1

UNIVERSITATEA TEHNICA GHEORGHE ASACHI IASI FACULTATEA DE MECANIC

CONDITII INITIALE DE PROIECTARE A FILTRELOR DE

PARTICULE PT MOTOARELE DIESEL SI EFICIENTA

FILTRARII

Profesor indr:GOLGOTIU EUGEN STUDENTI: Aciocarlanoae Andrei Andries Radu

GRUPA : SPCR I

2015

2

Autovehiculele i mediul

Imediat dup cel de-al doilea rzboi mondial, lund exemplu de la Germania, Ministerul Comerului Internaional i al Industriei din Japonia, anun planul pentru maina omului de rnd. Ca rspuns, un numr mare de productori de maini scot pe pia maini mici ncepnd cu anul 1958. Acest an este nceputul motorizrii Japoniei, n 1960 fiind vndute 480.000 de autoturisme, iar n 1970 acest numr a crescut astronomic la 5.29 milioane.

Motorizarea Japoniei a jucat un rol foarte important n dezvoltarea sa economic n anii 60. Cu toate acestea au nceput s apar efecte negative asupra mediului, n special poluare sever a aerului. Emisiile vehiculelor a cauzat o cretere brusc a cazurilor de astm, culminnd cu un incident din 1970, cnd un numr semnificativ de elevi de la liceul din Tokyo ,Suginami Ward ,au suferit de ameeli i dureri de cap datorate fumului foto-chimic rezultat din gazele de ardere emanate de autoturisme. Acest lucru a condus la contientizarea problemei polurii aerului n capitala Japoniei i n celelalte orae mari.

Poluarea aerului de la emisiile autoturismelor nu a fost limitat la Japonia, ci era o problem i pentru alte ri industrializate la aceea vreme. Spre exemplu n Statele Unite ale Americii. Aici, rspunsul guvernului la asemenea probleme s-a materializat prin Actul pentru aer curat (n traducere) din 1970, cunoscut sub denumirea de Actul Muskie. Acesta stipula reducerea cu 90% a hidrocarburilor (HC) i a oxidului de carbon (CO) ce se regsesc n componena gazelor de eapament, ntr-o perioad de 5 ani, iar reducerea oxidului de azot (NOx) n aceeiai proporie, dar pe o perioad de 6 ani.

Guvernul nipon nu sa lsat nici el mai prejos, adoptnd n 1972 Actul pentru prevenirea polurii mediului, dar criteriile privind procentele acceptabile de noxe eliminate de autoturisme au devenit din ce n ce mai stringente prin reglementrile din 1973, 1975 i 1978. Reglementrile din 1978 au devenit cunoscute ca varianta japonez a actului Muskie, prevznd cele mai mici nivele de noxe din gazele de eapament la aceea vreme, i anume de 0.25grame/km (NOx). n aceeai perioad, lumea nc se refcea dupa criza petrolului din 1973, iar productorii de maini niponi au nceput la rndul lor s fie precaui n privina consumului de carburani, ajutnd astfel la reducerea volumului de emisii de gaze toxice

Ca urmare a problemei mediului, productorii de maini din ntreaga lume s-au concentrat asupra realizrii practice a acestor standarde, folosind ultimele descoperiri n domeniul autoturismelor, ca reactoarele termice, pompe de injecie electronice, noile elemente n proiectarea motoareler, dar i a catalizatoarelor, folosite pentru a absorbi substanele toxice din gazele de eapament. Unul dintre faimoasele rezultate ale implementrii acestor noi tehnologii este Honda Civic, aprut n decembrie 1973. Aceasta era echipat cu un motor CVCC (Compound Vortex Controlled Combustie = controlul amestecului de combustibil),

care a suplinit arztorul principal cu arztoare secundare, fiind primul model din lume care a reuit s se conformeze standardelor din actul Muskie, cu toate c la aceea vreme nc se considera imposibil acest lucru. Acest eveniment a dovedit c este posibil reducerea noxelor, dar totodat a mrit extraordinar reputaia productorilor niponi de autoturisme.

Efecte pozitive majore dup aceasta nu au mai fost obinute, anul 1978 aducnd o reducere doar cu 4-8% a nivelelor de emisii de hidrocarburi i monoxid de carbon, pentru reducerea noxelor NOx durnd mult mai mult din cauza dificultilor tehnice. Totui reducerea treptat a acestor efecte negative a condus, sau va conduce n civa ani la apariia ultimei maini ecologice, cea care funcioneaz pe baz de hidrogen.

3

Cursa ecologic

Se estimeaz c populaia pe glob va ajunge la 8.1 bilioane n 2050, iar numrul autoturismelor la 3.4 bilioane.

Dac n aceast perioad nu se face ceva, pmntul nu va putea furniza suficient energie pentru aceasta. Din acest motiv, productorii de autoturisme din Europa, America, Japonia i alte pri ale globului concureaz pentru a realiza aa-numita main ecologic, prieten cu mediul. Se ateapt ca aceast realizare s fie maina pe hidrogen (fuel cell - FCV).n acest sens, trei puteri n domeniul producerii de autoturisme guverneaz: Japonia, America i Europa. Se pare c Japonia

este n fruntea celorlalte dou, i aceasta poate fi explicat prin faptul c i lipsete resursele naturale. Toat industria Japoniei este concentrat pe conservarea energiei n primul rnd, iar mai recent protecia mediului este i ea tiprit n ADN-ul acestora. Totui, ncepnd cu anul 1990, atenia acestora a fost mutat de la micorarea consumului de combustibil, spre cutarea unor noi forme de energie, mult mai curat, pn acum aducnd pe pia vehicule hibrid, care combin folosirea energiei electrice cu gazele naturale.Statele Unite ale Americii, pe de alt parte, a adoptat programul iniiat de administraia Bush: FreedomCAR Initiative, un program ce promoveaz autoturismele propulsate de hidrogen. Acest program totodat va susine eforturile financiare ale productorilor de autoturisme General Motors, Ford i Daimler Chrysler n dezvoltarea motoarelor pe baz de hidrogen. Cuvntul libertate din denumirea programului, provine de la iniiativa de a elibera America de dependena fa de importul de petrol, fcnd n primul rnd parte dintr-o strategie naional.ntre timp, europenii sunt foarte ngrijorai de fenomenul de nclzire global, avnd cel mai drastic program de reducere a emisilor de bioxid de carbon (CO2). Din aceste motive, au pus accent asupra

motoarelor diesel, care pot obine o economie important de carburani, i sunt efective n reducerea emisiilor de CO2.

Totodat, principala legatur ntre oraele din Europa sunt auto-benziile, iar motoarele diesel sunt eficiente din punct de vedere al consumului la viteze ridicate. Cu toate acestea

ns, gazele de eapament ale unui motor diesel au o puternic concentraie n noxe NOx, i n comparaie cu Europa, America i Japonia au reglementri mult mai stricte n aceast privin.

Normele de emisii de Nox i particule aflate n suspensie pentru normele Euro 2 , 3 i 4

4

Componena gazelor de evacuara

n ultimul an constructorii europeni de automobile au redus emisiile de CO2 cu doar 0,2%. n acest ritm, obiectivul stabilit, respectiv emisii de 120g/kilometru pn n 2012, pare imposibil de atins.

n ultimele 12 luni, media emisiilor mainilor europene a fost de 160 grame CO2 pe kilometru, cu doar 0,5 grame mai puin fa de anul precedent. n comparaie, media modelelor japoneze a fost de 161 g CO2/km iar cea a modelelor coreene a fost de 164 g

CO2/km.Urmtoarea piatr de hotar este n 2008, cnd media emisiilor mainilor europene ar trebuie s scad la 140 g/km. n opinia productorilor, Uniunea European ar trebui s impun pe cale juridic un prag maxim al emisiilor de 120 g/km, n 2012, urmat de nc o limit de 80 g/km, n 2020. n prezent, mainile sport i limuzinele de lux sunt incapabile de o asemenea performan, drumul fiind deschis pentru biocombustibili i maini electrice. Mai mult, chiar i n Germania, stat care s-a opus vehement legii n cauz, viteza maxim a fost limitat la 130 km/h. n aceste condiii, este posibil ca bolizii Audi, BMW, Mercedes, Porsche, Ferrari sau Lamborghini s dispar de pe osele.Productorii sunt nevoii s i calce pe mndrie i s cear ajutorul fabricanilor de combustibil verde i de propulsoare electrice. Pentru nceput, soluia optim este propulsia hibrid, fie pe diesel, fie pe benzin.

Filtru de particule la motoarele Diesel

Motoarele diesel sunt preferate de muli automobiliti n primul rnd pentru performanele i

economicitatea lor (un consum mai mic de combustibil i, pn nu demult, un pre de cost al motorinei ceva mai sczut fa de benzin).

5

Totui motoarele diesel rmn cele mai poluante motoare prin noxele eliberate n atmosfer, producnd de 3-6 ori mai muli oxizi de azot (NOx) i de peste 100 de ori mai multe particule nearse (fumul negru). Dei ultimele tehnologii aplicate la motoarele diesel (common rail-ul, de exemplu) au permis reducerea multor poluani totui oxizii de azot i particulele nearse rmn principalii poluani ce trebuie eliminai potrivit viitoarelor norme Euro-5. n motorul diesel amestecul aer-motorin atinge o temperatur de autoaprindere de circa 450 grade C, inferioar temperaturii la care are loc arderea n motoarele pe benzin (900 grade C). Din acest motiv noxele ce rezult n motoarele diesel, dei sunt de acelai fel cu cele din motoarele pe benzin, sunt mult mai multe i mai importante calitativ.

Temperatura mai mic din camera de ardere a motorului diesel nu pemite arderea complet a particulelor i ele au aspect de granule microscopice cu dimensiuni ce variaz de la 100 nanometri pn la un micrometru. Acestea dau aspectul negru al gazelor de eapament, aa numitul fum negru att de cunoscut participanilor la traficul rutier, dar i pietonilor care l trag zilnic n piept. Particulele de fum emise de motoarele diesel sunt foarte toxice, fiind de dimensiuni foarte mici ele afecteaz cile respiratorii depunndu-se n plmni i favoriznd astmul i cancerul pulmonar. Sunt mai nocive pentru cei suferinzi, pentru copiii i persoanele n vrst. Principiul de tratare a particulelor nearse nu este complicat, ar fi suficienta utilizarea unui filtru fin pentru reinerea particulelor cu diametre mai mari de 50 nm lsnd s treac gazele arse (tehnologia ceramic pe baz de carbur de siliciu permite realizarea unor asemenea filtre), dar ca orice filtru care se umple cu impuriti trebuie i curat sau nlocuit elementul filtrant , i filtrul de particule, dup un rulaj de 500-1000 km, se ncarc cu particule blocnd circulaia gazelor arse i perturbnd n acest fel funcionarea motorului. Un filtru de particule , uneori numit i ca DPF (diesel particulate filter) este un subansamblu care face parte din sistemul de evacuare i ajut la post arderea particulelor i fumului din

gazele de evacuare.

Filtrul antiparticule este format din canale minuscule din ceramic poroas, impregnat cu platin i nchise la un capt: gazele de evacuare reuesc s treac prin pori, n timp ce pulberile sunt reinute.Atunci cnd se acumuleaz pulberi, colmatndu-se filtrul, este necesar eliminarea lor prin ardere, graie unui proces numit regenerare. n acest scop , temperatura filtrului DPF este ridicat la mai mult de 600 C prin intermediul unei ntrzieri a procesului normal de injecie i prin activarea unei post-injecii care trimite motorina nears n filtru.

Filtru de particule Volkswagen Golf IV

6

n graficele de mai sus se arat temperaturile filtrului DPF n diverse regimuri de rulare, la funcionare normal (n stnga) i n timpul regenerrii(dreapta). Se observ c n ora se nregistreaz condiiile cele mai dificile, din cauza temperaturilor sczute atinse.

Filtrele de particule au fost folosite nc din anii 1980, dar pe autovehicule numai din 1996. Motoarele diesel n timpul arderii amestecului de combustibil/aer produc a varietate mare de reziduuri numite particule, datorit arderii incomplete a amestecului. Compoziia acestor particule difer n funcie de tipul, vechimea i clasa de emisii poluante al motorului.

7

Procedeul de

regenerare nici nu este sesizat de ofer. Peugeot-Citroen au fost primii constructori care au pus la punct filtrul de particule, pe un automobil diesel Peugeot 607 n anul 2000, de atunci fabricnd peste un milion de motoare diesel dotate cu acest filtru ( pentru modelele C3,C4, C5, C6, C8 i pe 307, 407, 607, 807).

Prima soluie antiparticule dateaz din 2001 i aparine grupului PSA, este vorba de filtrul activ de particule ( FAP ) i se difereniaz de DPF prin aditivul care coboar temperatura de regenerare la circa 400 C i scurteaz durata procesului.

n funcie de model filtrul FAP trebuie nlocuit iar aditivul trebuie completat la fiecare 120 pn la 180.000 km. n anii urmtori i-au urmat i ali fabricani de automobile printre care amintim pe Opel (Meriva, Zafira, Vectra i Signum), Renault (Megane, Scenic, Laguna,

Fig.4. Filtru de particule Bosch

8

Vel Satis), Ford (Focus i C-Max), Alfa Romeo (159, 166), Audi (A3, A4, A6, A8, Q7), BMW (Seria 3, 5, 7 si X3), Fiat (Croma i Doblo), Mazda MZR (5.20 si 6.20), VW (Phaeton

i Touareg), Mercedes (A, B, C, E, ML, CLK) i altele. Costul montrii unui filtru de particule pe un motor diesel common rail este destul de ridicat fiind cuprins ntre 300 i 900 euro (600 euro n medie).

Prima generaie de filtre de particule prevedea nlocuirea filtrelor la 80.000 km rulai, a doua generaie, fabricat n 2002, care utiliza un aditiv, a mrit intervalul la 120.000 km rulai. Ultima generaie de filtre, fabricat n 2005, nu mai necesit nlocuirea elementelor acestea regenerndu-se n mod permanent.

9

Pentru a hotr cnd este nevoie de regenerarea filtrului DPF, dieselurile din grupul FIAT nregistreaz regimul de utilizare a motorului (numrul de rotaii i poziia acceleraiei): n graficul de mai jos, cele apte condiii de rulare luate n considerare. Sistemul apreciaz cantitatea de pulberi produs: n cazul unor probleme la motor valorile reale ale emisiilor sunt sczute din cele estimate, dar senzorii de presiune evalueaz colmatarea filtrului i dac e nevoie, atrag atenia prin intermediul unui martor luminos.

10

Particulele colectate trebuie arse pentru a cura filtrul, unele filtre sunt de unic folosin, altele sunt proiectate pentru a arde particulele colectate fie prin folosirea unui catalitic (passiv) sau prin metode active cum ar fi :arderea combustibilului pentru a nclzi filtrul la temperetura de ardere a fumului; modificare managementului motorului pentru a

intra ntr-un regim special de funionare cnd se umple filtrul prin nclzirea gazelor de evacuare sau prin producerea unor cantiti mari de NO2 care va oxida particulele la temperatur scazut; sau prin alte metode.

Materialul poluant capturat n filtru este alctuit n mare parte din carbon i hidrocarburi, arderea lor se realizeaz dup dou tehnici. 1. Arderea prin folosire de O2

[C] + O2-> CO2

2. Arderea prin folosirea de (NO2).

[C] + NO2 -> CO2 + NO

Bazat pe O2 Bazat pe NO2

Temperatura necesar regenerrii

Temperatur necesar este aproximativ 600C (sau 400C la catalizatoare cu post ardere).

Reacia apare de la 250C.

Gaze folosite n reacia de regenerare

Gaz abundent n O2 NO2 realizat din NO n gazele de evacuare

Sistemele bazate pe NO2 sunt mai favorabile deoarece temperatura la care are loc reacia este mult mai mic i se poate atinge de orice motor diesel.

Filtre de particule Ford pentru motorizrile 1.6TDCi i 2.0TDCi

11

Filtrul poate fi montat i pe dieselurile aflate deja n circulaie, i spre deosebire de colectoarele de serie, filtrele post-producie nu au nevoie de o strategie sofisticat de regenerare i de senzori, pentru c funcioneaz diferit: de fapt nu rein particulele pentru a le arde periodic, ci transform n mod chimic permanent pulberile care trec prin canale deschise.

Eficiena lor, ns nu este optim : filtrele de serie elimin 90% dintre pulberi, n timp ce celelalte opresc cel mult 50% . Filtrele DPF post-producie folosesc bioxidul de azot produs de catalizatorul de serie pentru a reaciona cu carbonul (adic particulele) obinnd anhidrid carbonic i oxid de azot .