Formarea emisiilor poluante la motoarele cu ardere internă

Cursul 3

Formarea oxizilor de azot

Formarea oxidului de azot (NO)

La motoarele cu ardere internă sursa principală a azotului care va participa la reacţiile de formare ale oxidului de azot o constituie azotul molecular existent în aerul care este admis în motor. Benzina şi motorina conţin mici cantităţi de azot care vor contribui la formarea oxidului de azot. Mecanismul de formare a oxidului de azot din azotul atmosferic este descris prin următoarele reacţii care au loc în zonele cu amestec aproximativ stoichiometric:

NNOON2

ONOON 2 HNOOHN

A treia ecuaţie se desfăşoară în amestecuri bogate. Reacţiile de formare a NO au loc în frontul flăcării şi în gazele care părăsesc flacăra.

În cazul motoarelor cu ardere internă arderea are loc la presiuni ridicate astfel că frontul de flacără are grosime mică, de asemenea pe durata arderii presiunea din camera de ardere creşte ceea ce determină creşterea temperaturii gazelor arse. În acest fel se explică faptul că NO se formează în cantităţi reduse în frontul de flacără iar cantitatea principală se formează în gazele care părăsesc flacăra. Se poate spune că procesul de ardere şi procesul de formare a NO sunt independente. Exceptând cazurile de înaltă diluţie formarea NO în flacără se poate ignora în favoarea formării în gazele arse.

Formarea oxidului de azot la diferite temperaturi, în funcţie de timp

X - concentraţia instantanee de NOXe - concentraţia NO la echilibru

Reacţiile de formare a NO sunt mai slabe decât reacţiile de ardere aceasta putând fi explicată prin valorile de neechilibru măsurate în gazele de evacuare, fiind totodată puternic dependente de concentraţia de oxigen.

Cantităţile de NO formate vor fi cu atât mai mari cu cât concentraţia de oxigen şi nivelul de temperatură sunt mai ridicate.

Formarea dioxidului de azot (NO2)

În condiţiile de echilibru chimic, în gazele arse concentraţia de NO2 este neglijabilă în comparaţie cu NO, acesta este cazul motorului cu aprindere prin scânteie. În motorul Diesel aproape 30% din NOx este reprezentat de NO2, iar explicaţia ar fi că NO format în frontul de flacără este convertit în NO2.

OHNOHONO 2

22 ONOONO

NO2 este reconvertit în NO după următoarea reacţie:

În cazul motorului cu aprindere prin scânteie utilizarea acestuia prelungit la mersul în gol poate determina creşterea emisiilor de NO2.

Funcţionarea motorului Diesel la sarcini reduse poate mări concentraţia de NO2 deoarece există numeroase zone reci care pot inhiba reconversia NO2 în NO.

Dioxidul de azot se poate forma în evacuare la turaţii scăzute ale motorului când gazele arse rămân un timp mai lung în prezenţa oxigenului.

Formarea protoxidului de azot (N2O)

Protoxidul (N2O) se formează din substanţe intermediare care reacţionează cu oxidul de azot.

HONNONH 2

COONNONCO 2

NONHHON2

OHNHON 22

Mecanismul de formare este limitat la reacţia de oxidare.Hidrogenul atomic determină distrugerea protoxidului de azot

format:

În motorul cu aprindere prin scânteie ca şi în motorul Diesel emisiile de N2O ating o magnitudine de 3 până la 8 ppm.

Particularităţi ale genezei NOx la motorul cu aprindere prin scânteie

• La motorul cu aprindere prin scânteie amestecul aer combustibil se caracterizează prin omogenitate deoarece procesul se desfăşoară pe parcursul cursei de admisie şi comprimare. Cantităţile de NO pot creşte peste valorile de echilibru când temperatura scade în timpul destinderii.• Vârful concentraţiei de NO, care apare în destindere, este influenţat de condiţiile de funcţionare ale motorului şi, de asemenea, de momentul iniţierii aprinderii amestecului. Arderea amestecurilor bogate determină formarea de NO pe tot parcursul arderii.• Emisiile de NOx sunt mult mai sensibile la condiţiile de funcţionare ale motorului, când se utilizează amestecuri bogate, faţă de cazul utilizării amestecurilor sărace.• Concentraţia emisiilor de NOx depinde în mare măsură de fracţiunea de amestec care arde prima. Dacă amestecul aer-combustibil nu este supus unor puternice mişcări organizate şi neorganizate, cele mai importante concentraţii de NOx sunt create în jurul bujiei. • Factorii care influenţează decisiv emisiile de NOx sunt: raportul aer-combustibil; fracţiunea de gaze arse care se găseşte în amestecul nears din camera de ardere; avansul la aprindere.• În comparaţie cu aceşti factori, proprietăţile combustibilului influenţează nesemnificativ emisiile de NOx.

Influenţa recirculării de gaze arse asupra emisiei de NO, la un MAS

funcţionând la 1600 rot/min

(A / F – raportul aer / combustibil).

Influenţa avansului la declanşarea scânteii electrice asupra emisiei de NO, la un MAS funcţionând la 1600 rot/min

Particularităţi ale genezei NOx la motorul cu aprindere prin comprimare

• Formarea NOx este influenţată de particularităţile de formare a amestecului aer-combustibil şi arderea în motorul cu aprindere prin comprimare. • Pe parcursul fazei de ardere rapidă care urmează imediat după întârzierea la autoaprindere arderea amestecului este necontrolată, dozajul amestecului situându-se în jurul dozajului stoichiometric. Pe parcursul fazei de ardere difuzive, amestecul are dozajul apropiat de cel stoichiometric.• Asemănător motorului cu aprindere prin scânteie, maximul de temperatură influenţează formarea NO. Fracţiunea de combustibil care arde mai devreme în procesul de ardere faţă de p.m.s. este determinant deoarece gazele sunt comprimate şi temperatura are tendinţa de creştere ceea ce accentuează procesul de formare a NO. În cursa de destindere formarea NO este oprită deoarece gazele fierbinţi se amestecă cu aer sau gaze arse ˝reci˝. În motorul cu aprindere prin comprimare datorită acestui proces de răcire a amestecului de gaze în cursa de destindere, NO are tendinţă mai scăzută de descompunere comparativ cu motorul cu aprindere prin scânteie.• Perioada critică de formare a NO este între începutul arderii şi un punct plasat cu puţin după înregistrarea valorii maxime a presiunii din cilindru. • Experimental s-a determinat faptul că întreaga cantitate de NO de formează pe 20 RAC din momentul iniţierii arderii. Când avansul la injecţie este micşorat arderea începe mai târziu la fel şi procesul de formare a NO, însă rata de formare este diminuată datorită nivelului maxim de temperatură mai redus.

• Concentraţia de NO creşte cu mărirea dozajului. Dozajul creşte cu mărirea cantităţii de combustibil injectat iar emisia de NO este proporţională cu cantitatea de combustibil injectată. La sarcină plină nivelul presiunii din cilindrul este maxim, deci şi nivelul NO va fi mai mare.

Influenţa dozajului asupra emisiei de oxizi de azot la un motor Diesel.

• Din cantitatea de NOx evacuată de un motor cu aprindere prin comprimare NO2 reprezintă 10…20% din cantitatea de NOx.• Emisiile de NO pot fi diminuate prin diluarea amestecului cu gaze recirculate pentru reducerea temperaturii gazelor arse. Compoziţia gazelor de evacuare ale motorului cu aprindere prin comprimare depinde de sarcina motorului. La sarcini mici compoziţia gazelor de evacuare nu diferă cu mult de compoziţia aerului atmosferic cu mici concentraţii de CO2 şi H2O, căldura specifică a acestor gaze este scăzută. La sarcini mari căldura specifică creşte ca de altfel şi concentraţiile de CO2 şi H2O.

Formarea oxidului de carbon

Emisiile de oxid de carbon sunt influenţate în primul rând de raportul aer-combustibil. Formarea de monoxid de carbon este un proces intermediar în oxidarea hidrocarburilor având ca produs final dioxidul de carbon.

CORCORCHORORRH 2

HCOOHCO 2

222 COHOHCO

22

2

HCO

OHCOk

şi

Rata de oxidare a combustibilului depinde de concentraţia oxigenului disponibil, temperatura gazelor şi de timpul de desfăşurare a reacţiilor. Lipsa oxigenului necesar arderii generează arderea incompletă cu formarea de monoxid de carbon. Concentraţia de CO în gaze poate fi dată de echilibrul următoarei ecuaţii:

Stoparea acestei reacţii pentru aceste temperaturi are loc pentru constanta de echilibru de relaţia:

pentru temperaturi de aproximativ 1600…1700 K.

care are valori în jur de 3,5 → 3,8.

La amestecuri bogate concentraţia de CO este foarte apropiată de concentraţia de echilibru în gazele arse în curba de destindere. În cazul amestecurilor sărace emisiile de CO sunt mai mari decât cele calculate şi acesta se datorează hidrocarburilor oxidate incomplet desprinse de pe pereţii camerei de ardere, spaţii înguste, filmul de ulei în timpul cursei de destindere.

Particularităţi ale genezei CO la motorul cu ardere internă

• Motoarele cu aprindere prin scânteie funcţionează la pornire şi la sarcini mari cu amestecuri bogate. În aceste cazuri emisiile de CO sunt importante. Nivelul de CO din gazele de evacuare este întotdeauna mai scăzut decât în camera de ardere.

• Formarea oxidului de carbon poate fi redusă prin utilizarea unor amestecuri având un nivel de temperatură care generează disocierea dioxidului de carbon.

• Cantităţile de monoxid de carbon formate în regimurile de accelerare / decelerare pot fi reduse prin controlul cantităţii de combustibil introdus în cilindri.

• Motorul cu aprindere prin comprimare funcţionează cu amestecuri sărace de aceea emisiile de CO sunt cu mult mai reduse decât la MAS.

• Particularităţile de formare ale amestecului şi arderii la MAC care se caracterizează prin neomogenitate ridicată, lipsa locală a oxigenului, fluctuaţii ale temperaturii în camera de ardere şi timp insuficient pentru desăvârşirea reacţiilor de ardere pot cauza creşteri ale emisiilor de CO (la sarcini mici şi la sarcină plină şi turaţii ridicate).

M.A.S.

M.A.C.

Formarea hidrocarburilor nearse

Emisiile de hidrocarburi sau de substanţe organice sunt rezultatul arderii incomplete ale combustibilului. Gazele de evacuare conţin o multitudine de hidrocarburi.

Compoziţia hidrocarburilor emise de M.A.S.

O parte din hidrocarburi sunt inerte din punct de vedere fiziologic şi nereactive în smogul fotochimic. O altă parte sunt cunoscute drept substanţe cancerigene sau sunt puternic reactive la formarea smogului fotochimic. Având în vedere reactivitatea hidrocarburilor la formarea smogului fotochimic, compuşii hidrocarbonaţi sunt divizaţi în două categorii nereactivi şi reactivi.

Reactivitatea hidrocarburilor

Compoziţia combustibilului influenţează compoziţia şi nivelul emisiilor organice. Combustibilii care conţin o proporţie ridicată de substanţe aromatice şi olefinice produc o concentraţie semnificativă de hidrocarburi reactive. De cele mai multe ori compuşii organici găsiţi în gazele de evacuare nu sunt prezenţi în compoziţia combustibilului, indicând faptul că, pe timpul arderii, au loc reacţii de piroliză şi sinteză.

Compuşii oxigenaţi sunt prezenţi în gazele de evacuare şi sunt bine cunoscuţi ca fiind participanţi la smogul fotochimic, o parte din aceşti compuşi sunt iritanţi şi mirositori. Aldehidele volatile sunt iritante pentru ochi şi aparatul respirator.

Formaldehida este un important component, aproximativ 20% din totalul carbonililor.

Carbonilii reprezintă în jur de 10% din totalul emisiilor la M.A.C. pentru autoturisme.

Fenolii sunt rău mirositori şi iritanţi, însă nivelul lor este mai scăzut decât nivelul emisiilor de aldehide.

Mecanismul stingerii flăcării:

Pereţii camerei de ardere, ca şi pereţii cilindrului, sunt scăldaţi în general de lichidul de răcire şi ei absorb căldura de la amestecul gazos, ceea ce determină recombinarea radicalilor liberi generaţi în flacără. Stingerea flăcării are loc într-o multitudine de configuraţii geometrice: flacăra se poate propaga normal, paralel sau sub un anumit unghi la peretele camerei de ardere, flacăra se poate stinge la intrarea în interstiţiile înguste cum ar fi zona dintre capul pistonului şi oglinda cilindrului.

La stingerea flăcării rămâne nears sau parţial ars un strat subţire de combustibil pe suprafeţele chiulasei, pistonului, cilindrului, supape şi spaţiile înguste cum ar fi spre exemplul canalul primului segment.

Grosimea stratului de combustibil nears sau parţial ars este influenţată de o serie de factori cum ar fi: presiunea şi temperatura amestecului, densitatea acestuia, viteza de propagare a frontului de flacără, conductivitatea termică, prezenţa depozitelor, forma suprafeţelor şi temperatura pereţilor.

Pentru stingerea flăcării la perete există mai multe posibilităţi geometrice. Cel mai simplu model este atunci când frontul de flacără este paralel la perete. În condiţiile existenţei unui singur perete, distanţa de stingere a flăcării se defineşte ca fiind distanţa minimă până la care au loc reacţiile de ardere.

Pentru un motor cu aprindere prin scânteie distanţa de stingere a flăcării între două suprafeţe plate este cuprinsă între 0,2…1 mm, aceasta reprezintă distanţa minimă în care flacăra se poate propaga. Distanţa minimă de stingere a flăcării le perete este cuprinsă între 0,04…0,2 mm.

Stingerea flăcării este un proces care se desfăşoară în două stadii. În primul stadiu, flacăra este stinsă la mică distanţă de perete, peretele fiind rece prin preluare de căldură prin conducţie de la zona caldă de reacţie. Al doilea stadiu îl reprezintă difuzia gazelor după stingerea flăcării şi oxidarea acestora. Mai mult, hidrocarburile care nu au fost oxidate în procesul primar de ardere vor fi oxidate pe durata cursei de destindere şi de evacuare. Aceste procese diminuează nivelul hidrocarburilor emise şi datorate efectului de stingere al flăcării.

O altă sursă de emisii de hidrocarburi o constituie filmul de ulei. Acesta absoarbe o anumită cantitate de combustibil înainte de ardere, iar acest combustibil va fi eliberat în gazele arse în timpul cursei de evacuare. În consecinţă filmul de ulei depus pe pereţii spaţiului de lucru al fluidului motor poate constitui o importantă sursă de emisii de hidrocarburi.

Mecanismul chimic de formare al hidrocarburilor nearse:

Arderea hidrocarburilor în motorul cu ardere internă având ca rezultat final dioxidul de carbon implică o serie de trepte elementare de oxidare care generează produse intermediare de oxidare. Radicalii alchil (R●) sunt factori importanţi în propagarea lanţului de radicali liberi şi sunt formaţi prin ruperea legăturilor de tipul C-C şi C-H a hidrocarburilor. Oxigenul acţionează ca un radical dublu pentru a forma radicalul hidroperoxid (HO2

●). 2HOROOHRRadicalii alchil (R) reacţionează uşor cu oxigenul formând radical alchil

peroxid. 22 ROOR

Acestea sunt treptele iniţiale pentru a forma legături între oxigen şi hidrocarburi. Următoarele trepte implică un număr de reacţii ale radicalilor liberi combinate cu reacţii de dehidrogenare şi izomerizare, ca în sfârşit să se producă diferite forme de compuşi organici oxigenaţi.

Particularităţi ale genezei emisiilor de hidrocarburi la M.A.S.

Emisiile de hidrocarburi la motoarele cu aprindere prin scânteie se situează între 1000…3000 ppm ceea ce reprezintă între 1…2,5 % din combustibilul introdus în cilindrii motorului. Nivelul emisiilor de hidrocarburi creşte rapid pe măsură ce amestecul se îmbogăţeşte faţă de amestecul stoichiometric. Calitatea arderii se deteriorează în cazul amestecurilor sărace şi emisiile de hidrocarburi cresc datorită arderii sau lipsei arderii unei fracţiuni din combustibilul introdus în ciclul motor.

Mecanismele formării emisiilor de hidrocarburi la motorul cu aprindere prin scânteie pot fi grupate în patru categorii:1 - Stingerea flăcării la pereţii camerei de ardere;2 - Umplerea spaţiilor înguste cu amestec nears şi stingerea flăcării la intrarea în aceste spaţii;3 - Absorbţia vaporilor de combustibil de către pelicula de ulei de pe oglinda cilindrului pe timpul cursei de admisie şi compresie şi eliberarea acestor vapori pe durata curselor de destindere şi evacuare; 4 - Arderea incompletă a unei fracţiuni din combustibilul pe ciclu când arderea este deteriorată de: dozaj, avans la aprindere, debit neadecvat de gaze arse recirculate. Acest proces fiind predominant la regimurile tranzitorii de funcţionare.

Hidrocarburile nearse prezintă două vârfuri ale concentraţiei, primul corespunde evacuării libere când se evacuează masa principală a gazelor din cilindrul motorului, iar cel de al doilea vârf corespunde sfârşitului procesului de evacuare când debitul de gaze arse este scăzut, însă concentraţia de HC este foarte ridicată datorită eliberării vaporilor de combustibil absorbiţi de pelicula de ulei.

Mecanismul stingerii flăcării la pereţi:

Existenţa unui strat rece de amestec în camera de ardere a motorului cu aprindere prin scânteie a fost pusă în evidenţă prin fotografierea arderii. Imaginile fotografice ale flăcării în regiunea imediată a pereţilor arată existenţa unui strat neradiant de căldură. Grosimea acestui strat este în jur de 0,05 la 0,4 mm. Prezenţa aldehidelor de tipul CH2O şi CH3CHO indică desfăşurarea unor procese de oxidare la temperaturi reduse. Concentraţia de hidrocarburi scade rapid în 2 milisecunde după ajungerea flăcării deoarece hidrocarburile nearse difuzează în masa de gaze arse din camera de ardere unde sunt oxidate. Creşterea concentraţiei de hidrocarburi mai târziu în ciclu arată că acestea au o altă origine decât stratul rece.

Starea de rugozitate a suprafeţelor camerei de ardere influenţează nivelul concentraţiei hidrocarburilor nearse. Cercetări experimentale au arătat că reducerea rugozităţii cu 32% au contribuit la reducerea nivelului de hidrocarburi nearse cu 14%. Depozitele de pe pereţii camerei de ardere prezintă o influenţă asupra HC asemănătoare rugozităţii pereţilor.

Umplerea spaţiilor înguste cu amestec nears şi stingerea flăcării la intrarea în aceste spaţii:

O sursă importantă de emisii a hidrocarburilor nearse o constituie interstiţiile cu intrare îngustă, la intrarea cărora flacăra se stinge. Spaţiul care prezintă un volum important este delimitat de capul pistonului, segmentul de foc şi oglinda cilindrului. Alte spaţii înguste sunt: în jurul electrodului central al bujiei, spaţiul creat în jurul supapelor de admisie şi evacuare, spaţiul creat de garnitura de chiulasă.

Mecanismul de geneză este următorul: în timpul cursei de comprimare amestecul aer-combustibil este forţat să ocupe volumul acestor interstiţii. Interstiţiile au un raport ridicat suprafată/volum ceea ce determină răcirea amestecului prin transfer de căldură la pereţi. În timpul arderii presiunea din camera de ardere continuă să crească şi în volumul interstiţiilor continuă să intre hidrocarburi nearse. Amestecul reţinut în aceste interstiţii poate arde în întregime sau parţial prin pătrunderea flăcării în volum dacă intrarea este suficient de largă sau flacăra se poate stinge la intrarea în aceste interstiţii. După sosirea şi stingerea flăcării o anumită cantitate de gaze arse poate pătrunde în aceste interstiţii până în momentul în care presiunea din cilindru începe să scadă. La scăderea presiunii din camera de ardere, o parte din amestecul de gaze prezente în aceste interstiţii se întorc în camera de ardere.

Dintre toate interstiţiile existente în camera de ardere, ponderea cea mai importantă o prezintă spaţiul creat între capul pistonului, zona portsegmenţi şi cilindru. Acest interstiţiu este constituit dintr-o serie de volume conectate prin restricţii ale debitului transversal datorate de spaţiile dintre segmenţi şi canalele din piston precum şi de mişcarea axială a segmenţilor prin aşezarea acestora pe suprafeţele inferioară şi superioară ale canalelor, care modifică geometria acestui spaţiu.

Cercetări experimentale au arătat că o fracţiune de 5 până la 10% din încărcătura din cilindru care este prinsă în interstiţiul creat de piston şi cilindru este exceptată proceselor de ardere primară. Pe parcursul cursei de destindere mai mult de 50% din acest amestec se reîntoarce în cilindrul motorului neschimbat, deci amestec nears.

Se apreciază pe baza studiilor că aranjamentul segmenţilor pe piston poate contribui cu aproximativ 80% din totalul emisiilor de hidrocarburi, interstiţiul creat de garnitura de chiulasă cu 13% şi bujia cu 5%, celelalte interstiţii cu 2%.

Prin micşorarea volumului creat de piston, segmenţi şi cilindru se pot obţine reduceri ale hidrocarburilor nearse cu 47% până la 74% pe toată gama de turaţii şi sarcini de funcţionare ale motoarelor.

O parte din hidrocarburile nearse din volumul creat de piston, segmenţi, cilindru scapă către carterul motorului de unde sunt captate şi reintroduse în camera de ardere.

Localizarea fantei segmentului faţă de bujie poate influenţa nivelul emisiilor de hidrocarburi. Experimental s-a determinat că nivelul de hidrocarburi nearse este mai mare cu cât fanta segmentului de foc este mai îndepărtată de bujie, diferenţa dintre cea mai mică şi cea mai mare valoare de hidrocarburi este cuprinsă între 9% şi 42% din nivelul mediu de emisii de hidrocarburi pentru un anumit regim de funcţionare, iar în cele mai multe cazuri poziţia fantei contribuie cu peste 20%.

Efectul interstiţiilor asupra hidrocarburilor nearse

Absorbţia vaporilor de combustibil de către pelicula de ulei de pe oglinda cilindrului:

Se cunoaşte faptul că nivelul emisiilor de hidrocarburi creşte o dată cu prezenţa uleiului în combustibil sau pe pereţii camerei de ardere.

Experimental s-a constatat creşterea concentraţiei de hidrocarburi la funcţionarea în timp la acelaşi regim de funcţionare, această creştere a fost sporită de prezenţa uleiului pe capul pistonului. În cazul în care uleiul se adaugă la combustibil, emisiile de hidrocarburi cresc în funcţie de cantitatea de ulei. În cazul în care adaosul de ulei reprezintă 5%, emisiile de hidrocarburi se pot dubla sau tripla în 10 minute de funcţionare iar adaosul a 0,610-6 [m3] de ulei pe capul pistonului creşte nivelul de hidrocarburi din gazele de evacuare cu aproximativ 1000 ppm.

Mecanismul absorbţiei şi desorbţiei se desfăşoară după următorul algoritm: în timpul admisiei în cilindrii motorului pătrunde o cantitate de vapori de combustibil, filmul de ulei care acoperă pereţii spaţiului de lucru sunt saturaţi cu vapori de hidrocarburi la presiunea mediului ambiant. În cursa de comprimare, presiunea vaporilor de combustibil creşte, aşa că procesul de absorbţie a vaporilor de combustibil va continua, chiar dacă în cursa de admisie uleiul a fost saturat cu vapori de combustibil (legea lui Henry). În timpul procesului de ardere concentraţia vaporilor de combustibil în masa gazelor din cilindru scade către zero, aşa că vaporii de combustibil vor fi desorbiţi din pelicula lichidă de ulei în masa produselor de ardere. Desorbţia va continua pe parcursul destinderii şi evacuării.

Creşterea nivelului de HC în gazele de evacuare este proporţională cu solubilitatea combustibilului în ulei. Acest efect nu a fost observat la combustibilii gazoşi care sunt practic insolubili în ulei.

O parte a vaporilor desorbiţi sunt amestecaţi cu produse de ardere cu temperatură ridicată şi sunt oxidaţi. O altă parte rămâne în stratul limită rece sau se amestecă cu gazele arse mai reci mai târziu în ciclul motor şi pot scăpa procesului arderii complete, ceea ce conduce la creşterea emisiilor de HC nearse.

Temperatura uleiului influenţează invers proporţional solubilitatea vaporilor de combustibil în ulei. Aceasta este explicaţia unei concentraţii mărite de HC în gazele arse la pornirea motorului şi la funcţionarea la rece a acestuia.

Prezenţa unor cantităţi sporite de ulei în camera de ardere, la creşterea consumului de ulei amplifică emisiile de HC din gazele arse. Utilizarea unor segmenţi de ungere adecvaţi poate limita nivelul emisiilor de HC datorat absorbţiei-desorbţiei vaporilor de combustibil de către ulei.

Utilizarea unor uleiuri sintetice cu un efect solvent scăzut poate reduce participarea uleiului la emisiile de hidrocarburi nearse. Altă măsură se referă la a realiza o răcire direcţionată: capul pistonului să fie răcit normal iar cilindrul să fie răcit la valoarea temperaturii suportabile de pelicula de ulei.

Influenţa calităţii arderii: Una din sursele emisiei de HC o constituie stingerea flăcării în camera de

ardere, înainte ca frontul acesteia să atingă pereţii camerei, la anumite regimuri de funcţionare. Flacăra se poate stinge dacă presiunea şi temperatura scad rapid. Asemenea condiţii apar la mersul în gol încet şi la sarcini mici, la turaţie scăzută, iar cantitatea de gaze arse este mare sau amestecul este diluat cu gaze arse recirculate şi aprinderea amestecului este întârziată. Chiar dacă în regim stabilizat flacăra nu se stinge, la anumite regimuri tranzitorii poate apărea fenomenul de stingere a flăcării.

Răcirea unei fracţiuni din cantitatea de gaze datorită unei arderi neadecvate, devine o sursă importantă de emisii de HC nearse.

Îmbunătăţirea calităţii arderii se poate realiza prin utilizarea a două bujii când se utilizează o recirculare înaltă de gaze pentru a reduce emisiile de NOx.

Influenţa vitezei de ardere şi a debitului de gaze arse recirculate asupra emisiei de HC

Mecanismul de transport al hidrocarburilor:

Toate sursele de generare a hidrocarburilor nearse analizate privesc pereţii camerei de ardere. O parte din gazele arse aflate în interstiţii sunt transportate în gazele arse în timpul destinderii şi evacuare, iar o parte importantă rămân în vecinătatea pereţilor. Eliminarea hidrocarburilor rămase lângă pereţi se realizează prin două procese, primul constă în eliminarea forţată datorită procesului de evacuare iar cel de-al doilea prin mişcarea de vârtej creată la sfârşitul cursei de evacuare.

Plasarea hidrocarburilor nearse în timpul cursei de evacuare

Hidrocarburile din volumul creat de interstiţiul piston, segmenţi şi cilindru s-au plasat într-o zonă din proximitatea peretelui cilindrului, în cursa de destindere (posibil hidrocarburi rezultate din desorbţia vaporilor de combustibil din filmul de ulei). O parte din aceste hidrocarburi vor fi antrenate spre evacuare de către masa gazelor arse care părăsesc cilindrul pe parcursul evacuării libere, o altă parte va fi împinsă spre evacuare în mod forţat.

La sfârşitul cursei de evacuare datorită poziţiei supapei de evacuare se creează un vârtej care conţine aproximativ jumătate din concentraţia de hidrocarburi nearse şi care facilitează evacuarea acestora, aşa se explică vârful din concentraţia emisiilor de hidrocarburi de la sfârşitul procesului de evacuare.

Măsurători ale nivelului de hidrocarburi nearse în gazele reziduale au arătat că acestea au de 11 ori concentraţia medie din gazele de evacuare iar la sarcini parţiale se consideră că numai 50% din hidrocarburi sunt evacuate.

Influenţa postarderii hidrocarburilor:

Hidrocarburile care scapă procesului de ardere primar printr-un mecanism descris anterior nu ajung în totalitate în evacuare, deoarece o parte se amestecă cu gazele de temperatură ridicată; în timpul destinderii, temperatura creşte şi apare procesul de oxidare. Oxidarea hidrocarburilor nearse din stratul limită al pereţilor camerei de ardere are loc într-un interval de 1 ms de la stingerea flăcării. Cauza o constituie grosimea redusă a acestui strat, care determină o difuzie rapidă a hidrocarburilor în masa de gaze arse cu temperatură ridicată. Măsurători ale concentraţiei de hidrocarburi din cilindru în acest interval arată o concentraţie de 1,5 până la 2 ori mai mare decât nivelul mediu din evacuare. Hidrocarburile nearse din gazele de evacuare sunt un amestec de compuşi ai hidrocarburilor combustibililor, produse rezultate în urma reacţiilor de piroliză şi de oxidare parţială.

Factori care influenţează formarea şi evacuarea HC nearse:

Particularităţi ale genezei emisiilor de hidrocarburi la M.A.C.

Procesele de formare a amestecului şi arderea în motorul cu aprindere prin comprimare prezintă diferenţe faţă de motorul cu aprindere prin scânteie şi se caracterizează prin faptul că procesul de formare a amestecului se desfăşoară în cilindrii motorului, şi se suprapune parţial cu procesul de ardere. Datorită faptului că injecţia are loc la sfârşitul cursei de comprimare, timpul cât amestecul rămâne în camera de ardere este mult mai scurt iar mecanismele de formare a HC nearse sunt diferite.

Combustibilii pentru motoarele Diesel conţin hidrocarburi cu puncte de fierbere mai ridicate, precum şi greutăţi moleculare mai mari decât hidrocarburile din compoziţia benzinelor. De asemenea, pe parcursul procesului de ardere se formează o serie de compuşi în urma reacţiilor de piroliză. Atunci, compoziţia hidrocarburilor nearse şi parţial oxidate din evacuarea motoarelor Diesel este mult mai complexă decât la motorul cu aprindere prin scânteie şi acoperă o gamă mai largă ale mărimii moleculelor.

Există două căi primare prin care hidrocarburile să evite procesul de oxidare. Primul se referă la faptul că amestecul aer-combustibil, poate să fie prea sărac să se autoaprindă sau ca frontul de flacără să se propage. În cel de-al doilea caz în procesul de ardere primar amestecul aer-combustibil este prea bogat să se aprindă sau ca flacăra să se propage. Acest combustibil nears poate fi oxidat numai prin reacţii slabe de oxidare în cursa de destindere după amestecarea lor cu aerul adiţional. Deci, hidrocarburile rămân neconsumate datorită incompletei amestecări sau răcirii procesului de oxidare.

Schematizarea proceselor care conduc la ardere incompletă:

Combustibilul injectat în timpul întârzierii la autoaprindere

Combustibilul injectat după perioada de întârziere la autoaprindere

Combustibilul injectat în timpul întârzierii la autoaprindere (fig. a) se va amesteca cu aerul producând amestecuri aer-combustibil într-o gamă largă de dozaje. O parte din combustibil se amestecă rapid cu aerul la dozaje foarte sărace depăşind limita de ardere, o parte se amestecă în dozaje aflate în limitele de inflamabilitate, iar o parte vor fi amestecuri prea bogate pentru ca să ardă.

Amestecurile foarte sărace nu se pot autoaprinde şi nici nu permit propagarea flăcării în condiţiile de stare din cilindru (o parte din aceste amestecuri pot arde mai târziu dacă se amestecă cu produse de ardere de înaltă temperatură, la începutul cursei de destindere).

Amestecurile preformate vor arde acolo unde condiţiile locale sunt mai favorabile autoaprinderii. Dacă flacăra nu este răcită de stratul limită termic, sau nu se amestecă rapid cu aerul, se va consuma întreaga cantitate de amestec. Arderea amestecurilor foarte bogate depinde de amestecarea ulterioară cu aerul, la începutul cursei de destindere.

În acest stadiu al arderii din toate mecanismele de formare a hidrocarburilor nearse, predominantă rămâne existenţa amestecurilor foarte sărace.

Pentru combustibilul injectat după perioada de întârziere la autoaprindere (fig. b) prin rapida amestecare cu aerul a combustibilului, sau a produşilor de piroliză, rezultă o ardere completă. În cazul în care procesul de amestecare cu aerul a combustibilului sau produşilor de piroliză este slab, rezultă amestecuri foarte bogate, sau reacţiile de ardere sunt răcite, ceea ce determină apariţia în gazele de evacuare a produşilor de ardere incompletă, produşi de piroliză şi a combustibilului nears.

Nivelul emisiilor de hidrocarburi la motorul Diesel variază într-o gamă foarte largă, în funcţie de condiţiile de funcţionare ale motorului şi pentru un anumit regim de funcţionare unul din mecanismele de formare a HC devine predominant.

Funcţionarea motorului la ralanti şi la sarcini mici produce emisii de HC mai mari decât la funcţionarea motorului la sarcină plină.

Emisiile de HC cresc substanţial cu depăşirea dozei optime de combustibil pe ciclu. La sarcini mici sursa de HC o constituie existenţa amestecurilor supersărace.

Subamestecarea, având ca rezultat amestecuri superbogate în timpul arderii, este mecanismul prin care combustibilul care rămâne în sacul pulverizatorului, scapă procesului de ardere, provocând intense emisii de HC.

Temperatura pereţilor poate afecta emisiile de HC prin răcirea flăcării la perete provocând fie arderea incompletă fie lipsa aprinderii.

Variaţia emisiilor de HC în funcţie de volumul

sacului pulverizatorului

Distribuţia dozajului în jetul de combustibil în momentul autoaprinderii

Corelaţia dintre nivelul emisiilor de hidrocarburi nearse şi durata întârzierii la autoaprindere.

Nivelul emisiilor poluante ale unui automobil în funcţie de tipul amestecului aer-combustibil:

a - fără catalizatorb - cu catalizator

Formarea emisiilor de particule

Formarea emisiilor de particule la M.A.S.

La motorul cu aprindere prin scânteie se disting trei clase de particule: plumb, sulfaţi şi particule organice (incluzând funinginea).

Pentru motoarele de automobil care funcţionează cu combustibili aditivaţi cu compuşi ai plumbului, rata de emisii de plumb este cuprinsă între 100 şi 150 mg/km, la un grad de aditivare de 0,15 g/l Pb.

Emisiile de sulfaţi privesc în principal autovehiculele echipate cu catalizator de oxidare. Benzinele conţin 150 până la 600 ppm de sulf care, prin oxidare în motor, se transformă în dioxid de sulf (SO2). Dioxidul de sulf poate fi oxidat în catalizatorul de oxidate la SO3 care se combină apoi cu apa la temperatura mediului ambiant, rezultând acidul sulfuric sub formă de aerosol.

Nivelul emisiilor de sulfaţi depinde de conţinutul în sulf al combustibilului, condiţiile de funcţionare ale motorului şi sistemul catalitic utilizat. Rata tipică a emisiilor de sulfaţi este de 20 mg/km sau mai redusă.

Utilizarea benzinelor neaditivate reduce emisia de particule la aproximativ 20 mg/km. Aceste particule sunt formate din materiale organice solubile. Emisia de funingine poate rezulta ca efect al utilizării unor amestecuri foarte bogate. Se remarcă faptul că emisia de funingine, la motorul cu aprindere prin scânteie, nu constituie o problemă semnificativă.

Formarea emisiilor de particule la M.A.C.

Motorul cu aprindere prin comprimare, datorită compoziţiei combustibilului utilizat şi particularităţilor proceselor din cilindru, este susceptibil la emisii de particule în gazele de evacuare.

Particulele generate de motorul Diesel pe timpul arderii sunt compuşi ai materialelor carbonoase (funingine), care au absorbit fracţiuni organice solubile, acestea constând din molecule condensate pe funingine, în faza imediat următoare arderii şi care ele însele pot constitui precursori ai formării funinginii. Fracţiunile organice solubile conţin esteri, aldehide, lactone, eteri, acizi organici şi hidrocarburi aromatice policiclice, însoţite de derivaţi ai azotului şi oxigenului. La aceste fracţiuni se pot adăuga câţiva derivaţi anorganici (SO2, NO2, sulfaţi).

Compoziţia particulelor depinde în principal de condiţiile de funcţionare ale motorului şi, în particular, de temperatura de evacuare. La temperaturi ale gazelor arse de peste 500C particulele sunt agregate sferice de funingine, cu mici proporţii de hidrogen, având dimensiuni cuprinse între 15 şi 30 nm. Sub acest nivel de temperatură particulele sunt acoperite cu fracţiuni organice solubile (SOF).

Pe parcursul evacuării mărimea particulelor creşte prin mărirea volumului cu compuşi ai hidrocarburilor polinucleare aromatice (PAH), condensaţi pe particule, din vaporii de compuşi organici prezenţi în gazele arse.

Particulele de funingine se produc din carbonul conţinut în combustibil şi concentraţia acestora depinde de tipul combustibilului, numărul de atomi de carbon din molecule şi raportul carbon/hidrogen.

Funinginea se formează la arderea în motorul cu aprindere prin comprimare la temperaturi cuprinse între 1000 şi 2800 [K] şi presiuni de 5-10 MPa, cu un exces de aer care să permită arderea întregii cantităţi de combustibil introdusă pe ciclu. La arderea difuzivă, funinginea se formează în intervalul de temperatură 2000-2400 [K] cu un maxim la 2100 [K], în afara acestei game de temperatură funinginea se formează în cantităţi neglijabile. Timpul disponibil pentru formarea particulelor solide de funingine, din fracţiunile de combustibil, este de numai câteva milisecunde. Aerosolul rezultat, faza solidă dispersată în gaze, poate fi caracterizată prin suma totală a fazei condensate (exprimată prin fracţia volumică a funinginii, ca raport între volumul funinginii şi volumul total), numărul particulelor de funingine pe unitatea de volum şi mărimea particulelor.

Stadiile de formare a funinginii pot fi descrise în modul următor:1. Formarea particulelor, unde puncte materiale ale fazei condensate cresc din moleculele de combustibil prin produsele de oxidare şi/sau de piroliză. Aceste produse, în mod tipic, includ hidrocarburi nesaturate, în particular acetilenă sau analogii superiori (C2nH2) şi hidrocarburi aromatice policiclice (PAH). Aceste două tipuri de hidrocarburi sunt considerate ca fiind precursorii funinginii în flacără. Reacţiile de condensare din faza gazoasă a acestor două specii de molecule conduc la apariţia primelor particule de funingine recognoscibile (numite nuclee). Aceste prime particule, cu dimensiuni foarte mic, se formează într-un număr foarte mare şi încarcă în mod neglijabil cu funingine regiunea de formare.2. Creşterea particulelor, stadiu care include creşterea suprafeţei, coagularea şi agregarea. Creşterea suprafeţelor particulelor aflate în încărcătură are loc prin ataşarea speciilor moleculelor în faza gazoasă la suprafaţa nucleelor şi apoi sunt înglobate în faza solidă.

Variaţia numărului de molecule de diferite specii în flacăra amestecurilor

preformate

Mecanismul de formare a particulelor la temperaturi reduse

În motorul Diesel emisiile de funingine cuprind trei procese care se pot desfăşura parţial în paralel:1. Reacţiile de formare ale funinginii în prima fază a arderii;2. Reacţiile de formare ale funinginii în gazele arse, în principal în a doua fază a arderii;3. Oxidarea funinginii formate după amestecarea cu oxigenul din zonele cu exces de aer.

Funinginea din motorul Diesel este compusă dintr-o fază de carbon şi asociată cu compuşi asociaţi extraşi (fracţiuni organice solubile). Principalele stadii ale formării hidrocarburilor policiclice aromatice şi ale fumului sunt următoarele:1. Flacăra, în care se generează hidrocarburi policiclice aromatice şi determină moderarea sau încetinirea formării funinginii;2. Piroliza la temperaturi ridicate care generează hidrocarburi aromatice policiclice şi care determină intensificarea genezei funinginii;3. Piroliza la temperaturi mai scăzute şi care generează hidrocarburi aromatice policiclice şi produşi oxigenaţi care diminuează procesul de formare al funinginii;4. Vaporizarea combustibilului şi lubrifiantul care adaugă compuşi fără ca aceştia să formeze funingine.

Dacă se compară contribuţia la formarea funinginii se constată că procesul de geneză în flacăra amestecurilor preformate (arderea rapidă) este mai puţin intens decât în flacăra difuză.

Formarea mirosului la M.A.C.

Gazele de evacuare la motorul cu aprindere prin comprimare conţin mai mult de o mie de compuşi organici cu punct de fierbere mai mic de 260C şi pot fi detectaţi în faza gazoasă prin cromatografie. Mulţi din aceşti compuşi sunt uşor mirositori ca şi hidrocarburile parafinice şi olefinice. Mai puţin de o sută de compuşi au un miros distinctiv în concentraţiile care se găsesc în gazele arse. Acestea include aldehide de la C2 la C8 derivaţi aldehide ale benzenului C11, alchilbenzeni şi furani. Derivaţii alchil ai benzenului, indane şi naftalene dau o nuanţă înţepătoare şi de ars a mirosului gazelor. Compuşii olefinici şi ciclici dau nuanţă de ars a mirosului. Compuşii oxigenaţi, cei care conţin sulf şi cei puternic nesaturaţi dau un miros greţos. Acizii graşi prezenţi în gazele de evacuare dau un miros înţepător.

Mirosul cu senzaţia de ulei şi kerosen este dat de prezenţa naftalenelor, alchilbenzenelor, indanolor, tetralinelor şi indenelor. Senzaţia de fum-ars este furnizată de mai mulţi compuşi cum ar fi: hidroxi şi metoxi-indanone, metil şi metoxifenoli, furani şi alchilbenzaldehide, alkenone, dienone, hidroxiciclocarbonili şi hidroxiindanone.

O serie de compuşi au efect iritant, acestea fiind: aldehide uşoare saturate (formaldehida, acetaldehida) şi aldehide nesaturate (acroleina, crotonaldehida), dioxidul de sulf, acidul sulfuric, dioxidul de azot şi fenolul. Dintre aceşti compuşi, formaldehida şi acroleina sunt consideraţi ca fiind responsabilii principali în efectul iritant al gazelor de evacuare.

Temperatura motorului influenţează nivelul de miros. Intensificarea răcirii măreşte nivelul de miros pe când preîncălzirea aerului la intrarea în motor îl reduce. Intensitatea mirosului este ridicată la pornirea motorului la rece.

Sarcina motorului are o mai mare influenţă asupra intensităţii mirosului gazelor de evacuare decât turaţia acestuia. Valoarea minimă a nivelului de miros se plasează la o valoare a sarcinii de aproximativ 50% din sarcina plină.

Mirosul cel mai intens este generat la sarcină plină şi turaţii ridicate (când apare arderea amestecurilor bogate) şi la sarcini parţiale şi turaţii reduse (când arderea se desfăşoară la temperaturi medii). Nivelul de miros la mersul motorului la ralanti este totdeauna ridicat.

Întârzierea la autoaprindere reduce nivelul de miros la sarcini mari şi turaţii ridicate datorită deplasării arderii spre destindere ceea ce determină creşterea temperaturii gazelor la evacuarea acestora favorizându-se postarderea compuşilor mirositori. Din contră, la sarcini mici, nivelul de temperatură nivelul de temperatură al gazelor la evacuare este prea scăzut să genereze postarderea şi nivelul de miros creşte cu întârzierea la autoaprindere deoarece timpul afectat desăvârşirii arderii se reduce.

Recircularea gazelor arse are un efect negativ asupra nivelului de miros datorită încetinirii reacţiilor de ardere.

Regimurile tranzitorii de funcţionare ale motorului cu aprindere prin comprimare (accelerare şi decelerare) sunt favorizante pentru emisia compuşilor mirositori.

Nivelul de miros poate fi diminuat prin următoarele măsuri:1. Creşterea temperaturii la sfârşitul comprimării sau preîncălzirea aerului la intrarea în motor pentru a reduce întârzierea la autoaprindere (în detrimentul emisiei de NOx);2. Optimizarea avansului la injecţie în funcţie de sarcină şi turaţie pentru reducerea întârzierii la autoaprindere;3. Reducerea volumului rezidual al pulverizatorului (volumul sacului şi al orificiilor de pulverizare).

Utilizarea filtrelor catalitice care să reţină şi să ardă particulele pot diminua concentraţia produşilor mirositori dar nu afectează concentraţia produşilor iritanţi.

Compoziţia chimică a combustibilului poate afecta nivelul de miros o serie de parametri (viscozitatea, temperatura de distilare) şi un conţinut de hidrocarburi aromatice ce depăşeşte 35% din volum determină o creştere a nivelului de miros. Utilizarea unor combustibili mai uşori diminuează nivelul de miros în special la sarcini mari. Conţinutul de sulf nu este direct implicat în compuşii mirositori însă sporeşte nivelul iritant al gazelor arse prin prezenţa SO2.