazul incertitudinii ştiinţifice.

12.1.3.2. Sursele de date şi culegerea datelor

În general, toate demersurile în aceste studii trebuie să privească zonele unde

poluarea atmosferică reprezintă o miză puternică pentru sănătatea publică sau

pentru mediul natural iar pentru aceasta pot fi folosite datele disponibile ale diferitelor

organisme, acestea la rândul lor putând fi desfăşurate într-un detaliu utilizabil :

• Definirea suprafeţelor sectoarelor sensibile, repartiţia construcţiilor folosind

planurile de urbanism şi eventual tipologia clădirilor sensibile.

• Localizarea echipamentelor şi spaţiilor sensibile, natura folosirii, frecvenţa şi

constrângerile particulare. Anumite echipamente, prin folosirea lor au o

puternică influenţă asupra calităţii aerului mai ales dacă în apropiere există

şcoli, centre medicale, case de recuperare, spaţii sportive şi culturale.

• Identificarea în spaţiul urban şi interurban a zonelor protejate: culturi supuse

riscurilor la poluare, agricultură biologică.

• Determinarea calităţii aerului. Identificarea principalelor surse emitente

(industriale sau rutiere) şi natura emisiilor nocive.

• Identificarea principalelor caracteristici topografice şi climatice (topografia

generală, vânturi dominante, temperatura medie).

Datele utilizate pentru a analiza poluarea atmosferică la alte obiective aflate în

aceeaşi zonă pot fi utilizate pentru a se evita investigarea dublă.

12.1.3.3. Prelucrarea datelor

Toate datele acumulate sunt prelucrate şi analizate pentru a elimina sau limita

riscurile previzibile asupra poluării mediului.

Studiul poluării atmosferice pentru faza iniţială trebuie să conţină un inventar

al poluanţilor şi al consumului energetic legat de transportul rutier. Datele pot fi

completate prin măsurări în teren (măsurarea poluanţilor gazoşi sau a poluanţilor în

sol) şi de asemenea se poate realiza o modelare matematică a dispersiei poluanţilor.

Page 305: Curs Motoare

Elementele studiului de impact datorat traficului rutier

305

12.1.3.4. Aria geografică de studiu

a) Zona urbană

Alegerea ariei de studiu (sau perimetrul de studiu) asupra căruia se evaluează

impactul proiectului asupra mediului este pentru conducătorul lucrării o etapă

importantă care condiţionează analizele şi deci, şi rezultatele.

Aria de studiu nu este unică şi ea variază în funcţie de tema de mediu

abordată.

Emisiile poluante în atmosferă sunt generate de traficul rutier. Impactul unui

proiect de infrastructură rutieră se va măsura deci peste tot unde proiectul

antrenează modificări sensibile ale traficului în plus sau în minus.

Aria geografică de studiu se delimitează prin ansamblul axelor rutiere în care

traficul se modifică cu ±10% ca urmare a realizării proiectului. Această modificare de

trafic se apreciază evaluând situaţia la un anumit orizont fără implementarea

proiectului şi situaţia la acelaşi orizont cu realizarea proiectului atât la orele de vârf

cât şi pentru ore de trafic mediu.

Modelele de trafic urban permit compararea diferitelor scenarii şi variante.

Banda de studiu considerată sub influenţa poluanţilor gazoşi emişi de traficul

rutier (de o parte şi de alta a axului infrastructurii rutiere) este fixată la :

- 300 m – pentru un drum cu mai mult de 5000 vehicule / oră

- 200 m – pentru un trafic cuprins intre 2500 – 5000 vehicule / oră

- 100 m – pentru un trafic inferior a 2500 vehicule / oră

Pentru poluarea cu metale grele a solului şi vegetaţiei, lărgimea benzii de

studiu de o parte şi de alta a axului infrastructurii este de 50 m, la un trafic inferior a

5000 vehicule / oră sau de 100 m la un trafic superior a 5000 vehicule / oră.

b) Zona interurbană

Proiectele de infrastructură interurbană pot fi de la o simplă amenajare a unei

şosele la o autostradă pe un traseu nou, putând să afecteze traficul la nivel regional

şi naţional. În funcţie de impactul care se doreşte a fi studiat, se disting două

categorii de studii.

Pentru analiza costurilor colective ale nocivităţii şi poluării, analiza avantajelor

induse şi evaluarea consumurilor energetice rezultând din exploatarea proiectului

studiul întocmit trebuie să fie cât mai larg posibil şi trebuie să cuprindă ca şi pentru

zona urbană toată reţeaua rutieră care cunoaşte un plus al traficului de 10%.

Page 306: Curs Motoare

PARTEA II – EVALUAREA IMPACTULUI ASUPRA MEDIULUI

306

Pentru analiza impactului asupra calităţii aerului şi efectelor asupra mediului

înconjurător, aria de studiu trebuie redusă la o bandă în jurul infrastructurii rutiere noi

sau nou amenajate. Lungimea acestei bande de studiu trebuie să acopere ansamblul

proiectului interurban şi această lungime va fi modulată în funcţie de poluarea

studiată.

Banda supusă studiului considerată sub influenţa poluanţilor gazoşi emişi de

trafic (de o parte şi de alta a axului infrastructurii rutiere) este :

- 300 m pentru un drum cu un trafic mai mare de 50000 vehicule / zi

- 200 m pentru un drum cu un trafic cuprins între 25000 şi 50000

vehicule / zi

- 100 m pentru un drum cu un trafic inferior la 25000 vehicule / zi

Lărgimea benzii studiate de o parte şi de alta a axei infrastructurii pentru

poluarea cu metale grele este de 100 m la un trafic superior la 50000 vehicule / zi şi

50 m pentru un trafic inferior la 50000 vehicule / zi.

12.2 CONŢINUTUL STUDIULUI DE MEDIU ÎN CAZUL INFRASTRUCTURII

RUTIERE

Conţinutul studiului este condiţionat de următoarele criterii :

- traficul mediu zilnic;

- clasificarea sonoră a viitoarei infrastructuri;

- în zona urbană, traficul la ora de vârf.

Tabelul 12.3 Clasificarea infrastructurii şi studiului în funcţie de traficul rutier

Clasificarea sonoră a

infrastructurii

Vehicule unitare / oră Oră de vârf (în ambele sensuri)

Vehicule / zi (ambele sensuri)

Tip studiu Lărgimea de

studiu

1 > 5000 > 50000 I 300

2 ≤ 5000 ≤ 50000 II 200

3 ≤ 2500 ≤ 25000 III 100

4, 5 ≤ 1000 ≤ 10000 IV 100

Page 307: Curs Motoare

Elementele studiului de impact datorat traficului rutier

307

Conţinutul studiului pentru diferitele tipuri se prezintă în modul următor:

12.2.1. Studiul de tip I 1. Estimarea emisiilor principalilor poluanţi şi consumul energetic la nivelul ariei

de studiu;

2. Estimarea concentraţiilor în banda de studiu;

3. Analiza costurilor colective ale nocivităţii poluării şi a avantajelor induse de

proiect colectivităţii;

4. Studiu detaliat asupra sănătăţii cu comparaţii ale calităţii aerului;

5. Studiu al efectelor asupra vegetaţiei şi solului;

6. Studiu privind instalarea capturilor pentru reţeaua de monitorizare a emisiilor

datorate traficului rutier.

12.2.2. Studiul de tip II 1. Estimarea emisiilor principalilor poluanţi şi a consumului energetic la nivelul

ariei de studiu;

2. Estimarea simplă a concentraţiilor poluanţilor la nivelul bandei de studiu;

3. Analiza costurilor colective ale nocivităţii poluării şi avantajele induse de

proiect asupra colectivităţii;

4. Studiu simplificat asupra efectelor asupra sănătăţii;

5. Studiu simplu asupra efectelor poluării asupra vegetaţiei şi solului.

12.2.3. Studiul de tip III 1. Estimarea emisiei principalilor poluanţi şi a consumului energetic la nivelul

ariei de studiu;

2. Analiza costurilor colective ale nocivităţii poluării şi a avantajelor induse de

infrastructură asupra colectivităţii;

3. Trecerea în revistă a efectelor asupra sănătăţii;

4. Trecerea în revistă a efectelor asupra vegetaţiei şi solului.

12.2.4. Studiul de tip IV 1. Estimarea emisiei principalilor poluanţi şi a consumului energetic la nivelul

ariei de studiu;

2. Analiza costurilor colective şi a avantajelor induse de proiect;

3. Informaţii asupra poluării atmosferice şi efectelor sale asupra sănătăţii.

Page 308: Curs Motoare

PARTEA II – EVALUAREA IMPACTULUI ASUPRA MEDIULUI

308

12.3. CAZURI SPECIFICE

12.3.1. Configuraţia de excepţie a reţelei rutiere urbane Există în zona urbană cazuri de implantare particulare a reţelei rutiere cum ar

fi: străzi în formă de “U”, capete de tunel, lucrări subterane sau cămine de eliminare

a aerului viciat din tunele, străzi supraînălţate la nivelul ferestrelor sau existenţa în

apropierea străzilor a unităţilor cu populaţie sensibilă (creşe, şcoli, spitale sau case

de bătrâni).

În acest caz, studiile de impact trebuie să cuprindă rezultatele simulării

dispersiei poluanţilor şi efectele acestor poluanţi asupra sănătăţii.

12.3.2. Cazul unor lucrări de anvergură În cazul unor lucrări importante care afectează reţeaua rutieră şi traficul rutier

într-o aglomerare urbană, mai multe aglomerări urbane sau între mai multe

aglomerări urbane, studiul de impact trebuie realizat la scară regională şi în funcţie

de specific, să trateze prin modelare, posibilitatea de apariţie a ploilor acide sau

poluării fotochimice.

12.3.3. Cazul amenajărilor la străzi existente În cazul executării de lucrări de amenajare a unei străzi existente (lărgiri,

optimizare a intersecţiilor), studiile de impact pot să se limiteze la o comparaţie a

emisiilor şi a consumurilor energetice, completate cu măsuri de diminuare a poluării

de proximitate. Aplicarea relaţiilor de calcul permite obţinerea concentraţiilor

poluanţilor care vor fi monitorizate după terminarea lucrărilor.

12.3.4. Cazul existenţei culturilor agricole alimentare lângă infrastructura rutieră În acest caz, studiul trebuie să evidenţieze efectele poluării datorate

infrastructurii, proiectate asupra solului şi culturilor (la nivelul cunoştinţelor ştiinţifice).

Page 309: Curs Motoare

Elementele studiului de impact datorat traficului rutier

309

12.4. MODELAREA EMISIILOR POLUANTE

12.4.1. Modelarea traficului rutier Previziunile traficului rutier trebuie să fie făcute în mod separat pentru mediul

urban şi mediul interurban.

12.4.1.1. În mediul urban

Toate lucrările efectuate în timp au avut ca scop gestionarea saturaţiei

periodice a reţelei stradale pentru a se evita blocajele. Aceste perioade vulnerabile

din punctul saturării traficului sunt: ora de vârf de dimineaţă (OVD) şi ora de vârf de

seară (OVS). Metodologiile de previziune dezvoltate în ultimii ani au abordat aceste

ore de vârf ale traficului, care au prezentat densităţi maxime de trafic. Pentru a

realiza studiile, autovehiculele sunt aduse la vehicule etalon (V.E), la care orice alt

vehicul (motocicletă, autobuz, autocamion) este adus la vehiculul etalon (k*V.E).

Coeficientul de echivalare k ţine seama de categoria autovehiculului care circulă în

mediul urban.

Studiile şi modelarea traficului rutier în mediu sunt evaluate pentru o zi din

săptămână exceptând zilele de weekend, pentru o oră de vârf (de preferat ora de

vârf de ele mai cunoscute modele de trafic urban sunt: “Trips”, “Minutip”, “Polydrom”,

“Davisum”, “Emme 2”.

12.4.1.2. În mediul interurban În mediul interurban, preocupările şi obiectivele privind traficul rutier sunt

centrate pe buna funcţionare a reţelelor stradale, atât în perioadele normale cât şi în

perioadele de nivel maxim al traficului.

Pe infrastructura rutieră interurbană, perioadele în care fluxul rutier este la

saturaţie sunt numeroase şi privesc zilele de weekend şi de vacanţă.

Metodele de previzionare a traficului rutier interurban privesc media anuală

zilnică a traficului.

Ca şi în mediul urban, traficul vehiculelor grele reprezintă un factor important

în decizia oportunităţii, eficacităţii şi interesului amenajării infrastructurilor rutiere.

Cele mai cunoscute modele de trafic interurban sunt “Ariane” şi “Sami”.

Page 310: Curs Motoare

PARTEA II – EVALUAREA IMPACTULUI ASUPRA MEDIULUI

310

12.4.2. Limitele şi adaptarea modelelor de trafic Previziunile pe termen mediu ale traficului rutier depind de numeroase ipoteze

economice, sociale, demografice şi de oferta de transport în funcţie de condiţiile

infrastructurii rutiere. În aceste condiţii, previziunile de trafic rutier sunt dificile şi nu

pot reprezenta o situaţie perfectă pentru orizontul studiat. Însă, aceste studii au rolul

de a pune în discuţia actorilor implicaţi datele privind o evoluţie posibilă.

Studiile de trafic furnizează date privind fluxul şi viteza de croazieră a

vehiculelor şi ele servesc ca bază pentru a susţine o multitudine de aspecte ale

proiectului de infrastructură, asigurându-i totodată coerenţa necesară.

Pentru a obţine toate datele necesare întocmirii unui studiu privind calitatea

aerului, trebuie să se stabilească o corespondenţă între informaţiile brute ale

modelului, bazate pe ora de vârf şi datele despre traficul oră cu oră pentru a obţine

traficul total în 24 ore ale unei zile lucrătoare din săptămână.

Culegerea datelor despre trafic se realizează prin observaţii directe, în mediul

pentru care se realizează studiul sau din baza de date a unor situri similare. Aceste

date trebuie să evidenţieze caracteristicile traficului, evidenţiind vehiculele uşoare,

vehiculele grele şi tipul infrastructurii rutiere.

La stabilirea modelului trebuie să se ia în considerare punctele singulare cum

ar fi : şcoli, spitale, centre comerciale.

12.4.2.1. Tipurile de autovehicule aflate în trafic

I - Traficul vehiculelor uşoare Categoria vehiculelor uşoare cuprinde vehiculele cu greutate totală mai mică

de 3,5 t şi poate fi divizată în două sub categorii :

- vehiculele uşoare personale;

- vehiculele uşoare utilitare.

Aceste două sub categorii se comportă diferit din punctul de vedere al

emisiilor poluante. Caracteristicile specifice de trafic ale vehiculelor uşoare utilitare

sunt puţin cunoscute şi de aceea în studiile de impact se consideră o singură

categorie, “vehicule uşoare” (VU).

Pentru calculul emisiunilor şi consumului energetic se utilizează în general

chei de repartiţie standard stabilite la nivel naţional între vehiculele uşoare personale

şi vehiculele uşoare utilitare.

Page 311: Curs Motoare

Elementele studiului de impact datorat traficului rutier

311

II - Traficul vehiculelor grele La efectuarea studiilor de impact al infrastructurii interurbane se porneşte de

la datele prezente şi previzionale ale mediei anuale zilnice a traficului şi având ca

ipoteză creşterea traficului pe orizontul de studiu.

În mediul urban traficul de mărfuri este mai puţin cunoscut iar studiile de trafic

trebuie să stabilească fluxurile de mărfuri şi parcursul vehiculelor utilitare (uşoare şi

grele) luând în calcul următoarele mărimi : traficul mediu zilnic, traficul de mărfuri la

ora de vârf de dimineaţă şi traficul la ora de vârf de seară al vehiculelor grele.

12.4.2.2. Orizontul studiului

Orizontul studiilor privind traficul rutier trebuie să fie pe cât posibil realizat pe

durata de viaţă tehnică a infrastructurii rutiere. Însă dificultăţile de analiză prospectivă

a traficului şi a nivelelor viitoare ale emisiunilor poluante limitează orizontul studiilor

de trafic şi de impact la o durată inferioară duratei de viaţă a infrastructurii rutiere.

Ştiut fiind ca fluctuaţiile activităţilor economice influenţează puternic cererea de

transport şi aceste fluctuaţii sunt greu de previzionat, previziunile de trafic pe termen

mediu (5 – 10 ani) vor indica tendinţele pe termen lung.

Se apreciază faptul că datorită îmbunătăţirilor tehnologice, creşterea traficului

rutier să nu determine o creştere a emisiilor poluante iar impactul maxim asupra

mediului ambiant să nu coincidă cu traficul maxim.

Este important ca studiile de impact să aibă acelaşi orizont ca şi studiile de

simulare a previziunilor traficului rutier.

Pentru reţelele stradale naţionale orizontul studiului poate fi de 20 ani.

12.4.2.3. Influenţa emisiilor datorate traficului rutier

Emisiile diferitelor vehicule aflate în trafic sunt diferite şi sunt influenţate de:

- tipul vehiculului (vehicul uşor personal, vehicul uşor utilitar, vehicul

greu);

- tipul motorului (M.A.S sau M.A.C);

- vârsta vehiculului;

- cilindree;

- sistemul de tratare a gazelor de evacuare (catalizator cu 3 căi,

catalizator oxidant);

Page 312: Curs Motoare

PARTEA II – EVALUAREA IMPACTULUI ASUPRA MEDIULUI

312

- compoziţia combustibilului (conţinut de plumb, sulf, benzen);

- sarcina autorizată a vehiculelor grele.

O serie de factori pot modifica emisiile poluante ale vehiculelor aflate în trafic,

cum ar fi:

- temperatura motorului şi a convertorului catalitic;

- declivitatea infrastructurii rutiere;

- temperatura mediului ambiant;

- sarcina îmbarcată în vehiculele utilitare.

Cuantificarea emisiilor unitare ale diferitelor vehicule prezente pe o

infrastructură rutieră poate fi realizată după metodologia europeană “Copert”.

12.4.2.4. Compoziţia parcului de autovehicule

Compoziţia parcului de autovehicule (uşoare şi grele) pentru diferitele

categorii de infrastructură rutieră este importantă pentru determinarea emisiilor

unitare medii. Aceasta permite repartiţia traficului rutier în clase omogene de vehicule

din punct de vedere al emisiilor poluante determinate de rata prezenţelor pe

infrastructură a fiecărei clase.

Compoziţia parcului de vehicule variază in fiecare an datorită intrării în

circulaţie a noi modele mai puţin poluante care utilizează noi tehnologii, introduse ca

răspuns la normele privind emisiile poluante, norme din ce în ce mai severe.

Repartiţia parcului de vehicule în clase tehnologice şi în funcţie de kilometrajul

parcurs de fiecare clasă, permite o ponderare corectă a factorilor emisiilor unitare în

funcţie de prezenţa în trafic a fiecărei clase.

12.4.3. Emisiile poluante datorate traficului rutier Cantitatea medie a unui poluant emis de traficul rutier se poate determina cu

relaţia:

Qi = Σ(Vkj*eij) (12.1)

unde :

i - reprezintă indicele poluantului studiat;

j - caracterizează clasa vehiculului;

Qi - reprezintă masa de poluant emisă de ansamblul vehiculelor ;

[grame] ;

Page 313: Curs Motoare

Elementele studiului de impact datorat traficului rutier

313

Vkj - este distanţă parcursului cumulat de vehiculele din clasa “j”;

[vehicule * km];

eij - reprezintă factorul emisiei unitare caracteristice poluantului “i” de

vehiculele din clasa “j”; [g / km];

Factorul eij incorporează diferiţii factori de corecţie cum ar fi: temperatura

motorului, declivitatea infrastructurii, etc.

Emisia globală a poluanţilor este direct proporţională cu densitatea traficului şi

variază considerabil cu viteza medie de parcurs.

Legile de agregare a zgomotelor datorate traficului rutier sunt logaritmice în

contrast cu variaţia emisiilor poluante chimice.

Se remarcă faptul că în mediul urban emisiile poluante depind de starea

termică a motorului vehiculului deci, a lungimii medii a parcursului vehiculului pe

infrastructura studiată. În condiţiile în care infrastructura este subterană, emisiile

vehiculelor sunt diferite de cele constatate în aer liber, datorită condiţiilor specifice de

circulaţie.

La cuantificarea emisiilor datorate traficului rutier intervin o multitudine de

factori de influenţă, de unde rezultă o puternică incertitudine asupra valorilor

absolute. Pentru a elimina acest neajuns, în studiile de mediu este bine să se lucreze

cu comparaţii între scenarii sau variante şi nu cu valori absolute.

Procesul de evaluare a emisiilor poluante şi a consumului energetic trebuie

efectuat în două etape:

1. Pentru diferite orizonturi de studiu se compară emisiunile datorate traficului,

poluant cu poluant, cu starea de referinţă.

2. După stabilirea orizonturilor de studiu este posibil să se compare variantele

şi scenariile cu starea de referinţă sau între ele.

În urma procesului de evaluare a emisiilor poluante pot apărea următoarele

cazuri:

- se realizează sau nu un anume proiect;

- se realizează un anume proiect mai curând decât altul;

- se realizează un anume proiect înaintea altuia;

- se demarează un şantier al unui anumit proiect la o anumită dată.

Se remarcă faptul că rezultatele pentru diferite scenarii şi variante sunt diferite

atât pentru emisiile poluante cât şi pentru consumurile energetice şi că nu există un

factor de ponderare între poluanţi pentru a permite agregarea poluanţilor între ei

Page 314: Curs Motoare

PARTEA II – EVALUAREA IMPACTULUI ASUPRA MEDIULUI

314

pentru a obţine un indice global al poluării atmosferice legat de traficul rutier, de

aceea analiza se realizează poluant cu poluant.

12.4.4. Modelarea concentraţiilor poluanţilor În cazul proiectelor pentru infrastructuri rutiere importante o simplă estimare a

emisiilor poluante nu este suficientă pentru a trage concluzii asupra impactului

asupra mediului ambiant şi este necesar să se evalueze repartiţia spaţială şi

temporală a concentraţiei poluanţilor în zona geografică studiată şi ce modificări ale

concentraţiilor poluante vor implica realizarea proiectului.

Situaţia iniţială a concentraţiilor poluanţilor pentru zona geografică studiată se

stabileşte prin măsurători. Estimarea acestor concentraţii pentru orizontul temporal al

studiului se stabileşte utilizând modele matematice care simulează structura

atmosferică, emisiile şi transportul poluanţilor. În general modelele utilizate simulează

fenomenele fizice de transport şi dispersie, neluând în seamă interacţiunile chimice

la care poluanţii sunt supuşi în atmosferă.

12.4.4.1. Principiile de modelare

Modelarea permite determinarea câmpurilor concentraţiei poluanţilor pentru

diferite scenarii de studiu.

Simularea proceselor de transport şi dispersie a poluanţilor necesită luarea în

calcul a unei multitudini de parametri, cum ar fi:

- condiţiile meteorologice;

- descrierea fizică a zonei de studiu;

- descrierea surselor de poluare.

12.4.4.2. Condiţiile meteorologice

Au o mare importanţă la simularea dispersiei poluanţilor căci ele determină

condiţiile de curgere a poluanţilor emişi. Condiţiile atmosferice sunt definite de o

mulţime de parametri şi care sunt importanţi în procesul de modelare a dispersiei

poluanţilor, cum ar fi:

- înălţimea stratului de inversie de la stratul de bază;

- gradientul termic vertical (sub şi deasupra stratului de inversie);

- viteza şi direcţia vântului;

Page 315: Curs Motoare

Elementele studiului de impact datorat traficului rutier

315

- profilul vertical al vântului.

Stabilitatea atmosferică - este factorul care influenţează major dispersia

poluanţilor. Stratul limită al atmosferei este porţiunea de bază a atmosferei care

suportă în mod direct influenţa solului. Acest strat are o înălţime variabilă (de la

câţiva metri până în jur de 2 km), în el dispersându-se majoritatea poluanţilor, fiind

antrenaţi de turbulenţa maselor de aer.

Turbulenţa creată în stratul limitei atmosferice poate avea două origini:

dinamică (datorată iregularităţii sau rugozităţii suprafeţei solului) sau termică

(datorată repartiţiei verticale a temperaturii aerului).

Turbulenţele aerului au efecte favorabile procesului de dispersie a poluanţilor

emişi.

Stabilitatea atmosferică este legată de gradientul termic vertical. Pasquill a

definit o clasificare a structurii verticale a atmosferei care utilizează parametri

accesibili cum ar fi: viteza vântului, nebulozitatea şi ora / poziţia soarelui.

Un caz particular îl constituie inversiunea termică în stratul de bază al

atmosferei deoarece este defavorabil dispersiei poluanţilor. Inversiunea termică se

caracterizează prin inversiunea gradientului termic vertical care este în mod normal

negativ în sensul creşterii altitudinii şi el devine pozitiv. Prin inversiunea termică se

generează un strat stabil de aer cald la un nivel superior stratului de bază al

atmosferei iar poluanţii emişi sunt reţinuţi în stratul atmosferic dintre sol şi stratul de

inversiune. Inversiunea termică se poate produce aproape de sol sau la altitudine.

- Vântul - pentru simularea procesului de dispersie al poluanţilor este

important să se cunoască direcţia, viteza şi frecvenţa vântului. Direcţia vântului va

determina axa de transport a poluanţilor iar viteza acestuia dă informaţii asupra

procesului de diluţie al concentraţiei poluanţilor (cu cât vântul este mai puternic, cu

atât este mai favorabil dispersiei).

Datele privind caracteristicile vântului pot fi în forme diferite şi care au o

reprezentare variabilă temporal (de la date statistice multianuale până la date orare).

- Profilul vertical al vântului - profilul vitezei vântului este în funcţie de altitudine

şi permite să se calculeze viteza vântului în toate punctele zonei de studiu, oricare ar

fi relieful, altitudinea şi acoperământul solului. Datele pot fi obţinute de la serviciile

meteo dar modele de dispersie ale poluanţilor pot genera diferite tipuri de profiluri ale

vântului care vor fi adaptate studiilor de impact.

Page 316: Curs Motoare

PARTEA II – EVALUAREA IMPACTULUI ASUPRA MEDIULUI

316

12.4.4.3. Descrierea fizică a zonei de studiu

Datele meteorologice sunt primele care sunt luate în calcul la realizarea

modelării dispersiei poluanţilor dar micro meteorologia este puternic influenţată de

topografia sitului şi de ocuparea solului zonei de studiu (construcţii, păduri, lacuri,

fluvii, zone urbane).

Spre exemplu, construcţiile creează o rugozitate importantă, care generează

turbulenţe care induc schimbări notabile în câmpul vitezelor vântului şi care sunt

dificil de evaluat. Parametrii care pot interveni şi trebuie analizaţi sunt:

- efectul zidurilor prin care trebuie precizată natura curgerii aerului în

apropierea clădirilor sau efectul acustic;

- luarea în calcul a fluxului de căldură emis de zonele urbane, absorbţia sau

remisia de către suprafeţele înconjurătoare;

- efectele de depozit şi turbulenţă determinate de prezenţa vegetaţiei;

- efectele de depunere.

12.4.4.4. Descrierea surselor de poluare

Sursele de poluare pot fi clasificate în trei categorii:

- surse punctuale (coşuri industriale);

- surse suprafaţă (zone urbane, păduri, culturi);

- surse liniare (infrastructuri de transport).

Studiile de impact asupra mediului analizează infrastructura rutieră ca o sursă

liniară insă în general proiectele de infrastructură rutieră trec prin sau pe lângă

aglomerări urbane sau industriale şi atunci este necesar să se evalueze partea care

revine infrastructurii rutiere în raport cu alte surse emitente şi în consecinţă trebuie

analizate toate tipurile de surse.

Pentru descrierea unei surse trebuie să se cunoască pentru fiecare poluant

următoarele:

- scara de timp şi de spaţiu utilizată pentru a descrie sursele de emisie;

- localizarea exactă a surselor emitente (coordonate 3D pentru sursele

punctuale, suprafaţa surselor suprafaţă, traseul pentru sursele liniare);

- cantitatea emisă în unitatea de timp (debitul poluantului);

- temperatura de emisie;

- viteza de emisie;

- evoluţia pentru diferite orizonturi ale ansamblului acestor date.

Page 317: Curs Motoare

Elementele studiului de impact datorat traficului rutier

317

12.4.4.5. Date necesare pentru modelare

Se iau în considerare valori pentru mai mulţi parametrii care trebuie să fie

definiţi în modelele de dispersie a poluanţilor:

- viteza vântului [m/s] = variabilă cu un min. 2,5 m/s;

- înălţimea vântului [m] = 10;

- direcţia vântului = variabilă în funcţie de datele locale;

- temperatura mediului ambiant [°C] = între 5 şi 20;

- presiunea mediului [kPa] = 1,013.

Direcţia vântului se alege în funcţie de datele meteorologice locale. Pentru

simulări se iau în considerare două diferite scenarii: a) - direcţia vântului celui mai

frecvent şi viteza vântului asociat; b) - o altă direcţie care poate fi defavorabilă (este

cazul vitezelor mici de vânt sau vânt de a doua frecvenţă).

Datele constante ale modelului sunt:

- rugozitatea suprafeţei [m] = 0,05 - 1;

- clasa Pasquill = se alege în funcţie de condiţiile locale;

- profilul vertical al vântului = logaritmic;

- gradientul termic [°/m] = -0,007;

- înălţimea de inversie = nu se ia în considerare;

- modelul de turbulenţă atmosferică = se alege în funcţie de nivelul modelării;

- turbulenţa traficului cu luarea în calcul a efectului de piston = se ia în

considerare numai la scară locală.

Rezultatele modelării dispersiei poluanţilor depind de alegerea corectă a

domeniului de studiu, înţelegând prin aceasta alegerea unui domeniu tridimensional,

suficient în raport cu caracteristicile geometrice ale zonei studiate. Se va acorda o

atenţie deosebită concentraţiei poluanţilor la limitele domeniului de studiu.

12.4.4.6. Poluanţii

Poluanţii sunt definiţi în programele de modelare prin caracteristicile fizico-

chimice (masă moleculară, solubilitate, viteză de depunere).

Poluanţii pentru care se realizează modelarea dispersiei sunt:

- oxidul de carbon (CO);

- oxizii de azot (NOx) şi care sunt transformaţi în NO2;

- particulele emise în gazele de evacuare;

Page 318: Curs Motoare

PARTEA II – EVALUAREA IMPACTULUI ASUPRA MEDIULUI

318

- dioxidul de sulf (SO2) în cazul în care în apropierea infrastructurii rutiere se

află o sursă industrială şi unde trebuie să se determine contribuţia traficului rutier;

- benzenul (C6H6).

Oxidul de carbon (CO) este un poluant de proximitate şi are avantajul că este

bine cunoscut şi că este măsurat de reţelele de monitorizare a calităţii aerului.

Oxizii de azot reprezintă un amestec de monoxid şi dioxid de azot. Compoziţia

acestui amestec evoluează rapid după emisie datorită reacţiilor fotochimice iar

modelele de dispersie nu ţin seama de aceste reacţii.

Hidrocarburile grupează un număr mare de compuşi cu proprietăţi fizico-

chimice foarte diferite. Este deci un proces costisitor să se modeleze ansamblul

acestor substanţe aşa că este de dorit modelarea dispersiei numai acelor

hidrocarburi dăunătoare, cum ar fi benzenul (benzenul este un poluant datorat

traficului care are efecte negative asupra sănătăţii şi concentraţia sa în atmosferă

este reglementată).

Particulele cele mai fine (diametre mai mici de 2 µm) au un comportament

dinamic apropiat de cel al gazelor şi deci pot fi modelate ca acestea, acesta fiind

cazul particulelor emise de motoarele diesel.

Particulele mai mari, datorate uzurii pieselor mecanice, a pneurilor şi şoselelor

sunt modelate apelând la modelele difazice incluzând o fază în zbor şi o fază de

depunere.

12.4.5. Modele utilizate

12.4.5.1. Modelele matematice

Dispersia poluanţilor în atmosferă se supune legilor dinamicii fluidelor şi pot fi

reprezentate de un ansamblu de ecuaţii cu derivate parţiale: ecuaţiile de mişcare a

fluidelor, ecuaţiile de conservare a masei şi energiei, ecuaţia de difuzie. Aceste

ecuaţii în general nu sunt liniare, nu se pot obţine soluţii prin metodele analizei

matematice. De aceea se apelează la metodele numerice de rezolvare.

În realizarea procesului de modelare, un prim element care trebuie definit este

scara spaţială şi este puternic legat de efectele poluării atmosferice.

Se pot defini patru scări spaţiale:

Page 319: Curs Motoare

Elementele studiului de impact datorat traficului rutier

319

- scara locală (de la 10 m la 1 km) - se adoptă pentru a studia efectele asupra

sănătăţii, vegetaţiei şi clădirilor în proximitatea surselor de poluare (rutiere sau

industriale);

- scara urbană (de la 1 km la 50 km) - se utilizează pentru a studia efectele

asupra sănătăţii, vegetaţiei şi clădirilor pe o zonă urbană, luând în considerare mai

multe surse de poluare precum şi parametrii climatici şi topografici;

- scara regională (de la 50 km la 5000 km) - se adoptă pentru studiul efectelor

asupra vegetaţiei şi ecosistemelor într-un ansamblu de regiuni ale unui continent (ex.

concentraţia ozonului de suprafaţă);

- scara globală (mai mult de 5000 km) - se utilizează pentru studiul efectelor

asupra climei şi ozonului stratosferic.

12.4.5.2. Modelele deterministe

Elaborarea acestor modele este bazată pe punerea în ecuaţii a unui ansamblu

de fenomene fizice care nu reflectă decât simplificat realitatea.

În general aceste modele sunt reprezentate de un sistem de ecuaţii

diferenţiale cu derivate parţiale având condiţii iniţiale şi condiţii la limite. Condiţiile

sunt date sistemului prin datele reale măsurate şi care vor intra în ecuaţiile sistemului

sub formă statistică. Un asemenea sistem de ecuaţii este neliniar şi este imposibilă

obţinerea de soluţii analitice. Utilizând ipoteze simplificatoare este posibilă

liniarizarea ecuaţiilor sub formă matricială şi să se obţină soluţii analitice

aproximative.

Modelele deterministe sunt folosite în studiile de impact ale unui proiect

asupra mediului ambiant (inclusiv o infrastructură rutieră).

12.4.5.3. Modelele previzionale

Aceste modele realizează o modelare statistică pentru a prevedea nivelul de

poluare într-un viitor apropiat. Modelarea statistică are ca obiect combinarea mai

multor parametri pentru a aprecia efectele cumulative. Parametrii utilizaţi în mod

curent sunt pe de o parte datele meteorologice de la diferite altitudini cum ar fi:

temperatura, gradientul termic şi viteza vântului iar pe de altă parte concentraţiile

poluanţilor măsuraţi în trecut. Nu se iau în considerare legile de dispersie a

poluanţilor.

Page 320: Curs Motoare

PARTEA II – EVALUAREA IMPACTULUI ASUPRA MEDIULUI

320

Aceste modele sunt dezvoltate pentru previzionarea în timp de 24 de ore a

nivelului de ozon.

Modelele previzionale nu sunt utilizate pentru studiile de mediu ale unei

infrastructuri deoarece ele au la bază o serie de observaţii anterioare şi nu permit să

se lucreze cu orizonturi de până la 20 de ani.

12.4.6. Descrierea modelelor deterministe

Scara spaţială impune utilizarea unui tip de model sau a altuia în funcţie de

rezultatele care sunt urmărite.

Tabelul 12.4 Alegerea tipului modelului în funcţie de scara spaţială

Tipul modelului Scara spaţială Eulerian Lagrangian Gaussian Numeric 3D Locală • • • Urbană • • • • Regională • • Globală •

12.4.6.1. Modelul eulerian Modelul eulerian permite simularea dispersiei poluanţilor în conformitate cu un

sistem de coordonate terestre şi se bazează pe conservarea masei unui poluant.

(12.2)

unde: c - concentraţia unui poluant; v - viteza vântului; D - coeficientul de difuzie

moleculară.

Utilizând anumite ipoteze simplificatoare, soluţiile analitice ale unui model

eulerian pot fi gaussiene de forma :

(12.3)

cDcvtc

∇∇+∇−=∂∂

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛ −

Π= 2

2

2exp

21),(),,(

yy

yzxCzyxC

σσ

Page 321: Curs Motoare

Elementele studiului de impact datorat traficului rutier

321

12.4.6.2. Modelul lagrangian

Modelul lagrangian permite simularea dispersiei poluanţilor de o manieră

analitică în conformitate cu un sistem de coordonate legat de mişcarea atmosferică.

Ecuaţia care descrie dispersia în atmosferă a unui poluant este de forma:

(12.4)

unde: <C(r,t)> - media ansamblului concentraţiilor la distanţa r şi la momentul t

(domeniul de integrare se întinde la toată atmosfera); S(r’,t’) - debitul masic al sursei

de poluare (masa pe unitatea de volum şi pe unitatea de timp); p(r,t / r’,t’) - funcţia de

densitate de probabilitate (dimensiune: volum - 1) până la care o particulă de aer se

deplasează de la M’(r’,t’) Æ M(r,t) pentru tot M’(r’,t’) şi t > t’.

Când se ţine seama de reacţiile chimice sau depunerea particulelor:

(12.5)

Dacă nu se iau în considerare reacţiile chimice sau depunerile particulelor:

(12.6)

În cazul unui poluant primar, S(r’,t’) > 0 numai la punctul M’ de emisie al

poluantului, în rest S(r’,t’)=0.

Pentru un poluant secundar S(r’,t’) ≠ 0 pentru întreg domeniul analizat.

Ecuaţia (b) reprezintă conservarea masei şi ea trebuie satisfăcută şi în cazul

primari şi secundari.

e a probabilităţii este parametrul cheie al ecuaţiilor

modelului care pentru poluanţii nereactivi depinde numai de atmosferă şi de tipul

poluantului dacă există fenomene de depunere.

Ecuaţiile modelului dau o riguroasă descriere a proceselor de transport şi

difuzie a poluanţilor în termeni probabilistici.

Modelul gaussian este larg utilizat pentru simularea dispersiei poluanţilor în

atmosferă la scară locală. El utilizează o formulă simplă, care descrie în trei

dimensiuni câmpul concentraţiei unui poluant de către o sursă punctiformă într-o

atmosferă staţionară.

∫∫∞−

=>< '')','()','/,(),( dtdrtrStrtrptrC

∫ < 1)','/,( drtrtrp

∫ =1)','/,( drtrtrp

12.4.6.3. Modelul gaussian

amestecului poluanţilor

Funcţia de densitat

Page 322: Curs Motoare

PARTEA II – EVALUAREA IMPACTULUI ASUPRA MEDIULUI

322

(12.7)

punct; M(x,y,z) - spaţiul; Q -

debitul de emisie; u - viteza vântului; σy, σz - ecartul tip al distanţei spaţiale a

concentraţiei.

Aceste modele decurg din modelele precedente aplicând ipotezele

simplificatoare care conduc la o rezolvare uşoară a ecuaţiilor. Ipotezele care sunt

luate în calcul privesc: emisia unui poluant pasiv (incapabil să aibă transformări

chimice) de către o sursă punctiformă asupra unei suprafeţe plane, fără obstacole,

într-o , cu un vânt constant.

il în determinarea dispersiei poluanţilor în proximitatea

unei autostrăzi sau străzi situate în zona externă a unei aşezări urbane.

12.4.6.4. Modelul numeric 3D

Modelul se bazează pe modelul eulerian numeric care ia în considerare

mecanica fluidelor.

Ecuaţia de transport a poluanţilor este descrisă de următoarea ecuaţie:

(12.8)

unde: ρm - masa volumetrică a poluantului m; ρ - masa volumetrică a

amestecului; u - viteza vântului; D - coeficientul de difuzie; Sρm - termenul sursă

pentru poluantul m.

Programele numerice 3D se aplică studiilor la scară medie (ex. o stradă

aglomerată) care permit să se ia în calcul topografia, obstacolele (clădiri, păduri,

etc.), stratificarea termică şi turbulenţa atmosferică, acest mod de modelare

aplicându-se mediilor urbane.

unde: C(x,y,z) - concentraţia poluantului într-un

atmosferă omogenă

Modelul este utilizab

⎥⎥⎦

⎢⎢⎣

⎡⎟⎠⎞

⎜⎝⎛−⎟⎟

⎞⎜⎜⎝

⎛−=

22

21

21exp),,(

zz

yy

uzyQzyxC

σσσσπ

mm

mm SgradDdivudivt ρρ

ρρρ

ρ=⎥

⎤⎢⎣

⎡⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−+

∂∂

)(

Page 323: Curs Motoare

Elementele studiului de impact datorat traficului rutier

323

12.5. CUPRINSUL STUDIULUI DE IMPACT Studiul de impact al traficului rutier pe o infrastructurã proiectatã cuprinde o

ţa obiectivului.

pact asupra mediului datorat unui

1. Rezumat nontehnic al studiului de impact;

2. Aprecieri ale impactului asupra mediului;

3. Autorii studiului;

4. Studiul vast al variantelor;

• Stabilirea stării iniţiale – miză şi constrângeri ;

• Analiza variantelor la planul de mediu;

• Studii de sinteza, rezultate ale concentrărilor poluanţilor, decizia

asupra adoptării variantei;

5. Definirea soluţiilor propuse;

• Desăvârşirea stării iniţiale – miză si constrângeri;

• Analiza sub variantelor la planul de mediu;

• Studii de sinteză, rezultate ale concentraţiei poluanţilor, decizia asupra

soluţiei alese;

6. Prezentarea proiectului supus anchetei, cu efectele asupra mediului şi

Măsurile de inserţie;

7. Costul măsurilor de inserţie;

12.5.1. Descrierea principalelor capitole ale studiului de impact

12.5.1.1. Rezumat nontehnic al studiului de impact

În acest capitol se descrie simplu că studiul de impact este condus după legile

de mediu în vigoare şi după reglementările privind utilizarea raţionala a energiei. Se

vor menţiona concluzii generale asupra calităţii aerului şi un bilanţ asupra sănătăţii.

12.5.1.2. Aprecieri ale impactului asupra mediului

Se menţionează impactul celor 6 componente poluante datorate poluării

automobilelor.

8. Analiza metodelor de evaluare utilizate;

9. Influenţa asupra sănătăţii;

serie de capitole care pot fi adaptate in funcţie de importan

Principalele capitole ale studiului de im

proiect de infrastructură rutieră sunt :

Page 324: Curs Motoare

PARTEA II – EVALUAREA IMPACTULUI ASUPRA MEDIULUI

324

Se vor înfăţişa diferitele aspecte ale poluării datorate automobilelor:

• Efectele de proximitate (sănătate şi vegetaţie, poluare sensibilă);

• Efectele regionale (poluare fotochimică, ploi acide);

• Efectele planetare (efect de seră, găuri in stratul de ozon);

Studiul de impact trebuie să prezinte în primul rând efectele de proximitate şi

consumurile energetice şi mai puţin efectele regionale şi planetare care sunt

dezvoltate mai degrabă în studii majore de amenajare a teritoriului.

12.5.1.3. Autorii studiului Sunt menţionaţi toţi participanţii la studiul de mediu.

12.5.1.4. Studiul vast al variantelor • Stabilirea stării iniţiale – miză si constrângeri

Se prezintă concluziile analizei stării existente a mediului şi a evoluţiei

previzibile a acestuia in absenţa implementării proiectului considerat; această situaţie

din urma va constitui situaţia de referinţă cu care vor fi comparate diferitele variante

de implementare ale proiectului. Se va menţiona pentru fiecare poluant luat in studiu

participaţia traficului rutier.

• Analiza variantelor la planul de mediu

Se va realiza o comparaţie a diferitelor variante la nivelul fiecărui poluant. Acelaşi

lucru va fi realizat pentru bilanţul sănătăţii si costurilor.

• Studii de sinteză, rezultate ale concentraţiei poluanţilor, decizia asupra

adoptării variantei .

Se prezintă rezultatele concentraţiei poluanţilor care in corelare cu bilanţul de

sănătate vor conduce la alegerea soluţiei finale in raport cu alte scenarii sau variante.

12.5.1.5. Definirea soluţiei propuse

• Desăvârşirea stării iniţiale – mize şi constrângeri

Studiul va prezenta :

Concluziile analizei finale a stării iniţiale a sectorului geografic afectat de

implementarea proiectului de infrastructură rutieră şi evoluţia previzibilă a acestui

sector in absenţa implementării proiectului, care va deveni situaţia de referinţa;

Rezultatele măsurătorilor metrologice efectuate pentru stabilirea stării iniţiale. De

asemenea se vor prezenta şi concentraţiile medii ale poluanţilor care ţin seama de

condiţiile meteorologice;

Page 325: Curs Motoare

Elementele studiului de impact datorat traficului rutier

325

• Analiza sub variantelor la planul de mediu

Sub variantele vor fi descrise în planul calităţii aerului şi al consumului

energetic (comparaţii ale concentraţiilor) şi în planul de sănătate.

• 5.3 Studii de sinteză, rezultatele concentraţiilor, decizia asupra soluţiei

alese.

Se vor indica concluziile generale ale studiului de mediu cuantificând calitatea

aerului şi consumul energetic.

12.5.1.6. Prezentarea proiectului supus anchetei cu efectele asupra mediului şi

măsurile de inserţie

Se vor prezenta concluziile generale ale proiectului in planul de analiză a

costurilor si nocivităţii şi influenţa calităţii aerului asupra sănătăţii precum şi alte

forme de poluare atmosferică (efectele asupra florei şi faunei, efectele asupra

clădirilor, poluare sensibilă, ploi acide, efect de seră). De asemenea se abordează

problema consumurilor energetice.

12.5.1.7. Costul măsurilor de inserţie

În cazul în care se prevăd ecrane antipoluare sau ecrane antifonice, vor fi

indicate costurile sau supracosturile antrenate.

12.5.1.8. Analiza metodelor de evaluare utilizate

Alegerea metodelor utilizate pentru studiu va fi bine prezentată. Se

recomandă prudenţă la interpretarea rezultatelor.

12.5.1.9. Efectele asupra sănătăţii

Pentru un studiu privind calitatea aerului se vor aborda problemele de

sănătate la zona studiată (la nivel local) şi la banda studiată (în proximitatea

infrastructurii).

Bibliografie [1] Cofaru, C., ş.a.. - Autovehiculul şi mediul. Editura Universităţii Transilvania

Braşov, 1999. ISBN 973-98512-3-1.

[2] Cofaru.C. –Legislaţia şi ingineria mediului in transportul rutier Editura

Universităţii Transilvania Braşov 2002 ,ISBN 973-635-185-8

[3] Degobert, P. – Automobiles and Pollution – SAE International, 1995.

Page 326: Curs Motoare

PARTEA II – EVALUAREA IMPACTULUI ASUPRA MEDIULUI

326

Autori: Corneliu COFARU Daniela FLOREA

13. PROCEDURA DE REALIZARE A UNUI STUDIU DE IMPACT AL ZGOMOTULUI ASUPRA MEDIULUI ÎNCONJURĂTOR

13.1. BAZA LEGALĂ PENTRU ZGOMOT Un studiu de zgomot trebuie să fie realizat în conformitate cu legislaţia în

vigoare şi în special în domeniul protecţiei mediului.

13.2. SCOPUL STUDIULUI Într-un studiu de impact al zgomotului asupra mediului trebuie să se evalueze

consecinţele noului proiect asupra oamenilor. Efectele zgomotelor asupra plantelor

nu s-au pus în evidenţă. Se admite că animalele sălbatice pot fi deranjate de

zgomote însă fiind dat gradul lor de mobilitate sănătatea lor nu este pusă în pericol.

Animalele domestice sunt protejate prin măsurile luate pentru protecţia oamenilor.

13.3. VALORILE LIMITĂ DE EXPUNERE LA ZGOMOT Se pot defini trei tipuri de valori limită ale imisiunilor sonore:

• Valori limită ale imisiunilor referitoare la zgomotele şi vibraţiile impuse pe

baze ştiinţifice;

• Valori de alarmă - acestea sunt superioare valorilor limită şi necesită o

analiză pentru a interveni în reducerea nivelului imisiunilor zgomotelor şi

vibraţiilor;

• Valori planificate - pentru a se asigura protecţia contra zgomotelor printr-o

nouă instalaţie se stabilesc pentru aceasta limite de zgomot inferioare valorilor

limită ale imisiunilor;

13.4. NIVELUL DE EVALUARE LR

Măsurătorile şi calculele furnizează nivelul de zgomot Leq al imisiunilor care

trebuie să ţină seama de numeroşii factori de influenţă. De cele mai multe ori este

dificilă modelarea pentru a lua măsurile de diminuare. Această dificultate apare

datorită diferenţelor între sursele de acelaşi tip sau de diferenţele legate de

însumarea mai multor surse de acelaşi tip. De exemplu: toate autovehiculele nu

produc acelaşi zgomot, ceea ce face ca însumarea zgomotului produs de

Page 327: Curs Motoare

Elementele studiului de impact datorat zgomotului

327

autovehicule să nu fie egal cu produsul dintre numărul de autovehicule şi emisiunea

de zgomot a unui autovehicul.

Imisiunile de zgomot calculate sau măsurate Leq trebuie să fie transformate în

valori de expunere la zgomot corespunzând nivelului de evaluare Lr.

Pentru a se rezolva problema în mod uniform sunt fixate următoarele valori

limită de expunere la zgomot:

- valori limită ale imisiunilor;

- valori de alarmă;

- valori planificate.

Relaţia de calcul a nivelului de evaluare Lr pe baza nivelului Leq este:

Lr = Leq + K (13.1)

unde: Leq - nivelul de zgomot echivalent; K - corecţia nivelului.

Valorile Lr limită şi nivelul de apreciere depind de spectrul de zgomot deci, de

natura sursei. În consecinţă valorile limită şi metodele de calcul ale nivelului de

evaluare se stabilesc pentru fiecare categorie de sursă:

• zgomotul traficului rutier;

• zgomotul traficului rutier combinat cu traficul feroviar;

• zgomotul traficului feroviar; unde se poate combina circulaţia trenurilor cu

traficul de manevră;

• zgomotul aeroporturilor;

• zgomotul atelierelor şi fabricilor;

• zgomotul instalaţiilor de tir.

Identificarea impactului se reduce la calculul nivelului de evaluare Lr şi

asigurarea că el este inferior valorii limită de expunere.

Lr < Lr limită (13.2)

13.5. ETAPELE ÎNTOCMIRII STUDIULUI DE IMPACT AL ZGOMOTULUI

ASUPRA MEDIULUI AMBIANT

13.5.1. Ancheta preliminară Ancheta preliminară a unui studiu de impact al unei instalaţii permite

separarea domeniilor importante şi critice pentru mediul înconjurător, deci se

efectuează o evaluare primară.

Page 328: Curs Motoare

PARTEA II – EVALUAREA IMPACTULUI ASUPRA MEDIULUI

328

Principalele criterii care permit să se aprecieze că zgomotul nu va afecta

sensibil mediul înconjurător în cadrul unui proiect sunt:

1. Nu se constituie într-o sursă importantă de zgomot pe durata fazei de

construcţie;

2. Nu se constituie într-o sursă importantă de zgomot pe durata fazei de

exploatare;

3. Nu produce efecte secundare substanţiale în domeniul zgomotului (în

particular un trafic suplimentar pe o instalaţie de trafic existentă);

4. Nu este implantat într-o zonă deja expusă la zgomot.

Dacă condiţiile de mai sus sunt satisfăcute atunci nu mai este necesară

efectuarea anchetei principale iar rezultatele pot fi introduse în raportul de impact.

În cazul în care aceste condiţii nu sunt satisfăcute, atunci se va definitiva un

caiet de sarcini care va preciza:

• obiectivele de studiat în special (situri sensibile, zonele atinse);

• completarea bazelor de date (studii de trafic, identificarea surselor de zgomot,

determinarea emisiunilor, studiul mijloacelor de protecţie etc.);

• mijloacele şi metodele care vor fi folosite, măsurători în sit sau modele;

• perimetrul stabilit pentru studiul de zgomot;

13.5.2. Ancheta principală Proiectul constituie baza efectuării studiului de impact. De exemplu, proiectul

unei infrastructuri rutiere trebuie să definească în mod clar elementele geometrice în

plan, în elevaţie, profilul transversal şi concepţia generală a lucrării de artă.

Proiectul trebuie să cuprindă descrierea detaliată a măsurilor de protecţie

contra zgomotului. Reducerile cerute şi justificările lor trebuie să fie introduse în

partea descriptivă a proiectului.

La capitolul - justificarea proiectului - raportul de impact trebuie să evidenţieze

aspectele de protecţie contra zgomotului de fiecare dată când se obţine o ameliorare

la o situaţie mai puţin satisfăcătoare din punct de vedere sonor, de exemplu,

construcţia unei infrastructuri rutiere ocolitoare sau mutarea unei surse sonore.

Perimetrul de studiu trebuie să fie limitat geografic, ţinând cont de efectele

directe şi indirecte datorate proiectului. Pentru faza de construcţie se prevede un

perimetru special. Dacă efectele directe se manifestă la câţiva zeci de metri în jurul

Page 329: Curs Motoare

Elementele studiului de impact datorat zgomotului

329

instalaţiei, efectele indirecte afectează zone aflate la mare distanţă de proiect. Acesta

este cazul asanării satelor sau a depresiunilor datorită creării de noi căi rutiere.

În stabilirea pronosticului de trafic rutier trebuie să se prevadă cât mai precis

posibil traficul orar mediu de zi şi de noapte pe instalaţie (infrastructura rutieră) ţinând

seama de tipul autovehiculelor.

13.5.3. Starea de referinţă Descrierea stării actuale trebuie realizată ţinând seama de cadastrul de

zgomot. În fapt, imisiunile de zgomot datorate infrastructurii rutiere, instalaţiilor

feroviare şi aerodroamelor trebuie să fie determinate şi consemnate în cadastrele de

zgomot. Autorităţile regionale pot stabili cadastre de zgomot şi pentru alte instalaţii

cum ar fi instalaţiile industriale sau artizanale şi instalaţiile de tir.

În stabilirea stării actuale trebuie să se ţină cont în mod separat de diferitele

genuri de zgomot. Nu există o mărime de evaluare şi nici valori limită de expunere

care să permită evaluarea expunerii globale la diferite genuri de zgomot.

În cazul mai multor instalaţii care produc acelaşi gen de zgomot, influenţa

sonoră poate fi calculată prin suma imisiunilor. Această sumă se referă la nivelul

energetic mediu de evaluare (Leq) şi nu este o sumă aritmetică.

Suma logaritmică pentru două zgomote Leq1 şi Leq2 este:

Leq1 = 10·lg(100,1·Leq1 + 100,1·L

eq2) (13.3)

În plus, această sumă nu va fi aceeaşi dacă ea are loc în diferite benzi

spectrale. Însumarea energetică a zgomotului provenind de la două şosele paralele

(cu acelaşi spectru sonor) nu va da acelaşi rezultat cu suma energetică a zgomotelor

provenind de la o şosea şi o cale ferată cu un trafic de aceeaşi intensitate cu

şoseaua precedentă.

Întotdeauna la stabilirea stării actuale trebuie să se ţină seama şi de alte

genuri de zgomote care pot interveni în zona de anchetă. De cele mai multe ori este

suficientă menţionarea cu o scurtă caracterizare calitativă (indicaţii asupra

măsurătorilor, fluctuaţiile zilnice, săptămânale, sezoniere etc.).

Page 330: Curs Motoare

PARTEA II – EVALUAREA IMPACTULUI ASUPRA MEDIULUI

330

13.5.4. Determinarea stării viitoare fără instalaţie Separarea între starea actuală şi starea viitoare fără instalaţie nu este

întotdeauna necesară în studiile de zgomot. În general starea actuală este cunoscută

autorităţilor de execuţie, aşa că este posibil să se treacă direct la determinarea stării

de referinţă (starea fără instalaţie). Această determinare se realizează cu ajutorul

modelelor, fără a efectua măsurători în teren. În acest caz calculele sunt efectuate cu

date de intrare corespunzătoare stării viitoare. Dacă se cere un control al modelului

cu date măsurate, atunci se va descrie şi starea actuală.

În toate cazurile pentru calculele de zgomot trebuie să se efectueze o analiză

de sensibilitate considerând un evantai suficient de larg de date de intrare. De

exemplu, diferite date ale traficului rutier, deoarece între starea actuală şi starea

viitoare este un interval important de timp şi în acest timp apar modificări previzibile

datorate dezvoltării.

13.5.5. Starea viitoare cu instalaţie Analiza trebuie să urmărească determinarea imisiunilor sonore datorate

instalaţiilor şi să evalueze măsurile de protecţie necesare.

Se va proceda la cercetarea gradului de sensibilitate la zgomot în interiorul

perimetrului atins de către instalaţie şi în care traficul va fi direct influenţat prin

punerea în funcţiune a acesteia. Această cercetare se va realiza pe harta zonei

respective, valorile limită de expunere la zgomot, valorile limită ale imisiunilor, valorile

de alarmă sau valorile planificate depinzând de gradul de sensibilitate.

În cadrul unei anchete preliminare sau în caietul de sarcini al unui studiu de

impact, în prima etapă trebuie să se ia în considerare indicaţiile provenind din

următoarele surse:

informaţiile generale şi directivele în vigoare, starea de derulare a procedurilor de

atribuire a gradului de sensibilitate;

cadastrele de zgomot;

planurile şi reglementările de construcţie şi amenajare a teritoriului;

Se va determina nivelul previzibil al imisiunilor sonore în perimetrul de studiu

la starea de referinţă şi la starea de punere în funcţiune a instalaţiei.

Nivelul imisiunilor sonore datorate traficului rutier de zi şi de noapte sunt

determinate ţinând cont de traficul orar mediu corespunzător pe diferite axe conform

pronosticurilor stabilite.

Page 331: Curs Motoare

Elementele studiului de impact datorat zgomotului

331

Calculul se efectuează pe baza unui model fizic care trebuie să permită

determinarea în toate punctele a nivelului sonor de referinţă Leq în dB(A) la înălţimea

de 1,5 m deasupra solului pentru zona construibilă şi neocupată şi la nivelul

ferestrelor expuse pentru zonele construite.

La analiza propagării zgomotelor datorită noilor instalaţii, se va lua în

considerare configuraţia geografică a terenului, plantaţii sau alte obstacole cum ar fi

taluzuri, ziduri sau alte lucrări indispensabile la implementarea unui drum.

Prezentarea rezultatelor previziunilor imisiunilor sonore se realizează cu

ajutorul planurilor de situaţie care cuprind:

• Perimetrul terenului supus unui nivel sonor superior valorii planificate

de zi şi de noapte;

• Indicarea acestei valori admisibile planificate, Lr;

• Evaluarea nivelului sonor pentru anumite case situate în apropierea

instalaţiei; aceste construcţii se identifică prin numerotare. Valorile Lr de

zi şi de noapte sunt calculate pentru faţadă, situată la X m deasupra

solului (înălţimea corespunzătoare primului etaj, eventual la o înălţime

mai mare dacă zgomotul calculat nu atinge decât etajele superioare ale

construcţiei). Se vor indica cu precizie punctele de măsurare;

• Determinarea şi reprezentarea sistematică a curbelor izofonice pentru

ansamblul perimetrului şi prezentarea configurării exacte a terenului în

imediata apropiere a drumului (pantă şi înălţimea taluzului, ziduri,

borduri).

Modelele utilizate furnizează nivelul echivalent al zgomotului (Leq db(A)) al

instalaţiei. Pentru a putea efectua identificarea cantitativă a impactului trebuie să se

calculeze nivelul de evaluare (Lr) şi să se compare cu valorile limită sau cu valorile

de alarmă pentru zona construibilă. Compararea valorilor Lr calculate cu valorile

planificate, valorile limită ale imisiunilor, va permite determinarea limitelor zonelor

conflictuale seară), exprimând traficul în vehicule etalon / oră.

Alegerea orei de vârf a traficului rutier pentru studiile de mediu este importantă

deoarece în această perioadă densitatea traficului rutier este maximă, ceea ce

induce concentraţii maxime ale poluanţilor în proximitatea axei de circulaţie.

Pentru studiile de impact trebuie avut în vedere şi traficul total pe 24 ore care

este de 10 – 12 ori mai mare decât traficul orei de vârf. Traficul rutier total dă

Page 332: Curs Motoare

PARTEA II – EVALUAREA IMPACTULUI ASUPRA MEDIULUI

332

posibilitatea evaluării emisiunilor totale ale poluanţilor şi îndeosebi CO2, care

contribuie la agravarea efectului de seră.

Datele privind traficul autovehiculelor grele sunt importante pentru a lua o

decizie privind oportunitatea, eficacitatea şi interesul pentru o amenajare de

infrastructură rutieră.

Bibliografie

[1] Cofaru, C., ş.a.. - Autovehiculul şi mediul. Editura Universităţii Transilvania

Braşov, 1999. ISBN 973-98512-3-1.

[2] Cofaru.C. –Legislaţia şi ingineria mediului in transportul rutier Editura

Universităţii Transilvania Braşov 2002 ,ISBN 973-635-185-8

[3] Degobert, P. – Automobiles and Pollution – SAE International, 1995.

[4] EC-Good Practice Guide for Strategic Noise Mapping and the Production of

Associated Data on Noise Exposure GPG june2006 EN.doc Brussels 2006.

Atenuator de zgomot

Page 333: Curs Motoare

Elementele studiului de impact datorat zgomotului

333

Intersecţie de autostrăzi

Page 334: Curs Motoare

PARTEA II – EVALUAREA IMPACTULUI ASUPRA MEDIULUI

334

PARTEA A-III-A - REDUCEREA POLUĂRII

Page 335: Curs Motoare

Mijloace active de reducere a emisiilor poluante la MAI

335

Autori:Corneliu COFARU Daniela FLOREA

14. MIJLOACE ACTIVE DE REDUCERE A EMISIILOR POLUANTE LA MAI

14.1. MIJLOACE DE REDUCERE ACTIVĂ A EMISIILOR POLUANTE LA MAS

Studiile care vizează îmbunătăţirea parametrilor energetici şi ecologici ai

motoarelor cu aprindere prin scânteie privesc procesele de schimb de gaze, formare

a amestecului de arderea şi urmărindu-se următoarele direcţii:

• Intensificarea turbionării amestecului în camera de ardere prin intervenţii

asupra sistemului de admisie şi camerei de ardere;

• Îmbunătăţirea pulverizării combustibilului şi asigurarea dozajului dorit de toate

regimurile de funcţionare inclusiv la regimurile tranzitorii şi la mersul în gol

forţat (amestec stoichiometric pentru a se asigura tratarea eficientă a gazelor);

• Mărirea temperaturii pereţilor camerei de ardere şi micşorarea suprafeţei

acesteia pentru a reduce volumul de amestec din stratul limită unde flacăra se

stinge;

• Reducerea volumului interstiţiilor care reţin amestec carburant şi în care

flacăra nu pătrunde;

• Controlul temperaturii maxime de ardere la motoarele cu amestec omogen

printr-un unghi optim de aprindere, recircularea gazelor arse pentru a frâna

procesele de formare a poluanţilor;

• Mărirea duratei şi puterii scânteii electrice în vederea lărgirii domeniilor de

funcţionare ale motorului cu amestecuri sărace;

• Organizarea formării stratificate a amestecului aer-combustibil pentru a

permite funcţionarea stabilă a motorului utilizând amestecuri sărace;

14.1.1 Schimbul de gaze Procesul de schimb al gazelor influenţează procesele din cilindrii motorului

ceea ce afectează parametrii energetici şi procesele de formare a poluanţilor atât la

motoarele cu aspiraţie naturală cât şi la motoarele supraalimentate.

Îmbunătăţirea umplerii cilindrilor se poate realiza prin următoarele tehnologii:

Page 336: Curs Motoare

PARTEA III – REDUCEREA POLUARII

336

• utilizarea unor colectoare de admisie care să genereze supraalimentarea

sonică;

• utilizarea mai multor supape pe cilindru;

• utilizarea distribuţiei variabile.

Colectorul de admisie rezonant poate avea lungimea fixă şi în acest caz el

este "acordat" la motor numai pentru un regim de turaţie (regimul puterii maxime) sau

poate avea lungime variabilă. Modificarea lungimii colectorului de admisie se

realizează prin intermediul unei clapete. În acest caz, colectorul de admisie este

acordat cu motorul la regimul de turaţie al cuplului maxim şi la regimul de turaţie al

puterii maxime. Pentru motoarele cu două supape de admisie pe cilindru se pot

utiliza două colectoare de admisie rezonante acordate pentru regimuri de turaţie

diferite.

Sistemele de admisie rezonante introduc în cilindri unde de presiune care vor

îmbunătăţi procesul de formare a amestecului omogen aer-combustibil. În cazul

tubulaturii de evacuare utilizarea fenomenelor ondulatorii la curgerea gazelor trebuie

să genereze în poarta supapei de evacuare la sfârşitul procesului o undă de

depresiune pentru a favoriza curgerea gazelor reziduale existente în camera de

ardere.

Pentru îmbunătăţirea procesului de formare a amestecului se poate intensifica

turbionarea acestuia prin amplasarea pe peretele canalului de admisie a unei clapete

comandate funcţie de parametrii de funcţionare ai motorului.

Mărirea secţiunii de trecere a gazelor se poate realiza prim mărirea numărului

de supape atât pentru încărcătura proaspătă cât şi pentru gazele arse. Configuraţia

utilizată este: două supape de admisie şi două supape de evacuare pe cilindru.

Îmbunătăţirea parametrilor energetici şi minimizarea emisiilor poluante se pot

realiza prin deschiderea şi închiderea în momente optime ale supapelor de admisie

şi evacuare în funcţie de regimul de funcţionare (distribuţie variabilă).

Distribuţia variabilă a gazelor se poate realiza utilizând diferite soluţii tehnice

cum ar fi: sisteme de acţionare mecanice; sisteme de acţionare hidraulice; sisteme

electromagnetice.

Pentru a realiza distribuţia variabilă s-au dezvoltat o multitudine de sisteme de

acţionare mecanice cum ar fi:

1. camă cu profil variabil spaţial longitudinal şi cu arbore cu came deplasabil

longitudinal în raport cu axa motorului;

Page 337: Curs Motoare

Mijloace active de reducere a emisiilor poluante la MAI

337

2. utilizarea unor came cu profil variabil radial;

3. utilizarea unor dispozitive prin care camele îşi modifică poziţia unghiulară

împreună cu arborele faţă de poziţia arborelui cotit;

4. sisteme care utilizează două came.

Sistemele de distribuţie variabilă cu comandă hidraulică sunt asociate cu

tachetul hidraulic.

Dezvoltarea unor sisteme electromagnetice de distribuţie variabilă permite

controlul distribuţiei gazelor prin intermediul unei unităţi electronice de control în

funcţie de parametrii funcţionali ai motorului.

a) b) c)

Fig. 14.1 Distribuţie variabilă: a) cu camă spaţială; b) camă cu profil variabil radial; c)

defazarea camei cu dispozitiv cu lanţ.

14.1.2. Utilizarea amestecurilor omogene

14.1.2.1. Injecţia de benzină Sistemele de injecţie a benzinei datorită posibilităţilor de control precis al dozei

de combustibil pe ciclu, în funcţie de parametrii funcţionali ai motorului, s-au impus în

faţa carburatorului cu toate că acestuia i-au fost aduse importante modernizări prin

controlul electronic. Utilizarea sistemului de injecţie de benzină permite menţinerea

dozajului amestecului în limitele λ=0,99 - 1,01 pentru ca eficienţa de funcţionare a

convertorului catalitic cu trei căi să fie maximă.

Umplerea motorului se îmbunătăţeşte la utilizarea injecţiei de benzină datorită

reducerii pierderilor gazodinamice de pe traiectul de admisie. Puterea dată de motor

Page 338: Curs Motoare

PARTEA III – REDUCEREA POLUARII

338

este mai mare. La utilizarea injecţiei de benzină se obţin reduceri importante ale

consumului de combustibil atât în regimurile stabilizate de funcţionare cât şi în

regimurile tranzitorii datorită reglării cu precizie a dozei de combustibil.

Sistemele de injecţie de benzină se pot clasifica după următoarele criterii:

1. Locul injecţiei: injecţie în colectorul de admisie (injecţie monopunct); injecţie

în porţile supapelor de admisie (injecţie multipunct); injecţie directă (în cilindru);

2. Presiunea de injecţie: injecţie de joasă presiune (0,5 - 0,7 MPa); injecţie de

presiune înaltă (4 - 5 MPa);

3. Durata injecţiei: injecţie continuă (pe întreg ciclul motor); injecţie discontinuă

(secvenţială);

4. Sistemul de comandă: mecanic; electric; hidropneumatic; electronic;

Sistemul electronic de comandă şi control este utilizat deoarece permite

controlul funcţionării optime a motorului la toate regimurile.

Pentru menţinerea amestecului omogen la un dozaj stoichiometric este

necesar ca unitatea electronică de control să primească informaţii de la "sonda λ"

care detectează prezenţa oxigenului din gazele de evacuare.

Utilizarea amestecurilor omogene sărace (λ>1) este posibilă prin utilizarea

unor rapoarte ridicate de comprimare ale motorului (ε=11 -16) şi o turbionare intensă

in o cantitate ridicată de oxigen

e preţ

funcţionare eficientă şi trebuie înlocuite cu si

pentru gazele arse net oxidante.

14.1.2.2. Camera de ardere

Pentru a reduce procese de formare a compu

parametrii energetici ai motorului cu amestec omogen trebuie ca suprafaţa camerei

de ardere să fie minimă pentru a se evita pierderile de căldură. Camera de ardere

trebuie să permită amplasarea bujiei în centrul acesteia ca distanţele parcurse de

frontul de flacără până la pereţi să fie egale.

Îmbunătăţirea regimului termic al camerei de ardere se poate realiza prin

aplicarea unor acoperiri termoizolante pe capul pistonului, suprafaţa supapelor de

evacuare şi suprafaţa aferentă camerei de ardere din chiulasă. Prin acoperirea

acestor suprafeţe cu dioxid de zirconiu pe un strat intermediar de Ni,Co,Cr, AlY se

ioase (Pt, Rh, Pd) nu mai au o

steme de tratare catalitică dezvoltate

şilor poluanţi şi a maximiza

şi sistemele de tratare a gazelor cu metal

a amestecului. În acest caz, gazele de evacuare conţ

Page 339: Curs Motoare

Mijloace active de reducere a emisiilor poluante la MAI

339

poate obţine o creştere a performanţelor motorului cu 10%, reducerea emisiilor

poluante cu 20 - 50%, reducerea particulelor din gazele de evacuare cu până la 52%

şi reducerea emisiei sonore cu până la 3dB.

14.1.3. Utilizarea amestecurilor stratificate Prin stratificarea amestecului se înţelege obţinerea în camera de ardere a

unor amestecuri cu dozaje diferite. În zona bujiei se organizează amestecuri bogate,

în limita de inflamabilitate iar spre pereţii camerei de ardere amestecul este din ce în

ce mai sărac (ideal este ca în stratul limită un flacăra se stinge să existe numai aer).

Principalul avantaj al stratificării amestecului îl constituie utilizarea unor

amestecuri global sărace care în condiţii omogene s-ar aprinde cu dificultate şi ar

pune probleme la propagarea flăcării.

Amestecul bogat din zona bujiei este uşor de aprins iar frontul de flacără se

propagă spre amestecurile sărace datorită creşterii temperaturii gazelor din camera

de ardere.

În zona de amestec bogat se formează mici cantităţi de CO şi HC care vor

avea timpul să fie oxidate pe durata procesului de ardere şi pe o porţiune a cursei de

destindere. În zona de amestec bogat datorită deficitului de oxigen se formează mici

cantităţi de oxid de azot.

La arderea amestecurilor sărace, datorită excesului de oxigen, se formează

cantităţi reduse de CO şi HC iar oxizii de azot formaţi sunt în cantităţi mici datorită

nivelului redus de temperatură la care are loc arderea.

Stratificarea amestecului aer-combustibil se poate realiza prin:

• Utilizarea camerei de ardere divizate, la care există o separare fizică a celor

două camere care comunică printr-un canal;

• Realizarea de amestecuri stratificate în cameră unitară prin injecţie directă.

14.1.3.1. Camera de ardere divizată

La aceste motoare camera de ardere comportă două compartimente care sunt

alimentate cu amestecuri diferite din punct de vedere al coeficientului de exces de

aer λ. Legătura dintre cele două compartimente este realizată printr-unul sau mai

multe canale de dimensiuni reduse. Compartimentul cu volumul mai mic,

antecamera, conţine bujia care este una clasică. aceasta este alimentată cu amestec

Page 340: Curs Motoare

PARTEA III – REDUCEREA POLUARII

340

bogat care este uşor inflamabil. Amestecul parţial ars părăseşte antecameră sub

formă de jeturi şi intră în camera principală care este alimentată cu amestec sărac.

Această soluţia a fost aplicată în producţia de serie cu mare succes. Iniţial

conceptul a fost propus de Ricardo în anii 20 şi dezvoltat ulterior în Rusia şi Japonia.

Soluţia (fig. 1.2) permite reducerea emisiilor de HC dar măreşte într-o oarecare

măsură nivelul emisiilor de NOX.

Fig. 14.2 Desfăşurarea proceselor în MAS cu cameră de ardere divizată.

14.1.3.2. Injecţia directă de benzină

Cu toate că ideea injectării combustibilului la motoarele cu aprindere prin

scânteie direct în cilindrul motorului este veche, doar recent ea a fost introdusă la

producţia de serie a motoarelor de autoturisme. Introducerea acesteia la motoarele

moderne a fost posibilă datorită progreselor în domeniul electronicii, al controlului

computerizat al motorului.

Motoare cu injecţie directă de benzină au fost construite încă din primii ani ai

motorului cu ardere internă. Primele aplicaţii au fost în domeniul militar, la motoarele

pentru avioanele de luptă germane. Mai târziu, injecţia directă a fost aplicată la

motoarele pentru autoturismele de înaltă performanţă. Reprezentative pentru

această perioadă sunt motoarele Daimler Benz pentru Formula 1 şi pentru modelul

300 SL. Pentru mai multe decenii, injecţia directă a fost practic uitată. Aceasta,

datorită dificultăţilor în controlarea proceselor din motor, în special la turaţii mari,

precum şi dificultăţii de realizare a presiunii înalte în benzină.

Revenirea injecţiei directe a fost marcată de prezentarea prototipului IRVW

Futura din 1989. Cu această ocazie a fost consacrată şi titulatura GDI (Gasoline

Direct Injection). Motorul prezentat de constructorul german era destul de

Page 341: Curs Motoare

Mijloace active de reducere a emisiilor poluante la MAI

341

revoluţionar, una dintre noutăţi era şi injecţia directă de benzină, dotat cu o pompă ce

furniza presiunea maximă de 450 bar.

În ultima vreme, datorită restricţiilor din ce în ce mai severe în domeniul

poluării impuse motoarelor cu ardere internă, injecţia directă se preconizează a fi

soluţia de formarea a amestecului spre care se for îndrepta toţi constructorii de

motoare cu aprindere prin scânteie.

Avantaje: 1. Coeficientul de exces de aer global poate fi substanţial supraunitar permiţând

obţinerea unei bune economii;

2. Arderea se realizează în condiţii ce defavorizează formarea NOx;

3. Cantităţile de monoxid de carbon şi hidrocarburi produse la începutul

procesului de ardere pot fi oxidate complet în interiorul camerei de ardere;

4. Amestecul ce pătrunde în interstiţii este foarte sărac sau chiar nu conţine

deloc benzină diminuându-se cantitatea de hidrocarburi formate pe această

in varierea

se

a) Soluţii constructive Aplicarea injecţiei directe a impus dezvoltarea unor soluţii constructive

deosebite de cele pentru motoarele cu injecţie indirectă. Principalele sisteme care

suferă modificări sunt modul de organizare a mişcării încărcăturii, formarea

amestecului la diferitele regimuri de funcţionare, modul de control al sarcinii motorului

şi bineînţeles echipamentul de injecţie.

Alte sisteme cum ar fi cel de recirculare al gazelor arse, au fost îmbunătăţite

din punct de vedere al preciziei controlului şi eficienţei funcţionării. Alte sisteme cum

ar fi cele de tratare al gazelor de evacuare au trebuit să fie total regândite datorită

condiţiilor total diferite de funcţionare.

Un sumar al soluţiilor tehnice utilizate în prezent este prezentat în tabelul 14.1.

cale;

5. Controlul sarcinii motorului poate fi efectuat, cel puţin parţial, pr

îmbogăţirii amestecului şi nu prin obturarea admisiei, minimizându-

pierderile prin pompare;

6. Amestecul care arde la sfârşit este foarte sărac şi de aceea este mult mai

puţin susceptibil la detonaţie. Se pot utiliza rapoarte de comprimare mai mari

Page 342: Curs Motoare

PARTEA III – REDUCEREA POLUARII

342

Tabelul 14.1 Concepte şi obiective pentru motoarele cu injecţie directă şi soluţiile pentru realizarea lor

Concepte Obiective Soluţii

Mişcarea aerului Tumble invers

Transportul vaporilor de benzină către bujie Coeficient de curgere prin supapă ridicat

Canal de admisie vertical Îmbunătăţirea gazodinamicii prin utilizarea canalului vertical

Presiune scăzută

Pierderi reduse pentru comprimarea combustibilului

Injector cu swirl

Injecţia

Pompă antrenată de motor

Consum de putere pentru injecţie redus

Pornire cu pompa de alimentare

Tabelul 14.1 (continuare) Concepte Obiective Soluţii

Sarcini mari

Amestec omogen (injecţie pe cursa de admisie) Eliminarea udării pereţilor Răcirea intermediară a aerului

Reducerea funinginii la amestecuri stoichiometrice şi bogate Eliminarea detonaţiei Randament volumetric mărit

Limitarea penetrabilităţii jetului Jet larg dispersat Mişcare de tumble invers intensificată

Form

area

am

este

culu

i

Sarcini parţiale

Amestec stratificat (injecţie pe cursa de compresie) Evaporare îmbunătăţită

Ardere stabilă pentru amestecuri sărace Reducerea funinginii pentru sarcini mari

Cameră de ardere compactă Transportul jetului de către tumble Controlul avansului injecţiei

Aprinderea Sistem de aprindere convenţional cu fiabilitate confirmată

Emisii Procent ridicat de gaze recirculate

Reducerea NOx prin utilizarea amestecurilor stratificate

Supapă de recirculare a gazelor arse controlată electronic

Admisia Control rapid şi precis al debitului de aer

Funcţionare uniformă Interval larg de aplicare a recirculării gazelor

Clapetă de acceleraţie acţionată electronic

Sistemul de injecţie este cel care conferă motorului avantajele substanţiale în

domeniul economicităţii, puterii, emisiilor. Faţă de sistemele de injecţie indirectă

acestea trebuie să fie comandate cu o precizie mai mare şi să interacţioneze mult

Page 343: Curs Motoare

Mijloace active de reducere a emisiilor poluante la MAI

343

mai profund cu celelalte sisteme (aprindere, supraalimentare, recirculare a gazelor

arse, tratare a gazelor arse).

În tabelul 14.2 sunt prezentate principalele caracteristici pe care la are un

motor dotat cu un astfel de sistem de injecţie.

Injectoarele folosite sunt de construcţie specială, diferită de cele pentru

injecţia indirectă. Ele trebuie să lucreze în condiţii grele de presiune şi temperatură.

Problema principală care se pune este realizarea unei pulverizări cât mai fine dar

fără creşterea exagerată a presiunii. Pentru aceasta au fost încercate diferite

configuraţii ale orificiului de pulverizare. Soluţia cu cel mai mare potenţial ar fi

utilizarea unor injectoare care imprimă jetului o puternică mişcare de swirl. Se poate

obţine o fineţe foarte bună a pulverizării la o presiune relativ joasă (Fig. 14.3). O

soluţie şi mai interesantă este cea a injecţiei directe de amestec aer-combustibil.

Instalaţia de injecţie realizează o preamestecare a combustibilului cu o cantitatea de

aer realizându-se un amestec extrem de bogat sub forma unei emulsii. Aceasta va fi

apoi introdusă în cilindrul motorului.

Tabelul 14.2. Sumarul caracteristicilor sistemului de injecţie directă propus de Mitsubishi

Caracteristici Tehnologii Componente

Economicitatea

++

Amestec sărac stratificat, tumble invers Raport de comprimare ridicat, răcire intermediară Ardere stoichiometrică cu procent ridicat de gaze recirculate

Injector cu swirl electromagnetic Cameră de ardere compactă Canalizaţie de admisie verticală

Puterea +

Canal ce admisie rectiliniu Răcirea încărcăturii prin evaporarea combustibilului Raport de compresie mare

Canal de admisie vertical Controlul formării amestecului

Răspunsul ++

Controlul momentului prin cantitatea de combustibil injectat (nu este influenţat de inerţia coloanei de aer)

Injecţie directă Obturator aer

Emisiile ± Ardere stabilă în condiţii de funcţionare cu procent ridicat de gaze recirculate

Control rapid şi precis al recirculării gazelor arse Control rapid şi precis al dozajului

Vibraţii şi zgomot ±

Compensarea forţelor de inerţie ale maselor aflate în mişcare de translaţie de către forţa gazelor mărită

Injector cu swirl electromagnetic Clapetă de aer

Page 344: Curs Motoare

PARTEA III – REDUCEREA POLUARII

344

Fig. 14.3 Tipuri de orificii de pulverizare pentru injecţia directă.

Prin utilizarea acestei metode se îmbunătăţeşte substanţial fineţea pulverizării

şi de asemenea se facilitează evaporarea. Totodată creşterea presiunii jetului injectat

se poate realiza prin utilizarea de aer de înaltă presiune, soluţie tehnică mai la

îndemână decât injecţia de benzină de înaltă presiune.

În figurile 14.4 şi 14.5 sunt prezentate două injectoare realizate de Bosch şi

Siemens.

Fig. 14.4 Injector electromagnetic Bosch

Page 345: Curs Motoare

Mijloace active de reducere a emisiilor poluante la MAI

345

Fig. 14.5 Injectorul motorului Renault F5R IDE 16V produs de Siemens

Potenţialul cel mai remarcabil al motorului cu injecţie directă, îl constituie

funcţionarea acestuia la sarcini parţiale şi la mersul în gol încet. Cu cât strategiile de

control al proceselor din motor sunt mai performante, cu atât rezultatele obţinute sunt

mai bune. În figura 14.6 este prezentat un model de strategie de control a formării

amestecului.

Fig. 14.6. Strategii de formare a amestecului

Page 346: Curs Motoare

PARTEA III – REDUCEREA POLUARII

346

b) Consumul de combustibil Cel mai important obiectiv în realizarea motoarelor cu injecţie directă este

economicitatea. În figura 14.7 este prezentată comparativ reducerea consumului de

combustibil, relativ la un motor cu injecţie indirectă. Potenţialul teoretic al injecţiei

directe este clar demonstrat, cu scăderi ale consumului de combustibil cu 20% la

sarcini parţiale şi de până la 35% la mersul în gol încet. Injecţia de amestec aer-

combustibil poate realiza un consum de combustibil cu aproximativ 4% mai scăzut

faţă de injecţia simplă de benzină. Se observă că cele mai importante reduceri ale

consumului se realizează la mersul în gol încet şi la sarcini parţiale, în principal

datorită nivelului ridicat de stratificare a amestecului.

Cel mai spectaculos rezultat se obţine pentru mersul în gol încet datorită

modului diferit de realizare al controlului sarcinii. Pe lângă acţiunea clapetei de aer

(mult redusă de această dată) modificarea sarcinii se realizează prin varierea

cantităţii de benzină injectate pe ciclu.

La sarcină plină, când amestecul format este omogen, motorul cu injecţie

directă se comportă aproximativ identic cu cel cu injecţie indirectă.

Explicaţia consumului mai scăzut al injecţiei directe de amestec rezidă în mult mai

buna vaporizare, care prin durata ei redusă în timp permite o ardere mai completă,

deci un randament superior al arderii.

Fig. 14.7 Îmbun ionare,

relativ la motorul cu injec

benzină, ID – injecţie directă de benzină).

ătăţirea consumului de combustibil la diferite regimuri de funcţ

ţie multipunct (IDA – injecţie directă de amestec aer-

Page 347: Curs Motoare

Mijloace active de reducere a emisiilor poluante la MAI

347

c) Emisiile motoarelor cu injecţie directă de benzină Situaţia emisiilor pentru aceste motoare este puternic afectată de regimul de

ardere complet diferit faţă de motorul cu injecţie indirectă şi amestec omogen.

La funcţionarea la mersul în gol încet, motorul cu injecţie directă are un nivel de

emisii de HC cu 50% mai redus datorită evitării udării pereţilor, a pătrunderii

combustibilului în interstiţii şi vitezei mare de ardere. Regimurile de funcţionare cu un

nivel crescut de HC sunt mersul în gol încet şi la sarcini parţiale datorită timpului

extrem de scurt avut la dispoziţie pentru formarea amestecului ceea ce determină

arderea combustibilului direct din starea de picături, deci o viteză de ardere scăzută.

Folosirea recirculării gazelor arse determină după cum era de aşteptat creşterea

substanţială a emisiilor de HC.

Emisiile de NOx ale motoarele cu injecţie directă, atât în cazul injecţiei de

benzină cât şi de emulsie benzină-aer, sunt semnificativ mai mari faţă de motoarele

cu injecţie indirectă la mersul în gol încet datorită amestecului local stoichiometric,

care determină viteze mari de degajare a căldurii. La sarcini parţiale avem o

reducere a NOx de aproximativ50 % fără recircularea gazelor de evacuare şi de până

la 90% cu recirculare. Cu toate că nivelul emisiilor de NOx este semnificativ redus,

principala problemă a motoarelor cu injecţie directă rămâne reducerea în continuare

a acestora. Datorită coeficientului de exces de aer global supraunitar aplicarea

catalizatorilor cu trei căi obişnuiţi este neeficientă, motiv pentru care tratarea gazelor

arse devine o problem şi nivelul redus

al temperaturii acestora.

d) Tratarea îmbunătăţiri în

tehnologia de tratare viitoarele limitele de emisii.

Pentru încadrarea emisiilor de NO inerea unui randament

al arderii de 65-75% ri. Sunt explorate o serie de

că ţi şi metale

preţ i sisteme de stocare

şi filtrare a NOx.

În prezent sunt puţine date publicate care să sugereze faptul ca eficienţa

conversiei şi durabilitatea catalizatorilor de reducere a NOx convenţionali sunt

compatibile cu cerinţele viitoare.

ă dificil de rezolvat, mai ales dacă considerăm

gazelor arse la MAS cu injecţie directă Folosirea amestecurilor sărace şi stratificate necesită

a gazelor arse pentru încadrarea în

x în limite este necesară obţ

şi chiar mai mult pentru hidrocarbu

i pentru tratarea gazelor printre care catalizatori de reducere cu zeoli

ioase, pentru regimurile de funcţionare cu amestec sărac, ş

Page 348: Curs Motoare

PARTEA III – REDUCEREA POLUARII

348

O altă soluţie care promite sunt dispozitivele de stocare a NOx care pot capta

NOx când gazele de evacuare sunt bogate în oxigen şi îi pot converti în timpul

scurtelor perioade de funcţionare cu amestecuri bogate. Problema constă în

realizarea unei scurte perioade de funcţionare cu amestec bogat în timpul regimurilor

de funcţionare prelungită cu amestec sărac. În timpul funcţionării cu amestec sărac,

o îmbogăţire momentană a amestecului determină o creştere de putere total

neacceptabilă pentru autovehicul.

O metodă pentru controlarea creşterii de putere este regalarea aprinderii cu

întârziere mare, perioada de întârziere trebuie atent calibrată pentru a menţine

valoarea momentului motor. Din nefericire, sensibilitatea motorului cu injecţie directă

cu amestec stratificat faţa de momentele injecţiei şi aprinderii face practic imposibilă

aplicarea acestei metode. Este posibilă combinarea utilizării unei supape de

recirculare a gazelor arse cu comandată electronică şi clapetă de aer cu acţionare

electrică pentru a realiza îmbogăţiri ale amestecului. Această metodă necesită o

calibrare extrem de precisă a sistemului de comandă.

O altă tehnologie care a fost investigată de Ricardo este un sistem cu plasmă

care realizează conversia NOx, HC şi CO. Sistemul dezvoltat comportă un flux de

plasmă cu temperatură, presiune şi energie scăzută, care se poate genera într-o

incintă cu un volum similar cu cel al unui catalizator convenţional.

Un sistem prototip a fost montat la un motor experimental cu amestec

stratificat. Eficienţa conversiei este prezentată în graficul din figura 14.8. Puterea

totală consumată de sistem în timpul testelor a fost de sub 0,5% din puterea

dezvoltată de motor. Un mare avantaj al sistemului este că poate funcţiona încă de la

punerea contactului.

Fig. 14.8 Sistem de tratare al gazelor arse cu plasmă. Eficienţa conversiei pentru un

dozaj aer-combustibil 38:1

Page 349: Curs Motoare

Mijloace active de reducere a emisiilor poluante la MAI

349

14.1.4. Instalaţia de aprindere O metodă importantă de creştere a perfecţiunii procesului de ardere, în

special în cazul amestecurilor sărace o constituie îmbunătăţirea aprinderii în sensul

scăderii întârzierii la aprinderii şi a probabilităţii de aprindere. De-a lungul timpului au

fost concepute o varietate mare de sisteme de aprindere, câteva dintre cele mai

importante vor fi enumerate mai jos.

14.1.4.1. Sistemul PJC – aprinderea cu jet de flacără Iniţialele provin de la prescurtarea denumirii în limba engleză Pulsed Jet

Combustion, sistem care este cunoscut şi sub denumirea de “Aprinderea cu jet de

flacără”.

În cazul acestui sistem, aprinderea se produce într-o antecameră, care este

separată de camera principală de ardere de deasupra pistonului şi comunică cu

aceasta prin intermediul unuia sau mai multora orificii. Pe măsură ce flacăra se

dezvoltă în antecameră, presiunea gazelor din acest compartiment creşte, forţând

gazul să iasă spre camera principală prin orificiul sau orificiile de legătură, sub forma

unuia sau mai multor jeturi turbulente de flacără. Jetul sau jeturile penetrează

amestecul din camera principală, aprinzându-l, iniţiind astfel arderea în camera

principală de ardere.

Aprinderea în antecameră este de obicei realizată cu o bujie convenţională. Rolul

antecamerei este acela de transforma flacăra iniţială din jurul electrozilor bujiei în

unul sau mai multe jeturi de flacăra în camera principală, jeturi care au o suprafaţă

substanţială şi care pot aprinde amestecuri foarte sărace într-o manieră repetabilă.

Au fost dezvoltate mai multe sisteme diferite pentru atingerea acestui obiectiv, unele

dintre acestea au fost utilizate în motoarele cu aprindere prin scânteie de serie.

Cele trei si sunt prezentate în cele

de mai jos. Figura 14.9 prezint simplu tip de aprindere cu

jet de flacără ă torţă (torch cell).

Cavitatea nu are supap i un fel de determinare

a cantităţii de combustibil ce p

steme majore de aprindere cu jet de flacără

ă un exemplu al celui mai

, concept care este cunoscut sub denumirea de celul

ă separată, deci este nebaleiată, şi nic

ătrunde în antecameră.

Page 350: Curs Motoare

PARTEA III – REDUCEREA POLUARII

350

Fig.14.9 Sistemul de aprindere cu jet de flacără “torch cell”.

Funcţia cavităţii de turbionare este de a mări viteza iniţială de creştere a

frontului de flacără imediat după descărcarea electrică a bujiei, prin faptul că flacăra

se va dezvolta într-o zonă cu o turbionare mai intensă decât în volumul camerei de

ardere. Jetul sau jeturile de flacără care ies din cavitate generează o mare suprafaţă

iniţială a frontului de flacără, pentru iniţierea facilă a procesului de ardere în masa

principală a amestecului din cameră.

O altă variantă a acestui sistem prevede incorporarea cavităţii de turbionare în

corpul bujiei. Au fost dezvoltate sisteme cu volume de antecameră variind între 20 %

şi mai puţin de 1% din volumul total al camerei de ardere.

O problemă majoră constă în faptul că antecamera nu este niciodată spălată

de încărcătura proaspătă. Din acest motiv coeficientul gazelor reziduale din

antecameră este cu mult superior faţă de media generală pentru întregul volum al

camerei de ardere.

Fig. 14.10 Procedeul de aprindere cu jet de flacără cu camera divizată nebaleiată.

Page 351: Curs Motoare

Mijloace active de reducere a emisiilor poluante la MAI

351

În figurile 14.10 şi 14.11 sunt exemplificate două variante de camere de

ardere cu antecameră, cu amestec stratificat şi aprindere cu jet de flacără. La aceste

soluţii amestecul din antecameră este îmbogăţit prin adaos de combustibil, astfel, că

în momentul descărcării bujiei amestecul din antecameră este uşor îmbogăţit.

Procesul iniţial de ardere din antecameră se produce astfel mai repede şi mult mai

repetabil. Volumul antecamerei este de obicei între 20 şi 25 % din volumul total al

camerei de ardere.

În cazul sistemului prezentat în figura 14.10 camera nu este baleiată. Astfel se

menţine dezavantajul sistemului din figura 14.9 şi coeficientul gazelor reziduale, în

antecameră este ridicat. Prin aplicarea unei supape suplimentare, cazul sistemului

din figura 14.11, acest dezavantaj este înlăturat. Soluţia determină complicaţii

constructive, apărând necesitatea unui al doilea sistem de alimentare, care să

furnizeze amestec îmbogăţit către antecameră. Antecamera este baleiată foarte

eficient, coeficientul gazelor reziduale atât pentru antecameră cât şi generalizat pe

tot volumul camerei de ardere este redus faţă de cazurile precedente.

Numărul şi dimensiunile orificiilor de legătură dintre antecameră şi camera

principală de ardere au o importanţă mare asupra dezvoltării flăcării în camera

principală. Două variante sunt prezentate în cele ce urmează. În figura 14.12a

numărul orificiilor este redus, de asemenea şi dimensiunile acestora. Se generează

astfel jeturi cu penetrabilitate mare favorizând viteza de ardere, cresc totuşi pierderile

gazodinamice la trecerea prin canalele de legătură; antecamera are un volum de 2-

3% din volumul total al camerei de ardere.

Fig. 14.11 Procedeul de aprindere cu jet de flacără cu camera divizată baleiată.

Page 352: Curs Motoare

PARTEA III – REDUCEREA POLUARII

352

În cazul invers, prezentat în figura 14.12b, în care numărul şi dimensiunile

orificiilor de legătură sunt mari, jeturile au o penetrabilitate mai redusă. Viteza de

ardere este mai redusă decât în cazul precedent. Această soluţie a fost utilizată şi la

motorul Honda CVCC. Volumul antecamerei este de această dată de 5-12% din

volumul total al camerei de ardere.

Toate aceste sisteme extind limita de funcţionare cu amestecuri sărace a

motoarelor cu până la câteva unităţi. De exemplu, soluţia cu cameră nebaleiată şi

fără sistem auxiliar de injecţie (figura 14.9) poate funcţiona la sarcini medii cu un

coeficient de exces de aer λ=1,25. Soluţiile cu amestec stratificat pot funcţiona cu

amestecuri mult mai sărace. Cel mai bun compromis între consumul de combustibil şi

performanţele ecologice se obţine pentru λ∈[1,1÷1,3]. Totuşi la toate aceste sisteme

de aprindere cu jet de flacără suntem penalizaţi de creşterea pierderilor de căldură

către pereţi, datorită creşterii raportului S/V al camerei de ardere, şi creşterii vitezelor

de curgere.

Fig. 14.12a şi 14.12b Posibilităţi de comunicare între camera divizată şi camera

principală.

Un dispozitiv special pentru iniţierea aprinderii amestecurilor aer-benzină este

prezentat în figura 14.13. Acesta poartă denumirea de Generator de jet de flacără

(Flame Jet Generator). El constă dintr-o bujie, incorporând o cavitate de 0,5 cm3

(fabricată de IRKS – Polonia) şi o supapă Servojet (produsă de BKM Inc. – San

Diego SUA).

Page 353: Curs Motoare

Mijloace active de reducere a emisiilor poluante la MAI

353

Fig. 14.13 Generator de jet de flacără.

În figura 14.13 au fost folosite următoarele notaţii:1-injector aer-combustibil, 2-

supapă, 3-conductă combustibil, 4-terminal de înaltă tensiune, 5-izolator, 6-corpul

bujiei, 7-cavitate, 8-electrod, 9-electrod de masă, 10-orificiu de ieşire.

1.1.4.2. Sistemul APIR Denumirea provine de la iniţialele ˝Auto-Inflamation Pilotée par Injection de

Radicaux˝, ceea ce însemnă Autoaprindere iniţiată de injecţia de radicali. Acest

concept încearcă combinarea avantajelor oferite atât de motoarele cu aprindere prin

scânteie cât şi de cele cu aprindere prin comprimare.

Sistemul a fost dezvoltat in Franţa, la Universitatea din Orleans.

Fig. 14.14 Dispozitivul APIR

Aplicarea acestui sistem la un motor standard cu aprindere prin scânt

conduce la îmbunătăţirea semnificativă a performanţelor de aprindere

ine o diminuare dramatică a dispersiei ciclice, aprinderea ş

eie

şi ardere. Se

obţ i arderea se produc cu

viteze şi cu o repetabilitate incomparabil mai bune faţă de cazul utilizării bujiei. Un alt

avantaj important îl constituie extinderea limitei de funcţionare cu amestecuri sărace.

Page 354: Curs Motoare

PARTEA III – REDUCEREA POLUARII

354

Un câştig interesant îl constituie şi reducerea consumului de combustibil pentru

funcţionarea la ralanti şi la sarcini reduse.

Principalul dezavantaj, ce urmează a fi eliminat în dezvoltările ulterioare, îl

constituie emisiile de hidrocarburi nearse, mai mari decât la folosirea sistemelor

convenţionale de aprindere. Faţă de poluarea datorată arderii parţiale şi neaprinderii

amestecului, în cazul utilizării APIR geneza hidrocarburilor nearse este localizată

putând fi astfel uşor de eliminat.

Sistemul APIR rămâne în tradiţia motoarelor cu amestecuri stratificate datorită

antecamerei. Amestecul bogat, apropiat de limita de inflamabilitate, este introdus în

antecameră. Amestecul este fie benzină-aer fie gaz-aer. În timpul cursei de

comprimare, o anumită cantitate de amestec sărac curge dinspre camera principală

spre antecameră. Astfel în momentul iniţierii scânteii în antecameră, amestecul este

ceva mai sărac faţă de cel iniţial injectat. Mai mult decât atât, gazele reziduale din

antecameră nu trebuie să deterioreze procesul de iniţiere a aprinderii. Arderea

incompletă a amestecului bogat în antecameră (fig. 14.15) induce o creştere

puternică a presiunii şi o varietate mare de produşi intermediari de ardere .

Fig. 14.15 Aprinderea în antecameră

Până în acest moment al descrierii procesului, APIR-ul nu se deosebeşte faţă

de PJC. Partea novatoare a APIR-ului, constă în diametrul orificiilor de legătură între

antecameră şi camera principală de ardere. Diametrul acestora este, în mod

deliberat, de maxim 1 mm. Pentru acest concept orificiile cu diametru redus sunt

obligatorii din următoarele motive:

Pe de o parte, diametrul redus al orificiilor împiedică propagarea către camera

principală şi previne reapariţia flăcării în vârtejul jetului ce se formează la ieşirea din

antecameră precum în cazul PJC-ului;

Page 355: Curs Motoare

Mijloace active de reducere a emisiilor poluante la MAI

355

Pe de altă parte datorită dimensiunilor reduse ale acestor orificii se permite

creşterea numărului acestora, până la aproximativ 10. Numărul mare de orificii

permite o bună uniformizare a emisiei de radicali către camera principală;

Al treilea obiectiv constă în menţinerea antecamerei în condiţii relativ

independente faţă de condiţiile din camera principală, prin limitarea curgerilor dinspre

camera principală şi permiterea creşterii puternice a presiunii pentru expulzarea

radicalilor la mare distanţă în camera principală de ardere.

Astfel, datorită multiplelor orificii înguste, camera principală este ˝însămânţată˝

cu produşi intermediari de ardere din antecameră (fig. 14.16). Cursa de comprimare

permite condiţii termodinamice şi chimice satisfăcătoare în câteva zone preferenţiale

în care se găsesc radicali. ˝Însămânţarea¨ cu radicali este iniţiată de aprinderea din

antecameră. Întârzierea dintre aprinderea din antecameră şi autoaprindere este

foarte scurtă, datorită vitezei cu care se desfăşoară procesele de injecţie şi

amestecare a radicalilor în camera principală (fig.14.17). Astfel, momentul

˝însămânţării˝ poate fi controlat cu precizie. Raportul de comprimare utilizat în cazul

sistemului APIR variază în intervalul 10 -14.

Fig. 14.16 “ Însămânţarea” cu radicali a camerei principale de ardere.

Fig. 14.17 Formarea mai multor nuclee de aprindere în sistemul APIR.

Page 356: Curs Motoare

PARTEA III – REDUCEREA POLUARII

356

Fig. 14.18 Propagarea fronturilor de flacără multiple.

Motorul APIR este relativ diferit de motorul cu aprindere prin scânteie. Arderea

cantităţii principale de combustibil este asigurată de mai multe fronturi de flacără (fig.

14.18).

Contrar aprinderii cu scânteie şi altor sisteme neconvenţionale de aprindere,

în cazul APIR, cursa de comprimare este absolut necesară pentru autoaprindere şi

ardere în camera principală de ardere.

Calitatea arderii asigurată de dispozitivele PJC şi de APIR pare a fi identică,

comparativ cu rezultatele obţinute cu un sistem de aprindere convenţional, cu bujie.

Cu toate acestea, întârzierea aprinderii şi durata arderii sunt mai reduse la folosirea

stemului APIR faţă de sistemul PJC. Orificiile cu diametrul sub 1 mm asigură o

antecameră mai puţin sensibilă la variaţia variabilelor termodinamice din camera

principală de ardere şi, astfel, condiţii cu o mai bună repetabilitate în antecameră.

Un motor cu sistem APIR nu este asemănător cu motorul cu aprindere prin

ă o succesiune relativ

lungă de paş te întârziere la autoaprindere. În cazul

sistemului APIR se arde un ames arderi difuzive, multiple

fronturi de flacără rderea amestecului

preformat permite o sc a nivelului fumului din gazele de

evacuare.

Dispozitivul APIR este montat în locul unei bujii convenţionale. Volumul

antecamerei este stabilit între 0,5-1 cm3, aproximativ 1% din volumul camerei

principale de ardere. Antecamera este alimentată printr-o conductă cu un amestec

aer-combustibil bogat. Coeficientul de exces de aer pentru antecameră este între

0,48-0,66. au fost făcute experimente cu diametre ale orificiilor de 0,5-0,8 mm al

căror număr a variat între 1-9. Toate aceste configuraţii conduc la acelaşi

comportament al arderii.

comprimare. Autoaprinderea la motorul Diesel se produce dup

i, într-un interval ce se numeş

tec preformat. În locul unei

trec prin zone cu amestec preformat. A

ădere considerabilă

Page 357: Curs Motoare

Mijloace active de reducere a emisiilor poluante la MAI

357

În lumina discuţiei de mai sus, sistemul APIR poate fi definit ca fiind o

combinare a unor concepte anterioare cu excepţia utilizării orificiilor de legătură

extrem de reduse între antecameră şi camera principală de ardere pentru a

dezactiva complet compuşii intermediari ai arderii şi expulzarea lor departe în

camera principală de ardere. Succesiunea de paşi între declanşarea procesului

(scânteia în antecameră) şi procesul de ardere dorit este redusă comparativ cu cazul

motorului cu aprindere prin comprimare. Faza de ardere este mai bine asigurată

decât în cazul motorului cu aprindere prin scânteie. Astfel conceptul APIR permite

combinarea stabilităţii şi sensibilităţii la detonaţie reduse a motorului Diesel cu nivelul

scăzut de formare a funinginii şi puterii specifice ridicate a motorului cu aprindere prin

scânteie.

14.1.4.3. Aprinderea cu jet de plasmă

Folosirea amestecurilor puternic sărăcite determină probleme de

inflamabilitate a amestecului, în cazul folosirii sistemelor de aprindere convenţionale.

O metodă sigură de a creşte probabilitatea de aprindere a amestecului este

creşterea aportului energetic al sistemului de aprindere. Folosirea plasmei asigură o

creştere semnificativă a energiei de aprindere.

Bujia cu plasmă este executată dintr-o bujie normală la care se modifică forma

electrozilor (fig. 14.19). Cel de masă este înlocuit cu o placă metalică cu un orificiu

de 2mm. Electrodul central este parţial găurit şi ca rezultat se formează în interiorul

său un spaţiu cu volumul de 6-9 mm3. Energia folosită (câţiva jouli) este foarte mare

în comparaţie cu cea din cazul sistemelor clasice. Se generează astfel un nucleu de

plasmă semnificativ mai mare decât în cazul bujiei clasice. Există variante când în

volumul generat în electrodul central se injectează o mică cantitate de combustibil.

Ca principale avantaje se pot enumera: reducerea întârzierii la aprindere,

posibilitatea aprinderii amestecurilor sărace şi nu în ultimul rând faptul că implică

modificări minore pentru aplicarea unui motor de serie.

Problema majoră care de altfel a împiedicat folosirea acestui dispozitiv de aprindere

în producţia de serie este durabilitatea. Datorită temperaturilor mari şi a energiei

cinetice mari a jetului de plasmă uzura electrozilor, în special a celui de masă este

foarte pronunţată.

Page 358: Curs Motoare

PARTEA III – REDUCEREA POLUARII

358

Fig. 14.19 Bujie cu plasmă.

14.2. MIJLOACE DE REDUCERE ACTIVĂ A EMISIILOR POLUANTE LA MAC

Motorul cu aprindere prin comprimare prezintă serioase rezerve de optimizare

pentru îmbunătăţirea parametrilor energetici şi ecologici.

Datorită faptului că funcţionează cu un consum redus de combustibil emisiile

de CO2 sunt reduse şi este de aşteptat ca pe viitor acest tip de motor să-şi extindă

utilizarea în tracţiunea rutieră.

Mijloacele de reducere activă a emisiilor poluante vizează în primul rând

perfecţionarea proceselor care au loc în motor.

Formarea poluanţilor în motorul cu aprindere prin comprimare este influenţată

de particularităţile proceselor de formare a amestecului aer-combustibil şi de ardere.

În acest caz trebuie să se acţioneze asupra procesului de schimb de gaze, camera

de ardere şi procesul de injecţie a combustibilului.

Supraalimentarea şi răcirea intermediară a încărcăturii proaspete pot influenţa

pozitiv asupra nivelului de emisii nocive.

Recircularea gazelor arse are rolul de a inhiba formarea oxizilor de azot.

Page 359: Curs Motoare

Mijloace active de reducere a emisiilor poluante la MAI

359

14.2.1. Procesele de formare a amestecului aer combustibil şi arderea

La motorul cu aprindere prin comprimare procesele de formare a amestecului

aer-combustibil şi arderea sunt greu de controlat pe de o parte datorită timpului scurt

în care acestea au loc iar pe de altă parte datorită suprapunerii parţiale a acestor

procese.

Energia cinetică necesară formării amestecului aer-combustibil este dată de

energia cinetică a aerului şi de energia cinetică a jetului de combustibil. La o anumită

stare termodinamică accelerarea şi favorizarea proceselor legate de formarea

amestecului este determinată de nivelul energetic atins de cele două fluide (aer şi

combustibil) în diferitele momente ale proceselor. Întregul proces are un pronunţat

caracter dinamic cu însemnate variaţii ale parametrilor de control, cu schimbarea de

la o fază la alta a condiţiilor optime de desfăşurare a fenomenelor legate de formarea

amestecului şi de apariţia autoaprinderii.

Procesele de formare a amestecului şi de ardere pot fi optimizate prin

controlul nivelului energetic al aerului, prin intensificarea mişcărilor organizate şi

neorganizate (turbulenţă) şi prin caracteristicile procesului de injecţie: injecţie pilot,

calitatea jetului de combustibil, durata de injecţie, legea de injecţie, postinjecţie şi prin

cantitatea de gaze arse recirculate.

Motoarele avansate tehnologic posedă un management electronic care poate

controla procesele de formare a amestecului şi de ardere în funcţie de parametrii

funcţionali ai motorului.

14.2.1.1. Procesul de schimb al gazelor

Procesul de schimb al gazelor la motorul cu aprindere prin comprimare poate

influenţa decisiv procesele ce se desfăşoară în cilindrii motorului (formarea

amestecului şi arderea).

Canalizaţia de admisie determină la nivelul macroscărilor încărcăturii

proaspete intensitatea mişcărilor tangenţiale (de vârtej - swirl) care va influenţa

nivelul energetic al procesului de formare a amestecului aer-combustibil.

Page 360: Curs Motoare

PARTEA III – REDUCEREA POLUARII

360

Cerinţele de funcţionare optime a motorului impun amplificarea mişcării de

vârtej ale încărcăturii proaspete la turaţii reduse ceea ce implică utilizarea unui canal

de admisie elicoidal.

Fig. 14.20 Generarea mişcării de vârtej a încărcăturii cu ajutorul canalului de admisie

elicoidal.

Creşterea intensităţii mişcării de vârtej prin utilizarea canalului de admisie

elicoidal determină mărirea pierderilor gazodinamice şi micşorarea coeficientului de

umplere al motorului, în plus, la creşterea turaţiei motorului creşte şi coeficientul de

vârtej ceea ce poate afecta negativ procesul de formare a amestecului (prin

suprapunerea jeturilor de combustibil).

Asigurarea unui raport de vârtej optim în funcţie de regimul funcţional al

motorului se poate realiza prin utilizarea a două supape de admisie pe cilindru. Una

din supape este alimentată printr-un canal de admisie tangenţial iar cealaltă printr-un

canal de admisie elicoidal

Page 361: Curs Motoare

Mijloace active de reducere a emisiilor poluante la MAI

361

Canalul deadm isietangential

Canalul deadm isieelicoidal

Fig. 14.21 Dispunerea canalelor de admisie. Canalele de admisie Canalele de evacuare

Prezoanelepentrufixareachiulasei

Fig. 14.22 Dispunerea supapelor de admisie şi evacuare pe cilindru

Clapeta deschisa(raport de vartej mic)

Clapeta inchisa (raport de vartej mare)

Fig. 14.23 Reglarea raportului de vârtej prin controlul secţiunii canalului tangenţial.

Modificarea cifrei de vârtej se poate realiza fie prin controlul secţiunii de intrare

a canalului de admisie elicoidal fie prin controlul secţiunii canalului tangenţial.

Page 362: Curs Motoare

PARTEA III – REDUCEREA POLUARII

362

Prezenţa clapetei de control pe traiectul canalelor de admisie determină

scăderea coeficientului de umplere al motorului.

În figura 14.24 se prezintă variaţia raportului de vârtej şi a coeficientului global

al pierderilor gazodinamice în funcţie de ridicarea supapei şi de obturarea unui canal.

Canalele de admisie deschiseUn canal descis

Ridicarea supapei [mm]

Coe

ficie

nt d

e de

bit

Rap

ort d

e va

rtej

Fig. 14.24 Influenţa ridicării supapei şi a obturării unui canal de admisie

La nivelul microscărilor încărcăturii proaspete trebuie să se acorde o

deosebită atenţie mişcărilor turbulente induse de rugozitatea suprafeţelor canalului

de admisie,de forma scaunului supapei şi de supapă. Controlul turbulenţei pe

întreaga gamă a regimurilor de funcţionare va avea un impact pozitiv asupra

diminuării emisiilor poluante şi asupra îmbunătăţirii parametrilor de putere şi de

consum ai motorului.

O altă măsură tehnică care poate influenţa pozitiv funcţionarea motorului şi

diminua emisiile poluante o constituie aplicarea distribuţiei variabile a gazelor.

14.2.1.2. Camera de ardere

La motoarele Diesel cu injecţie directă s-au utilizat două tipuri de cameră

divizată: antecameră şi camera de turbulenţă (de vârtej). Cu toate că motoarele

Diesel cu cameră divizată sunt mai puţin sensibile la imperfecţiunile procesului de

formare a amestecului, există numeroase limite ale acestui tip de motor care au

condus la perfecţionarea motorului Diesel cu cameră unitară. Aceste limite se referă

în primul rând la:

Page 363: Curs Motoare

Mijloace active de reducere a emisiilor poluante la MAI

363

1. Pierderi mari de căldură prin pereţii camerei de ardere ceea ce impune

utilizarea unor rapoarte mari de comprimare;

2. Utilizarea unor coeficienţi de exces de aer inferiori motorului cu cameră

unitară (consum de combustibil şi emisii de CO2 ridicate);

3. Posibilităţi reduse de optimizare a proceselor din motor prin utilizarea noilor

dezvoltări tehnologice.

Motorului cu injecţie directă, datorită economicităţii ridicate i-au fost aduse

îmbunătăţiri constructive care să răspundă normelor de poluare.

Forma camerei de ardere la motorul Diesel cu injecţie directă diferă de la firmă

la firmă şi în cadrul aceleiaşi firme de la un tip de motor la altul în funcţie de

caracteristicile constructive şi de exploatare.

Camerele de ardere întâlnite la motoarele Diesel cu injecţie directă sunt:

sferice, cilindrice, pătrate, în formă de "ω".

Predomină totuşi formele de cameră "ω" datorită particularităţilor mişcării

încărcăturii proaspete în formă de tor.

Gradul de amplificare al mişcărilor încărcăturii proaspete la sfârşitul cursei de

comprimare depinde de: gradul de deschidere al camerei de ardere definit prin

raportul dintre diametrul de intrare al camerei de ardere şi alezajul cilindrului, forma şi

înălţimea deschiderii camerei de ardere, adâncimea camerei de ardere, forma

camerei de ardere, existenţa renurilor de turbulenţă, etc.

2 3 41

Fig. 14.25. Variante de cameră de ardere tip ω

14.2.1.3. Injecţia combustibilului

Un element cheie al motorului Diesel din punct de vedere energetic şi ecologic

este echipamentul de injecţie.

Page 364: Curs Motoare

PARTEA III – REDUCEREA POLUARII

364

În mod normal un sistem clasic de injecţie a combustibilului cuprinde o pompă

de înaltă presiune (cu elemenţi în linie sau cu distribuitor rotativ) şi un injector care

realizează pulverizarea combustibilului în camera de ardere.

Echipamentul de injecţie prin caracteristicile sale constructive determină

parametrii de calitate ai jetului de combustibil şi parametrii temporali de desfăşurare

ai acestuia.

Calitatea pulverizării combustibilului în camera de ardere poate fi apreciată

prin: fineţea pulverizării, omogenitatea pulverizării, penetraţia şi dispersia jetului de

combustibil. Calitatea pulverizării depinde de: presiunea de injecţie, viteza

combustibilului prin orificiile de ieşire, diametrul şi lungimea orificiilor de pulverizare.

Parametrii temporali de desfăşurare ai procesului de injecţie se referă în

primul rând la momentul începerii procesului de injecţie în raport cu ciclul motor, la

durata procesului de injecţie şi la legea de injecţie. Aceşti parametri depind în primul

rând de caracteristicile constructive ale pompei de injecţie şi în al doilea rând de

caracteristicile constructive ale pulverizatorului injectorului.

La sistemele clasice de injecţie se poate corecta caracteristica de injecţie prin

intermediul unor dispozitive mecanice, hidraulice sau pneumatice. Corecţia se

realizează după legi simple.

Dezvoltarea motoarelor Diesel de turaţie ridicată a scos în evidenţa faptul ca

echipamentele de injecţie clasice nu mai fac faţă cerinţelor de formare optimă a

amestecului aer-combustibil pentru fiecare regim de funcţionare al motorului, atât din

punct de vedere energetic cât şi din punctul de vedere al emisiilor poluante.

În aceste condiţii s-a acţionat în primul rând în mai multe etape asupra

injectorului prin modificarea numărului, diametrului şi lungimii orificiilor de pulverizare,

eliminarea sacului injectorului, micşorarea maselor în mişcare (ac, tije, talere, etc.)

pentru a mări viteza de ridicare a acului pulverizatorului, mărirea presiunii de

deschidere a injectorului. Aceste intervenţii au vizat îmbunătăţirea calităţii pulverizării

combustibilului. O altă măsură constructivă care a dus la diminuarea emisiilor de

zgomot datorate arderii şi a emisiilor poluante a constituit-o injectorul cu două arcuri

la care injecţia combustibilului se desfăşoară în două faze. Prima fază a injecţiei

(injecţia pilot) începe prin învingerea rezistenţei primului arc cu forţa corespunzătoare

presiunii de injecţie de 16 până la 18 MPa şi o ridicare a acului de 0,02 până la 0,06

mm. Combustibilul injectat în această fază suferă transformări fizice şi chimice

constituind nuclee fizice de autoaprindere la injecţia dozei principale de combustibil.

Page 365: Curs Motoare

Mijloace active de reducere a emisiilor poluante la MAI

365

În faza a doua a injecţiei se învinge rezistenţa celui de-al doilea arc prin forţa dată de

o presiune de 32 - 35 MPa. Ridicarea acului injectorului în această fază este de 0,2 -

0,3 mm.

Fig. 14.26 Injectorul cu pulverizare în două faze. 1. Corpul injectorului;

2. Şaibă de reglaj;

3. Arcul primei faze;

4. Taler;

5. Şaibă de reglaj pentru faza principală;

6. Arcul celei de-a doua faze;

7. Tija acului;

8. Talerul acului;

9. Piesă intermediară;

10. Acul pulverizatorului;

11. Corpul pulverizatorului;

12. Piuliţa pulverizatorului.

Utilizarea pulverizării combustibilului în două faze determină datorită

optimizării proceselor de formare a amestecului şi de ardere o reducere a emisiilor

de hidrocarburi nearse cu 15 - 20%, a oxizilor de azot de 10 - 15% faţă de motoarele

dotate cu injectoare clasice.

Sistemele de reglare ale pompei de injecţie clasică de tip mecanic, hidraulic

sau pneumatic acţionează după legi simple, au elemente cu o inerţie ridicată iar

forţele de frecare între elemente au valori ridicate. De aceea s-a apelat la utilizarea

sistemului de reglare a pompei de injecţie electronic.

Sistemele electronice de control au un volum de funcţii mult mai ridicat decât

la sistemele clasice şi realizează separarea funcţiei de dozare de funcţiile de reglaj.

Sistemele de control electronic ale pompelor de injecţie au următoarele funcţii de

reglare:

• Corectarea dozei de combustibil funcţie de caracteristica de sarcină şi turaţie

a motorului;

Page 366: Curs Motoare

PARTEA III – REDUCEREA POLUARII

366

• Asigură o caracteristică de debit de injecţie corectată în funcţie de

temperatura lichidului de răcire;

• Asigură valori ale debitului pe ciclu şi moment de început al injecţiei precis

debitul regimului de mers în gol independent de încărcare;

ţiei;

teza de deplasare a autovehiculului;

debitul gazelor recirculate;

debitul de combustibil funcţie de presiunea de supraalimentare;

debitul de combustibil funcţie de altitudine;

mportamentul dinamic al motorului;

manda electronică a echipamentului de injecţie (pedală de

ă);

Fig. 14.27 Pompa cu rotor

distribuitor cu regulator

electronic.

1. Senzor de cursă;

2. Dispozitiv de reglare debit;

3. Electrovalvă de oprire;

4. Piston de pompare;

5. Electrovalvă pentru începutul

injecţiei;

6. Tija regulatorului;

7. Variator de avans.

Următorul pas în dezvoltarea echipamentului de injecţie a fost sistemul de

injecţie cu rampă comună de înaltă presiune (Common Rail). Acest sistem se

caracterizează printr-o înaltă flexibilitate. Pompa de înaltă presiune are numai rolul

de a ridica în rampa comună presiunea combustibilului la nivelul presiunii de injecţie.

Momentul de început, durata injecţiei nu mai de depind de forma unei came ci ele pot

fi modelate în funcţie de semnalul primit de injectorul cu deschidere electromagnetică

de la unitatea electronică de control. Doza de combustibil şi parametrii procesului de

injecţie sunt stabiliţi în funcţie de parametrii funcţionali ai motorului.

stabilite;

• Reglează

• Reglează avansul injec

• Reglează vi

• Reglează

• Reglează

• Corectează

• Reglează co

• Asigură co

acceleraţie electronic

Page 367: Curs Motoare

Mijloace active de reducere a emisiilor poluante la MAI

367

Pentru îmbunătăţirea calităţii amestecului aer combustibil pe întreaga plajă a

regimurilor de funcţionare ale motorului trebuie ca şi jeturile de combustibil să

îndeplinească condiţiile de calitate în corelaţie cu mişcarea aerului din cilindrii şi cu

forma camerei de ardere.

Una din măsuri o constituie mărirea presiunii de injecţie care la sistemele

clasice este dificil de realizat datorită complicaţiilor constructive. Pompa injector

poate realiza condiţiile de presiune ridicată însă nu poate beneficia de controlul

electronic.

În figura 14.28 se prezintă comparativ variaţia presiunii de injecţie funcţie de

turaţia motorului. S-au comparat presiunile de injecţie date de: o pompă de injecţie

cu distribuitor rotativ cu control electronic (Bosch VP37), o pompă de injecţie cu

pistoane radiale (Bosch VP44) şi un sistem cu rampă comună (Bosch Common Rail).

Turatia motorului [min-1]

Potentialulsistemuluicurampa comuna

Sitemulcu rampa comunacalibrat

Pres

iune

de

inje

ctie

max

ima

[MPa

]

Fig. 14.28 Variaţia presiunii de injecţie maxime în funcţie de turaţia motorului

Se remarcă faptul că sistemul de injecţie cu rampă comună oferă presiuni de

injecţie mai ridicate pe întreaga gamă de funcţionare a motorului şi ca există

posibilităţi de creştere şi de menţinere la valori ridicate a presiunii de injecţie şi la

turaţii reduse de funcţionare ale motorului.

Sistemul de injecţie cu rampă comună are o structură mecanică relativ simplă

(fig. 14.29)

Page 368: Curs Motoare

PARTEA III – REDUCEREA POLUARII

368

Rezervor de combustibil

senzor Rampa comuna supapa siguranta

Injectoare

lim itatorde debit

ECUsenzori

pompa electrica decombustbil

pompa de inalta presiune cu regulator de presiune

filtru

Fig. 14.29 Sistemul de injecţie cu rampă comună

Motorina este preluată din rezervorul de combustibil de către pompa de

presiune şi refulată în rampa comună. Pompa de presiune este prevăzută cu trei

pistonaşe plonjoare dispuse radial. Pistonaşele sunt acţionate de către o camă de

înălţime mică prin intermediul unor tacheţi cu rolă. Pistonaşele plonjoare au o

dispunere simetrică pentru a se evita introducerea de unde de presiune de

amplitudine ridicată în volumul rampei comune. Pompa de presiune preia puterea

necesară comprimării combustibilului de la arborele cotit al motorului.

Page 369: Curs Motoare

Mijloace active de reducere a emisiilor poluante la MAI

369

Alimentarea cu combustibil

Retur spre rezervor

Conexiuneacu regulatorulde presiune

Conexiuneacu rampa deinalta presiune

Supapa desiguranta

Supapa pentrucontroluladmisiei

Fig. 14.30 Schema pompei de înaltă presiune

Pompa de înaltă presiune este prevăzută cu un regulator de presiune. Acesta

are rolul de a modifica nivelul presiunii combustibilului din rampa comună. Reglarea

presiunii se realizează cu ajutorul unei supape electromagnetice a cărei ridicare este

în funcţie de intensitatea curentului de alimentare comandat de către unitatea

electronică de control (fig. 14.31).

Evacuare

Admisie

Fig. 14.31 Regulatorul de presiune al pompei de înaltă presiune

Page 370: Curs Motoare

PARTEA III – REDUCEREA POLUARII

370

Fig. 14.32 Elementele injectorului cu deschidere electromagnetică

A- orificiu deschis sau închis prin acţionarea electromagnetului;

P- piston de control;

D- pulverizator;

Z- orificiu pentru alimentarea cu combustibil a pistonului de control.

Combustibilul sub presiune refulat de către pompa de înaltă presiune ajunge

în rampa comună. Volumul cuprins în tubulatura dintre pompa de înaltă presiune şi

injectoare (conducta de alimentare a rampei comune, rampa comună, conductele de

alimentare ale injectorului) serveşte drept acumulator de presiune. Acest volum are

rolul de a amortiza undele de presiune induse de către pompa de înaltă presiune. O

valoare inferioară valorii optime a volumului amplifică undele de presiune induse de

către pompa de presiune, o valoare superioară valorii optime a volumului măreşte

timpul de răspuns la variaţiile de presiune cerute de funcţionarea motorului la

regimurile tranzitorii (la un motor cu cilindree de 2l volumul de acumulare este de 30-

40 cm3).

Rampa comună este prevăzută cu un senzor piezoelectric care emite un

semnal spre unitatea electronică de control (UEC) indicând nivelul de presiune din

aceasta. UEC compară valoarea semnalului primit cu valoarea memorată conformă

cu regimul de funcţionare al motorului. Dacă valoarea măsurată diferă de valoarea

memorată, atunci UEC emite un semnal spre regulatorul de presiune al pompei de

Page 371: Curs Motoare

Mijloace active de reducere a emisiilor poluante la MAI

371

înaltă presiune, unde un orificiu de descărcare poate fi închis sau deschis după cum

presiunea din rampa comună trebuie mărită sau micşorată.

Sistemul de injecţie cu rampă comună este prevăzut cu injectoare cu

deschidere electromagnetică (fig. 14.32).

Circuitul electromagnetic de deschidere al injectorului este alimentat de către

unitatea electronică de control.

Momentul de început al injecţiei şi durata acesteia sunt stabilite de către UEC

prim compararea informaţiilor funcţionale ale motorului cu valorile memorate pentru

aceleaşi regimuri funcţionale.

Fig. 14.33 Unitatea electronică de control a injecţiei

Page 372: Curs Motoare

PARTEA III – REDUCEREA POLUARII

372

Doza de combustibil pe ciclu este stabilită de către UEC pe baza valorii

presiunii combustibilului din rampa comună, durata injecţiei şi suprafaţa secţiunii

echivalente de curgere a combustibilului prin injector şi pulverizator.

Avantajul major al sistemului de injecţie cu rampă comună este flexibilitatea

acestuia care poate modifica legea de injecţie în funcţie de particularităţile regimului

de funcţionare al motorului.

Comanda electromagnetică a deschiderii injectorului poate asigura multiple

injecţii în diferite momente ale ciclului motor (figura 14.34).

Cu acest sistem se poate realiza injecţia pilot iar plasarea acesteia în ciclu

este independentă de caracteristicile sistemului de injecţie. Prin injecţia pilot se

introduce în cilindrii motorului o mică cantitate de combustibil (1-5 mm3) înaintea

pulverizării dozei principale, combustibilul introdus în această fază suportă

transformări fizice şi chimice asigurând centrii activi ai procesului de autoaprindere la

introducerea dozei principale. Prin injecţia pilot se pot controla procesele de formare

a poluanţilor chimici, se reduce zgomotul datorat arderii amestecului carburant şi se

îmbunătăţesc calităţile de pornire ale motorului la temperaturi reduse.

Cercetări recente au demonstrat că şi postinjecţia are efecte pozitive

(cantitatea de combustibil la postinjecţie este de 1-2 mm3). Postinjecţia se poate

plasa în cursa de destindere sau in cursa de evacuare şi are rolul de a asigura

reducerea NOx în convertorul catalitic şi de a reduce nivelul de particule din gazele

de evacuare.

Deschiderea acului injectorului aferentă injecţiei dozei principale poate fi

modulată în funcţie de parametrii funcţionali ai motorului şi de necesitatea reducerii

nivelului emisiilor poluante (fig. 14.35).

Zona dedeschidere Zona de

inchidere

Timp

Rid

icar

ea a

culu

i

Postinjectie

Injectieprincipala

Injectorcu douafazeInjectie

pilot

Fig. 14.34 Profilul ridicării acului injectorului la sistemul cu rampă comună

Page 373: Curs Motoare

Mijloace active de reducere a emisiilor poluante la MAI

373

Timp [ms]

Rid

icar

ea a

culu

i [m

m]

Fig. 14.35 Modele ale curbei de ridicare a acului injectorului

Noi dezvoltări ale echipamentelor de injecţie prevăd injectoare de gabarit

redus care au pulverizatoare cu orificii de pulverizare din ce în ce mai mici.

1.2.2. Supraalimentarea MAC Supraalimentarea motoarelor cu aprindere prin comprimare se aplică pentru

îmbunătăţirea parametrilor de putere şi consum.

O modalitate eficientă de supraalimentare o constituie utilizarea

turbocompresorului.

Îmbunătăţirile tehnologice aduse turbinei cu gaze de presiune variabilă au

condus la o utilizare eficientă a energiei gazelor arse evacuate din motor pe întreaga

gamă de regimuri de funcţionare ale motorului.

O primă intervenţie a vizat utilizarea materialelor ceramice pentru rotorul

turbinei. Această modificare a permis reducerea inerţiei rotorului şi a dat posibilitatea

utilizării gazelor arse cu un nivel de temperatură mai ridicat.

La motoarele Diesel de turaţie ridicată "acordarea" agregatului de

supraalimentare cu motorul este dificilă. Acordarea la regimul de cuplu maxim

furnizează pentru regimul de putere nominală presiuni ridicate de supraalimentare

care sunt inacceptabile din punctul de vedere al rezistenţei motorului. Acordarea la

regimul de putere nominală induce o insuficienţa a debitului de aer livrat de către

compresor la turaţii scăzute şi la regimul cuplului maxim al motorului.

Pentru a elimina neajunsurile de acordare s-a introdus supapa de scăpare

(waste gate). În acest caz turbocompresorul este acordat la regimul cuplului maxim şi

se asigură aerul necesar funcţionării motorului la turaţii reduse iar pe intervalul de

Page 374: Curs Motoare

PARTEA III – REDUCEREA POLUARII

374

turaţii dintre cuplul maxim şi puterea nominală, o parte din gazele arse sunt deviate

de către supapa de scăpare iar presiunea de supraalimentare se menţine constantă.

O soluţie constructivă care permite utilizarea eficientă a energiei gazelor de

evacuare la orice regim de funcţionare al motorului îl constituie turbina cu gaze cu

geometrie variabilă. La acest tip de turbină ajutajul este paletat iar unghiul dintre

palete poate fi modificat în funcţie de regimul de funcţionare al motorului printr-un

dispozitiv care primeşte semnalul de comandă de UEC. Prin supraalimentare

presiunile şi temperaturile caracteristice ciclului motor au valori mai ridicate

comparativ cu cele ale ciclului motorului cu aspiraţie naturală. În consecinţă emisiile

de CO şi HC se reduc iar emisiile de NOx cresc. Emisia de particule este mai redusă

datorită oxidării acestora pe timpul cursei de destindere şi evacuare datorită nivelului

de temperatură ridicat al gazelor arse.

Fig. 14.36 Schema turbinei cu geometrie variabilă.

14.2.3. Răcirea intermediară La motorul supraalimentat nivelul de temperatură al aerului reţinut în cilindrii

motorului este mult mai ridicat decât în cazul motorului cu aspiraţie naturală datorită

comprimării aerului în agregatul de supraalimentare.

Pentru a îmbunătăţi parametrii de putere ai motorului supraalimentat este

necesar ca densitatea încărcăturii să fie mărită. Aceasta se poate realiza prin răcirea

aerului pe traiectul dintre compresorul de supraalimentare şi intrarea în motor.

Răcirea aerului de supraalimentare se poate realiza cu schimbătoare de

căldură aer-aer sau aer-apă. Reducerea nivelului de temperatură al încărcăturii

proaspete reţinute în cilindrii motorului reduce şi temperatura de ardere, ceea ce va

conduce la emisii de NOx mai reduse.

Page 375: Curs Motoare

Mijloace active de reducere a emisiilor poluante la MAI

375

14.2.4. Recircularea gazelor arse Motorul cu aprindere prin comprimare funcţionează cu amestecuri sărace,

deci gazele de evacuare sunt bogate în oxigen. Datorită conţinutului ridicat de

oxigen, oxizii de azot nu pot fi reduşi eficient în convertoarele catalitice pe baze de

metale preţioase Pt, Rh, Pd.

Măsura prin care se poate frâna procesul de formare a oxizilor de azot

prevede reintroducerea în camera de ardere a unei cantităţi de gaze arse care în

prealabil au fost răcite.

Gazele arse sunt inerte din punct de vedere chimic şi ele acţionează ca un

diluant al cantităţii de oxigen din camera de ardere, determinând modificări ale

dinamicii procesului de ardere şi în consecinţă micşorând temperatura de ardere.

Procesul de formare a oxizilor de azot este frânat pe de-o parte de diluţia

oxigenului (fenomen similar arderii amestecurilor bogate) iar pe de altă parte datorită

reducerii temperaturii de ardere.

Cantitatea de gaze arse reintrodusă în cilindrii motorului este reglată de UEC

în funcţie de parametrii care caracterizează regimul de funcţionare al motorului.

Recircularea gazelor arse are ca efect creşterea uşoară a emisiilor de CO, HC

şi particule (care pot fi diminuate cu dispozitive de tratare a gazelor arse: convertor

de oxidare şi filtru de particule) şi reducerea drastică a emisiilor de oxizi de azot.

Page 376: Curs Motoare

PARTEA III – REDUCEREA POLUARII

376

Bibliografie [1] Abăităncei, D. şi alţii. - Motoare pentru Automobile şi Tractoare. - Editura

Tehnică, Bucureşti, 1978.

[2] Abăităncei, D. şi Bobescu, Gh. - Motoare pentru automobile. - Editura

Didactică şi Pedagogică, Bucureşti, 1975.

[3] Aligrot, C., Champooussin, J. C., Guerassi, N., Claus, G. - A correlative model

to predict autoignition delay of Diesel fuels. - SAE Paper 970638, 1997.

[4] Annand, W. J. D. - Heat Transfer in Reciprocating Internal Combustion

Engines. - Proceeding of the Institution of Mechanical Engineers, vol. 177, no.

36, pp. 973-990, 1963.

[5] Aoi, K. and all. - Optimization of Multi-Valve, Four Cycle Engine Design - The

Benefit of Five - Valve, - in Design of Racing and High Performances Engines,

SAE, PT-53, 860032, 1995.

[6] Apostolescu, N., Chiriac, R. - Procesul arderii în motorul cu ardere internă.

Economia de combustibil. Reducerea emisiilor poluante. - Editura Tehnică,

Bucureşti, 1998.

[7] Apostolescu, N., Taraza, D. - Bazele cercetării experimentale a maşinilor

termice.- Editura Didactică şi Pedagogică, Bucureşti, 1979.

[8] Arai, M., Tabata, M., Hiroyasu, H., Shimizu, M. - Disintegrating Process and

Spray Characterization of Fuel Jet Injected by a Diesel Nozzle. - SAE

International Congress and Exposition, Detroit, Michigan, SAE Paper, No.

840275, 1984.

[9] Aramă, C. şi Grünwald, B. - Motoare cu ardere internă. Procese şi

caracteristici. - Editura Tehnică, Bucureşti, 1966.

[10] Assanis, D. N. - A Computer Simulation of the Turbocharged

Turbocompounded Diesel Engine System for Studies of Low Heat Rejective

Engine Performance. - Ph. D. thesis, Massachusetts Institute of Technology,

Cambridge, 1985.

[11] Baert, R.S.G. - Autoignition of a Diesel spray at highs pressures and

temperatures. - SAE Paper 890417, 1989.

[12] Baev, B. K., Bazhaikin, A. N. and all. - Induction Time Measured For Ignition of

Liquid Fuel Jets in Air at High temperatures and Pressures. - in Dynamics of

Page 377: Curs Motoare

Mijloace active de reducere a emisiilor poluante la MAI

377

Flame and Reactive Systems, Progress in Astronautics and Aeronautics, vol.

95, pp.554-562, AIAA, New York, 1984.

[13] Benson, R. - Internal Combustion Engines. - Pergamon Press, London, 1984.

[14] Bobescu, Gh.,şa - Tehnici speciale pentru reducerea consumului de

combustibil şi limitarea noxelor la autovehicule. - Universitatea din

Braşov,1989.

[15] Bobescu, Gh., şa - Motoare pentru automobile şi tractoare - Vol III. Editura

Tehnica - Info, Chişinău, 2000. ISBN 9975-63-015-4.

[16] Carapanayotis, M., Sălcudean, M. - Thermodynamic Simulation of a Two-

Stroke Direct-Injection Turbocharged Diesel Engine and Comparison with

Experimental Measurements. - Department of Mechanical Engineering,

University of British Columbia, Vancouver, B. C., Canada,1986.

[17] Cheng, C. Y. - Simulation for a Four-Stroke, Direct-Injection Diesel Engine.-

M.S. thesis, University of Rhode Island, Kingston, 1985.

[18] Chiru, A.,...Ispas, N., - Sur la corelation du debit de combustible injecte

pendent le cycle avec le coefficient d’excés d’air pour forcer le moteur 797-05.

A V-a Conferinţă de Motoare, Automobile, Tractoare şi Maşini Agricole,

Universitatea din Braşov, Braşov, 1985, Vol.I, p. 71-78.

[19] Cofaru, C., Ispas, N., - Cercetări privind îmbunătăţirea parametrilor energetici

la motorul Diesel supraalimentat. - A VI-a Conferinţă Naţională de

Autovehicule Rutiere, Piteşti, 1994, p.25-30.

[20] Cofaru, C., Ispas, N., - Cercetări privind optimizarea proceselor de formare a

amestecului şi arderii la motorul Diesel cu injecţie directă supraalimentat. - A

XIV Sesiune de comunicări ştiinţifice a cadrelor didactice, Academia Navală

“Mircea cel Bătrân”, Constanţa, Vol.I, p.535-546.

[21] Cofaru, C., Ispas, N., - Normele de poluare-cerinţe de bază în proiectarea şi

cercetarea motoarelor cu ardere internă forţate. - A VI-a Conferinţă Naţională

de Autovehicule Rutiere, Piteşti, 1994, p.135-110.

[22] Cofaru, C., Ispas, N., - Studii şi cercetări privind îmbunătăţirea proceselor de

schimb de gaze la motoarele Diesel supraalimentate. - A VI-a Conferinţă

Naţională de Autovehicule Rutiere, Piteşti, 1994, p.31-35.

[23] Cofaru, C., Ispas, N., - The effects of intake system on performances and

emission levels of a supercharged D.I.engine. - 8th Conference with

international participation - CONAT ’96, Braşov, 1996, Vol.I, p. 185-190.

Page 378: Curs Motoare

PARTEA III – REDUCEREA POLUARII

378

[24] Cofaru, C., Ispas, N., ş.a. - Proiectarea motoarelor pentru autovehicule.-

Universitatea TRANSILVANIA Braşov, 1997.

[25] Cofaru, C., Ispas, N., Constantinescu,B. - Effects of fuel-air mixture

preparation on combustion process, energetic parameters and exhaust

emission in a D.I. Diesel engine. - Proceedings of 1st International Conference

on “Control and diagnostics in automotive application“, Genova, Italy, 1996,

ISBN 88-86281-16-1 p. 533-543.

[26] Cofaru, C.,Ispas, N., - The effects of intake system on D.I. Diesel engine

combustion, performances and emissions. - In 6th European Congress

“Lightweight and small cars The answer of future need”, Vol.I, Cernobio, Italy,

1997.

[27] Cofaru, C.,Ispas, N., - The impact of injection system on D.I.Diesel engine

combustion, performances and emissions. - In XVI International Conference

Science and Motor Vehicles NMV, Belgrad, 1997, Yugoslavia, ISBN 86 80

941-19-0, p.69-72.

[28] Cofaru, C.,Ispas, N.,ş.a. - Cercetări privind îmbunătăţirea parametrilor

energetici la m.a.c. supraalimentat prin modificarea raportului S/D. - Buletinul

ESFA’ 95, Vol.2, p.228-235.

[29] Cofaru, C.,Ispas, N.,ş.a. - Cercetări privind posibilităţi de reducere a nivelului

de fum la un m.a.c. supraalimentat. - Buletinul ESFA’ 95, Vol. 2, p. 236-243.

[30] Cofaru, C., ş.a.. - Autovehiculul şi mediul. Editura Universităţii Transilvania

Braşov, 1999. ISBN 973-98512-3-1.

[31] Cofaru.C. –Legislatia şi ingineria mediului in transportul rutier Editura

Universităţii Transylvania Brasov 2002 ,ISBN 973-635-185-8

[32] Degobert, P. – Automobiles and Pollution – SAE International, 1995.

[33] Fraid, G.K., Piock, W.F. , Wirth, M. – Gasoline Direct Injection. Actual trends

and Future Strategies for Injection and Combustion Systems - SAE technical

paper, 960465.

[34] Garett, W. - Effects of highly heated fuel on Diesel Combustion, SAE Technical

Papers Services, Nr. 850088, 1985.

[35] Glikin, P. E. - An electronic fuel injection system for Diesel engines, SAE

Technical Papers Services, Nr. 850453, 1985.

[36] Grünwald, B. - Teoria, calculul şi construcţia motoarelor pentru autovehicule

rutiere, - Editura Didactică şi Pedagogică, Bucureşti, 1980.

Page 379: Curs Motoare

Mijloace active de reducere a emisiilor poluante la MAI

379

[37] Grünwald, B. şi Apostolescu, N. - Neomogenitatea termică şi chimică a gazelor

din motoarele cu ardere internă, - Editura Academiei R.S.R., Bucureşti, 1975.

[38] Gulder, O. L., Glavincevski, B. - Ignition Quality Determination of Diesel Fuels

from Hydrogen Type Distribution of Hydrocarbons. - in Combustion and Flame,

vol. 63, pp. 231-238, 1986.

[39] Harada, A., Shimazaki, N., ş.a. - The Effects of Mixture Formation on Premixed

Lean Diesel Combustion. - SAE, SP 1326, 980533, 1998, p. 191- 200.

[40] Heywood, J. B. - Internal combustion engine fundamentals. - McGraw-Hill

Book Comp., New York, 1989.

[41] Hiraki, H., Rife, J. M.- Model of a Direct Injection Stratified Charge Engine.-

SAE International Congress and Exposition, Detroit, Michigan, SAE Paper, No.

800050, 1980.

[42] Hiroyasu, H., Arai, M. - Development and Use of a Spray Combustion

Modeling to Predict Diesel Engine Efficiency and Polluant Emissions. -

Proceedings of the Fifth International Automotive Propulsion System

Symposium, pp. 264-288, SAE, Warrendale, Pa. 1980.

[43] Hiroyasu, H., Kadota, T., Arai, M. - Development and Use of a Spray

Combustion Modeling to Predict Diesel Engine Efficiency and Polluant

Emissions; Part 2; Computational Procedures and Parametric Study. - Bulletin

of the JSME, vol. 26, no.214, pp. 576-583, 1983.

[44] Hiroyasu, H., Kadota, T., Arai, M. - Development and Use of a Spray

Combustion Modeling to Predict Diesel Engine Efficiency and Polluant

Emissions; Part 1; Combustion Modeling, Bulletin of the JSME, vol. 26,

no.214, pp. 569-575, 1983.

[45] Hiroyasu, H., Kadota, T., Arai, M. - Supplementary Comments: Fuel Spray

Characterization in Diesel Engines. - Combustion Modeling and Reciprocating

Engines, pp.369-408, Plenum Press, New York, 1980.

[46] Ispas, N., Ambrosi, G., - Regarding the universal order analysis of chemical

kinetics of burning process in the thermical engines with piston. - A VII-a

Conferinţă Naţională de Automobile şi Tractoare, Universitatea Transilvania

Braşov, Braşov, 1993, Vol.I, p. 199-204.

[47] Ispas, N., Cofaru, C., - Motoare Diesel cu injecţie directă - prezent şi

perspectivă în motorizarea autovehiculelor. - A XV Sesiune de Comunicări

Page 380: Curs Motoare

PARTEA III – REDUCEREA POLUARII

380

Ştiinţifice a Cadrelor Didactice, Academia Navală “Mircea cel Bătrân”,

Constanţa, 1997, Vol.III.

[48] Ispas, N., Cofaru, C., - The injection system characteristics and D.I. Diesel

engines performances and emissions. - A VII-a Conferinţă de Autovehicule

Rutiere cu participare internaţională, CAR’97, Universitatea din Piteşti, 1997,

p. 149-158.

[49] Ispas, N., Cofaru, C., - The new D.I. Diesel engines for passengers cars.

Statistical features. - A VII-a Conferinţă de Autovehicule Rutiere cu participare

internaţională, CAR’97, Universitatea din Piteşti, 1997, p.139-148.

[50] Ispas, N., Cofaru, C., Dogariu, M. - Air-Fuel Mixing Process and Combustion in

Supercharging D.I. Diesel Engine. - A 6-a Conferinţă internaţională ESFA'98,

Bucureşti,1998, Vol.I, p.385 - 390.

[51] Ispas, N., Cofaru, C., Dogariu, M. - Performanţele energetice şi ecologice ale

actualelor şi viitoarelor motoare Diesel cu injecţie directă pentru autoturisme.-

A 6-a Conferinţă internaţională ESFA'98, Bucureşti,1998, Vol.II, p.455 - 460.

[52] Ispas, N., Florescu, M., ş.a. - Critical analysis of the present offer regarding

autovehicles of Diesel engines. - 8th Conference with international participation

- CONAT ’96, Braşov, 1996, Vol.II, p. 195-202.

[53] Ispas, N. - Motoare Diesel cu injecţie directă pentru autoturisme. Editura C2

Design, Braşov 1999. ISBN 973-99443-2-9.

[54] Jackson, N. S., Stokes, J., Whitaker, P .A., Lake, T. H. – Stratified and

Homogeneous Charge Operation for the Direct Injection Gasoline Engine –

High Power with Low Fuel Consumption and Emissions - SAE technical paper,

970543.

[55] John, B., Heywood. International Combustion Engines Fundamentals. Mc

Graw-Hill Book Company, New York. ISBN 0-07-100499-8.

[56] Karl, G., Kemmler, R., Bargende, M., Abthoff, J. – Analysis of a Direct Injected

Gasoline Engine - SAE technical paper, 970624.

[57] Kumar, K., Babu, M. K. G. and all. - A Thermodynamic Simulation Model for a

Four Stroke Medium Speed Diesel Engine. - SAE International Congress and

Exposition, Detroit, Michigan, SAE Paper, No. 840516, 1984.

[58] Kuo, T. W., Bracco, F. V. - On the Scaling of Transient Laminar, Turbulent,

and Spray Jets.- SAE International Congress and Exposition, Detroit,

Michigan, SAE Paper, No. 820038, 1982.

Page 381: Curs Motoare

Mijloace active de reducere a emisiilor poluante la MAI

381

[59] Kwon, S., Arai, M., Hiroyasu, H. - Effect of fumigated fuel on the ignition and

initial combustion stages in a D.I. Diesel, - SAE Trans., Vol. 98, 1989.

[60] M. Pontoppidan, G.Gaviani, G. Bella, V. Rocco – Direct Fuel Injection – A

Study of Injector Requirements for Different Mixture Preparation Concepts -

SAE technical paper, 970628.

[61] Mansouri, S. H., Heywood, J. B., Radhakrishnan, K. - Divided-Chamber Diesel

Engines: Part 1. A Cycle-Simulation Which Predicts Performance and

Emissions. - SAE International Congress and Exposition, Detroit, Michigan,

SAE Paper, No. 820273, 1982.

[62] Masao, K., Kimitaka, S., Masatoshi, B.,asaki, Matsushita, S., Takeshi, G. –

Analysis of Mixture Formation of Direct Injection Galosine Engine - SAE

technical paper, 980157.

[63] Mitsubishi In-cylinder Direct Injection Gasoline Engine – Mitsubishi Motors

Technical Information.

[64] Miyamoto, N., Chikahisa, T, and all. - Description and Analysis of Diesel

Engine Rate of Combustion and Performance Using Vibe's Functions. - SAE

International Congress and Exposition, Detroit, Michigan, SAE Paper, No.

850107, 1985.

[65] Negrea, V., D., Sandu, V. - Combaterea poluării mediului în transporturile

rutiere. Editura Tehnică, Bucureşti, 2000. ISBN 973-31-1455-3.

[66] Oases, M., Andrews, G. E., Greenhough, J. H., - Diesel Fumigation Partial

Premixing for Reducing Particulate Soot Fraction Emissions. - SAE Paper,

980532, 1998.

[67] Pierpont, D. A., Reitz, R. D. - Effects of Injection Pressure and Nozzle

Geometry on D.I. Diesel Emissions and Performance. - SAE, SP 1092,

960035, 1995, p.16 - 24.

[68] Pischinger, F., Reuter, U., Scheid, E. Selfignition of Diesel sprays and its

dependence of fuel properties and injection parameters. - J. Eng. for Gas

Turbines and Power, Vol. 110, 1988, p.399 - 404.

[69] Poulos, S. G. and Heywood, J. B. - The Effect of Chamber Geometry on

Spark-Ignition Engine Combustion. - SAE International Congress and

Exposition, Detroit, Michigan, SAE Paper, No. 830334, 1983.

Page 382: Curs Motoare

PARTEA III – REDUCEREA POLUARII

382

[70] Preussner, C., Döring, S., Fehler , S., Kampmann, S. – GDI: Interaction

Between Mixture Preparation, Combustion System and Injector Performance -

SAE technical paper, 980498.

[71] Radu, Alex.-Gh. şi Ispas, N. - Calculul şi construcţia instalaţiilor auxiliare ale

autovehiculelor, - Universitatea din Braşov,1989.

[72] Radu, Gh-Alex.,...Ispas, N., - Qualitätseinschätzung bei der gemischbildung

und dessen verbrennung im Dieselmotor auf grund des

verbrennungsgesetzes. A V-a Conferinţă de Motoare, Automobile, Tractoare şi

Maşini Agricole , Universitatea din Braşov, Braşov, 1985, Vol.I, p. 79-88.

[73] Ramos, J. I. - Internal Combustion Engine Modeling. - Hemisphere Publishing

Corporation, 1989.

[74] Roger, B. and all. - Diesel Engines: One Option to Power Future Personal

Transportation Vehicle, în Future Transportation Technology Conference, San

Diego, California, U.S.A., august, 1997.

[75] Sitkei, G. - Kraftstoffaufbereitung und Verbrennung bei Dieselmotoren. -

Springer-Verlag, Berlin, 1964.

[76] Spadaccini, L. J., TeVelde, J. A. - Autoignition characteristics of aircraft-type

fuels. - Comb. and Flame, Vol. 46, 1982, p. 282-300.

[77] T. Kume, Y. Iwamoto, K. Lida, M. Murakami, K. Akishino – Combustion Control

Technologies for Direct Injection SI Engine - SAE technical paper, 960600.

[78] W H. Crouse and D.N. Anglin, - Automotive Emission Control - McGraw Hill,

New York, 1977, 278 p.

Page 383: Curs Motoare

Emisiile datorate calitatii combustibililor

383

Autori:Corneliu COFARU Daniela FLOREA

15. EMISIILE DATORATE CALITĂŢII COMBUSTIBILILOR

15.1. BENZINA Noua directivă consolidată a EC privind emisiile autovehiculelor a eliminat

toate ambiguităţile tehnologiilor de control a emisiilor. Astfel, nivelul de emisii se

aliniază la cele mai severe standarde US şi japoneze, ceea ce a impus ca începând

din ianuarie 1993 toate autoturismele vândute în Europa de Vest să aibă montat

catalizator cu trei căi. Mai mult, directiva cere ca rezervorul de combustibil să fie

dotat cu filtre care să prevină utilizarea benzinelor adiţionate cu compuşi ai

plumbului.

Directiva impune utilizarea de echipamente pentru controlul emisiilor de

combustibil prin evaporare şi cere ca toate autovehiculele după 1993 să fie dotate cu

cutie cu cărbune activ.

Automobilele având motoare cu aprindere prin scânteie constituie a doua sursă

importantă de poluare prin emisiile de hidrocarburi de evaporare, după emisiile de

solvenţi. Emisiile de hidrocarburi din gazele arse contribuie cu 25 %, emisiile prin

evaporare cu 10 %, iar realimentarea autovehiculelor cu 1,8 % din totalul

hidrocarburilor emise în atmosferă.

Ţările din Europa au o politică de control al emisiilor vaporilor de hidrocarburi

pe timpul distribuţiei combustibilului la utilizatori (treapta I). Unele ţări ca Elveţia,

Suedia şi Germania doresc să controleze emisiile la realimentare, pentru a elimina

expunerea publicului la benzen. Aceste emisii pot fi controlate fie prin intermediul

unor staţii de colectare a vaporilor şi trimiterea lor la rezervoare speciale (sisteme de

treapta a II-a), fie prin variante mai mari ale cutiei cu cărbune activ. Sistemele ce

folosesc cărbune activ la bordul automobilelor sunt cele mai eficiente în controlul

emisiilor la realimentare.

În Statele Unite, EPA a recomandat utilizarea sistemelor de colectare a

vaporilor de combustibil la bordul autoturismelor, fapt consemnat şi în noul Clean Air

Act.

Page 384: Curs Motoare

PARTEA III – REDUCEREA POLUARII

384

La ora actuală există o presiune crescândă pentru a reduce conţinutul de

benzen din benzină sub nivelul de 5 %. Benzenul, ca şi alţi compuşi aromatici, sunt

constituenţi naturali ai petrolului şi astfel se explică prezenţa lor în benzină.

În procesul de rafinare, pentru a se îmbunătăţi calităţile antidetonante ale

benzinei prin mărirea cifrei octanice, se măreşte conţinutul de compuşi aromatici;

această tehnologie are şi o parte bună, deoarece se generează hidrogenul necesar

reducerii conţinutului de sulf şi a altor produşi de rafinare. Trebuie amintit faptul că,

benzenul se poate forma şi prin arderea altor compuşi ai benzinei în motor şi astfel

poate fi explicată prezenţa sa în gazele de evacuare.

Utilizarea catalizatorilor pentru gazele de evacuare şi a cutiei cu cărbune activ pentru

controlul hidrocarburilor, reduc drastic emisiile de benzen. În aceste condiţii,

reducerea în continuare a conţinutului de benzen din benzină va influenţa numai într-

o mică măsură emisiile.

Controlul asupra genezei emisiilor trebuie să constituie strategia prioritară a

viitorului. Îmbunătăţirea compoziţiei chimice a combustibililor se poate constitui ca o

direcţie secundară a strategiilor de reducere a concentraţiilor de compuşi nocivi din

gazele de evacuare ale motoarelor autovehiculelor.

15.2. MOTORINA

Calitatea motorinei a început să fie controlată în contextul creşterii

preocupărilor privind nivelul emisiilor motorului Diesel.

Calitatea motorinei este influenţată în mod determinant de: procesul de

rafinare, calitatea petrolului supus procesării, amestecul de produse final impus şi

temperatura minimă de congelare a motorinei. Proprietăţile motorinei, cum ar fi:

caracteristicile de distilare, viscozitatea, densitatea şi cifra cetanică, diferă în Europa

ca şi în Statele Unite.

La o analiză atentă se constată că multe din proprietăţile motorinei sunt

interdependente şi că ele nu pot fi ajustate prin tehnologii dedicate. Pentru a îngusta

plaja de variaţie a acestor proprietăţi este nevoie de reprocesarea combustibilului pe

instalaţii costisitoare.

Motorina va rămâne o parte atractivă a gamei combustibililor utilizaţi în

transporturi. Îmbunătăţirea calităţilor acesteia este posibilă însă la costuri ridicate.

Trebuie să se recunoască că o creştere a preţului motorinei poate influenţa negativ

Page 385: Curs Motoare

Emisiile datorate calitatii combustibililor

385

într-o măsură ridicată preţurile şi serviciile din Europa. Deci, îmbunătăţirea calităţii

motorinei are implicaţii socio-economice care trebuie cântărite foarte atent într-un

bilanţ între dorinţa de îmbunătăţire a mediului înconjurător şi costurile pe care le

implică această îmbunătăţire.

Studii recente au confirmat faptul că efectele proprietăţilor motorinei asupra

emisiilor şi funcţionalitatea unor motoare Diesel optimizate sunt mici. În consecinţă, şi

în viitor se prevede ca îmbunătăţirea proiectării motoarelor rămâne calea cea mai

eficientă de reducere a emisiilor la motorul Diesel.

Compuşii aromatici se găsesc şi în motorine şi ei nu pot fi în totalitate

eliminaţi. Rezultatele experimentelor obţinute în urma testării motor/autovehicul au

arătat că, conţinutul de compuşi aromatici din motorinele comerciale, poate fi

considerat ca un parametru secundar al nivelului emisiilor. Parametrul principal,

strâns legat de conţinutul de aromatice, este densitatea motorinei. Efectul de variaţie

a densităţii motorinelor este compensat prin ajustarea dozei masice de combustibil

injectat; în aceste condiţii efectul nivelului compuşilor aromatici asupra emisiilor (NOx

şi particule) devine nesemnificativ.

În petrol se găseşte o anumită cantitate de sulf care poate fi eliminată, în mare

parte, în procesul de rafinare prin hidrodesulfurare. Costul reducerii conţinutului de

sulf depinde de nivelul concentraţiei care trebuie atinsă.

Utilizarea catalizatorilor, pentru tratarea gazelor arse la motoare Diesel, va creşte

presiunile asupra industriei petroliere pentru scăderea drastică a conţinutului de sulf

din combustibil.

Sulful din motorină este eliminat din motor prin gazele de evacuare sub formă

de SO2 , iar o mică cantitate (1…3%) este convertit în trioxid de sulf şi eliminat sub

formă de particule de sulfat. Contribuţia sulfaţilor asupra cantităţii totale de particule

emise depinde de nivelul absolut al particulelor emise de motor.

Începând cu octombrie 1993, s-a introdus motorina cu conţinut redus de sulf,

reformulată, în 49 de state din S.U.A (cu excepţia Californiei). Acest combustibil are

următoarele limite:

• Maxim 0,05 % în greutate conţinut de sulf;

• Cifră cetanică maximă 40;

• Conţinut maxim de hidrocarburi aromatice 30 % în volum.

Page 386: Curs Motoare

PARTEA III – REDUCEREA POLUARII

386

La aceeaşi dată, California introduce o limitare şi mai severă a nivelului de

hidrocarburi aromatice, de maxim 10 %, păstrând nivelul maxim de sulf din

combustibilii Diesel.

Utilizarea combustibililor fosili cu altă compoziţie chimică poate determina

reducerea semnificativă a emisiilor de hidrocarburi nearse şi monoxid de carbon şi

neimportantă în ceea ce priveşte NOx. Efectul minim al reformulării combustibilului

asupra emisiei de NOx îngustează şi mai mult căile prin care viitoarele restricţii

legislative, referitoare la aceşti poluanţi primari, pot fi îndeplinite.

Un studiu actual al European Auto/Oil estimează efectele proprietăţilor

combustibililor Diesel (densitate, conţinut de poliaromatice, cifră cetanică) asupra

nivelului emisiilor a 17 modele de autoturisme şi două de autocamioane, toate cu

motoare Diesel. 14 din acestea au motoare cu injecţie indirectă, iar restul motoare cu

injecţie directă. Toate modelele au sisteme catalitice de oxidare a gazelor arse.

Automobilele au fost încercate utilizând ciclul european MVEG, care combină testări

în regimul urban cu cele în regim extraurban. Prin regresie liniară, s-au estimat

efectele posibile ale reformulării combustibililor Diesel. asupra emisiilor motoarelor

acestor automobile (tabelul 15.1).

Tabelul 15.1 – Efecte ale reformulării combustibililor Diesel

HC [%] CO [%] NO [%] Particule [%]

-34 -42 +3 -24

Reducerile au fost obţinute prin modificările arătate în tabelul 15.2

Tabelul 15.2 – Tendinţe în reformularea combustibililor Diesel

Densitate [kg/m3]

Poliaromatice [% masă]

Cifră cetanică T95[0C]

855 → 826 8 → 1 50 → 58 370 → 325 Interesant, emisia de NOx creşte uşor, la funcţionarea motoarelor cu motorina

având modificările din tabelul 15.2. Rezultatele din tabelul 15.1 sunt determinate, în

mare parte, de particularităţile funcţionale ale motoarelor cu cameră de ardere

divizată, predominante, ca număr, în grupul de autovehicule testate. La motoarele

Diesel cu injecţie directă, de turaţie ridicată, emisia de NOx descreşte uşor odată cu

Page 387: Curs Motoare

Emisiile datorate calitatii combustibililor

387

creşterea cifrei cetanice a combustibilului (după cum este confirmat de alte cercetări

ce au studiat efectele reformulării combustibilului).

În cazul în care se va reuşi reducerea importantă a valorilor emisiilor de CO,

HC, şi particule, prin reformularea combustibililor Diesel, se deschide posibilitatea

concentrării eforturilor cercetătorilor asupra reducerii NOx, tratamentul gazelor arse în

sistemul de evacuare făcându-se cu acest obiectiv prioritar. Concentraţiile

particulelor organice solubile, ale formaldehidelor, se reduc odată cu reformularea

constituenţilor motorinei.

Au fost estimate şi efectele asupra nivelelor de emisii poluante pe care le are

modificarea radicală a compoziţiei combustibilului Diesel. Probabil, ultima posibilitate

de reformulare a combustibilului Diesel bazat pe hidrocarburi este obţinerea

acestuia, nu ca derivat al petrolului primar, ci din gaze naturale, de exemplu prin

tehnologia Fischer-Tropsh. Au fost astfel obţinuţi combustibili Diesel cu o cifră

cetanică de aproape 70, cu mai puţin de 0,1% conţinut de hidrocarburi aromatice şi

mai puţin de 10 ppm ( părţi pe milion) conţinut de sulf. Procedeul de obţinere este o

versiune a tehnologiei Fischer-Tropsh utilizată de firma Sasol.

Alcoolii au fost utilizaţi şi ei pentru reformularea combustibilului Diesel, dar,

cifra octanică mare şi corespunzător cifra cetanică mică, au determinat obţinerea

unor calităţi necorespunzătoare la utilizarea în motoarele Diesel.

Combustibili Diesel oxigenaţi se pot obţine prin adăugarea în motorină a unor

uleiuri vegetale modificate (de exemplu uleiul de rapiţă sau uleiul de soia

esterificate), cu bune calităţi în funcţionarea motoarelor (cifră cetanică mare).

Alte proprietăţi ale acestor uleiuri vegetale (vâscozitate mare, variabilitatea

proprietăţilor cu modificarea temperaturii) fac ca procentul în care ele sunt folosite în

amestec cu combustibilii Diesel clasici să fie de maxim 20 %. Utilizarea acestor

amestecuri în motoarele Diesel a determinat reduceri ale nivelului de particule şi CO

dar creşteri ale indicelui NOx. În plus, aceşti combustibili sunt mai scumpi decât cei

clasici, iar obţinerea lor în cantităţi comparabile cu cele ale combustibililor petrolieri

clasici determină implicaţii care se pot greu evalua.

Tendinţa general acceptată în redefinirea combustibililor Diesel constă în

scăderea continuă a conţinutului de sulf din compoziţia acestora. Reducerea

conţinutului de sulf diminuează şi distrugerile cauzate sistemelor catalitice de tratare

a gazelor arse; sunt astfel posibile construcţii care să realizeze simultan atât

oxidarea CO şi HC cât şi reducerea NOx. Volkswagen a fost prima firmă care a

Page 388: Curs Motoare

PARTEA III – REDUCEREA POLUARII

388

introdus pe piaţă un sistem catalitic de reducere a NOx din gazele arse ale unui

motor Diesel HSDI, dar alte firme nu se grăbesc încă să sacrifice o parte din

economicitatea modelelor Diesel HSDI pentru încadrarea în limitele viitoarelor

legislaţii ecologice.

Bibliografie [1] Cofaru, C., ş.a.. - Autovehiculul şi mediul. Editura Universităţii Transilvania

Braşov, 1999. ISBN 973-98512-3-1.

[2] Cofaru.C. –Legislatia şi ingineria mediului in transportul rutier Editura

Universităţii Transylvania Brasov 2002 ,ISBN 973-635-185-8

Page 389: Curs Motoare

Poluarea sonora . Strategii antizgomot

389

Autor: Nicolae VASILOVICI Corneliu COFARU

16. POLUAREA SONORĂ.

16.1. GLOSAR

dispozitiv de protecţie - dispozitiv care reduce sau elimină riscul, singur sau în

asociere cu un protector;

echipament individual de protecţie - totalitatea mijloacelor individuale de protecţie

cu care este dotat executantul în timpul îndeplinirii sarcinii de muncă, în vederea

asigurării protecţiei sale împotriva pericolelor la care este expus;

ecou - fenomen fizic care apare ca o consecinţă a reflexiei sunetului, la întâlnirea

unui obstacol;

nivel de tărie - scară de măsură pentru evaluarea subiectivă a tăriei sunetului ;

nivel de zgomot continuu echivalent - nivelul unui zgomot constant în timp, care

acţionând pe toată durata săptămânii de lucru, dă acelaşi indice compus de

expunere la zgomot ca şi nivelurile de zgomot globale ponderate ale zgomotelor

reale măsurate în cursul săptămânii de lucru;

octava - diferenţa care separă două frecvenţe ale sunetului, dintre care una este

dublul celeilalte;

sunet - fenomen fizic care stimulează simţul auzului, reprezintă o vibraţie a

particulelor unui mediu, capabilă să producă o senzaţie auditivă: în aer viteza de

propagare este de 340 m/s (dependentă de temperatură);

zgomot - sunet nedorit, subprodus al activităţii zilnice a societăţii; vibraţie mecanică

a unui mediu elastic solid, lichid sau gazos, prin care energia se transmite de la

sursă prin unde sonore progresive (fenomen acustic care produce o senzaţie auditivă

considerată ca jenantă şi dezagreabilă).

16.2. ZGOMOTUL AMBIENTAL DIN MEDIUL ÎNCONJURĂTOR 16.2.1. Generalităţi

Sunetele, fiind percepute prin simţul auzului, sunt dependente de două grupe

mari: a) de sistemul auditiv care este direct dependent de posibilităţile organului de

simţ şi de sistemul nervos al persoanei şi b) de sistemul sonor care depinde în

exclusivitate de condiţiile tehnice şi organizatorice ale mediului de muncă, în care se

Page 390: Curs Motoare

PARTEA III – REDUCEREA POLUARII

390

desfăşoară activitatea individului şi trebuie astfel conceput, încât să răspundă

cerinţelor şi posibilităţilor sistemului auditiv. Propagarea sunetelor este influenţată de

sursa de zgomot, de atmosferă, de distanţă şi de obstacolele întâlnite.

Zgomotul este un ansamblu de sunete care pune în mişcare de vibraţie aerul

cât şi forme solide. Cuvintele, vorbirea, reprezintă un ansamblu de sunete

particulare, încărcate de informaţii utile comunicării dintre indivizi. În numeroase

situaţii de muncă, comunicarea verbală este imposibilă din cauza zgomotului

ambiant.

Zgomotul se caracterizează prin: intensitate, compoziţie spectrală şi durată. O

clasificare a oscilaţiilor acustice (sunete pure, complexe sau zgomote - definite ca

variaţii ale presiunii mediului) având în vedere diferite criterii: natura forţelor care

produc vibraţii acustice (ciocniri, frecări, aerodinamice şi hidrodinamice, etc.), modul

de propagare a diverselor tipuri de undă în medii fluide şi solide, fenomene fizice în

câmpuri acustice închise şi deschise este prezentată în figura 3.1.

Clasificarea continuă cu mărimile fizice liniare şi logaritmice, cu tipurile de

radiaţie, cu variaţia şi durata de propagare în timp, cu modul de reducere a unor

parametri şi de funcţionare a surselor de zgomot, etc.

Organul de percepţie al zgomotului, urechea, este formată din trei compartimente:

urechea externă cu canalul auditiv, care conduce undele sonore la membrana

timpanului, urechea medie, cu cele trei oase ale auzului şi care comunică cu gâtul

prin trompa lui Eustachio şi urechea internă, unde vibraţiile sonore, undele sonore

sunt convertite în impulsuri nervoase (fig.3.2). Urechea umană este mai sensibilă la

frecvenţele medii decât la cele joase şi înalte. Pentru a ţine seama de acest

comportament fiziologic al urechii, instrumentele de măsură sunt dotate cu un filtru

numit de ponderare A al cărui răspuns în frecvenţă este acelaşi cu cel al urechii.

Unitatea de măsură se numeşte decibel ponderat A, notat cu dB(A), şi permite

descrierea globală a senzaţiei atunci când excitaţia acustică acoperă o plajă largă de

frecvenţe. Zgomotele cu o frecvenţă de circa 20 kHz sunt de regulă percepute doar

de copiii mici. Odată cu înaintarea în vârstă, se pierde capacitatea de a percepe

zgomotele cu o frecvenţă atât de înaltă. Urechea umană nu percepe nici

ultrasunetele (oscilaţii acustice cu frecvenţa peste 16 kHz) şi nici infrasunete (oscilaţii

cu frecvenţa sub 16 Hz), ci doar sunetele din domeniul audibil (16 ÷ 16 kHz).

Page 391: Curs Motoare

Poluarea sonora . Strategii antizgomot

391

CIOCNIRE

TRANSLAŢ IE ROTAŢ IE

FRECARE

MECANICE

JET / LAMINARE TURBULENTE

SCURGERI

AERODINAMICE

FLUCT. de PRES. CAVITAŢ IE

HIDRODINAMICE

ARDERE CICLU

INJECŢ IE PARAMETRI

TERMICE

MAGNETICE

FORŢE

PRESIUNE ZG. FOND

VÂNT TEMPERATURĂ

INF. ZG. AEROD.

AER LIBER Î NCĂPERI

CONDUCTE

GAZE LICHIDE

FLUIDE

NATURĂ DIMENSIUNI

OMOGENITATE SECŢ IUNI

AMORTIZĂRI MASĂ

RUGOZITĂŢ I REACŢ IUNI

INF. ZG. STRUCT.

SOLIDE

PROPAGARE

ATENUARE ABSORBŢ IE

REFEXIE DIFUZIE

REFRACŢ IE REVERBERAŢ IE

FENOMENE FIZ.

LONGITUDINALE TRANSVERSALE

CVASILONG. Î NCOVOIERE

DE SUPRAFAŢĂ PROGRESIVE

UNDE

INFRASONOR

JOASE MEDII

INALTE

SONOR

ULTRASONOR

FRECVENŢĂ

LINII CONTINUU

COMBINAT

FORMĂ

SPECTRU

LIBER APROPIAT

Î NDEPĂRTAT REVERBERANT

CÂMP ACUSTIC

LUNG. DE UNDĂ PRESIUNE

FRECVENŢĂ PUTERE

VITEZĂ INTENSITATE

LINIARE

PRESIUNE PUTERE

INTENSITATE ENERGIE

NIVELE INDICE DIRECT.

LOGARITMICE

MĂRIMI

DISCONTINUĂ CONTINUĂ

RADIAŢ IE

PERSISTENTĂ VARIABILĂ

DURATĂ

LENTĂ RAPIDĂ

VARIAŢ IE Î N TIMP

PERIODICĂ TRANZITORIE

PULSATORIE ALEATOARE

FORMĂ SEMNAL

Î N GOL Î N SARCINĂ

FUNCŢ IONARE SURSĂ

Î N EXPLOATARE PROBABILISTICĂ

DIAGNOSTICARE

ACTIVĂ PASIVĂ

COMBATERE / IZOLARE

SUNETE

Fig.16.1.Clasificarea oscilaţiilor acustice după diferite criterii

Page 392: Curs Motoare

PARTEA III – REDUCEREA POLUARII

392

Fig.16.2. Structura urechii

1- urechea externă, 2- urechea medie, 3- urechea internă

Studii de specialitate au determinat limitele inferioare (pragul de audibilitate) şi

superioare (pragul senzaţiei dureroase) ale sunetelor receptate de om, precum şi

faptul că aceste praguri variază odată cu frecvenţa sunetului. Astfel urechea omului

este mai puţin sensibilă la frecvenţe joase decât la sunetele cuprinse între 1 ÷ 6 kHz.

Un sunet de 60 dB la 100 Hz nu este perceput la fel de puternic ca un sunet de 60

dB la 2 kHz (fig.16.3).

Nivelul zgomotului se măsoară ţinându-se seama atât de intensitatea

acestuia, cât şi de frecvenţa sunetelor care-l compun. Aceste însuşiri conferă

zgomotului potenţe nocive, indiferent de preferinţe şi de starea psihică a individului.

Efectele resimţite de om sunt: a) reducerea atenţiei, a capacităţii de muncă, implicit

creşterea riscului de producere a accidentelor, b) instalarea oboselii auditive, care

poate dispărea odată cu dispariţia zgomotului (zgomotul cu intensitatea de peste 92

dB şi cu frecventa cuprinsă între 0,5 ÷ 0,8 kHz poate produce după 60 de minute de

expunere o scădere temporară destul de accentuată a audiţiei), c) traumatisme, ca

urmare a expunerii la zgomote de intensitate ridicată, chiar dacă expunerea este de

scurtă durată (ameţeli, dureri, lezarea aparatului auditiv şi chiar ruperea timpanului);

după vindecarea leziunii surditatea poate persista pentru sunete cu frecvenţe de

peste 9 kHz, d) scăderi în greutate, nervozitate, tahicardie, tulburări ale somnului,

deficienţă în recunoaşterea culorilor, e) pe termen lung, zgomotul provoacă

hipoacuzii (uni- sau bilaterale) şi surdităţi profesionale şi/sau f) prin efectul său de

mascare, zgomotul poate acoperi mesaje de alertă, favorizând apariţia incidentelor

Page 393: Curs Motoare

Poluarea sonora . Strategii antizgomot

393

sau a accidentelor de muncă. Multe persoane percep absenţa zgomotului ca un

factor esenţial de confort.

Fig.16.3. Curbele de nivel acustic funcţie de frecvenţă

Pe lângă efectele directe asupra organului auditiv, când organismul uman este

expus la zgomot, apar şi alte efecte fiziologice, ca de exemplu: a) contracţii ale

vaselor de sânge, b) mărirea pupilelor şi c) afectarea funcţiei respiratorii. Efectele de

acest gen apar chiar de la un nivel al intensităţii acustice relative reduse, de 40 ÷ 60

dB, dacă expunerea are loc timp foarte îndelungat, de ordinul anilor, zilnic la locul de

muncă.

Aceste efecte măresc riscul accidentelor de muncă şi a accidentelor de

circulaţie şi prin urmare se impune ca limită maximă admisă la locurile de muncă

pentru expunere zilnică la zgomot valoarea de 87 dB. Pentru locurile de muncă cu

solicitare neuropsihică şi psihosenzorială crescută şi deosebită, această limită se

reduce la 75 dB şi respectiv 60 ÷ 50 dB. Se poate ajunge la surditate în urma unei

expuneri cotidiene pe mai mulţi ani, la zgomote cu nivel sonor mai ridicat de 90 dB.

Pentru comparaţie nivelul sonor al unei conversaţii normale se încadrează în limita a

60 dB.

Literatura de specialitate precizează că folosirea dopurilor pentru protejarea

urechii, de tipul celor spumoase sau flexibile, reduc nivelul de zgomot cu cel puţin

20% ( fig.16.4). Există antifoane interne (dopuri de vată parafinate care realizează o

atenuare de 8 ÷ 30 dB sau siliconate care realizează în medie o atenuare de 30 dB)

şi antifoane externe care pot atenua cu 40 ÷ 50 dB intensitatea zgomotului ajuns la

ureche. Inconvenientul folosirii antifoanelor interne este dat de iritaţia pe care o pot

Page 394: Curs Motoare

PARTEA III – REDUCEREA POLUARII

394

produce la nivelul conductului auditiv extern. Eficienţa lor variază în raport cu

frecvenţa sunetului. În cazul nivelurilor ridicate de zgomot şi în cazul unor activităţi cu

solicitare redusă a atenţiei se recomandă antifoane externe, iar în cazul unor depăşiri

mici ale nivelurilor limită admise se recomandă antifoanele de tip intern.

Studii ale problematicii legate de protecţia împotriva efectelor nocive ale

zgomotului, prin folosirea mijloacelor individuale la receptori, au pus în evidenţă

următoarele două tendinţe: a) utilizarea selectivă a antifoanelor, în funcţie de nivelul

zgomotului, de natura muncii prestate şi de durata de expunere, de particularităţile

receptorilor şi b) realizarea unor antifoane selective, care să permită desfăşurarea

unei convorbiri normale şi care să neutralizeze frecvenţele înalte ale zgomotului (cele

mai dăunătoare).

Fig.16.4. Atenuarea în dB produsă de un antifon de bumbac simplu şi de unul

parafinat, plasat în conductul auditiv extern.

Prin analogie cu nivelul acustic al zgomotului mărimile corespunzătoare

vibraţiilor sunt date în tabelul 16.1,de mai jos:

Page 395: Curs Motoare

Poluarea sonora . Strategii antizgomot

395

Tabelul 16.1. Mărimi caracteristice exprimate în dB şi mărimile lor de referinţă

Denumirea nivelului relativ Relaţia de calcul Mărimea de referinţă

Intensitatea acustică 0

I IIlg10L =

212

0 mN10I −=

Acceleraţia vibraţiei 0

a aalg20L = a m

s05

210= −

Viteza vibraţiei 0

v vvlg20L =

sm10v 8

0−=

Deplasarea vibraţiei 0

ζ ζζlg20L = m10ζ 11

0−=

Forţa în vibraţie 0

F FFlg20L = N10F 6

0−=

Energia 0

E EElg10L = J10E 12

0−=

16.3. SURSE DE POLUARE SONORĂ URBANĂ, INDUSTRIALĂ ŞI ÎN

CONSTRUCŢII

16.3.1. Aspecte calitative şi cantitative cu privire la zgomot Sursele de poluare sonoră sunt foarte numeroase şi diferite. Acestea pot fi: a)

circulaţia sau transporturile, b) industria, c) construcţiile d) terenurile sportive şi

stadioanele (zgomotul acestora depăşind adesea 100 dB), e) animalele (câinii,

pisicile, păsările) care pot tulbura liniştea, mai ales în timpul nopţii. Intensitatea unor

surse de zgomot este cuantificată în tabelul 16.2.

Tabelul 16.2. Intensitatea diferitelor surse de zgomot Sursa Intensitate

(dB) Cel mai uşor sunet perceput de urechea umană 0

Zgomot în biblioteca publică, şoaptă uşoară, sau ticăitul de ceas 30

Sufrageria sau un birou liniştit 40

Semnale în traficul rutier, frigiderul sau o conversaţie 50

Plânsul unui copil 60

Trafic rutier aglomerat, zgomotul dintr-un restaurant 70

Zgomot curent într-o uzină, lătrat de câine, alarma la ceas, sau maşină de îndepărtat zăpada - Aceste zgomote devin periculoase dacă expunerea la ele continuă mai mult de 8 ore

80

Maşina de tuns iarba, trafic de camioane sau orchestra simfonică - Pe 90

Page 396: Curs Motoare

PARTEA III – REDUCEREA POLUARII

396

măsura ce intensitatea zgomotului creşte, timpul de expunere periculos scade sub 8 ore Masă vibratoare în industria materialelor de construcţii, maşini unelte, fierăstrăul mecanic, pick-hammer, aparat de suflat frunzele, camion de gunoi sau căşti stereo - Chiar şi numai 2 ore de expunere la aceste zgomote pot fi periculoase la 100 dB

100

Masă vibratoare şi ciur vibrator în industria materialelor de construcţii 105 Concerte rock, explozii miniere, decolarea unui avion - Pericolul poate fi imediat; expunerea la 120 dB poate dăuna instantaneu şi grav urechilor 120

Împuşcătura, artificii sau pistol cu capse - Orice durată de expunere la zgomot de 140 dB este periculoasă şi poate provoca dureri ale urechii 140

Armă de foc puternică sau de vânătoare - Fără protecţie pentru urechi, zgomotul produce daune ireversibile (pierderea auzului poate fi inevitabilă) 170

16.3.2. Zgomote şi vibraţii în aglomerările urbane Principalele surse cauzatoare de zgomot sunt: traficul aerian şi terestru - rutier

şi feroviar, şantierele de construcţii, obiectivele comerciale şi cele industriale.

Acestea sunt sursele de poluare sonoră care se fac responsabile de numeroase

neplăceri care afectează populaţia.

Rezultatele acţiunii de monitorizare a poluării sonore urbane, desfăşurate de

către Agenţiile de Protecţie a Mediului au evidenţiat o dinamică continuu ascendentă

a nivelurilor de zgomot - valori ale Leq, max în Braşov, Târgu Mureş şi Sibiu: 83,10

dB(A), 76,05 dB(A) şi respectiv 77,44 dB(A). Valorile nivelului de zgomot echivalent

datorate traficului rutier, măsurate în anul 2005 pe teritoriul judeţului Mureş sunt mai

mari decât cele măsurate în anul 2004, în medie cu cca. 3,5 dB (A).

Aşa cum rezultă din studiile efectuate, ponderea cea mai mare în zgomotul

urban o deţine transportul rutier. Creşterea puterii motoarelor cu care se echipează

autovehiculele şi creşterea vitezei traficului, corelate cu creşterea numărului de

autovehicule sunt de natură să complice problema combaterii zgomotului în oraşele

mari. Figura 16.5. indică harta rutieră a oraşului Braşov şi două din cele mai

aglomerate şi zgomotoase intersecţii.

Page 397: Curs Motoare

Poluarea sonora . Strategii antizgomot

397

Centrul civic

Page 398: Curs Motoare

PARTEA III – REDUCEREA POLUARII

398

Zona gării

Fig.16.5. BRAŞOV

Aşezare: în partea centrală a ţării, suprafaţa: 5363 km2

Relief: accidentat. Climă: continental-moderată. Populaţie: 596.140 în judeţ / 284.653

în oraşul Braşov

Traficul feroviar reprezintă un alt tip de poluare sonoră. Zgomotul produs de

materialul rulant aflat în mişcare, semnalele sonore practicate de personalul de

locomotivă în scopuri de avertizare sau tehnologice afectează zonele locuite.

Ca exemplu de trafic aerian, care constituie o sursă de poluare pentru zona de

vest a oraşului Sibiu, îl reprezintă legăturile aeriene ale municipiului asigurate prin

Aeroportul internaţional Sibiu, amplasat pe drumul naţional DN 1, la o distanţă de 3

km de oraş.

16.3.2.1. Autovehicule Zgomotele motoarelor au tonalităţi specifice fiecărui model de vehicul.

Schimbarea rapidă a treptelor transmisiei, la demarările puternice, face ca zgomotul

din habitaclu să se apropie de tonalităţile unui autoturism sportiv. Există deosebiri

Page 399: Curs Motoare

Poluarea sonora . Strategii antizgomot

399

între modul cum sunt percepute zgomotele de către pietonii de pe stradă şi de către

pasagerii din interiorul vehiculelor, pasagerii aud în special componentele de joasă

frecvenţă.

Uleiurile (lubrifianţii) asigură o operare mult mai lină a schimbătorului de viteze

şi o funcţionare fără probleme a vehiculelor cu tracţiune integrală într-o gamă largă

de temperaturi şi aplicaţii (lubrifiere în transmisii convenţionale şi diferenţiale);

acestea reduc şi zgomotul din angrenaje implicit cel al cutiilor de viteze din

componenţa grupurilor de forţă. În general ungerile deficitare produc solicitări şi

zgomote suplimentare.

Zgomotul anvelopelor se evidenţiază clar pe fondul celorlalte zgomote ale

vehiculului începând cu viteze de deplasare care trec peste 50 km/h ale acestuia.

Diferenţa dintre nivelurile de zgomot produs de diferite tipuri de anvelope (cu strat

protector absolut neted, cu patru canale drepte pe periferia stratului protector, cu

învelişul antiderapant format din crestături transversale şi canale circulare, de tipul tot

teren cu aderare la sol nedirecţională) poate să atingă 10 dB, iar componentele care

se manifestă cel mai clar sunt cele de la 30 la 50 Hz.

La deplasarea cu viteză maximă pe şosea asfaltată cu criblură sau pe şosea

cu asfalt neted zgomotul total generat de autoturisme este cu doar 1 ÷ 2 dB (A) mai

mare decât zgomotul motorului (zgomotul de rulare depăşeşte zgomotul motorului).

La viteze mari zgomotul total este determinat în principal de tipul anvelopei şi de

structura îmbrăcăminţii şoselei.

În cazul deplasării în treptele de viteză II şi III, zgomotul predominant este cel

al motorului. Prin urmare, rezultă că nivelul de zgomot datorat circulaţiei urbane este

determinat de zgomotul motoarelor vehiculelor.

Se deduce că, pentru a diminua nivelul zgomotului în interiorul localităţilor se

va acţiona asupra motoarelor vehiculelor, iar pentru diminuarea nivelului de zgomot

pe şosele şi autostrăzi, se va acţiona în sensul modificării îmbrăcăminţii şoselei şi a

profilului anvelopelor.

16.3.2.2. Construcţii În acest domeniu există multe activităţi care presupun lucrul în condiţii de zgomot

ridicat, în multe cazuri peste limita admisă de 87 dB (A). Lucrătorii pot fi expuşi nu

numai zgomotului produs de propria activitate, ci şi zgomotului ambiental sau de

fond, provenind de la alte activităţi din şantier. Câteva din cele mai importante surse

Page 400: Curs Motoare

PARTEA III – REDUCEREA POLUARII

400

de zgomot în construcţii sunt: uneltele cu impact (cum sunt perforatoarele de beton),

utilizarea explozibililor (cum sunt detonarea încărcăturilor explozive pentru demolări

sau uneltele cu cartuş exploziv), echipamentele acţionate pneumatic sau cu ajutorul

motoarelor cu ardere internă, etc.

O caracteristică a muncii în construcţii, este aceea legată de efectuarea multor

lucrări în interiorul clădirilor, fapt care implică o particularitate aparte zgomotului şi

efectului acestuia asupra organismului uman: apariţia fenomenului de ecou. Astfel,

sunetul produs în faţa pereţilor despărţitori din cadrul clădirii se reflectă la întâlnirea

cu aceştia ajungând din nou la cel care la provocat.

Pentru ca sunetul reflectat să fie perceput distinct, el trebuie să ajungă la

ureche după ce a încetat perceperea sunetului iniţial. Senzaţia auditivă, produsă de

sunetul iniţial, persistă în ureche cel puţin o zecime de secundă, astfel că sunetul

reflectat va fi perceput ca ecou, doar dacă ajunge la ureche după un interval de cel

puţin 1/10 secunde faţă de primul. Pentru un sunet foarte scurt, distanţa până la

obstacol trebuie să fie deci de cel puţin 17 m, deoarece sunetul care are viteza în aer

de circa 340 m/s va parcurge distanţa de 34 m în aproximativ o zecime de secundă.

În cazul în care, distanţa de la sursa de zgomot la peretele reflectator, este

mai mică decât distanţa minimă pentru producerea ecoului, sunetul reflectat va sosi

înainte de încetarea senzaţiei auditive a sunetului direct, producând o prelungire şi o

întărire a acestuia. Fenomenul poartă numele de reverberaţie şi este des întâlnit în

cazul lucrărilor de construcţii, care au loc în interiorul clădirilor, unde în cele mai

multe cazuri, chiar dacă sunet produs iniţial este discontinuu, organismul uman

percepe un zgomot permanent cu efectul negativ în consecinţă, datorat duratei de

expunere la zgomot.

Zgomotul produs în construcţii trebuie eliminat prin schimbarea metodei de

lucru sau de construcţie, iar dacă acest lucru nu este posibil, zgomotul trebuie

combătut prin mijloace tehnice.

16.4. CALCULUL, MODELAREA ŞI MĂSURAREA ZGOMOTULUI AMBIENTAL

16.4.1. Descrierea zgomotului în mediul înconjurător ISO 1996/1, 2 şi 3:1995 Caracterizarea şi măsurarea zgomotului ambiental din

mediul înconjurător (1 - Mărimi şi procedee de bază, 2 - Obţinerea de date

corespunzătoare pentru utilizarea terenurilor şi 3 - Aplicaţii la limitele de zgomot) este

standardul central, de referinţă în evaluarea zgomotului din mediu. El defineşte

Page 401: Curs Motoare

Poluarea sonora . Strategii antizgomot

401

terminologia de bază şi descrie cele mai bune metode pentru măsurarea zgomotului

din mediu. În concordanţă cu acest standard, se definesc mai multe tipuri de surse

de zgomot care pot fi măsurate cu sonometrele şi analizoarele B&K sau Norsonic.

Cele mai comune surse de zgomot sunt: zgomotul de trafic (rutier, feroviar şi aerian),

zgomotul industrial (fabrici, uzine, parcuri industriale), zgomotul recreativ (concerte şi

meciuri pe stadioane, parcuri de distracţii), zgomotul provenit de la vecini, zgomotul

de la şantierele de construcţii.

Monitorizare zgomotului (software si hardware) din traficul rutier sau feroviar

este utilizată pentru evaluarea impactului zgomotului luând în calcul diferiţi factori:

numărul, tipul, viteza vehiculelor, suprafaţa drumurilor şi condiţiile meteorologice, etc.

Monitorizarea zgomotului în industrie se foloseşte pentru determinarea regimurilor de

lucru şi a condiţiilor de operare optime din punct de vedere al expunerii omului la

zgomot şi vibraţii. Monitorizarea zgomotului şi vibraţiilor pe şantierele de construcţii

este utilizată pentru a preveni atingerea nivelurilor de prag, pentru a asigura

respectarea duratei de lucru autorizată şi identificarea surselor importante de zgomot

şi vibraţii. Evaluarea zgomotului la concerte, spectacole în aer liber şi evenimente

sportive este utilizată pentru a proteja locuitorii din vecinătate, prin determinarea

zgomotului ambiental, rezidual şi particular, pentru a alerta pe cei care conduc

evenimentele în cazul depăşirii nivelurilor permise de legislaţie.

Fig.16.6. NOR 121

NOR 121 este un sistem complex cu două canale special conceput pentru

monitorizarea şi analiza zgomotului ambiental cu aplicaţii în acustica construcţiilor şi

calculul intensităţii / puterii sonore.

16.4.2. Cartografierea acustică Cartografierea acustică începe cu introducerea datelor de intrare, fişiere GIS

sau AutoCAD pentru construcţii şi topografie, datele despre trafic, scanarea aeriană

pentru a găsi înălţimea clădirilor, măsurările de nivel acustic, până la produsul final -

harta acustică.

Page 402: Curs Motoare

PARTEA III – REDUCEREA POLUARII

402

Fig.16.7. Sistemul GIS

Hărţile la scară mare sunt baza de plecare pentru dezvoltarea infrastructurii

naţionale. Producţia de planuri urbane este optimizată pentru producerea scărilor 1:

500 … 1:5.000. Ca exemplu ideal de cartografiere urbană a oraşului Braşov este

harta cu scara cea mai mare (1:1.000) la care sunt în mod obişnuit utilizate datele

pentru aplicaţii GIS.

În sensul cel mai strict un GIS este un calculator capabil să asambleze, să

păstreze, să manipuleze şi să afişeze informaţii geografice specifice, de exemplu

informaţii identificate în funcţie de locaţii. În plus, practicienii consideră că un GIS

include şi personalul operant şi informaţiile care intră în sistem.

AutoCAD Map versiunea 3 este un produs de desenare, prezentare şi

consultare a hărţilor integrând tehnologia GIS direct în AutoCAD. Oferă suport OLE

2. Soluţia creează, menţine, analizează, prezintă şi modifică hărţile şi informaţiile GIS

(KIF/MID, Shape, DXF, DWG şi DGN) în mediu CAD. Sunt incorporate numeroase

funcţii GIS specializate ca: digitizare de reţele, hărţi tematice, conexiuni cu baze de

date, import de date GIS şi transformări de coordonate. Are browser WEB încorporat

Page 403: Curs Motoare

Poluarea sonora . Strategii antizgomot

403

(Autodesk WHIP) pentru vizualizare, trimitere şi partajare a desenelor vectoriale 2D

prin Internet în format DWF.

Pe lângă evaluarea situaţiei prezente se pot analiza diverse situaţii virtuale

posibile de viitor ca de exemplu: la construcţia unei autostrăzi lângă o zonă locuită,

cunoscând datele de trafic ale proiectului autostrăzii, se pot recomanda măsurile

care trebuie luate pentru a protejarea locuitorii din vecinătate sub aspectul minimizării

efectelor nocive ale zgomotului şi al vibraţiilor.

Izolarea zgomotului aerian reprezintă măsura a cât de bine este redus efectul

negativ al sunetului provenit de la sursele acustice la transmiterea dintr-o cameră în

alta. Măsurările se efectuează în cele două camere, calculele sunt efectuate în benzi

de frecvenţă de o treime de octavă sau de octavă şi sunt apoi mediate pentru un

număr de poziţii din cameră. În final, se calculează un indice de izolare acustică brut

a camerei . Pe lângă zgomotul transmis de la o cameră la alta, un factor important

de luat în seamă la construcţii este zgomotul de la faţada acestora. Acesta este un

caz particular al situaţiei de mai sus, cu deosebirea că o cameră este înlocuită de

spaţiul exterior clădirii. În cazul în care după măsurări se constată că izolarea

acustică este deficitară din punctul de vedere al respectării limitelor impuse de

legislaţie se impune identificarea surselor de zgomot. Cu ajutorul unei sonde de

intensitate sonoră se fac mai multe măsurări în zona de interes şi se realizează o

cartografiere acustică. Rezultatele sunt prezentate grafic, atât printr-un cod al

culorilor (vezi Zone de zgomot, reprezentare rezultate din ISO 1996/2:1995) cât şi

printr-o serie de tabele de valori în zonele măsurate. Pe baza acestor hărţi acustice

şi a valorilor obţinute se poate face identificarea sursei predominante (direcţie, sens

şi mărime) asupra căreia pot fi luate măsuri de reducere.

Modelarea virtuală a camerelor, a sălilor pentru concerte şi conferinţe sau a

halelor industriale permite identificarea greşelilor de proiectare din punct de vedere

acustic a încăperii respective şi permite să se facă virtual simulări şi modificări în

vederea îndeplinirii condiţiilor de calitate impuse.

16.4.2.1. Echipamente de măsurare a zgomotelor şi a vibraţiilor Pentru identificarea locurilor de muncă zgomotoase trebuie efectuate măsurări

de zgomot periodic sau ori de câte ori au loc modificări în locaţia respectivă.

Măsurările de zgomot trebuie planificate şi efectuate în mod competent la intervale

regulate. În acest caz, eşantionarea trebuie să fie reprezentativă pentru expunerea

bD

Page 404: Curs Motoare

PARTEA III – REDUCEREA POLUARII

404

zilnică la zgomot a unei persoane. Metodele şi aparatura utilizate trebuie să fie

adaptate condiţiilor locale în special în ceea ce priveşte caracteristicile zgomotului

care trebuie măsurat, durata expunerii, factorii de mediu şi caracteristicile aparaturii

de măsurare.

Instrumentul cel mai des folosit pentru măsurarea nivelului de presiune

acustică, portabil sau de laborator, este sonometrul. Acest aparat are un răspuns faţă

de sunet ca şi răspunsul urechii umane, dar poate efectua şi măsurări obiective şi

reproductibile ale nivelului de presiune acustică. Valoarea citită pe instrument este

nivelul de presiune acustică în decibeli. Semnalul este disponibil, de asemenea, la o

mufă de ieşire, pentru alimentarea unui înregistrator de nivel. Un detector de vârf

poate fi inclus pentru determinarea valorii de vârf a semnalelor de impulsuri. Un

circuit de reţinere poate menţine acul instrumentului la valoarea maximă apărută, în

condiţiile de măsurare a valorilor de vârf. O măsurare, fără reţeaua de ponderare A,

B, C sau D şi fără setul de filtre de octavă sau 1/3 octavă, va indica o valoare globală

a nivelului de presiune acustică în decibeli. Utilizarea reţelei de ponderare

permite măsurarea nivelului de zgomot global ponderat, în decibeli şi evaluarea

nivelului echivalent continuu – , o formă standardizată a unui nivel de zgomot

mediu pe termen lung.

LINL

echL

Fig.16.8. Sonometru

Gama de sonometre Solo (SLM, Premiu, Master) şi Blue SOLO (comandă de

la distanţă Pocket PC, înregistrare –redare) sunt aparate de măsură acustice, care

întrunesc cerinţele stipulate în Directiva 2002/49/EC şi HG 321/2005 privind

evaluarea şi managementul zgomotului ambiental precum şi normativele în vigoare

pentru determinarea nivelurilor de zgomot la locurile de muncă. Arhitectura lor

permite să se treacă de la sonometrul de bază la analizorul în timp real.

Page 405: Curs Motoare

Poluarea sonora . Strategii antizgomot

405

Cu toate că sonometrul este un instrument de precizie el necesită o calibrare

pentru a putea obţine rezultate reproductibile şi constant precise. Pistonfonul

reprezintă un etalon compus dintr-un difuzor miniatural care oferă un nivel de

presiune acustică bine definit cu o precizie de ± 0,3 dB.

Lanţuri de măsură specializate B&K sunt prezentate în cele care urmează

pentru:

A. Măsurarea zgomotului produs de vehicule în mişcare şi în staţionare;

măsurarea zgomotului interior şi exterior, nivelul de intensitate a pneurilor,

precum şi identificarea cauzelor:

- sistem de testare a zgomotului la trecerea vehiculului 3560 C - S41 (2 x 3560

C, 2 x 7533, 2 x 3032 A, 7700 N – 008, 7788 C 7701, 7769, 7707),

- lanţuri de măsură complementare (meteo, turaţie, acceleraţie): WQ 1256, WL

1340, WQ 2350, MM 0097 şi WB 3468; lista se completează cu: KIT 0618 (ZZ 0231,

AO 0413, UA 1522, 2 x WU 0584, 2 x AO 0475, 2 x SB 1537), accesoriile generale

(4189 L – 001, 2669 L, EL 4004 şi UA 0803) şi cele de LAN (UL 0196, UL 0199, UL

0197, UL 0226 şi UL 0225) şi

- sistem pentru măsurarea zgomotului la evacuare 3638 A (2238 şi A 4231) şi

turometru electromagnetic 2979.

Fig.16.9.Termohigrometru cu înregistrare de date.

Afişează valorile de temperatura şi umiditate relativă, cu posibilitate de

conectare (fără fir) cu max. 3 senzori şi temperatura punctului de rouă (temperatura

la care apare condensul). Alarmă programabilă pentru valori limită (superioare /

inferioare) de temperatură şi umiditate. Domeniul de măsură pentru temperatură: 0 ÷

60 0C şi umiditate: 0 ÷ 99%. Memorie pentru 3000 valori măsurate. Redarea

memoriei pe display sau pe PC. Se livrează împreună cu softul pentru interfaţa PC.

Page 406: Curs Motoare

PARTEA III – REDUCEREA POLUARII

406

B. Măsurarea puterii şi a intensităţii acustice - sistemul de testare a nivelului de putere acustică 3560 C – S28 (3560 C,

7533, 3032 A, 7771 – N6, 7707, BZ 5305). Lista poate fi dezvoltată cu accesorii

privind efectuarea de măsurări după cele trei metode clasice: în câmp liber, în câmp

reverberant şi/sau de intensitate sonoră (vezi Product Catalog Pulse Analyzers &

Solutions).

C. Analiză modală şi analiza ordinelor - sistem de analiză modală multireferinţă 3560 C – S32 (3560 C, 7533, 3109,

7770 – N4, 7753, 7754 J), accesoriile de tip hardware si SW upgrade. Funcţie de

aplicaţia (dimensiunile de structurii) se va alege ciocanul de impact 5961, 2303 sau

2304.(Observaţie. Tipul 3560 C – S33 se compune din 3560 C, 7705, 7753, 7760 E,

7533, 3032 – A, 7770 – N7.)

- sistem de analiză a ordinelor FFT (viteze critice, excitări ale rezonanţelor,

instabilităţi, etc.) bazat pe spectre de frecvenţă 3560 C – S36 (3560 C, 7702 – N2,

7533, 3032 – A, 7770 – N4).

Fig.16.10.BZ 5503

Utility Software pentru Hand-held Analyzers ver. 2.1 (soft pentru administrarea

datelor măsurate cu sonometrele B&K).

D. Diagnoza stării de funcţionare a maşinilor şi a componentelor acestora; analiza în timp real şi FFT

- sistem de diagnoză 3560 C – S38 (3560 C, 7533, 3032 – A, 7770 – N2,

7773) şi accesoriile de tip SW .

E. Diagnoza vibraţiilor corpului uman după cele trei direcţii. - vibrometru cu trei canale 1700 (accesorii 4506, EE 0388 şi AO 0526) şi filtru

WB 1438 cu AO 0441 (accesorii 4381 şi AO 0122).

Page 407: Curs Motoare

Poluarea sonora . Strategii antizgomot

407

Ca sisteme conexe menţionăm înregistratorul portabil 2322 cu accesorii sale

din catalog. Alte accesorii şi piese de schimb: microfoane, carduri de memorie,

conectoare şi cabluri (pentru 2260: 4189, UL 1008, AO 0441, AO 0442, EL 4018-V,

AO 0440, AO 0585, AO 0522, AO 0543, AQ1700, AQ 1698), trepiede, măşti de vânt

şi adaptoare (pentru 2260: UA 0801, UA 0237, UA0459, UA 1236, UA 0588).

NOTĂ. Lista poate fi dezvoltată cu diverse alte sisteme privind:

- efectuarea de măsurări care au în vedere acustica clădirilor (metoda camerei

reverberante prin măsurarea timpului de reverberaţie şi a răspunsului în impuls) 3560

C- S43,

- caracterizarea proprietăţilor acustice ale materialelor cu ajutorul tuburilor

3560 C – S29 cu opţiunea 4206 A (coeficienţi de absorbţie, impedanţe acustice,

coeficienţi de transmisie, etc.),

- identificarea surselor de zgomot 3560 D – S19 (cu accesoriile specifice

pentru intensimetrie sonoră, sisteme de fixare şi poziţionare a microfoanelor, etc.),

- testarea şi control al vibraţiilor 16 In/4Out,

- determinarea formelor deplas

- testarea calităţ

16.5. METODE DE COMBAT Prevederi exprese gomotului fac referire la

obligativitatea luării une suri tehnice după cum se impune: a)

măsuri de combatere a care se realizează prin modificări

constructive aduse echipamentului tehn ea unor dispozitive

atenuatoare speciale, b) măsuri de izolare a surselor de zgomot realizate prin

creşterea rezistenţei mediului la transmisia energiei acustice, iar soluţiile cele mai

des utilizate constau în amplasarea de ecrane fonoizolante sau în carcasarea

fonoizolantă a echipamentului tehnic şi c) măsuri de combatere a zgomotului la

receptor – constau în izolarea persoanelor care lucrează într-o zonă zgomotoasă,

soluţia cea mai cunoscută fiind utilizarea cabinelor fonoizolante.

Principalele soluţii de combatere a zgomotului la sursă şi pe căile de

propagare, constau în:

ărilor 3560 C – S25,

ii sunetului 3560 C – S21, etc.

ERE A ZGOMOTULUI pentru reducerea acţiunii nocive a z

ia sau a mai multor mă

zgomotului la sursă

ic sau prin adoptar

Page 408: Curs Motoare

PARTEA III – REDUCEREA POLUARII

408

A. Montarea sursei de zgomot pe elemente vibroizolante măsură care

sigură o atenuare a nivelului de zgomot, în principal pe componenta de joasă

frecvenţă a oscilaţiei acustice, între 75 ÷ 1,2 kHz.

B. În cazul în care este necesar să se micşoreze nivelul de zgomot într-

un anumit punct, între acesta şi sursa de zgomot se interpune un ecran

fonoabsorbant şi fonoizolant (barieră acustică între sursa de zgomot şi receptor). Prin

amplasarea unui asemenea ecran se obţine o atenuare a nivelului de zgomot

aproape pe întreaga gamă de frecvenţe, atenuările mai mari fiind înregistrate la

frecvenţele de peste 2,4 kHz (se va avea în vedere ca acesta să nu deranjeze

procesul tehnologic şi să permită supravegherea funcţionării maşinii şi accesul la

elementele de comandă). Se recomandă ca lăţimea ecranului să fie de 1,5 ÷ 2 ori

mai mare ca înălţimea lui.

C. Pentru a realiza o atenuare mai mare a nivelului de zgomot sursa

respectivă trebuie prevăzut cu o carcasă fonoizolantă. Prin această măsură se obţin

atenuări pe întreaga gamă de frecvenţe.

D. În cazul în care sunt necesare condiţii deosebite de izolare fonică,

sursa se poate monta într-o carcasă dublă cu posibilitatea să se asigure răcirea

componentelor, atât sursa cât şi carcasa interioară fiind montate pe elementele

vibroizolante. Prin aceste măsuri nivelul de zgomot la componentele de frecvenţă de

peste 600 Hz scade sub 40 dB, iar atenuarea minimă realizată este de 22 dB la

frecvenţe de 150 Hz.

Observaţie. Prezenţa fantelor în pereţii carcaselor diminuează capacitatea de

atenuare a zgomotului. Pentru a se evita acest fenomen, este necesar ca orificiile

prin care se face accesul aerului de răcire să fie prevăzute cu atenuatoare de

zgomot.

Utilizarea atenuatoarelor de zgomot (active şi reactive/rezonanţă) se

încadrează în metodele de combatere a zgomotului la sursă şi constituie o soluţie

eficientă şi frecvent folosită pentru diminuarea efectelor surselor de zgomot de natură

aerodinamică.

În cazul în care, închiderea completă a sursei de zgomot se realizează printr-o

carcasă fonoizolantă zgomotul aerian se poate propaga în exteriorul ei prin pereţii

carcasei şi prin deschiderile tehnologice, iar zgomotul structural prin structura

carcasei şi prin elementele componente ale sursei.

a

Page 409: Curs Motoare

Poluarea sonora . Strategii antizgomot

409

Atenuarea nivelului de zgomot aerian în acest caz este cu atât mai mare cu

cât absorbţia acustică a interiorului carcasei este mai mare. Pentru reducerea

zgomotului structural transmis în exteriorul carcasei trebuie ca toate legăturile dintre

elementele maşinii şi carcasă, respectiv faţă de pardoseală, să fie realizate prin

elemente vibroizolante.

Pentru combaterea zgomotului la receptor se recomandă pe lângă mijloacele

individuale de protecţie şi protejarea acestuia în cabine fonoizolante. Acest lucru este

posibil în cazul unor procese tehnologice care pot fi comandate, controlate şi

supravegheate de la distanţă, reducând la minimum perioada de expunere la zgomot

a persoanelor.

Realizarea de cabine fonoizolante impune respecta unor reguli: a) materialele

utilizate trebuie să asigure capacitatea de izolare la zgomotul aerian, b) uşile şi

ferestrele se realizează în construcţie fonoizolantă, c) sistemele de etanşare a uşilor,

ferestrelor nu trebuie să diminueze caracteristica de atenuare a cabinei, e)

decupajele din pereţi sau plafon, pentru conducte, cabluri, trebuie etanşate adecvat,

f) dotarea cabinelor cu sistem de ventilare sau de circulaţie a aerului şi cu

atenuatoare de zgomot şi h) legătura cabinei cu structura clădirii trebuie realizată

printr-un sistem vibroizolant.

16.6. OBIECTIVE ŞI MĂSURI CU PRIVIRE LA ZGOMOT Ca obiectiv se are în vedere diminuarea impactului poluării sonore şi a

vibraţiilor prin reducerea nivelurilor de zgomot ale surselor mobile (traficul rutier) şi

fixe (agenţi industriali). Ca măsuri de importanţă generală se impun: a) proiectarea şi

realizarea lucrărilor de bypass rutier, b) elaborarea unor propuneri de limitare a

traficului prin devierea traseelor, limitarea orelor de acces etc., c) elaborarea studiilor

de fezabilitate privind traseele de ocolire a oraşelor, d) atragerea fondurilor necesare

şi realizarea lucrărilor de deviere a traficului de tranzit în afara oraşelor, e) reducerea

poluării sonore la sursă prin utilizarea tehnicilor şi a tehnologiilor de vârf, f)

informarea publicului cu privire la zgomotul ambiental şi efectele sale şi g) adoptarea,

pe baza datelor din hărţile de zgomot, a planurilor de acţiune, care au ca scop

prevenirea şi reducerea zgomotului ambiental.

În figura 16.11 este exemplificată o procedură de reducere a poluării la sursă

pentru un autovehicul. Este utilizată tehnica ecranărilor parţiale.

Page 410: Curs Motoare

PARTEA III – REDUCEREA POLUARII

410

12

10

3

4

1112

5

6

78910

Fig.16.11.Poziţionarea de panouri fonoabsorbante la un vehicul utilitar. A - În montaj pe şasiu: 1 - panou fonoabsorbant lateral inferior stg/dr, 2 - panou

fonoabsorbant lateral inferior ventilator, 3 - panou fonoabsorbant lateral superior stg/dr

motor, 4 - panou fonoabsorbant ventilator, 5 - panou fonoabsorbant spate motor, 6 - panou

fonoabsorbant superior c.v., 7 - panou fonoabsorbant lateral stg/dr c.v., 8 - panou

fonoabsorbant inferior c.v., 9 - panou fonoabsorbant inferior motor. B - În montaj pe cabină:

10 - panou fonoabsorbant lateral stg/dr cabină, 11 - panou fonoabsorbant superior motor, 12

- panou fonoabsorbant spate cabină.

16.7. LIMITE ADMISIBILE ALE NIVELULUI DE ZGOMOT Amplasarea obiectivelor economice cu surse de zgomot şi vibraţii şi

dimensionarea zonelor de protecţie sanitară se vor face în aşa fel încât în teritoriile

protejate nivelul acustic echivalent continuu măsurat la 0,1 m de peretele exterior al

locuinţei, la 1,5 m înălţime de sol, să nu dep ească 55 dB(A) şi curba de zgomot Cz =

45. În timpul nopţii (orele 22,00 ÷ 6,00), nivel l acustic echivalent continuu trebuie să fie

redus cu 5 dB(A) faţă de valorile din ti zilei. Pentru locuinţe, nivelul acustic

echivalent continuu , măsurat în interiorul camerei de dormit cu ferestre închise, nu

trebuie să depăşeasc 35 dB(A) şi curba de zgomot 30 în timpul zilei; în timpul nopţii

(orele 22,00 ÷ 6, hivalent continuu trebuie redus cu 5 dB(A). Aceleaşi

eqL

ăş

u

mpul

eqL

ă

00) nivelul ec eqL

Page 411: Curs Motoare

Poluarea sonora . Strategii antizgomot

411

valori trebuie respectate şi în spitale, policlinici, dispensare atât ziua cât şi noaptea.

Pent coli nivelul acustic echivalent continuu , măsurat în interiorul clasei cu

ferestrele închise, să nu depăşească 40 dB(A) ş curba de zgomot 35. Aceste valori

sunt obligatorii şi pentru alte unităţi de învăţământ ioteci.

Pentru mediul de lucru, acolo unde expunerea personală zilnică la zgomot

depăşeşte 80 dB(A) sau valoarea maximă a presiunii acustice instantanee

neponderate este mai mare de 112 Pa (pascali) se vor utiliza echipamente

individuale de protecţie împotriva zgomotului. Dac expunerea personală zilnică la

zgomot depăşeşte 85 dB(A) sau valoarea maxim a presiunii acustice instantanee

neponderate este mai mare de 200 Pa, purtarea echipamentului individual de

protecţie împotriva zgomotului este obligatorie. Echipamentele individuale de

protecţie sunt considerate potrivite atunc elul de zgomot la urechea

persoanei este sub 80 dB(A).

16.8. MIJLOACE DE REDUCERE A EMISIILOR SONORE LA AUTOVEHICULE

Tehnicile aplicate pentru diminuarea emisiilor sonore ale autovehiculului pot fi:

active şi pasive. Tehnicile active vizează reducerea zgomotului la sursă pe când

tehnicile pasive urmăresc mărirea rezistenţei mediului de transmitere a undelor

sonore.

16.8.1. Mijloace active de reducere a emisiei sonore la motor Aceste tehnici vizează reducerea zgomotului produs pe cale aerodinamică,

termică şi mecanică.

În primul caz tehnicile se aplică procesului de schimb de gaze. Atât la

curgerea încărcăturii proaspete în cilindrii motorului cât şi la curgerea gazelor arse

din cilindri apar emisii sonore care trebuie atenuate. Zgomotul generat la admisie şi

evacuare prezintă similitudini şi atenuarea se poate realiza prin mijloace

asemănătoare.

Caracteristicile zgomotelor admisiei şi evacu rii depind de numărul de cilindri,

ordinea de aprindere, de durata fazelor de schimb de gaze, turaţia motorului şi de

caracteristicile constructive ale supapelor de admisie şi evacuare precum şi a

canalelor şi tubulaturii care le deservesc.

eqL

ru ş eqL

i

şi bibl

ă

ă

i când niv

ă

Page 412: Curs Motoare

PARTEA III – REDUCEREA POLUARII

412

Energia acustică maximă a emisiei sonore este distribuită pe un număr mare

de armonice ale unei frecvenţe fundamentale. Restul de energie acustică este

repartizată relativ uniform pe un număr mare de componente superioare frecvenţei

de 2000 Hz, produse de turbioanele şi vibraţiile proprii care apar la curgerea gazelor

prin orificiile supapelor de admisie şi de evacuare.

Mărirea sarcinii motorului amplifică nivelul emisiilor sonore.

Diminuarea nivelului de zgomot la schimbul de gaze se realizează prin

plasarea pe traiectul gazelor proaspete şi pe traiectul gazelor arse unor atenuatoare

de zgomot.

Atenuatoarele de zgomot după fenomenul fizic utilizat pot fi:

- atenuatoare de absorbţie - la care reducerea nivelului de zgomot are loc prin

disiparea energiei oscilaţiilor presiunii prin frecarea de pereţii conductei şi prin

trecerea gazelor printr-un manşon realizat din materiale absorbante;

- atenuatoare de interferenţă sau reactive - la care are loc interferenţa dintre

unda sonoră incidentă şi cea reflectată în momentul întâlnirii unui obstacol;

- atenuatoare de rezonanţă - care determină un proces continuu de reflectare

a undelor acustice în scopul diminuării energiei lor;

- atenuatoare de rezistenţă sau dispersive - funcţionează pe principiul difuziei,

reducerea zgomotelor datorându-se dispersiei debitului de gaze cu presiune

pulsatorie prin tuburi lungi, perforate spre un volum mai mare.

Alegerea atenuatoarelor de zgomot se realizează în funcţie de nivelul de

reducere preconizat, de componenta spectrală a zgomotului, de debitul de gaze

care-l străbate, de influenţa asupra performanţelor motorului, de dimensiunile de

gabarit şi greutate.

La admisia gazelor, rezistenţele gazodinamice trebuie să fie cât mai reduse

pentru a nu se afecta umplerea cilindrilor cu amestec proaspăt. Pentru a diminua

zgomotul se utilizează atenuatoare dispersive sau combinate (atenuatoare dispersive

şi atenuatoare de absorbţie).

La evacuare, nivelul de zgomot este mult mai ridicat şi deci eficacitatea

reducerii trebuie să fie mai mare, pentru aceasta utilizându-se o combinaţie de

atenuatoare de zgomot. Unul permite trecerea sunetelor de frecvenţă joasă şi le

atenuează pe cele de frecvenţă înaltă (atenuatoare “trece jos”) iar altul atenuează

sunetele de frecvenţă joasă (atenuatoare “trece sus”). O altă măsură activă care

poate fi aplicată zgomotului produs la schimbul de gaze este reglarea optimă a

Page 413: Curs Motoare

Poluarea sonora . Strategii antizgomot

413

fazelor de distribuţie în funcţie de regimul de funcţionare al motorului, dimensionarea

optimă a deschiderii supapelor, canalelor, colectoarelor şi a tubulaturilor de admisie

şi evacuare.

Pentru a se evita transmiterea la caroserie a zgomotelor şi vibraţiilor datorate

schimbului de gaze, tubulaturile, amortizoarele şi celelalte elemente sunt montate

prin intermediul unor elemente elastice.

Zgomotele motorului produse pe cale termică şi mecanică în motoare sunt

datorate variaţiei presiunii gazelor rezultate în urma arderii şi contactelor dintre

piesele motorului şi instalaţiilor acestuia datorită aplicării unor forţe şi momente

variabile.

Zgomotele datorate arderii amestecurilor aer-combustibil din cilindrii motorului

pot fi diminuate prin perfecţionarea proceselor de formare şi ardere a acestora care

să conducă la reducerea gradientului presiunii gazelor din cilindri. Asigurarea unui

avans optim al aprinderii la MAS şi a unui avans la injecţie, a unei durate de injecţie

şi legi a injecţiei optime la MAC pot determina o reducere a emisiilor sonore

(sistemele cu control electronic răspund acestor cerinţe).

Zgomotul mecanic produs de mecanismul motor îşi are originea în existenţa

jocurilor funcţionale şi în acţiunea de forţe variabile pe parcursul ciclului motor.

O atenţie deosebită se acordă cuplei piston - cămaşa cilindrului; la cele mai

multe motoare aceste piese sunt confecţionate din materiale diferite (aliaje de

aluminiu - fontă). Materialul pistonului şi cel al cămăşii de cilindru au coeficienţi de

dilatare diferiţi, în plus temperatura în lungul pistonului este variabilă, mai mare la

capul pistonului şi mai redusă spre marginea inferioară a mantalei acestuia. Pentru a

se evita gripajul pistonului, acestuia i se prevăd jocuri funcţionale diferite pentru capul

pistonului şi manta, acestea căpătând o formă de butoi sau tronconică.

La nivelul bolţului, forţa rezultantă care acţionează asupra pistonului (forţa

gazelor şi forţa de inerţie) se descompune într-o componentă care aplică pistonul pe

cilindru şi o componentă care acţionează asupra bielei. Aceste componente variază

în timpul ciclului motor. Pistonul intră în contact cu cămaşa, când pe o parte, când pe

cealaltă, după cum variază sensul forţei normale; forţa de frecare creează un

moment de răsturnare care provoacă bascularea pistonului. Aceste fenomene

produc vibraţii însoţite de zgomote caracteristice denumite “bătaia pistonului”.

Diminuarea zgomotului produs de ansamblul piston - cămaşă se poate realiza

prin:

Page 414: Curs Motoare

PARTEA III – REDUCEREA POLUARII

414

- poziţionarea dezaxată a bolţului în piston;

- reducerea jocului dintre piston şi cămaşă;

- utilizarea unor construcţii speciale de piston;

- utilizarea unor acoperiri de suprafaţă la piston;

Dezaxarea bolţului în piston are ca efect micşorarea nivelului forţei normale

care atenuează efectul de basculare a pistonului. Dezaxarea se practică în sensul

forţei normale în cursa de destindere când presiunea din cilindru este maximă.

Reducerea jocurilor în ansamblul piston - cilindru fără a afecta siguranţa în

funcţionare este posibilă prin controlul dilatării pistonului. Una din măsurile utilizate

pentru micşorarea jocului între cilindru şi manta o constituie micşorarea temperaturii

mantalei prin utilizarea mantalei elastice, obţinută prin practicarea unei tăieturi în

formă de “T” sau “П”. La montaj, pistonul se aşează astfel încât forţa normală de

valori ridicate să fie preluată de partea fără tăietură. O altă măsură se constituie în

controlul dilatării pistonului. Acesta este posibil prin utilizarea pistonului “autoterm”

care are plasate în zona bosajelor pentru bolţ plăcuţe din metal cu coeficient mic de

dilatare liniară. Plăcuţele şi aliajul de aluminiu al pistonului lucrează ca o lamă

bimetalică, la încălzire sistemul se curbează puţin în sensul evazării (jocul dintre

manta şi cilindru se reduce la 0,012...0,024 mm).

O soluţie care permite micşorarea jocurilor pistonului o constituie pistonul

articulat pe bolţ. Capul pistonului cu zona portsegmenţi este o parte separată de

mantaua pistonului. Această separare permite limitarea transmiterii fluxului de

căldură spre manta diminuând dilatarea acesteia. În acest fel jocul dintre manta şi

cilindru se reduce la valori minime funcţionale. În acelaşi timp, şi jocurile capului şi

zonei portsegmenţi se pot reduce şi uniformiza pe circumferinţă deoarece dispare

concentrarea de material din zona pasajelor pentru bolţ.

Reducerea zgomotului ansamblului piston - cilindru se poate realiza prin

utilizarea unor acoperiri ale pistonului cu materiale plastice (teflon sau teflon acoperit

cu oxid de crom) utilizând cămăşi de cilindru din aliaje uşoare, necromate.

Reducerea zgomotului a fost de 0,5 - 2 dB(A).

Reducerea zgomotului de contact al celorlalte componente ale mecanismului

motor poate fi obţinută prin micşorarea jocurilor funcţionale. Reducerea jocurilor este

posibilă prin diminuarea abaterilor de formă şi poziţie a arborilor şi alezajelor şi prin

îmbunătăţirea stării suprafeţelor.

Page 415: Curs Motoare

Poluarea sonora . Strategii antizgomot

415

Reducerea zgomotului datorat sistemului de distribuţie se poate obţine încă

din faza de concepţie prin adoptarea amplasării arborelui sau arborilor cu came,

antrenarea acestuia, profilul camelor şi sistemul de acţionare a supapei.

Distribuţia în cap cu arborele cu came plasat în blocul motor este zgomotoasă

pe de o parte datorită antrenării arborelui cu came prin roţi dinţate sau prin lanţ iar pe

de altă parte datorită existenţei unor jocuri termice mari datorită lanţului lung de

antrenare a supapei (camă - tachet - tije împingătoare - culbutor - supapă).

Amplasarea arborelui pe chiulasă scurtează lanţul cinematic de acţionare a supapei,

cama acţionând direct sau prin intermediul unui culbutor asupra supapei, în acest

caz jocul termic reducându-se iar prin utilizarea unor dispozitive automate (tachet

hidraulic) jocul poate fi eliminat complet, această soluţie determinând o reducere a

zgomotului produs de distribuţie. Adoptarea unei antrenări a arborelui cu came prin

curea dinţată duce la diminuarea suplimentară a zgomotului distribuţiei.

Profilul camei este important pentru că determină legea de variaţie a

accelerării elementelor de acţionare supapei. Zgomotul datorat aşezării supapei pe

scaun poate fi diminuat prin adoptarea unui profil al camei care să asigure o variaţie

lină a acceleraţiei de deschidere şi închidere a supapelor.

Vibraţiile produse în interiorul motorului sunt transmise prin structura motorului

la suprafaţa acestuia. Reducerea zgomotului structurii motorului se obţine prin

rigidizarea pereţilor blocului motor. Studii efectuate au arătat că la creşterea rigidităţii

blocului cresc şi valorile frecvenţelor de rezonanţă la care excitaţia este de

amplitudine mai scăzută. Creşterea rigidităţii prin nervurare poate determina mărirea

masei blocului cu 3% obţinându-se în schimb o scădere a nivelului de zgomot de 3,5

dB(A). Analiza prin metoda elementelor finite a blocului motor poate da informaţii

precise asupra comportării acustice a blocului motor.

Capacele motorului (capacul distribuţiei, baia de ulei şi capacul antrenării

distribuţiei) au o contribuţie importantă la transmiterea zgomotelor structurii motorului.

Reduceri importante (3,5...5,8 dB(A)) ale zgomotului pot fi obţinute prin utilizarea

materialelor plastice sau materialelor compozite la confecţionarea capacelor

motorului.

Reduceri ale nivelului de zgomot al motorului se pot obţine şi la nivelul

instalaţiilor auxiliare ale motorului prin adoptarea unor sisteme de antrenare

silenţioase, utilizarea unor materiale care să elimine transmiterea vibraţiilor şi prin

reducerea jocurilor. Antrenarea ventilatorului în funcţie de necesităţi contribuie la

Page 416: Curs Motoare

PARTEA III – REDUCEREA POLUARII

416

reducerea nivelului global de zgomot al motorului. Adoptarea unei construcţii din

materiale plastice a ventilatorului poate îmbunătăţi regimul aerodinamic de

funcţionare al acestora cu o reducere importantă a emisiilor sonore.

16.8.2. Mijloace active de reducere a emisiei sonore la sistemele autovehiculului În cazul transmisiei autovehiculelor se pot aplica pentru reducerea vibraţiilor şi

zgomotelor următoarele măsuri:

- utilizarea pentru roţile dinţate a unor danturi care să asigure intrarea

progresivă a dinţilor în angrenare;

- prelucrarea optimă a danturilor cu asigurarea corectă a petei de contact a

dinţilor;

- la angrenajele conice asigurarea unor reglaje corecte;

- asigurarea unor reglaje optime ale rulmenţilor conici;

- utilizarea unor uleiuri cu calităţi bune de ungere;

- utilizarea unor arbori cardanici echilibraţi static şi dinamic;

- optimizarea procesului de fabricare a pieselor transmisiei care să permită

reducerea jocurilor funcţionale;

- în cazul dispozitivelor de servo-asistare se pot aplica măsuri de reducere a

zgomotului la antrenare. O altă măsură o constituie reducerea numărului de

elemente antrenate (la autoturismele Citröen sistemul de frânare, sistemul de

suspensie şi servodirecţia utilizează lichid sub presiune furnizat de o singură pompă

de presiune).

Page 417: Curs Motoare

Poluarea sonora . Strategii antizgomot

417

Bibliografie [1] Cofaru.C. –Legislaţia şi ingineria mediului in transportul rutier Editura

Universităţii Transilvania Braşov 2002 ,ISBN 973-635-185-8

[2] Cofaru, C., ş.a.. - Autovehiculul şi mediul. Editura Universităţii Transilvania

Braşov, 1999. ISBN 973-98512-3-1.

[3] **** ISO 1996:1995 –Characteristics and measurement of ambient noise

[4] Bădărău, E., M. Grumăzescu - Acoustics fundamentals. Ed. Academiei, 1961.

[5] Filippi, F. Industrial vehicles and environment, ATA, April 1990.

[6] Vasilovici, N. – Exterior noise reduction of commercial medium class trucks

INAR study no.34603-2001

[7] Vasilovici,N. – Passive solutions regarding vehicle noise reduction.

Conference’’Vehicle – safety , comfort and reliability ’’, SMAT 2001.

[8] Vasilovici, N. - Vehicle testing, complex multivalent architecture. National

Session ’’Henri Coandă’’ Academy Braşov, 2004.

Page 418: Curs Motoare

PARTEA III – REDUCEREA POLUARII

418

Autor: Corneliu COFARU

17. MIJLOACE PASIVE DE REDUCERE A EMISIILOR POLUANTE LA MAI În ultimii ani, reglementările privind emisiile poluante ale automobilelor sunt tot

mai restrictive. Cu toate că se depun eforturi intense pentru perfecţionarea

proceselor care au loc în motoarele cu ardere internă, a instalaţiilor şi tehnologiilor

utilizate, nu se pot obţine, la ieşirea din motorul cu ardere internă, valorile limită ale

concentraţiilor compuşilor poluanţi impuse de prevederile legislative actuale şi, mai

ales, de cele preconizate. În aceste condiţii sunt necesare sisteme care să fie

capabile să reducă nocivitatea gazelor arse pe traseul dintre cilindrii motorului şi

ieşirea sistemului de evacuare.

Primele dispozitive de tratarea a gazelor de evacuare au fost aplicate la

motoarele cu aprindere prin scânteie. Cerinţele privind limitarea concentraţiei

monoxidului de carbon şi a hidrocarburilor nearse au condus la utilizarea unor

sisteme de oxidare. Iniţial, motoarele Diesel satisfăceau condiţiile impuse gazelor de

evacuare.

O dată cu impunerea unor limite pentru emisiile de oxizi de azot s-au dezvoltat

sisteme care realizează simultan atât oxidarea CO şi HC cât şi reducerea NOX

(catalizatorul cu trei căi). Ideal ar fi ca după tratarea gazelor de evacuare să se

obţină un amestec de gaze atmosferice, adică O2, N2, vapori de apă şi CO2. La ora

actuală se pune şi problema reducerii emisiei de CO2 pentru diminuarea “efectului de

seră”.

La motoarele Diesel s-au limitat iniţial emisiile de particule prin utilizarea

filtrelor. În ultimul timp se pune cu stringenţă necesitatea dezvoltării unor sisteme

pentru gaze net oxidabile (la motoare care funcţionează cu λ > 1).

17.1. PROPRIETĂŢILE FIZICO – CHIMICE ALE GAZELOR LA IEŞIREA DIN MOTOARELE CU ARDERE INTERNĂ

În cazul motoarelor cu aprindere prin scânteie, proprietăţile gazelor de

evacuare depind direct de turatia şi sarcina motorului, de valoarea dozajului

amestecului aer-combustibil din cilindrii acestuia.

Temperatura gazelor arse variază între 300-400 0C la mersul în gol şi 900 0C

la sarcină plină. Debitul gazelor evacuate are o fluctuaţie cuprinsă între 10 şi 150

Page 419: Curs Motoare

Mijloace pasive de reducere a emisiilor poluante la MAI

419

m3/h în funcţie de cilindree, de valorile turaţiei şi sarcinii motorului ca şi de condiţiile

concrete de funcţionare (accelerare sau decelerare).

Compoziţia chimica a gazelor arse este influenţată de condiţiile de funcţionare

ale motorului, în primul rând, de calitatea amestecului aer-combustibil.

Complexitatea compoziţiei chimice a gazelor arse înainte de tratarea lor pe

traseul de evacuare poate fi exemplificată în cazul MAS. Astfel, la acest tip de

motoare pot fi evidenţiate următoarele clase de compuşi:

Tabelul 17.1.Compoziţia gazelor arse la motoarele cu aprindere prin scânteie

Compuşi chimici oxidanţi: Concentraţie oxigen 0,2…2 % vol.; oxidul de azot NO 0,01…0,4 % vol. Protoxidul de azot N2O <100 ppm Compuşi chimici reducători: Concentraţie monoxid de carbon CO 0,1…6 % vol. Hidrogen H2 0,5…2 % vol. hidrocarburi nearse HC 0,5…1 % vol. Alţi compuşi: Concentraţie Azot N2 70…75 % vol. vapori de apă 10…12 % vol. dioxid de carbon CO2 10…13 % vol. dioxid de sulf SO2 15…60 % ppm alţi compuşi concentraţii ce depind de calitatea

aditivilor din combustibil şi ulei.

17.2. DISPOZITIVE DE TRATARE A GAZELOR DE EVACUARE 17.2.1. Reactorul termic Monoxidul de carbon şi hidrocarburile nearse formate în camera de ardere

sunt parţial oxidate în timpul curselor de destindere şi evacuare.

Reactorii termici sunt dispozitive care, prin menţinerea gazelor de evacuare la

temperatură ridicată, favorizează oxidarea CO şi HC din gazele arse. Constructiv,

reactorul termic este un colector de evacuare fixat de chiulasa motorului, cu volumul

mărit, prevăzut la interior cu un sistem de tuburi care prelungeşte drumul parcurs de

gazele de evacuare prin reactor, în scopul creşterii duratei de menţinere a acestora

la temperatură ridicată. Temperatura minimă necesară pentru oxidarea HC şi CO

este de 600…700 0C, mult mai ridicată decât în cazul conversiei catalitice. Această

temperatură nu este atinsă de gazele de evacuare la toate regimurile de turaţii şi

sarcini ale motorului. În aceste condiţii, pentru a se realiza reacţiile de oxidare,

Page 420: Curs Motoare

PARTEA III – REDUCEREA POLUARII

420

trebuie să crească timpul de menţinere la temperaturi ridicate, utilizându-se frecvent

soluţii de izolare termică a reactorului (fig. 17.1).

Fig. 17.1 Construcţia reactorului izolat termic.

Reactorul trebuie să aibă o inerţie termică scăzută pentru a se încălzi rapid după

pornirea motorului. Pentru a se asigura acest deziderat, reţeaua interioară de tuburi

este realizată din oţel refractar.

Eficienţa reactorului termic depinde de nivelul de temperatură, volumul său şi

oxigenul rezidual din gazele evacuate. Temperatura atinsă în reactor este influenţată

de temperatura gazelor la intrare, de pierderile de căldură şi de cantităţile de HC, CO

şi H2 care sunt arse în interiorul acestuia. Se apreciază că, prin arderea unei cantităţi

de CO reprezentând 1 % din volumul reactorului, temperatura în reactor creşte cu 80 0C.

Reactorul termic are eficienţa maximă la oxidarea CO şi HC rezultate din arderea

amestecurilor bogate, oxigenul necesar fiind furnizat prin injecţie de aer secundar în

reactor în proporţie de 10...20%.

Utilizarea amestecurilor sărace la alimentarea motorului nu mai face necesară

injecţia de aer suplimentar în reactor, cantitatea oxigen din gazele evacuate fiind

suficientă pentru oxidarea compuşilor poluanţi. În acest caz, eficienţa reactorului este

diminuată ca efect al temperaturii mai reduse de lucru (cu aproximativ 100 0C).

Prin utilizarea reactorului termic nu se obţine o oxidare totală a cantităţilor de

HC şi CO, datorită variabilităţii condiţiilor de funcţionare ale motorului şi imperfecţiu-

nilor constructive ale reactorului.

Page 421: Curs Motoare

Mijloace pasive de reducere a emisiilor poluante la MAI

421

17.2.1.1. Dispozitive pentru injecţia aerului secundar Sistemul implică utilizarea unei pompe (compresor) de aer antrenată de motor

care să trimită printr-o canalizaţie specială un curent de aer în gazele arse din zona

supapei de evacuare. Aerul injectat în fluxul de gaze de evacuare aduce oxigenul

necesar oxidării cantităţilor de HC şi CO care părăsesc cilindrii motorului.

Metoda este eficientă numai în cazul funcţionării motorului cu amestecuri bogate şi în

cazul unei temperaturi ridicate a gazelor evacuate.

Sistemul injecţiei de aer adiţional trebuie să întrerupă aportul de aer în timpul

decelerării automobilului, pentru evitarea exploziilor din sistemul de evacuare

(posibile în cazul funcţionării motorului la astfel de regimuri caracterizate de

îmbogăţiri accentuate ale amestecului proaspăt). Întreruperea debitării aerului

secundar se realizează printr-o supapă “controlată” de presiunea negativă, prezentă

în colectorul de admisie la închiderea clapetei de acceleraţie; aerul debitat de pompă

este direcţionat în acest caz în afara sistemului de evacuare. Pompa de aer este

protejată faţă de fenomenul întoarcerii flăcării printr-o supapă.

Alte sisteme folosesc fenomenele ondulatorii din colectorul de evacuare

pentru aportul de aer suplimentar. Aerul pătrunde în colectorul de evacuare printr-un

orificiu controlat de o supapă cu inerţie redusă, în perioada când unda de presiune

se situează sub nivelul presiunii atmosferice. Acest sistem este mai puţin eficient

decât cel care foloseşte pompă de aer.

Complexitatea constructivă, necesitatea prezenţei sursei de aer secundar

antrenată de motor, dependenţa directă a eficienţei reactorului termic faţă de

variaţiile calităţii amestecului aer-combustibil din cilindrii motorului, sunt elemente

care au determinat limitarea utilizării acestuia, preferându-se folosirea convertoarelor

catalitice, acestea având în plus şi avantajul diminuării concentraţiei compuşilor

poluanţi din gazele de evacuare prin reacţii de reducere (cazul convertoarelor

catalitice cu trei căi ).

17.2.2. Convertorul catalitic

17.2.2.1. Bazele teoretice ale proceselor de conversie catalitică

Funcţionarea sistemelor de conversie catalitică se bazează pe acţiunea

catalitică a unor metale preţioase (platina, rodiu, paladiu) care sunt capabile să

diminueze energia chimică necesară reacţiilor de reducere şi oxidare, mărind implicit

Page 422: Curs Motoare

PARTEA III – REDUCEREA POLUARII

422

viteza de desfăşurare a acestor reacţii. Accelerarea catalitică a reacţiilor de oxidare

şi/sau reducere are loc la temperatura relativ scăzută a gazelor arse, evacuate la

diversele regimuri de funcţionare ale motoarelor cu ardere internă.

Mecanismele reacţiilor chimice care au loc în sistemele catalitice se pot rezuma la

următoarele scheme:

a) Mecanismul de oxidare a hidrocarburilor

În prezenţa oxigenului şi catalizatorului se poate dezvolta următoarea reacţie:

OH2mnCOO)

4mn(HC 222mn +⇒++ . (17.1)

b) Mecanismul de oxidare a monoxidului de carbon:

22 COO21CO ⇒+ . (17.2)

Se consideră că oxidarea monoxidului de carbon are loc în patru etape:

; (17.3)

(17.4)

; (17.5)

. (17.6)

Datorită polarităţii puternice, molecula de monoxid de carbon este absorbită în

stratul de metal nobil al catalizatorului. La o temperatură cuprinsă între 100 şi 200 0C

apare o absorbţie a monoxidului de carbon care lasă locul oxigenului, molecula de

oxigen disociază şi, la nivelul stratului catalitic, au loc reacţii de oxidare ale

monoxidului de carbon, urmate de absorbţia dioxidului de carbon. Monoxidul de

absgaz COCO ⇒

;O2O absgaz2 ⇒

gaz2absabs COCOO ⇒+

gaz2gazabs2 COCOO ⇒+

Page 423: Curs Motoare

Mijloace pasive de reducere a emisiilor poluante la MAI

423

carbon reacţionează după o reacţie de tipul (11.6) finalizându-se astfel procesul de

oxidare.

c) Mecanismul reducerii oxidului de azot

Din punct de vedere termodinamic, molecula de oxid de azot este instabilă,

exceptând prezenţa acesteia în medii cu temperaturi foarte ridicate. Reacţia de

reducere teoretică este de tipul:

22 O21N

21NO +⇒ . (17.7)

Viteza de desfăşurare a acestei reacţii exotermice se poate amplifica pe cale

termică sau în prezenţa metalelor catalitice. Descoperirea catalizatorului care poate

asigura reducerea NO, în prezenţa oxigenului, ramâne o sarcină primordială a

cercetătorilor din domeniu. Deficienţa principală a materialelor încercate până acum

(metale preţioase, oxizi, etc.) constă în disocierea moleculelor de NO absorbite de

catalizator şi fixarea acestor produşi de disociere pe suprafaţa catalizatorului.

Desorbţia oxigenului format limitează continuarea reacţiilor de reducere. Pentru

restaurarea acţiunii catalitice este necesară ridicarea nivelului temperaturii gazelor de

evacuare sau prezenţa unui agent chimic reducator. Agenţii reducători pot fi compuşi

chimici care însoţesc NO în gazele de evacuare (CO, H2, şi hidrocarburi nearse).

Hidrogenul molecular poate rezulta din reacţia CO cu vaporii de apă, în prezenţa

catalizatorului:

. (17.8)

Reacţiile de reducere a NO se pot dezvolta dupa următoarele scheme:

222 HCOOHCO +⇒+

NO CO N CO+ ⇒ +12 2 2 ; (17.9)

NO H N H O+ ⇒ +2 212 2 ; (17.10)

Page 424: Curs Motoare

PARTEA III – REDUCEREA POLUARII

424

NO HC N H O CO+ ⇒ + +( ) 12 2 2 2 ; (17.11)

22 5 3 2 52 3NO CO H O NH CO+ + ⇒ + ; (17.12)

; (17.13)

; (17.14)

. (17.15)

Oxidarea agenţilor reducători CO, HC şi H2 are loc prin utilizarea oxigenului

rezultat din disocierea NO sau a oxigenului molecular existent în gazele de evacuare.

În cazul în care tensiunea parţială a oxigenului molecular depăşeşte substanţial

presiunea parţiala a NO, rata de disociere a NO se diminuează considerabil. Aceasta

este cauza pentru care, cu tehnologiile actuale, nu este posibilă reducerea NO din

gazele de evacuare ale motoarelor care funcţionează cu exces de aer (MAS cu

amestecuri sărace şi motoare Diesel) (fig. 4.2).

La motoarele care funcţionează cu amestecuri bogate, agenţii reducători se

găsesc în cantităţi ridicate, iar azotul atomic rezultat din disocierea NO poate

reacţiona cu aceşti compuşi. De nedorit, în urma reacţiilor de reducere poate rezulta

amoniac, prin una din următoarele reacţii:

2 2 2NO CO N O CO+ ⇒ +

OH2NH2H5NO2 232 +⇒+

2 2 2 2NO H N O H O+ ⇒ +

OHNHH25NO 232 +⇒+ , (4.16)

232 CO5NH2OH3CO5NO2 +⇒++ . (4.17)

Fig. 17.2 Oxidarea agenţilor reducători în catalizator.

Page 425: Curs Motoare

Mijloace pasive de reducere a emisiilor poluante la MAI

425

17.2.2.2. Convertorul catalitic dual În cazul în care agenţii reducători sunt prezenţi în exces, pentru limitarea

emisiei de amoniac, este necesara utilizarea a două reactoare legate în serie (fig.

17.3).

Fig. 17.3 Sistem cu reactoare legate în serie.

Primul reactor are rolul de a reduce NO (rezultând în acelasi timp cantităţi

variabile de amoniac). Amestecul de gaze ce părăseşte primul reactor intră în

urmatorul reactor, în care se realizează procesele de oxidare. Pentru dezvoltarea

acestui tip de reacţii, se introduce aer adiţional în gazele ce pătrund în reactorul de

oxidare. Amoniacul format în timpul reacţiilor de reducere ar trebui sa fie oxidat (în

ultimul reactor) dupa reacţiile:

NH O N H O3 2 234

12

32

+ ⇒ + 2 , (17.18)

sau

NH O NO H O3 2 254

32

+ ⇒ + . (17.19)

Cantitatea de NO formata dupa ultima schemă de reacţie depinde de tipul

catalizatorului folosit, de nivelul temperaturii şi de valoarea presiunii parţiale a

oxigenului.

17.2.2.3. Convertorul catalitic cu trei căi Denumirea acestui sistem catalitic provine din abilitatea acestuia de a elimina

(sau diminua) simultan trei compuşi poluanţi din gazele de evacuare: CO, HC, NOx.

Eficienţa maximă în neutralizarea celor trei noxe se obţine la funcţionarea motorului

cu amestecuri stoichiometrice (λ ≅ 1). Dacă valoarea coeficientului excesului de aer

Page 426: Curs Motoare

PARTEA III – REDUCEREA POLUARII

426

al amestecului proaspăt este diferită de unitate atunci se diminuează eficienţa

sistemului catalitic cu trei căi (fig. 4.4).

Fig. 17.4 Eficienţa catalizatorului cu trei căi ca funcţie de calitate amestecului.

În cazul în care în motor sunt arse amestecuri sărace, se micşorează eficienţa

reducerii NO. Dacă amestecul proaspăt este bogat, atunci este sesizată reducerea

eficienţei reacţiilor de oxidare a HC şi CO; cantităţile remanente din respectivii

compuşi pot fi eliminate prin adiţia vaporilor de apă, dupa mecanismele chimice:

2 , (17.20)

2 . (17.21)

Domeniul de variaţie a calităţii amestecului aer - combustibil, pentru care

catalizatorul funcţionează eficient – aşa-numita "fereastră λ" - este extrem de

restrâns, ceea ce impune utilizarea unui sistem electronic de control şi reglare a

calităţii amestecului, pentru menţinerea acestuia în domeniul de eficienţă al

sistemului catalitic. Senzorul care culege informaţia relativ la cantitatea de oxigen

remanentă în gazele de evacuare este sonda λ. Mărimea timpului de răspuns al

sistemului poate determina oscilaţii ale dozajului la funcţionarea motorului în regimuri

tranzitorii. În aceste cazuri, frecvenţa semnalului de răspuns variază cu 0,5...5 Hz, în

jurul valorii fixate, ceea ce determina o variaţie a coeficientului de exces de aer în

intervalul [0,93...1,07].

CO H O H CO+ ⇒ +2 2

( )HC H O CO CO H+ ⇒ + +2 2

Page 427: Curs Motoare

Mijloace pasive de reducere a emisiilor poluante la MAI

427

Semnalul generat de sonda λ, la deviaţia dozajului de la calitatea stoichiometrică,

este transmis unităţii de control electronic, care, după procesarea informaţiilor,

transmite semnalul de comandă a reglării calităţii amestecului pentru obţinerea unui λ

≅ 1.

În cazul absenţei sondei λ, convertorul cu trei căi poate procesa gazele de

evacuare numai dacă se injectează aer secundar. În prima zonă a sistemului se

reduc oxizii de azot. Aerul adiţional este injectat într-o zonă secundară, în care

oxigenul este prezent într-o concentraţie corespunzătoare amestecului

stoichiometric, astfel încât este posibilă oxidarea hidrocarburilor nearse şi a

amoniacului. În cea de-a treia zonă a sistemului există, de asemenea, oxigen

remanent, ceea ce face posibilă desăvârşirea reacţiilor de oxidare a hidrocarburilor.

Această modalitate de utilizare a sistemului catalitic cu trei căi a fost practic

abandonată în favoarea sistemului cu monitorizare a excesului de oxigen din gazele

de evacuare şi controlul calităţii amestecului pentru funcţionarea motorului cu λ ≅ 1.

Aditivii adăugaţi în combustibil pot îmbunătăţi rezultatele obţinute în tratarea gazelor

arse prin sistemul catalitic cu trei căi.

1) Suportul catalizatorului Suportul sistemului catalitic utilizat la tratarea gazelor de evacuare emise de

motoarele autovehiculelor trebuie să răspundă unor cerinţe specifice dintre care cele

mai importante sunt:

• Să permită depunerea stratului catalitic prin minimizarea contactului dintre

acesta şi suport, fără ca elementul catalitic să sinterizeze cu materialul

suportului, pentru a nu se diminua eficienţa reacţiilor catalitice. Reacţiile

catalitice au loc la nivelul atomilor din stratul de suprafaţă al depunerii de

element catalitic;

• Să inducă un nivel de contrapresiune cât mai redus pe traseul gazelor

evacuate prin sistem, pentru a nu diminua semnificativ performanţele

energetice ale motorului;

• Să asigure o cât mai mare suprafaţă de contact între gazele arse şi stratul de

compus catalitic, în scopul maximizării eficienţei sistemului;

• Să răspundă cât mai bine solicitărilor mecanice şi termice.

Page 428: Curs Motoare

PARTEA III – REDUCEREA POLUARII

428

Structura suportului catalitic poate fi sub formă granulată sau monolitică.

Ultimele construcţii folosesc în exclusivitate structuri monolitice. O asemenea

structură este constituită dintr-o piesă unică realizată fie din material ceramic fie din

metal.

1a) Suportul monolitic ceramic Pentru realizarea suportului monolitului ceramic se foloseşte aproape în

exclusivitate cordieritul ( 232o SiO5OAl2OM2 ⋅⋅ ), cu toate că au fost încercate şi alte

materiale cum ar fi: alumina, titanatul de aluminiu, carbura de siliciu şi altele.

Materialele de bază sunt măcinate sub formă de pulbere (cu diametrul

particulelor < 50 µm) după care acestea sunt încorporate într-un agent liant

(metilceluloza sau carboximetilceluloza) cu un lubrifiant (etilenglicol) şi un agent

fondant (hidroxizi ai pământurilor alcaline) pentru a favoriza sinterizarea. Amestecul

obţinut este sinterizat în forma finală. Structura obţinută este introdusă apoi în

cuptorul de sinterizare; în faza de presinterizare sunt eliminaţi compuşii volatili,

agenţii lianţi şi lubrifianţi. Secvenţele la temperaturi ridicate (între 800 şi 1300 la 1450 0C) determină nivelul de porozitate al materialului ceramic pe care se va aplica stratul

de material catalitic.

Cordieritul are un coeficient de dilatare termică redus ceea ce oferă

monolitului o bună rezistenţă la şocuri termice. Punctul său de topire se plasează în

jurul valorii de 1450 0C, ceea ce îi permite structurii monolitice să-şi păstreze

elasticitatea până la temperaturi de 1300 0C, rezistând astfel rezonabil la solicitările

mecanice specifice tuturor regimurilor de funcţionare ale motorului.

Monoliţii se extrudează ca volume cilindrice cu secţiunea circulară, eliptică sau

“turf”. Canalele de trecere a fluxului de gaze evacuate (secţiune triunghiulară sau

pătrată) sunt aranjate sub formă de fagure. Volumul monolitului ia valori cuprinse în

intervalul [0,2…0,3] dm3 pentru fiecare kW de putere efectivă a motorului. Secţiunea

în formă de “turf” se utilizează la motoare cu puteri de până la 100kW, pentru

motoare cu puteri mai mari se folosesc doi manoliţi identici montaţi în paralel.

Valoarea diametrului suportului se constituie în factorul principal ce determină nivelul

căderii de presiune pentru un volum dat al monolitului, comparativ cu lungimea

canalelor şi numărul de canale pe unitatea de suprafaţă. Micşorarea grosimii pereţilor

Page 429: Curs Motoare

Mijloace pasive de reducere a emisiilor poluante la MAI

429

despărţitori reduce inerţia termică a suportului şi diminuează nivelul presiunii gazelor

de evacuare din amontele sistemului catalitic.

Caracteristicile principale ale monoliţilor ceramici sunt următoarele:

• număr de canale pe cm2 - 46…62;

• grosime de perete – 0,1, 0,15 sau 0,3 mm;

• porozitate - ≅ 30%;

• aria suprafeţei active a canalelor raportată la unitatea de volum – 2,19 sau

2,79 m2 / dm3;

• densitatea materialului ceramic – 1,68 kg / m3;

• temperatura maximă de exploatare – 1100 0C;

• mărimea macroporilor – 7000…10000 Å;

• mărimea microporilor – 70,,,90 Å.

1b) Suportul monolitic metalic Monolitul metalic este realizat din oţel inoxidabil cu conţinut de crom şi

aluminiu, obţinându-se grosimi ale pereţilor canalelor de 40,,,50 µm. Se utilizează un

oţel aliat, cu structură perlitică, inoxidabil, cu o bună rezistenţă la coroziunea indusă

de gazele cu temperaturi ridicate evacuate din motor. Ca efect al conţinutului relativ

ridicat de aluminiu (aproximativ 4%) la suprafaţa monolitului se formează un strat

protector de alumină rezultată prin oxidare la temperatură ridicată.

Se apreciază că, prin introducerea în compoziţia aliajului a 0,2 - 0,3 %

zirconiu, rezistenţa monolitului la solicitări caracteristice oxidării la temperaturi

ridicate creşte; se împiedică, de asemenea, fenomenul desprinderii de particule din

structura monolitică metalică de bază. Adaosul de calciu are efecte pozitive asupra

adeziunii stratului de oxid la suprafaţele canalelor de trecere. În proporţie de

aproximativ 0,3 %, introducerea ytriului în compunerea aliajului, are ca efect ridicarea

durabilităţii materialului supus solicitărilor date de gazele fierbinţi. Deoarece ytriul

este un material scump, se utilizează în proporţie de maxim 0,05 %, restul fiind

înlocuit de un amestec conţinând pământuri rare şi ceriu.

După recoacere la 12000C, folia de tablă, având compoziţia descrisă mai sus,

este ondulată într-un laminor special pentru a i se asigura o configuraţie de suprafaţă

sinusoidală sau trapezoidală. Asamblarea foliilor pentru obţinerea structurii principale

se poate realiza fie prin sudură cu flux de electroni, fie prin brazare la o temperatură

Page 430: Curs Motoare

PARTEA III – REDUCEREA POLUARII

430

de maxim 12000C, direct în carcasa suportului. Brazarea este recomandată deoarece

previne deformarea structurii sub acţiunea şocurilor termice. Folia este răsucită în

formă de spirală sau sub formă de "3", această ultimă aranjare oferind o mai bună

anduranţă mecanică.

Aria secţiunii transversale echivalente oferită pentru curgerea gazelor arse

creşte de la 57%, în cazul monolitului ceramic, la 72%, în cazul monolitului metalic.

Se reduce astfel, la utilizarea monolitului metalic, contrapresiunea din sistemul de

evacuare al motorului, ceea ce determină o îmbunătăţire a performanţelor motorului.

Rezultate experimentale indică un câştig de 4 kW, la o putere iniţială a motorului de

160 kW, în cazul folosirii în sistemul catalitic a monolitului metalic.

Spargerea curentului principal de gaze arse, la intrarea în sistemul catalitic cu

suport metalic, creşte intensitatea turbulenţei curgerii, ceea ce conduce la un contact

mai bun între gazele evacuate şi suprafaţa cu metal catalitic. Efectul final este o

creştere a eficienţei catalizatorului sau o posibilă diminuare a volumului şi greutăţii

suportului.

Principalele caracteristici ale monolitului metalic sunt:

• compoziţia materialului - 15 ÷ 20% Cr, 4 ÷ 5% Al, 0 ÷ 2% Şi, 0,1 ÷ 0,3% Y,

restul până la 100%Fe;

• număr de canale pe cm2 - 62 sau 93;

• grosime de perete - 0,05 mm;

• aria suprafeţei canalelor - 3.2 m2 / dm3;

• densitatea materialului - 1,25 kg / dm3;

• temeratura maximă de exploatare - 1100 0C.

Suportul metalic este mai scump decât suportul ceramic; opţiunea pentru

prima soluţie este favorizată de flexibilitatea mai ridicată în alegerea numărului de

canale şi de volumul mai redus al monolitului metalic (cu aproximativ 56% faţă de

monolitul ceramic convenţional şi cu 25% faţă de structurile ceramice obţinute cu

noile tehnologii). Alte caracteristici favorizante ale structurii metalice constau in:

1. căderea de presiune din sistemul catalitic mai mică cu 15 ÷ 20% faţă

de suportul ceramic cu îmbrăcăminte activă depusă;

2. conductivitate termică ridicată ce impiedică supraîncălzirea locală şi

eventuala topire zonală a structurii;

Page 431: Curs Motoare

Mijloace pasive de reducere a emisiilor poluante la MAI

431

3. inerţie termică redusă, ceea ce asigură un timp minim de atingere a

temperaturii optime de funcţionare (imediat după pornirea motorului).

Ca şi în cazul suportului din material ceramic, suprafaţa canalelor se acoperă cu un

strat de Y alumină, înainte de impregnarea cu elementul catalitic.

2) Materialul activ La sistemele catalitice cu trei căi sunt utilizate ca agenţi catalitici numai

metalele preţioase (cu toate că s-au desfăşurat cercetări pentru folosirea unor oxizii

ai metalelor uzuale ca materiale catalitice).

Metalele preţioase au o intensă reactivitate chimică atât la temperaturi reduse

cât şi la temperaturi ridicate; ele rezistă foarte bine tendinţelor de sinterizare prin care

se reduce aria suprafeţei specifice de activitate.

Oxizii metalici, cum ar fi: CoO4, CuO, Cr2O3, ZnO, SiMnO2, singuri sau în

combinaţie prin alţi oxizi, pot realiza o activitate catalitică, însă, pentru a realiza

aceeaşi rată de conversie (ca în cazul utilizării metalelor preţioase) trebuie să se

utilizeze o cantitate de două până la trei ori mai mare. Utilizarea oxizilor metalici este

limitată în principal de lipsa de stabilitate la temperaturi ridicate şi de marea

sensibilitate a acestora la acţiunea chimică a sulfului.

La sistemul catalitic cu trei căi, catalizatorul de oxidare conţine ca elemente

active platina şi paladiul, singure sau în combinaţie. La oxidarea dioxidului de carbon,

hidrocarburilor olefine sau pentanului, activitatea paladiului este mai intensă decât

cea a platinei. La oxidarea hidrocarburilor aromatice activitatea celor două metale

preţioase este asemănătoare, în schimb, oxidarea hidrocarburilor parafinice este mai

eficient realizată de platină.

Reacţiile catalitice încep cu un stadiu de absorbţie prin care se impune

dehidrogenarea hidrocarburilor saturate. Platina este foarte eficientă in acest proces.

La temperaturi cuprinse în intervalul [600...900] 0C, într-un mediu oxidant, platina

tinde să sinterizeze. Sinterizarea platinei este mult diminuată într-un mediu

reducător. Paladiul rezistă mai bine tendinţelor de sinterizare într-un mediu oxidant

şi, combinat cu stratul intermediar, prezintă aceeaşi durabilitate cu perechea de

metale platină-rodiu.

Prezenţa plumbului sau a fosforului blochează ireversibil suprafaţa activă a

catalizatorului, platina dezactivându-se mult mai uşor decât paladiul.

Page 432: Curs Motoare

PARTEA III – REDUCEREA POLUARII

432

Rata de conversie a NOX şi CO este mult mai scăzută în cazul paladiului, la regimuri

de funcţionare caracterizate de amestecuri bogate. Tendinţa actuală, în tehnologia

sistemelor catalitice, este de a înlocui perechea platină-rodiu cu pereche paladiu-

rodiu deoarece au eficienţe comparabile însă costul paladiului este mai mic decât cel

al platinei.

În cazul sistemului catalitic cu trei căi, este necesară utilizarea rodiului, pe

lângă perechea de metale preţioase platină-paladiu, pentru a îmbunătăţi reacţiile de

reducere. Din cauza prezenţei monoxidului de carbon, activitatea platinei şi paladiului

este insuficientă în reacţiile de reducere a NOX la N2. Rodiul are o mai mare

capacitate de a stoca oxigenul, în plus rodiul este imun la efectul de inhibiţie

determinat de CO producând şi mai puţin amoniac la funcţionarea motorului cu

amestecuri bogate. Rodiul este foarte sensibil la contaminarea cu plumb şi fosfor. La

temperaturi ridicate, rodiul formează RhO3 care se poate combina sub forma unei

soluţii solide cu alumina din suport. Acest oxid are tendinţa de a acoperi cristalele de

platină, catalizatorul fiind astfel scos din funcţiune.

Ruteniul este considerat drept cel mai bun catalizator de reducere a NOX la

N2, însă el nu este utilizat deoarece formează un oxid volatil în mediul oxidant; acest

oxid nu a putut fi încă stabilizat într-un amestec de oxizi.

3) Aditivi catalizatori În suportul intermediar, precum şi în stratul activ de metale preţioase, se pot

adăuga o mare varietate de aditivi cum ar fi: Ni, Ce, La, Ba, Zr, Fe, şi Şi. Aceşti aditivi

realizează accentuarea efectului catalitic, stabilizarea chimică a suportului şi

inhibarea procesului de sinterizare a metalelor preţioase.

Prezenţa atea pl şi paladiului la reducerea

N ul şi ceriul au efecte asem

sinterizarea aluminei din stratul intermediar şi diminuează intensitatea lor dintre

r lumină ntariul, adăuga diului, îmbu ţeşte procesul de reducere a

NO într-un mediu reduc tor. Silici bune prop i de inhibare a reacţiilor de

sinterizare ale aluminei şi oxidului de ceriu. Lantariu vine desprind istalelor

e pla

nichelului intensifică activit atinei

O. Oţel ănătoare cu cele ale nichelului, ele previn

reacţii

odiu şi a . La t pala nătă

ă ul are rietăţ

l pre erea cr

d tină. Încorporarea rodiului în suport de ZrO2 pe matrice acoperită cu y Al2O3

previne difuzia rodiului în alumină.

Page 433: Curs Motoare

Mijloace pasive de reducere a emisiilor poluante la MAI

433

4) Tehnologia de obţinere a convertorului catalitic 4a)Stratul intermediar O zonă de canal se prezintă în secţiune în figura 17.5

Fig. 17.5 Depunerea stratului intermediar.

Aria suprafeţei canalelor oferite atât de suportul ceramic cât şi de suportul

metalic este insuficientă pentru aplicarea stratului activ de metale preţioase. Pentru a

se mări suprafaţa de depunere a catalizatorului, pereţii canalelor sunt îmbrăcaţi cu un

material intermediar care de cele mai multe ori este alumina. Masa stratului

ă 5…20% din masa suportului iar aria suprafeţei

canalelor este amplificată cu un factor de aproximativ 100.

intermediar depus reprezint

la materialul suportulu

precursor este un amestec de Al2(OH)5Cl, hidrosoli

ă şi posibili oxizi de siliciu sau zirconiu sau acest lichid precursor este o

suspensiei la suport poate fi îmbunătăţită

ugarea la suspensia precursoare de

nitrat d

Principalul factor îl constituie proprietăţile de adeziune ale stratului intermediar

i, deoarece se elimină riscul spargerii şi detaşării în timp a

stratului activ. Este necesar ca mărimea coeficientului de dilatare al materialului

suportului şi al stratului intermediar să nu difere prea mult.

Stratul intermediar se aplică în trei etape: pregătirea lichidului precursor pentru

acoperire; imersia suportului în acest lichid; uscarea şi sinterizarea combinaţiei

precursoare pe suport. Lichidul

de alumin

suspensie apoasă de y alumină. Adeziunea

prin adăugarea unor aditivi cum ar fi: silicat de sodiu, proteine, răşini sintetice,

acestea putând fi adăugate în soluţie sau să fie aplicate pe suprafaţa canalelor

înainte de aplicarea soluţiei precursoare. Adă

e aluminiu îmbunătăţeşte adeziunea particulelor suportului prin descompunere

când temperatura creşte la aproximativ 500°C. Adaosul de CeO2 (4,5 % din

greutatea stratului precursor) şi de BaO (<1% din greutatea suportului) reduce

Page 434: Curs Motoare

PARTEA III – REDUCEREA POLUARII

434

proces rsia metalului preţios depus. Aceste

daosuri determină diminuarea la jumătate a cantităţii de metal preţios depus.

cursor produce o creştere

uşoară a căderii de presiune

se ţei de CeO2 datorită scăderii

oxigenului. În anumite reţete se incor

greutatea suportului.

Stratul intermediar se depune prin imersia suportului în soluţia precursoare

sau prin injecţia soluţiei precursoare în canalele

p utorul aerului comprimat sau

rin centrifugare. Stratul precursor este uscat cu un curent de aer având temperatura

de 100

. Anumite

tehnol

preveni migrarea acestora spre capătul canalului. Aciditatea mediului de

impreg

obţine o suprafaţă de

suficientă pentru a preveni desprinderea cristalelor prin

braziune şi prin contactul cu plumbul şi fosforul.

Pentru a reduce sărurile la sta

ca C. alte tehnici prevăd ca prin canale să

ul de sinterizare al aluminei şi dispe

a

Dublarea cantităţii specifice a materialului pre

în convertor dar rata de conversie a CO şi NOx creşte şi

îmbunătăţesc calităţile de anduranţă datorită prezen

porează în suport până la 7% Ce şi 7% La din

suportului. Surplusul de soluţie

recursoare este eliminat prin canalele monolitului cu aj

p

…150°C care parcurge canalele monolitului.

La monolitul metalic este necesar ca suprafeţele canalelor să fie bine

degresate pentru ca stratul intermediar să adere la suprafaţa metalică

ogii prevăd pentru îmbunătăţirea stratului intermediar oxidarea suprafeţelor

metalice ale monolitului.

4b) Stratul activ Catalizatorul platină-paladiu se depune în raport de 15:1 până la 3:1.

Tehnologiile de depunere se adoptă în funcţie de suprafeţele suportului pentru a se

asigura eficienţă maximă.

După ce stratul intermediar a fost depus pe suprafeţele canalelor monolitului

stratul activ se depune prin cufundare sau injecţie utilizând o soluţie de metale

preţioase (de exemplu: H2PtCl6, PdCl2, Rh(NO3)3 şi RhCl3) sau soluţii pe bază de

acetonă conţinând (n-butil4N)2Rh(CO)2Br8 sau H2PtCl6-6H2O.

În timpul uscării este necesar ca particulele active să fie fixate pe suprafaţă

pentru a

nare influenţează adâncimea de pătrundere a catalizatorului în suport.

Adâncimea de pătrundere trebuie să fie redusă pentru a se

spălare cu gaze arse a cristalelor de metal preţios cât mai mare, însă această

penetrare trebuie să fie

a

diul metalic, platină/paladiu este necesar ca prin

nale să treacă în curentul de H2/H2O la 75°

Page 435: Curs Motoare

Mijloace pasive de reducere a emisiilor poluante la MAI

435

treacă un curent de H2S pentru a fixa metalele preţioase pe suprafaţa canalelor într-o

soluţii apoase şi

upă această operaţie urmează operaţia de calcinare pentru a ajunge la starea

metalică.

Există şi tehnologii care prevăd depunerea stratului intermediar şi activ

simulta

jării. Carcasa se confecţionează din oţel inoxidabil refractar

austen

pede după pornire rezultând o

ampla

tre cele două carcase

fiind pl

recţioneze uniform gazele către monolit pentru a se obţine o rată

de con

formă coloidală de precipitat de sulfiţi care apoi sunt descompuşi termic.

Aditivi cum ar fi nichelul sunt adăugaţi sub formă de nitraţi în

d

n sub formă de hidrosol amestecat cu precursori catalitici însă o parte din

cristalele active sunt acoperite de stratul intermediar şi eficienţa de conversie poate fi

mai redusă.

4c) Montarea suportului în carcasă Suportul impregnat cu cristale de metale preţioase este montat într-o carcasă

metalică destinată prote

itic sau feritic. Carcasa se obţine din două semicarcase realizate prin presare.

Convertorul catalitic se poziţionează pe conducta de evacuare ţinând seama că

suportul trebuie să se încălzească cât mai re

sare cât mai apropiată de motor, însă ţinând seama de nivelul de temperatură

atins (800-900 °C) el trebuie depărtat de motor la o distanţă de siguranţă.

Pentru a se încălzi rapid carcasa convertorului poate fi dublă, în

asat material izolant.

Suportul metalic este fixat direct de carcasă. Carcasa, la ambele tipuri de

suport, trebuie să di

versie optimă.

Page 436: Curs Motoare

PARTEA III – REDUCEREA POLUARII

436

Fig. 17.6 Montarea monolitului

17.2.2.4. Temperatura de intrare în activitate a materialului catalitic

La temperatura mediului ambiant convertorul catalitic nu acţionează asupra

ebuie să atingă temperatura minimă

vacuare care depinde de: raportul aer-

vacuării, distanţa de la colectorul de evacuare la convertor şi caracteristicile

e te ică, olare termi

poluanţilor emişi de către motor. Catalizatorul tr

de funcţionare, cuprinsă între 200 şi 300 °C. Până la atingerea temperaturii de

funcţionare, emisiile sunt deversate în atmosferă fără a fi supuse procesului de

conversie completă.

Timpul necesar convertorului catalitic pentru a atinge eficienţa de conversie

depinde de:

• proprietăţile catalizatorului: formula şi starea lui (stadiul de oxidare, prezenţa

diferiţilor compuşi pe suprafaţa sa);

• compoziţia gazelor de evacuare;

• căldura conţinută de gazele de e

combustibil, avansul la aprindere, căldura transferată la pereţi pe timpul

e

convertorului (geometrie, capacitat rm iz că, conductivitate

termică);

Page 437: Curs Motoare

Mijloace pasive de reducere a emisiilor poluante la MAI

437

a) Influenţa catalizatorului La catalizatoarele de oxidare paladiul are o temperatură mai scăzută de

intrare în funcţiune decât platina. În convertoarele cu trei căi, combinaţia Pt/Rh

reduce temperatura de acţionare faţă de combinaţiile Pt/Pd, Pd/Rh sau Pt/Pd/Rh.

Temperatura de intrare în funcţionare descreşte şi la creşterea dispersiei platinei pe

acestora şi coboară temperatura de intrare în funcţiune a

izii pământurilor rare) şi a coborî temperatura de funcţionare.

c) I u

conţinu depinde de gradul de îmbogăţire al

am

ridicat ă de CO în gazele arse (gazele de evacuare

ale

nearse variază în funcţie de procesele care au loc

în mbustibilului utilizat. Prezenţa

hid

funcţiu

stuia.

ă util area e ae

estecului la pornire.

rodiu (Rh), deoarece rodiul este mai puţin sensibil la conţinutul de CO decât Pt şi Pd.

suprafaţa canalelor monolitului. Acelaşi efect se obţine şi prin creşterea concentraţiei

de metale preţioase.

b) Acţiunea aditivilor materialului suportului Aditivii materialului suportului inhibă sinterizarea metalelor preţioase,

încetinesc îmbătrânirea

catalizatorului. Această temperatură se diminuează aproape liniar cu conţinutul

CeO2, în special dacă particulele de oxid sunt mai mici. Alţi aditivi sunt utilizaţi pentru

a mări capacitatea de stocare a oxigenului (Fe2O3) sau pentru a stabiliza metalele

active (ox

nfl enţa compoziţiei gazelor arse La pornirea motorului, prin convertorul catalitic curg gazele arse care au un

t variabil de CO, O2, NO şi HC care

estecului aer-combustibil, temperatură şi presiunea mediului ambiant. Un conţinut

de oxigen şi o concentraţie scăzut

MAC) coboară temperatura de oxidare a catalizatorului.

Compoziţia hidrocarburilor

cilindrii motorului şi în funcţie de compoziţia co

rocarburilor olefinice în gazele de evacuare reduce temperatura de intrare în

ne a materialului activ.

Reacţia catalizatorilor la aceşti factori nu este sistematică şi ea depinde de

formula de material activ şi de starea de îmbătrânire a ace

d) Influenţa raportului aer-combustibil La un catalizator de oxidare Pt/Pd, făr iz d r adiţional sau a

amestecurilor sărace, temperatura de intrare în funcţiune a acestuia creşte cu gradul

de îmbogăţire al am

Acest efect este mai puţin important la convertoarele catalitice care conţin

Page 438: Curs Motoare

PARTEA III – REDUCEREA POLUARII

438

La un convertor de oxidare cu Pt, la creşterea conţinutului de CO de la 0,5% la 7%

face posibilă menţinerea

nt

) Influ(Pb P, S Zn) au un efect ireversibil.

umularea efectelor termice (sinterizare) cu depozitele de impurităţi conduc la o

ărire

lui şi poziţia în instalaţia de evacuare trare în fun ţiune a catalizatorului într-un

mp cât mai scurt după pornirea motorului rece, convertorul catalitic trebuie să fie

e de motor.

lzirea acestuia la funcţionarea motorului la sarcini mari.

temperatura pentru a obţine 50% conversie creşte de la 160 °C la 300 °C.

Pe lângă CO, şi hidrocarburile nearse pot exercita un efect variabil de inhibiţie

care depinde de compoziţia lor.

Controlul rapid al dozajului prin senzorul de oxigen

catalizatorului în limitele de funcţionare eficie ă.

e enţa suprafeţei catalizatorului Depozitele de metale şi metaloizi , ,

C

m progresivă a temperaturii de intrare în funcţiune a materialului activ.

f) Influenţa tipului suportu Pentru a atinge temperatura de in c

ti

amplasat cât mai aproape de colectorul de evacuare, trebuind să aibă o capacitate

termică scăzută. De cele mai multe ori însă, aceste condiţii sunt contraindicate

datorită riscului supraîncălzirii convertorului la funcţionarea motorului la sarcină plină.

La sistemele catalitice pe bază de Pt/Rh, temperatura gazelor arse nu trebuie să

depăşească 950 °C, datorită avantajelor plasarea lângă colectorul de evacuare fiind

aleasă în acest caz de constructorii de autovehicule.

O soluţie de compromis o constituie separarea convertorului catalitic în două

componente: un miniconvertor cu capacitate termică redusă care este amplasat cât

mai aproape de colectorul de evacuare unde este încălzit rapid şi atunci se iniţiază

oxidarea CO şi HC iar în aval se amplasează convertorul catalitic principal.

Convertoarele cu monoliţi metalici, datorită rezistenţei mari la supraîncălzire

pot fi amplasate cât mai aproap

O altă soluţie combină un microconvertor ca monolit amplasat în colectorul de

evacuare cu un monolit ceramic amplasat pe traiectul de evacuare pentru a se evita

supraîncă

Page 439: Curs Motoare

Mijloace pasive de reducere a emisiilor poluante la MAI

439

Fig. 17.7 Amplasarea convertorului catalitic

Pentru a aduce convertorul la temperatura de funcţionare se prevăd sisteme

electrice de încălzire a acestuia înainte de pornirea motorului.

Între monolitul ceramic al convertorului catalitic şi carcasa acestuia, pentru

rotecţia contra vibraţiilor, se amplasează un strat de fibre minerale care poate juca

şi rolul de izolaţie termică pentru intrarea rapidă în funcţiune a materialului activ. În

ţiune după ce temperatura de funcţionare a

cţionarea arzătorului este de aproximativ 20 s şi necesită 50 -

ă la 350 °C.

ţiune a catalizatorului se poate obţine şi prin încălzirea

- 55 °C). Elementul de încălzire este deconectat când

ă cuprinsă între 60 şi 65 °C.

p

alte cazuri se poate izola termic conducta de legătură dintre colectorul de evacuare şi

convertorul catalitic.

O altă metodă prin care se obţine intrarea rapidă în funcţiune a convertorului

catalitic după pornirea la rece utilizează insuflarea de aer adiţional în aval de

supapele de evacuare pe durata cât motorul funcţionează cu amestecuri bogate.

Pompa de aer este scoasă din func

convertorului a fost atinsă.

Încălzirea convertorului catalitic se poate realiza şi prin utilizarea unui arzător

cu flacără plasat în faţa convertorului şi care este pornit cu 1 până la 3 s înaintea

pornirii motorului. Fun

90 ml benzină iar convertorul catalitic se încălzeşte pân

Intrarea rapidă în func

aerului admis în colector (la 40

lichidul de răcire atinge o temperatur

Page 440: Curs Motoare

PARTEA III – REDUCEREA POLUARII

440

O altă metodă prevede întârzierea aprinderii care determină arderea

onduce la creşterea temperaturii gazelor arse.

flarea de aer adiţional care conduce la postarderea HC şi

tru tratarea gazelor net oxidante area taliz te eficienţa

ţilor reduşi ai CO şi HC, pe

prin scânteie care funcţionează cu amestecuri sărace şi la

obţine reduceri eficiente ale emisiilor poluante numai

tori speciali pentru gaze de evacuare net

ate la formarea NOx sunt limitate şi privind în viitor limitele

NR)

atalitică non-selectivă (NCR)

ă (SCR)

7.2.3.1. Reducerea selectivă non-catalitică

Se utilizează în centralele termoelectrice şi agentul reducător este amoniacul

re la utilizarea amoniacului au loc la temperaturi

N6 2+ (17.22)

sau

242 +→+ (17.23)

amestecului în destindere ceea ce va c

Metoda se combină cu insu

care încălzeşte convertorul catalitic rapid.

17.2.3. Catalizatori penLa utiliz ca atorului cu trei căi pentru tratarea gazelor net oxidan

reducerii NOx descreşte şi apare oxidarea echivalen

catalizatorul din metal nobil.

La motoarele cu aprindere

motoarele Diesel se pot

dezvoltând o nouă generaţie de cataliza

oxidante.

Măsurile care pot fi aplic

care vor fi impuse, aceştia nu vor fi capabile să înscrie emisiile în noile standarde.

Există trei posibilităţi de reducere a NOx în mediul oxidant.

• Reducere selectivă non-catalitică (S

• Reducere c

• Reducere catalitică selectiv

1

sau ureea. Reacţiile de reduce

cuprinse între 800-1000 °C.

5NH4O →+ OH6N 23

OH 2 12N7NH8NO6

În cazul în care se utilizează ca agent reducător ureea temperatura de desfăşurare a

reacţiilor de reducere se găseşte în aceeaşi gamă (800…1100 °C).

Page 441: Curs Motoare

Mijloace pasive de reducere a emisiilor poluante la MAI

441

Necesitatea de a avea temperaturi ridicate precum şi implicaţiile pe care le prezintă

utilizarea amoniacului asupra sănătăţii fac ca această metodă să fie inoperantă în

cazul autovehiculelor.

O altă metodă propusă şi care lucrează la temperaturi mai reduse utilizează

compunere

un catalizator cu trei căi şi o serie de agenţi reducători. În general

catalizatorii pentru reducerea NOx sunt din metale nenobile. Aplicabilitatea cea mai

cător fiind hidrocarburile. Eficienţa conversiei

de funcţionare [°C]

Conversie NO [%]

Agent reducător

ca agent reducător acid cianuric. Acidul cianuric la temperaturi mai ridicate de 330°C

se descompune şi formează acid isocianic care reacţionează cu NOx la temperaturi

de peste 450°C. Dezavantajul metodei constă în faptul că reacţia de des

are loc la o temperatură mai redusă decât temperaturile de reducere a NOx, iar

fereastra de temperatură pentru reducere este foarte strânsă, în plus dacă

temperaturile gazelor sunt sub 310°C concentraţia de NO creşte.

17.2.3.2. Reducerea catalitică non-selectivă

Utilizează

răspândită o au zeoliţii iar agentul redu

se prezintă în tabelul 17.2.

Zeoliţii sunt aluminosilicaţii cu suport conţinând cationi ca: alcani sau pământuri

alcaline. Suportul este obţinut sintetic prin combinaţia AlO4 şi SiO4.

Tabelul 17.2. Eficienţa de conversie a NO

Tip Zeolit Elemente Temperatura

Modernit Cu 150-230 66 etilenă Cr, Fe, Mn, V, Cu

400-600 <15 etilenă

Co, Ni, Ag 400-600 <20 etilenă y Zeolit

Cu 630 44 butan x Zeolit Cu 280 60 propilenă

Ir, Pt, Ph 300 <40 etilenă Ni, Co 350 50 etilenă ZSM-5 Cu 350 50 etilenă

La utilizarea zeolitului modernit cu Cu se poate obţine o reducere a emisiilor

e NO de 66% în intervalul de temperatură 150-230°C folosind agent reducător

tilena. În cazul în care temperatura gazelor de evacuare depăşeşte limita

d

e

Page 442: Curs Motoare

PARTEA III – REDUCEREA POLUARII

442

superioară a intervalului de reducere eficacitatea de reducere se diminuează.

ezavantajul principal al acestui tip de catalizator îl reprezintă scăderea bruscă a

ficienţei în prezenţa apei.

Zeolitul cu Cu de tip ZSM-5 are proprietăţi hidrofobice însă eficacitatea

maximă este atinsă la aporilor de apă în

azele de evacuare diminuează şi în acest caz eficacitatea de reducere, astfel, 10%

(λ>1) au demonstrat că reducerea NOx este dependentă de

de conversie pentru gazele nitrate a fost de 45%. La

şterea vitezei

i

rbun

D

e

o temperatură mai ridicată. Prezenţa v

g

vapori de apă determină reducerea ratei de reducere de la 50% la 37% faţă de

modernit la care rata de reducere scade da la 37% la 17%.

Cercetări experimentale efectuate pe MAS după ciclul FTP care au funcţionat

cu amestecuri sărace

raportul dintre emisiile de hidrocarburi şi emisiile de hidrocarburi şi emisiile de oxizi

de azot. Cea mai ridicată rată

pornirea la rece, deoarece nu s-a atins temperatura optimă de reducere, rata a fost

de 15%. În timpul fazei calde a ciclului rata de reducere a NOx a fost de 30%. În faza

de accelerare raportul NOx şi HC a fost defavorabil reducerii NOx.

Utilizarea zeolitului drept catalizator la MAS este limitată de cre

gazelor prin catalizator. Îmbunătăţirea funcţionării catalizatorului poate fi realizată

prin mărirea volumului catalizatorului.

În cazul în care acest tip de catalizator se utilizează pentru reducerea NOx la

motoarele Diesel datorită emisiilor de hidrocarburi, pentru a se realiza procesul de

reducere trebuie să se introducă agentul de reducere. Cercetări experimentale au

arătat ca prin introducerea a 4700 ppm etilenă rata de reducere s-a mărit cu 15%.

Convertorul cu catalizator zeolitic este ineficient pentru reducerea NOx la motorul cu

aprindere prin comprimare.

17.2.3.3. Reducerea catalitică selectivă

Utilizează catalizatoare din metale nenobile bazate pe TiO2/V2O5, zeoliţi ş

că e activ. Convertoarele cu cărbune activ nu se aplică la reducerea NOx la

autovehicule din cauza pericolului de incendiu.

Reducerea catalitică selectivă poate utiliza ca agent reducător amoniacul. În

convertorul de reducere au loc o serie de reacţii paralele la care procentul depinde

de temperatura gazelor, concentraţia de oxigen, viteza gazelor prin convertor şi

selectivitatea catalizatorului utilizat.

Page 443: Curs Motoare

Mijloace pasive de reducere a emisiilor poluante la MAI

443

Reacţiile care au loc sunt următoarele:

OH6N5NO64 22 +→+ (17.24)

OH3ON5NO8NH2 223 +→+ (17.25)

OH6N4ONO4NH4 +→++

NH3

(17.26)

(17.28)

nu este dorit deoarece contribuie la efectul de seră.

tre 300 şi 380 °C. La

mperaturi superioare acestui interval, în prezenţa oxigenului au loc cu

preponderenţă reacţiile (17.24), (17.28) şi (17.30).

Utilizarea catalizatorului din V2O5 cu agent reducător amoniac este limitată de

gama îngustă de temperatură la care au loc reacţiile de reducere şi vitezele spaţiale

reduse (6000…10000 h-1).

Catalizatorii din zeolit utilizează amoniac realizează conversia NOx

independent de concentraţia de oxigen pe întreaga gamă de temperatură. În plus,

zeoliţii au o mare capacitate de a absorbi amoniacul şi în acest fel convertorul

stochează o cantitate relativ ridicată de agent reducător. Stocarea unei cantităţi

ridicate de amoniac dar întârzie intrarea în funcţiune a catalizatorului la temperaturi

reduse.

Procesul de reducere catalitică selectivă poate avea loc utilizând în locul

amoniacului care este toxic ureea care este mult mai sigură.

La temperaturi mai reduse de 160°C stratul de uree se descompune şi hidrolizează

după următoarele reacţii:

(17.31)

2223

OH6N4O3NO4NH4 2223 +→++ (17.27)

OH6N2O3NH4 2223 +→+

OH3ONO2NH2 2223 +→+ (17.29)

OH6NO4O5NH4 22 (17.30)

Reacţiile de la (17.24) la (17.28) reprezintă reducerea selectivă a oxidului de

azot iar reacţiile de la (17.29) la (17.30) sunt considerate reacţii secundare şi nu sunt

dorite. Compusul N

3 +→+

2O

Pentru reducerea emisiilor de NOx la motorul Diesel prezintă interes numai

reacţia (17.26) care are loc în gama de temperatură cuprinsă în

te

CONH2NHCONH 222 +•→−−

Page 444: Curs Motoare

PARTEA III – REDUCEREA POLUARII

444

222 OHNHCONH 23 CONH2 +→ (17.32)

reactiv NH2 poate reacţiona cu NO după ecuaţia:

(17.28). Prin

ate din descompunerea ureei cum ar fi

acidul cianuric, acidul cianic, cianatul de amoniu şi alte amine şi amide pot participa

întreaga gamă de temperatură de funcţionare. Peste 90% din oxizii de azot sunt

onolit de zeolit

ă de tipul Al2O3(H2) pe care s-a

at catalizatorul format din alumină gama (Al2O3)(β) pe un motor Diesel cu injecţie

x sunt reduse când se lucrează cu temperaturi ale

+−−

Descompunerea termică este confirmată de faptul că se dezvoltă CO iar NOx se

reduce. Radicalul

OHNNONH 222 +→+ (17.33)

Amoniacul format reacţionează cu NO după reacţiile (17.24) la

utilizarea ureei ca agent reducător NO poate fi redus până la 100% în gama de

temperaturi de 300-350 °C. Amoniacul nu este singurul agent reducător, radicalul

•NH2 sau alte produse intermediare rezult

în reacţiile de reducere.

Reducerea NOx este direct proporţională cu cantitatea de uree dată pa

reduşi când se utilizează un raport uree/NOx=0,5.

Cercetări experimentale au demonstrat că utilizarea unui m

poate reduce 50% din emisia de NOx la o viteză de deplasare a autovehiculului de

80km/h şi la un raport uree/NOx=0,4 la temperatura de 320 °C.

Convertorul utilizând drept catalizator zeolitul cu Cu poate reduce o cantitate

superioară de NOx faţă de orice catalizator cu metale nobile într-o gamă foarte largă

de combustibil-aer.

Utilizarea aluminei ca agent reducător pentru reducerea NOx la motorul Diesel

prezintă o excelentă durabilitate prin utilizarea metalonului ca agent reducător la

temperaturi coborâte în prezenţa unei concentraţii înalte de vapori de apă. Cercetări

experimentale efectuate cu un convertor din alumin

aplic

directă au arătat că emisiile de NO

gazelor de evacuare mai mari de 400°C cu un adaos redus de metanol. În cazul în

care metanolul se înlocuieşte cu propilenă gama de temperatură în care are loc

reacţia de reducere se măreşte, însă nivelul de reducere a NOx rămâne inferior

utilizării metanolului. Eficienţa de reducere a catalizatorului din alumină poate fi

mărită prin creşterea cantităţii de agent reducător. Prezenţa SO2 în gazele de

Page 445: Curs Motoare

Mijloace pasive de reducere a emisiilor poluante la MAI

445

evacuare dezactivează catalizatorul prin acumularea sulfului pe suprafaţa aluminei,

de asemenea SO3 este suspectat că participă la acest proces de dezactivare.

etodă eficientă de reducere a NOx,

Contaminarea catalizatorului cu Pb

ării.

upă

rse pe traiectul de evacuare pot avea loc următoarele

reacţii:

l2 + H2O (17.34)

iniţial se găseşte în stare de vapori.

S-a demonstrat că alumina, cu o concentraţie mică de alcani metalici şi pământuri

alcanice ale unor metale, reduce substanţial concentraţia de NOx la 400°C care

poate creşte până la 90% la o viteză spaţială de 10000 h-1 şi 3000 ppm metanol ca

agent reducător.

Pentru MAS şi MAC care au gaze de evacuare net oxidante reducerea

catalitică selectivă rămâne deocamdată singura m

fără a afecta emisiile de CO şi HC.

17.2.4. "Contaminarea" catalizatorului Diferite elemente prezente în combustibili (Pb, S, halogeni) sau în lubrifianţi

(P, Ca, Zn, B) tind prin activitatea lor să dezactiveze catalizatorul pentru tratarea

gazelor arse. Rata de dezactivare depinde de activitatea chimică a acestor elemente

în a se combina cu faza activă a catalizatorului sau în activitatea mecanică prin care

se blochează porii catalizatorului împiedicând accesul gazelor la suprafeţele active

ale catalizatorului.

17.2.4.1.

Diferiţi compuşi ai plumbului (oxizi, halogenaţi şi sulfaţi) sunt responsabili de

otrăvirea convertoarelor catalitice. Aditivii antidetonanţi pe bază de Pb conţin

halogenuri (cloruri şi bromuri) capabile să volatilizeze plumbul pe traiectul evacu

D arderea combustibilului în camera de ardere, aceşti compuşi conduc la

creşterea oxidului de plumb (PbO) şi a acizilor HCl, HBr. Arderea moleculelor de sulf

din combustibil şi a celor de fosfor din ulei generează SO2 şi oxizi de fosfor. La

nivelul înalt de temperatură din camera de ardere, posibilitatea de combinare a

acestor specii este limitată de termodinamica reacţiilor şi de stabilitatea chimică a

plumbului, oxidului de plumb şi a acizilor.

La răcirea gazelor a

PbO + 2HCl → PbC

PbO + 2HBr → PbBr2 + H2O (17.35)

Transferul plumbului din camera de ardere spre convertorul catalitic începe cu

PbO, care

Page 446: Curs Motoare

PARTEA III – REDUCEREA POLUARII

446

zele arse ating 850 - 900 °C,

gen â ntul de gaze sau se depun pe pereţii

or arse de 700 - 780 °C, clorurile si bromurile

formate co şi 300 °C.

Pe timpul transferului, particulele sau depozitele de PbO pot reacţiona cu

oxizii sulfu

În func

suprafaţa cat cule (PbO, PbSO4,

Pb3(PO4)2 azelor arse sau particule desprinse de pe pereţii

tubulaturii

dânc în porii masei catalitice în timp ce

rămân la suprafaţă. Când gazele arse conţinând produşii de ardere şi

ului ating catalizatorul, se desfăşoară următoarele

• mbului cu elementele catalitice active, formând aliaje plumb-

d

(17.37)

Aceşti vapori se condensează rapid când ga

er ndu-se particule fine care intră în cure

circuitului de evacuare. Particulele sau depozitele de plumb sunt atacate de HCl sau

HBr la un nivel de temperatură al gazel

ndensându-se la temperaturi cuprinse între 200

lui sau fosforului.

ţie de nivelul de temperatură, plumbul (PbO, PbCl2, PbBr2) poate atinge

alizatorului în stare de vapori sau sub formă de parti

) fine, formate în masa g

de evacuare.

Vaporii compuşilor de Pb pătrund a

particulele

amestecul de compuşi ai plumb

procese:

Combinarea plu

metal preţios, activitatea catalitică a metalului preţios diminuându-se

corespunzător cu conţinutul de plumb;

• Inhibarea reacţiilor de oxidare prin absorbţia preferenţială de către materialul

catalitic a compuşilor halogenaţi;

• Atacarea chimică a metalelor preţioase de către acizii halogenaţi cauzân

pierderi de material activ;

• Accelerarea sinterizării metalelor preţioase;

• Efecte mecanice rezultate din acumularea depozitelor de plumb la suprafaţa

catalizatorului (înfundarea porilor, distrugerea suportului).

Printre reacţiile care contribuie la fixarea plumbului pe catalizator, cele mai

importante le constituie formarea sulfaţilor şi oxisulfaţilor:

PbCl2 + SO3 + H2O → PbSO4 + 2HCl (17.36)

PbO + SO3 → PbSO4

nPbO + PbSO4 → nPbO, PbSO4 (17.38)

Reacţiile au loc datorită faptului că prezenţa catalizatorului facilitează reacţia

de formare a SO3.

SO2 + 1/2 O2 → SO3 (17.39)

Page 447: Curs Motoare

Mijloace pasive de reducere a emisiilor poluante la MAI

447

Stratul de sulfat de plumb se formează la temperaturi în jur de 550 °C şi se

poate sparge în jurul temperaturii de 600 °C, ceea ce conduce la restabilirea parţială

a activităţii catalitice de oxidare a HC şi CO.

Altă reacţie care participă la fixarea plumbului este:

nPbO + PbCl2 → nPbO, PbCl (17.40)

Oxidul de plumb poate reacţiona cu oxizii fosforului:

3(PbO) + P2O3 → Pb3(PO4)2 (17.41)

Al2O3 → PbAl2O4 (17.42)

ă de înfundarea porilor.

egenerare parţială a convertoarelor catalitice otrăvite cu plumb se

ul tinde să acopere uniform cristalele

La temperaturi ridicate, o parte din speciile formate la temperaturi joase se pot

descompune iar produşii sunt emişi în atmosferă sau sunt absorbiţi de către suportul

convertorului după reacţia:

PbO +

Efectul dăunător al plumbului poate fi datorat acoperirii catalizatorului sau

înfundării porilor suportului. La o depunere moleculară (≤ 1% PbO) la oxidarea CO

nu-şi manifestă efectul dăunător, din contră, poate coborî temperatura de intrare în

funcţiune a catalizatorului. Depăşirea unui singur strat molecular de plumb va duce la

inhibarea reacţiilor de conversie a CO. În cazul concentraţiilor ridicate (peste 5%) de

PbO rata de conversie a CO este inhibat

Catalizatorul contaminat prin efecte chimice combinate cu acoperirea

cristalelor de metal preţios poate fi regenerat prin încălzire la aproximativ 500 °C într-

o atmosferă fără plumb. Deschiderea porilor înfundaţi de către depozite de sulfaţi de

plumb se poate realiza prin încălzire la o temperatură mai mare de 900 °C.

Efectul de otrăvire cu plumb este mai pronunţat la paladiu decât la platină în

special la temperaturi reduse.

O r

realizează prin spălare cu acid acetic. Metoda impune însă demontarea convertorului

catalitic.

"Otrăvirea" cu plumb este agravată de prezenţa halogenaţilor care sunt

absorbiţi selectiv de către catalizator şi plumb

materialului activ. Acest efect este mai pronunţat la paladiu comparativ cu platina.

Page 448: Curs Motoare

PARTEA III – REDUCEREA POLUARII

448

Convertoarele catalitice cu trei căi, bazate pe metale preţioase tind să reziste

la prezenţa plumbului dacă gazele de evacuare au un nivel de temperatură mai mare

de 500 °C şi nu conţin compuşi halogenaţi.

Problema contaminării cu plumb a convertoarelor catalitice este eliminată prin

utilizarea benzinelor neaditivate cu compuşi ai plumbului.

17.2.4.2. Contaminarea cu fosfor

Prezenţa fosforului în gazele de ardere se datorează impurităţii combustibilului

şi/sau utilizării aditivilor în lubrifiant (zinc dialchilditiofosfat). Conţinutul de fosfor din

combustibilul neaditivat este scăzut (~ 0,02 mg/l) şi mai ridicat în ulei (1,2 g/l).

Fosforul acţionează în sensul reducerii mai pronunţate a ratei de conversie a

CO în comparaţie cu rata de conversie a NO la arderea amestecurilor

stoichiometrice.

Amestecurile de oxizi ai calciului şi zincului sau fosfaţii, se depun pe

suprafeţe-le catalizatorilor spălate de gazele arse sau înfundă porii producând

scăderea ratei de conversie a CO, HC şi NOx.

17.2.4.3. Contaminarea cu sulf Metalele de tranziţie formează foarte uşor sulfaţi în comparaţie cu metalele

preţioase. Formarea sulfaţilor necesită oxidarea SO2 în SO3 care este uşurată de

acţiunea catalitică a materialelor preţioase. Există cazuri când SO2 determină la

convertoarele cu trei căi reducerea ratei de conversie a CO, HC şi NOx. În anumite

condiţii SO2 poate disocia la suprafaţa metalului preţios în oxigen şi sulf care este

puternic depozitat pe metalul activ.

17.2.5. Filtrul de particule Emisiile de particule pot fi diminuate prin amplasarea pe conducta de

evacuare a filtrelor de particule. Filtrele de particule se clasifică după mai multe

criterii:

a) după principiul de reţinere a particulelor:

- mecanică;

- electrostatică;

b) după materialul filtrant:

- ceramice;

Page 449: Curs Motoare

Mijloace pasive de reducere a emisiilor poluante la MAI

449

- metalice;

c) după metoda de regenerare:

- termică:

- cu arzător cu flacără;

- cu încălzire electrică;

- chimică:

- depunere de material catalizator pe suportul filtrant;

- aditivarea combustibilului;

- injectare de aditiv în curentul de gaze arse;

- combinată;

- mecanică;

d) după periodicitatea regenerării:

- periodică;

- continuă;

Filtrele de particule destinate autovehiculelor trebuie să îndeplinească o serie

de cerinţe impuse de funcţionarea motoarelor cu ardere internă. Dintre aceste

cerinţe, mai importante sunt următoarele:

eficienţă ridicată;

rezistenţă aerodinamică redusă;

rezistenţă la solicitări mecanice şi vibraţii;

cost relativ redus.

17.2.5.1. Mecanismele filtrării În filtrele de particule au loc trei procese ale gazelor arse:

• difuzia;

• intercepţia;

• impactul inerţial.

Page 450: Curs Motoare

PARTEA III – REDUCEREA POLUARII

450

Fig. 17.8 Mecanismele filtrării

La reţinerea prin difuzie, particulele sunt suficient de mici pentru a intra în

l de

i pot fi

reţinute la intrarea în interstiţii iar particulele de dimensiuni reduse pot fi reţinute pe

mişcare browniană prin ciocnirea cu moleculele de gaz. Particula este reţinută când

ajunge în contact cu suprafaţa fibrei sau porului.

În cazul în care particula este suficient de mare pentru a nu mai fi supusă

mişcării browniene dar prea mică pentru a avea inerţie proprie, este reţinută prin

intercepţie. Particula urmăreşte curentul de gaze şi este capturată dacă curentu

gaze cade pe suprafaţa porilor sau fibrelor.

Particulele mari, având suficientă inerţie, nu mai urmăresc curentul de gaze

când acesta este deviat de suprafaţa fibrelor sau porilor. Particula este capturată,

prin impact, pe suprafaţa care a determinat devierea curentului de gaze.

Aceste trei mecanisme acţionează diferit în funcţie de mărimea particulei,

viteza aerosolului şi diametrul porilor şi fibrelor. Reţinerea prin difuzie este

predominantă în cazul particulelor mici, la un curent de gaze de viteză redusă şi cu

un timp de rezidenţă în filtru lung. Intercepţia particulelor este mai eficientă când

raportul dintre mărimea particulelor şi mărimea porilor sau fibrelor, creşte. Reţinerea

prin impact inerţial este mai eficientă la debite mari de gaze şi particule de

dimensiuni mari.

17.2.5.2. Filtrul cu reţinere mecanică Principiul filtrului cu reţinere mecanică constă în trecerea gazelor de evacuare

prin interstiţiile materialului filtrant unde particulele de dimensiuni mai mar

Page 451: Curs Motoare

Mijloace pasive de reducere a emisiilor poluante la MAI

451

suprafaţa interstiţiilor sau în spaţiile oferite în interiorul materialului filtrant prin inerţie,

nolit, spumă şi

u trei căi. Monolitul ceramic are secţiunea

transversală circulară sau ovală şi aspect de fagure datorită canalelor longitudinale

ilizat este cordieritul.

ic

ereţii despărţitori poroşi.

ere care se

care au formă de canale în adâncime, unele din ele fiind obturate la capăt. Gradul de

la schimbarea sensului de curgere al microdebitelor de gaze arse. Dintre cele mai

utilizate materiale pentru construcţia filtrelor cu reţinere mecanică sunt filtrele

ceramice şi filtrele metalice.

a) Filtrul ceramic Filtrele din material ceramic pot fi construite sub formă de mo

fibre ceramice.

Filtrul monolit ceramic se aseamănă din punct de vedere constructiv cu

monolitul convertorului catalitic c

de secţiune pătrată care îl străbat. Materialul ut

Fig. 17.9 Filtrarea prin monolit ceramic

Canalele longitudinale sunt obturate alternativ cu capace din material ceram

pentru ca gazele arse să fie obligate să treacă prin p

Grosimea pereţilor despărţitori ai canalelor este mai mare decât la monolitul

convertorului catalitic.

Mărimea porilor pereţilor despărţitori influenţează eficienţa de reţin

poate situa între 40% şi 90%.

În timpul funcţionării, particulele se depun pe suprafaţa canalelor şi în

interiorul porilor, determinând creşterea contrapresiunii în amonte de filtru ceea ce

determină la scăderea performanţelor energetice şi de consum ale motorului. În

aceste condiţii, filtrul, periodic trebuie supus procesului de regenerare.

Filtrul din spumă ceramică este realizat sub formă de monolit din SiC sau

cordierit. Acest filtru are pori cu mărimea diametrului cuprinsă între 250 şi 500 µm

Page 452: Curs Motoare

PARTEA III – REDUCEREA POLUARII

452

reţinere este scăzut (60-70%). Pentru a reduce căderea de presiune în filtru şi a

uniformiza distribuţia masei de funingine colectate, canalele înfundate sunt

irecţio

naintea regenerării. Eficienţa acestui tip de filtru este de 70-75%.

cu orificii

sau tricotare din care rezultă o

ţă la temperaturi ridicate, eficienţă

dicată

tului şi

d nate în lungul monolitului din spumă ceramică. Această structură asigură o

distribuţie mai bună a flăcării pe timpul regenerării. Acest filtru este confecţionat din

spumă poliuretanică impregnată cu o pastă ceramică.

Spuma microporoasă poate fi realizată şi din cordierit ca matrice şi întărită cu

un amestec ceramic denumit mullit (3Al2O3 - 2SiO2). Filtrul este prevăzut la ieşirea

gazelor cu o membrană de cordierit/mullit pentru a se preveni emisia de particule la

încărcarea filtrului î

Filtrele ceramice din fibre ceramice neţesute utilizează fibre acoperite cu

răşini. Structura oferă un număr mare de pori fini (diametrul 10 µm), distribuiţi pe o

suprafaţă şi adâncime mari. Cartuşul filtrant se obţine prin înfăşurarea firelor realizate

din fibre ceramice pe o conductă din material ceramic sau oţel prevăzută

pentru trecerea gazelor arse. Grosimea înfăşurării de fire ceramice este de 10-12

mm. Gazele arse traversează înfăşurarea din fibre ceramice, particulele fiind reţinute

în porii oferiţi de aceasta deoarece conducta pe care se găseşte înfăşurarea este

înfundată la capătul de ieşire .

Acest filtru rezistă mai bine la şocurile termice comparativ cu monolitul

ceramic. Curentul de gaze arse străbate înfăşurarea de fire ceramice dinspre exterior

spre interior. Eficienţa filtrului este mai mare de 80%.

La construcţia elementului filtrant ţesut se utilizează fibre ceramice care

folosesc ca materiale carbonul, carbonul activ, sticla, oxizii de aluminiu, carbura de

siliciu şi materiale ceramice.

Elementul filtrant se realizează prin ţesere

structură volumică cu pori deschişi după care împletitura este pliată spiralat sau rulat.

Filtrul ceramic din fibre ceramice prezintă o serie de avantaje care îl

recomandă a fi utilizat la autovehicule: rezisten

ri de reţinere a particulelor de dimensiuni mici, reţinere uniformă a particulelor,

rezistenţă la şocuri termice, mecanice şi vibraţii, efect de reducere a zgomo

uşurinţa regenerării.

O soluţie care răspunde cerinţelor impuse filtrelor de particule o constituie

confecţionarea sub formă de cartuş filtrant din hârtie ceramică.

Page 453: Curs Motoare

Mijloace pasive de reducere a emisiilor poluante la MAI

453

b) Filtrul metalic poros Filtrele metalice, pentru a rezista acţiunii corozive a gazelor arse, se

onstruiesc din aliaje Ni-Cr. Filtrul este alcătuit din mai mulţi cilindri concentrici, din

aliaj Ni-Cr poros.

ărimi ale porilor pereţilor cilindrilor care alcătuiesc

ltrele ceramice prezintă avantajul unei rezistenţe sporite la şocuri termice şi

.

stituie filtrul de particule realizat din fibre metalice din oţel

rarea de noi poluanţi datorită acţiunii unui câmp electric

diţion

ste necesar să se utilizeze numai încărcarea electrică naturală a

l evacuării. Însă, cum motorul autovehiculelor

c

Prin alegerea de diferite m

filtrul (pori mari la cilindrii de intrare a gazelor arse) se pot atinge performanţele de

filtrare ale filtrelor ceramice.

Fi

mecanice, asigurându-se o durabilitate suficientă de exploatare

O altă soluţie o con

inoxidabil acoperite cu y-alumină. Eficienţa acestui tip de filtru este cuprinsă între

68% şi 80%.

17.2.5.3. Filtrul de particule electrostatic

Filtrarea electrostatică este aplicată cu succes în industrie pentru reţinerea

prafului. Tehnologia de filtrare electrostatică poate fi aplicată şi la filtrarea gazelor de

evacuare. pentru reţinerea şi coagularea particulelor emise de motor

Pentru a se evita gene

a al (efect Corona) care se aplică în amontele filtrului pentru a încărca electric

particulele, e

particulelor. S-a demonstrat că mai mult de 80% din masa de particule emise sunt

încărcate electric. Particulele emise de motor sunt uscate şi în acest caz este posibil

ca rata de reţinere a acestora să se situeze între 70% şi 90%. Tensiunea electrică

care se aplică este de 4000V.

Sistemele de reţinere electrostatică trebuie să elimine scurtcircuitul datorat

depunerilor de carbon.

17.2.6. Regenerarea filtrelor Particulele emise în gazele de evacuare de motorul Diesel conţin în principal

particule de carbon (funingine). Motorul Diesel funcţionând cu amestecuri aer-

combustibil sărace (λ>1), determină existenţa unei cantităţi de oxigen în gazele de

evacuare. În cazul în care temperatura gazelor este suficient de înaltă, particulele

emise sunt oxidate pe traiectu

Page 454: Curs Motoare

PARTEA III – REDUCEREA POLUARII

454

fu nează într-o multitudine de regimuri (turaţie şi sarcină), şi temperatura gazelor

de evacuare se va situa într-o gamă largă.

La valori reduse ale temperaturii gazelor arse, particulele se acumulează în

filtre şi determină creşterea contrapresiunii de ev

ncţio

acuare. Pentru a reda filtrului

apacitatea de funcţionare, funinginea trebuie îndepărtată, proces care poartă

rare a filtrului. Metodele utilizate pentru regenerare sunt:

primat.

filtrul trebuie înlocuit din cauza creşterii ireversibile a căderii de

resiune din filtru datorate înfundării cu materiale necombustibile (cenuşă minerală).

în aditivii metalici ai lubrifiantului şi în sulful conţinut

distruge.

are a depozitelor de particule din filtre se pot împărţi în două

categorii:

c

denumirea de regene

regenerare termică - la care temperatura gazelor trebuie să se situeze între 550 şi

600 °C, pentru oxidarea depozitelor de funingine;

regenerare chimică - prezenţa materialelor catalizatoare permite desfăşurarea

reacţiilor de oxidare la temperaturile gazelor arse;

regenerare mecanică - prin suflare cu aer com

Regenerarea filtrelor le menţine în funcţiune prin oxidarea particulelor

combustibile, pe durata unui parcurs cuprins între 100000 şi 150000 km. După

această perioadă

p

Această cenuşă îşi are originea

în combustibil. Pentru a menţine durata de viaţă a filtrelor este necesar să se

utilizeze combustibil cu conţinut redus de sulf şi lubrifiant, care prin ardere nu dau

cenuşă.

Trebuie avut în vedere la alegerea filtrelor de particule ca acestea să nu

acumuleze o cantitate ridicată de particule deoarece se prelungeşte timpul de

regenerare iar căldura care apare în filtru la oxidarea funinginii îl poate

La motoarele turbosupraalimentate, pentru a menţine filtrul la un nivel ridicat

de temperatură şi pentru a preveni răcirea gazelor arse prin destinderea în turbină,

filtrul se montează între motor şi turbina cu gaze. Aceasta schemă de amplasare a

filtrului poate conduce la deteriorarea turbinei în cazul în care elementul filtrant este

distrus. De aceea, sunt fabricanţi care pentru siguranţă amplasează filtrul după

turbină, utilizând metode adiţionale de ridicare a temperaturii gazelor arse pentru a

iniţia oxidarea particulelor.

17.2.6.1. Regenerarea termică

Metodele de ridicare a temperaturii gazelor de evacuare pentru desfăşurarea

reacţiilor de oxid

Page 455: Curs Motoare

Mijloace pasive de reducere a emisiilor poluante la MAI

455

• metode care ţin de motorul cu ardere internă;

• metode care aduc un aport de energie.

Metodele care se aplică motorului cu ardere internă pentru ridicarea

temperaturii gazelor de evacuare sunt:

1. funcţionare la sarcină plină la turaţii ridicate;

2. întârzierea injecţiei;

3. încălzirea aerului admis în motor;

4. aplicarea unui sistem în care gazele arse să ocolească turbosuflanta iar

eea ce priveşte stabilitatea termică.

funcţie de conţinutul de

de oxigen mai redus (570 °C

trec

deoarece

oxidarea funinginii din partea de intrare în filtru determină ridicarea temperaturii

aerul de admisie să ocolească răcirea intermediară;

5. obturarea admisiei;

6. obturarea evacuării;

Metodele cu aport de energie termică sunt:

- electrică:

- cu rezistenţă electrică;

- microunde;

- electrostatic;

- cu arzător - cu combustibil lichid sau gaz; prin amplasare, în amontele filtrului de

particule, a unui convertor catalitic de oxidare;

Regenerarea termică pune probleme în c

Aceste probleme sunt evitate utilizând pentru filtre materiale cu coeficient mic de

dilatare. Elementul filtrant este supus la solicitări de oboseală termice şi mecanice.

Regenerarea termică necesită un conţinut de oxigen suficient şi un nivel de

temperatură relativ ridicat pentru a realiza oxidarea particulelor reţinute în filtru.

Nivelul de temperatură la care are loc regenerarea este în

oxigen. O temperatură ridicată necesită un conţinut

pentru 6% O2 şi 750 °C pentru 2% O2). Minimul nivelului de temperatură la care are

loc activarea reacţiilor de oxidare a funinginii este de 570 °C.

În cazul motorului supraalimentat cantitatea de oxigen din gazele de evacuare

este mai mare decât la motorul cu aspiraţie naturală.

Pe timpul regenerării, condiţiile de funcţionare a motorului nu trebuie

schimbate brusc pentru a nu modifica temperatura şi debitul gazelor arse care

prin filtrul de particule.

În cazul monolitului ceramic apar dificultăţi în regenerarea termică

Page 456: Curs Motoare

PARTEA III – REDUCEREA POLUARII

456

gazelor care tind să treacă prin pereţii filtrului şi aprind funinginea din avalul filtrului.

Gazele fierbinţi pot topi filtrul în partea din aval c eare ste încărcată cu funingine pe

u în timpul regenerării. În acest caz, gazele trec

rului.

a) Regenerare termică prin metode de ridicare a temperaturii gazelor arse

temperatură este atins datorită

sfăş

emisiilor de CO si HC. Procedeul implică adoptarea unui

ispozitiv special destinat acestui scop.

Încălzirea aerului admis în motor determină ridicarea temperaturilor ciclului

motor şi în consecinţă şi nivelul de temperatură al gazelor de evacuare. La motoarele

cu aspiraţie naturală, încălzirea aerului admis în motor se poate realiza prin utilizarea

unor dispozitive auxiliare electrice sau arzătoare cu flacără. În cazul motoarelor

turbosupraalimentate cu răcire intermediară, ridicarea nivelului de temperatură a

aerului se poate realiza printr-un circuit care scurtcircuitează schimbătorul de căldură

al aerului.

Un alt procedeu de regenerare termică a filtrului îl constituie obturarea

admisiei aerului care determină formarea în cilindrii motorului a unor amestecuri

bogate care prin ardere fac posibilă creşterea temperaturii gazelor arse într-o gamă

largă de regimuri de funcţionare ale motorului.

Obturarea admisiei aerului determină creşterea pierderilor mecanice ale

motorului prin mărirea pierderilor prin pompaj, puterea efectivă a motorului fiind

celelalte părţi ale pereţilor. O metodă de eliminare a acestui efect este cea de

inversare a curgerii gazelor prin filtr

prin perete şi sunt încălzite de arderea unei cantităţi mai reduse de funingine. Acest

procedeu necesită o energie termică mai ridicată pentru a activa procesul de oxidare

a funinginii. Procedeul are avantajul de a elimina şi reziduurile minerale acumulate în

pereţii filt

Funcţionarea motorului la sarcină plină şi turaţii ridicate implică obţinerea unor

temperaturi ridicate ale gazelor de evacuare care pot iniţia oxidarea funinginii reţinute

în filtrul de particule însă eficienţa metodei este scăzută, ea trebuind să fie combinată

cu un alt procedeu.

Întârzierea injecţiei combustibilului pe perioada regenerării filtrului de particule

poate ridica temperatura gazelor arse la nivelul impus de iniţierea reacţiilor de

oxidare a funinginii (peste 570 °C). Acest nivel de

de urării procesului de ardere pe perioada cursei de destindere. Metoda implică

pe perioada regenerării diminuarea parametrilor energetici şi creşterea consumului

de combustibil şi a

d

Page 457: Curs Motoare

Mijloace pasive de reducere a emisiilor poluante la MAI

457

diminuată pe perioada regenerării filtrului. Gradul de obturare al admisiei trebuie să

titate de oxigen în gazele de evacuare de 2-5% pentru a se preveni

tempe

indepe ă iniţierea procesului de oxidare a funinginii

oxidăr

Obturarea evacuării poate constitui o metodă de curăţire a filtrului de particule.

gener rsei

motor ere şi a creşterii lucrului mecanic de

natural datorit ă creşterea căderii

particu uterii efective a

turaţia itul de combustibil pe ciclu, ceea ce va

combu egenerare se poate realiza la o viteză a

presiune din filtru s

autove rii utilizat pentru regenerarea filtrului

de co

amestecului aer-combustibil şi a diminua cantitatea de oxigen necesară oxidării

sub control electronic.

încărc la sarcini termice excesive.

Temperatura gazelor de evacuare la intrarea în filtru trebuie limitată la 650 °C pentru

a nu distruge filtrul prin supraîncălzire pe timpul oxidării funinginii. Pe timpul

asigure o can

formarea excesivă a fumului şi particulelor. Rata regenerării creşte cu mărirea

raturii gazelor arse insă după atingerea nivelului de 600 °C, rata oxidării este

ndentă faţă de temperatură. Dup

obturarea admisiei este deschisă complet pentru a se asigura oxigenul necesar

ii particulelor.

Prin acest procedeu, cantitatea de gaze reziduale din camera de ardere creşte şi va

a o temperatură mai ridicată a gazelor din camera de ardere la începutul cu

de comprimare. Metoda are dezavantajul diminuării randamentului de funcţionare al

ului datorită reducerii coeficientului de umpl

pompaj, care va fi disipat în căldură în gazele de evacuare. Procesul decurge în mod

ă înfundării progresive a porilor filtrului care determin

de presiune pe evacuare cu o reducere a debitului de gaze arse care răcesc filtrul de

le. Înfundarea filtrului de particule implică o diminuare a p

motorului datorită creşterii contrapresiunii de evacuare aşa ca pentru a menţine

acestuia trebuie să se mărească deb

conduce la creşterea temperaturii gazelor de evacuare şi a consumului de

stibil (cu aprox 8%) . Procesul de r

autovehiculului de 30 km/h.

Dacă sistemul este montat pe un autocamion, acesta poate fi asociat cu un

sistem bypass pentru gazele arse care poate fi activat înainte ca valoarea căderii de

ă atingă limita maximă pentru a nu diminua dinamicitatea

hiculului. Sistemul de obturare al evacuă

de particule necesită un sistem electronic de control al clapetei de obturare. În

acelaşi timp, este necesar ca sistemul de recirculare a gazelor să fie reglat în funcţie

ntrapresiunea gazelor de evacuare pentru a nu deteriora procesul de ardere a

funinginii. Obturarea evacuării se realizează printr-o clapetă acţionată de un sistem

În timpul regenerării filtrului este preferabil ca motorul să nu fie

at pentru a nu supune piesele camerei de ardere

Page 458: Curs Motoare

PARTEA III – REDUCEREA POLUARII

458

regenerării filtrului consumul de combustibil creşte cu aproximativ 30% însă

mul general al autovehiculului pe perioada de funcţionare nu creşte cu mai

e 1%. Obturarea evacuării pentru regenerarea filtrului de particule se

consu

mult d aplică

b) Reg electrice

t mai multe tipuri de sisteme de încălzire cu rezistoare,

tenţe sub

funing ul încălzirii filtrului la

condu rin filtrul supus procesului trece numai

de gaz l unei supape.

rezisto

(câţiva mm). Aceste rezistenţe ar fi mai eficiente dar s-ar găsi în contact direct cu

subelementele fiind activate succesiv. Rezistenţa sub formă de fire consumă

prin în

avea valori de aproximativ 1000 °C, temperatură care poate fi diminuată prin

i oxidării poate fi obţinută prin amplasarea în faţa

arse. entru suprafaţa de

monolit cu un diametru de 30 cm cel puţin 30 kW pentru câteva minute (13 A la 20

consu pi a 30 s.

să se

numai la motoarele cu aspiraţie naturală.

enerarea termică utilizând sistemeb1) Regenerarea utilizând rezistoare electrice

În timp, s-au utiliza

rezistor în formă de spirală, rezistor de tipul bujiei cu incandescenţă şi rezis

formă de fir introduse în filtru. Aceste sisteme s-au dovedit incapabile să oxideze

inea fără a adăuga catalizatori în combustibil. Pe timp

temperatura de regenerare, gazele arse sunt deviate pe un alt filtru sau pe o

ctă de ocolire iar pe timpul regenerării p

o parte din gazele arse care furnizează oxigenul necesar oxidării funinginii. Debitul

e necesar regenerării este controlat cu precizie cu ajutoru

Pentru a economisi energia electrică preluată de la bateria autovehiculului,

arele se amplasează cât mai aproape posibil de intrarea în filtrul de particule

filtrul dar soluţia are dezavantajul distrugerii rezistenţei prin coroziune.

Rezistenţa poate fi împărţită în subelemente şi distribuite uniform,

aproximativ 400 W în câteva secunde de funcţionare, ea fiind acoperită cu funingine,

călzire se iniţiază oxidarea. Temperatura atinsă prin arderea funinginii poate

utilizarea de aditivi în combustibil (80mg/l Mn + 20 mg/l Cu) la 650 °C.

Îmbunătăţirea randamentulu

rezistenţei sub forma unei plăci perforate a unui distribuitor al curentului de gaze

În acest caz, este necesar la intrare aproximativ 5,5 W/cm2 p

intrare a monolitului care urmează a fi regenerat. Aceasta înseamnă pentru un

V). Pentru un monolit cu diametrul de 127 mm, 6 elemente acoperind 60 cm2 şi

mând 60 W/cm2 asigură iniţierea oxidării în şase tim

Pentru a se asigura o putere electrică consumată instantanee redusă trebuie

utilizeze regenerarea secvenţială a filtrului.

Page 459: Curs Motoare

Mijloace pasive de reducere a emisiilor poluante la MAI

459

La iniţierea oxidării particulelor reţinute, fiecare element al monolitului necesită

de 10 W pe rezistorul introdus în canal. Pe autobuze de exemplu, filîn jur trul este

r

putere

către un compresor adiţional. Această tehnologie evită şocurile termice ale

rezisto

electri t pentru ca temperatura

reţinut

b2) Re

funing 60% si 70% la o

mater nd practic transparent la microunde

it

că a filtrului constituie o barieră pentru microunde

amont

unde.

livrând o putere de 1kW (pentru 400 şi 600 s) pentru a oxida particulele, după care

cuptorul de microunde trebuie rotit fie emitorul, fie receptorul. În cazul monolitului

ceramic, soluţia o reprezintă înlocuirea capacelor canalelor din material ceramic din

amontele monolitului cu capace din material ceramic amestecat cu ferită. Ferita are

bune proprietăţi dielectrice şi pierderi magnetice ridicate. Când se atinge punctul

Curie, susceptibilitatea magnetică a feritei este nulă. În acest caz, capacele cu ferită

joacă rolul unor bujii cu incandescenţă care vor iniţia oxidarea particulelor depuse în

fiecare canal iar emitorul de microunde este deconectat când aceste capace vor

atinge punctul Curie, ceea ce va elimina supraîncălzirea monolitului ceramic.

împă ţit în şase segmente, fiecare consumând alternativ în jur de 1300 W în 40 s,

compatibilă cu nivelul capacităţii bateriei.

Într-o altă configuraţie, filtrul este spălat cu un contracurent de aer livrat de

monolitului şi puterea rezistorului se reduce de la 1 kW la 200 W. Sistemele cu

r electric sunt în întregime automatizate.

Un sistem alternativ îl constituie preîncălzirea aerului admis cu un sistem

c (24 kW la 24 V timp de 5 minute) care este suficien

gazelor să atingă filtrul la valoarea de 250 °C care să iniţieze oxidarea particulelor

e. Această tehnologie se poate aplica la mersul la ralanti când debitul de aer

care este admis în motor este minim.

generare termică utilizând pierderile în dielectric Sistemul utilizează proprietăţile microundelor pentru încălzirea selectivă a

inii care le absoarbe cu un randament energetic cuprins între

frecvenţă de aproximativ 2,45 GHz. Încălzirea funinginii se realizează fără ca

ialul ceramic să fie afectat, acesta fii

dator ă constantei dielectrice scăzute şi a factorului mic de pierdere în dielectric.

În plus, carcasa metali

prevenind scăparea lor în exterior prin reflectarea lor către filtrul de particule. În

ele filtrului se montează un magnetron care are conectat la el un ghid axial de

Pe timpul regenerării, o parte din debitul de gaze este deviat, magnetronul

debitul de gaze arse prin filtru este restabilit. Pentru a uniformiza încălzirea, ca şi la

Page 460: Curs Motoare

PARTEA III – REDUCEREA POLUARII

460

3) Regenerarea termică utilizând sistemul electrostatic În acest caz monolitul ceramic este tubular iar canalele de trecere a gazelor

unt deschise la ambele capete ca în cazul monolitului convertorului cu trei căi. În

centrul monolitului se montează electrozii cu încărcare electro

portantă datorită canalelor monolitului, deschise la ambele capete.

Tensiunea aplicată pe electrozi se situează între 20 şi 25 kV iar puterea cerută

filtrul de particule are o funcţionare complicată

temperatură mai mare de 540 °C. La sistemul cu arzător în serie, cu utilizarea

xcesului de oxigen din gazele de evacuare, atât pentru arderea combustibilului

rzătorului cât şi pentru oxidarea funinginii, arzătorul poate numai să iniţieze

s

statică.

Acest sistem asigură oxidarea continuă a funinginii formate în motor.

Randamentul instalaţiei este în jur de 90% fără a cauza o cădere de presiune

im

este de 2 W pentru fiecare kW putere motor. Mecanismele de regenerare în acest

sistem nu sunt pe deplin explicate.

17.2.6.2. Regenerarea cu arzător cu flacără

Pentru regenerarea filtrelor de particule pot fi utilizate arzătoare alimentate cu

propan sau motorină cu aprindere prin scânteie sau aprindere catalitică.

Arzătoarele utilizate pentru condiţionarea aerului sau pentru încălzirea

lichidului de răcire pentru favorizarea pornirii la rece pot fi redirecţionate şi pentru

regenerarea filtrului de particule.

S-au dezvoltat mai multe scheme de dispunere a arzătorului şi a parcursului

de gaze pe timpul procesului:

devierea debitului de gaze în afara filtrului pe timpul regenerării (printr-o conductă

bypass);

utilizarea a două filtre de particule în paralel (unul în serviciu, altul în regenerare);

utilizarea arzătorului fără devierea curentului de gaze arse.

În primele două cazuri este nevoie de o supapă pentru devierea curentului de

gaze în timpul regenerării. Cele două filtre paralele nu funcţionează normal simultan

pentru a oferi o cădere de presiune cât mai redusă în sistemul de filtrare.

Arzătorul plasat în serie cu

deoarece el trebuie să funcţioneze în condiţiile regimurilor variabile ale motorului şi

consumul de combustibil este mai mare (3,8% în loc de 1,8% la sistemele cu

bypass), deoarece trebuie să se ridice temperatura întregului curent de gaze arse la

o

e

a

Page 461: Curs Motoare

Mijloace pasive de reducere a emisiilor poluante la MAI

461

oxidarea funinginii din filtru în condiţiile reducerii cuplului oferit de motorul cu ardere

internă.

La sistemele de regenerare cu arzător cu devierea curentului de gaze arse,

condiţiile de funcţionare ale acestora sunt independente de condiţiile de funcţionare

er

ţine constant.

ăseşte suficient oxigen. Pentru a uşura iniţierea procesului de

utilizează un pulverizator rotativ, acţionat de un motor electric, care să

ălarea întregii suprafeţe frontale a filtrului de către flacăra generată prin

şi temperatura să crească într-un timp relativ scurt (câteva

900-1000 °C. Este necesar să se menţină un curent de aer la arzător

entru a preveni depunerea de particule pe bujia de aprindere. Dacă arzătorul

de ae . Pompa de aer poate consuma în funcţie

torină, pulverizarea acesteia

necesită aer comprimat ,livrat de către o pompă de aer de joasă presiune şi

preîncălzirea aerului, pentru a uşura aprinderea.

Pulverizatorul de motorină al arzătorului, când nu este în funcţiune este spălat

de către un curent de aer pentru a preveni înfundarea cu particule a acestuia.

Arzătorul poate fi pus în funcţiune când se atinge căderea de presiune limită

din filtru sau la un anumit debit de gaze limită, care trece prin filtru măsurat cu un tub

Venturi. Sistemul este controlat de un ceas care ia în calcul timpul necesar

regenerării filtrului.

ale motorului. Necesitatea de oxigen este acoperită de o pompă care debitează a

pe timpul iniţierii şi oxidării particulelor reţinute în filtru. Pentru a se evita vârfurile de

temperatură pe timpul oxidării particulelor, puterea termică a arzătorului se reduce

după ce temperatura în filtru a atins 750 °C, în timp ce debitul de aer livrat se

men

Sistemul cu un singur filtru de particule cu sistem de deviere a gazelor arse pe

timpul regenerării va deversa în atmosferă gaze arse nefiltrate pe durata procesului.

Se estimează că pe timpul regenerării filtrului (estimat la 9 min.) emisiile instantanee

de particule vor creşte cu 26% iar cele de CO cu 17%.

La arzătoarele cu propan se prevede un rezervor suficient pentru 80000 km, o

pompă de aer şi un rezervor de aer tampon. Pompa de aer poate lipsi dacă în gazele

de evacuare se g

oxidare se

asigure sp

arderea propanului

secunde) la

p

utilizează oxigenul din gazele de evacuare, trebuie să se insufle un debit permanent

r pentru a menţine pulverizatorul curat

de debitul livrat o putere cuprinsă între 0,7 şi 3 kW.

În cazul în care se utilizează în arzător mo

Page 462: Curs Motoare

PARTEA III – REDUCEREA POLUARII

462

Pentru regenerare se aleg diferite regimuri de fu

ncţie de destinaţia autovehiculului: autobuz, autocamion, autoturism.

7.2.6.3. Regenerarea catalitică

r de oxidare a funinginii la temperaturi mai mici de

ţa materialului filtrant;

ţiilor de oxidare a funinginii la 380 °C şi

darea CO şi a HC nearse. Monoliţii impregnaţi cu metale

ţioase determină reducerea

şi convertesc numai emisiile de sulf în acid sulfuric în proporţie

ţial.

catalizator care să nu permită oxidarea

or chimic, acetil-acetonă (C5H8O2). Injecţia activatorului chimic necesită o

ui scade până la 250 °C.

atalizatori

e oxidare cu ar fi Pt. Această soluţie va asigura regenerarea filtrului la o

temperatură în jur de 350 °C pentru motoare cu aspiraţie naturală şi 400 °C pentru

motoarele turbosupraalimentate.

ncţionare ale motorului în

fu

1

Există mai multe modalităţi de utilizare a materialelor catalitice care să

determine desfăşurarea reacţiilo

250 °C:

depunere de material catalitic pe suprafa

aditivarea combustibilului;

injectarea intermitentă de material catalitic în gazele de evacuare în amonte de filtrul

de particule.

Monoliţii ceramici impregnaţi cu un amestec catalizator pe bază de Pt, V, Ag

coboară temperatura de aprindere (oxidare) a particulelor la 400-450 °C. Depunerile

de metale preţioase determină iniţierea reac

totodată se realizează şi oxi

de tranziţie în stare pură sau în amestec cu metale pre

emisiei de particule

de 2 la 10% din sulful ini

Practic, este dificil să se găsească un

SO2 la SO3.

Fibrele filtrului ceramic pot fi acoperite direct cu material activ, fără strat

intermediar datorită suprafeţei mari de contact cu gazele arse. Fibrele ceramice sunt

acoperite cu un catalizator CuO iar catalizatorul trebuie activat periodic prin injecţia

unui activat

dozare precisă, la o temperatură de până la 150 °C a filtrului, ceea ce impune

prezenţa unui dispozitiv electronic de comandă a acestui proces. Temperatura de

regenerare a filtrul

Şi la filtrul de particule metalic, realizat din fibre metalice se poate realiza o

regenerare catalitică. Pentru depunerea materialului activ este necesar ca fibrele

metalice să fie acoperite cu un strat intermediar care va fi impregnat cu c

d

Page 463: Curs Motoare

Mijloace pasive de reducere a emisiilor poluante la MAI

463

Acest tip de regenerare a filtrului va determina creşterea emisiei de sulfaţi însă

rului, filtrul de particule cu catalizator

ste impregnat cu funingine iar materialul activ este acoperit de funingine şi numai

primul strat al depozitului este în contact cu catalizatorul. În aceste condiţii,

catalizatorul este mascat şi nu se mai poate asigura contactul dintre oxigen şi

funingine pentru a se iniţia oxidarea acesteia.

O cale logică o reprezintă adăugarea materialului activ la momentul potrivit, fie

prin aditivarea combustibilului, fie prin injectarea acestuia în curentul de gaze arse, în

amonte de filtru.

b) Aditivarea combustibilului În cazul aditivării combustibilului este important ca proprietăţile catalitice să se

păstreze în urma procesului de ardere a amestecului aer-combustibil din cilindrii

motorului.

Alte cerinţe impuse aditivilor introduşi în combustibil pentru regenerarea

filtrului de particule sunt de a nu se depune pe suprafeţele pieselor motorului şi de a

nu genera emisii poluante cum ar fi metale grele sau acizi halogenaţi.

Reţinerea aditivilor sub formă de zgură în filtru elimină dispersia elementelor

vătămătoare în atmosferă cum ar fi Mn însă această reţinere provoacă astuparea

porilor. Aditivarea cu 80 g Mn/l motorină determină scăderea temperaturii de oxidare

a funinginii la 370 °C dar aproximativ 95% din metal este reţinut de filtru şi 2,4 % de

lubrifiant. Utilizarea Pb ca aditiv provoacă depunerea unui strat de PbSO4 pe

suprafaţa filtrului pe când utilizarea unui amestec Mn/Cu tinde să producă o zgură

sub formă de solzi neaderentă care nu provoacă creşterea căderii de presiune din

filtru şi care nu este dispersată în atmosferă.

Experimental s-a constatat că la utilizarea ca material activ a Pb, Mn şi Ce,

peste 90% din cantitatea introdusă în combustibil rămâne în filtru iar la utilizarea Ni şi

Ci, peste 95% .

prezintă avantajul oxidării fracţiunilor organice solubile (SOF) care includ şi

hidrocarburile aromatice policiclice (PAH), cu un randament cuprins între 50% şi 80%

dacă temperatura gazelor este mai mare de 200 °C.

a) Aditivii catalitici Pe timpul încărcării progresive a moto

e

Page 464: Curs Motoare

PARTEA III – REDUCEREA POLUARII

464

S-au testat şi oxizii metalelor de tranziţie ca NiO, Ni2O3, PbO, CuO, MnO2,

CeO2 şi LaO3 pentru a arăta capacitatea de a reduce temperatura de oxidare a

funinginii. S-a constatat că activitatea oxizilor La2O3 şi NiO este nulă în timp ce

activitatea CeO2 este mai slabă decât la CuO şi MnO2.

Metalele utilizate ca aditiv acţionează în procesul de oxidare în două trepte. În

prima treaptă, energia de activare este diminuată iar în a doua se măreşte rata

reacţiilor. Bariul este cel mai eficient, urmat de calciu şi fier, nichelul având un efect

mai redus.

Aditivarea permanentă a combustibilului este o soluţie simplă însă poate

genera efecte secundare, cum ar fi: aditivii pe baza de cupru generează depozite în

rezervor la stocarea pe o perioadă de timp mai mare de două luni; amestecurile de

Ce şi Mn sunt eficiente dar tind să genereze depozite metalice pe pulverizatorul

injectorului şi pe bujia cu incandescenţă.

O măsură care evită aceste neajunsuri o constituie injecţia aditivilor pe

traiectul de alimentare cu combustibil al motorului. Dezavantajul principal îl constituie

existenţa unui circuit separat pentru aditiv şi a unui sistem electronic de control. În

plus, injecţia trebuie să se realizeze pe un circuit care nu este cuplat la returul

combustibilului, pentru a nu mări concentraţia de aditiv în combustibilul din rezervor.

Aditivul poate fi injectat permanent sau periodic.

O altă soluţie care poate fi aplicată o constituie un sistem controlat electronic

care injectează periodic aditivul în rezervorul de combustibil. Sistemul utilizează un

aditiv organic pe bază de Fe care poate avea două efecte: poate forma particule de

diverse structuri care vor fi oxidate în camera de ardere şi al doilea efect este

favorizarea oxidării particulelor reţinute în filtrul de particule.

c) Injecţia catalizatorului în curentul de gaze arse Pentru regenerarea filtrului pot fi utilizate o serie de materiale catalizatoare

care pot fi injectate intermitent în curentul de gaze când se atinge o limită prestabilită

a căderii de presiune din filtru. Temperatura de iniţiere a procesului de oxidare a

particulelor reţinute în filtru depinde de materialul folosit: 380 °C pentru CuCl, 310 °C

pentru CuCl + NH4NO3, 230 °C pentru Cu(ClO4)2·6H2O şi 150 °C pentru un amestec

format din: Fe(NO3)3·9H2O + C5H8O2 (acetil-acetonă) + C4H8O2 (dioxan) + H2O.

Alegerea trebuie să excludă acele materiale care în procesul de oxidare a

particulelor formează poluanţi acizi secundari care sunt emişi în atmosferă.

Page 465: Curs Motoare

Mijloace pasive de reducere a emisiilor poluante la MAI

465

Materialele active care conţin nitraţi vor da naştere la emisii suplimentare de

oxizi de azot pe timpul procesului de regenerare.

Se asigură o bună regenerare dacă materialul activ este pulverizat pe întreaga

suprafaţă ce urmează a fi curăţată.

Sistemul necesită un circuit independent al materialului activ (rezervor,

conducte, sistem de injecţie) şi un sistem de comandă electronic care să asigure

injecţia precisă a materialului activ (cantitate, temperatură şi cădere de presiune a

filtrului).

17.2.6.4. Regenerarea aerodinamică Implică existenţa unui sistem care să permită injectarea în filtrul de particule

de aer comprimat. Acest sistem elimină unele din neajunsurile celorlalte metode de

regenerare la care, pentru a evita supraîncălzirea filtrului pe timpul regenerării trebuie

să dispună de instalaţii de supraveghere şi control complicate. Injecţia de aer se

desfăşoară în sens invers faţă de gazele arse la o presiune de 0,1 - 0,2 MPa.

particulele sunt desprinse din pori şi sunt colectate într-un spaţiu amplasat sub

monolit, unde pot fi arse sau eliminate prin aspirare.

Procedeul are efecte pozitive şi asupra sistemului de recirculare a gazelor

arse deoarece gazele arse se răcesc iar compuşii organici volatili sunt condensaţi pe

particulele reţinute.

Page 466: Curs Motoare

PARTEA III – REDUCEREA POLUARII

466

Bibliografie [1] A. Lindskog et al., - Chemical transformation of PAH on airborne particles by

exposure to N02 during sampling, A comparison between two filter media - Sci.

Tot. Environm., 61, 1987, 51-57.

[2] A. Lindskog et al., - Transformation of reactive PAH on particles by exposure

to oxidized nitrogen compounds and ozone - Environm. Int., 11, 1985, 125-

130.

[3] A.M. Danis et al., - Effect of ceramic monolith particulate filters on Diesel

exhaust odorant and irritant species - SAE Paper No. 850011, 1985,13 p.

[4] Abăităncei, D. şi Bobescu, Gh. - Motoare pentru automobile. - Editura

Didactică şi Pedagogică, Bucureşti, 1975.

[5] Apostolescu, N., Taraza, D. - Bazele cercetării experimentale a maşinilor

termice.- Editura Didactică şi Pedagogică, Bucureşti, 1979.

[6] B. Lopez et al., - Emissions diesel, Analyse des polluants non reglementes -

Poll. Atmosph., Special Issue November, 1987, pp. 113-123.

[7] B.J. Cooper and J.E. Thoss, - Role of NO in Diesel particulate emission control

- SAE Paper No. 890404, 1989, 12 p.

[8] B.J. Cooper and L. Keck, - NiO incorporation in three-way catalyst systems -

SAE Paper No. 800461, 1980, 10 p.

[9] B.J. Cooper and P.R. Shore, - Catalytic control of mutagenic exhaust

emissions from gasoline passenger cars - SAE Paper No. 890494, 1989,15 p.

[10] Bates, S. and all. - The Attainment of Stage III Gasoline European Emission

Limits Utilizing Advanced Catalyst Technology, in Emissions and Emissions

Control, SAE, SP - 1207, 961897, 1996.

[11] Benson, R. - Internal Combustion Engines. - Pergamon Press, London, 1984.

[12] Bobescu, Gh.,şa - Tehnici speciale pentru reducerea consumului de

combustibil şi limitarea noxelor la autovehicule. - Universitatea din

Braşov,1989.

[13] Cofaru, C., Ispas, N., - Normele de poluare-cerinţe de bază în proiectarea şi

cercetarea motoarelor cu ardere internă forţate. - A VI-a Conferinţă Naţională

de Autovehicule Rutiere, Piteşti, 1994, p.135-110.

Page 467: Curs Motoare

Mijloace pasive de reducere a emisiilor poluante la MAI

467

[14] Cofaru, C., Ispas, N., - The effects of intake system on performances and

emission levels of a supercharged D.I.engine. - 8th Conference with

international participation - CONAT ’96, Braşov, 1996, Vol.I, p. 185-190.

[15] Cofaru, C., ş.a.. - Autovehiculul şi mediul. Editura Universităţii Transilvania

Braşov, 1999. ISBN 973-98512-3-1.

[16] D. Burch and P. Riedwyl, - Toute la verite sur le catalyseur - Touring Club

Suisse, 1988, 88 p.

[17] Degobert, P. – Automobiles and Pollution – SAE International, 1995.

[18] E.D. Dainty et al., - Diesel emissions reduction employing catalysts or a fuel

additive - SAE Paper No. 870014, SP-702, 1987, 57-65.

[19] E.R. Budd and B.E. Enga, - Catalytic particulate control for off-highway Diesels

- SAE Paper No. 840170, 1984,79-87.

[20] G.M. Cornetti et al., - Development of a ceramic particulate trap for urban

buses - J. Eng. Gas Turbine Power, 11 l, 1989, 398-403.

[21] J.A. Caton and D.L. Siebers, - Reduction of nitrogen oxides in engine exhaust

gases by the addition of cyanuric acid - , J. Eng. Gas Turbine Power, 1989, 11

l, 387-393.

[22] J.L. Lindgren et al, - A comparison of two techniques for the collection and

analysis of polynuclear aromatic compounds in ambient air - J. APCA, 30,

1980,166-168.

[23] J.P. Day and L.S. Socha, - The design of automotive catalyst supports for

improved pressure drop and conversion efficiency - SAE Paper No. 910371,

1991, 10 p.

[24] J.P. Day, - The design of a new ceramic catalyst support - SAE Paper No.

902167, SP-839, 1990, 7 p.

[25] John, B., Heywood. International Combustion Engines Fundamentals. Mc

Graw-Hill Book Company, New York. ISBN 0-07-100499-8.

[26] L.A. Carol et al., - High temperature deactivation of three-way catalysts - SAE

Paper No. 892040, 1989,14 p.

[27] L.J. Muzio et al., - Errors in grab sample measurements of N20 from

combustion sources - E.S.&T., 39, 1989, 287-293.

[28] M. Pasquereau and P. Degobert, - Analyse des hydrocarbures aromatiques

polycycliques HAP presents dans la phase particulaire des echappements des

moteurs diesel- , Inst. Franc. du Petrole Report No. 35056, 1987, 46 p.

Page 468: Curs Motoare

PARTEA III – REDUCEREA POLUARII

468

[29] M.F. Buchmann and B.E. Enga, - Catalytic Diesel particulate control systems

design and operation - SAE Paper No. 830080, SP-537, 1983, 23-36.

[30] M.F. Buchmann and B.E. Enga, - Regeneration behavior of light duty catalytic

trap oxidizer systems - , SAE Paper No. 840080, P-140, 1984, 71-78.

[31] M.L. Church et al., - Catalyst formulations 1960 to present - SAE Paper No.

890815, 1989, 7 p.

[32] M.L. Church et al., - Operating temperature effects an catalyst performance

and durability - SAE Paper No. 910845, 1991, 9 p.

[33] McArragher et al., - Evaporative emissions from modern European vehicles

and their control - SAE Paper No. 880315, 1988, 9 p.

[34] P.F. Nelson and S.M. Quigley, - The hydrocarbon composition of exhaust

emitted from gasoline fuelled vehicles - Atmosph. Environm., 18, 1984, 79-87.

[35] S.H. Cadle and P.A. Malawa, - Low molecular weight aliphatic amines in

exhaust from catalyst-equipped cars - E.S.B.T., 14, 1980, 718-723.

[36] S.W. Martens, - Evaporative emission measurements with the SHED, A

second progress report - SAE Paper No. 690502, 1969,11 p.

[37] T.A. Montgomery et al., - Continuous infrared analysis of N20 in combustion

products - J. APCA, 39, 1989, 721-726.

[38] W H. Crouse and D.N. Anglin, - Automotive Emission Control - McGraw Hill,

New York, 1977, 278 p.

[39] W.E. May et al., - Characterization of polycyclic aromatic hydrocarbons in air

particulate extracts by liquid gas chromatographic methods - identification and

analysis of organic pollutants in air, L.H. Keith, Butterworth Publications,

Boston, 1984, pp. 159-169.

[40] W.K. Okamoto et al., - Nitric acid in Diesel exhaust - J. APCA, 33, 1983, 1098-

1100

Page 469: Curs Motoare

Mijloace pasive de reducere a zgomotului la autovehicule

469

Autor: Corneliu COFARU

18. MIJLOACE PASIVE PENTRU REDUCEREA ZGOMOTULUI LA AUTOVEHICULE

18.1. MIJLOACE PASIVE DE REDUCERE A EMISIEI SONORE LA MOTOR Aceste tehnici se aplică pentru a împiedica propagarea zgomotelor care sunt

emise de către motor după aplicarea tehnicilor active. Principalele metode sunt

ecranarea, capsularea, amortizarea şi izolarea antivibratorie.

Prin ecranare se obţine o reducere a emisiei sonore utilizând capace sau panouri

realizate din materiale fonoabsorbante. Panourile sunt amplasate în imediata apropiere

a suprafeţelor radiante şi urmăresc conturul acestora. Ele pot acoperi capacul chiulasei,

baia de ulei, suprafeţele laterale ale blocului motor. Eficienţa reducerii zgomotului

depinde de mărimea suprafeţei ecranate şi de caracteristicile fonoabsorbante ale

materialului ecranului. Reducerea zgomotului obţinută prin ecranare este de 3 - 5 dB(A).

Prin capsulare se realizează o ecranare totală a motorului prin care se obţine o

reducere a nivelului emisiei sonore de 5 - 20 dB(A). Coca capsulei fonoabsorbante se

fixează elastic pe structura motorului pentru a se evita preluarea vibraţiilor structurale.

Componentele motorului care străbat coca capsulei trebuie să fie izolate pentru a nu

transmite la aceasta vibraţii. În coca capsulei antifonice se prevăd capace de acces la

unele sisteme ale motorului iar acestea trebuie să aibă dimensiuni minime dar care să

asigure operabilitatea intervenţiei. Pentru a nu se schimba regimul termic al motorului,

prin spaţiul dintre suprafeţele laterale ale blocului motor şi capsulă vor circula curenţi de

aer trimişi de ventilatorul motorului.

Vibraţiile structurale ale motorului sunt izolate faţă de structura caroseriei prin

rezemarea elastică a acestuia. Pentru a obţine o atenuare sonoră cât mai mare trebuie

ca raportul dintre pulsaţia vibraţiei forţate şi cea a vibraţiei libere să fie cât mai mare.

Page 470: Curs Motoare

PARTEA III – REDUCEREA POLUARII

470

18.2. MIJLOACE PASIVE DE REDUCERE A EMISIEI SONORE LA SISTEMELE AUTOVEHICULULUI Transmisia autovehiculului poate fi ecranată cu panouri din materiale

fonoabsorbante. La autoturismele la care tracţiunea este în faţă, ecranarea transmisiei

se poate realiza prin căptuşirea elementelor de caroserie cu materiale fonoabsorbante.

În cazul autocamioanelor, construcţia cabinei care îmbracă grupul motopropulsor

poate realiza ecranarea fonoabsorbantă astfel încât să se reducă emisia sonoră.

Amortizarea şi izolarea antivibratorie se situează la graniţa dintre metodele active

şi pasive. Elementele transmisiei trebuie rezemate elastic pentru a izola caroseria de

vibraţiile care apar la funcţionarea acesteia. În cazul utilizării unor dispozitive de

servoasistare, deoarece o parte din elemente sunt antrenate de motorul cu ardere

internă, se aplică aceleaşi metode pasive de reducere a emisiilor sonore ca în cazul

motorului.

Bibligrafie [1] Cofaru, C., ş.a.. - Autovehiculul şi mediul. Editura Universităţii Transilvania

Braşov, 1999. ISBN 973-98512-3-1.

[2] Cofaru.C. –Legislatia şi ingineria mediului in transportul rutier Editura Universităţii

Transylvania Brasov 2002 ,ISBN 973-635-185-8

Page 471: Curs Motoare

Mijloace de reducere a poluarii sonore datorate traficului rutier

471

Autor: Corneliu COFARU

19. TEHNICI DE REDUCERE A POLUĂRII SONORE DATORATE TRAFICULUI RUTIER

Nivelul de poluare sonoră datorată traficului rutier depinde de trei factori de

influenţă:

- volumul traficului rutier;

- viteza de trafic;

- numărul de autocamioane aflate în fluxul de trafic.

În general, nivelul de zgomot creşte cu mărirea volumului traficului, a vitezei

de deplasare şi cu numărul de autocamioane aflate în trafic.

Zgomotul datorat traficului rutier nu este constant, nivelul acestuia depinzând

de numărul, tipurile şi viteza autovehiculelor care-l produc. Strategiile de reducere a

poluării fonice se pot grupa în trei categorii:

Controlul autovehiculelor;

Controlul utilizării terenurilor;

Planificarea şi proiectarea străzilor şi autostrăzilor;

19.1. CONTROLUL AUTOVEHICULELOR Această strategie se aplică sursei de zgomot: autovehiculul. Pentru

diminuarea nivelului de emisii sonore se utilizează diferite tehnici care includ

perfecţionarea proceselor din motor, optimizarea transmisiei, utilizarea unor

atenuatoare de zgomot eficiente, aplicarea izolării fonice, îmbunătăţirea calităţii

pneurilor.

Autovehiculele cu un nivel de zgomot redus determină o substanţială reducere

a poluării sonore datorate traficului rutier pe drumuri şi străzi unde nu sunt posibile

măsuri corective.

Din păcate, parcul de autovehicule este eterogen din punctul de vedere al

emisiunilor fonice aşa că introducerea în trafic a unor autovehicule cu nivel redus de

zgomot nu poate reduce nivelul de poluare fonică decât cu max. 5 -10 dB.

Page 472: Curs Motoare

PARTEA III – REDUCEREA POLUARII

472

19.2. CONTROLUL UTILIZĂRII TERENURILOR Această strategie este numită şi “control al dezvoltării viitoare”. În vecinătatea

străzilor şi autostrăzilor sunt terenuri libere care într-un viitor pot fi utilizate în

procesul dezvoltării. Prin controlul utilizării terenurilor nu trebuie să se oprească

dezvoltarea însă poate cere amplasarea clădirilor la o distanţă rezonabilă de drum

pentru a preveni problemele datorate poluării fonice sau poate aplica măsuri de

reducere a zgomotului datorat traficului rutier.

19.3. PLANIFICAREA ŞI PROIECTAREA STRĂZILOR ŞI AUTOSTRĂZILOR În stadiul de planificare a străzilor şi autostrăzilor se realizează un studiu de

zgomot. Acest studiu are rolul de a stabili dacă proiectul va crea probleme de

zgomot. Într-o primă fază, nivelul de zgomot al străzilor şi autostrăzilor este măsurat

sau calculat pe bază de model. În acest fel, nivelul de zgomot poate fi previzionat

dacă proiectul este construit.

19.3.1. Reducerea zgomotului pe străzile existente În cazul străzilor existente sau cele supuse procesului de reabilitare se pot

aplica o serie de măsuri de reducere a zgomotului traficului rutier cum ar fi:

- creare de zone de amortizare (tampon);

- plantare de vegetaţie;

- construcţia de bariere fonice;

- izolare fonică a clădirilor;

- managementul traficului rutier.

Zonele de amortizare sunt spaţiile deschise care mărginesc străzile şi

autostrăzile. Zonele sunt create la construcţia autostrăzilor şi ele sunt în proprietatea

agenţilor care au cumpărat terenul ca în această zonă să nu se ridice construcţii.

Zonele de amortizare protejează în general zonele rezidenţiale. De multe ori însă,

datorită proprietăţii private asupra terenului din vecinătatea infrastructurii rutiere este

dificilă crearea de zone de amortizare.

Vegetaţia, dacă are o înălţime şi o lăţime suficientă poate reduce nivelul de

poluare sonoră. O perdea vegetală densă, cu o lăţime de 60 m poate reduce nivelul

sonor cu 10 dB şi poate reduce la jumătate intensitatea auditivă a zgomotului

traficului. De multe ori este dificil să se planteze suficientă vegetaţie în lungul

drumului pentru a obţine o asemenea reducere. Dacă asemenea vegetaţie există, ea

Page 473: Curs Motoare

Mijloace de reducere a poluarii sonore datorate traficului rutier

473

trebuie menţinută. Dacă nu, ea trebuie plantată pentru a îmbunătăţi factorul

psihologic chiar dacă nu trebuie să reducă zgomotul rutier.

Fig.19.1. Barieră fonică tip val de pământ

Barierele fonice sunt construcţii solide plasate între infrastructura rutieră şi

casele aflate în lungul acesteia. Aceste bariere fonice reduc nivelul de zgomot cu 10

până la 15 dB şi la jumătate intensitatea auditivă a zgomotului traficului rutier.

Barierele fonice sunt construite din: pământ sub formă de val sau ziduri

izolatoare fonic care utilizează lemn, stuc, beton, piatră, metal sau alte materiale.

Valul de pământ este atractiv deoarece creează un peisaj natural. Acesta, datorită

înălţimii cerute, ocupă suprafeţe importante de teren şi se construieşte numai

când/unde condiţiile sunt propice, în rest utilizându-se alte sisteme.

Barierele fonice nu vor fi plasate la o distanţă mai mică de 3 m de

infrastructura rutieră. Se consideră că bariera de protecţie fonică este sigură dacă

este plasată între 4,5 şi 9 m de la marginea drumului. Înălţimea barierelor fonice nu

trebuie să fie mai mică de 1,8 m iar înălţimea maximă nu trebuie să depăşească 4,3

m măsurată de la suprafaţa drumului. Dacă bariera fonică este amplasată la o

distanţă mai mare de 4,5 m de la marginea drumului, atunci înălţimea acesteia nu

poate depăşi 5 m măsurată de la suprafaţa solului.

Page 474: Curs Motoare

PARTEA III – REDUCEREA POLUARII

474

O atenţie deosebită trebuie să se acorde barierelor fonice paralele (de o parte şi de

alta a drumului). Dacă suprafeţele barierelor sunt netede, neporoase, cum ar fi

suprafeţele din beton sau piatră, zgomotele de trafic pot fi reflectate între bariere

determinând diminuarea propagării acestora în afara perimetrului străzii. Pentru a

obţine acest efect trebuie să existe un raport între distanţa dintre bariere şi înălţimea

acestora de cel puţin 10:1. (De exemplu: două bariere fonice având una o înălţime de

3 m şi alta de 4 m trebuie să aibă o distanţă între ele de cel puţin 35 m pentru a avea

eficienţă).

Fig.19.2. Barieră fonică tip CISILENT

tanţa

ă fie de minim 300 m. Dacă infrastructura rutieră nu

ste prevăzută cu hidranţi atunci în bariera fonică se prevăd mici deschideri pentru

le fonice se prevăd cu deschideri pentru drenaj, şi care trebuie să ţină

seama de situaţia hidraulică a reliefului. Deschiderile pot avea dimensiuni de 200 mm

ţin de 3 m de centrul barierei şi

de 200 mm X 400 mm sau mai mici dacă sunt plasate la mai puţin de 6 m de centru.

Barierele fonice trebuie prevăzute cu porţi de acces de urgenţă, dis

dintre porţile de acces trebuind s

e

furtunurile de stingere a incendiilor, plasate cât mai aproape de hidrant.

Bariere

X 200 mm sau mai mici dacă sunt plasate la mai pu

Fig.19.3. Bariere fonice paralele

Page 475: Curs Motoare

Mijloace de reducere a poluarii sonore datorate traficului rutier

475

Barierelor fonice trebuie să se asigure o anumită estetică pentru a evita

monotonia în trafic şi să combată intervenţia graffiti.

Fig. 19.4. Plasarea barierelor fonice

Izolarea fonică a clădirilor poate determina diminuarea zgomotul traficului

rutier. Materialul fono-absorbant poate fi amplasat în pereţii clădirii. În cazul în care

ferestrele sunt amplasate spre infrastructura rutieră, acestea trebuie construite cu o

închidere etanşă.

Controlul traficului se constituie într-o măsură eficientă de reducere a

zgomotului traficului rutier. De exemplu, traficul greu poate fi interzis pe anumite

drumuri şi străzi sau acesta poate fi permis numai pe timpul zilei. O altă măsură care

poate fi aplicată este reglajul timpilor semafoarelor pentru a asigura un trafic fluent.

Limitarea vitezei de circulaţie a autovehiculelor poate limita poluarea fonică în zonele

în care aceasta este instituită.

Îmbrăcămintea infrastructurii rutiere este menţionată ca un factor al zgomotului

datorat traficului rutier. Încă mai sunt necesare cercetări pentru a se determina cum

diferite tipuri de îmbrăcăminte stradală şi pneuri contribuie la poluarea sonoră.

19.3.2. Reducerea zgomotelor pe străzile noi Măsurile descrise pentru străzile existente sunt aplicabile şi străzilor noi. În

plus, străzile noi trebuie să fie amplasate departe de zonele sensibile cum ar fi şcoli,

spitale şi în apropierea unor zone insensibile la zgomot cum ar fi zone industriale sau

comerciale. Noile străzi pot fi amplasate pe cât posibil în zone nedezvoltate.

În plus, noile străzi pot fi construite în debleu iar taluzurile pot juca rolul de

bariere fonice. De asemenea, noile străzi pot fi construite cu pante reduse eliminând

zgomotul datorat în special autocamioanelor prin schimbarea frecventă a treptelor de

viteză.

Page 476: Curs Motoare

PARTEA III – REDUCEREA POLUARII

476

Fig.19.5. Bariere fonice combinate plasate pe străzi noi

Bibliografie [1] Cofaru, C., ş.a.. - Autovehiculul şi mediul. Editura Universităţii Transilvania

Braşov, 1999. ISBN 973-98512-3-1.

[2] Cofaru.C. –Legislatia şi ingineria mediului in transportul rutier Editura

Universităţii Transylvania Brasov 2002 ,ISBN 973-635-185-8

[3] Pallesen, L., P. M. Berthouex, and K. Booman (1985). "Environmental

Intervention Analysis: Wisconsin's Ban on Phosphate Detergents," Water Rcs.,

19, 353-362.

[4] Leopoldo de Oliveira, Bert Stallaert, Wim Desmet, Jan Swevers, Paul Sas,

“Optimization Strategies for Decentralized ASAC” Forum Acusticum 2005 –

Budapest, Hungar

Page 477: Curs Motoare

Utilizarea unor sisteme motopropulsoare alternative

477

Autor: Roger SIERENS

20. UTILIZAREA UNOR SISTEME MOTOPROPULSOARE ALTERNATIVE

20.1. INTRODUCERE În ţările dezvoltate există o strânsă legătură între traficul rutier şi mediul

înconjurător, deteriorările serioase ale calităţii mediului (aer, sol, apă) fiind datorate

emisiilor vehiculelor aflate în trafic. Pornind de la aceste considerente trebuie să se

creeze o legătură între planificarea transporturilor şi mediului şi cea urbană. Scopul

acestei politici este realizarea unui transport curat, în care să se utilizeze eficient

energia şi spaţiul. Acest deziderat se poate realiza prin mai multe linii politice:

• Întărirea politicii guvernamentale;

• Ofertă selectivă a accesibilităţii pe drumuri;

• Îmbunătăţirea alternativelor pentru autovehicule;

• Restricţii şi ghidarea mobilităţilor autovehiculelor;

• Dezvoltarea şi stimularea autovehiculelor curate, silenţioase şi economice.

Din considerente de mediu şi sănătate publică, o atenţie deosebită trebuie

acordată utilizării gazelor naturale şi electricităţii pentru transporturile locale şi

regionale.

Politicile pentru dezvoltarea durabilă a relaţiei trafic - mediu înconjurător în

secolul 21 iau în considerare utilizarea la maxim a tracţiunii electrice la toate

categoriile de vehicule de transport în zonele urbane (tren, tramvai, troleibuz,

autoturisme electrice, autovehicule transport marfă).

Autovehiculele alternative care răspund în mare măsură cerinţelor mediului

înconjurător şi sănătăţii publice sunt:

- vehicule electrice;

- vehicule hibride;

- vehicule electrice cu pilă de combustie.

Autovehiculul hibrid dispune de două surse de energie mecanică: un motor

termic convenţional, un motor electric şi două sisteme de stocaj - rezervor de

combustibil şi baterii electrice.

Page 478: Curs Motoare

PARTEA III – REDUCEREA POLUARII

478

Autovehiculul electric este definit ca un vehicul cu un grup motopropulsor pur

electric şi o baterie pentru stocarea energiei electrice.

Autovehiculul electric cu pilă de combustie este un autovehicul electric la care

energia electrică este generată la bordul autovehiculului de către o pilă de combustie

alimentată cu combustibil (hidrogen, metanol etc.).

20.2. METODE UTILIZATE PENTRU A ECONOMISI COMBUSTIBIL În figura 20.1, sunt prezentate trei abordări posibile ale consumului de energie

la autovehicule de unde poate rezulta reducerea consumului total de energie a

vehiculelor de pasageri:

Fig. 20.1. Principalele elemente ale schemei de conversie a energiei

• Optimizarea randamentului circuitului “sondă-la-rezervor” prin optimizarea

proceselor de transformare a energiei;

• Optimizarea randamentului lanţului “roată-la-kilometru” prin reducerea masei

autovehiculelor, a pierderilor aerodinamice şi de rulare.

• Optimizarea randamentului “rezervor-la-roată” va fi dezvoltat mai jos.

Page 479: Curs Motoare

Utilizarea unor sisteme motopropulsoare alternative

479

Figura 20.2. arată cum metoda de transformare a energiei poate influenţa de

asemenea consumul total de energie. Pentru condiţii stabile, încercarea aceasta de

optimizare cuprinde un număr mare, dar finit de posibilităţi. Din păcate, condiţiile nu

sunt stabile. De exemplu, schimbând structura sistemului se oferă posibilitatea de a

dezvolta algoritmi de control mai buni şi deci o performanţă mărită a sistemului.

Din acest motiv acest text se concentrează doar pe optimizarea randamentului

“rezervor-la-roată”. Se pot distinge trei abordări diferite la nivelul componentelor şi

doua la nivelul sistemului.

1. Optimizarea randamentului de vârf al componentelor.

2. Optimizarea randamentului la sarcini parţiale al componentelor.

3. Adăugarea posibilităţii de a recupera energia cinetică şi cea potenţială

acumulate de vehicul.

4. Optimizarea structurii şi parametrilor sistemului de propulsie, presupunând

că combustibilul şi vehiculul sunt bine definite.

5. Realizarea unor algoritmi de supraveghere a controlului care să profite de

avantajele oferite de configuraţia sistemului de propulsie.

20.3. ENERGIA VEHICULULUI – IDEI DE BAZĂ

20.3.1. Analiza pierderilor energetice şi analiza performanţelor Sistemul de propulsie produce energie mecanică care se presupune că este

stocată în acel moment în vehicul. Se presupune că rezistenţele la deplasarea

autovehiculului consumă energie din rezervor. Această separare poate părea puţin

ciudată la prima vedere. Pe de altă parte este destul de folositoare când cineva

doreşte să facă diferenţa între efectele individuale care au loc.

Energia este stocată în vehicul:

sub forma de energie cinetică atunci când vehiculul este accelerat, şi

sub forma de energie potenţială atunci când vehiculul ajunge la altitudini mari.

Cantitatea de energie “consumată” de vehicul deplasându-se cu un model de

conducere pre-definit depinde de trei efecte:

Pierderile în frecările aerodinamice,

Pierderile în frecările la rulare, şi

Energia disipată în frâne.

Page 480: Curs Motoare

PARTEA III – REDUCEREA POLUARII

480

Fig. 20.2. Diferiţii paşi de conversie a surselor de energie primară în energie

mecanică necesară propulsiei autovehiculelor

Ecuaţia elementară care descrie dinamică longitudinală a unui vehicul are

următoarea formă:

(20.1)

unde: Fa este frecarea aerodinamică, Fr- frecarea la rulare, Fg- forţa cauzată de

gravitaţie la deplasarea pe drumuri înclinate, şi F d forţa de disturbare care apare ca

suma efectelor încă nespecificate. Forţa de tracţiune Ft este principala forţă de

punere în mişcare minus forţa utilizată pentru a accelera componentele în rotaţie din

interiorul vehiculului şi minus toate pierderile în frecare din grupul motopropulsor.

Figura 20.1 arată reprezentarea schematică a acestei relaţii.

Page 481: Curs Motoare

Utilizarea unor sisteme motopropulsoare alternative

481

Fig.20.3. Reprezentarea schematică a forţelor care acţionează asupra unui vehicul în

mişcare

20.4. SISTEME DE PROPULSIE BAZATE PE MOTOARE CU ARDERE INTERNĂ

20.4.1. Introducere În text sunt utilizate două descrieri diferite ale elementelor grupului

motopropulsor: formularea cvasi-statică şi cea dinamică. Pentru motoarele cu ardere

internă, variabilele de intrare şi de ieşire sunt prezentate în figura 20.1. Randamentul

termodinamic al unui asemenea aparat este definit de:

(20.2)

unde ωe este turaţia motorului, Te cuplul motorului, şi Pc entalpia asociată curgerii

masei de combustibil

(20.3

Randamentul termodinamic ηe al motoarelor cu ardere internă depinde în

mare măsură de turaţia şi de cuplul acestuia. Modelarea tuturor fenomenelor

relevante este o arie vastă şi bine documentată. O bogată literatură descrie punctele

importante pe această tema. Variabilele ωe şi Τe au o interpretare pur fizică.

unde Ht este valoarea calorică a combustibilului

Page 482: Curs Motoare

PARTEA III – REDUCEREA POLUARII

482

Fig.20.4. Descrierea sistemului cvasi-static şi dinamic a variabilelor de intrare şi

ieşire din motor

Din păcate, gama lor depinde de modelul de motor care este proiectat

(dimensiune, geometrie, etc.). Din acest motiv, variabile generalizate sunt introduse

în următoarea secţiune. Folosind aceste variabile, dimensiunea motorului poate fi

folosită ca parametru pentru optimizare.

20.4.2. Variabilele generalizate ale motorului Când motorul funcţionează la regim stabil, doua variabile generalizate îi

(20.4)

Aceste cantităţi sunt viteza medie a pistonului

şi presiunea medie efectivă

(20.5)

unde: ωe este turaţia motorului, Te este cuplul motorului, Vd capacitatea cilindrică a

motorului iar S este cursa. Parametrul N depinde de tipul motorului, pentru motor în

patru timpi N=4 şi pentru motor în doi timpi N=2.

descriu punctul de lucru.

Page 483: Curs Motoare

Utilizarea unor sisteme motopropulsoare alternative

483

Bineînţeles, viteza medie a pistonului este viteza medie în timpul unei rotaţii.

Valoarea ei este limitată la un minim, la turaţia de mers în gol şi la un maxim de către

frecările aerodinamice din canalul de admisie şi de către tensiunile mecanice care

apar în sistemul de schimb al gazelor. În general valorile maxime ale cm sunt sub 20

m/s. Presiunea medie efectivă este acea cantitate constantă care trebuie să

acţioneze asupra pistonului în timpul detentei pentru a produce aceeaşi cantitate de

lucru mecanic la un cuplu constant al motorului Te pe care-l produce la un ciclu.

Pentru motoarele cu aspiraţie naturală valoarea maxima al lui pme este în jur de 106

Pa (10 bar).

Motoarele supraalimentate Diesel ating presiuni medii efective în jur de 20

bar. Sunt posibile şi presiuni mai mari cu sisteme de supraalimentare speciale (două

turbosuflante, dispozitive cu unde de presiune, etc.).

Avantajele cheie a folosirii variabilelor generalizate cm şi pme sunt că gama lor este

aproximativ aceeaşi pentru toate motoarele şi nu diferă în funcţie de dimensiunile

motorului. Având în vedere că pentru motoare asemănătoare limitele vitezelor

variază mai puţin decât limita cuplului, diagramele motoarelor sunt de obicei

prezentate în practică cu cm înlocuit cu ne ,de ex: turaţia motorului în rpm.

Pentru presiunea medie efectivă şi viteza medie a pistonului fixe, ecuaţia

(20.6)

arată cum puterea mecanică Pe generată de motor se corelează cu numărul de

20.5. MODELE DE SISTEME DE PROPULSIE ELECTRICA SI HIDRID-ELECTRICA

20.5.1. Sisteme de propulsie electrică

Sistemele de propulsie pur electrice (vehiculele electrice, VE, sau vehiculele

electrice cu baterii, VEB) sunt caracterizate de un lanţ de transformare a energiei

în mare, format dintr-o baterie (sau alt sistem de înmagazinare a

i un motor electric cu sistemul lui de comandă. Vehiculul rezultat nu

este unul autonom din cauză că bateriile trebuie alimentate de la o reţea exterioară.

Timpul necesar pentru încărcarea bateriilor nu este neglijabil, şi cu siguranţa este

mai mare decât timpul de realimentare al vehiculelor cu motoare cu ardere internă.

Din aceste motive doar câteva considerente scurte sunt prezentate aici.

electrice ,

electricităţii) ş

cilindri z şi alezajul cilindrului B.

Page 484: Curs Motoare

PARTEA III – REDUCEREA POLUARII

484

Unele vehicule de pasageri apărute pe piaţă în ultimii ani au fost echipate cu

sisteme de propulsie electrică : curent alternativ motor asincron, curent alternativ

motor cu magneţi permanenţi, sau maşini cu curent continuu au fost folosite ca

motoare de tracţiune, cu puteri de vârf de la 20 la 50 de KW. Componenţa cheie este

bateria, care de obicei este de tipul plumb-acid sau nichel-cadmiu, chiar dacă

tehnologii mai noi (ex, litiu-ion) au fost utilizate deja. Densitatea de energie tipică este

de 30 până la 65 Wh/kg. vitezele de vârf nu depăşesc 100 km/h, în timp ce

autonomia este între 75 şi 95 km la o încărcare, dar poate atinge 100 de km la

modelele mai noi. Valorile generale de consum sunt 15-30 kWh/100km, care

înseamnă că randamentul total este undeva pe la 40-60 %.

20.5.2. Sisteme de propulsie hibrid electrice În contrast cu vehiculele cu motoare cu ardere internă sau cu baterii electrice,

vehiculele hibrid sunt caracterizate de doua sau mai multe acţionări principale sau

surse de putere. De obicei, termenul de “vehicul hibrid” este folosit la un vehicul care

combină un motor cu ardere internă şi un motor electric. Mai bine spus astfel de

combinaţie ar trebui numită vehicul hibrid electric (VHE), din cauza că au fost

propuse diferite configuraţii de “hibrizi”.

ine un motor ca un transformator de combustibil sau

ionare principală. Ca acţionare primară electrică sunt

folosite diferite motoare electrice (standard cu curent continuu, cu inducţie pe curent

alternativ, cu curent continuu fără lagăre, etc.). La unele configuraţii, o a doua

maşina electrică este necesară, care acţionează în principal ca generator. Sistemul

de stocare al energiei electrice este în general o baterie electrochimică, iar super-

condensatorii pot fi folosiţi la acelaşi prototip.

Una din motivaţiile dezvoltării VHE o constituie posibilitatea de a combina

avantajele vehiculelor pur electrice, cu zero emisii locale, cu avantajele vehiculelor cu

motoare cu ardere internă care posedă energii înalte şi densitate ridicată de putere.

VHE pot profita de diversele posibilităţi pentru îmbunătăţirea economiei de

combustibil faţă de vehiculele cu motoare cu ardere internă, este posibil să se obţină:

1. micşorarea motorului şi îndeplinirea totuşi a cerinţelor maxime de putere ale

vehiculului;

2. recuperarea unei părţi de energie pe timpul deceleraţiei în loc să fie disipată

prin fricţiune în frâne;

În general, un VHE conţ

un sistem ireversibil ca acţ

Page 485: Curs Motoare

Utilizarea unor sisteme motopropulsoare alternative

485

3. optimizarea distribuţiei între diferitele sisteme;

4. eliminarea consumului de combustibil aferent mersului în gol al motorului prin

oprirea acestuia când nu se cere furnizare de putere (stop ant co);

5. eliminarea pierderilor în ambreiaj prin cuplarea motorului când turaţiile sunt

egale.

Aceste posibile îmbunătăţiri sunt contracarate parţial de faptul că VHE sunt cu 10 –

30 % mai grele decât vehiculele cu motoare cu ardere internă.

În general, nu este posibil toate aceste posibilităţi să fie aplicate împreună (1)

–(5). În continuare se descriu diferite tipuri dezvoltate de vehicule hibrid electrice şi

modurile de funcţionare.

20.5.2.1 Configuraţia sistemului Vehiculele hibrid electrice se clasifică în trei tipuri principale:

• Vehicule hibrid serie: motorul electric singur antrenează vehiculul.

Electricitatea poate să fie furnizată de baterie sau de generatorul antrenat de

motorul cu ardere internă.

• Vehicule hibrid paralele : ambele motoare acţionează asupra aceluiaşi arbore,

vehiculul putând fi antrenat de fiecare motor în parte sau să fie o acţionare

simultană.

• Vehicule hibrid serie-paralele sau hibrid combinate. Această configuraţie are

două legături mecanice ca şi hibridul paralel şi o legătură electrică ca şi

hibridul serie.

a) Vehiculul hibrid electrice cu configuraţie serie

Sistemele de propulsie hibrid serie utilizează un motor cu ardere internă ca o

unitate de putere auxiliară (APU- auxiliar power unit) pentru a extinde gama de

funcţionare ca un vehicul pur electric. Utilizând un generator energia furnizată de

motor este convertită în energie electrică care poate fi folosită fie pentru alimentarea

motorului electric fie pentru încărcarea bateriei (Fig.20.5.). Recuperarea energiei de

frânare este posibilă utilizând motorul de tracţiune ca generator, energia electrică

astfel obţinută este stocată în baterie. Funcţionarea motorului cu ardere

internă(M.A.I.) nu răspunde cerinţele de putere ale vehiculului (4) în aceste condiţii

M.A.I. poate funcţiona la un punct unde are randamentul şi emisiile optime (3). Se

Page 486: Curs Motoare

PARTEA III – REDUCEREA POLUARII

486

poate adăuga avantajul că transmisie nu necesită prezenţa unui ambreiaj pentru

simplu fapt că nu este legat mecanic la puntea motoare (5). Configuraţia sistemului

hibrid serie necesită trei maşini: un motor cu ardere internă,un generator electric şi

un motor electric de tracţiune. Acesta din urmă trebuie să fie dimensionat la cerinţele

de putere ale vehiculului, atunci limitând posibilitatea de micşorare a M.A.I. (1).

Soluţia hibrid serie în principiu oferă posibilităţi de reducere a consumului de

combustibil conform cu posibilităţile (2) – (5) prezentate mai sus. Randamentul total

rezervor la roată pentru vehiculele hibride serie este egal cu cel al vehiculelor

moderne echipate cu motoare cu ardere internă eficiente din punctul de vedere al

consumului. Insă greutatea care se adaugă automobilului pentru întărirea caroseriei,

greutatea maşinilor electrice, baterie etc. Poate împinge consumul de combustibil

deasupra valorilor obţinute cu cele mai bune soluţii clasice.

Fig.20.5. Configuraţia de bază a schemei hibrid serie

M.A.I – motor cu ardere internă, G – Generator, C – convertor, B – baterie, M.E. – Motor electric,

P.M.- punte motoare

b) Vehiculele Hibride Electrice cu configuraţie paralelă În timp ce vehiculele hibride cu configuraţie în serie pot fi considerate ca

vehicule electrice cu un motor adiţional cu ardere internă, hibrizii cu configuraţie

paralelă sunt mai degrabă vehicule cu motoare cu ardere internă cu un flux adiţional

de putere provenind de la un motor electric (fig. 20.6) În VHE cu configuraţie paralelă

atât motorul cu ardere internă cât şi cel electric pot furniza puterea de tracţiune atât

independent cât şi în combinaţie. Aceasta oferă un plus de libertate în furnizarea

Page 487: Curs Motoare

Utilizarea unor sisteme motopropulsoare alternative

487

puterii necesare a vehiculului, care poate fi folosit în optimizarea distribuţiei puterii

dintre cele doua fluxuri paralele (punctul 3, în secţiunea precedentă). Motorul poate fi

oprit la ralanti (4) şi motorul electric poate fi folosit pentru a asista la accelerare şi, în

general, pentru cerinţe mari de putere. Ambele pot fi astfel dimensionate pentru o

parte din puterea maximă (1). Datorită cu faptului că două motoare pot fi folosite

împreună, constituie un avantaj faţă de hibrizii cu configuraţie în serie. Un dezavantaj

este nevoia de a folosi un ambreiaj, deoarece motorul are o legătura mecanică cu

transmisia (5). Motorul electric poate fi utilizat ca generator pentru a reîncărca

bateria, fiind alimentat de sistemul de regenerare a forţei de frânare(2) sau de către

motor. Deşi greutatea suplimentară joacă un rol important, posibilităţile de la (1) la (4)

enumerate anterior cresc, în principiu, randamentul întregului sistem faţă de un

vehicul cu un motor cu ardere internă.

Fig.20.6. Configuraţia unui sistem hibrid paralel

Primul nivel de hibridizare este conceptul mild hybrid , care este mai aproape

de ideea originală a unui vehicul cu motor cu ardere internă asistat de un motor

electric. Motorul electric este o maşină electrică mică, de obicei antrenat de o curea

şi montat în faţă motorului (fig. 20.7). Nu necesită capacităţi foarte mari ale bateriei ,

sau electronică de putere complexă, deoarece funcţia sa este de stop-and-go

automatic al motorului (4), furnizând o creştere limitată de putere ce poate fi

folositoare în downsizingul motoarelor (1) şi oferă capacităţi limitate de recuperare a

energiei (2). Motorul electric poate funcţiona şi ca alternator pentru sarcinile electrice,

şi aceasta poate fi folositor în special pentru reţelele de 42 V de la bordul vehiculului,

care necesită un nivel de putere mai mare decât reţelele obişnuite

Fig. 20.7. Configuraţia unui sistem hibrid paralel mixt

Page 488: Curs Motoare

PARTEA III – REDUCEREA POLUARII

488

c) Vehiculul hibrid electric combinat E o configuraţie intermediară între soluţiile hibride cu configuraţie serie şi cea

paralelă. Este mai apropiat de cel cu configuraţie paralelă, dar conţine câteva

caracteristici ale VHE cu configuraţie în serie.

De fapt, există atât legături electrice cât şi mecanice, alături de două motoare

electrice. Ca şi în configuraţia paralelă, unul este folosit ca motor primar sau pentru

regenerarea forţei de frânare, celălalt funcţionează ca un generator într-un hibrid cu

configuraţie în serie. Este folosit să încarce bateria prin motor sau pentru

funcţionarea sistemului stop-and-go. Două realizări diferite ale hibrizilor combinaţi au

fost prezentate recent. Prima (Toyota Prius, Ford Escape, vezi fig. 20.8) are

transmisie planetară (R.P). A doua (Nissan Tino, fig. 20.9) combină generatorul

antrenat de lanţ al hibrizilor de tip mild cu configuraţie paralelă şi un motor electric

montat pe arborele cotit, ca în hibridul complet cu configuraţie paralelă.

Fig.20.8 Configuraţia unui sistem hibrid cu reductor planetar

B – baterie,M.A.I.- motor cu ardere internă, G – generator, C – convertor, R.P- reductor planetar, T –

transmisie incluzând ambreiaj şi cutie de viteze, P.M. – punte motoare, linie bold – legătură mecanică,

linie –legătură electrică

Fig.20.9. Configuraţia unui sistem hibrid fără reductor planetar

Page 489: Curs Motoare

Utilizarea unor sisteme motopropulsoare alternative

489

20.5.2.2 Fluxul de putere Datorită diferitelor configuraţii ale VHE, sunt posibile mai multe moduri de

funcţionare. Aceasta secţiune prezintă fluxurile de putere prin diversele componente

ale unui vehicul hibrid.

a) VHE cu configuraţie în serie În configuraţia standard, legătura dintre motor şi baterie este electrică, cu

tensiunea de ieşire care alimentează motorul electric şi generatorul. Intensităţile

curentului motorului electric şi ale generatorului echilibrează intensitatea de la

terminalul bateriei. Echilibrul puterii este reglat de controllerul de distribuţie a cuplului,

care selectează modul de funcţionare şi raportul u dintre puterea de la baterie şi

puterea totală la legătură.

După cum este ilustrat în figura 20.9, vehiculele hibride au patru moduri de

funcţionare. În modul de funcţionare urban, când bateria este încărcată suficient,

modul de funcţionare complet electric este de obicei selectat,acesta fiind modul de

funcţionare cu zero emisii poluante (u=1)

Când nivelul de încărcare a bateriei este prea scăzut, motorul este pornit şi

este de obicei setat la punctul de randament maxim. Puterea rezultată din diferenţa

dintre puterea motorului şi puterea la legătură reîncarcă bateria (u<0) prin intermediul

generatorului. O asemenea combinaţie a descărcării şi încărcării reprezintă un ciclu

de funcţionare, care este tipic hibrizilor cu configuraţie serie. În principiu, când

puterea motorului este sub nivelul puterii la legătură, puterea lipsă poate fi furnizată

de către baterie (0<u<1) deşi acest mod de funcţionare este rareori folosit în

realitate. Bineînţeles, în timpul frânarii sau decelerării o parte din energie este

recuperată de către motorul electric care este folosit ca generator (u=1)

b) VHE cu configuraţie paralelă La acestea, legătura dintre calea motorului şi calea electrică este mecanică.

Cea mai simplă configuraţie este acea cu doua grupuri de putere ce antrenează punţi

diferite. În hibrizii mild, cuplarea este reprezentată de câtre o curea care de obicei

antrenează demarorul/generatorul, de obicei împreună cu sarcinile auxiliare. În

vehiculul hibrid complet, motorul electric este de obicei montat pe arborele cotit, între

motor şi transmisie. Vorbind în general, cele două fluxuri de putere pot considerate

ca fiind într-un „cuplaj de moment”. Echilibrul de puteri la „cuplajul de moment” este

Page 490: Curs Motoare

PARTEA III – REDUCEREA POLUARII

490

reglat de către controlerul de distribuţie a puterii, care selectează modul de

funcţionare şi raportul u dintre puterea de la motorul electric şi puterea totală la

cuplaj.

În funcţie de valoarea u, sunt posibile diferite moduri de funcţionare. În timpul

pornirii sau accelerării, motorul furnizează doar o parte din puterea totală la cuplaj,

restul fiind furnizat de câtre motorul electric (0<u<1) care realizează conceptul de

asistare a puterii.

În timpul frânarii sau deceleraţiei, motorul electric recuperează energie în

baterie, acţionând ca un generator (u=1). La sarcini mici, motorul ar trebui să

furnizeze mai multă putere decât este strict nevoie, puterea suplimentară încărcând

bateria prin intermediul motorului electric (u<0). Atât funcţionarea motorului (u=0) cât

şi funcţionarea motorului electric (u=1) sunt de asemenea posibile în principiu.

Fig.20.10 prezintă asemenea posibilităţi pentru o configuraţie de hibrid complet.

c) VEH combinate Acestea au posibilitatea de a funcţiona ca hibrizi cu configuraţie serie sau

paralelă. Astfel, modurile de funcţionare posibile rezultă din combinaţia modurilor

discutate anterior. Dar, utilizarea unei transmisii planetare (fig. 20.7) pune nişte

piedici în fluxurile de energie posibile. După cum va deveni clar în ceea ce va urma,

un flux de putere 10 de la motor către transmisia planetara implică întotdeauna un

flux de putere către generator. Ca şi consecinţa, funcţionarea numai a motorului cu

ardere internă nu este posibilă cu o asemenea configuraţie, dar este asociată

întotdeauna cu un flux de putere prin generator şi prin motor. Celelalte moduri,

incluzând modul de funcţionare cu zero emisii poluante, regenerarea forţei de

frânare, reîncărcarea bateriei şi asistarea puterii sunt, bineînţeles posibile, după cum

este ilustrat în figura 20.11.

a) Antrenare pe baterie, u = 1

Page 491: Curs Motoare

Utilizarea unor sisteme motopropulsoare alternative

491

b)Reîncărcarea bateriei u < 0

c) Antrenare hibridă 0<u<1

c) Regenerare prin fânare u = 1

Fig. 7.10. Fluxul de putere pentru diferitele moduri de funcţionare a vehiculelor

hibride serie

Page 492: Curs Motoare

PARTEA III – REDUCEREA POLUARII

492

a) Putere asistată, 0 <u < 1

b) Regenerare la fânare, u = 1

c) Reîncărcare baterie, u < 0

d) Funcţionarea vehiculului cu zero emisii – ZEV, u = 1

e) Vehicul convenţional, u = 0

Fig.20.11. Fluxul de putere pentru diferitele moduri de funcţionare a vehiculelor

hibride paralele

Page 493: Curs Motoare

Utilizarea unor sisteme motopropulsoare alternative

493

a) Funcţionare „numai cu motorul”

b) Funcţionarea vehiculului cu zero emisii – ZEV

c) Regenerare la fânare

d) Reîncărcare baterie

Page 494: Curs Motoare

PARTEA III – REDUCEREA POLUARII

494

e) Putere asistată

Fig.20.11.Fluxul de putere pentru diferitele moduri de funcţionare a vehiculelor

hibride combinate cu reductor planetar

20.5.2.3 Concepte realizate

În ultimi ani s-a demonstrat că o mare parte din vehicule sunt dotate cu una

din configuraţiile pentru vehicule hibride prezentate în acest capitol. Modelele care au

intrat în producţia de masă sau sunt considerate pregătite pentru piaţă sunt cele cu

sursă dublă (series-parallel type), de preferinţă cu unitate planetară pentru a realiza

transferul momentului şi cele cu sursele în paralel, acestea din urma având o

răspândire mai mică pe piaţă.

Vehiculele hibride combinate (Nissan Tino, Toyota Prius, Fiat Multipla Ibrida,

Ford Escape) şi cele cu sursele în paralel (Audi Duo, Citroen Xsara Dynactive,

Honda Insight, Honda Civic Hybrid) sunt caracterizate printr-un procent de hibridizare

(raportul dintre puterea motorului electric şi puterea motorului convenţional) cu valori

între 15% şi 55% sau chiar mai mult. Cele cu procentaj mic sunt denumite vehicule

cu hibridizare moderată, chiar dacă construcţia este asemănătoare cu vehiculele

hibride cu surse în paralel cu hibridizare completă, aşa cum este prezentat în Fig.

20.5. Vehicule cu hibridizare moderată sunt prezentate în Fig. 20.6. (GM Precept,

Doge Intrepid, Toyota Crown, Saturn Vue, Honda Accord Hybrid). Acestea au un

procent de hibridizare redus (2-15%), cu un sistem electric care funcţionează pe

principiul stop-and-go.

De obicei sunt folosite motoare cu aprindere prin scânteie, motor/generator

sincron cu magneţi permanenţi pentru curent alternativ (şi fără perii pentru curent

continuu), baterii Ni-MH. Cu toate acestea sunt şi câteva modele echipate cu motor

Page 495: Curs Motoare

Utilizarea unor sisteme motopropulsoare alternative

495

Diesel, cu motor asincron pentru curent alternativ şi baterii Li-Ion. De asemenea sunt

folosite într-o gama largă şi transmisiile cu raport de transmitere variabil (CVT). La

vehiculele hibride cu sursă dublă, circuitul de putere este reglat de unitatea planetară

sau şi de un mecanism tip ambreiaj. La vehiculele hibride cu surse în paralel

cuplarea se realizează cu punţi separate sau prin arborele de transmisie ce le leagă.

Producătorii principali de automobile au produs doar câteva modele de vehicule

hibride cu surse în paralel, de obicei acestea fiind o îmbunătăţire adusă la vehiculele

cu propulsie electrică.

20.5.3 Bateriile

Componenta principală atât pentru vehiculele cu propulsie electrică (EV) cât şi

pentru vehiculele hibride cu propulsie electrică (VHE) este bateria electrochimică.

Bateriile sunt dispozitive care transforma energia chimică în energie electrică şi vice

versa. Acestea formează un sistem reversibil de stocare a energiei electrice.

Caracteristicile acestor baterii, folosite atât la EV cât şi la V, HE sunt: putere şi

energie specifică ridicată, durată de viaţă lunga, costul iniţial şi de înlocuire redus şi

sunt robuste. Pe lângă pretenţiile tehnice, un element principal îl prezintă dezvoltarea

unei tehnologii de măsurare exactă a capacităţii sau a stării de încărcare (SOC) al

bateriei în timpul funcţionării.

Capacitatea bateriilor, de obicei exprimată în Ah, este integrala intensităţii

care poate fi livrată în anumite condiţii. Un parametru adimensional este starea de

încărcare, reprezentând cantitatea sarcinii rămase în baterie, exprimată ca procentaj

al capacităţii nominale. Alt parametru principal este energia specifică, reprezentat

energia care poate fi înmagazinată în baterie raportată la masă, exprimată de obicei

în Wh/kg. Energia specifică dictează asupra masei bateriilor, limitând astfel

autonomia unui vehicul cu propulsie electrică (EV). Pentru HEV, variabila principală

este puterea specifică, exprimată de obicei în W/kg, care afectează direct acceleraţia

şi performanţele în pantă ale vehiculului. Bateriile sunt compuse dintr-un număr dat

de celule, acestea la rândul lor având trei componente: doi electrozi, aici au loc

reacţii incomplete (half-reactions) care produc mişcarea electronilor printr-o

rezistenţa externă şi mediul care asigura transportul de ioni între electrodul pozitiv şi

negativ. Catodul este electrodul unde are loc reacţia de reducere (se acceptă

electroni). În timpul descărcării bateriei acesta este electrodul pozitiv, iar la încărcare

acesta devine electrodul negative. Anodul este electrodul unde are loc reacţia de

Page 496: Curs Motoare

PARTEA III – REDUCEREA POLUARII

496

oxidare (se cedează electroni). În timpul descărcării bateriei acesta este electrodul

negativ iar în timpul încărcării este electrodul pozitiv (vezi Fig.20.12).

Fig.20.12. Schema unei celule de baterie, A - anod, C – catod, E - electrolit

Bateriile folosite în aplicaţiile auto sunt reîncărcabile (baterii secundare).

Acestea pot fi împărţite în doua categorii în funcţie de tipul electrolitului. Bateriile care

funcţionează la temperatura ambianţă au în componenţă electrolit lichid sau solid.

Bateriile care funcţionează la temperaturi înalte au în componenţa electrolit topit sau

solid. În prezent sunt de remarcat zece tehnologii utilizate în această ramură. Cele

mai des folosite sunt: (i) Pb-acid, (ii) Ni-Cd, (iii) Ni-MH, (iv) Li-ion şi (v) NaS. Tabelul

20.1 prezintă aspectele electrochimice ale acestor tehnologii.

Bateriile Pb-acid au un anod din plumb spongios, un catod din dioxid de plumb

(PbO2) iar pe post de electrolit se foloseşte acid sulfuric (H2SO4). În urma reacţiilor

din celule rezultă apă. Când se trece de un anumit voltaj, numit şi voltaj de

gazeificare, apa se va separa în hidrogen şi oxigen. De aici şi limitarea domeniului de

funcţionare a acestor baterii atâta timp cât apa trebuie să fie înlocuită în permanenţa.

Aceasta problemă a fost rezolvată prin utilizarea bateriilor etanşate. Deoarece nu pot

fii etanşate în proporţie de 100%, acestea mai sunt numite şi baterii cu plumb cu

supapă de reglare (VRLA). Hidrogenul şi oxigenul sunt convertite înapoi în apa, în

acest fel apa nu mai trebuie să fie înlocuită. Bateriile Pb-acid sunt utilizate în

Page 497: Curs Motoare

Utilizarea unor sisteme motopropulsoare alternative

497

domeniul de 12 V pentru vehicule convenţionale, dar şi pe vehicule hibride electrice

VHE (Audi Duo), în special datorită costului redus, fiabilitate şi rezistenţă.

Principalele dezavantaje sunt ciclul de viaţă redus şi densitatea energiei mică,

limitând astfel utilizarea lor la vehiculele cu propulsie electrică. La polul opus, se pot

obţine însă densităţi de putere până la 600 W/kg cu ajutorul unor baterii Pb-acid

special concepute pentru aplicaţiile VHE.

Tabelul 20.1 Baterii de tracţiune folosite pentru vehiculele hibride

Tip baterie Anod Catod Electrolit Tensiune celulă

Plumb -acid

Pb PbO2 H2SO4 2 V

Nichel - cadmiu

Cd Ni(OH)2 KOH 1,2 V

Nichel-hidruri metalice

Hidruri metalice

Ni(OH)2 KOH 1,2 V

Litiu - ion Carbon Oxid de litiu soluţie de litiu 3,6 V

Bateriile Ni-Cd conţin un anod de cadmiu (Cd), un catod de hidroxid de nichel

(Ni(OH)2) şi ca electrolit se foloseşte hidroxid de potasiu (KOH). Acestea sunt folosite

în produsele electrice casnice datorită unei energii specifice ridicate şi o durată de

viaţă mai mare în comparaţie cu bateriile Pb-acid. Datorită acestor proprietăţi acestea

au fost folosite şi pe unele vehicule cu propulsie electrică (Citroen, Peugeot).

Dezavantajele acestor baterii sunt: costul ridicat în comparaţie cu bateriile Pb-acid şi

densitatea de putere redusă, limitând utilizarea lor pe vehicule hibride electrice VHE.

Însă cea mai cunoscută limitare este aşa numitul “efect de memorie”. Acest lucru se

caracterizează prin pierderea temporală a capacităţii celulei, fenomen ce apare

atunci când aceasta este încărcată fără să fie în prealabil descărcată complet. Acest

efect produce scurtarea duratei de viaţă a bateriei.

Page 498: Curs Motoare

PARTEA III – REDUCEREA POLUARII

498

Bateriile Ni-MH au un anod fabricat dintr-un aliaj care poate înmagazina atomi

de hidrogen. Un aliaj tipic folosit este LaNi5. Catodul este realizat din hidroxid de

nichel, iar ca electrolit este folosit hidroxid de potasiu. Comparate cu bateriile Ni-Cd,

bateriile Ni-MH au un cost ridicat şi o durată de viaţă redusă (însă superioară

bateriilor Pb-acid) însă au o densitate energetică ridicată precum şi densitate mare a

puterii. Efectul de memorie apare numai în anumite condiţii. Din acest motiv, bateriile

Ni-MH au fost utilizate cu succes în producţia vehiculelor cu propulsie electrică (VE)

şi mai recent pe VHE (Toyota Prius, Fiat Multipla, Honda Insight, Citroen Dynactive

and Dynavolt, Ford Escape, and GM Precept).

Bateriile Li-Ion au un anod de grafit în care ioni de litiu sunt intercalaţi în

spaţiul interstiţial al cristalului. Catodul este din oxid de litiu iar ca electrolit se

foloseşte soluţie din litiu. Pentru a separa electronii de ionii de litiu se folosesc

membrane speciale. Bateriile Li-Ion au pătruns rapid pe piaţă notebook-urilor si

telefoanelor mobile datorită puterii şi energiei specifice ridicate. Aceste caracteristici

extind utilizarea bateriilor Li-Ion şi la aplicaţiile VHE (Nissan Tino, Dodge ESX).

Totuşi, pentru a fi disponibile pe o scară mai largă în aplicaţiile VHE, este necesară

cercetarea în vederea îmbunătăţirii duratei de viaţă şi o eventuala reducere a

costului.

Bateriile cu NaS au un anod din sodiu topit, un catod din sulf topit şi ca

electrolit se foloseşte un component ceramic solid (beta-alumina). Acest tip de

baterie a fost studiată amănunţit un vederea folosirii pe vehicule cu propulsie

electrică (VE) deoarece foloseşte materiale ieftine, are durată de viaţă ridicată,

energie şi putere specifică mare. Valoarea energiei specifice a atins valori de 150

Eh/kg iar puterea specifică 200 W /kg. Cu toate că avem aceste avantaje folosirea

bateriilor nas este limitată de două variabile. Celula electrică trebuie să funcţioneze la

temperaturi în jurul a 350°C pentru a păstra starea lichidă a sulfului. Acest lucru este

realizat prin izolaţie sau prin încălzirea datorată puterii proprii, ceea ce duce la

diminuarea densităţii energiei. Mai mult, în electrolit pot apărea microfisuri, care

permit contactul dintre sodiul lichid şi sulf , cu rezultate deosebit de grave.

Bateria cu clorură de LiNa, cunoscută şi ca bateria "zebra", se bazează pe alta

tehnologie avansată. Similar cu bateriile NaS, anodul este din sodiu în stare solidă

iar catodul este din clorură de nichel. Ca electrolit este folosită o soluţie de NaAlCl4.

Energia şi puterea specifică este comparabilă cu bateriile NaS. Avantajul bateriilor

“zebra” este ca rezistă până la 1000 de cicluri şi au siguranţă sporită.

Page 499: Curs Motoare

Utilizarea unor sisteme motopropulsoare alternative

499

20.5.4 Supercondensatori

Super-condensatorii (denumiţi şi condensatori electrochimici sau

ultracondensatori) înmagazinează energie în câmpul electric al unui strat dublu

electrochimic. Cu toate că puterea specifică este mai mare decât cea din baterii,

energia specifică este cu mult redusă. Aceste dispozitive sunt în cercetare ca

sisteme principale de stocare a energiei, ca surplus de putere în timpul acceleraţiei şi

în panta, de asemenea şi pentru recuperarea energie de frânare. O altă posibilă

aplicaţie este pe vehicule cu grad redus de hibridizare împreună cu un starter /

alternator integrat, ca buffer de tensiune joasă (42V) care este capabil de un grad

mare de recuperare a puterii. Super-condensatorii sunt de asemenea utilizabili ca

surse secundare de stocare a energiei pe vehicule VHE, permiţând micşorarea

bateriilor electrochimice prin controlul puterii. Un alt avantaj este un control mai bun

al management-ului energiei utilizate pe vehicul, permiţând optimizarea condiţiilor de

funcţionare al sistemului principal de stocare a energiei.

Un super-condensator diferă de un condensator normal prin materialele

folosite şi procesul tehnologic. Într-un super-condensator dielectricul este un electrolit

care transportă ionii între electrozi. Energia este înmagazinată prin separarea

sarcinilor ce are loc în straturile dintre electrolit şi electrozi. Deoarece tensiunea care

poate fi aplicată este limitată la câţiva volţi, datorită caracteristicilor electrolitului,

capacitatea de înmagazinare este mărită prin mărirea capacităţii, de exemplu mărind

suprafaţa şi micşorând grosimea electrolitului. Acest lucru este obţinut prin folosirea

unor electrozi din material poros care măresc suprafaţa datorită structurii fine.

Electrozi de acest gen sunt carbonul activ (103 m2/g) şi unii oxizi metalici (ruteniu,

iridiu). Electrozii din carbon poros sunt conectaţi la plăci metalice care colectează

electricitatea. Electrozii sunt separaţi de o membrana izolatoare conductoare de ioni,

numită şi separator. Separatorul are de asemenea funcţia de stocare şi imobilizare a

electrolitului lichid. Ca electrolit se poate folosi soluţie acidă sau un lichid organic

care umple porii electrozilor.

În comparaţie cu bateriile electrochimice, super-condensatorii au putere specifică

mare de 500-2500 W/kg şi energie specifică redusă de 0.2- 6 Wh/kg, în funcţie de

materialul folosit ca electrod (carbon, oxizi metalici) de tipul electrolitului (lichid,

polimer). În industria automobilelor atenţia a fost focalizată pe celule electrice cu

carbon şi electrolit polimer, combinaţie ce oferă o performanţă bună la preţ redus.

Page 500: Curs Motoare

PARTEA III – REDUCEREA POLUARII

500

Viitorul acestei tehnologii se pare că depinde de limitările financiare în comparaţie cu

sisteme de baterii cu putere ridicată.

Fig.20.13. Schema unui super-condensator

20.6. MODELELE SISTEMELOR DE PROPULSIE HIBRID- INERTIAL ŞI HIBRID HIDRAULIC

20.6.1. Sisteme de stocare a energiei pe termen scurt

În afara purtătorilor de energie ce au fost luaţi în considerare în capitolul 20.4

(Combustibili fosili) şi cei enumeraţi în capitolul 20.5 (baterii electrochimice), se pot

concepe şi alte metode de a stoca energia la bord. Datorită energiei lor specifice mici

aceste sisteme sunt numite sisteme de stocare a energiei pe termen scurt (3S).

Capacitatea lor foarte limitată nu permite folosirea sistemelor de stocare cu termen

limitat ca sisteme unice. În schimb aceste sisteme pot fi folosite în vehiculele hibride,

combinate fiind cu un sistem de pornire iniţial această soluţie este aleasă din două

motive principale. Pe de o parte sistemele de stocare pe termen lung sunt destinate

recuperării energiei disponibile în momentul decelerării vehiculului şi o cedează în

momentul celorlalte faze de tracţiune ce urmează frânarii (procedeu cunoscut sub

numele de frânare regenerativă). Pe de cealaltă parte aceste sisteme permit

implementarea operaţiilor ciclice (funcţionarea pe un ciclu de putere,) în care

sistemul de acţionare primar funcţionează într-o zonă convenabilă de sarcina totală

sau este oprit. În momentul în care este oprit, sistemul de stocare pe termen scurt

Page 501: Curs Motoare

Utilizarea unor sisteme motopropulsoare alternative

501

generează energia necesară tracţiunii, în timp ce în momentul de funcţionare a

motorului, sistemul este reîncărcat. Aceasta operaţie este convenabilă datorită

faptului că sistemele de stocare pe termen lung manifestă o putere specifică mai

mare decât marea parte a purtătorilor de energie pe termen lung. Bineînţeles,

beneficiul global obţinut printr-o hibridizare bazată pe sistemul 3S este scăzut şi de

faptul că la bord este instalată o masă adiţionala, care trebuie să fie limitată la un

procent rezonabil din masa vehiculului tocmai din aceasta cauză (ex. 10%)..

În general, grupurilor motoare propulsoare bazate pe 3S li se aplică

următoarele principii şi componente de bază:

1. electrochimice, generator/motor şi baterie;

2. electrostatic, generator/motor şi super-condensatori;

3. electromagnetic, generator/motor şi bobina super-conductoare;

4. inerţial, CVT şi volant;

5. potenţial, CVT şi arcul de torsiune; şi

6. hidraulic, pompa/motor hidraulic şi acumulator.

Din punct de vedere tehnic doar soluţiile (1), (2), (4) şi (6) sunt folosite la

nivelul actual, deşi varianta (3) a fost propusă şi ea. Primele doua soluţii electrice

sunt folosite în vehiculele hibride electrice. Bineînţeles în literatura de specialitate s-

au propus multe alte grupe de grupuri motoare propulsoare hibride. De exemplu într-

o combinaţie interesantă de motor cu ardere internă şi un sistem de stocare

pneumatic pe termen scurt a fost sugerat pentru a îmbunaţi eficienţa la sarcini

parţiale ale motorului cu ardere internă şi pentru a recupera o parte din energia

cinetică a vehiculului, în momentul frânarii.

Figura 20.14. arată limitele tipice ale energiei şi puterii specifice ale celor mai

folosite sisteme de stocare temporară a energiei, într-o aşa numită diagramă

Ragone, în comparaţie cu valorile ridicate obţinute de motoarele cu ardere internă şi

de pilele de combustie.

În mod uzual, conceptele motoare cu sisteme de stocare a energiei pe termen

scurt se găsesc pe hibrizii în serie, după clasificarea din Capitolul 20.5 În sistemele

motor- super-condensatori energia de legătură este electrică iar la sistemul motor-

acumulator este hidraulică. Sistemul de propulsie în aceste cazuri (vezi Fig. 20.15.)

implică trei sisteme iniţiale, de pornire şi două trepte de conversie a energiei.

Page 502: Curs Motoare

PARTEA III – REDUCEREA POLUARII

502

Fig.20.14. Puterea specifica în funcţie de energia specifică pentru diferite sisteme de

stocare pe termen scurt

Conceptul hibrid paralel este posibil, şi momentan există câteva aplicaţii, mai

ales pentru hibrizii hidraulici, ce au ca scop principal regimul de stop-and-go (mild

hybrids). În sistemele cu volant ale motorului, energia de conexiune este mecanică,

astfel încât nu exista nici o diferenţa de principiu între configuraţiile de serie şi

paralel. În orice caz, aceste concepte pot fi privite deopotrivă şi ca nişte hibrizi în

serie.

Design-ul modelelor de sisteme hibride în paralel şi ale modelelor hibrid-

inerţiale se bazează pe ideile simple introduse de capitolele anterioare. În particular

conceptele de configuraţii modularizate şi de cvasi- statice versus dinamice sunt încă

valabile. Figura 20.16-20.17 reprezintă fluxul factorilor de putere în simulările cvasi-

statice şi dinamice ale soluţiilor hibride inerţiale şi hidraulice. De observat faptul că

fluxul de putere din Fig. 20.16. descrie şi configuraţiile în care volantul este montat

pe arborele transmisiei ca în Fig. 20.15.

Page 503: Curs Motoare

Utilizarea unor sisteme motopropulsoare alternative

503

Fig.20.15 Sisteme de stocare a energiei pe termen scurt la vehiculele hibrid serie

a) Abordare cvasi-statică

b) Abordare dinamică

Fig.20.16. Fluxul factorilor de putere pentru un sistem de propulsie hibrid F- forţă, P – putere mecanică, M – moment, v – viteză, ω- viteză unghiulară, V – volant, CVT –

transmisie variabilă continuă.

Page 504: Curs Motoare

PARTEA III – REDUCEREA POLUARII

504

a) Abordare cvasi-statică

b) Abordare dinamică

Fig.20.17. Fluxul factorilor de putere pentru un sistem de propulsie hibrid F- forţă, P – putere mecanică,Q – debit fluid, M – moment, v – viteză, ω- viteză unghiulară, p –

presiune, P.H.- pompă hidraulică, A.H.-acumulator hidraulic, M.H. motor hidraulic

20.7. MODELE PENTRU SISTEMELE DE PROPULSIE CU PILE DE COMBUSTIE 20.7.1 Vehicule electrice cu pile de combustie şi vehicule hibride cu pile de combustie

Pilele de combustie sunt sisteme electrochimice ce transformă în mod direct

energia chimică în energie electrică. În opoziţie cu motoarele cu ardere internă nu

exista o conversie imediată în energie termică şi din aceasta în energie mecanică.

Eficienţa unei pile de combustie nu este limitată de eficienţa Carnot, şi poate să

atingă în principiu mai mult de 100%, fapt bazat pe puterea calorică mai mică a

combustibilului.

Page 505: Curs Motoare

Utilizarea unor sisteme motopropulsoare alternative

505

Pilele de combustie furnizează energie electrică, o energie pură, fără alţi

produşi de reacţie. Acesta este motivul pentru care, laolaltă cu vehiculele pur

electrice, pilele de combustie sunt clasificate ca acordând vehiculului zero emisii.

Energia specifică a hidrogenului este substanţial mai mare decât cea a bateriilor

electrochimice. De aceea vehiculele cu pile de combustie par a combina cel mai bine

avantajele vehiculelor electrice şi cele ale vehiculelor bazate pe motoare cu ardere

internă, adică emisii locale zero, eficienţă mare şi autonomie rezonabilă. Dar,

funcţionarea sistemelor auxiliare de la bord şi paşii de conversie necesari pentru a

obţine şi a stoca tot combustibilul afectează puternic performanţele sistemelor cu pile

de combustie. Aceste neajunsuri trebuie să fie luate în considerare cu atenţie atunci

când sunt făcute comparaţii cu alte sisteme de propulsie.

În principiu, pilele de combustie pot converti toate substanţele fluide oxidabile.

Dar judecând din punct de vedere tehnic, doar hidrogenul şi gazul natural sunt

folosite momentan în practică. Alţi combustibili lichizi fosili, cum ar fi metanolul,

etanolul şi benzina pot fi folosiţi drept cărăuşi de energie care sunt convertiţi

„reformaţi” la bord în hidrogen. Acest combustibil are avantajul decisiv de a avea ca

produs de reacţie apa. Tabelul 7.2 prezintă o comparaţie a celor mai importante

proprietăţi ale hidrogenului şi benzinei.

Tabelul 20.2. Comparaţie între proprietăţile hidrogenului şi benzinei

Proprietate Hidrogen Benzină

Greutate moleculară 2,016 107

Punctul de fierbere (K) 13,308 310 - 478

Densitatea vaporilor în condiţii normale (g/ m3)

84 4400

Densitatea în stare lichidă (kg m3)

70,8 700

Puterea calorică superioară (MJ kg)

141,86 48

Puterea calorică inferioară (MJ kg)

119,93 44,5

Page 506: Curs Motoare

PARTEA III – REDUCEREA POLUARII

506

Constanta gazelor 4124 78,0

Limita de inflamabilitate în aer (% Vol.)

4,0 -75,0 1,0 – 7,6

Limita de detonaţie în aer (% Vol.)

18,3 – 59,0 1,1 – 3,3

Temperatura de auto aprindere (K)

858 501 - 744

Temperatura adiabatică a flăcării în aer

2318 2470

Viteza frontului de flacără în aer (cm s)

~300 37 - 43

Integrarea unei pile de combustie într-un sistem de propulsie pare a fi simplă

în principiu, de aceea deja au fost dezvoltate numeroase prototipuri. Din cauza

faptului că în cazul pilelor de combustie, energia dezvoltată este energie electrică,

transmisia şi grupul propulsor pot fi adoptate de la un vehicul electric (vehicule

electrice cu pile de combustie, VEPC). În orice caz, sistemul rezultant este destul de

complex datorită multiplelor sisteme de stocare a energiei şi a echivalenţilor de

sarcină, diverse sisteme auxiliare etc. cerute de configuraţie. Problemele combinate

date de stocarea hidrogenului la bord şi de lipsa unei infrastructuri pentru

realimentarea cu hidrogen, au constituit un impediment pentru o adoptare la scara

largă a VEPC. Au fost propuse procesoarele de combustibil aflate la bord pot genera

hidrogenul din anumite hidrocarburi stocate la bord (metanol, benzina sau gaz

natural) ca o sursă alternativă de hidrogen pentru VEPC.

Deşi densitatea de energie este mult mai mare decât în cazul stocării

hidrogenului, aceste sisteme sunt destul de complexe şi introduc pierderi de eficienţă

adiţionale în funcţie de diferitele stadii de preparare şi reformare a combustibilului,

precum şi de purificarea hidrogenului. În plus produc şi emisii de CO2 şi au un

răspuns dinamic insuficient, ceea ce face din activităţile de control a sarcinii dificilă.

Proprietăţile de maniabilitate şi de putere ale VEPC -urilor pot fi îmbunătăţite prin

adăugarea unui sistem de stocare pe termen scurt, transformându-le deci în vehicule

hibride cu pile de combustie (VHEPC ).

Page 507: Curs Motoare

Utilizarea unor sisteme motopropulsoare alternative

507

O opţiune promiţătoare constă în folosirea super-condensatorilor, alternativa

fiind reprezentată de bateriile electrochimice. Super-condensatorii au o densitate de

putere extrem de mare şi o eficienţă mai mare decât a bateriilor pentru energia

încărcată şi descărcată. Sunt folosite pentru a acoperi vârfurile de putere, mai ales în

timpul accelerării şi la frânarea regenerativă în timpul căreia pila de combustie este

operată în regim semi-staţionar. Acest tip de funcţionare are multe avantaje. Întâi

grupul propulsor primar poate fi micşorat faţă de vârful de putere, devenind deci mai

mic şi mai ieftin. În al doilea caz, funcţionarea staţionară creşte nu doar eficienţa

combustibilului dar şi durata de viaţă în cazul pilei de combustie.

20.7.2. Concepte realizate

În anii 1990 şi 2000 au avut loc numeroase demonstraţii ale institutelor de

cercetare şi ale producătorilor importanţi, având în centrul lor diferite prototipuri ale

vehiculelor de pasageri şi ale altor vehicule echipate cu pile de combustie. Parte din

aceste concepte au fost realizate în serie mică şi se poate considera că se află într-

un stadiu pre-comercial. Judecând după arhitectura grupului propulsor, la vehiculele

ce funcţionează doar cu pile de combustie trebuie să fie deosebite de vehiculele

hibride electrice cu pila de combustie. După mişcările de pionierat din deceniile

trecute, dezvoltarea VEPC a primit un impuls la jumătatea anilor 1990. Adesea,

acelaşi producător a experimentat diferite metode de stocare a hidrogenului-gazos,

lichid, hidruri metalice, reformarea metanolului sau a benzinei, în prototipuri

succesive (ex. seria DaimlerChrysler Necar, Ford Focus FCV /FC5, seria Opel Hydro

Gen3), deşi proiectele comerciale şi pre-comerciale folosesc cel mai des hidrogen

gazos comprimat (DaimlerChrysler F-Cell şi autobuzul Citaro). Un prototip recent

foloseşte un borohidrat al sodiului ca sistem de stocare a hidrogenului

(DaimlerChrysler Natrium). Au fost investigate vehicule hibride cu pilă de combustie, cu o baterie

secundară pe post de sistem de stocare a energiei având de asemenea metode

diferite de stocare a hidrogenului (seria Toyota FCHV, Ford Focus FCV Hybrid,

Nissan X-Trail FCV). Mai recent, în sistemele hibride cu pile de combustie au fost

introduşi super-condensatori. De la un subiect al proiectelor de cercetare şi

dezvoltare, această soluţie a devenit un mod de abordare adoptat de mai mulţi

producători de vehicule (Mazda Demio FCEV, Honda FCX).

Page 508: Curs Motoare

PARTEA III – REDUCEREA POLUARII

508

Bibliografie [1] An F, Vyas A, Anderson J, Santini D (2001) “Evaluating commercial and

prototype HEVs.” SAE Paper 2001-01-0951

[2] Caraceni A, Cipolla G, Barbiero R (1998) “Hybrid power unit development for

FIAT multipla vehicle” SAE Paper 981124

[3] Chau KT, Wong YS (2002) “Overview of power management in hybrid electric

vehicles.” Energy Conversion and Management 43:1953-1968

[4] Chau KT, Wong YS, Chan CC (1999) “An overview of energy sources for

electric vehicles”. Energy Conversion and Management 40:1021-1039

[5] Guzella L, Sciarretta A (2005) “Vehicle propulsion systems: introduction to

modeling and optimization.” Springer – Verlag 2005

[6] Hauer KH (2001) “Numerical simulation of two different ultra capacitor hybrid

fuel cell vehicles.” Proc. of the 18th Electric Vehicle Symposium, Berlin,

Germany

[7] Heywood JB (1998) “Internal combustion engine fundamentals.” McGraw Hill,

New York, NY

[8] Husted H (2003) “A comparative study of the production applications of hybrid

electric power trains.” SAE Paper 2003-01-2307

[9] Iwai N (1999) “Analysis of fuel economy and advanced systems of hybrid

vehicles.” JSAE Review 20:3-11

[10] Kempton K, Kubo T (2000) “Electric-drive vehicles for peak power in Japan.”

Energy Policy 28:9-18

[11] Maggetto G, Van Mierlo J (2001) “Electric vehicles, hybrid vehicles and fuel

cell electric vehicles: state of the art and perspectives.” Ann Chim Sci Mat

26(4):9-26

Page 509: Curs Motoare

Autovehiculul electric

509

Autor: Corneliu COFARU 21. AUTOVEHICULUL ELECTRIC

Reducerea emisiilor poluante pentru prezervarea mediului înconjurător este

principalul argument pentru introducerea tracţiunii electrice. Epuizarea rezervelor de

petrol şi considerentele politice şi economice conduc la găsirea unor surse

energetice alternative.

Imaginea firmelor care cercetează şi construiesc vehicule electrice este

considerabil mai bună.

Vehiculele electrice alimentate de la baterie au particularitatea că nu au emisii

poluante la locul de utilizare. Utilizarea vehiculelor electrice se confruntă cu două

probleme majore:

- caracteristicile bateriei de stocare;

- infrastructura necesară încărcării bateriei.

21.1. CARACTERISTICILE BATERIEI DE STOCARE A ENERGIEI ELECTRICE

Bateriile utilizate în tracţiunea electrică a autovehiculelor trebuie să

îndeplinească următoarele cerinţe:

- putere specifică ridicată;

- rezistenţă internă redusă;

- eficienţă energetică înaltă;

- capacitate electrică pentru a asigura o autonomie apropiată de vehiculele

convenţionale;

- uşurinţă şi timp redus la reîncărcare;

- număr suficient de cicluri încărcare - descărcare care să-i confere

durabilitate;

- disponibilitatea materialelor din care este confecţionată precum şi lipsa

nocivităţii acestora;

- greutate specifică şi dimensiuni reduse pentru a nu diminua sarcina utilă a

autovehiculului;

- mentenanţă simplă;

- rezistenţă mecanică;

- cost acceptabil.

Page 510: Curs Motoare

PARTEA III – REDUCEREA POLUARII

510

În tabelul următor se prezintă caracteristicile bateriilor utilizate pe

autovehiculele electrice:

Tabelul 21.1 Caracteristicile bateriilor electrice

Pierderi Tipul bateriei

Rezistenţa internă [% din RN]

Densitatea energetică [Wh/kg]

Densitatea de putere [W/kg]

Factorul de încărcare

altele

Durata de funcţionare [cicluri]

Pb - acid 5 24 - 28 50 - 60 1,05 0,2%/lună 700

Ni / Cd 1 - 2 45 - 50 175 1,2 10% în prima zi 10%/lună

2000

Na / S 17,5 102 103 1 60-100 W > 1500 Na / NiCl2

15,4 98 109 1 100 W 1000

Zn / Br 30 65 - 70 90 - 110 1,15 150 W > 1500

21.2. TIPURI DE BATERII 21.2.1. Bateria Pb - acid Pe autovehiculele convenţionale, bateria Pb-acid este utilizată pentru stocarea

energiei electrice necesare funcţionării sistemelor electrice şi electronice ale

autovehiculului.

Bateria are electrodul pozitiv confecţionat din PbO2 iar electrodul negativ din

Pb. Electrolitul este H2SO4. Pe timpul descărcării, pe ambii electrozi apare PbSO4,

după următoarea reacţie:

descărcare

PbO2 + Pb + 2H2SO4 ↔ 2PbSO4 + 2H2O (21.1) încărcare

Tensiunea este de aproximativ 2 V şi depinde de densitatea electrolitului.

Tensiunea la borne descreşte pe timpul descărcării deoarece acidul se consumă. În

bateria Pb - acid, pe lângă reacţia principală apare şi electroliza apei:

2H2O → 2H2 + O2 (21.2)

Pentru a obţine o putere acceptabilă pentru tracţiune sunt necesare suprafeţe

mari ale electrozilor. O bună densitate a energiei şi puterii se obţine prin utilizarea

unor plăci electrod subţiri însă se reduce durata de exploatare. Utilizarea unor plăci

Page 511: Curs Motoare

Autovehiculul electric

511

tubulare poate determina creşterea duratei de funcţionare (2000 cicluri) însă

descreşte densitatea energiei şi puterii.

Bateria necesită dese completări ale electrolitului cu apă. Tensiunile necesare

tracţiunii electrice se obţin prin asamblarea în serie a celulelor. Teoretic celulele pot fi

conectate şi în paralel.

O problemă importantă a bateriei o constituie disiparea căldurii la descărcarea

rapidă a bateriei. Descărcarea bateriei este permisă până la limita de 80% din

capacitatea nominală a bateriei.

La temperaturi scăzute, puterea bateriei Pb - acid este limitată. Dacă

autovehiculul pe timp rece nu este staţionat în garaj, bateriile necesită un sistem de

încălzire pentru a menţine în limite acceptabile performanţele acestora.

Completarea cu apă a lichidului electrolit limitează utilizarea bateriilor Pb - acid

în tracţiunea autovehiculelor. Sistemele automate de completare cu apă sunt

complicate şi în cazul defectării pot produce scoaterea din funcţiune a bateriilor.

Bateria este încărcată cu o tensiune controlată.

Tabelul 21.2 Caracteristicile bateriei Pb - acid

Tensiunea de echilibru a elementelor 2 V Temperatura de funcţionare 15 °C - 45 °C Densitatea energiei (5 h - descărcare) 30 - 35 Wh/kg Densitatea puterii ~60 W/kg Randamentul energetic 81% Factorul de încărcare 1,05 Greutatea bateriei Pb - acid este un factor care limitează utilizarea în

tracţiunea electrică (de exemplu: pentru o densitate a energiei de 25 Wh/kg şi o

autonomie de 100 km o baterie are 1000 kg).

21.2.2. Bateria nichel-cadmiu O celulă încărcată are electrodul pozitiv confecţionat din hidroxid de Ni iar

electrodul negativ din Cd metalic. Electrolitul utilizat este o soluţie de carbonat de

potasiu (potasă caustică).

La această baterie este dificil să se formuleze reacţiile care au loc în întreaga

celulă, simplificat această reacţie este de forma:

încărcare

Cd(OH)2 + 2Ni(OH)2 ↔ Cd + 2NiOOH + 2H2O (21.3)

descărcare

Page 512: Curs Motoare

PARTEA III – REDUCEREA POLUARII

512

Electrozii nu se consumă pe timpul funcţionării iar tensiunea nu depinde de

starea de încărcare a bateriei.

Şi în cazul acestei baterii apare procesul de electroliză a apei.

La bateriile Ni-Cd de tracţiune se folosesc electrozi sinterizaţi sau fibroşi.

Construcţia unei celule (element) este asemănător bateriei Pb - acid.

O tensiune satisfăcătoare pentru tracţiune se poate obţine prin asamblarea în

serie a mai multor celule. Teoretic celulele pot fi conectate în paralel.

Randamentele bune ale tracţiunii electrice se obţin la tensiuni ridicate care

impun legarea în serie a elementelor dar aceasta determină reducerea densităţii de

putere şi de energie şi comparată cu bateria Pb - acid, bateria Ni-Cd prezintă o

situaţie mai slabă din cauza tensiunii mai mici pe element (1,2 V), în schimb nefiind

distrusă de descărcările profunde.

La supraîncărcare, bateria disipă căldura care apare şi nu are nevoie de

control al temperaturii. Bateriile Ni-Cd sunt robuste şi puţin sensibile la acţiuni greşite,

cu excepţia completării electrolitului cu apă.

Bateriile Ni-Cd sunt mai puţin periculoase deoarece o parte din electrolit se

găseşte în electrozi. În cazul accidentelor KOH poate cauza răniri grave.

Încărcarea bateriei se realizează la curent constant şi timpul de încărcare este

mai scurt datorită rezistenţei interne scăzute. Reacţiile de încărcare sunt endoterme

şi bateria necesită căldură din mediul înconjurător. Autodescărcarea bateriei începe

imediat după terminarea încărcării. În primele 24 de ore de la încărcarea completă

rata de descărcare este de 10%.

Tabelul 21.3 Caracteristicile bateriei Ni-Cd

Tensiunea de echilibru a unui element (celulă) 1,3 V Tensiunea nominală a unui element 1,2 V Temperatura de funcţionare -40 °C - 50 °C Densitatea energiei (5 h - descărcare) 45 - 50 Wh/kg Densitatea puterii ~175 W/kg Randamentul energetic 65% Autodescărcare 10%

SAFT este unul dintre producătorii acestui tip de baterii. Este utilizată la

următoarele tipuri de vehicule electrice fabricate în Franţa: PEUGEOT Partner şi 106,

RENAULT Kangoo şi CITROEN Berlingo şi Saxo. În Statele Unite ale Americii,

bateriile NiCd sunt utilizate de către FORD. Ele sunt considerate a fi efective şi

fiabile, şi în funcţie de modul de folosire, au un „efect de memorie” care le reduce

Page 513: Curs Motoare

Autovehiculul electric

513

capacitatea de utilizare. Acest efect este însă reversibil. Avantajele acestei baterii

sunt reprezentate de: fiabilitate, robusteţe şi buna rezistenţă la încărcarea rapidă şi la

frig.

21.2.3. Bateria sodiu - sulf Într-un element încărcat al bateriei Na-S, electrodul pozitiv este Na lichid iar

electrodul negativ este S lichid. Pe timpul descărcării, ionii de sodiu penetrează

electrolitul spre electrodul negativ de sulf şi formează polisulfuri lichide. Pe timpul

descărcării sodiul este în întregime consumat.

În baterie are loc următoarea reacţie:

descărcare

2Na + xS ↔ Na2Sx (21.4)

încărcare

Pe timpul încărcării şi descărcării bateriei nu se mai desfăşoară şi alte reacţii

alături de reacţia principală.

Bateria Na-S are electrozi lichizi iar electrolitul prin care sunt dirijaţi ionii este

solid (β - oxid de aluminiu). Temperaturile de funcţionare variază între 300 şi 350 °C.

Bateria trebuie să fie bine izolată pentru a elimina contactul direct dintre electrozi cu

apa şi oxigenul.

Celulele bateriei sunt conectate în serie. Întreaga baterie trebuie izolată termic

pentru a menţine o temperatură de funcţionare superioară a 300 °C. Pierderile de

căldură trebuie compensate prin sisteme adiţionale. Staţionarea şi depozitarea

bateriei necesită menţinerea temperaturii de funcţionare.

Încărcarea bateriei se poate realiza la curent constant. Constructorii de baterii

Na-S recomandă o durată de încărcare mai mare de 6 ore.

Tabelul 21.4 Caracteristicile bateriei Na-S

Tensiunea de echilibru a unui element (celulă) 2,08 V Temperatura de funcţionare 290 °C - 380 °C Densitatea energiei (5 h - descărcare) 84 - 107 Wh/kg Densitatea puterii 107 W/kg Randamentul energetic 94% Factorul de încărcare 1 Autodescărcarea unei baterii de 30 kWh 100 W

Page 514: Curs Motoare

PARTEA III – REDUCEREA POLUARII

514

21.2.4. Bateria sodiu - clorură de nichel (Na-NiCl2) Într-un element al bateriei Na-NiCl2 încărcat, sodiul este electrodul negativ şi

clorura de nichel este electrodul pozitiv. Pe timpul descărcării, sodiul reacţionează cu

clorura de nichel formând clorura de sodiu şi nichel.

descărcare

2Na + NiCl2 ↔ 2NaCl + Ni (21.5)

încărcare

Şi în cazul acestei baterii este necesar un electrolit solid care să conducă ionii

de sodiu. Temperatura de funcţionare variază între 250 şi 370 °C.

Construcţia bateriei este relativ simplă ea fiind montată în stare descărcată. În

spaţiul electrodului pozitiv se amplasează un amestec format din Ni pudră cu sare.

Pe durata primei încărcări sodiul este generat electrochimic şi nu este nevoie să se

lucreze cu sodiu metalic.

Celulele bateriei sunt conectate în paralel şi serie. Pentru funcţionare trebuie

menţinută temperatura prescrisă, pierderile de căldură fiind compensate de sisteme

auxiliare.

Bateria Na-NiCl2 suportă destul de bine scurtcircuitul ca şi suprasarcina. Pe

timpul staţionării şi depozitării nu este nevoie să se menţină temperatura de

funcţionare.

Electrodul solid pozitiv este situat în tubul ceramic al electrodului. Pe timpul

încărcării zona de reacţie se mută din zona electrodului ceramic în electrod

micşorând suprafaţa de reacţie. În timp ce densitatea de curent trebuie să crească

pe timpul încărcării, este necesar ca valoarea curentului să fie redusă înainte de

sfârşitul încărcării. Este important ca încărcarea bateriei să se realizeze cu aceeaşi

sarcină cu care a fost descărcată.

Bateria zebra, Na-NiCl2Această tehnologie a fost dezvoltată pentru vehicule electrice destinate

transportului greu şi celui public. Temperatura internă de funcţionare se situează

între 270°C şi 350 °C. Elementele sunt înglobate într-o carcasă izolată a cărei

suprafaţă exterioară are o temperatură de circa 30°C. Electrolitul de ceramică

reprezintă elementul determinant în raport cu performanţa şi fiabilitatea. Bateria este

formată dintr-o singură bucată, ce cuprinde toate elementele necesare. Primele cinci

autobuze dotate cu baterii Zebra au fost livrate în Lyon în noiembrie 2004. Este

folosită şi pe autoturismul Honda –Civic

Page 515: Curs Motoare

Autovehiculul electric

515

21.2.5. Bateria zinc - brom (Zn-Br) Inima bateriei Zn-Br o constituie elementul de reacţie unde au loc reacţiile

electrochimice. Celula de reacţie separă două fluxuri masice de bromură de zinc.

Fiecare flux necesită o pompă şi un rezervor pentru a garanta circulaţia; principiul

este cunoscut sub denumirea de “redex flow cell”.

Acest sistem este caracterizat printr-o stocare separată a reactanţilor şi a

produşilor de reacţie. Capacitatea bateriei este independentă de mărimea celulelor

sale. Reacţia care are loc în baterie poate fi scrisă sub forma următoare:

descărcare

Zn + Br3- ↔ Zn2+ + 3Br- (21.6)

încărcare

Bateriile Zn-Br sunt caracterizate printr-o înaltă siguranţă. Bateria este

încărcată la curent constant până când celula atinge 2V. În exploatare bateria trebuie

descărcată în întregime pentru a diminua depunerile de Zn la celulele cu tensiune

scăzută.

Tabelul 21.5 Caracteristicile bateriei Zn-Br

Tensiunea de echilibru a unui element (celulă) 1,79 V Temperatura de funcţionare 20 °C - 40 °C Densitatea energiei 65 - 70 Wh/kg Densitatea puterii 90 - 110 W/kg Randamentul energetic (3h - descărcare) 65 - 70% Factorul de încărcare 1,1 Autodescărcarea unei baterii de 10 kWh 2%

21.2.6. Bateria nichel-hidruri metalice Densitatea de energia bateriei se situează în intervalul 70-80 Wh/kg ceea ce

determină utilizarea ei în sistemele de tracţiune ale vehiculelor.

Bateriile NiMH sunt capsulate. Aceste baterii sunt folosite de vehiculele hibride

(HONDA Insight and Civic, TOYOTA Prius 1 and 2) mai ales datorită puterii mărite şi

caracteristicii de ciclicitate. Producătorul, PANASONIC, a dezvoltat succesiv două

generaţii de baterii NiMH pentru TOYOTA. Cea de-a doua generaţie de elemente

Page 516: Curs Motoare

PARTEA III – REDUCEREA POLUARII

516

prismatice, adaptate pentru vehiculul hibrid Prius 2 este o referinţă în ceea ce

priveşte eficienţa şi fiabilitatea, producătorul oferind o garanţie de opt ani pentru

acest component.

Avantaje: tehnologie puţin poluantă, performanţă bună în raport cu puterea, durată

bună de viaţă.

Structura unei baterii Ni-MH bipolar este formată dintr-o serie de pachete

suprapuse între care există conexiune electrică. Un asemenea pachet formează o

celulă. Fiecare celulă conţine un electrod pozitiv, un separator, un electrod negativ şi

electrolitul. Pentru a construi bateriile multi celulele identice se grupează în pachete

legându-se contactele de ieşire între ele.

Pentru uzul actual s-au dezvoltat baterii ce au capacităţi de la 500 Wh până la

2kWh. Bateria rezistă la mai bine de 300 000 de cicluri pulsatorii încărcare-

descărcare.

Caracteristicile importante care dictează gradul de utilizare al unor baterii sunt

densitatea de energie pe unitatea de masa/volum, densitatea de putere pe unitatea

de masa/volum. Durata de viata si costul de fabricaţie.

Anodul unei baterii Ni-MH este format dintr-un compus intermetalic. Pentru

aceste aplicaţii au fost dezvoltate mai multe compoziţii, dar în practică sunt utilizate

două clase. Prima clasă şi cea mai cunoscută este de forma AB5, unde A este un

amestec de pământuri rare ale lantaniului (La), ceriului (Ce), neodimiului (Nd) ,

praseodimiului (Pr) iar B este nichel (Ni), cobalt (Co), magneziu (Mg) sau/şi aliminiu

(Al). Cea de a doua clasă are forma AB2 , A este titan (Ti) şi/sau Vanadiu (V) iar B

este zirconiu (Zr) sau nichel (Ni) modificat cu crom (Cr), cobalt (Co), fier (Fe) şi/sau

magneziu (Mg). Catodul bateriei Ni-MH este format din hidroxid de nichel.

Reacţiile din interiorul bateriei Ni-hidruri metalice sunt prezentate în tabelul

următor.

Tabelul 21.6. Reacţiile din bateria Ni-MH

Reacţia Eo

Ni(OH)2 + OH- → NiOOH + H2O + e- 0.49

M + H2O + e- → MH + OH- 0.83

Ni(OH)2 + M → NiOOH + MH 1.32

Page 517: Curs Motoare

Autovehiculul electric

517

În timpul încărcării electrodul de Ni trece prin 2 stări de oxidare datorită trecerii

succesive a Ni de la valenţa +2 la +3. Hidrogenul se emană la suprafaţa elementului

negativ şi este reţinut in reţeaua de aliajului hidrurii electrodului. În timpul descărcării

hidrogenul stocat de aliajul hidrurii este folosit în reacţii, electrodul de Ni fiind redus.

Densitatea teoretică de energie a reacţiei bazate pe un aliaj de hidruri de tipul AB5 al

clasei LaNi5 poate stoca până la 6 atomi de hidrogen pe moleculă este de 214

Wh/kg. In bateriile sigilate oxigenul este generat la suprafaţa electrodului de Ni la

sfârşitul încărcării şi se continuă în procesul de supraîncărcare, fiind ulterior

recombinat la suprafaţa electrodului hibrid. Pentru a nu se distruge bateria prin

supraîncărcare datorită creşterii excesive a presiunii s-au instalat dispozitive speciale

care limitează acest timp la valori bine stabilite. Numărul de cicluri de conversie a

celulelor este de asemenea limitat datorită construcţiei electrodului de Ni. Hidrogenul

generat la suprafaţa electrodului de Ni este combinat de electrodul hibrid opus.

Caracteristica termică unică a bateriilor Ni-MH arată că în timpul procesului de

încărcare absorbţia de hidrogen în electrodul hibrid se face exoterm, iar eliberarea lui

din electrodul hidrid este endotermă. Rezulta astfel o degajare nesemnificativa de

căldură în procesul de încărcare/descărcare realizându-se un echilibru termic.

Tehnologia Ni-MH oferă o durată de viaţă considerabilă, ceea ce a propulsat

acest tip de baterii în topul bateriilor utilizate la propulsia vehiculelor electrice. Iniţial

forma electrozilor era cilindrică sau prismatică. De-a lungul timpului acest design s-a

modificat puţin câte puţin, forma electrozilor căpătând diferite forme. Totuşi soluţia

clasică avea o greutate ridicată a agregatului la dimensiunile cerute de

caracteristicile impuse. Aşa că a apărut o nouă concepţie de construcţie : electrozii

sunt grupaţi în pachete între care se fac diverse conexiuni electrice. Acest mod de

abordare dă o construcţie mai compactă, are o densitate de energie mai mare şi este

mai ieftină din punct de vedere al costului de producţie.

Componentele unei baterii Ni-MH sunt construite individual, fiecare conţinând

un electrod negativ, un separator, un electrod pozitiv şi KOH pe post de electrolit.

Celulele sunt astfel dispuse ca electrodul negativ al uneia să vină în contact cu

electrodul pozitiv al elementului alăturat, realizându-se astfel o legătură în serie a lor.

Pentru a realiza terminarea bateriei la electrodul pozitiv, respectiv negativ de la

capete avem terminale ce livrează energia electrica produsă de pachet. Fiecare

baterie este formata din mai multe pachete de celule, in cazul defectării unui pachet

acesta poate fi înlocuit individual. Spre deosebire de soluţia clasică între pachetele

Page 518: Curs Motoare

PARTEA III – REDUCEREA POLUARII

518

aceleiaşi baterii există legătura electrică nu numai prin intermediul electrolitului, ci şi

prin intermediul unui strat exterior conductor.

Avantaje:

• Fiecare celulă este individuală;

• Nu sunt terminale de la fiecare pachet;

• Degajare redusă de căldură;

• Densitate mare de putere şi energie;

• Permite înlocuirea separată pachetelor defecte ;

• Costuri mici de producţie ;

• Construcţia se pretează la fabricaţia automată.

Pentru aplicaţiile din domeniul transportului s-au realizat baterii de peste 20

Ah.

În figura 21.1. sunt prezentate mai detaliat părţile componente ale unui

pachet. Un asemenea pachet are in jur de 300 de grame şi livrează 75 Wh/kg.

Fig.21.1. Părţile componente ale unui pachet al bateriei Ni-MH

În figura 21.2. este prezentată construcţia unei baterii de 500 Wh ce este

format din 20 de pachete.

Page 519: Curs Motoare

Autovehiculul electric

519

Figura 21.2. Componenţa unei baterii Ni-MH

Se pot realiza diverse asemenea configuraţii prin modificarea numărului de

celule sau a numărului de pachete.

În figura 21.3. se prezintă modelul fizic al unei baterii Ni-MH având 24 V

capacitate 20 Ah. Iar în figura 8.4 o baterie având aceleaşi caracteristici însă cu

carcasă cu aripioare de răcire.

Fig. 21.3. Baterie Ni-MH , tensiune 24 V, capacitate 20 Ah

Page 520: Curs Motoare

PARTEA III – REDUCEREA POLUARII

520

Fig. 21.4. Baterie Ni-MH , tensiune 24 V, capacitate 20 Ah cu de răcire

S-au adus pe parcurs îmbunătăţiri succesive , pentru a se mări transferul de

căldură (cu scopul de a se obţine agregate cu un regim termic mai stabil). S-au

amplasat astfel pe pachet aripioare de mărire a suprafeţei laterale. Masa a fost

mărită cu 800 de grame, dar este acceptabil în ipoteza în care la un regim stabil

termic se obţin performanţe semnificativ mai bune.

21.2.7. Bateria litiu – ion (Li-ion) Pentru a face un vehicul electric sau unul hibrid viabil pentru uzul general

producătorii au trebuit să micşoreze consumul de energie păstrând însă

performanţele dinamice comparabile cu cele ale vehiculelor propulsate de motoare

termice convenţionale. Îmbunătăţirile aduse bateriilor de tracţiune au jucat un rol

deosebit de important în aceasta luptă.

Mitsubishi Motors Corp. (MMC) si Mitsubishi Fuso Truck and Bus Corp.

(MFTBC) au identificat faptul ca bateriile Li-ion sunt cele care îndeplinesc cel mai

bine cerinţele impuse. Împreună cu Japan Storage Battery Co. s-au angajat în

dezvoltarea unei noi generaţii de baterii de tracţiune Li-ion pe bază de mangan,

baterii ce vor echipa vehiculele viitorului.

Page 521: Curs Motoare

Autovehiculul electric

521

În comparaţie cu bateriile Pb-acid si Ni-MH, bateriile Li-ion sunt superioare

atât din punct de vedere al energiei specifice (cantitatea de energie disponibilă pe

unitatea de masă/volum), cât şi din punctul de vedere al puterii specifice (mărimea

unităţii de ieşire pe unitatea de masa/volum).

Cu timpul s-au atins limite ce înainte păreau pur şi simplu de neimaginat: un

vehicul electric a străbătut 2000 de kilometri in 24 de ore, iar un altul a realizat 780

de kilometri pe un circuit cu o singură încărcare.

De asemenea un autobuz Mitsubishi Fuso realizează curse regulate pe

drumurile publice încă din iunie 2002 făcându-se astfel o estimare obiectivă a

capacităţilor de intrare în producţia de masă a acestui tip de baterii.

Tendinţe noi: Densitatea de energie: 120 până la 150 Wh/kg.

Bateriile cu litiu folosesc un electrolit ne-apos, ceea ce reprezintă un avantaj

datorită faptului că elimină apa rezultată în urma reacţiilor de descompunere.

Această tehnologie este dezvoltată în Franţa de către SAFT. Acest tip de baterie de

stocare nu este totuşi foarte folosit mai ales din cauza preţului. El este destinat

pentru a fi montat pe vehiculele companiei SVE (Heuliez and DASSAULT Associes).

Tehnologia este deja foarte răspândită pentru telefoane şi computere. Avantaje:

greutate scăzută, eficienţă sporită.

Bateriile Li-ion sunt folosite pe scară largă la telefoanele mobile, la

computerele portabile, videocamere şi alte produse electronice datorită densităţii

mari de energie. Oxidul de Li şi oxidul de Co sunt folosiţi pe post de electrozi pozitivi

în cadrul bateriilor Li-ion de mici dimensiuni. Aceste materiale au caracteristici

excelente, dar preţul cobaltului (Co) este prea mare pentru a fi folosit în cadrul

construcţiei unor baterii mai mari (care să poată alimenta motoarele electrice din

cadrul unui vehicul propulsat electric).

În cercetările efectuate asupra bateriilor utilizate pentru vehiculele electrice s-a

folosit oxid de mangan (Mn) care este mai ieftin şi are un impact mult redus asupra

mediului înconjurător

Reacţiile de încărcare/descărcare au următoarea formă:

Li1-xCoO2 + LixC6 ↔ C6 + LiCoO2 (21.7)

Bateriile Li-ion pe bază de oxizi de Mn au proprietăţi ce le recomandă pentru uzul

lor în alimentarea motoarelor electrice de propulsie a vehiculelor electrice.

Page 522: Curs Motoare

PARTEA III – REDUCEREA POLUARII

522

Tabelul 21.7. Caracteristicile bateriilor Li-ion

Date tehnice ale bateriei Li-ion Performanţe

Energie greutate 160 Wh/kg

Putere greutate 1800 W/kg

Randamentul încărcării

descărcării

99.9%

Rata autodescărcării 5%-10%/ lună

Durabilitate timp (24-36) luni

Durabilitate cicluri 1200 cicluri

Tensiunea nominală pe o celulă 3.6 / 3.7 V

Câteva dintre aceste proprietăţi sunt prezentate în continuare:

• Randament ridicat în procesele de încărcare /descărcare ;

• Starea de încărcare poate fi uşor măsurată, astfel durata de încărcare poate fi

strict supravegheată, iar autonomia poate fi prezisă cu precizie;

• Reacţiile de încărcare/descărcare au loc cu degajare redusă de căldură, astfel

că un sistem simplu de răcire este suficient, funcţionarea fiind posibilă în gama

temperaturilor mediului ambiant.

La vehiculele electrice se are în vedere în primul rând atingerea unei

autonomii cât mai mari. Datorită faptului că sunt necesare surse exterioare de

reîncărcare atingerea unor durate cât mai scurte alocate procesului de încărcare este

de asemenea crucială. Se urmăreşte folosirea în procesul de încărcare a unor

curenţi de înaltă intensitate pentru a se reduce astfel timpul alocat acestui proces.

Pentru a preveni deteriorarea bateriilor Li-ion trebuie avută o mare grija să nu

se atingă cote de încărcare/descărcare excesive. Fiecare element al bateriei are un

element de control care transmite unui bloc electronic date referitoare la starea de

încărcare/descărcare şi să semnaleze eventuale defecţiuni ce pot apărea. Pentru o

utilizare cât mai eficientă a bateriei se folosesc dispozitive ce corectează diferenţele

de tensiune între celulele bateriei. De asemenea blocul electronic controlează şi

sistemul de răcire al agregatului.

Page 523: Curs Motoare

Autovehiculul electric

523

21.2.8. Bateria Zn - aer Creşterea rapidă a poluării aerului în zonele urbane datorită vehiculelor de

transport au impus introducerea într-un mod susţinut a unor tehnici noi care să ajute

la reducerea impactului e nociv al gazelor de evacuare asupra mediului. S-a

constatat că principalii poluatori în marile oraşe sunt autobuzele de transport public şi

vehiculele pe două roţi de genul motoscuterelor.

Pentru reducerea emisiilor s-au dezvoltat tehnologii noi de propulsie a

vehiculelor destinate transportului in comun. Deutsche Post (Germania) si Edison

(Italia) au incorporat tehnologia bateriilor Zn-aer în flotele lor de vehicule cu scopul

declarat de a reduce emisiile poluante datorate activităţilor de transport. De

asemenea tehnologia a fost implementată şi de Kema (Olanda) şi Tomen Co.

(Japonia), ambele firme având acelaşi scop: acela de a da un exemplu demn de

urmat celorlalţi în vederea protecţiei mediului.

S-au dezvoltat baterii pe bază de Zn pentru a se îndeplini cerinţele impuse

referitoare la preţ, performanţă, siguranţă, autonomie şi viteză de deplasare similare

celor asigurate de sistemele tradiţionale de propulsie. O altă cerinţă importantă fiind

o durată scurtă de reîncărcare a bateriei.

Folosirea bateriilor Zn-aer oferă avantaje semnificative comparativ cu celelalte

tipuri de baterii folosite la propulsia vehiculelor electrice, fapt ce le recomandă uzului

în cadrul flotelor şi a transportului în comun. Operatorii de flote cer autonomii cât mai

mari, o sarcina utilă cât mai mare, flexibilitate în operare, performanţe în exploatare şi

timpi reduşi de reîncărcare. La ora actuala s-a ajuns să se poată asigura autonomia

pe o zi întreagă a unui autobuz în condiţiile în care 90 % din distanţele străbătute

sunt în regim urban (ajungându-se până la 400 km). Spre exemplu un microbuz

Mercedes Benz MB410E a parcurs distanţa Londra-Paris (439 km) cu o singură

încărcare a bateriei, în ciuda condiţiilor aspre de trafic (temperaturi de 1-2 C,

aglomeraţia Londrei, trafic aglomerat pe autostrăzile engleze şi franceze, aglomeraţia

din Paris), distanţa a fost parcursă fără nici-o problemă

Autobuzele efectuează cicluri repetate porniri/opriri, emanând cantităţi enorme

de substanţe poluante. S-a constatat că un autobuz poluează cât 18 autoturisme la

un loc. Deci propulsia electrică reprezintă o alternativă optimă la propulsia

tradiţionala asigurată de motoarele termice.

Reacţiile ce au loc în bateria Zn-aer sunt prezentate în tabelele următoare:

Page 524: Curs Motoare

PARTEA III – REDUCEREA POLUARII

524

Tabelul 21.8. Reacţiile din bateria Zn-aer când se foloseşte Zn pur

Reacţia Eo

Anod: Zn + 4OH– → Zn(OH)42– + 2e– –1.25 V

Fluid: Zn(OH)42– → ZnO + H2O + 2OH–

Catod: O2 + 2H2O + 4e– → 4OH– 0.4 V

Total: 2Zn + O2 → 2ZnO 1.65 V

Tabelul 21.9. Reacţiile din bateria Zn-aer când se foloseşte zincanat

Reacţia Eo

Anod: Zn + 2OH– → Zn(OH)2 + 2e– –1.25 V

Catod: O2 + 2H2O + 4e– → 4OH– 0.4 V

Total: 2Zn + O2 + 2H2O → 2Zn(OH)2 1.65 V

Pentru a propulsa un vehicul de 12 m ce cântăreşte aproximativ 10 t căruia i

se cere o autonomie de 350-400 km s-au experimentat mai multe tipuri de baterii de

tracţiune. Cele Zn-aer au dat rezultatele cele mai bune fiind folosite la o scară din ce

în ce mai largă. De exemplu, pentru a satisface standardele impuse de Autoritatea

de Transport Public New York referitor la autobuzele electrice cu privire la autonomie

şi performanţe ar fi necesare baterii Pb-acid în greutate de 9 t. Greutatea unui

vehicul echipat cu asemenea baterii ar depăşi sarcina maximă admisă neavând nici-

un pasager la bord. Nici vehiculele echipate cu baterii Zn-aer nu îndeplinesc pe

deplin reglementările impuse, aţa ca s-au dezvoltat noi dispozitive şi instalaţii cu

ajutorul cărora să se rezolve problema.

Sistemul total electric folosit la autobuze şi vehiculele comerciale are abilitatea

unică de a funcţiona într-un ciclu continuu la aceleaşi niveluri de putere şi

performanţă ca un vehicul propulsat de un motor Diesel.

Acest sistem oferă trei caracteristici importante aplicaţiilor comerciale:

• Creşterea autonomiei datorită eficientizării sistemului de propulsie şi a

optimizării sistemului de recuperare a energiei în timpul frânării ;

• Creşterea puterii la accelerări , deplasări în trafic urban şi a vitezei de

deplasare în rampă;

• Reducerea costurilor de întreţinere datorită reducerii uzurii frânelor.

Page 525: Curs Motoare

Autovehiculul electric

525

Bateriile Zn-aer au fost proiectate pentru a avea o capacitate sporită de a menţine

energia, atingând nivelul de 200 Wh/kg. Bateriile sunt bazate pe unităţi celulare

individuale conectate electric între ele în serie, sigilate în capsule de material plastic

ce asigură atât conexiunea electrică , cât şi răcirea fiecărei celule, 6 asemenea

baterii Zn-aer sunt montate pe un cadru, putând fi uşor montate şi înlocuite, 3

asemenea cadre formează un modul de 18 baterii, care pot asigura energia

necesară propulsiei zilnice a unui autobuz. Însumate, aceste baterii asigură 314

kWh, la o greutate totală de numai 1,6 t.

Bateriile de tracţiune «suplimentare» sunt alese pentru puterea şi

caracteristicile de ciclicitate avându-se în vedere mai puţin densitatea de energie.

Bateriile Ni-Cd asigură reprize bune de accelerare şi totodată contribuie mult la

recuperarea energiei la frânarea vehiculului.

Intre cele 2 sisteme se pot face diverse combinaţii obţinându-se următoarele

variante:

• Bateriile Zn-aer pot fi folosite să încarce continuu bateriile Ni-Cd, care apoi

alimentează motoarele electrice ce asigură propulsia autovehiculului;

• Bateriile Ni-Cd pot fi legate în paralel cu cele Zn-aer asigurând «rezerva de

putere» în cazurile în care aceasta are nevoie( accelerări bruşte, rampe

puternic înclinate, rezistenţe mari la înaintare).

21.2.9. Bateria litiu - polimer La acest tip de baterie densitatea de energie atinge valori cuprinse între 120

şi150 Wh/kg.

Această tehnologie este una de viitor, Bateriile pentru vehiculele electrice

aflându-se încă în stadiul de prototip. Teoretic, această tehnologie ar trebui să fie

mult mai eficientă decât bateriile litiu-ion deja existente, deoarece funcţionează la

80°C şi nu este afectată de condiţiile externe. Costurile de producţie ar trebui să fie

atractive, deoarece o astfel de baterie este reprezentată de electrozi subţiri, plasaţi

unul peste altul în jurul unui electrolit polimerizat solid extrudat. În Franţa, această

tehnologie este dezvoltată de compania BATSCAP (BOLLORE TECHNOLOGIES

and EDF). În Canada, compania AVESTOR, o filială a Hydro-Quebec, a fost prima

care a pus în vânzare module de mare capacitate folosite în aplicaţiile staţionare.

Avantaje: densitate mare de energie, preţ anticipat mic.

Page 526: Curs Motoare

PARTEA III – REDUCEREA POLUARII

526

În tabelul 21.10 se prezintă o comparaţie a celor mai promiţătoare soluţii de baterii de

tracţiune cu bateria Pb- acid

Tabelul 21.10 Comparaţia între caracteristicile tehnice ale bateriilor de stocare

Plumb NiCd NiMH ZEBRA Li-ion Li-polimer

Energie

specifică

(Wh/kg)*

30-50 45-80 60-110 120 150-190 150-190

Densitate

de energie

(Wh/litru)

75-120 80-150 220-330 180 220-330 220-330

Maximum

power

(W/kg)

Până la 700

Până la 900 200 Până la

1500

Până la

250

Număr de

cicluri

încărcare/

descărcar

e)

400-600 (1)

1200 (2) 2000 1500 800 500-1000 200-300

Avantaje Preţ mic

Fiabilitate

Performan

ţe bune la

rece

Densitate de

energie

foarte bună

Densitate de

energie

foarte bună

Bună

ciclicitate

Energie şi

putere

excelentă

Baterii

subţiri

Dezavanta

je

Energie

scăzută

Descărcare

bruscă

Energie

relativ

scăzută

Toxicitate

Preţul

materialelor

de bază

Performanţă

/

temperatură

Putere

limitată

Auto-

consumare

Siguranţa

elementelo

r mari Preţ

Performan

ţă scăzută

la rece

Preţ

Page 527: Curs Motoare

Autovehiculul electric

527

* Valorile limită superioare şi inferioare corespund diferitelor dimensiuni ale

elementelor (elementele mari au de obicei o energie crescută) sau diverselor tipuri

de aplicaţii. (1) încapsulat (2) tubular

În vederea protecţiei mediului la nivel global, cat si pentru a se economisi

energia existenta la ora actuala s-a impus nevoia de a dezvolta vehicule propulsate

cu surse alternative de propulsie. Cele mai atractive soluţii de propulsie sunt cele

electrice.

21.3. ALEGEREA CARACTERISTICILOR BATERIEI DE TRACŢIUNE Caracteristicile bateriilor utilizate în tracţiunea electrică a autovehiculelor

trebuie să îndeplinească cerinţele impuse de funcţionarea autovehiculului.

Tabelul 21.11. Corelaţia dintre parametrii autovehiculelor şi caracteristicile bateriei

Categoria autovehiculului Caracteristica Uşoare Confort Hibride Viteza maximă [km/h] 60 10 60 Autonomie [km] 50 125 25

Acceleraţie 0 - 50 km/h în 9s

0 - 50 km/h în 9s

0 - 50 km/h în 9s

Masa vehiculului [kg] 900 1500 1800

Panta şi viteza de urcare 14% cu 30 km/h

14% cu 30 km/h

14% cu 30 km/h

Masa bateriei 25% = 225 kg 25% = 375 kg 10% = 180 kg Randamentul transmisiei 80% 80% 80% Energia consumată într-un ciclu ECE [Wh/km] 125 180 210

Puterea bateriei [kW] 14 23,3 28 Densitatea energiei [Wh/kg] 27,8 60 29,2 Densitatea puterii [W/kg] 62 62 155 Autonomia autovehiculelor electrice depinde de tipul bateriei şi de viteza de

parcurgere a traseului. Dacă autovehiculele electrice sunt prevăzute să circule numai

în zona urbană cererea de putere poate fi ridicată cu toate că viteza este limitată de

condiţiile de trafic sau reglementări.

Tabelul 21.12. Caracteristicile autovehiculelor electrice

Tipul autovehiculului Caracteristica Autoturism Autobuz Transport marfă Utilizare Urbană Suburbană Urbană Urbană Suburbană Viteză maximă [km/h] 50 70 50 50 70

Putere [kW] 15 20 20 18 30

Page 528: Curs Motoare

PARTEA III – REDUCEREA POLUARII

528

În dezvoltare sunt şi bateriile Ni-F, Li-ion şi baterii polimerice.

21.4. MOTORUL ELECTRIC DE TRACŢIUNE Motorul electric este elementul care influenţează major lanţul de propulsie al

vehiculului. Pentru tracţiunea autovehiculelor, alegerea motorului trebuie să ţină

seama de următorii parametrii: greutate şi dimensiuni de gabarit, fiabilitate,

randament, tipul răcirii, zgomot, instalare pe autovehicul, mentenanţă, cost.

Motoarele electrice utilizate în tracţiunea vehiculelor pentru diferite aplicaţii pot

fi clasificate în trei grupe de puteri:

1) Motoare mici - puteri între 1 şi 10 kW;

2) Motoare medii - puteri între 10 şi 50 kW;

3) Motoare mari - puteri între 50 şi 200 kW.

Motorul electric de curent continuu a echipat cele mai multe dintre vehiculele

electrice. Motorul de curent continuu cu perii a fost folosit în ciuda performanţelor

slabe, greutăţii mari şi prezenţei unor dispozitive delicate de comutare. Performanţele

acestui tip de motor pot fi îmbunătăţite prin reglarea câmpului electric, aceasta fiind şi

raţiunea pentru care motoarele electrice cu magneţi permanenţi nu au putut fi

dezvoltate pentru tracţiunea autovehiculelor cu toate că au randamente ridicate.

Din gama de motoare electrice care pot fi folosite în tracţiunea

autovehiculelor, motorul de curent continuu este ultimul din următoarele

considerente:

- rapoarte defavorabile: greutate/putere şi volum/putere;

- randament scăzut (pierderi ridicate în excitaţie şi ventilaţie, cădere fixă de

tensiune la perii, care afectează pierderile globale în condiţiile unei tensiuni joase

livrate în cazul automobilului electric).

- frecvente lucrări de mentenanţă;

- cost ridicat

- fiabilitate redusă.

Motorul electric de curent continuu este ales în locul motoarelor de curent

alternativ datorită simplităţii dispozitivelor de comutare, control şi reglare în

comparaţie cu invertorul sistemelor de curent alternativ.

Motorul asincron este larg utilizat în tracţiunea electrică a autovehiculelor

electrice de ultimă generaţie. Alegerea motorului asincron depinde de mai mulţi

Page 529: Curs Motoare

Autovehiculul electric

529

factori cum ar fi: robusteţe, fiabilitate, lucrări de mentenanţă reduse, cost, toleranţă la

suprasarcini, flexibilitate la sistemul de control.

Motorul asincron este utilizabil în cazul vehiculelor medii şi mari unde

răspunde cerinţelor supuse tracţiunii electrice de funcţionarea autovehiculului.

Utilizarea motorului asincron la autovehicule mici este mai puţin eficientă.

Pentru gama de motoare mici utilizabile în tracţiunea electrică s-au dezvoltat

motoare cu magneţi permanenţi.

Motoarele sincrone cu magneţi permanenţi sunt motoarele electrice cu cele

mai înalte performanţe şi rapoarte bune greutate/putere şi volum/putere.

Avantajul acestui motor îl constituie flexibilitatea construcţiei. De exemplu,

motorul cu rotor în formă de disc poate fi montat în roata autovehiculului dând

posibilitatea eliminării transmisiei mecanice.

Pierderile reduse în rotor elimină necesitatea răcirii acestuia însă la

suprasarcină este posibil ca temperatura să crească şi să producă demagnetizarea

rotorului.

Motoarele asincrone cu magneţi permanenţi pentru autovehicule au puteri de

până la 20 kW.

Un alt tip de motor utilizat în tracţiunea vehiculelor medii şi mari este motorul

sincron cu reluctanţă, care este similar unui motor sincron cu magneţi permanenţi.

Prin eliminarea magneţilor se permite funcţionarea la turaţii ridicate iar influenţa

temperaturii de funcţionare este mai puţin periculoasă.

21.5. INFRASTRUCTURA NECESARĂ ÎNCĂRCĂRII BATERIILOR

AUTOVEHICULELOR ELECTRICE

Autovehiculele electrice şi hibride utilizând baterii necesită acces la reţeaua de

distribuţie a energiei electrice pentru a încărca resursele de tracţiune. În cazul

autovehiculelor hibride, acest proces de încărcare este necesar numai la

funcţionarea în oraş, unde motorul cu ardere internă nu funcţionează.

Există numeroase tipuri de dispozitive de încărcat baterii însă acestea nu

simplifică problema deoarece fiecare tip de baterie necesită caracteristici specifice de

încărcare pentru a nu fi deteriorată sau să diminueze durata de exploatare.

Dispozitivul de încărcare poate fi localizat la bordul autovehiculului sau poate

fi staţionar. Dispozitivele de încărcare la bordul autovehiculului trebuie să fie uşoare

Page 530: Curs Motoare

PARTEA III – REDUCEREA POLUARII

530

şi de dimensiuni reduse. Puterea lor este limitata la 3,68 kVA corespunzând unei

tensiuni de ieşire de 230 V şi unui curent de 16 A.

Dispozitivele de încărcare staţionare sunt mai puternice şi eficiente însă au

dezavantajul reducerii independenţei autovehiculului. Cerinţele pentru un dispozitiv

de încărcare staţionar sunt: tensiune de la 60 la 200 V şi curent de la 20 A la 200 A.

Staţiile de încărcare necesită o infrastructură care să fie alimentată de la

reţeaua electrică existentă. Această infrastructură trebuie să corespundă anumitor

caracteristici:

- Tipul materialului utilizat pentru terminal, protecţie semnalizare;

- Localizarea prizei de încărcare;

- Conexiunea dintre vehicul şi bornă;

- Securitatea instalaţiei.

Încărcarea inductivă elimină o serie din problemele care apar la conectarea

prin cablu a autovehiculului la dispozitivul de încărcare (uzura şi corodarea

dispozitivului de conectare, influenţele asupra cablului datorate apei, gheţii uleiului şi

murdăriei, vandalism asupra instalaţiei). Încărcarea inductivă se realizează fără

intervenţie manuală. Dispozitivul de încărcare inductivă funcţionează după principiul

transformatorului. Primarul dispozitivului este fixat vertical sau orizontal pe podea în

timp ce înfăşurarea secundară este plasată pe autovehicul. Încărcarea are loc prin

aducerea autovehiculului în apropierea înfăşurării primare (distanţa de 5 cm între

cele două înfăşurări este suficientă pentru încărcare).

Page 531: Curs Motoare

Autovehiculul electric

531

Bibliografie [1] Cofaru.C. –Legislatia şi ingineria mediului in transportul rutier Editura

Universităţii Transylvania Brasov 2002 ,ISBN 973-635-185-8

[2] Linden, D. Handbook of Baterries and Fuel Cell. Mc.Graw-Hill Book Company

.1983

[3] DeLuchi,M., Wang, Q.,Sperling,D. Electric Vehicles: Performances, Life Cycle

Costs, Emissions, and recharging requirements. Transportation Research,

vol.23A,1989.

[4] Proceedings of the 24th ISATA International Symposium on Automotive

Technology and Automation. Florence, Italy, 20-24 May 1991. Electric/Hybrid

Vehicles.

[5] Bolger, J.C. Opportunity charging with inductive charging systems. Inductran

Corporation.Proccedings of 6th ERA Battery Conference, London, Oct .1990.

[6] Kaberlah, Q. Hybrid drives systems for cars. Automotive Engineering

Vol.99,No 7 July 1991.

[7] Skudelny,C. Comparison and Evaluation of Lead-acid, ZnBr and NaS

Batteries. Study within the EDS programme 1991.

[8] Westendorf,H., Schiebold,S.e.a. Single-wheel with new electric

components.3.Aachener Colloquium Automobile and Engine Technology,

Aachen, Oct.1991.

[9] Anderson,W.M. An Electric Van with Extended Range. Unique Mobility Inc.

Englewood CO, SAE Paper 900181, 1990.

[10] Varta Batterie AG.Gasdichte Nickel-Cadmium-Akkumulatoren. VDI-

Verlag,Dusseldorf, 1978.

[11] Stravrov, D.A. Electromobile. VEB Verlag Technik, Berlin ,1988.

[12] Maggetto,G., Van den Bossche,P. Advanced Electric Drive Systems for Buses,

Vans and Passenger Cars to Reduce Pollution. Summary Report .1992

[13] Maggeto, G. - Advanced Electric Drive Systems. CEE 1992.

Page 532: Curs Motoare

PARTEA III – REDUCEREA POLUARII

532

Vehiculul electric

Page 533: Curs Motoare

Reciclarea vehiculelor rutiere

533

Autori: Costel BEJAN Nicolae ISPAS

22. RECICLAREA VEHICULELOR RUTIERE

22.1. INTRODUCERE Calitatea vieţii umane, asigurată de civilizaţia industrială, se bazează pe

fabricaţia – în proporţie de masă – a produselor care satisfac cerinţele de confort fizic

şi spiritual. Dar producţia umană are inerent un caracter artificial şi în consecinţă

aspectele pozitive sunt însoţite de efecte negative) evidente sau mai puţin vizibile,

dar cu caracter cumulativ. Din cauza densităţii exagerate a produselor în zonele

aglomeraţiilor urbane, s-a impus – mai ales în ultimii ani – părerea că omul ar putea

să nu-şi mai găsească locul într-o natură îngenunchiată de prea multe atacuri

subsecvente activităţilor industriale şi pentru care se apropie momentul când

autoreglarea naturii nu va mai funcţiona.

Un caz particular, care a avansat pe primul loc al preocupărilor de eliminare

sau cel puţin de limitare a efectelor distructive asupra mediului, este reprezentat de

automobil. Industria de autovehicule rutiere este emblematică pentru toate ţările

dezvoltate, indiferent pe care continent sunt situate acestea.

Firmele care produc vehicule rutiere sunt printre cele mai mari companii

industriale, asigurând numeroase locuri de muncă şi un procent important din PIB. La

nivelul anului 2001, sectorul fabricaţiei auto livra aproximativ 52,7 milioane de

autovehicule, iar pe glob sunt înscrise în circulaţie circa o jumătate de miliard de

autoturisme, revenind cam 1 autoturism la 12 locuitori. Trebuie remarcat şi faptul că

dacă sunt milioane de oameni cărora autovehiculele le asigură satisfacţie, sunt încă şi

mai mulţi care sunt afectaţi de pe urma acestora, fie că le utilizează fie că nu.

La ciclul de viaţă al unui automobil participă multe ramuri importante ale

sectorului industrie: industria petrolului, oţelului, aluminiului, chimică, fibre şi fire

sintetice, sticlă şi electronică. Se remarcă faptul că datorită rolului important pe care o

are în economiile ţărilor dezvoltate industria de automobile a făcut paşi importanţi în

extinderea responsabilităţii ecologice ale produselor proprii încă din stadiul de

proiectare şi până la scoaterea din uz ale acestora. Deoarece stadiul de utilizare al

autovehiculelor este o sursă semnificativă de impact ecologic, stadiu care se

estimează a utiliza 80-90% din energia totală, industria de automobile are ca scop

Page 534: Curs Motoare

PARTEA III – REDUCEREA POLUARII

534

particular focalizarea asupra acestui stadiu. Standardele de eficienţă ale

combustibilului şi standardele privind emisiile au fost motivele pentru realizarea unor

îmbunătăţiri privind performanţele ecologice ale produsului în stadiul de folosire.

Impactul negativ semnificativ, asupra mediului a impus cerinţa limitării nivelelor

de poluare chimică, fonică şi cu deşeuri. Cercetările recente au permis rezolvarea a

problemelor poluării chimice şi fonice.

Pe lângă diminuare poluării un aspect al dezvoltării durabile îl constituie

menţinerea resurselor materiale pentru generaţiile viitoare. În acest context, putem

distinge două categorii largi de resurse: materiale şi energie. O cale de conservare a

resurselor materiale este reciclarea produselor industriale. Acest caz subliniază unele

puncte de vedere şi munca în reciclarea automobilelor.

În prezent, preocuparea principală este legată de valorificarea autovehiculelor

scoase din uz (VSU), care prezintă atât valenţe legate de poluare cât şi de

valorificarea raţională a resurselor minerale şi energetice ale planetei.

22.2. RECICLABILITATEA PRODUSELOR INDUSTRIALE Pentru orice produs industrial un aspect important îl constituie evaluarea

reciclabilităţii acestuia. Reciclabilitatea produselor industriale între care se găseşte şi

autovehiculul se determina ţinând seama de următoarele clase de reciclare:

1. Produs reciclabil – la această clasă sunt clar definite infrastructura şi

tehnologia de reciclare. Componentul este complet reciclabil (sau

reutilizabil), infrastructură este funcţionabilă (ex. caroseria, blocul motor,

etc.).

2. Produs potenţial reciclabil – în acest caz nu există o infrastructură funcţională,

reţeaua de colectare este nedefinită sau neorganizată (ex. materiale plastice

interioare).

3. Produs potenţial reciclabil, la aceste produse este necesară dezvoltarea unor

procese sau materiale în care să fie înglobate. Tehnologia nu a fost încă

comercializată pentru a fi aplicată (ex. reciclarea fibrei de sticlă).

4. Produs potenţial pentru recuperarea de energie. Există tehnologie / capacitate

de a produce energie cu valoare economică (ex. piroliza cauciucurilor).

5. Produs cu potenţial de reciclare necunoscut, la aceste produse tehnologia de

reciclare este necunoscută sau neaplicată (ex. piele debavurată).

Page 535: Curs Motoare

Reciclarea vehiculelor rutiere

535

Folosind aceste categorii, se poate calcula reciclabilitatea unui produs

industrial în consecinţă şi autovehiculul. Reciclabilitatea unui vehicul se poate

calcula după următoarea metodologie:

1 Se însumează greutatea tuturor componentelor care fac parte din categoria

1(complet reciclabil)

2 Valoarea însumată a componentelor reciclabile se împarte la greutatea totală a

automobilului, iar valoarea dată reprezintă fracţiunea de reciclabilitate al

autovehiculului.

Acest calcul poate fi făcut pentru un produs oarecare. Avantajul acestei metode

este că se calculează foarte simplu. Dezavantajul este că se focalizează asupra

categoriei 1, toate celelalte categorii fiind excluse din calcul. O altă cale ar fi cazul în

care un produs se evaluează prin evaluarea întregului ciclu de viaţă.

22.3 CICLUL DE VIAŢĂ AL PRODUSELOR ŞI NIVELURILE ACESTUIA

Ciclul de viaţă tradiţional al produselor este unul secvenţial care se dezvoltă

liniar de la faza de materie primă şi până la scoaterea din uz /evacuarea ale acestuia.

Recuperarea produselor şi reciclarea a alterat această evoluţie liniară în una ciclică

care îmbrăţişează un anumit grad de reciclare al produsului.

Recuperarea resurselor alterează ciclul de viaţă liniar, tradiţional al produselor,

care acum tinde mai mult la o structură cu ciclul închis. Teoretic această structura

ciclică închisă ar trebui să asigure utilizarea într-un număr infinit de ori al unui produs

fără ca acesta să sfârşească pe rampa de gunoi. Acest lucru este un ideal în

domeniul reciclării, dar în realitate majoritatea produselor nu au această proprietate şi

ajung la un sfârşit al vieţii utile fără a fi reciclate. Acest termen este numit şi ca

„reciclare cu ciclu deschis”.

Reciclarea poate să apară în diferite stadii din timpul ciclului de viaţă al unui

produs. Unele organizaţii folosesc termenul de pre-reciclare pentru a caracteriza

reciclarea deşeurilor ce urmează din procesul de fabricaţie al unui produs. Termenul

„credinţa în reincarnare” descrie faptul că produsele pot fi reîncarnate în produse noi

prin reciclare. Fraza s-a dezvoltat din termenul „designul de la creare până la sfârşit”

care descrie faptul că odată trebuie să ne gândim ce se va întâmpla cu produsul /

sistemul după ce şi-a consumat ciclul de viaţă folositor.

Page 536: Curs Motoare

PARTEA III – REDUCEREA POLUARII

536

De asemenea termenul de fabricare apare din ce în ce mai mult în literatură, în

special în industria electronică, pentru a caracteriza opusul procesului de fabricare,

implicat în reciclarea materialelor şi produselor după ce produsul a fost retras de către

companie.

22.4. STRATEGII ALE ŢĂRILOR DIN UE ÎN DOMENIUL VSU

22.4.1 Activităţi impuse de sfârşitul ciclului de viaţă Cu un deceniu în urmă, Comisia Europeană a început să abordeze sistematic

obiectivele legate de valorificarea autovehiculelor scoase din uz şi posibilităţile de

reciclare a materialelor şi componentelor acestora. Studiile efectuate de Institutul

pentru Politici Europene de Mediu au fost dezvoltate de organizaţii şi institute din

ţările membre ale Uniunii Europene, mai ales după ce a fost creat cadrul legislativ

unitar al UE în domeniul reglementat al VSU. Metodologia de rezolvare a obiectivelor

a fost axată pe concepţia de atingere a unui grad ridicat de reutilizare şi reciclare în

condiţiile poluării minime a mediului şi a performanţei economice maxime.

Din punct de vedere tehnic s-au avut în vedere că dezvoltarea vehiculelor noi cu

includerea prevederilor care urmează a fi aplicate la sfârşitul ciclului de viaţă.

Măsurile necesare trebuie aplicate cu începere din faza de proiectare a vehiculelor

rutiere prevăzând metodele şi mijloacele care asigură controlul substanţelor

periculoase, astfel încât acestea să nu polueze mediul ambiant. După efectuarea

ultimei curse a autovehiculului trebuie să intre automat în funcţiune succesiunea de

operaţii de dezmembrare, clasare, refolosire şi reciclare a materialelor şi

componentelor astfel încât resturile care ajung la haldă să reprezinte cu adevărat un

minim nepoluant şi cărora să nu li se poată conferi nici un fel de întrebuinţare utilă.

Din punct de vedere juridic, principiile din legislaţia comunitară sunt:

Poluatorul suportă cheltuielile pentru înlăturarea produselor poluante şi a

efectelor acestora;

Producătorul autovehiculelor este responsabil de toate măsurile care trebuie

luate şi după ce s-a ajuns la sfârşitul ciclului de viaţă.

Pentru aplicarea coerentă a măsurilor de reciclare a autovehiculelor ieşite din

funcţionare după atingerea stării limită, autorităţile sunt implicate în crearea cadrului

care asigură că ultimul deţinător (proprietar) va preda maşina structurilor tehnico-

economice destinate tratării, dezmembrării şi valorificării, fără plată. Acest lucru este

Page 537: Curs Motoare

Reciclarea vehiculelor rutiere

537

justificat de lipsa de valoare comercială a autovehiculului care produce totodată

efecte negative de poluare a solului şi a pânzei freatice chiar dacă staţionează.

Trebuie subliniat că pentru anihilarea efectelor negative, costurile nu sunt suportate

de proprietarul maşinii ci de producătorul acesteia.

22.4.2 Legislaţia europeană privind VSU Documentul care, cumulează concluziile studiilor şi a experienţei până în anul

2000 este Directiva 2000/53/CE. Directiva 2000/53/CE se aplică vehiculelor în curs

de dezvoltare, vehiculelor care sunt în fabricaţie de serie precum şi a celor care sunt

scoase din uz, incluzând componentele şi substanţele care asigură funcţionarea.

Conţinutul legislativ reglementează următoarele chestiuni principale:

Elaborarea măsurilor care au ca scop prevenirea apariţiei deşeurilor

provenite de la vehicule precum şi reutilizarea, reciclarea şi a altor forme de

recuperare de la VSU şi componentele acestora, pentru reducerea într-o

măsură esenţială a cantităţii finale de deşeuri.

Reutilizarea, reciclarea şi valorificarea energetică a componentelor VSU.

Principalele cerinţe sunt:

a) Limitarea şi eventual eliminarea utilizării materialelor şi substanţelor

periculoase folosite în fabricaţie. Introducerea acestor cerinţe începând cu faza

de concepţie a vehiculelor avându-se în vedere ca materialele şi componentele

vehiculelor noi, comercializate după 01.07.2003, să nu conţină plumb, mercur,

cadmiu hexavalent decât în condiţiile strict reglementate.

b) Integrarea unor cantităţi crescânde de materiale reciclate provenind de la

VSU în vehicule noi şi în componente de reparaţie. Dezvoltarea pieţelor de

materiale şi componente reciclate;

c) Conceperea şi punerea la punct a unui sistem naţional în care radierea din

circulaţie al unui VSU să se facă exclusiv pe baza unui certificat de distrugere;

d) Colectarea gratuită de la ultimul proprietar al VSU;

e) Fără prejudicierea secretului industrial şi comercial, producătorii vor furniza,

într-un interval de 6 luni de la comercializare, pentru fiecare tip de autovehicul

nou de pe piaţă, informaţii complete privind operaţiile de demontare precum şi

amplasarea tuturor substanţelor periculoase din autovehicule.

Page 538: Curs Motoare

PARTEA III – REDUCEREA POLUARII

538

f) Înfiinţarea de sisteme şi agenţi economici pentru colectarea VSU care să

asigure tratarea şi valorificarea în proporţie ridicată a materialelor şi

componentelor, astfel:

85% reutilizare şi valorificare din greutatea medie a autovehiculului până la

01.06.2006. Pentru vehiculele mai vechi, fabricate anterior anului 1980,

procentul de reutilizare şi valorificare va fi de minim 75% şi 70% pentru

reciclare;

95%, valorificare din greutatea medie a produsului se va asigura din 2015.

22.4.3. Situaţia valorificării VSU în România Autorităţile române întreprind măsuri de aliniere la concepţia comunitară

europeană:

♦ Transpunerea Directivei 53 prin Hotărârea de Guvern nr.2406 din 21.12.2004,

privind gestionarea vehiculelor scoase din uz. Anexele HG 2406 reglementează

cerinţele minime necesare unităţilor de colectare şi celor de tratare a VSU în

scopul minimalizării impactului asupra mediului, în procesele de colectare,

dezmembrare şi reciclare a VSU;

♦ Legea 421/2002 – referitoare la regimul vehiculelor abandonate sau fără

proprietar;

♦ Ordonanţa de Urgenţă 99/2004 şi Legea 72/2005 – Măsuri pentru stimularea

înnoirii parcului auto din România. Legislaţia permite ca proprietarii maşinilor

vechi să le predea contra cost, suma respectivă constituindu-se ca avans la

achiziţionarea unui autovehicul nou.

Unele măsuri au fost luate de Ministerul Mediului şi Integrării Europene şi de

Agenţiile de Dezvoltare Regionale. Au fost elaborate Planul Naţional de Gestionare a

Deşeurilor (PNGD) şi Planuri Regionale de Gestionare a Deşeurilor (PRGD),

conţinând capitole de obiective şi ţinte la nivel naţional şi regional în domeniul

valorificării VSU, corelate cu prevederile normativelor internaţionale. Aplicarea

măsurilor este însă deficitară. De exemplu, în Regiunea 7 centru se efectuează

activităţi de colectare prin societăţi comerciale de tip REMAT dar din componentele

vehiculelor scoase din uz se valorifică doar părţile metalice, ceea ce reprezintă

aproximativ 70% din masa vehiculului, restul fiind eliminat la haldă.

Page 539: Curs Motoare

Reciclarea vehiculelor rutiere

539

Fig.22.1. Autorizarea agenţilor economici pentru VSU în România

O clasificare a agenţilor economici care acţionează în domeniu, realizată de

INCDPM - ICIM Bucureşti este prezentată în fig. 1. .Din toţi agenţii 59% operează

ilegal, 29% nu deţin autorizaţii tehnice ci numai de mediu, 5% sunt autorizaţi RAR

dar nu au perspectiva autorizării tehnice, 7% deţin toate autorizaţiile necesare

22.4.4. Strategii şi procese ale reciclării automobilelor scoase din uz La toate produsele fabricate mai devreme sau mai târziu apar defecte,

îmbătrânesc sau pur şi simplu devin nefolositoare, rudimentare. În cazul automobilelor

retragerea acestora de pe piaţă (utilizator) se produce în mod general atunci când

acestea nu mai satisfac condiţiile tehnice şi ecologice pentru a fi în circulaţie sau în

cazul unor avarieri grave ale automobilului. Această perioadă de utilizare (viaţă)

depinde de la ţară la ţară şi model.

Problema reciclării automobilelor uzate este una foarte complexă căci

însumează o multitudine de componente şi materiale, de asemenea ele conţin atât

sisteme mecanice cât şi electrice şi electronice. Am putea spune ca şi caz particular

că reciclarea produselor electronice este un subdomeniu al reciclării automobilelor

uzate. Un număr mare de automobile aflate la sfârşitul ciclului de viaţă sunt cauzele

unor efecte negative asupra mediului dacă acestea nu sunt tratate în mod ecologic.

Asupra industriei auto se exercită presiuni din ce în ce mai mari pentru asumarea

responsabilităţii privind efectul asupra mediului al propriilor produse. Aceste presiuni

sunt multe, incluzând cele legislative, presiuni economice (creşterea materialelor

neconvenţionale, creşterea costurilor depozitării pe rampe) şi presiuni ale pieţei în

termeni de creştere a interesului populaţiei în acest sens. Gradul de recuperare al

produsului poate fi divizat în: refolosirea totală a produsului, recondiţionarea acestuia

şi recuperarea anumitor componente şi materiale.

Page 540: Curs Motoare

PARTEA III – REDUCEREA POLUARII

540

O strategie de reciclare este definită ca un set de activităţi pe care le dezvoltă

şi/sau coordonează un fabricant cu alte firme implicate în industria auto şi nu numai,

pentru răspunde problemelor urgente ale retragerii de pe piaţă a produselor uzate în

conformitate cu cerinţele şi regulamentele actuale privind reciclarea. Aceasta

presupune dezvoltarea cunoştinţelor şi a capacităţilor cerute. De asemenea, implică

alegeri cu respect asupra dezvoltării tehnologiei şi coordonarea şi adaptarea

activităţilor noi şi a celor existente. Deciziile tehnologice şi organizatorice trebuie luate

la nivel de firmă (de către fabricant) şi la nivel de industrie (de către fabricant şi alte

firme din industriile implicate). Dezvoltarea unei strategii de reciclare este un proces

complex care parţial este caracterizat printr-o evaluare de oportunităţi, rezultând

decizii raţionale şi parţial o adaptare la fenomenele ce au loc în contextul procesului şi

de asemenea în proces.

„Reciclarea „ este cel mai comun utilizat termen pentru recuperarea produselor

şi refolosirea sau descompunerea lor într-o oarecare măsură. Ca urmare există multe

nivele după care un produs poate fi „reciclat” (descompus) pentru a putea fi valorificat

pe piaţa de produse second-hand. Terminologia utilizată pentru fiecare din acest nivel

diferă de la o literatură la alta dar cele mai importante strategii de extindere a ciclului

de viaţă (reciclare) al unui produs sunt următoarele: refolosirea (prin reparare),

refabricarea /recondiţionarea (incluzând verificarea, recondiţionarea, recuperarea

pieselor şi upgrade tehnic) şi reciclarea materialelor.

22.4.4.1 Refolosirea Cel mai eficient mod de reducere a impactului asupra mediului înconjurător

poate fi realizat prin reutilizarea (refolosirea) produsului, în care formele geometrice

ale produsului sunt menţinute şi produsul este refolosit pentru acelaşi scop ca şi în

ciclul de viaţă anterior (ex. sticle pentru băuturi), sau pentru un scop secundar (ex.

refolosirea de componente).

În acest caz produsul este recuperat de la ultimul utilizator fără prea mari

alterări, defecţiuni sau schimbări ale produsului. Acest nivel al reciclării poate implica

inspectarea, curăţarea, repararea şi recondiţionarea. Aceasta este cea mai mare

prioritate din punct de vedere ecologic, deoarece toate resursele (materie şi energie)

folosite în timpul dezvoltării produsului sunt economisite. Acest lucru aduce cu sine în

multe cazuri avantaje economice. Cu consideraţii asupra reciclării materialelor,

refolosirea are următoarele beneficii:

Page 541: Curs Motoare

Reciclarea vehiculelor rutiere

541

1 În primul rând nu numai deşeurile şi spaţiile de depozitare ale acestora sunt

reduse, dar de asemenea energia şi consumul de materiale din timpul

fabricaţiei sunt reduse deoarece sunt utilizate componentele existente. De

fiecare dată când un component este refolosit, toată energia consumată şi

emisiile degajate care au fost produse din timpul fabricaţiei sale şi procesării

materialelor sale sunt salvate.

2 În al doilea rând utilizarea componentelor existente reduc cheltuielile financiare

al unui întreprinzător pentru producerea sau achiziţionarea ale unor componente

noi. Exemple bine cunoscute sunt componentele de automobile, maşini

industriale şi echipamente militare. Salvări adiţionale de resurse pot fi obţinute

prin integrarea fabricaţiei, defabricaţiei şi proceselor de refabricare. [5]

Astfel când dezasamblăm un produs, componentele refolosibile pot fi plasate,

direcţionate într-o manieră care îmbunătăţeşte alimentarea cu componente şi elimină

un proces de sortare la staţiile de asamblare. Astfel pot fi salvate mari cantităţi de

resurse naturale.

22.4.4.2 Recondiţionarea (refabricarea)

Recondiţionarea poate fi definită ca şi reconstruirea produsului (posibil cu noi

piese) şi vânzarea acestuia către un nou utilizator, sau utilizarea componentelor

produsului în alte produse. Refabricarea a fost definită ca şi „transformarea produsului

uzat într-un produs care satisface aceleaşi calităţi şi standarde ca şi produsul nou.

În Germania refabricarea componentelor de automobile ca şi de exemplu

motoare, transmisii, alternatoare, electromotoare deţin aproape 10% din totalul

producţiei. Este interesant a observa că în SUA există o piaţă şi infrastructură mai

largă pentru refabricarea componentelor decât în Europa. În cazul recuperării

produselor pentru refabricare sau / şi refolosire sunt considerate următoarele 5 stadii

de procesare.

1. Dezasamblare

2. Curăţire

3. Inspectare şi sortare

4. Îmbunătăţirea sau recondiţionarea componentelor

5. Reasamblarea.

Page 542: Curs Motoare

PARTEA III – REDUCEREA POLUARII

542

Problema considerată majoră în domeniul dezasamblării tuturor produselor,

este înlăturarea legăturilor (joncţiunilor), separarea componentelor. În cazul

automobilelor aceste probleme sunt agravate de coroziune, murdărie şi uleiuri

(grăsimi) acumulate de-a lungul timpului de utilizare ale acestora.

22.4.4.3 Reciclarea materialelor

Implică recuperarea conţinutului de materiale al produsului pentru a putea fi

folosit din nou în alte scopuri. Distincţia dintre refolosire şi reciclare nu este

întotdeauna clare datorită interschimbabilităţii lor, dar în cazul de sus termenul de

reciclare se referă strict la reciclare-recuperare de materiale. Acesta este cel mai

comun proces:

� Numai materialele sunt păstrate, toate detaliile geometrice se pierd;

� Permite dezasamblarea (ieftină) distructivă:

În industria electronică, reciclarea materialelor este în multe cazuri efectuată în

scopul recuperării materialelor preţioase (ex. aur, platină).

Termenul de reciclare este adesea folosit pentru toate activităţile care însoţesc

produsul, componentele produsului sau materialul constituent al produsului într-un

nou ciclu de utilizare. Adesea este făcută o distincţie între reciclarea primară unde

materialul este transformat în produs la acelaşi nivel valoric ca şi în primul ciclu (ex.

recipiente de sticlă reutilizate la o nouă îmbuteliere) şi reciclarea secundară unde

materialul este refolosit în diferite aplicaţii de nivel valoric mai scăzut (ex. deşeu de

plastic utilizat ca şi material de umplutură într-un material compozit). Este mai uşor de

făcut reciclarea secundară decât cea primară. De exemplu spuma poliuretanică din

scaunele maşinilor moderne poate fi reciclată în materiale de acoperire (carpet), dar

nu din nou în spumă poliuretanică într-un scaun nou. Similar diferite materiale plastice

pot fi utilizate ca şi materiale compozite în construcţii. Oarecum această degradare a

materialului va cauza probleme şi oamenii vor reflecta asupra continuităţii reciclării.

De asemeni în industrie şi învăţământ este dată multă atenţie reciclării materialelor în

care geometria produsului (şi valoarea asociată) este distrusă şi numai materialul

constituent este condus într-un nou ciclu de utilizare.

Pentru reciclarea materialelor, următoarele 3 stadii sunt de obicei luate în

considerare:

1. Separarea materialelor

Page 543: Curs Motoare

Reciclarea vehiculelor rutiere

543

2. Sortare

3. Reprocesare

Desigur, reciclarea vehiculelor devine economic mai fiabil cu ajutorul

tehnologiilor de distrugere (tăiere). Aceste M.U. de tăiat transformă automobilele

destinate reciclării în mici fragmente care pot fi sortate magnetic în materiale feroase

şi neferoase. Deşeurile rămase se numesc „reziduuri automotive”. Aceste reziduuri

sunt aproape o pătrime din greutatea totală al unui autovehicul. În fig. 3.2 este ilustrat

un exemplu tipic pentru un vehicul procesat.

22.4.4.4 Consum de energie şi recuperare

Este bine de ştiut că se consumă energie în fabricarea oricărui produs. În

Europa incinerarea cu recuperare de energie este de asemenea considerată o formă

a reciclării. Mai mult decât atât volumul de material depozitat ca şi deşeu este mai

scăzut după incinerare decât înainte.

� Energia înmagazinată în material este recuperată prin incinerare sau

piroliză.

� Câştiguri mici dar în multe cazuri este modul cel mai simplu.

O cale rapidă de a recupera conţinutul energetic al unui produs este

focalizarea numai asupra materialului. Prin însumarea conţinutului energetic al tuturor

materialelor care fac parte din produs obţinem energia totală înmagazinată de produs.

Căldura specifică poate fi utilizată uneori ca şi un ghid pentru conţinutul energetic al

unui produs. În cazul în care recuperarea totală sau parţială al produsului nu mai este

posibilă, opţiunea finală este evacuarea. Multe din produse trec printr-o combinaţie

ale opţiunilor amintite mai sus în funcţie de valoarea produselor reciclate şi a

materialelor pe piaţă. Este importantă definirea diferitelor strategii astfel încât deciziile

referitoare la diferite procese să poate fi luate şi în cazul a mai multor opţiuni ale

acestora.

Page 544: Curs Motoare

PARTEA III – REDUCEREA POLUARII

544

22.5 ACTIVITĂŢILE DE TRATARE ŞI VALORIFICARE A VSU 22.5.1. Succesiunea şi interdependenţa activităţilor în domeniul VSU

Vehicule la sfârşitul vieţii

Anularea dreptului de

circulaţie

Structura pentru achiziţie şi

transport

Activităţi de depoluare-dezasamblare Activităţi de valorificare

Faza I: Depoluarea • Extragerea tuturor fluidelor de lucru (ulei de motor şi transmisie, lichid de răcire, de frână, de spălat parbrizul, combustibil rămas etc.) • Extragerea acumulatorului

• Reutilizare (acumulatoare, combustibil) • Reprocesare (acumulatoare, fluide de lucru) • Depozitarea în cisterne a fluidelor de lucru recuperate, în vederea reutilizării directe sau în instalaţii energetice

Faza II: Dezmembrarea • Codificarea şi etichetarea componentelor • Sortarea şi testarea componentelor reutilizabile cu rată mare de revânzare • Dezmembrarea motoarelor şi a cutiilor de viteză, sortarea şi testarea pieselor acestora • Dezmembrarea componentelor mari de plastic şi cauciuc

• Introducerea în circuitul comercial al componentelor reutilizabile • Reutilizarea şi reprocesarea anvelopelor cu grad redus de uzură • reutilizarea materialelor conţinute în componentele de mase plastice şi cauciuc

Faza III: Tocarea/măcinarea componentelor, în instalaţii de măcinat • Separarea părţilor metalice feroase • Separarea părţilor metalice neferoase • Separarea sticlei, a maselor plastice • Separarea metalelor preţioase din convectoarele catalitice

• Reutilizarea metalelor feroase • Reutilizarea metalelor neferoase • Reutilizare mase plastice şi cauciuc

Faza IV: Valorificarea energetică • Introducerea în circuitul energetic al anvelopelor • Tratarea chimică şi valorificarea energetică a hidrocarburilor

• Utilizarea anvelopelor uzate pentru incinerarea în cuptoare • Recuperarea energetică a hidrocarburilor

Page 545: Curs Motoare

Reciclarea vehiculelor rutiere

545

22.5.2 Etapele generale ale demontării şi valorificării VSU

a) Depoluarea

Reprezintă prima etapă a metodologiei de tratare, în decursul căreia

succesiunea operaţiilor este următoarea:

− Separarea acumulatoarelor şi rezervoarelor de combustibil;

− Îndepărtarea şi reutilizarea posibilelor componente explozibile (ex. air-bag-urile)

− Colectarea diferenţiată şi depozitarea în cisterne, cu respectarea condiţiilor de

siguranţă a combustibilului, uleiului de motor, uleiului de transmisie, uleiului din

cutia de viteze, uleiului hidraulic, uleiului de răcire, antigelului, fluidului de frână,

fluidelor din sistemul de aer condiţionat şi eventual a altor fluide conţinute în VSU;

− Extragerea şi separarea, pe cât posibil, a tuturor componentelor identificate că au

mercur in conţinut.

Materialele vizate în etapa de depoluare, reprezintă cca. 3% din masa

medie a unui VSU. Unele acumulatoare pot fi utilizate imediat şi intră în circuitul

comercial. Fluidele de lucru sunt destinate fie reprocesării dacă procesul asigură

calitatea iniţială şi nu este prea costisitor, fie pot fi utilizate drept combustibil

industrial, ca atare sau în combinaţii (valorificarea energetică).

b) Dezmembrarea

Sunt fi selectate cele mai valoroase componente; în funcţie de starea tehnică şi

de valoarea acestora vor fi reutilizate sau reciclate. În mod frecvent, componentele

care se pot valorifica, sunt următoarele:

− Jantele roţilor (oţel/aliaj);

− Motoarele cu un număr redus de ore de funcţionare;

− Cutiile de viteze, în aceleaşi condiţii;

− Componente electrice ale sistemului de alimentare cu combustibil;

− Componente electrice ale sistemului de iluminat (faruri, becuri, etc.);

− Anvelopele cu un parcurs de rulare redus;

− Radiatoare şi schimbătoare de căldură fără depuneri;

− Acumulatoare cu un număr redus de ore de funcţionare;

Dacă componentele nu sunt refolosite, piesele mari de metal :motoarele, cutiile

de viteze, radiatoarele, componentele sistemelor de alimentare cu combustibil,

Page 546: Curs Motoare

PARTEA III – REDUCEREA POLUARII

546

sistemelor de răcire şi a celorlalte sisteme anexe sunt trimise la reprocesarea fierului

vechi.

Materialele recuperate în etapa de dezmembrare reprezintă cca. 47% din masa

medie a VSU. Nu toate părţile dezmembrate pot fi recuperate în acest mod, astfel

încât o cantitate de 32% din masa medie este destinată etapei următoare de

valorificare. În conformitate cu Anexa I a Directivei 2000/53, anumite părţi trebuie să

fie separate în etapa de dezmembrare pentru a promova reciclarea: catalizatoarele,

componentele care conţin cupru, aluminiu, magneziu atunci când nu pot fi separate

în etapa de mărunţire.

Anvelopele şi componentele de plastic de dimensiuni mari (amortizoare, tabloul

de bord, containerele de fluide etc.) trebuie de asemenea să fie separate şi

îndepărtate dacă produc complicaţii în procesul de tocare.

c) Tocarea

Caroseriile VSU tratate pot fi tocate după depoluare şi după ce au fost

îndepărtate componentele care pot fi valorificate prin reutilizare şi comercializare.

Tehnologia actuală în domeniul VSU conţine o componentă semnificativă de tocare

iar fragmentele rezultate sunt sortate în metale feroase, neferoase şi particule ale

părţilor nemetalice ( plastic, spumă, sticlă, cauciuc şi textile). În prezent o mare parte

din acest reziduu este destinat depozitării finale în halde, dar cercetările care au loc

acordă o mare atenţie recuperării şi reutilizării fragmentelor nemetalice pentru

realizarea de produse noi.

Principalul utilaj de tocare este constituit dintr-o moară cu ciocane în care

materia primă este reprezentată de baloţi de VSU obţinuţi prin presare. Metalele

(denumite fracţii grele) sunt predate la procesatori care asigură topirea şi realizarea

de materii prime care sunt reciclate în piese noi. Reziduul nemetalic (fracţii uşoare)

reprezintă cca.25% din greutatea VSU şi conţin o cantitate destul de ridicată de

pământ si praf. Pentru îndepărtarea prafului, tocătoarele moderne sunt dotate cu

echipamente de desprăfuire (cicloane sau filtre sac). Separarea fracţiilor grele şi a

celor uşoare este efectuată de sortatoare cu aer şi magneţi.

În prezent reziduurile de tocare conţin deseori substanţe periculoase (plumb,

Cadmiu şi bifenili policloruraţi/ trifenili policloruraţi – PCB/PCT). Odată cu adaptarea

concepţiei şi fabricaţiei autovehiculelor rutiere la cerinţele Directivei 53, următoarea

generaţie de VSU va fi lipsită de deşeuri periculoase.

Page 547: Curs Motoare

Reciclarea vehiculelor rutiere

547

Incinerarea cu recuperarea energetică este o opţiune avantajoasă pentru

reziduurile nemetalice ale operaţiilor de tratare şi valorificare a VSU. Incinerarea

poate fi asociată altor materiale combustibile, ca de exemplu deşeuri menajere sau

reziduuri industriale(lemn, cărbune etc.).

22.5.3 Date asupra valorificării materialelor şi substanţelor din VSU Uleiul de ungere al motorului. Cercetările %demonstrează că 47% se

consumă în procesul de ardere în timpul funcţionării iar 53% rămâne sub formă de

ulei uzat, în care aditivii de origine se concentrează. O cantitate relativ redusă din

uleiul uzat poate fi regenerat şi stă la baza producerii de ulei nou. Cea mai mare

parte este valorificată energetic prin incinerare în cuptoare de ciment Puterea

calorică a uleiului uzat este estimat la 98% în raport cu cea a fracţiunilor grele din

petrol. O parte a uleiurilor uzate este reutilizată la fabricarea bitumului pentru asfalt.

Instalaţiile clasice de regenerare sunt de obicei puternic poluante şi de aceea se fac

numeroase eforturi pentru realizarea de noi instalaţii care să nu contribuie la

poluarea atmosferei;

Lichidul de răcire pe bază de etile-glicol este reciclat prin redistilare,

ultrafiltrare care permite separarea apei şi a impurităţilor apărute în timpul utilizării

(inhibitori de coroziune uscaţi şi particule solide desprinse de pe pereţii circuitului de

răcire.

Antigelul şi lichidul de frână nu pot fi reciclate satisfăcător pe baza

tehnologiilor existente în prezent. Producătorii de autovehicule întreprind numeroase

cercetări pentru a se pune la punct metode care să permită recuperarea parţială a

acestor tipuri de lichide.

Filtrele de ulei sunt centrifugate pentru extragerea uleiului rămas în materialul

filtrant. Uleiul obţinut şi cartuşul filtrant se utilizează în instalaţii de incinerare, la fel ca

uleiul recuperat din baie. Materialul metalic este de asemenea compactat şi reciclat

odată cu celelalte componente metalice.

Acumulatoarele. O cantitate redusă se reciclează prin comercializare imediată,

iar cea mai mare parte intră în procesul de reutilizare a acidului după golirea

acestuia. Plumbul din plăci este purificat şi rafinat apoi transformat în lingouri şi

utilizat la producerea acumulatoarelor noi.

Oţelul este recuperat în proporţie de 100%. Economia de energie realizată la

reciclare, în raport cu procesele primare este de 95% pentru aluminiu,90% pentru

Page 548: Curs Motoare

PARTEA III – REDUCEREA POLUARII

548

zinc, 80% pentru cupru, în medie 35% pentru plumb. Aceste economi sunt însă

diminuate de cheltuielile care se fac cu transportul materialelor reciclate.

Filtrele catalitice permit recuperarea metalelor preţioase. Un catalizator

conţine 1,8g. din astfel de metale (1,5g de platină sau paladium şi 0,3g. rhodium).

Restul (corpul metalic din oţel inoxidabil) este reciclat obişnuit ca şi celelalte

componente din materiale feroase.

Componentele din plastic. Dificultatea de reciclare este dată de necesitatea

separării pe tipuri deoarece sunt numeroase variante diferenţiate de conţinut, aditivi

şi coloranţi. În ultima vreme s-au elaborat tehnologii de recuperare care permit ca

piesele să fie transformate în granule extrudate ale căror caracteristici corespund

aceloraşi exigenţe ca şi materialele noi şi în consecinţă sunt utilizate la fabricarea

componentelor autovehiculelor. Materialele compozite dure sunt transformate în

pulberi din care de asemenea se produc componente noi.

Piesele din materiale plastice ale VSU se pot utiliza şi direct în producţia de energie

termică unde asigură o putere calorifică de 45 MJ/kg.

Anvelope. Aproximativ 20% dintre acestea se reeşapează. Cea mai mare

parte este utilizată prin incinerare, pentru recuperarea energiei. Puterea calorifică

este comparabilă cu a cărbunelui superior, furnizând 30 MJ/kg . La fiecare tonă de

pneuri uzate se recuperează o cantitate de energie echivalentă cu ea obţinută prin

arderea a 0,7 tone de petrol. Aproximativ 8% din pneurile VSU sunt arse în

cuptoarele din industria cimentului. Totuşi, problemele puse de poluarea aerului prin

arderea anvelopelor rămân dificil de soluţionat. O cantitate de 3% este transformată

în pudră de cauciuc şi încorporată bitumului din covoarele asfaltice. Adaosul de

pudră de cauciuc conduce la o bună atenuare a zgomotului de contact pneu-şosea.

Reziduurile (fracţiunile) uşoare de la măcinare (amestec de plastic, sticlă,

materiale de lipit şi spume, cauciuc, textile). Eliminarea se face în general prin

incinerare in cuptoare de ciment sau prin depunerea la haldă. Părţile componente ale

amestecului au puteri calorifice de valori diferite; unele mai mici de 2000 kcal/kg iar

altele mai mari de 4500kcal/kg.

Textilele. Actualmente, majoritatea textilelor sunt distruse dar sunt în curs de

dezvoltare metode de reciclare a fibrelor textile care urmează a fi utilizate la

confecţionarea anumitor ţesături sau ca materiale de amestec şi umplutură.

VSU mai conţin în cantităţi însemnate sticlă şi componente electronice

(semiconductori, rezistenţe, conectori, cristale lichide etc.). În actuala fază de

Page 549: Curs Motoare

Reciclarea vehiculelor rutiere

549

dezvoltare a tehnologiilor de recuperare acestea rămân practic nerecuperate fiind

destinate în final haldei de deşeuri.

22.6. STUDIU DE CAZ. RECICLAREA AUTOVEHICULELOR SCOASE DIN UZ CA

STRATEGIE POSIBILĂ A RESTRUCTURĂRII INDUSTRIEI AUTO DIN ROMÂNIA

22.6.1. Argumentare O concluzie care rezultă din analiza tuturor factorilor implicaţi în promovarea

gestiunii corespunzătoare a deşeurilor este aceea a unui decalaj pronunţat în

defavoarea gestionării VSU în raport cu cea a deşeurilor menajere şi industriale.

Institutul de Autovehicule Rutiere din Braşov, consideră că aceasta se datorează

faptului că în domeniu lipsesc procedurile, a căror deosebită însemnătate este dată

atât de complexitatea autovehiculelor cât şi de dificultatea evaluării stării tehnice a

componentelor dezmembrate. Pentru elaborarea procedurilor este necesar un studiu

preliminar, destinat să evidenţieze caracteristicile tip ale domeniului, puţin sau deloc

cunoscute în momentul de faţă. Este vorba de rentabilizarea activităţii prin asigurarea

materiei prime necesare şi asimilarea metodelor şi mijloacelor pentru dezmembrare

şi reciclare şi utilizarea unor metode pentru stabilirea stării tehnice a componentelor

care merită să fie valorificate ca atare. Studiul trebuie finalizat printr-un număr

suficient de proceduri, astfel încât se poate face o tranziţie relativ simplă la un proiect

de investiţii. În consecinţă, obiectivul specific al proiectului este constituit de

elaborarea procedurilor pentru gestionarea VSU. Realizarea unei lucrări cu un astfel

de obiectiv specific este justificată de observaţia că – la nivel naţional şi la nivelul

Regiunii 7 Centru unde activează Institutul - nu există unităţi specifice de gestionare

a VSU a căror activitate să se bazeze pe criterii demonstrate ştiinţific. Prin finalizarea

cercetărilor rezultă o metodologie specifică VSU alcătuită din proceduri aplicabile

activităţii principale de dezmembrare, evaluare, sortare şi tratare a componentelor

reutilizabile, de mare diversitate din componenţa subansamblurilor vehiculelor

(motorul şi instalaţiile anexe, transmisia, suspensia, direcţia, instalaţia electrică,

şasiul şi caroseria). Lucrarea permite şi pregătirea de alternative de abordare a

cerinţei Directivei 2000/53/CE, de colectare gratuită la nivelul ultimului deţinător,

astfel încât să se evite nemulţumiri sociale sau manifestări ostile. Această abordare

este în sensul respectării spiritului Programului PHARE CES şi anume acela de

Page 550: Curs Motoare

PARTEA III – REDUCEREA POLUARII

550

realizare a Coeziunii Economice şi Sociale a României, în perioada de depunere a

unor eforturi deosebite pentru atingerea nivelului de dezvoltare a statelor membre ale

Uniunii Europene.

22.6.2 Concepţia unui proiect pregătitor pentru activitatea de investiţii În continuare este redată concepţia a patru activităţi principale desfăşurate

într-un proiect de investiţii. Acestea sunt: asigurarea materiei prime (VSU), evaluarea

pragului de rentabilitate la procesarea VSU, elaborarea procedurilor de determinare

a stărilor tehnice a componentelor şi stabilirea metodelor de dezmembrare şi

reciclare. Activităţile urmează a fi aplicate în practică prin intermediul unei unităţi

economice productive denumită Structură tehnico-economică regională pentru

valorificarea autovehiculelor scoase din uz. Realizarea de proceduri, în conformitate cu care urmează a fi gestionate VSU,

constituie de fapt studii de bază axate pe principii moderne, care se aplică în

proiectare. O astfel de optică proprie proiectului pregătitor este firească şi constituie

totodată un pionierat, astfel încât finalizarea cercetării va contribui şi la acumularea

unor cunoştinţe care nu se regăsesc în bibliografia de specialitate consultată şi nici

nu se pot obţine cu uşurinţă pe cale intuitivă. Aceste consideraţii demonstrează faptul

că proiectul pregătitor propus are o relevanţă corespunzătoare deoarece rezultatele

obţinute prezintă impact direct asupra sectorului de gestionare a deşeurilor. Prin

asistenţa financiară oferită Institutul de Autovehicule Rutiere Braşov, acesta va

contribui semnificativ la reducerea deşeurilor rezultate din VSU şi tratarea acestora

în mod corespunzător valorificării prin reciclarea materialelor şi a componentelor.

Semnificativă pentru relevanţa proiectului este şi baza de date creată la Institut din

care vor putea fi obţinute informaţii importante pentru autorităţile locale şi regionale şi

în egală măsură pentru agenţii economici care activează în domeniul producerii şi

exploatării mijloacelor de transport auto.

De asemenea, proiectul contribuie la îmbunătăţirea capacităţii IMM –urilor de

a gestiona mai bine problemele privind deşeurile, în acest caz în conformitate cu aria

de competenţă a elaboratorului proiectului. Finalizarea cercetărilor contribuie direct la

protecţia mediului, înlăturând atât deşeurile periculoase care provin de la vehiculele

uzate, cât şi acele componente care nu se degradează sau se degradează într-o

perioadă îndelungată. Proiectul furnizează un studiu direct legat de proiectul de

Page 551: Curs Motoare

Reciclarea vehiculelor rutiere

551

investiţii a cărui rol este crearea structurii tehnico-economice propriu-zise pentru

valorificarea VSU.

După cum subliniază documentele referitoare la sistemele de gestiune a deşeurilor,

nu există sisteme documentate în domeniul VSU, agenţii economici care activează în

acest moment procedând de regulă la separarea materialelor metalice şi valorificarea

acestora prin topire. În acest fel şi prin acest procedeu se obţine în general

procesarea unui procent de aprox. 70% din masa autovehiculului. Restul de 30%

este destinat depozitelor de gunoi şi contribuie într-o măsură însemnată la poluarea

mediului ambiant.

Proiectul pregătitor contribuie la crearea unui sistem coerent pentru

desfăşurarea activităţilor de gestionare VSU prin intermediul unor proceduri puse la

punct ca urmare a finalizării cercetărilor din proiectul pregătitor.

Plecând de la premiza complexităţii deosebite a autovehiculelor rutiere şi a

dificultăţilor de gestionare avansată a VSU s-a ajuns la concluzia că studiul elaborat

în cadrul proiectului pregătitor trebuie să fie compus din activităţi finalizate cu

proceduri, care să sintetizeze modul de aplicare a rezultatelor proiectului pregătitor la

desfăşurarea proiectului de investiţii. Aceste activităţi sunt următoarele:

Activitatea 1: ASIGURAREA MATERIEI PRIME. Scopul este constituit de elaborarea

tuturor categoriilor de măsuri tehnice, economice şi civice pentru obţinerea VSU,

care constituie de fapt materia primă necesară aplicantului proiectului de investiţie şi

care în această fază de dezvoltare a domeniului se poate lovi de multiple dificultăţi

chiar dacă teritoriul este suprasaturat cu autovehicule cu vechime mai mare de 20 de

ani. La finalizarea acestei activităţi se realizează şi o bază de date pentru VSU

efective şi VSU potenţiale. Procedura prin care se reglementează metodele şi

mijloacele de asigurare a materiei prime necesare funcţionării continue a aplicantului

este denumită: ,, Asigurarea cu materie primă de tip VSU ” şi este integrată

sistemului documentat al calităţii, la fel ca toate celelalte proceduri din proiectul

pregătitor.

Activitatea 2 : EVALUAREA GRADULUI DE RENTABILITATE LA PROCESAREA

VSU.

Finalizarea acestei activităţi are o importanţă deosebită pentru realizarea

ulterioară a proiectului de investiţii care trebuie să stăpânească principalele

coordonate ale unei activităţi profitabile: categoriile şi cantităţile de materiale precum

şi categoriile şi cantităţile de componente obţinute prin gestionarea VSU, astfel încât

Page 552: Curs Motoare

PARTEA III – REDUCEREA POLUARII

552

investiţia să poată fi dezvoltată în continuare. Totodată, informaţiile obţinute în cadrul

acestei activităţi constituie date de intrare pentru expertiza care se efectuează

obligatoriu în cadrul fiecărui VSU potenţial materie primă. Activitatea de planificare a

investiţiei trebuie se fundamenteze pe scenarii realiste bazate pe experienţa

anterioară a promotorului proiectului pregătitor. Procedura finală a acestei activităţi

este ,, Stabilirea costurilor pentru gestionarea VSU şi evaluarea rentabilităţii

activităţii”.

Activitatea 3: ELABORAREA PROCEDURILOR DE DETERMINARE A STĂRII

TEHNICE.

Concepţia din proiectul pregătitor admite că se poate obţine o valorificare

satisfăcătoare prin reutilizare numai la nivel de componente. Componentele sunt de

două categorii: prima cuprinde pe cele care nu merită expertizate nici în cazul unui

rulaj redus (lagăre, furtunuri de cauciuc şi conducte de frână, garnituri, organe de

asamblare – bolţuri, prezoane, etc.) şi componente care pot fi expertizate şi utilizate

ulterior chiar în condiţii de acordare a unei garanţii .

Activitatea se finalizează cu două proceduri: ,,Categorii şi condiţii de

expertizare a componentelor obţinute prin dezmembrare VSU ” şi ,, Metodă de

verificare şi certificare a stării tehnice a componentelor obţinute prin dezmembrarea

VSU ”.

Activitatea 4: STABILIREA METODELOR DE DEZMEMBRARE ŞI RECICLARE.

Pentru proiectul de investiţii, rezultatele acestei activităţi sunt cele mai

importante deoarece permit adoptarea locaţiei, a complexităţii şi a numărului de

echipamente necesare precum şi a dispozitivelor şi sculelor pentru asigurarea

desfăşurării continue şi rentabile a aplicaţiei. Din acest motiv este prevăzută o

procedură voluminoasă dar cu dispoziţii foarte clare, intitulată ,, Aplicarea metodelor,

mijloacelor şi tehnologiilor pentru dezmembrare şi reciclare componente VSU ”.

22.6.3 Proiect de investiţi pentru valorificarea proiectului pregătitor Obiectivele generale ale proiectului de investiţii al cărui rezultat este structura

tehnico-economică regională sunt următoarele:

Contribuie la aplicarea Directivei Uniunii Europene 2000/53/CE - Reciclarea

materialelor auto şi Normei ISO/ DIS 22628 - Vehicule rutiere. Reciclabilitate şi

Recuperare.

Page 553: Curs Motoare

Reciclarea vehiculelor rutiere

553

Contribuie la realizarea obiectivelor şi ţintelor naţionale şi regionale din

PNGD si PRGD al Euroregiunii 7 Centru (extinderea sistemului de colectare a

deşeurilor şi creşterea coeficientului de selectare a acestora).

Obiectivul specific este reprezentat de exploatarea unei oportunităţi majore

create de apariţia unei pieţe potenţiale de mari dimensiuni pentru reciclarea VSU.

Aceasta piaţă s-a dezvoltat şi este de prevăzut să se dezvolte în continuare ca

urmare a existenţei unui număr de aproximativ 1,5 mil. de autovehicule Dacia şi alte

autovehicule produse în ţările Europei de Est, cu o vechime mai mare de 20 de ani,

precum şi a diverselor vehicule second-hand aflate în circulaţie sau abandonate de

peste 10 ani în România. Dintre autovehiculele care există pe teritoriul naţional,

aprox. 11,5% se află în cele 6 judeţe ale Regiunii 7 Centru. Datele din publicaţiile de

specialitate şi din mass-media vin în sprijinul concluziilor asupra rentabilităţii structurii

tehnico-economice dezvoltate pentru gestionarea VSU. Se vehiculează frecvent

ideea că odată cu integrarea în UE, cel puţin patru sute de mii de automobile vor fi

eliminate din circulaţie într-un timp foarte scurt. Prognoza are la bază evoluţia

costurilor asigurării obligatorii de răspundere civilă auto RCA, care de la 1 ianuarie

2007 are o valoare de 75 Euro / an, după care costurile vor evolua treptat spre 500

Euro şi chiar 1000 Euro/ an. Neplata taxelor va afecta nu numai cetăţenii care circulă

între graniţele Uniunii ci şi pe cei ai căror maşini, deşi staţionează, vor fi radiate din

circulaţie din motive de neplată a RCA.

Realizarea proiectului de investiţii ar aduce o contribuţie importantă la

eforturile care se fac în Regiunea centru pentru dezvoltare durabilă şi restructurare a

industriei auto. Etapele de dezvoltare a proiectului de investiţii sunt consecinţe ale

activităţilor prevăzute în proiectul pregătitor, aşa cum au fost prezentate mai sus. In

consecinţă, sunt nominalizate următoarele activităţi / etape ale proiectului de

investiţii:

Activitatea 1: Configurarea şi definitivarea cadrului pentru aprovizionarea ritmică cu

materie primă (VSU), asigurarea mijloacelor materiale şi a resurselor umane pentru

funcţionarea în condiţii de continuitate a sistemului creat;

Activitatea 2: Stabilirea volumului investiţiei în conjuncţie cu rezultatele obţinute prin

aplicarea procedurii privitoare la asigurarea cu materie primă de tip VSU;

Activitatea 3: Achiziţia echipamentelor recomandate în procedura de determinare a

stării tehnice a componentelor rezultate din dezmembrare;

Page 554: Curs Motoare

PARTEA III – REDUCEREA POLUARII

554

Activitatea 4: Adoptarea locaţiei exacte şi achiziţionarea echipamentelor, în funcţie

de complexitatea şi cantitatea stabilită prin procedură, a dispozitivelor şi sculelor

necesare bunei desfăşurări a gestionării VSU;

Realizarea proiectului de investiţii corespunde concepţiei de bază a

Programului PHARE CES 2005: schema de investiţii pentru sprijinirea iniţiativelor

sectorului privat în domeniul gestionării deşeurilor. Pe de altă parte, obiectivele

proiectului corespund celor specifice, deoarece contribuie la îmbunătăţirea capacităţii

IMM-urilor, fie că este vorba de aplicaţia de la SC INAR SA Braşov, fie la alte

întreprinderi din Regiunea 7 Centru (sau chiar exterioare acesteia) de a gestiona mai

bine problemele privind diversitatea deşeurilor provenite de la VSU, aducând astfel o

contribuţie importantă la protecţia mediului. Specificitatea obiectivelor este

demonstrată de faptul că autovehiculele poluează mediul şi în timpul cât

funcţionează şi după ce resursa lor a fost epuizată, iar numeroase componente nu

sunt bio-degradabile sau sunt foarte greu degradabile.

Asimilarea activităţilor de reciclare constituie una dintre strategiile de

restructurare a industriei auto conform cu noile condiţii socio-economice ale

României. Rezultatele aşteptate sunt de natură tehnico –ştiinţifică, economică şi

socială. Informaţiile de natură tehnico – ştiinţifică rezultă cu claritate din conţinutul

procedurilor menţionate la subcapitolul de activităţi principale ale proiectului

pregătitor. Determinarea stării tehnice a componentelor poate furniza informaţii

importante privitor la modul de descreştere a rezistenţei în timp (Gassner). Bazat pe

o finalizare corectă a activităţilor 1 şi 2 este posibil să rezulte o activitate profitabilă

care să contribuie la finanţarea componentei de cercetare – dezvoltare la ale

institutului si elaborarea altor componente ale strategiei de restructurare în viitor. Din

punct de vedere social, proiectul contribuie la rezolvarea unor probleme importante

de dezvoltare durabilă a Regiunii 7 Centru.

Page 555: Curs Motoare

Reciclarea vehiculelor rutiere

555

Bibliografie [1] http://europa.eu.int/comm/lisbon strategy/pdf15eu.pdf. [2] *** Vehicule scoase din uz – Date curente de bază reflectând contextul

ecologic şi economic general al problemei vehiculelor scoase din uz. Institutul

pentru Politici Europene de Mediu, 1996. [3] *** Vehicule scoase din uz, obligaţii mijloace şi căi de aplicare. Paris ADEME,

nov.2000. [4] Toniello, A. Poluarea produsă prin fabricaţia şi distrugerea infrastructurilor de

transport. Lyon, INRETS, sept 2001 [5] *** Directiva Comisiei Europene 2000/53 asupra vehiculelor la sfârşitul vieţii [6] Planurile Naţionale şi Regionale de Gestionare a Deşeurilor (PNGD şi

PRGD),2006.

Page 556: Curs Motoare

PARTEA III – REDUCEREA POLUARII

556

CUPRINS PARTEA I A - COMBUSTIBILI ALTERNATIVI.........................................................................1 1. GAZUL PETROLIER LICHEFIAT.........................................................................................2

1.1. GENERALITĂŢI ........................................................................................................... 2 1.2. BENEFICII PENTRU MEDIUL ÎNCONJURĂTOR ŞI SOCIAL ............................. 4

1.3. BENEFICII ECONOMICE..................................................................................................5 1.4. ALTE BENEFICII...............................................................................................................6 1.5. DEZAVANTAJE GENERALE ALE GPL ............................................................................6 1.6. CONFIGURAŢII ALE VEHICULELOR CU GPL ................................................................6

1.6.1. Prima generaţie GPL ........................................................................................... 7 1.6.2. A doua generaţie GPL ......................................................................................... 9 1.6.3. A treia generaţie GPL .......................................................................................... 9 1.6.4. A patra generaţie GPL ....................................................................................... 10 1.6.5. A cincea generaţie GPL .................................................................................... 10

1.7.POLITICA UE ŞI GPL ................................................................................................ 10 1.7.1. Piaţa Uniunii Europene ...................................................................................... 10 1.7.2. În afara pieţei UE ................................................................................................ 11 1.7.3.Informarea despre GPL ...................................................................................... 11 1.7.4. Riscuri................................................................................................................... 12 1.7.5. Aspecte financiare .............................................................................................. 12 1.7.6. Diferenţe de preţ ................................................................................................. 13 1.7.7. Caracteristica de piaţă ....................................................................................... 13 1.7.8. Reglementări ....................................................................................................... 13 1.7.9. Constrângeri ale infrastructurii ......................................................................... 13

Bibliografie .......................................................................................................................... 15 2. GAZUL NATURAL..............................................................................................................16

2.1. INTRODUCERE......................................................................................................... 16 2.2. UTILIZAREA GAZELOR NATURALE .................................................................... 18

2.2.1. Motoare cu aprindere prin scânteie ................................................................. 20 2.2.2. Motoare cu aprindere prin comprimare........................................................... 20

2.3. SISTEMELE CU GAZ NATURAL COMPRIMAT (GNC) ..................................... 22 2.4. GAZUL NATURAL LICHEFIAT (GNL) ................................................................... 23 Bibliografie .......................................................................................................................... 24

3. PROBLEME SPECIFICE ALE UTILIZĂRII BIOCOMBUSTIBILILOR.................................26 3.1. INTRODUCERE......................................................................................................... 26 3.2. CARACTERISTICILE BIOCARBURANŢILOR...................................................... 26 3.3. PRODUCEREA BIOCOMBUSTIBILILOR PORNIND DE LA BIOMASĂ .......... 29

3.3.1. Alcoolii şi eterii lor............................................................................................... 29 3.3.1.1. Alcoolul etilic (etanol).................................................................................. 29 3.3.1.2. Alcoolul metilic (metanol) ........................................................................... 31 3.3.1.3. Fabricarea compuşilor oxigenaţi............................................................... 32

3.3.2. Uleiurile vegetale şi esterii lor........................................................................... 33 3.3.2.1. Uleiurile vegetale netransformate chimic ................................................ 33 3.3.2.2. Esterii uleiurilor vegetale ............................................................................ 33

3.4. UTILIZAREA BIOCARBURANŢILOR..................................................................... 34 3.4.1. Utilizarea alcoolilor şi a eterilor......................................................................... 34

3.4.1.1. Utilizarea compuşilor oxigenaţi în proporţii ridicate ............................... 34

Page 557: Curs Motoare

Reciclarea vehiculelor rutiere

557

3.4.1.2.Utilizarea compuşilor oxigenaţi în proporţii reduse ................................. 35 3.4.1.3.Criteriile de utilizare a etanolului şi eterilor .............................................. 35 3.4.1.4. Bilanţul energetic......................................................................................... 36 3.4.1.5. Bilanţul de mediu......................................................................................... 37

3.4.2. Utilizarea uleiurilor vegetale şi a derivatelor lor în mac ................................ 38 3.4.2.1. Esterii uleiurilor vegetale ............................................................................ 38 3.4.2.2. Utilizarea de esteri în proporţii reduse ..................................................... 39 3.4.2.3. Utilizarea de esteri în proporţii ridicate .................................................... 40 3.4.2.4. Bilanţul energetic......................................................................................... 40 3.4.2.5. Bilanţul de mediu......................................................................................... 41

3.4.3. Utilizarea biogazului ........................................................................................... 42 3.4.3.1 Bilanţul economic ......................................................................................... 43 3.4.3.2. Bilanţul energetic......................................................................................... 43 3.4.3.3. Bilanţul ecologic........................................................................................... 44

Bibliografie .......................................................................................................................... 45 4. ALCOOLII...........................................................................................................................46

4.1 DEFINIŢII ŞI TIPURI .................................................................................................. 46 4.2 ALCOOLII ŞI DERIVAŢII LOR .................................................................................. 48

4.2.1. Etanolul ................................................................................................................ 50 4.2.2. Metanolul ............................................................................................................. 53

Bibliografie .......................................................................................................................... 55 5.ULEIURI VEGETALE ..........................................................................................................57

5.1. INTRODUCERE......................................................................................................... 57 5.2. TENDINŢELE ACTUALE ÎN EVOLUŢIA TRANSPORTURILOR....................... 57

5.2.1. Evoluţia cererii de transport în Europa............................................................ 57 5.2.2. Consumul de energie şi poluarea atmosferică .............................................. 58

5.3. CARACTERISTICILE DETERMINANTE ALE COMBUSTIBILILOR PENTRU PROCESELE DE AMESTECARE, AUTOAPRINDERE ŞI ARDERE....................... 60 5.4. TENDINŢE DE UTILIZARE A BIOCOMBUSTIBILILOR DIESEL ...................... 62

5.4.1. Ce este biocarburantul Diesel ? ....................................................................... 64 5.4.2. Comportarea biocarburanţilor Diesel în procesele de formare a amestecului aer-combustibil, ardere şi formare a emisiilor poluante .................... 66 5.4.3. Beneficiile utilizării biocarburanţilor Diesel ..................................................... 68

5.5. POLITICILE DE UTILIZARE A BIOCOMBUSTIBILILOR .................................... 69 5.5.1 Disponibilitatea materiilor prime pentru uleiurile vegetale ............................ 75 5.5.2. Caracteristicile materiei prime a biocarburanţior Diesel............................... 76 5.5.3. Efectele caracteristicilor materiei prime asupra proprietăţilor biocombustibililor Diesel ............................................................................................... 77 5.5.4. Tehnologii de obţinere a biocarburanţilor Diesel (Biodiesel) ....................... 82

5.6. CERCETĂRI PRIVIND UTILIZAREA BIOCARBURANŢILOR DIESEL ............ 85 5.6.1. Utilizarea amestecurilor motorină-biocarburant Diesel................................. 85 5.6.2. Utilizarea biocarburanţilor Diesel în stare pură (B100)................................. 86 5.6.3. Utilizarea uleiurilor vegetale pentru alimentarea motoarelor Diesel........... 86 5.6.4. Impactul utilizării biocarburanţilor Diesel asupra mediului ........................... 87

5.7. CONSIDERAŢII TEORETICE PRIVIND PROCESELE DIN CILINDRII MOTORULUI ...................................................................................................................... 89

5.7.1. Formarea amestecului în motoare cu aprindere prin comprimare ............. 89 5.7.1.1. Mişcarea aerului în camera de ardere a MAC........................................ 90 5.7.1.2. Pulverizarea combustibilului ...................................................................... 93 5.7.1.3 Factorii de influenţă ai calităţii pulverizării ................................................ 97

Page 558: Curs Motoare

PARTEA III – REDUCEREA POLUARII

558

5.7.2. Autoaprinderea şi arderea amestecurilor aer-combustibil în motoarele Diesel............................................................................................................................... 98

5.7.2.1. Influenţa factorilor de stare ...................................................................... 101 5.7.2.2. Influenţa factorilor funcţionali .................................................................. 103 5.7.2.3. Influenţa factorilor constructivi ................................................................ 104

5.8. CONCLUZII............................................................................................................... 106 Bibliografie ........................................................................................................................ 107

6. BIOGAZUL .......................................................................................................................115 6.1. GENERALITĂŢI ....................................................................................................... 115 6.2.VALORIFICAREA BIOGAZULUI ............................................................................ 118 Bibliografie ........................................................................................................................ 120

7. UTILIZAREA HIDROGENULUI IN PILA DE COMBUSTIE ..............................................123 7.1. UTILIZAREA HIDROGENULUI IN TRANSPORT .............................................. 123 7.2. PILA DE COMBUSTIE ............................................................................................ 125

7.2.1. Pila de combustie alcalină (AFC)................................................................... 126 7.2.2. Pila de combustie cu acid fosforic (PCAF) ................................................... 127 7.2.3. Pila de combustie cu membrană schimbătoare de protoni........................ 129 7.2.4. Reactanţii utilizaţi în pila de combustie ......................................................... 131

7.3. ECHIPAMENTELE AUXILIARE PILEI DE COMBUSTIE .................................. 133 Bibliografie ........................................................................................................................ 134

8. UTILIZAREA HIDROGENULUI LA ALIMENTAREA MOTOARELOR CU ARDERE INTERNĂ..............................................................................................................................135

8.1. DE CE HIDROGEN? ............................................................................................... 135 8.2. ECONOMIA DE HIDROGEN ................................................................................. 136 8.3. DE CE HIDROGEN ÎN MOTOARELE CU ARDERE INTERNĂ? .................... 137 8.4. PROPRIETĂŢI RELEVANTE ALE HIDROGENULUI ........................................ 139 8.5. SINTEZĂ LITERATURĂ: CERCETAREA EXPERIMENTALĂ ......................... 140

8.5.1 Arderea anormală .............................................................................................. 140 8.5.2 Formarea amestecului ...................................................................................... 144 8.5.3 Strategii de control al sarcinii........................................................................... 146 8.5.4 MAS alimentate numai cu hidrogen................................................................ 147

8.6. LITERATURĂ DE SPECIALITATE:CERCETĂRI ANALITICE ......................... 150 8.7 STRUCTURA FLĂCĂRII ÎN MOTOARELE CU HIDROGEN............................. 152 8.8 CERCETAREA EXPERIMENTALĂ ....................................................................... 157

8.8.1. Istoria experimentelor ...................................................................................... 157 8.8.2 Motorul General Motors .................................................................................... 158

8.8.2.1 Cercetări Experimentale............................................................................ 158 8.8.2.2 Injecţia .......................................................................................................... 159 8.8.2.3 Aprinderea ................................................................................................... 161 8.8.2.4. Ungerea şi ventilaţia carterului................................................................ 163 8.8.2.5 Supraalimentarea ....................................................................................... 164

8.8.3 Motorul CFR ....................................................................................................... 165 8.8.3.1 Experimental ............................................................................................... 165 8.8.3.2 Rezultate obţinute pentru versiunile cu carburator ............................... 167 8.8.3.3 Rezultate obţinute pentru versiunile cu injecţie ..................................... 169 8.8.3.4. Strategii de reducere a NO BxB..................................................................... 176

8.8.4. Motorul Audi ...................................................................................................... 177 8.8.4.1 Cercetări experimentale ............................................................................ 177 8.8.4.2 Rezultate iniţiale ......................................................................................... 178 8.8.4.3 Munca actuală şi de viitor ......................................................................... 180

Page 559: Curs Motoare

Reciclarea vehiculelor rutiere

559

Bibliografie ........................................................................................................................ 180 PARTEA A-II-A - EVALUAREA IMPACTULUI ASUPRA MEDIULUI ...................................187 9. POLUAREA MEDIULUI AMBIANT...................................................................................188

9.1. POLUAREA AERULUI ............................................................................................ 188 9.1.1. Dioxidul de sulf.................................................................................................. 189 9.1.2. Oxizii de azot..................................................................................................... 190 1.1.3. Particule în suspensie...................................................................................... 190 9.1.4. Ozonul ................................................................................................................ 191 9.1.5. Monoxidul de carbon (CO) .............................................................................. 192 9.1.6. Benzenul (CB6 BHB6 B)................................................................................................ 193 9.1.7. Hidrocarburile aromatice policiclice ............................................................... 193 9.1.8. Plumbul (Pb)...................................................................................................... 194 9.1.9. Cadmiul (Cd) ..................................................................................................... 194 9.1.10. Arsenicul (As), nichelul (Ni) şi mercurul (Hg)............................................. 195 9.1.11. Zincul (Zn) ....................................................................................................... 195 9.1.12. Dioxidul de carbon (CO B2 B) .............................................................................. 196 9.1.13. Alte tipuri de poluare ...................................................................................... 196

9.1.13.1. Poluarea fotochimică .............................................................................. 196 9.1.13.2. Ploile acide............................................................................................... 199

9.2. POLUAREA APELOR DE CĂTRE TRAFICUL RUTIER ................................... 200 Bibliografie ........................................................................................................................ 202 9.3. EMISIA SONORĂ PRODUSĂ DE AUTOVEHICULE ........................................ 204

9.3.1. Emisiile de zgomot ale motorului ................................................................... 204 9.3.2. Emisiile de zgomot ale sistemelor autovehiculului ...................................... 206

9.3.2.1. Transmisia autovehiculului ...................................................................... 206 9.3.2.2. Sistemul de frânare, direcţie, suspensie ............................................... 206 9.3.2.3. Caroseria .................................................................................................... 207 9.3.2.4. Caracteristicile drumului........................................................................... 207

9.3.3. Interacţiunea om - roată – drum..................................................................... 207 9.3.4. Reglementări privind emisia sonoră la autovehicule .................................. 207

Bibliografie............................................................................................................................209 9.4. COMPATIBILITATEA ELECTROMAGNETICA A AUTOVEHICULELOR ŞI A ECHIPAMENTELOR ELECTRICE/ELECTRONICE DE BORD .............................. 210

9.4.1. Informaţii generale............................................................................................ 210 9.4.1.1. Preambul .................................................................................................... 210 9.4.1.2. Definiţii ........................................................................................................ 210

9.4.2.“CEM” în proiectarea autovehiculelor............................................................. 211 9.4.3.“CEM” teorie generală....................................................................................... 212

9.4.3.1. Interferenţă electromagnetică ................................................................. 212 9.4.3.2. Nivelele de interferenţă – domeniul semnal+perturbaţii – limita nivelului perturbator................................................................................................. 215

În figura 9.4 este prezentată diagrama nivelelor relative “CEM” în dependenţă de frecvenţele câmpului electromagnetic (f). Diagrama defineşte domeniul de zgomot (perturbaţii), domeniul de securitate la perturbaţii şi domeniul de semnal şi zgomot. În diagramă se prezentă şi nivelele de zgomot, nivelul pragului de zgomot precum şi nivelul semnalului util........................................................................................................................... 216

9.4.3.3 Interferenţa “EMI” – metode de cuplare.................................................. 217 În figura 9.6.d2 sistemul perturbator (emiţător) ”I” şi sistemul perturbat (receptor) II nu trebuie privite în mod necesar ca antene de emisie /

Page 560: Curs Motoare

PARTEA III – REDUCEREA POLUARII

560

recepţie. Interferenţa electromagnetică se poate realiza şi direct prin circuitele electrice care nu se prezintă în mod explicit ca antene. Căile de cuplaj deseori sunt determinate de un complex de combinaţii a celor patru (4) moduri de cuplaj prezentate şi este foarte dificil să se stabilească, care dintre acestea pot fi reduse (atenuate) pentru a se atinge performanţele prescrise ale echipamentelor electrice / electronice. ..................................... 222

9.4.3.4. Clasificarea stării de performanţă a funcţionării – niveluri de severitate a încercării ................................................................................................................ 223

9.3.4. Metode pentru reducerea interferenţelor electromagnetice ale autovehiculelor şi a dispozitivelor /echipamentelor lor electrice / electronice.... 225 9.4.5. Standarde „CEM” relevante ............................................................................ 227

Bibliografie ........................................................................................................................ 233 9.5. EFECTELE POLUĂRII............................................................................................ 234

9.5.1. Efectele asupra sănătăţii ................................................................................. 234 9.5.1.1. Efectele pe termen scurt .......................................................................... 234 9.5.1.2. Efectele pe termen lung ........................................................................... 236

9.5.2. Efectele asupra florei, faunei şi solului.......................................................... 240 9.5.2.1. Efectul asupra florei .................................................................................. 240 9.5.2.2. Poluarea în vecinătatea infrastructurii de transport ............................. 242 9.5.2.3. Contaminarea solului datorită infrastructurii de transport ................... 243 9.5.2.4. Contaminarea vegetaţiei datorită traficului rutier ................................. 244 9.5.2.5. Contaminarea faunei datorită traficului rutier........................................ 244 9.5.2.6. Efectele emisiilor transportului rutier asupra clădirilor ........................ 245

Bibliografie ........................................................................................................................ 247 10. LEGISLAŢIA REFERITOARE LA EVALUAREA IMPACTELOR DE MEDIU .................248

10.1. INTRODUCERE..................................................................................................... 248 10.2. OBIECTIVUL H.G. 1076/2004............................................................................. 249 Bibliografie ........................................................................................................................ 249

11. BAZELE TEORETICE ALE EVALUĂRII IMPACTULUI DE MEDIU ...............................250 11.1. PRINCIPIILE EVALUĂRII IMPACTULUI DE MEDIU (EIM)............................ 250

11.1.1. Natura evaluării impactului de mediu .......................................................... 250 11.1.1.1. Evaluarea impactului de mediu(EIM) - proces ................................... 250 11.1.1.2. Prezentarea impactului de mediu – documentaţie ............................ 251 11.1.1.3. Scopurile evaluării impactului asupra mediului .................................. 252

11.1.2. Proiectele de dezvoltare şi impactul de mediu .......................................... 254 11.1.2.1. Natura proiectelor de dezvoltare .......................................................... 254 11.1.2.2. Componentele si dimensiunile mediului .............................................. 257 11.1.2.3. Natura impactelor.................................................................................... 258 11.1.2.4. Cerinţele evaluării impactului de mediu .............................................. 260

11.1.3. Metodologia de realizare evaluării impactului de mediu .......................... 261 11.1.3.1. Elementele cadrului metodologic ......................................................... 262 11.1.3.2.Iniţierea evaluării ...................................................................................... 262

Bibliografie ........................................................................................................................ 263 11.2. IDENTIFICATEA IMPACTURILOR..................................................................... 264

11.2.1. Identificarea sistematică a impacturilor ...................................................... 264 11.2.2. Metodele şi tehnicile de identificare a impacturilor ................................... 265

11.2.2.1. Listele de verificare................................................................................. 265 11.2.2.2.Matricea ..................................................................................................... 266 11.2.2.3. Reţelele de identificare........................................................................... 269 11.2.2.4. Strategia de identificare a impacturilor de mediu .............................. 270

Page 561: Curs Motoare

Reciclarea vehiculelor rutiere

561

Bibliografie ........................................................................................................................ 273 11.3. PARTICIPAREA PUBLICULUI ............................................................................ 274

11.3.1 Scopul şi obiectivele implicării publicului în evaluarea impactului asupra mediului ......................................................................................................................... 274 11.3.2. Comunicarea in procesul de evaluare a impactului.................................. 276

11.3.2.1. Informaţia în procesul de evaluare a impactului de mediu............... 276 11.3.2.2. Mecanismele de transfer ale informaţiei ............................................. 277

Bibliografie ........................................................................................................................ 278 11.4. METODOLOGIA DE PREVIZIUNE PROGNOZĂ ŞI METODELE UTILIZATE............................................................................................................................................ 279

11.4.1. Starea actuală................................................................................................. 279 11.4.2. Eşantionare ..................................................................................................... 280 11.4.3. Metodele de previziune ................................................................................. 281

11.4.3.1. Utilizarea experienţei acumulate prin extrapolare la situaţia curentă.................................................................................................................................... 282 11.4.3.2. Aprecierea experţilor .............................................................................. 282 11.4.3.3.Utilizarea experimentelor de laborator.................................................. 282 11.4.3.4. Utilizarea modelelor teoretice ............................................................... 282 11.4.3.5.Utilizarea modelelor cantitative .............................................................. 282 11.4.3.6.Utilizarea modelelor fizice....................................................................... 283

11.4.4. Efectele cumulate........................................................................................... 283 11.4.4.1 Metodele de evaluare a efectelor cumulate......................................... 284

11.4.5. Monitorizare..................................................................................................... 284 11.4.5.1. Influenţa factorilor instituţionali şi administrativi ................................. 285 11.4.5.2. Influenta factorilor metodologici ............................................................ 285

Bibliografie ........................................................................................................................ 286 11.5. EVALUARE............................................................................................................. 288

11.5.1. Metodele de evaluare monetare .................................................................. 289 11.5.1.1. Valoarea economică............................................................................... 289 11.5.1.2. Metodele de evaluare monetară........................................................... 291

11.5.2. Metode de evaluare nemonetare................................................................. 295 11.5.2.1. Metodele de evaluare tehnico-ştiinţifică .............................................. 295 11.5.2.2. Metodele de evaluare socio-economice.............................................. 297

Bibliografie ........................................................................................................................ 301 12. ELEMENTELE STUDIULUI PRIVIND EVALUAREA IMPACTULUI DATORAT TRAFICULUI RUTIER..........................................................................................................302

12.1. ORGANIZAREA STUDIILOR DE MEDIU LA NIVELUL TRANSPORTULUI RUTIER ............................................................................................................................. 302

12.1.1. Autostrăzi concesionate ................................................................................ 302 12.1.2. Străzi naţionale neconcesionate .................................................................. 302 12.1.3. Elementele studiilor preliminare................................................................... 303

12.1.3.1. Principii ..................................................................................................... 303 12.1.3.2. Sursele de date şi culegerea datelor ................................................... 304 12.1.3.3. Prelucrarea datelor ................................................................................. 304 12.1.3.4. Aria geografică de studiu ....................................................................... 305

12.2 CONŢINUTUL STUDIULUI DE MEDIU ÎN CAZUL INFRASTRUCTURII RUTIERE .......................................................................................................................... 306

12.2.1. Studiul de tip I ................................................................................................. 307 12.2.2. Studiul de tip II ................................................................................................ 307 12.2.3. Studiul de tip III ............................................................................................... 307

Page 562: Curs Motoare

PARTEA III – REDUCEREA POLUARII

562

12.2.4. Studiul de tip IV............................................................................................... 307 12.3. CAZURI SPECIFICE............................................................................................. 308

12.3.1. Configuraţia de excepţie a reţelei rutiere urbane ...................................... 308 12.3.2. Cazul unor lucrări de anvergură .................................................................. 308 12.3.3. Cazul amenajărilor la străzi existente ......................................................... 308 12.3.4. Cazul existenţei culturilor agricole alimentare lângă infrastructura rutieră........................................................................................................................................ 308

12.4. MODELAREA EMISIILOR POLUANTE............................................................. 309 12.4.1. Modelarea traficului rutier ............................................................................. 309

12.4.1.1. În mediul urban........................................................................................ 309 12.4.1.2. În mediul interurban ................................................................................ 309

12.4.2. Limitele şi adaptarea modelelor de trafic.................................................... 310 12.4.2.1. Tipurile de autovehicule aflate în trafic ................................................ 310 12.4.2.2. Orizontul studiului ................................................................................... 311 12.4.2.3. Influenţa emisiilor datorate traficului rutier .......................................... 311 12.4.2.4. Compoziţia parcului de autovehicule ................................................... 312

12.4.3. Emisiile poluante datorate traficului rutier .................................................. 312 12.4.4. Modelarea concentraţiilor poluanţilor .......................................................... 314

12.4.4.1. Principiile de modelare........................................................................... 314 12.4.4.2. Condiţiile meteorologice......................................................................... 314 12.4.4.3. Descrierea fizică a zonei de studiu ...................................................... 316 12.4.4.4. Descrierea surselor de poluare............................................................. 316 12.4.4.5. Date necesare pentru modelare ........................................................... 317 12.4.4.6. Poluanţii .................................................................................................... 317

12.4.5. Modele utilizate............................................................................................... 318 12.4.5.1. Modelele matematice ............................................................................. 318 12.4.5.2. Modelele deterministe ............................................................................ 319 12.4.5.3. Modelele previzionale ............................................................................ 319

12.4.6. Descrierea modelelor deterministe.............................................................. 320 12.4.6.1. Modelul eulerian ...................................................................................... 320 12.4.6.2. Modelul lagrangian ................................................................................. 321 12.4.6.3. Modelul gaussian .................................................................................... 321 12.4.6.4. Modelul numeric 3D................................................................................ 322

12.5. CUPRINSUL STUDIULUI DE IMPACT.............................................................. 323 12.5.1. Descrierea principalelor capitole ale studiului de impact ......................... 323

12.5.1.1. Rezumat nontehnic al studiului de impact .......................................... 323 12.5.1.2. Aprecieri ale impactului asupra mediului............................................. 323 12.5.1.3. Autorii studiului ........................................................................................ 324 12.5.1.4. Studiul vast al variantelor ...................................................................... 324 12.5.1.5. Definirea soluţiei propuse ...................................................................... 324 12.5.1.6. Prezentarea proiectului supus anchetei cu efectele asupra mediului şi măsurile de inserţie ............................................................................................. 325 12.5.1.7. Costul măsurilor de inserţie................................................................... 325 12.5.1.8. Analiza metodelor de evaluare utilizate .............................................. 325 12.5.1.9. Efectele asupra sănătăţii ....................................................................... 325

Bibliografie ........................................................................................................................ 325 13. PROCEDURA DE REALIZARE A UNUI STUDIU DE IMPACT AL ZGOMOTULUI ASUPRA MEDIULUI ÎNCONJURĂTOR...............................................................................326

13.1. BAZA LEGALĂ PENTRU ZGOMOT................................................................... 326 13.2. SCOPUL STUDIULUI ........................................................................................... 326

Page 563: Curs Motoare

Reciclarea vehiculelor rutiere

563

13.3. VALORILE LIMITĂ DE EXPUNERE LA ZGOMOT .......................................... 326 13.4. NIVELUL DE EVALUARE LBR B ............................................................................... 326 13.5. ETAPELE ÎNTOCMIRII STUDIULUI DE IMPACT AL ZGOMOTULUI ASUPRA MEDIULUI AMBIANT 327

13.5.1. Ancheta preliminară ....................................................................................... 327 13.5.2. Ancheta principală.......................................................................................... 328 13.5.3. Starea de referinţă ......................................................................................... 329 13.5.4. Determinarea stării viitoare fără instalaţie .................................................. 330 13.5.5. Starea viitoare cu instalaţie........................................................................... 330

Bibliografie ........................................................................................................................ 332 PARTEA A-III-A - REDUCEREA POLUĂRII ........................................................................334 14. MIJLOACE ACTIVE DE REDUCERE A EMISIILOR POLUANTE LA MAI ....................335

14.1. MIJLOACE DE REDUCERE ACTIVĂ A EMISIILOR POLUANTE LA MAS. 335 14.1.1 Schimbul de gaze ............................................................................................ 335 14.1.2. Utilizarea amestecurilor omogene ............................................................... 337

14.1.2.1. Injecţia de benzină .................................................................................. 337 14.1.2.2. Camera de ardere................................................................................... 338

14.1.3. Utilizarea amestecurilor stratificate ............................................................. 339 14.1.3.1. Camera de ardere divizată .................................................................... 339 14.1.3.2. Injecţia directă de benzină..................................................................... 340

14.1.4. Instalaţia de aprindere ................................................................................... 349 14.1.4.1. Sistemul PJC – aprinderea cu jet de flacără ...................................... 349 1.1.4.2. Sistemul APIR............................................................................................ 353 14.1.4.3. Aprinderea cu jet de plasmă ................................................................. 357

14.2. MIJLOACE DE REDUCERE ACTIVĂ A EMISIILOR POLUANTE LA MAC 358 14.2.1. Procesele de formare a amestecului aer combustibil şi arderea............ 359

14.2.1.1. Procesul de schimb al gazelor .............................................................. 359 14.2.1.2. Camera de ardere................................................................................... 362 14.2.1.3. Injecţia combustibilului ........................................................................... 363

1.2.2. Supraalimentarea MAC ................................................................................... 373 14.2.3. Răcirea intermediară ..................................................................................... 374 14.2.4. Recircularea gazelor arse ............................................................................. 375

Bibliografie ........................................................................................................................ 376 15. EMISIILE DATORATE CALITĂŢII COMBUSTIBILILOR ................................................383

15.1. BENZINA................................................................................................................. 383 15.2. MOTORINA ............................................................................................................ 384 Bibliografie ........................................................................................................................ 388

16. POLUAREA SONORĂ. ..................................................................................................389 16.1. GLOSAR ................................................................................................................. 389 16.2. ZGOMOTUL AMBIENTAL DIN MEDIUL ÎNCONJURĂTOR .......................... 389

16.2.1. Generalităţi ...................................................................................................... 389 16.3. SURSE DE POLUARE SONORĂ URBANĂ, INDUSTRIALĂ ŞI ÎN CONSTRUCŢII................................................................................................................. 395

16.3.1. Aspecte calitative şi cantitative cu privire la zgomot................................. 395 16.3.2. Zgomote şi vibraţii în aglomerările urbane ................................................. 396

16.3.2.1. Autovehicule ............................................................................................ 398 16.3.2.2. Construcţii ................................................................................................ 399

16.4. CALCULUL, MODELAREA ŞI MĂSURAREA ZGOMOTULUI AMBIENTAL400 16.4.1. Descrierea zgomotului în mediul înconjurător ........................................... 400

Page 564: Curs Motoare

PARTEA III – REDUCEREA POLUARII

564

16.4.2. Cartografierea acustică ................................................................................. 401 16.4.2.1. Echipamente de măsurare a zgomotelor şi a vibraţiilor.................... 403

16.5. METODE DE COMBATERE A ZGOMOTULUI ................................................ 407 16.6. OBIECTIVE ŞI MĂSURI CU PRIVIRE LA ZGOMOT ...................................... 409 16.7. LIMITE ADMISIBILE ALE NIVELULUI DE ZGOMOT...................................... 410 16.8. MIJLOACE DE REDUCERE A EMISIILOR SONORE LA AUTOVEHICULE............................................................................................................................................ 411

16.8.1. Mijloace active de reducere a emisiei sonore la motor ............................ 411 16.8.2. Mijloace active de reducere a emisiei sonore la sistemele autovehiculului........................................................................................................................................ 416

Bibliografie ........................................................................................................................ 417 17. MIJLOACE PASIVE DE REDUCERE A EMISIILOR POLUANTE LA MAI ....................418

17.1. PROPRIETĂŢILE FIZICO – CHIMICE ALE GAZELOR LA IEŞIREA DIN MOTOARELE CU ARDERE INTERNĂ ....................................................................... 418 17.2. DISPOZITIVE DE TRATARE A GAZELOR DE EVACUARE......................... 419

17.2.1. Reactorul termic ............................................................................................. 419 17.2.1.1. Dispozitive pentru injecţia aerului secundar ....................................... 421

17.2.2. Convertorul catalitic ....................................................................................... 421 17.2.2.1. Bazele teoretice ale proceselor de conversie catalitică .................... 421 17.2.2.2. Convertorul catalitic dual ....................................................................... 425 17.2.2.3. Convertorul catalitic cu trei căi .............................................................. 425 17.2.2.4. Temperatura de intrare în activitate a materialului catalitic.............. 436

17.2.3. Catalizatori pentru tratarea gazelor net oxidante ...................................... 440 17.2.3.1. Reducerea selectivă non-catalitică ...................................................... 440 17.2.3.2. Reducerea catalitică non-selectivă ...................................................... 441 17.2.3.3. Reducerea catalitică selectivă .............................................................. 442

17.2.4. "Contaminarea" catalizatorului ..................................................................... 445 17.2.4.1. Contaminarea catalizatorului cu Pb ..................................................... 445 17.2.4.2. Contaminarea cu fosfor.......................................................................... 448 17.2.4.3. Contaminarea cu sulf ............................................................................. 448

17.2.5. Filtrul de particule ........................................................................................... 448 17.2.5.1. Mecanismele filtrării ................................................................................ 449 17.2.5.2. Filtrul cu reţinere mecanică ................................................................... 450 17.2.5.3. Filtrul de particule electrostatic ............................................................. 453

17.2.6. Regenerarea filtrelor ...................................................................................... 453 17.2.6.1. Regenerarea termică.............................................................................. 454 17.2.6.2. Regenerarea cu arzător cu flacără....................................................... 460 17.2.6.3. Regenerarea catalitică ........................................................................... 462 17.2.6.4. Regenerarea aerodinamică................................................................... 465

Bibliografie ........................................................................................................................ 466 18. MIJLOACE PASIVE PENTRU REDUCEREA ZGOMOTULUI LA AUTOVEHICULE.....469

18.1. MIJLOACE PASIVE DE REDUCERE A EMISIEI SONORE LA MOTOR .... 469 18.2. MIJLOACE PASIVE DE REDUCERE A EMISIEI SONORE LA SISTEMELE AUTOVEHICULULUI ...................................................................................................... 470 Bibligrafie .......................................................................................................................... 470

19. TEHNICI DE REDUCERE A POLUĂRII SONORE DATORATE TRAFICULUI RUTIER.............................................................................................................................................471

19.1. CONTROLUL AUTOVEHICULELOR................................................................. 471 19.2. CONTROLUL UTILIZĂRII TERENURILOR ...................................................... 472 19.3. PLANIFICAREA ŞI PROIECTAREA STRĂZILOR ŞI AUTOSTRĂZILOR ... 472

Page 565: Curs Motoare

Reciclarea vehiculelor rutiere

565

19.3.1. Reducerea zgomotului pe străzile existente .............................................. 472 19.3.2. Reducerea zgomotelor pe străzile noi ........................................................ 475

Bibliografie ........................................................................................................................ 476 20. UTILIZAREA UNOR SISTEME MOTOPROPULSOARE ALTERNATIVE .....................477

20.1. INTRODUCERE..................................................................................................... 477 20.2. METODE UTILIZATE PENTRU A ECONOMISI COMBUSTIBIL .................. 478 20.3. ENERGIA VEHICULULUI – IDEI DE BAZĂ ...................................................... 479

20.3.1. Analiza pierderilor energetice şi analiza performanţelor .......................... 479 20.4. SISTEME DE PROPULSIE BAZATE PE MOTOARE CU ARDERE INTERNĂ............................................................................................................................................ 481

20.4.1. Introducere ...................................................................................................... 481 20.4.2. Variabilele generalizate ale motorului ......................................................... 482

20.5. MODELE DE SISTEME DE PROPULSIE ELECTRICA SI HIDRID-ELECTRICA ..................................................................................................................... 483

20.5.1. Sisteme de propulsie electrică ..................................................................... 483 20.5.2. Sisteme de propulsie hibrid electrice .......................................................... 484

20.5.2.1 Configuraţia sistemului ............................................................................ 485 20.5.2.2 Fluxul de putere........................................................................................ 489 20.5.2.3 Concepte realizate ................................................................................... 494

20.5.3 Bateriile ............................................................................................................. 495 20.5.4 Supercondensatori .......................................................................................... 499

20.6. MODELELE SISTEMELOR DE PROPULSIE HIBRID- INERTIAL ŞI HIBRID HIDRAULIC ...................................................................................................................... 500

20.6.1. Sisteme de stocare a energiei pe termen scurt......................................... 500 20.7. MODELE PENTRU SISTEMELE DE PROPULSIE CU PILE DE COMBUSTIE............................................................................................................................................ 504

20.7.1 Vehicule electrice cu pile de combustie şi vehicule hibride cu pile de combustie...................................................................................................................... 504 20.7.2. Concepte realizate ......................................................................................... 507

Bibliografie ........................................................................................................................ 508 21. AUTOVEHICULUL ELECTRIC ......................................................................................509

21.1. CARACTERISTICILE BATERIEI DE STOCARE A ENERGIEI ELECTRICE............................................................................................................................................ 509 21.2. TIPURI DE BATERII ............................................................................................. 510

21.2.1. Bateria Pb - acid ............................................................................................. 510 21.2.2. Bateria nichel-cadmiu .................................................................................... 511 21.2.3. Bateria sodiu - sulf ......................................................................................... 513 21.2.4. Bateria sodiu - clorură de nichel (Na-NiClB2 B) ............................................... 514 21.2.5. Bateria zinc - brom (Zn-Br) ........................................................................... 515 21.2.6. Bateria nichel-hidruri metalice ...................................................................... 515 21.2.7. Bateria litiu – ion (Li-ion) ............................................................................... 520 21.2.8. Bateria Zn - aer............................................................................................... 523 21.2.9. Bateria litiu - polimer ...................................................................................... 525

21.3. ALEGEREA CARACTERISTICILOR BATERIEI DE TRACŢIUNE................ 527 21.4. MOTORUL ELECTRIC DE TRACŢIUNE .......................................................... 528 21.5. INFRASTRUCTURA NECESARĂ ÎNCĂRCĂRII BATERIILOR AUTOVEHICULELOR ELECTRICE ............................................................................. 529 Bibliografie ........................................................................................................................ 531

22. RECICLAREA VEHICULELOR RUTIERE .....................................................................533 22.1. INTRODUCERE..................................................................................................... 533

Page 566: Curs Motoare

PARTEA III – REDUCEREA POLUARII

566

22.2. RECICLABILITATEA PRODUSELOR INDUSTRIALE .................................... 534 22.3 CICLUL DE VIAŢĂ AL PRODUSELOR ŞI NIVELURILE ACESTUIA ............ 535 22.4. STRATEGII ALE ŢĂRILOR DIN UE ÎN DOMENIUL VSU .............................. 536

22.4.1 Activităţi impuse de sfârşitul ciclului de viaţă .............................................. 536 22.4.2 Legislaţia europeană privind VSU ................................................................ 537 22.4.3. Situaţia valorificării VSU în România .......................................................... 538 22.4.4. Strategii şi procese ale reciclării automobilelor scoase din uz................ 539

22.4.4.1 Refolosirea ................................................................................................ 540 22.4.4.2 Recondiţionarea (refabricarea) .............................................................. 541 22.4.4.3 Reciclarea materialelor ........................................................................... 542 22.4.4.4 Consum de energie şi recuperare ......................................................... 543

22.5 ACTIVITĂŢILE DE TRATARE ŞI VALORIFICARE A VSU.............................. 544 22.5.1. Succesiunea şi interdependenţa activităţilor în domeniul VSU .............. 544

Activităţi de valorificare ................................................................................................... 544 22.5.2 Etapele generale ale demontării şi valorificării VSU .................................. 545 22.5.3 Date asupra valorificării materialelor şi substanţelor din VSU ................. 547

22.6. STUDIU DE CAZ. RECICLAREA AUTOVEHICULELOR SCOASE DIN UZ CA STRATEGIE POSIBILĂ A RESTRUCTURĂRII INDUSTRIEI AUTO DIN ROMÂNIA ......................................................................................................................... 549

22.6.1. Argumentare ................................................................................................... 549 22.6.2 Concepţia unui proiect pregătitor pentru activitatea de investiţii ............. 550 22.6.3 Proiect de investiţi pentru valorificarea proiectului pregătitor................... 552

Bibliografie ........................................................................................................................ 555