Factori care influenţează formarea emisiilor poluante la

M.A.C.

Cursul 5

Emisiile poluante ale motoarelor cu aprindere prin comprimare sunt influenţate în mod direct de modul de formare al amestecului şi de particularităţile procesului de ardere. Motorul Diesel cu injecţie directă prezintă un consum de combustibil mai redus faţă de motorul Diesel cu injecţie indirectă, precum şi un nivel de fum mai scăzut la sarcini parţiale însă este dezavantajat de emisiile de NOx şi HC incorporate în particule sub formă de fracţiuni organice solubile şi de emisiile sonore.

Pentru limitarea emisiilor, trebuie să se realizeze un bun compromis în toată gama de sarcini şi turaţii între emisiile de NOx şi cele de particule, astfel raportul combustibil-aer să nu crească local peste 0,9 (se favorizează NOx) şi să nu scadă sub 0,6 (se favorizează emisiile de particule).

Proprietăţile combustibilului

Motorinele utilizate la motoarele pentru autovehicule trebuie să posede o serie de proprietăţi fizico-chimice prin care să se limiteze emisiile poluante. Emisiile sunt influenţate de: viscozitate, densitate, intervalul de distilare, cifra cetanică, conţinutul de sulf şi aditivi.

ViscozitateaPrin creşterea viscozităţii cinematice cresc emisiile de hidrocarburi nearse

şi de fum, prin creşterea emisiilor de funingine iar emisiile de NOx se diminuează. Viscozitatea cinematică are o influenţă redusă asupra emisiilor de fracţiuni organice solubile.

DensitateaPrin creşterea densităţii combustibilului apare o îmbogăţire a amestecului

aer-combustibil cu un efect direct asupra creşterii emisiilor de particule atât la motoarele cu aspiraţie naturală cât şi supraalimentare.

Intervalul de distilareEmisiile de particule sunt direct legate de intervalul de distilare, din

această cauză există norme care impun acest interval.Se constată că numai emisiile de particule sunt influenţate. Cercetări

experimentale efectuate pe motoare cu aprindere prin comprimare cu injecţie indirectă au evidenţiat faptul că prin modificarea factorului de distilare 10% de la 210 la 216C nu influenţează nivelul emisiilor poluante. În cazul modificării factorului de distilare 90% cu aceeaşi creştere de la 310 la 316C emisiile cresc: HC cu 5%, particulele cu 3% şi fracţiunile organice solubile cu 8%.

În cazul motorului Diesel cu injecţie directă creşterea punctului de distilare a factorului 90% influenţează emisiile de particule în mod diferit în funcţie de sarcină în sensul că la reducerea sarcinii emisiile de particule se diminuează.

Influenţa modificării punctului de distilare asupra diferitelor emisii ale motorului Diesel

Variaţia nivelului particulelor în funcţie de intervalul de

distilare al hidrocarburilor din combustibil

Conţinutul de hidrocarburi aromaticeHidrocarburile aromatice conţinute în motorinele utilizate la motoarele

pentru autovehicule influenţează pe de o parte cifra cetanică a acestora iar pe de altă parte emisiile poluante.

În condiţii de funcţionare asemănătoare nivelul de hidrocarburi din motorină are un efect înzecit asupra nivelului noxelor în comparaţie cu factorul de distilare 90%. La creşterea conţinutului de hidrocarburi aromatice de la 25% la 45% emisiile de hidrocarburi nearse, şi CO cresc de aproximativ 3 ori, emisiile de oxizi de azot nefiind influenţate. Existenţa unor fracţiuni aromatice volatile pot influenţa cinetica arderii amestecurilor preformate în sensul creşterii fracţiunii de amestec care arde favorizând astfel formarea funinginii.

La motorul cu aprindere prin comprimare cu injecţie indirectă, studiile efectuate au arătat că în regim de funcţionare tranzitoriu emisiile de HC, CO şi particule sunt influenţate de conţinutul de hidrocarburi aromatice. O influenţă mult mai redusă asupra emisiilor poluante a conţinutului de hidrocarburi aromatice s-a constatat în cazul utilizării unor motorine având cifra cetanică superioară valorii 50.

La motoarele cu aprindere prin comprimare cu injecţie directă influenţa conţinutului de hidrocarburi aromatice asupra emisiilor poluante este mai dificil de evidenţiat. Cert este faptul că hidrocarburile aromatice influenţează nivelul de particule din gazele de evacuare.

Influenţa concentraţiei de hidrocarburi aromatice

asupra emisiei de particule

Cifra cetanicăLa scăderea cifrei cetanice întârzierea la autoaprindere creşte, ceea ce

determină mărirea nivelului de hidrocarburi nearse, particule, fracţiuni organice solubile şi oxid de carbon emise de gazele de evacuare precum şi reducerea nivelului de fum şi de funingine uscată. Emisiile de NOx sunt puţin influenţate de cifra cetanică. La creşterea cifrei cetanice emisiile de HC, CO, NOx, şi particule scad. La motorul Diesel cu injecţie indirectă cifra cetanică influenţează preponderent emisia de fracţiuni organice solubile. Cifra cetanică manifestă o influenţă asupra nivelului de fum alb şi de fum albastru care apare la pornirea motorului respectiv la funcţionarea motorului la altitudine.

Influenţa cifrei cetanice asupra

emisiilor din gazele motoarelor Diesel cu injecţie

directă

Conţinutul de sulfConţinutul de sulf din motorină este limitat atât de reglementări interne cât

şi de reglementări internaţionale. O parte importantă a sulfului din motorină se găseşte în gazele de

evacuare sub formă de SO2, iar o altă parte sub formă de SO3 şi de acid sulfuric.Se apreciază că prin scăderea conţinutului de sulf de la 0,3 la 0,05%

emisiile de particule de reduc cu 10 la 15%.Conţinutul de sulf nu influenţează celelalte emisii poluante. Reducerea

conţinutului de sulf din motorină contribuie la diminuarea nivelului de miros al gazelor de evacuare şi a gradului de nocivitate.

Aditivii1. Aditivii metaliciPentru diminuarea emisiilor de fum s-au folosit aditivi metalici sub formă

de săruri acide (naftenaţi, sulfonaţi). În acelaşi scop au fost încercate şi pământuri alcaline ale unor metale precum: Ca, Ba, Fe, Mn, Cu, Ni. Rezultate semnificative s-au obţinut utilizând ca aditivi pământuri alcaline ale Ba şi Ca atât la motoarele Diesel cu injecţie indirectă ca şi la cele cu injecţie directă. Prin utilizarea aditivilor metalici celelalte emisii rămân neafectate. Datorită faptului că în procesele care au loc în motor şi pe traiectul evacuării pot apărea săruri nocive, utilizarea aditivilor metalici a fost abandonată.

2. Aditivii organiciÎn motorinele utilizate la motoarele Diesel se pot adăuga aditivi organici

care au drept scop următoarele efecte:• reducerea întârzierii la autoaprindere;• stabilizare, antioxidanţi (utilizaţi pentru a inhiba polimerizarea hidrocarburilor nesaturate având în vedere îmbunătăţirea stabilităţii pe timpul depozitării);• detergent (de curăţire a suprafeţelor echipamentului de injecţie).

Aditivii organici influenţează prin efectele care le au asupra calităţii motorinei, procesele din cilindru şi echipamentului de injecţie, asupra nivelului de particule din gazele de evacuare.

Influenţa aditivilor din combustibil asupra emisiei de particule

3. Adaosul de apăAdaosul de apă din amestecul de aer-combustibil din cilindru acţionează

în sensul reducerii simultane a emisiilor de NOx şi de particule.În timp s-au exprimat mai multe soluţii de introducere a apei în amestecul

aer-combustibil, cum ar fi: injecţia directă a apei în cilindrul motorului şi injecţia de apă în curentul de aer care trece prin colectorul de admisie (fumigare).

Reducerea emisiilor de NOx poate fi explicată prin reducerea temperaturii flăcării. Prezenţa apei în camera de ardere determină prelungirea întârzierii la autoaprindere, ceea ce determină creşterea fracţiunii de combustibil ce arde în amestecuri preformate reducându-se astfel cantitatea de funingine care se formează în flacăra difuzivă, efectul fiind reducerea emisiilor de particule. Cantitatea de fracţiuni organice solubile absorbite de particule descreşte cu prezenţa apei în cilindri datorită condensării hidrocarburilor pe pereţi înainte de a intra în contact cu particulele de carbon.

Adaosul de apă prin efectele pe care le are asupra întârzierii la autoaprindere şi asupra arderii determină creşterea emisiilor de HC şi de CO iar reducerea nivelului de particule este influenţată de sarcina motorului.

Regimul de sarcină

La motorul Diesel, datorită particularităţilor constructive se realizează o reglare cantitativă a sarcinii (prin modificarea dozei de combustibil injectate pe ciclu). Luând în considerare că motorul funcţionează cu exces de oxigen, formarea oxidului de carbon şi hidrocarburilor nearse apare zonal şi în cantităţi reduse în camera de ardere unde se întâlnesc amestecuri bogate sau hipersărace care nu permit oxidarea completă a moleculelor de combustibil. Emisia de oxid de carbon şi hidrocarburi nearse este inferioară motorului cu aprindere prin scânteie şi datorită faptului că aportul interstiţiilor şi procesului de absorbţie - desorbţie a hidrocarburilor de către pelicula de ulei este mult mai slabă sau lipseşte.

Procesul de formare a oxizilor de azot este puternic influenţat de creşterea sarcinii datorată măririi nivelului temperaturilor ciclului motor.

Emisia de fum creşte cu mărirea sarcinii datorită îmbogăţirii zonale a amestecului aer-combustibil.

Intensitatea mirosului este influenţată de mărimea sarcinii, aceasta înregistrând valori maxime la sarcini reduse şi turaţii scăzute precum şi la sarcină plină şi turaţii ridicate.

Particularităţile constructive ale motorului

Organizarea mişcării aerului şi arhitectura camerei de ardere

În cilindrii motorului mişcările încărcăturii proaspete pot fi descompuse după trei direcţii faţă de axa cilindrului: axială, radială, tangenţială:• mişcarea axială - urmăreşte axa cilindrului şi este indusă de deplasarea pistonului; • mişcarea radială (squish) - dinspre şi spre camera de ardere, dată de existenţa spaţiilor înguste dintre capul pistonului şi chiulasă;• mişcarea tangenţială (swirl) - indusă de traiectul de admisie al aerului (canal de admisie tangenţial, elicoidal, supapă de admisie cu ecran, etc.)

Mişcarea încărcăturii proaspete în camera de ardere se realizează după rezultanta mişcărilor după cele trei direcţii.

Intensitatea mişcării aerului împreună cu mişcarea jetului de combustibil dă nivelul energetic de formare a amestecului aer-combustibil în camera de ardere a motorului Diesel.

Datorită faptului ca în motorul Diesel procesele de formare a amestecului aer-combustibil se suprapun parţial, intensitatea mişcării organizate a aerului şi caracteristicile jetului de combustibil vor influenţa atât parametrii energetici cât şi parametrii ecologici ai motorului.

Forma camerei de ardere poate amplifica sau diminua emisiile nocive funcţie de influenţele pe care la induce asupra proceselor de formare şi ardere a amestecurilor aer-combustibil.

Instalaţia de alimentare

Nivelul de emisii poluante este mult mai sensibil la motorul Diesel cu injecţie directă comparativ cu motorul Diesel cu injecţie indirectă. În ceea ce priveşte sistemul de injecţie indirectă, calitatea amestecului depinde de particularităţile de transfer ale gazelor între camera separată şi camera principală.

Prin creşterea avansului la injecţie nivelul presiunii maxime şi al temperaturii maxime se măreşte, ceea ce determină intensificarea formării de NO. Motoarele Diesel cu injecţie directă sunt mult mai sensibile în comparaţie cu motoarele Diesel cu injecţie indirectă la mărirea avansului la injecţie. Micşorarea avansului poate constitui o cale de micşorare a emisiilor de NO, această micşorare realizându-se în funcţie de sarcină şi turaţie pentru a nu deteriora excesiv consumul specific de combustibil.

Prin prelungirea întârzierii la autoaprindere avansul la injecţie măreşte cantitatea de amestec preformat formând o proporţie sporită de amestec sărac. Aceste amestecuri prezintă dificultăţi de ardere ceea ce generează cantităţi mărite de CO. Reducerea hidrocarburilor (HC) se obţine printr-o ardere optimă, în condiţiile date emisiile de hidrocarburi cresc. Mai mult, prelungirea duratei întârzierii la autoaprindere poate determina la motorul cu injecţie directă depunerea combustibilului pe pereţii camerei de ardere care constituie o sursă suplimentară a emisiilor de hidrocarburi.

La motoarele Diesel cu cameră de ardere divizată întârzierea injecţiei determină scăderea emisiilor de oxizi de azot şi a particulelor mai ales la sarcină plină, însă emisiile de HC cresc.

Influenţa avansului la injecţie asupra nivelului emisiilor.

Efectul avansului la injecţie asupra emisiilor de NOx şi HC la motoarele

Diesel cu cameră divizată.

Particularităţile proceselor de formare a amestecului şi a arderii

Influenţa turbulenţei

În procesul de formare a amestecului aer-combustibil trebuie să se asigure reducerea duratei de existenţă a fazelor de amestec foarte bogat care generează funingine. În general pentru a se asigura condiţiile unei bune amestecări a aerului cu combustibilului în faza aprinderii se intensifică mişcarea de turbionare a încărcăturii care se manifestă la nivelul întregii camere de ardere (macroscară). Această măsură este însoţită de cele mai multe ori de creşterea presiunii maxime a ciclului care determină mărirea nivelului emisiilor de NOx şi de zgomot. Reducerea emisiilor de NOx cere limitarea vitezei de amestecare a aerului cu combustibilul în faza de preformare a amestecului prin diminuarea vitezei mişcării de turbionare sau a vitezei de injecţie.

Mişcarea turbulentă a încărcăturii se manifestă la nivelul microscărilor, fiind afectate pachete de încărcătură. Mişcarea turbulentă este generată în timpul admisiei încărcăturii proaspete (construcţia canalului de admisie, a porţii de supapă, a supapei de admisie sau utilizarea fenomenelor dinamice la curgerea încărcăturii proaspete – supraalimentarea sonică).

Mişcarea turbulentă influenţează emisiile de NOx, hidrocarburi nearse, fum, particule şi zgomot prin îmbunătăţirea arderii atât a amestecurilor preformate cât şi a arderii difuzive prin punerea în contact a hidrocarburilor cu oxigenul necesar.

Influenţa turaţiei motorului şi a regimurilor tranzitorii

Turaţia de funcţionare în gol a motorului cu aprindere prin comprimare influenţează major asupra emisiilor poluante. Cercetări experimentale au arătat că scăderea turaţiei de mers în gol de la 750 rot/min la 680 rot/min a condus la reducerea emisiilor de hidrocarburi cu 14%, oxid de carbon cu 2%, NO cu 3% şi de particule cu 5%.

Accelerarea şi decelerarea motorului este o sursă de generare a emisiilor poluante. Accelerarea motorului datorită îmbogăţirii amestecului pe perioade scurte generează un nivel ridicat de particule, acelaşi fenomen mai puţin pronunţat apare la decelerare.

Reducerea efectelor turaţiei şi regimurilor tranzitorii asupra emisiilor poluante se poate realiza prin următoarele măsuri:• reducerea momentelor de inerţie (motor, turbosuflantă);• reducerea capacităţilor volumetrice (admisie, evacuare);• sistem de răcire cu capacitate redusă de transfer de căldură (fără instabilitatea în cazul fluctuaţiilor de temperatură);• creşterea surplusului de putere disponibilă.

Temperatura aerului admis în motor

Nivelul de temperatură al aerului admis în motor influenţează valoarea maximă a temperaturii ciclului şi deci emisiile de NOx. Supraalimentarea motoarelor este însoţită de încălzirea substanţială a încărcăturii proaspete la sfârşitul admisiei, pentru diminuarea temperaturii aerului se practică răcirea intermediară, însă are efecte negative asupra nivelului emisiei de particule la sarcini mari şi turaţii reduse. Răcirea aerului poate de asemenea prelungi întârzierea la autoaprindere apărând alte efecte negative cum ar fi proiectarea picăturilor pe pereţii cilindrului datorită diminuării ratei de vaporizare, consecinţa imediată fiind creşterea emisiei de hidrocarburi nearse şi de funingine.

La pornirea motorului la temperaturi scăzute aerul admis trebuie încălzit prin intermediul unor arzătoare plasate în tubulatura de admisie sau cu ajutorul unor bujii incandescente plasate în camera de ardere pentru a elimina fumul alb (format din particule de combustibil nears).

Temperatura tubulaturii de evacuare are un rol important asupra emisiilor prin depozitele de combustibil nears care se condensează în perioadele de funcţionare la sarcini reduse şi revolatilizarea acestora la sarcini mari. Izolarea acesteia poate favoriza arderea hidrocarburilor şi a funinginii.

Recircularea gazelor arse

Limitarea formării oxizilor de azot se poate realiza prin reducerea concentraţiei amestecului de oxigen disponibil din camera de ardere şi prin reducerea temperaturii flăcării la arderea amestecurilor preformate.

Reintroducerea unei cantităţi de gaze arse în prealabil răcite în camera de ardere are ca efect principal diminuarea concentraţiei de oxigen şi mărirea căldurii specifice a amestecului. Gazele arse sunt inactive din punct de vedere chimic.

Cantitatea de gaze arse recirculate trebuie să ţină seama de condiţiile de funcţionare ale motorului cum ar fi: sarcina şi turaţia.

Recircularea gazelor arse este întreruptă la funcţionarea motorului rece. Recircularea gazelor arse necesită dispozitive electronice de control care ţin seama de temperatura lichidului de răcire, presiunea mediului ambiant, debitul de combustibil injectat pe ciclu şi turaţia motorului. Se apreciază că la motorul cu aspiraţie naturală prin recircularea unei cantităţi de gaze arse care să asigure o diminuare a NOx cu 40%, emisiile de HC rămân neschimbate, în schimb emisiile de CO cresc cu aproximativ 10% şi de particule cu 30%.

La motorul supraalimentat recircularea gazelor arse determină reducerea simultană a emisiilor de NOx, HC şi particule.