Fig. 3.4. Metode de obținere a materialelor metalice celulare 9 [601559]

Autor: ing. Ionut -Valentin RADU Cond. științific:Prof.univ.dr.ing. Ionel SIMION Sisteme de reducere a reziduurilor rezultate în urma procesului de ardere la motoare
51
Fig. 3.4. Metode de obținere a materialelor metalice celulare [9]
3.2.3 Procedeul de spumare prin injectarea gazului în topitura metalică
Procesele de injectare cu gaz sunt ușor de implementat utilizând aliaje de aluminiu
deoarece acestea au o densitate scăzută și nu se oxidează puternic atunci când topitura este
expusă în aer sau alte gaze care conțin oxigen. [28]

Fig. 3.5. Ilustrare schematică a procedeului de spumare directă a topiturilor metalice

3.2.4 Tehnologii de obținere a spumelor metalice destinate construcției supuraților SPUME METALICE
-MATERIALE CELULARE METALICE –
METAL ÎN STAMRE
LICHIDĂ
Spumarea prin injectarea gazului în
topitură metalică
Spumarea topiturii metalice cu agenți
reactivi
Spumarea topiturii din pulbere presată cu
agenți reactivi
Turnarea in matriță de ceară sau polimeri
Solidificarea eutecticulului gaz -metalMETAL IN STARE
SOLIDĂ
Înglobarea gazului
Sinterizarea sferelor goale
Sinterizarea pulberilor
metaliceVAPORI
METALICI
Depunerea
vaporilor

Autor: ing. Ionut -Valentin RADU Cond. științific:Prof.univ.dr.ing. Ionel SIMION Sisteme de reducere a reziduurilor rezultate în urma procesului de ardere la motoare
52 catalitici
O variantă a acestui proces, utilizat pentru nichel și cu rezultate bune, folosește o reacție
a fazei de gaz de a depune direct metal. La temperaturi ridicate, Ni(CO) 4 se descompune pentru
a forma Ni. Principalele etape în acest proces sunt prezentate în figura 3.6.
O performă a polimerului cu celule deschise (1) este acoperită cu un puternic material
absorbant de infraroșu (2), de obicei pigmenți de negru de fum sau adecvate. În scopul de a
evita descompunerea spontană a gazului departe de suprafață, stratul de acoperire este ales
pentru a absorbi puternic radiațiile cu infraroșu de o frecvență care este slab absorbită de carbura
de nichel sub formă de gaz.
Radiațiile cu infraroșu sunt utilizate pentru încălzirea polimer ului, astfel încât Ni(CO) 4 se
descompune la suprafață și depune un strat de polimer de nichel (3 și 4). Structura celulei este
apoi sinterizată pentru a elimina polimerul (5 si 6).
Hidrogenul poate fi adăugat la carbura de nichel pentru a cataliza descompu nerea.

Este folosit un singur
polimer de spumă cu celule
deschise. Se acoperă cu carbon
negru. Se introduce într -un
container plin cu carbură de
nichel (gaz). Radiații cu infraroșu lovesc
suprafețele acoperite prin incălzirea
polimerului de spumă.

Polimerul de spumă
este acoperit cu un strat de
nichel. Spuma este apoi
sinterizată la o temperatură
mare pentru a descompune
polimerul. Se produce o spumă cu celule deschise cu aceași structură ca
cele ale polimerului de spumă.
Fig. 3.6. Ilustrare schematică a procedeului de spumare directă a topiturilor metalice
Se pretinde că spumele produse prin utilizarea acestei metode sunt mai puternice din
punct de vedere mecanic și au o conductivitate mai bună decât spumele galvanizate, în principal
din cauza suprafețelor lin obținute.
Această tehnică de depunere este utilizată în scop comercial pentru a produce o spumă de
nichel cu celule deschise cu dimensiuni între celule de 20 μm – 400 μm și porozități la fel de
mari de circa 99%.
La astfel de spume, se estimează faptul că suprafața desfășurată a 1 m3 ar putea fi
echivalentă cu suprafața a trei terenuri de fotbal – respectiv 20000 m3.

Autor: ing. Ionut -Valentin RADU Cond. științific:Prof.univ.dr.ing. Ionel SIMION Sisteme de reducere a reziduurilor rezultate în urma procesului de ardere la motoare
53 NOȚI UNI TEORETICE PRIVIND CATALIZA
CAPITOLUL 4 DESTINAȚI REDUCERII POLUĂRII MEDIULUI
AVÂND ÎN COMPONENȚA SA SPUME METALICE
4.1 Orientări, direcții, obiective cunoscute, stadiul existent
Majoritatea reacțiilor catalitice utilizate în pr ocesele de combatere a poluării se realizează
în cataliză eterogenă, când catalizatorul și reactanții formează faze distincte. Reacția se produce
la interfața dintre cele două faze formate de reactanți (faza gaz sau lichid) și catalizator (faza
solid).
Pe lângă catalizatorii solizi, care au cea mai mare utilizare, în procesele de depoluare se
utilizează și reacții biocatalitice, omogene sau eterogene, în care se folosesc drept catalizatori
enzime, bacterii, etc.
Intervenția catalizatorului în cinetica reacț iei chimice este determinată de afinitatea
acestuia față de reactanți. Pentru catalizatorii solizi pe suprafața externă (geometrică) și
suprafața internă (suprafața porilor) există zone care au afinitate diferențiată și zone total
inactive față de reactanț i. Zonele active catalitic se definesc drept centri activi. În cazul
catalizatorilor solizi, suprafața activă reprezintă mai puțin de 0,1 % din suprafața totală a
catalizatorului .
Interacțiunea reactant -catalizator conduce la formarea unor complecși inter mediari,
bogați în energie liberă, instabili, denumiți complecși activi de suprafață, care se descompun
sau reacționează cu alți reactanți formând produșii de reacție și refăcând catalizatorul.
Spre exemplificare se consideră reacția mono moleculară: AB → A + B care se poate
realiza catalitic și necatalitic.
În prezența unui catalizator C, aceeași reacție se va desfășura conform următoarei scheme:
𝐴𝐵+𝐶⟶𝐴𝐶+𝐵 (42)
𝐴𝐶⟶𝐴+𝐵 (43)
Intermediarul AC reprezintă complexul activ care, fiind bogat în energie liberă, se
descompune cu reformarea catalizatorului C. Dacă produsul AC este stabil, acesta reprezintă
produs de reacție, iar C nu mai are calitatea de catalizator.
4.2 Principalele proprietăți ale catalizatorilor
Caracterizarea catalizatorilor se realizează printr -un complex de proprietăți care se pot
grupa în:
– proprietăți fundamentale: activitate, selectivitate, stabilitate;
– proprietăți secundare: regenerabilitate, reproductibilitate, caracteristici
morfologice și termice, rezistență mecanică, pre ț, etc.
Determinarea acestei diversități de proprietăți, de natură catalitică, fizico -chimică sau
mecanică se realizează printr -un complex de metode fizico -chimice și teste catalitice specifice.
Faza activă poate fi constituită dintr -un singur compus chimi c (component de bază)sau
din mai mulți compuși adăugați la componentul de bază pentru creșterea performanțelor
catalizatorului: activitate, selectivitate, stabilitate termică, rezistență la dezactivare.
4.3 Etape în desfășurarea proceselor catalitice
Într-un proces de cataliză eterogenă transformarea reactanților în produși finali de reacție
se realizează printr -o succesiune de etape intermediare distincte din punct de vedere cinetic.
Fiecare dintre acestea, în raport cu condițiile de desfășurare a pro cesului, poate fi etapă
determinată pentru viteză de reacție. Etapele procesului catalitic la nivelul unei granule de
catalizator (figura 4.1) presupun:

Autor: ing. Ionut -Valentin RADU Cond. științific:Prof.univ.dr.ing. Ionel SIMION Sisteme de reducere a reziduurilor rezultate în urma procesului de ardere la motoare
54
Fig. 4.1. Etapele proceselor catalitice la nivelul granulei de catalizator
1 – difuzia externă a reactanților din mediul de reacție la suprafața granulei; 2 – difuzia internă prin
porii granulei; 3 – absorbția reactanților pe centrii activi; 4 – reacția chimică în fază absorbită; 5 –
desorbția produșilor de reacție de pe centri activi; 6 – difuzia int ernă a produșilor spre suprafața
exterioară a granulei; 7 – difuzia externă a produșilor de la suprafață în faza fluidă.
4.3.1 Difuzia reactanților și a produselor de reacție
Transferul reactanților din faza fluidă spre centrii activi și al produselor de reacție în sens
invers se realizează prin difuziune în două etape:
 Difuzia externă prin filmul staționar realizat în jurul granulei de catalizator.
Pentru a avea acces la suprafața granulei de catalizator, moleculele reactanților, trebuie
să străpungă stra tul limită format în jurul granulei, care se opune transferului de masă,
determinând diminuarea accentuată a concentrației în zona limitrofă suprafeței exterioare a
particulei de catalizator.
 Difuzia internă care asigură transferul reactanților de la supra fața granulei, prin pori, spre
centrii activi.
Forța motrice pentru difuzia internă este diferența dintre concentrațiile reactanților la
suprafață (cs) și în interiorul granulei (pori) (c i).
Funcție de raportul între diametrul porilor și cel a moleculelor de reactant, difuzia internă
se poate realiza prin trei mecanisme distincte:
-difuzie moleculară pentru pori cu dimensiuni mari, peste 1000 Å, la care drumul liber
mijlociu al moleculelor este mai mic de cel puțin 10 ori ca raza porului. În acest caz deplasarea
moleculelor se realizează practic numai ca urmare a ciocnirilor dinte ele, iar coeficientul de
difuzie nu depinde de mărimea porilor.
-difuzie Knudsen pentru pori cu dimensiuni mici (~ 1000 Å), la care drumul liber mijlociu
este comparabil cu diametrul porilor. În acest caz ciocnirile intermoleculare pot fi neglijate, iar
deplasarea moleculelor în interiorul porilor se realizează ca urmare a mișcării lor dezordonate
întreruptă de ciocnirea cu peretele.
-difuzie superficială realizată prin deplasarea moleculelor adsorbite pe suprafața internă
a catalizatorului în sensul descreșterii concentrației la suprafață . Acest tip de difuzie este
controlat de echili brul de adsorbție stabilit pentru reactantul aflat în cele două faze: adsorbit și
gaz.
4.3.2 Clasificarea metodelor de obținere a catalizatorilor
Prepararea unui catalizator presupune parcurgerea următoarelor etape generale:
-selectarea componenților chimi ci inițiali (precursori) funcție de natura elementelor
active și de reacțiile specifice prin care aceștia se pot transforma în faza activă catalitic;

Autor: ing. Ionut -Valentin RADU Cond. științific:Prof.univ.dr.ing. Ionel SIMION Sisteme de reducere a reziduurilor rezultate în urma procesului de ardere la motoare
55 -prepararea efectivă a catalizatorului pe baza unor operații unitare a căror succesiune
depinde de starea de dispersie a fazei active (catalizatori masici și suporturi, catalizatori
suportați, sau monolitici);
-operații specifice realizate în situ în procesul în care se utilizează catalizatorul (reduceri,
sulfurizări, activare etc.).
4.4 Prepararea suporților de catalizator
Suporții catalizatorilor trebuie să asigure o suprafață mare de reacție, o bună rezistență la
șocuri termice și un cost redus. Suportul cel mai utilizat până în prezent este alumina granulată.
Pe lângă monoliții de alumina s -au inventat și structurile tip fagure obținute prin
extruziune dintr -un material numit cordierit (2MgO 5SiO 2.2Al2O3). Acești faguri extrudați au un
coeficient scăzut de dilatare termică, o suprafață de depunere a substratului catalitic foarte mare,
de aproape 90 inch2/inch3 ( 228.6 cm2/cm3) și o rezistență la temperaturi de utilizare ce se
apropie de 1300°C.

Autor: ing. Ionut -Valentin RADU Cond. științific:Prof.univ.dr.ing. Ionel SIMION Sisteme de reducere a reziduurilor rezultate în urma procesului de ardere la motoare
56 REDUCEREA POLUARII PRIN CATALIZĂ
CAPITOLUL 5 STADIUL ACTUAL AL CERCETĂRILOR DE
CATALIZĂ DESTINATE REDUCERII POLUĂRII
5.1 Orientări, direcții, obiective cunoscute , stadiul existent
La sfârșitul anilor 1970 s -a descoperit că diferite combinații de platină, Pt, și rodiu, Rh,
(metale prețioase a căror activitate catalitică era cunoscută în chimie de mai de mult timp) pot
oxida simultan oxidul de carbon CO și hidrocarb uri HC și de asemenea pot reduce și diferiți
oxizi ai azotului NOx, dacă raportul aer/carburant este menținut în apropierea punctului
stoichiometric. Deoarece se produc trei reacții catalitice, catalizatorul bazat pe principiile de
mai sus s -a numit ,,cu t rei căi” [101], [104], [63].
Catalizatorii numiți cu ,,trei căi” prezintă, principial, următoarea compoziție :
 0,1…0,15 % metale prețioase cu un raport Pt/Pd de 5 la 1;
 concentrații diferite de CeO 2 sau de (CeO 2 + ZrO 2) în stratul superficial al suprafețe i
catalitice;
 suportul de γ -Al2O3 stabilizat cu 1…2 % La 2O3 și / sau BaO.
Cheia succesului în utilizarea catalizatorilor cu ,,cu trei căi” (activi în oxidarea simultană
a CO, HC și reducerea NO x la N 2) constă în controlul variației amestecului aer / benzină
(aplicația pentru motoarele cu benzină) într -un domeniu foarte îngust de cca. ± 0,05% în jurul
valorii de ~14,6, valoare ce reprezintă raportul stoichiometric al arderii. Controlul acestei
abateri față de stoechiometrie s -a făcut cu un senzor de oxigen O 2 numit și sondă lambda [100],
[63].
Aceasta se montează pe conducta de evacuare a gazelor înaintea intrării lor în umplutura
catalitică. Catalizatorii folosiți actualmente conțin mari cantități de CeO 2 în amestec cu Al 2O3
și s-au dovedit foarte eficienți în oxidarea completă a componentei lichide de particule (FOS)
fără a genera SO 3.
O perfecționare a compoziției catalizatorilor a fost aceea de a depune Pt pe suportul de
Al2O3 cu adaos masiv de CeO 2 și un zeolit. Rolul zeolitului este acela de a stoca intermediar
hidrocarburile nearse emise pe durata funcționării la rece, cu eliberarea lor ulterioară pentru
oxidare pe Pt după creșterea corespunzătoare a temperaturii. Toate aceste substanțe chimice
sunt de puse pe monoliți ceramici.
5.2 Suporți ceramici pentru catalizatori
a) Tehnologia CERCOR
Elementul de catalizator ,,Cercor” este constituit dintr -o structură de fagure din ceramică
cu pereți subțiri. Această structură este fabricată prin înfășurarea unor s traturi alternative de
hârtie celulozică poroasă plană și ondulată, acoperite cu o pastă de sticlă solubilă cu o
compoziție adecvată (alumino -silicat de litiu, figura 5.1).

Fig. 5.1. Alumino -silicat de litiu in forma naturală
Înfășurarea straturilor se face până se obține o structură cilindrică cu diametrul și
lungimea dorite. După înfășurare, cilindrul format este prelucrat termic la aproape 1250 prin
ardere, proces prin care se realizează sinterizarea și cristalizarea post ar dere a materialului

Autor: ing. Ionut -Valentin RADU Cond. științific:Prof.univ.dr.ing. Ionel SIMION Sisteme de reducere a reziduurilor rezultate în urma procesului de ardere la motoare
57 ceramic depus înainte de înfășurare. Pentru ultimul proces, structura sinterizată este răcită la
100°C cu viteză controlată.
b) Suporți din pelete de alumină
Convertorul catalitic este fabricat din pelete care sunt obținute din γ -Al2O3 cu o densitate
de 0,68 g / cm3 și un diametru aproximativ 4 -6 mm. Peletele au forma geometrică de bază sfera
sau cilindrul, și prezintă o foarte bună rezistență la strivire și abraziune [95], cât și o bună
suprafață de reacție , mai ales datorită porilor s uperficiali s pecifici structurilor ceramice.
Convertorul catalitic fabricat din pelete are următoarele dezavantaje: este greu și se
încălzește încet până la temperaturile necesare reacțiilor de oxidare catalitică, pentru a putea fi
eficient chiar de la sta rtul motorului; abraziunea granulelor în timpul funcționării convertorului
conduce la antrenarea prafului rezultat în mediul ambiant, cu implicații majore privind poluarea
mediului. Are avantajul că la cca 80467 de km se poate înlocui catalizatorul, turnân d pur și
simplu alte granule în containerul de metal, având în pr ealabil scoase granulele vechi.
c) Cerințele pe care trebuie să le îndeplinească un substrat
Pentru a fi acceptat pe piață , un substrat de convertor catalitic trebuie să îndeplinească un
ansamblu de cerințe dintr e care se vor enumera selectiv:
– substratul trebuie să poată fi acoperit cu un strat de catalizator cu o mare suprafață fizică
BET;
– trebuie să aibă o capacitate calorică scăzută, o masă termică scăzută și un coeficient de
transfer a l căldurii ridicat, pentru a permite schimbul de căldură între gazele de eșapament și
substratul solid;
– să aibă o arie mare a suprafeței specifice de reacție per volum, astfel încât într -un spațiu
minim să se poată realiza o viteză de oxidare corespunzătoare a componentelor CO, CH x, sau
reducere a NO x;
– să fie rezistent la o temperatură de utilizare mare care să acopere și creșterile accidentale
de temperatură pe perioadele de funcționare în afara regimului normal a motoarelor;
– să aibă o bună rezistență la șocuri termice, pentru a face față atât la regimurile staționare
de funcționare ale motoarelo r cât și la cele de șoc termic.
5.3 Dimensiuni și modele de celule
Matrița de extrudare trebuie să f ie proiectată astfel ca să realizeze cerințele de mai sus,
fără a se ajunge la costuri ridicate de fabricare a acestor matrițe [12]. Două forme de celule s –
au dovedit a îndeplini aceste cerințe privitoare la cost și la posibilitățile tehnologice: celula
pătrată și celula în formă de triunghi echilateral. Celulele sunt dimensionate prin distanța între
celule L, prin grosimea pereților t și prin raza de racordare R, parametru care variază în timp
din cauza uzurii matriței în contact cu mediul abraziv care est e alumina sau alte materiale
ceramice.
5.3.1 Mărimea suporților de catalizator
Mărimea suporților de catalizator este determinată de două grupe de factori: 1. factori de
performanță (debitul de gaze convertibil, performanța light -off, eficiența conversiei etc.); 2.
factori de construcție (formula stratului de placare, încărcarea cu catalizator a suportului etc.).
5.4 Proprietățile fizice ale suporților de catalizator
Proprietățile fizice ale suporților de catalizator pot fi grupate în proprietăți termice,
proprietăți mecanice și durabilitatea [70].
a) Proprietățile termice
Principalele proprietăți termice sunt reprezentate de:
 căldura specifică cp;
 conductivitatea termică K;
 coeficientul de dilatare termică CTE.
b) Proprietățile mecanice
Principalele proprietăți mecanice sunt reprezentate de:

Autor: ing. Ionut -Valentin RADU Cond. științific:Prof.univ.dr.ing. Ionel SIMION Sisteme de reducere a reziduurilor rezultate în urma procesului de ardere la motoare
58  rezistența la compresiune;
 constanta la oboseală;
 modulul E.
Rezistența la compresiune, este măsurată în trei feluri distincte și anume: strivire
(compresiune) uniaxială pe direcțiile axială A, tangențială B și di agonală C; compresiune
izostatică 3D; compresiune biaxială 2D.
Metodologia de măsurare a constantei la oboseală, n, presupune măsurarea MOR la
temperatura de regim și a umidității relative, pentru cinci valori diferite de solicitare, niveluri
între care să existe un interval de minim o decadă.
Modulul E al fagurilor de ceramică extrudată se obține prin măsurarea frecvenței de
rezonanță a barelor MOR într -o gamă de temperaturi.
c) Durabilitatea fizică
În practică, un convertor catalitic trebuie să aibă o dur ată de viață (durata de utilizare)
[12] de cca 165000 km. Durata de viață se referă atât la durabilitatea catalitică cât și la
durabilitatea fizică. În lucrare, se descriu toate aspectele, teoretice și practice, care se iau în
considerare în vederea proiec tării corecte a convertorului catalitic. În esență , acestea se referă
la designul ambalajului, durabilitatea mecanică și durabilitatea termică.
5.5 Îmbunătățiri aplicate suporților de catalizatori ceramici
Scopul acestor îmbunătățiri constă în asigurarea, prin soluțiile adoptate la suporții de
convertor, unei contra -presiuni cât mai mici care să nu influențeze negativ funcționarea
motoarelor și mai ales rapiditatea evacuării gazelor, fenomen de care depinde și rapiditatea de
umplere a camerelor de combustie .
Îmbunătățirile au vizat cordieritul cât și reducerea grosimii pereților structurii. În acest
sens s -a ajuns la cordierit standard și la cordierit cu pereți subțiri, realizat prin extrudarea unei
compoziții dense de cordierit, cunoscut azi sub denumirea d e Celcor XT. Studiul cercetărilor,
teoretice și experimentale, efectuate au pus în evidentă o serie de aspecte precum [70]:
 substraturile cu pereți subțiri asigură valori ale GSA similare, sau mai mari,
decât în cazul substraturilor standard, ceea ce conferă o activitate mai bună a
catalizatorului sau, în cel mai rău caz, echivalentă;
 convertoarele executate cu pereți subțiri prin extrudare sunt caracterizate
printr -o sporire a durabilității ca rezultat a realizării unei compoziții foarte
dense compara tiv cu cea a substanțelor standard;
 substraturile cu pereți subțiri permit, comparativ cu pereții standard, reducerea
valorii factorului de integritate mecanică cu cca 42 %.
5.6 Catalizatori metalici și de metal pe suport
Metalele pot fi prelucrate în forme potrivite pentru a realiza o fază activă de cataliză, în
reacții care implică hidrogenul și oxigenul. Ca metale active se citează nichelul, cuprul, fierul,
paladiul, argintul etc., iar catalizatorii pot avea formele de extrudate, pelete, granule, mon oliți,
țesături etc.
a) Pulberi metalice, granule și structuri formate din metal
Dintre pulberi, cele mai folosite la reacții catalizate în sistemul lichid -gaz au fost pulberile
Raney. Finețea granulelor face să apară probleme legate de pierderile de presi une prea mari pe
circuitul tehnologic. În stare proaspătă, aceste pulberi au arii mari ale suprafețelor specifice, dar
aceste suprafețe scad rapid la folosirea lor îndelungată la temperaturi înalte, deoarece
temperatura ridicată favorizează sinterizarea și astfel se obțin cristalite de metal mari care au
suprafață fizică totală mult mai mică decât cristalitele mici fin dispersate.
Granulele au ariile suprafețelor în domeniul 30…35 cm2 g-1. Cele mai folosite sunt
granulele de argint folosite la conversia m etanolului în formaldehidă prin dehidrogenare
oxidativă. În timpul folosirii, aria suprafeței crește datorită unei restructurări a atomilor de

Autor: ing. Ionut -Valentin RADU Cond. științific:Prof.univ.dr.ing. Ionel SIMION Sisteme de reducere a reziduurilor rezultate în urma procesului de ardere la motoare
59 argint la suprafața granulelor, în sensul fărâmițării marilor cristale de la suprafață în altele mai
mici, dând a stfel valori ale suprafețelor metalice specifice de 40…45 cm2.g-1.
Țesăturile metalice se folosesc în mod clasic la oxidarea amoniacului cu aer, obținându –
se monoxid de azot care este punctul de plecare la fabricarea acidului azotic. În industrie, se
folosește o țesătura de platină / rodiu (cca 10% rodiu).
Monoliții metalici folosiți în domeniul auto prezintă o rezistență hidraulică
(contrapresiune) foarte scăzută. Apariția acestora a dat ideea utilizării lor drept catalizatori de
pornire, adică folosirea lor în perioada când catalizatorii ceramici nu ating temperatura de
reacție necesară pentru conversia tuturor emisiilor. În unele privințe, este surprinzător că
monoliții de metal nu au fost primele soluții pentru cataliza auto. Sistemele metalice bine
concepute pot avea, fală de variantele de ceramică, compresiunea foarte mică, rezistență
mecanică ridicată, rezistență foarte bună la degradare termică, suprafață geometrică mare pe
unitate de volum, greutate mică și manevrabilitate mai mare ca ceramica, dar suprafață fizică
de reacție mai mică. Dezvoltarea formelor metalice pentru substratul de cataliză a fost
întârziată, în primul rând, deoarece gazul de evacuare este foarte coroziv [95] datorită
conținutului de sulf al combustibililor și a reacției acestui a cu apa rezultată din ardere. Prezența
sulfului, sub orice formă, în combustibilii de alimentare elimină din start utilizarea unui metal
cu proprietăți catalitice pentru reacțiile ce au loc în toba de eșapament deoarece sulful este cea
mai puternică otrav ă a suprafețelor metalice catalitic active.
b) Substraturi din metal acoperit
Aplicarea unui strat subțire de metal cu activitate catalitică pe un substrat de metal este o
metodă care conferă un mijloc eficace de a separa funcțiile mecanice de cele catalit ice.
Pentru suportul metalic cea mai uzitată metodă de fabricație este aceea de încrețire a unei
benzi de folie metalică pe o pereche de role care au dinți cu un profil predefinit (sinusoidal sau
triunghiular) și montarea acestei folii încrețite pe o altă folie plată, de lățime similară. Aceste
perechi de folii sunt rulate în jurul unui ax până se obține dimensiunea dorită a suportului. Cea
de a două metodă care se folosește pentru acoperirea substraturilor metalice presupune
acoperirea foliei metalice înai nte de construirea monolitului. Acoperirea se face prin tehnici de
vopsire, pulverizare sau imersie, cu aplicare unistrat sau prin straturi multiple. Eficiența și
simplitatea acestei metode este oarecum limitată de necazurile pe care le avem ulterior la
sudarea monolitului (sau la lipirea lui).
5.7 Catalizatore cu trei căi
Modificarea principală care pune în discuție dezvoltarea și pe mai departe a tehnologiei
de cataliză pentru gazele de eșapament este cea legată de regimurile de funcționare ale
motorului. Până la un moment dat acestea se refereau la regimul staționar, când cataliza era
stabilizată din punct de vedere termic și chimic. Acum, cerințele sunt diversificate pe relanti,
sarcina parțială și sarcina plină. Din datele prezentate în literatura din d omeniu, rezultă că în
condilii de mers în gol /relanti temperatura gazelor la intrarea în convertor este în general de
280 °C. Decalajul de creștere a temperaturii gazelor de la 280 la 300 °C este de două minute.
În această perioadă se emite în gazele de e vacuare până la 50 % din totalul de hidrocarbură
nearsă, ceea ce încalcă toate normele de poluare acceptate la această oră (în California aceste
limite se situează la valoarea de 0,04 g la km parcursă) [100], [102]. Soluțiile impuse de aceasta
constare și experimentate practic sunt:
 catalizator montat direct pe colectorul de evacuare;
 catalizator încălzit electric; capcane (filtre) de hidrocarbură;
 dispozitiv special de aprindere pentru gazele evacuate care conțin hidrocarburi
nearse;
a) Catalizator montat direct pe colectorul de evacuare
Aceste tipuri de catalizatori sunt proiectate să funcționeze la un raport stoichiometric
aer/combustibil mai sărac pentru ca astfel să fie oxidată imediat hidrocarbura nearsă în primele
minute de funcționare a motorului. La început, acești catalizatori aveau o deficiență și anume,

Autor: ing. Ionut -Valentin RADU Cond. științific:Prof.univ.dr.ing. Ionel SIMION Sisteme de reducere a reziduurilor rezultate în urma procesului de ardere la motoare
60 din cauza temperaturii prea ridicate la care funcționau după îndeplinirea rolului lor de la pornire,
sinterizau, ceea ce ducea la reducerea drastică a suprafeței catalitice. După ce au apărut
compo zițiile ceramice [62] care rezistă timp îndelungat la temperaturi de peste 1200 °C fără să
se sinterizeze, fenomenul acesta negativ a fost anihilat. Totuși nici azi în literatura de
specialitate nu se dau prea multe detalii și rețete pentru acești cataliza tori, în afară de mențiunea
că au la dispoziție un conținut ridicat de Pd.
b) Catalizator încălzit electric
Catalizatorul încălzit electric, reprezintă o alternativă. Se montează de asemenea în
apropierea conductei de evacuare, asigurarea atingerii imediat e a temperaturii Light -off fiind
determinată de suplimentul de energie electrică ce se folosește pentru aceasta.
Reducerea timpului de Light -off în acest caz este însemnată, sub 15 secunde, dar efectele
antipoluare sunt compensate de consumul suplimentar de energie [70]. Realizarea
catalizatorilor normali cu timpi Light -off mici, fără pericol de sinterizare a făcut ca această
soluție care este destul de scumpă să nu prolifereze ca soluție de serie mare.
c) Capcane (filtre) de hidrocarbură
Ideea este, după cum rezultă și din titlu, să se construiască elemente de stocare a
hidrocarburilor nearse, elemente care să se situeze înaintea catalizatorului principal. După ce
acest catalizator principal atinge temperatura necesară Light -off hidrocarbura va fi eliberat ă și
va fi convertită de către catalizatorul principal. Dezavantajul este acela ca materialele găsite a
fi apte pentru a ceasta depozitare (zeoliții) prezintă caracteristici contradictorii. Ei au capacitate
de depozitare dar nu au stabilitate hidrotermică suficientă la temperaturi ridicate fapt care -i face
să nu fie fiabili la folosirea de lungă durată.
d) Dispozitiv special de aprindere pentru gazele evacuate care conțin hidrocarburi nearse.
Principalul dispozitiv este o bujie care are rolul ca, la mărirea concentrației de
hidrocarburi a gazelor de evacuare, să le aprindă înainte ca ele să ajungă în toba catalitică.
Temperatura de funcționare eficientă se atinge astfel cam în 15 secunde.
Teoretic, analizându -se această problemă a excesului de hidrocarburi în perioada de
pornire, s -a ajuns la concluzia că există un potențial enorm cu privire la economia de carburant
atunci când motorul funcționează cu un amestec foarte sărac λ>>1 (sonda lambda ). În aceste
condiții de funcționare, se realizează scăderi substa nțiale ale emisiilor de NOx și CO2 ultimul
fiind tot mai evitat din cauza faptului că el determină în mare măsură efectul de seră.
 Componenta unei sonde de oxigen.
Rolul sau este de a informa calculatorul despre conținutul de oxigen din gazele de
eșapament . Un senzor denumit senzor de oxigen sau sonda lambda, a se vedea figura 5.2, este
montata pe galeria de eșapament sau în apropiere de intrarea catalizatorului.
Funcționarea sondei se bazează pe faptul ca ceramica utilizata conduce ionii de oxigen la
tempe raturi mai mari de 300°C. În anumite faze de funcționare daca temperatura sondei este
insuficienta, ea este încălzită electric.
Emisiile puternice de gaze de eșapament apar atunci când carburantul este incomplet ars,
motorul este defectos reglat, când se pornește sau se oprește motorul sau la deplasarea cu viteza
redusa, sonda măsoară în mod constant cantitatea de oxigen rămasă neconsumat ă în urma
arderii ECU (Electronic Central Unit – calculatorul central al mașinii ) folosește semnalele
primite de la sonda pentru a ajusta amestecul în vederea obținerii amestecului ideal: 14,8 kg aer
cu un kg benzina fără plumb, pentru așa-numitul factor lambda este egal cu unu.
Sonda lambda asigura sporirea eficientei catalizatorului, dar si emisii reduse de noxe în
atmosf era.

Autor: ing. Ionut -Valentin RADU Cond. științific:Prof.univ.dr.ing. Ionel SIMION Sisteme de reducere a reziduurilor rezultate în urma procesului de ardere la motoare
61
Fig. 5.2. Sonda lambda
1 Teacă de protecție.; 2 Element ceramic; 3 Filet; 4 Dulie de contact; 5 Dulie de protective; 6
Conectori electrici; 7 Ceramica scăldată de gaze de eșapament; 8 Ceramică scăldată de aer curat; 9
Rezistenta de încălzire
În sarcina maxima a motorului, de exemplu la viteza de vârf, pentru a menține viteza,
sistemul este dezactivat pentru a preveni sărăcirea exagerata a amestecului.
Sonda lambda are rolul de a regla amestecul aer -benzina – prin comanda asupra injecției
de benzi na – astfel încât acest amestec sa fie convenabil regimului de moment al motorului.
Daca sonda detectează prea mult oxigen în gazul evacuat, înseamnă că motorul merge cu un
amestec prea sărac (în combustibil); prin urmare, este mărita cantitatea de benzină . Daca,
dimpotrivă, este prea puțin oxigen în evacuare, înseamnă că amestecul este prea bogat și ECU
reduce cantitatea de benzina din admisie.
Defectarea sondei duce la funcționarea anormala a motorului. La fel și defecțiunile de
etanșare a admisiei de aer /circuitelor de reglaj vacuumatic – așa-numita admisie de „ aer fals” –
induce în eroare sonda lambda care d ă informația că amestecul este prea sărac . Prin urmare,
electronica (E CU) va ,,pompa” mai mult ă benzin ă în cilindri ( corespunzător cantității de aer
aspirat în mod normal + cel fals) și motorul va funcționa cu detonații în evacuare, eventual se
„ îneacă ". După reglajul amestecului aer -combustibil necesar unei arderi cât mai bune, gazele
evacuate ajung în așa – numitul „catalizator” unde, într-adevăr , gazele se oxidează la contactul
cu platina. Funcționarea defecta a unui motor cu o sonda de O 2 (lambda) defect ă determin ă
utilizarea de amestecuri bogate, rezultând un consum mărit de benzina, deteriorarea în scurt
timp a catalizatorului și uzura prematu ra a motorului, provocata de excesul de benzin ă care
ajunge în baia de ulei. Prin folosirea unui astfel de echipament se poate ajunge la o reducere a
emisiilor de până la 99%.
Amplasat ă pe tubulatura de evacuare, sonda lambda este un conductor de curent el ectric
a cărui intensitate variază în funcție de cantitatea de oxigen care traversează sonda. În interiorul
acesteia exista un material ceramic poros, din dioxid de zirconiu (ZrO 2). Intensitatea curentului
prin placa de zirconiu variază în funcție de număr ul de molecule de oxigen care traversează
materialul ceramic. Deoarece sonda funcționează optim doar la temperaturi mari, „la rece" ,
până când gazele de eșapament ating temperaturi de 600°C, sonda este încălzită de o rezistenta
din interiorul ei, după care căldura îi va fi furnizat ă chiar de temperatura gazelor de eșapament.
Anumite modele de autoturisme au chiar mai multe sonde, amplasate înaintea
catalizatorului (la unele modele exista sonde amplasate pe fiecare gura de evacuare de la fiecare
cilindru în parte), dar și după catalizator, pe traseul tubulaturii de evacuare a gazelor arse.
Constructorii recomandă verificarea sondei la fiecare 30000 de kilometrii sau la fiecare
doi-trei ani de funcționare a mașinii și schimbarea sondei în cazul când apar prob leme în
funcționarea acesteia.
Primul exemplu pozitiv în acest sens îl reprezintă motoarele Diesel, acestea sunt motoare
care într -adevăr funcționează cu un amestec foarte sărac. La motoarele cu benzina, sărăcirea
excesivă a amestecului carburant în compar ație cu stoichiometria, face ca arderea să devină
instabilă și, de aceea, este necesar un nou concept de combustie. Toyota, Honda și Mazda au

Autor: ing. Ionut -Valentin RADU Cond. științific:Prof.univ.dr.ing. Ionel SIMION Sisteme de reducere a reziduurilor rezultate în urma procesului de ardere la motoare
62 dezvoltat aceste noi concepte de ardere săracă și au obținut rezultate încurajatoare, fapt care le –
a permis să afi rme că producerea unor motoare cu amestec foarte sărac este posibilă la scară
industrială.
5.8 Principii de proiectare a catalizatorilor
Din punct de vedere calitativ, concepția pentru atingerea rapidă a temperaturii eficiente
de funcționare poate fi pusă în practică dacă:
 se mărește la maxim temperatura gazului la intrarea în convertor, respectându -se totuși
limitele impuse de materialul acestuia; se mărește la maxim transferul de căldură prin
convecție de la gazele de eșapament la catalizatorul solid, con comitent cu mărirea
conductibilității termice de la suprafața catalizatorului către interiorul acestui strat;
 se mărește la maxim aria suprafeței disponibile de cataliză pentru procesele de oxidare
exotermă și pentru procesele de reducere, ambele mărind su rsele generatoare de căldură
în interiorul catalizatorului.
Proiectarea efectivă a pragului termic de funcționare a sistemului înseamnă rezolvarea
unei ecuații matematice complexe care admite numai soluții numerice (Kuo, Comfort, Sun,
Young, Finlayson).
∇∙(𝑘∙∇𝑇)=𝑓(𝑥,𝑇)+ 𝜌𝐶𝑣∙ ∇𝑇
𝑇= 𝑇1 𝑝𝑒𝑛𝑡𝑟𝑢 𝑠𝑢𝑟𝑠𝑎 𝑆1 (44)
−𝑘𝑛∙∇𝑇= 𝜌1 𝑝𝑒𝑛𝑡𝑟𝑢 𝑠𝑢𝑟𝑠𝑎 𝑆2 (45)
−𝑘𝑛∙∇𝑇=ℎ∙𝜌1 𝑝𝑒𝑛𝑡𝑟𝑢 𝑠𝑢𝑟𝑠𝑎 𝑆3 (46)
Unde:
S1 = temperatura gazului;
S2 = temperatura gazului la intrarea în convertor;
S3 = temperatura gazului la ieșirea din convertor.
Prin aceste ecuații s -a demonstrat conform literaturi de specialitate posibilitatea practică
de a reduce timpul de atingere a funcționării eficiente de la cca 120 secunde la 5…7 secunde,
dacă amplasarea co nvertorului se face în apropierea colectorului de gaze evacuate.
Un parametru de proiectare este de asemenea căderea de presiune care este un element
important în alegerea structurii stratului de catalizator.
5.9 Dezvoltarea tehnologiilor de control a emis iilor auto prin dispozitive catalitice
 Instituirea standardelor stricte de normare a emisiilor vehiculelor începând cu
anii 1960, în vederea îmbunătățirii calități aerului pentru protejarea sănătății
umane, a condus la apariția unui domeniu de cercetare fo arte important și mai
ales sprijinit masiv de fonduri;
 Cercetarea privind găsirea unei soluții catalitice a acestei probleme trebuie să
facă față următoarelor cerințe:
 Îndepărtarea CO, HC și NO x din gazele de eșapament în situația în care aceste
gaze conțin cca. 10% H 2O, 10…60 ppm SO 2 și resturi de Zn și P;
 Funcționare stabilă la temperaturi de 350…1000°C; durabilitate până la
înlocuire de cca 40.000 Km;
 Între anii 1972…1979 au cunoscut un succes catalizatorii Pt/Pd/Al 2O3 care sunt suficienți
de durabili pentru a asigura o curățire de cca 90% de hidrocarburi și de CO a gazelor
evacuate;
 Introducerea în anul 1979, în USA [102] a obligației de reducere a NOx a condus la
apariția catalizatorulu i cu trei căi de generația a doua, bazat pe combinația Pt/ Rh/ Al 2O3;

Autor: ing. Ionut -Valentin RADU Cond. științific:Prof.univ.dr.ing. Ionel SIMION Sisteme de reducere a reziduurilor rezultate în urma procesului de ardere la motoare
63  În anul 2000 a fost impusă reducerea cu un ordin de mărime a emisiilor poluante iar
cerințele de durabilitate până la înlocuire au crescut peste limitele anterioare ajungând la
400.000 k m.
5.10 Importanța tehnică a tehnologiei de control catalitic a emisiilor auto
Această cerință tehnologică a fost satisfăcută prin eforturile creierii de noi materiale care
până la acel moment nu au mai fost elaborate. Este vorba de monoliții celulari, ceramici și
metalici, prevăzuți cu placări de materiale catalitice. Acești catalizatori trebuie să răspundă
cerinței de a asigura o eficiență ridicată a eliminării noxelor, o cădere de presiune redusă care
să nu afecteze funcționarea motorului, o rezistenț ă ridicată la șoc termic și un gabarit redus
pentru a putea fi montat în locurile cele mai favorabile din punct de vedere termic pentru
intrarea rapidă în regim staționar.
Soluția clasică de folosire a aluminei pentru suportul de catalizator a fost îmbunăt ățită
prin adăugarea de oxizi de Ce, ceriu, și La, lantan, pentru creșterea stabilității termice ceea ce a
condus la depășirea temperaturii de 1000°C.
Mai mult, folosirea oxizilor de CeO 2 și LaO 3, a condus la ridicarea rezistenței
catalizatorilor față de sinterizarea metalului activ la temperaturi mari de funcționare . Aceiași
oxizi joacă în paralel un rol important în asigurarea unei capacități de stocare și transfer a
oxigenului, contribuind la îmbunătățirea funcționării acestui catalizator în condițiile din jurul
echilibrului stoichiometric.
Asigurarea unei capacități de stocare a oxigenului a condus și la apariția soluției de
determinare a conținutului de oxigen cu senzori, montați în sistemul de evacuare în scopul
controlului exact al raportului aer/car burant în cadrul procesului de combustie.
5.11 Obiectivele cercetării
Analiza critică a tehnicilor actuale de cataliză și de construire a catalizatorilor, ne
permite să definim un domeniu de cercetare original, legat de următoarele limitări observate:
 Tehn ologia de extrudare a suporților de catalizator presupune costuri ridicate,
deoarece necesită echipamente speciale și SDV -uri costisitoare care sunt
supuse unei uzuri pronunțate când se lucrează cu oxizi ceramici;
 Metoda de depunere a metalelor catalitice pe suporții oxidici este impregnarea
care presupune un consum mare de metale având costuri ridicate. La
impregnare, controlul grosimii stratului de metal este relativ, și există
pericolul ulterior al exfolierii în anumite zone, în care stratul a fost mai m are
decât se cerea;
 Mărimea granulelor de oxizi care se folosesc la fabricarea suporților, oxizi
obținuți prin metalurgia pulberilor, este destul de mare, astfel ca și porii pe
care-i realizează sunt mari, fără ca acest lucru să conducă la o suprafață mare
de reacție catalitică deoarece spațiile dintre granule sunt anulate de forțele de
extrudare;
 Metodele actuale de determinare a suprafeței de reacție catalitică sunt
conforme cu stadiul staționar al reacțiilor. Perioada de tranziție, de la startul
procesul ui până la instalarea stadiului staționar, nu a fost deloc folosită în
caracterizarea suprafeței de reacție, deși ea are un potențial ridicat de
caracterizare a influenței creșterii temperaturii asupra reacției de cataliză.

Autor: ing. Ionut -Valentin RADU Cond. științific:Prof.univ.dr.ing. Ionel SIMION Sisteme de reducere a reziduurilor rezultate în urma procesului de ardere la motoare
64 METODE DE PURIFICARE
CAPITOLUL 6
STADIUL ACTUAL PRIVIND METODELE DE PURIFICARE A
GAZELOR DE EȘAPAMENT
6.1 Noxele rezultate în combustia motoarelor cu ardere internă
Motoarele cu ardere internă (m.a.i.), sunt de două tipuri, motoarele cu aprindere prin
scânteie (m.a.s.),cunoscute și ca motoare Otto, ce folosesc ca și combustibil benzină, și
motoarele cu aprindere prin compresie (m.a.c.), motoarele diesel, combustibilul acestor
motoare fiind motorina.
Într-un m.a.i. t emperatura gazelor de evacuare poate varia între 300 -400℃ la relanti și
900℃ în plină sarcină. Debitele de gaz ce parcurg sistemul de evacuare sunt foarte fluctuante,
în funcție de accelerații, decelerații și pentru un motor cu o cilindree medie, variază între 10 –
150m3/h.
Emisiile unui m.a.i., este un amestec ce conțin sute de co mpuși care circulă în atmosferă
sub formă de gaz, aerosoli și particule.
6.1.1 Compușii carbonați
În gazele de evacuare se găsesc două gaze pe bază de carbon și anume: dioxidul de carbon
(CO 2 ) și monoxidul de carbon (CO).
6.1.1.1 Dioxidul de carbon
Este u n gaz incolor, indoor și insipid, prezent în atmosfera terestră în proporție de 0,04%,
și este un gaz cu o foarte mare importanță în efectul de seră.
Este un produs final, normal al combustiei tuturor combustibililor carbonați (biomasă,
lemn, cărbuni, țițe i și derivați petrolieri).
Un studiu a arătat că din 18 Gt de CO 2 din lumea întreagă, 4.416 Mt de CO 2 sunt atribuite
autovehiculelor rutiere.
6.1.1.2 Monoxidul de carbon
Emisiile de CO provenind de la automobile au fost estimate în Franța la 6,5 Mt în 2015 ,
80% provenind de la autovehiculele particulare și restul de 20% de la vehiculele autoutilitare.
Monoxidul de carbon intervine hotărâtor în condițiile de trafic urban și datorită faptului
că motoarele cu benzină merg adesea la relanti, caz în care emisiil e pot conține peste 100 mg
CO/m3 de gaz de evacuare.
Surse: MAS 86%, MAC 5%, aeronave: 4%, nave maritime: 1%, căi ferate: <1%, altele:
4% (incluzând dezastrele naturale, incendii, etc.).
Reactivitatea atmosferică a monoxidului de carbon evită din fericire acumularea acestuia
în cursul timpului: radicalii OH oxidează CO și CO 2 printr -un mecanism ce implică și
monoxidul de azot:
𝐶𝑂+𝐻𝑂→𝐶𝑂2+𝐻 (47)
𝐻+𝑂2→𝐻𝑂2 (48)
𝐻𝑂2+𝑁𝑂→𝑂𝐻+𝑁𝑂2 (49)

Autor: ing. Ionut -Valentin RADU Cond. științific:Prof.univ.dr.ing. Ionel SIMION Sisteme de reducere a reziduurilor rezultate în urma procesului de ardere la motoare
65 6.1.2 Compușii azotați
6.1.2.1 Monoxidul (NO) și dioxidul de azot (NO 2 )

Întâlniți în general sub formă 𝑁𝑂𝑥 , cu 𝑥=(1,2), monoxidul de azot este cel mai
abundent dintre derivații nitrați prezenți în atmosferă, el reprezentând aproximativ 95% din
emisiile 𝑁𝑂+𝑁𝑂2.
La începutul anului 1990, cantitatea de 𝑁𝑂2, provenita de la autovehicule, era de
aproximativ 1.6 Mt în Germania, și de aproximativ 0,4 Mt în Franța.
Factorul de emisie de 𝑁𝑂𝑥, la motoarele diesel este de 60𝑔 𝑁𝑂𝑥/𝑘𝑔 de carburant, unde
𝑁𝑂2 reprezintă până la 35% din 𝑁𝑂𝑥 , pe când în cazul motoarelor pe benzină, 38% din 𝑁𝑂𝑥 ,
este 𝑁𝑂2.
6.1.2.2 Acidul azotic (𝑯𝑵𝑶𝟑)
Măsurătorile făcute în eșapamentele automobilelor echipate cu m.a.i. (a se vedea anexele
cu analiza fumului), arată că emisiile directe de acid azotic rămân neglijabile comparativ cu
cele produse în atmosferă prin oxidarea 𝑁𝑂𝑥.
6.1.2.3 Protoxidul de azo t (𝑵𝟐𝑶)
Protoxidul de azot este un gaz cu o stabilitate foarte mare comparativ cu ceilalți
componenți gazoși ce intră în 𝑁𝑂𝑥 și se măsoară prin tehnici analitice diferite.
Emisiile mondiale sunt evaluate la 6 Mt în 1990. Se consideră participarea surse lor auto
puțin importantă la cantitatea menționată, ea fiind de numai 5% din totalul estimat.
Protoxidul de azot este un poluant puțin activ în troposferă datorită reactivității sale
reduse, dar este un factor activ de atac al învelișului de ozon stratosfe ric.
6.1.2.4 Amoniacul (𝑵𝑯𝟑)
Amoniacul atmosferic constituie o sursă indirectă importantă de oxizi de azot. M.a.i.
nu contribuie decât cu câteva procente neglijabile vis -à-vis de sursele agricole.
În mod normal automobilele echipate cu m.a.i. Nu emit amoniac, decât în cazul defectării
sistemului catalitic de reducere a 𝑁𝑂𝑥.
6.1.2.5 Acidul cianhidric (𝑯𝑪𝑵) și produșii cianogeni [(𝑪𝑵)𝟐]
Acidul cianhidric și produșii cianogeni sunt un lichid, resp ectiv un gaz, inflamabili,
incolori și toxici.
În cazul motoarelor cu aprindere internă, NCH și (CN) 2 , sunt poluanți de excepție emiși
cu ocazia dereglării sistemelor de epurare catalitică.
Trecerea unui amestec de CO, NO și H printr -un catalizator de oxidare între 400℃ și
800℃ poate da naștere la HCN; în laborator a fost posibil ca la 700 ℃ pe un catalizator de
oxidare să se obțină aproximativ 700 ppm HCN, dar în condiții reale de funcționare pe
automobil, HCN nu depășește 1,5 ppm chiar în condiții de f uncționare anormală a
catalizatorului.
6.1.3 Compuși organici
6.1.3.1 Compuși organici volatili
Provin din trei surse principale:
-amestecuri sărace neinflamabile;
-volumul sacului injectorului;
-amestecuri bogate formate târziu în ciclul motor.
Cea mai ma re parte a combustibilului injectat este consumată de reacțiile rapide la valori
ale coeficientului de exces de aer apropiate de unitate, care practic nu generează hidrocarburi.
Acestea apar când temperaturile sunt prea mici sau există o lipsă locală de ox igen, când

Autor: ing. Ionut -Valentin RADU Cond. științific:Prof.univ.dr.ing. Ionel SIMION Sisteme de reducere a reziduurilor rezultate în urma procesului de ardere la motoare
66 amestecul este prea sărac sau prea bogat pentru a fi consumat de reacțiile rapide
stoechiometrice.
Lumina soarelui desface acești compuși formând oxidanți , care reacționează cu oxizii
azotului și creează ozon (𝑶𝟑) la nivelul solului, unul dintre componentele principale ale
smogului.
6.1.4 Hidrocarburi
Hidrocarburile emise de motoarele cu aprindere prin scânteie (m.a.s.) și motoarele cu
aprindere prin compresie (m.a.c.) prin gazele de evacuare sunt prevăzute în tabelele 6.1 și 6.2.
Tabelul 6.1 Compoziția tip a gazului de evacuare produsă de m.a.s.
Compuși chimici % masa
Alcani C2 1,2
Alcani C3 7,5
Alcani C4 4,6
Total Alcani 13,3
Alchene C2 10,0
Alchene C3 6,0
Alchene C4 1,5
Total Alchene 17,5
Aromatice C6 8,8
Aromatice C7 16,5
Aromatice C8 19,3
Aromatice C9 10,6
Total Aromatice 55,2
Altele 14,0
Tabelul 6.2 Compoziția tip a gazului de evacuare produsă de m.a.c.
Compuși chimici Hidrocarburi totale (% molare)
La relanti în sarcină
C2- C5 32 44
C6- C11 14 2
C12- C18 35 38
C18- C24 10 15
Altele 9 1
În clasa hidrocarburilor, datorită toxicității sale ridicate și a acțiunii sale cancerigene, un
caz aparte îl reprezintă benzenul (𝐶6𝐻6)
Cu toate că este produs și în alte activități industriale, se estimează că 80 -85% din
benzenul din atmosferă provine de la automobilele aflate în circulație .
Toate hidrocarburile aromatice acționează pentru formarea benzenului în gazele de
evacuare, alți compuși , cum ar fi alcooli și plumbul, rămân inerți.
La un vehicul echipat cu un motor cu aprindere internă, alimentat cu carburant ce conține
3,1% în greutate benzen și 40% alte hidrocarburi aromatice s -a găsit ca 44% din benzenul emis,

Autor: ing. Ionut -Valentin RADU Cond. științific:Prof.univ.dr.ing. Ionel SIMION Sisteme de reducere a reziduurilor rezultate în urma procesului de ardere la motoare
67 provine din combustie și restul de 56% a fost cre at în timpul co mbustiei din alte hidrocarburi
aromatice, olefine și cicloparafine.
Catalizatoarele montate pe automobile permit reducerea emisiilor de benzen, astfel ca, pe
un autovehicul echipat cu catalizator, emisiile medii de benzen sunt de 12,18 𝑚𝑔/𝐾𝑚, pe când
la un motor fără catalizator, emisiile de benzen sunt aproximativ de 270 𝑚𝑔/𝐾𝑚.
6.1.5 Hidrocarburi aromatice polinucleare
Hidrocarburile aromatice polinucleare (HAP) sunt hidrocarburi aromatice constituite din
mai multe cicluri benzenice sau ciclopentadienice. Majoritatea HAP -urilor se formează în urma
reacțiilor la temperatură înaltă, reacții ce implică piroliza și arderea incompletă a materialului
organic sau a produșilor carbonați în atmosfera parțial reducătoare.
HAP -urile au fost detectat e în faza gazoasă, în particular în gazele de evacuare a m.a.s.
este vorba în acest caz de HAP -urile cu masă moleculară mică.
La gazele de evacuare produse de m.a.c., o mare parte a acestor particule sunt absorbite
de particule de carbon ce provin de la ar derea carburantului.
S-au identificat unele derivații ale HAP -urilor, con siderate mult mai toxice decât HAP;
acestea sunt nitro -HAP -uri care provin după toate probabilitățile în urma reacțiilor din
catalizator (în urma procesului de ardere din motor a HAP -urilor și 𝑁2).
6.1.6 Compuși carboxilați
Compușii carboxilați sunt prin definiție compuși care conțin grupe carboxilice în
molecula lor (aldehide și cetone). În figura
Aldehidele sunt produși ai arderii incomplete ai compușilor carbonați, detectați și în
gazele de evacuare ale automobilelor. Principala aldehidă detectată în aer este aldehida formică
(𝐶𝐻2𝑂), care se formează în urma reacției radicalului hidroxid (𝑂𝐻) cu metanul (𝐶𝐻4).
În Germania, se estimează 30 𝑚𝑔/𝐾𝑚 emisiile de aldehidă formică produsă de
automobile, cantitatea anuală situându -se la valoarea de 9000 t.
6.1.7 Compuși pe bază de sulf
6.1.7.1 Bioxidul de sulf (𝑺𝑶𝟐)
Toate arderile produselor care conțin sulf, emit bioxid de sulf, la originea bioxidului de
sulf din atmosferă fiind c ombustibili fosili.
Emisiile de bioxid de sulf includ în mod deosebit m.a.c. ce utilizează carburanți cu
conținut de 0,3 % 𝑆, precum m.a.s. ce utilizează benzina care are un conținut maxim de sulf de
0,08 %.
În general, bioxidul de sulf se formează prin combustia compușilor sulfurați reziduali
conținuți în carburant, respectiv tiofen, mercaptani și sulfuri în cazul benzinelor, benzotiofene
și dibenzotiofene substituite în cazul motorinelor.
6.1.7 .2 Trioxidul d e sulf (𝑺𝑶𝟑) și acidul sulfuric (𝑯𝟐𝑺𝑶𝟒)
Trioxidul de sulf și acidul sulfuric sunt extrem de puțin emiși ca atare, solubilitatea lor în
apă, limitează difuzia atmosferică a acestora.
În cazul m.a.i, tobele catalitice, mai ales cele de oxidare, în prezen ța unui exces de aer,
favorizează transformarea bioxidului de sulf în trioxid de sulf înainte de a fi eliminat în
atmosferă.
Această reacție posedă o conectică lentă, care limitează randamentul de transformare.
Tobele catalitice ce conțin catalizatori cu t rei căi, nu cresc în general emisiile de sulfați,
păstrându -l la același nivel ca în cazul particulelor fără tobă catalitică, iar catalizatorii Pt/Rh
formează mai puțini sulfați ca și catalizatorii Pt/Pd.
M.a.c. emit relativ puțini sulfați, care nu reprezi ntă decât 1 -3% din emisiile
corespunzătoare de bioxid de sulf. Adăugarea de filtre catalitice ce conțin metale prețioase,

Autor: ing. Ionut -Valentin RADU Cond. științific:Prof.univ.dr.ing. Ionel SIMION Sisteme de reducere a reziduurilor rezultate în urma procesului de ardere la motoare
68 riscă să favorizeze emisii de sulfați și acid sulfuric în procent mai mare ca și conținutul de sulf
al motoriei.
Acidul sulfuric reprezintă mai mult de 90% din sulfații emiși, el rămânând stabil sub
formă de sulfat de amoniu sau alte tipuri de sulfați metalici.
6.1.8 Compuși halogenați
M.a.i. emite mai ales halogenuri, bromuri și cloruri de plumb, volatile la temperatura
gazului de evacuare, care apoi prin hidroliza acestor săruri, produc în atmosferă 𝐻𝐵𝑟 și 𝐻𝐶𝑙.
Acești acizi nu rămân în general sub forma gazoasă, dar se găsesc absorbiți pe particulele
de praf din atmosferă.
Considerând că tot 𝐵𝑟 din atmosferă provine de la m .a.i., atunci raportul 𝐵𝑟/𝐶𝑙, permite
precizarea aportuliui autovehiculelor la clorul atmosferic.
6.1.9 Compuși metalici
În afară de plumb (𝑃𝑏), m.a.i. mai emit și cantități apreciabile de cupru, datorită
coroziunii permanente a conductelor de cupru ce dotează automobilul.
6.1.10 Particule Matter
Termenul de particule cuprinde în general, aerosolii creați din dispersia în aer a solidelor
și lichidelor atomizate, pudre și picături și implică deci prafurile, fumurile, funinginea, bruma,
ceață și smogul.
Particulele Matter sunt particule cu o mărime inferioară de 10µm, a căror viteză de
sedimentare este lentă.
Un studiu din anul 2015 , arată că în Germania, aproximativ 18.800 t de praf (particule
Matter) au provenit de la transportul rutier, pe când în Franța, în același an, emisiile de praf
provenite din transporturi se ridică la 14.480 t.
6.1.11 Mirosurile
Mirosurile eliminate în aer de eșapamentul vehiculelor constituie de asemenea o poluare
a atmosferei.
Gazul de evacuare Diesel, este împreună cu fumul v izibil, factorul esențial al poluării
senzoriale resimțită de marea majoritate a populației.
Mirosurile urâte date de gazele de eșapament se datorează prezentei aldehidelor,
formaldehidelor, și acroleinei.
6.2 Metode actuale de purificare a gazelor de eșap ament
6.2.1 Constituția convertorului catalitic
Un convertor catalitic este un dispozitiv utilizat pentru a reduce toxicitatea asupra
emisiilor provenite de la un motor cu ardere internă. Convertoarele catalitice s -au folosit pe
scară largă de către produc ătorii de mașini de serie începând cu anul 1975 în SUA, pentru a se
putea conforma noilor reglementări date de EPA (Environmental Protection Agency) agenție
de protecție a mediului din Statele Unite ale Americii care a impus o limită scăzută de polare
pentru autoturisme.
Filtrele catalitice nu se folosesc doar la autoturisme, ci și la generatoare, bărci, camioane,
autobuze, și la orice utilaj care este echipat cu un motor cu ardere internă. Un convertor catalitic,
a se vedea montajul din figura 6.1, oferă i ncinta necesară unei reacții chimice, care transformă
gazele toxice, în gaze mai puțin toxice.

Autor: ing. Ionut -Valentin RADU Cond. științific:Prof.univ.dr.ing. Ionel SIMION Sisteme de reducere a reziduurilor rezultate în urma procesului de ardere la motoare
69
Fig. 6.1. Montarea catalizatorului pe circuitul de evacuare
Înainte de a ajunge în aer liber, gazele de ardere trec printr -un catalizator (figura 6.1.,
poziția. 3) montat pe traseul destinat acestor gaze. În catalizator, anumite straturi adecvate fac
ca noxele existente în gazele de eșapament să fie supuse unor reacții chimice care să le
transforme în substanțe netoxice.
Convertoarele catalitice reduc emi siile, acționând asupra celor 3 factori poluanți:
– 𝐶𝑂 (monoxidul de carbon / otravă);
– 𝐻𝐶 (hidrocarburile nearse care contribuie la formarea smog -ului);
– 𝑁𝑂𝑥 (oxizi de Nitrogen, cauzator de ploi acide).
Începutul reacțiilor de cataliză în gazele de evacuare, îl constituie prezența substanțelor
oxidabile și a oxigenului în centrele catalitice active la care se slăbesc legăturile chimice ale
moleculelor substanțelor ce constituie gazul de evacuare.
Întreg procesul se derulează în trei etape principa le:
– Adsorbția reactanților;
– Reacția chimică;
– Desorbția produșilor de reacție.
Eficiența unui catalizator este caracterizată de așa numitul grad de conversie sau
randament de transformare K, care se definește după cum urmează:
𝐾=(𝐶−𝐶0)
𝐶∙100 (50)
unde:
– K – gradul de conversie;
– C – concentrația de intrare;
– C0 – concentrația de ieșire.
Pentru a obține grade de conversie cât mai ridicate posibil, în catalizator, trebuiesc corelați
optim următorii parametrii:
– Necesarul de oxigen;
– Temperatura gazului de evacuare;
– Viteza spațială (definită ca raportul dintre debitul volumetric al gazului de evacuare și
volumul catalizatorului).
La ora actuală, materialele active catalitic folosite, sunt în general metalele prețioase (Pl,
Pd), dar și unii oxiz i ai metalelor.

Autor: ing. Ionut -Valentin RADU Cond. științific:Prof.univ.dr.ing. Ionel SIMION Sisteme de reducere a reziduurilor rezultate în urma procesului de ardere la motoare
70 6.2.2 Părțile componente ale convertorului catalitic

Fig. 6.2. Părțile componente ale unui catalizator
1. Sonda lambda; 2. Plasa expandată; 3. Înveliș izolant termic; 4. Suport catalitic; 5. Suport
monolitic; 6. Carcasă metalică.
6.2.3 Suporții monolitici
Suporții monolitici sunt suporți monobloc, realizați din ceramică sau metal utilizați ca
suporți primari în tehnologia de fabricare a convertoarelor catalitice depoluante pentru
automobile.
Suporții monolitici (ceramici sau metali ci) sunt deschiși la ambele capete pentru curgerea
gazelor de evacuare pe direcție axială.
Suportul monolitic trebuie să îndeplinească următoarele funcții:
• Să permită trecerea gazelor de evacuare fără a produce contrapresiuni dăunătoare
funcționării motorului;
• Să aibă o suprafață specifică mare;
• Să posede caracteristici de porozitate adecvate, pentru a permite o bună aderență a
suportului secundar și o bună dispersie a fazei active;
• Să asigure un transfer de masă suficient de rapid;
• Să dețină o rezistență ridicată la fisurare și șoc termic.
6.2.3.1 Suporții monolitici ceramici
Suporții monolitici ceramici utilizați la fabricarea convertoarelor catalitice sunt cilindrii
de secțiune circulară (figura 6.3), ovală, triunghiulară, și uneori asimetri că.
Acești monoliți ceramici au în interiorul lor o multitudine de canale de formă pătrată sau
triunghiulară, paralele, dispuse sub forma unui fagure.

Fig. 6.3. Secțiune printr -un convertor catalitic
S-a încercat obținerea monoliților ceramici din diferite materiale (alumina, zirconia,
mullit, titanat de aluminiu, etc.), dar un singur material a obținut rezultate corespunzătoare, și
anume ceramica cordieritică:
– 2𝐴𝑙2𝑂32𝑀𝑔𝑂5𝑆𝑖𝑂2;

Autor: ing. Ionut -Valentin RADU Cond. științific:Prof.univ.dr.ing. Ionel SIMION Sisteme de reducere a reziduurilor rezultate în urma procesului de ardere la motoare
71 Acest material prezintă avantajul unui coeficient de dilatare termică scăzut, care îi permite
să reziste foarte bine la șocuri termice. Temperatura sa de topire este de 1450℃ , ceea ce permite
o stabilitate termică până la temperatura de 1300℃ și o elastici tate suficientă pentru a rezistența
la fluctuațiile permanente care există în funcționarea unui motor.
Progresele realizate în fabricarea suporților monolitici ceramici au dus la creșterea
rezistenței mecanice a acestora, la reducerea greutății o dată cu s ubțierea pereților celulelor, și
la o încălzire mult mai rapidă a suportului, prin reducerea capacității calorice a acestuia.
Suporții monolitici ceramici prezintă o rezistență mult mai bună la temperatura față de
cei metalici, care suportă modificări irev ersibile la temperaturi mai mari de 1200℃ .
Tabelul 6.3 Principalele caracteristici ale suporților monolitici ceramici
Caracteristică Valoarea
Numărul de celule /cm2 46 sau 64
Grosimea pereților în mm 0,10; 0,15 sau 0,30
Porozitatea în % 28 – 35
Suprafața geometrică în m2/l 2,19 sau 2,79
Densitatea materialului în g/cm3 1,68
Densitatea aparentă în g/cm3 0,58 sau 0,41
Căldura specifică, Cp (cal/cm3 O C) 0,20
Conductibilitatea termică (cal/c,.s.O C) 0,005
Coeficientul de dilatare termică (10/ O C) 0,7
Temperatura limită de utilizare O C 1100
Mărimea macroporilor (A) 7000 – 10000
Mărimea microporilor, (A) 70 – 90
Suportul monolitic ceramic formează miezul convertorului catalitic ce asigură aria de
suprafață pe care se aplică suportul secundar și metalele catalitic active.
Durata de viață a unui convertor trebuie să se situeze în jurul valorii de 150.000 km, într –
unul din cele mai ostile medii, respectiv pe traseul gazelor de evacuare.
Pentru a rezista în aceste condiții, suportul monol itic ceramic , trebuie să satisfacă
următoarele cerințe:
 Durabilitate termică mare
Gazele de evacuare pot atinge în cazul unei funcționări defectuoase a motorului,
temperaturi extreme, deci capacitatea de a rezista la aceste temperaturi și la șocuri termic e este
o cerință vitală pentru suportul substratului.
Ceramica cordieritică poate rezista la temperaturi de lucru de 1200℃ și chiar la 1320℃
pentru perioade scurte de timp, acest lucru permite ca acest suport ceramic să -și mențină forma
structurală la tensiunile termice din sistemul de evacuare al vehiculului .
În plus cordieritul este un amestec de oxizi, el nu fiind afectat chimic de oxigenul existent
în gazele de evacuare.
 Conductivitate termică mică

Autor: ing. Ionut -Valentin RADU Cond. științific:Prof.univ.dr.ing. Ionel SIMION Sisteme de reducere a reziduurilor rezultate în urma procesului de ardere la motoare
72 Ceramica cordieritică are con ductivitatea termică foarte mică, respectiv ea este de
aproximativ λ=1,3 – 3 W/mk, comparabilă cu cea mai mare parte a materialelor neceramice, și
astfel suportul monolitic retine mai multă căldură facilitând conversia gazelor de evacuare.
 Expansiunea termică mică
Temperaturile în gazele de evacuare pot fi extrem de variabile în timp. Ceramica folosită
în fabricarea suporților monoliți ceramici este concepută special pentru a avea un coeficient mic
de expansiune termică liniara, respectiv de ordinul 0,7∙10−6℃.
Acest coeficient foarte mic de expansiune termică, face ca suportul monolitic ceramic să
poată suporta variații mari și bruște de temperatură.
 Masa mică
Masa este o variabilă critică în construcția de automobile, ceramicele cordieritice au o
densit ate mai mică decât cea mai mare parte a materialelor folosite la construcția
autovehiculelor (2,1g/ cm3 ). Cel mai important rol al masei este acela ca un suport monolitic
de masă mică poate asigura o încălzire mult mai rapidă, pentru a accelera reducerea emisiilor
la pornirea la rece.
 Porozitatea:
Porozitatea pereților suportului monolitic ceramic și distribuția acestora este un factor
hotărâtor atât pentru aplicarea și adeziunea suportului secundar și a metalelor prețioase catalitic
activate, cât și men ținere a cerințelor de rezistență.
6.2.4 Parametrii funcționali
Au fost definiți patru parametrii funcționali ai suporților monolitici ceramici, care
prezintă impact asupra randamentului de conversie și a presiunii dinamice.
Acești parametrii sunt:
Aria f rontală deschisă a monolitului (OFA)
Este definită ca raportul dintre suprafața deschisă a monolitului și aria totală a unei celule.
Impactul primar al OFA este masa produsului final. Când OFA crește pentru un substrat al unui
volum dat, scade masa.
Densit atea produsului finit este întotdeauna raportată la densitatea materialului
substratului, la porozitatea peretelui și la OFA. Pentru o grosime a peretelui constantă, OFA se
mărește când se reduce densitatea celulară.
Aria suprafeței geometrice (GSA)
Este d efinită ca fiind aria suprafeței dată de structura celulei monolitului.
GSA se măsoară în unități de arie / unități de volum și nu ia în calcul aria suprafeței
porilor în perete și ignoră rugozitatea suprafeței peretelui. Densitatea celulară are o influenț ă
semnificativă asupra GSA în timp ce grosimea peretelui are un efect mai mic asupra GSA a
substratului.
Aria totală a suprafeței monolitului (TSA)
TSA este proprietatea substratului care controlează cel mai semnificativ conversia gazului
de evacuare. TSA este definit ca produsul dintre aria suprafeței geometrice (GSA) și volumul
substratului. Un substrat cu aria totală mare asigură o eficiență de conversie mai mare iar pentru
un volum dat, o densitate celulară mai mare rezultă într -o arie de suprafață tota lă mare.
Rezistența la curgere
Rezistența la curgere a jetului de gaz atât din structura celulară, cât și în designul total al
convertorului catalitic.
Deoarece substratul ceramic este construit din canale axiale și regulate, rezistența la
curgere este rep roductibilă și constantă.
Pentru substratele auto, există doar o mică dependență față de rezistența la curgere pe
grosimea peretelui. A doua componentă a rezistenței la curgere, substratul însuși, este funcție
de lungimea și diametrul substratului.
Deci re zistența la curgere este produsul rezistenței la curgere datorită substratului însuși
și constanta asociată gazului de evacuare, cum ar fi vâscozitatea sa, debitul și constantele de
forma a celulei monolitului.

Autor: ing. Ionut -Valentin RADU Cond. științific:Prof.univ.dr.ing. Ionel SIMION Sisteme de reducere a reziduurilor rezultate în urma procesului de ardere la motoare
73 6.2.5 Geometria celulei suporților monolitici ceramici
Forma și dimensiunile unității celulare a monolitului ceramic are o influență profundă
asupra proprietăților sale geometrice și mecanice. Au fost stabilite relații importante între
geometria celulei și parametrii funcționali ai suportului monolitic ceramic.
Aceste relații dau o bază rațională pentru selectarea formei și dimensiunilor celulei, care
vor da la rândul lor un optim al cerințelor de performanță, de eficiență a conversiei, de rezistență
la curgere și durabilitate pe termen lung.
Monoliții ceramici cordieritici utilizați ca substrat pentru catalizatori, utilizează în
principiu două geometrii celulare: pătratul și triunghiul echilateral (figura 6.4).
Forma și dimensiunile unității celulare sunt proiectate pentru a da caracteristici e xacte ale
substratului, ce cuprind performanțe catalitice și durabilitatea convertorului.

a) b)
Fig. 6.4. Secțiune printr -un convertor catalitic
a) Forma triunghiulară b) Forma pătrată
Geometria celulară are un efect puternic asupra proprietăților ale substratului:
– Aria suprafeței geometrice (GSA);
– Aria frontală deschisă (OFA);
– Densitatea de volum;
– Rezistența și rigiditatea structurală.
Acestea la rândul lor afectează diametrul hidraulic și viteza de curgere, ce au impact
asupra căderii de presiune, a transferului de căldură, eficiența conversiei, integritatea mecanică
și durabilitatea convertorului.
6.2.6 Porozitatea suporților monolitici ceramici (SMC)
Porozitatea suporților monolitici ceramici și di stribuția acestora este un factor hotărâtor
atât pentru aplicarea adecvată și adeziunea suportului secundar cât și menținere a cerințelor de
rezistență mecanică.
Porozitatea poate fi de două feluri:
Porozitatea deschisă care este raportul volumului total a l porilor deschiși și volumul
aparent al monolitului.
Porozitatea deschisă se exprimă în % de volum aparent. Porii deschiși sunt prin definiție
cei care pot fi penetrați de apă sau alte lichide de impregnare.
Porozitatea deschisă se calculează cu formula:
𝑃𝑑=𝑚ℎ−𝑚𝑠
𝑚ℎ−𝑚𝑖∙100 (51)
Unde:
𝑚𝑠− 𝑚𝑎𝑠𝑎 𝑚𝑜𝑛𝑜𝑙𝑖𝑡𝑢𝑙𝑢𝑖 𝑢𝑠𝑐𝑎𝑡,î𝑛 𝑔;
𝑚ℎ− 𝑚𝑎𝑠𝑎 𝑚𝑜𝑛𝑜𝑙𝑖𝑡𝑢𝑙𝑢𝑖 𝑢𝑚𝑒𝑑,î𝑛 𝑔;
𝑚𝑖− 𝑚𝑎𝑠𝑎 𝑚𝑜𝑛𝑜𝑙𝑖𝑡𝑢𝑙𝑢𝑖 𝑖𝑚𝑒𝑟𝑠𝑎𝑡 î𝑛 𝑙𝑖𝑐ℎ𝑖𝑑,î𝑛 𝑔.
Porozitatea închisă este definită ca fiind raportul între volumul total al porilor și volumul
aparent al monolitului. Porii închiși sunt definiți ca fiind acei pori care nu sunt penetrați de apă
sau alte lichide de impregnare.
Porozitatea închisă se calculează cu formula:

Autor: ing. Ionut -Valentin RADU Cond. științific:Prof.univ.dr.ing. Ionel SIMION Sisteme de reducere a reziduurilor rezultate în urma procesului de ardere la motoare
74 𝑃𝑖=𝑃𝑡−𝑃𝑑 (52)
unde:
Pt – porozitatea totală;
Pd – porozitatea deschisă.
Porozitatea totală este suma porozitățiilor deschise și cea a porozitățiilor închise, și se
calculează cu relația:
𝑃𝑡=𝑚𝑏−𝑚𝑣
𝑚𝑏∙100 (53)
unde:
mv – masa volumică aparentă;
mb – masa volumică absolută.
O problemă deosebită în reducerea emisiei de hidrocarburi o constituie îmbunătățirea
caracteristicilor de încălzire ale catalizatorilor în timpul pornirii la rece a motoarelor.
În acest scop s -au făcut studii pentru reducer ea masei de căldură substanțelor ceramice.
Caracteristicile de îmbătrânire ale catalizatorilor cu masa specifică mică, sunt mai bine decât
cele ale catalizatorilor cu densitate mare, adică caracteristicile de încălzire ale catalizatorilor cu
pereți subțiri sau cu densitate celulară mai mică, sunt mai bine decât cele ale catalizatorilor cu
pereți mai groși sau cu densitate celulară mai mare, putându -se observa un raport între aria
suprafeței geometrice și caracteristicile de încălzire.
6.2.7 Fabricarea supor tului monolitic ceramic
Suporții monolitici ceramici au fost creați tehnologic pentru a rezista condițiilor deosebite
prezente în eșapamentul motorului.
Au existat mai multe încercări de realizare industrială prin diferite tehnologii a SMC,
dintre care ami ntim:
a) Tehnologia American -Lava Corporation; ea constă în fabricarea monolitului ceramic
plecând de la un semifabricat celulozic având ca material de umplutură o compoziție ceramică
fin granulată (practic hârtie impregnată cu material ceramic).
Structura fagure se obține prin dispunerea alternativă a foilor de hârtie umedă și grofată.
Structura fagure astfel formată este supusă uscării și arderii. În timpul arderii, fibra celulozică
arde lăsând o structură ceramică consolidată având forma piesei inițiale. După ardere fibrei
celulozice din monolitul fagure, structura peretelui a rămas poroasă, asigurând o foarte bună
adeziune a suportului secundar și ulterior a catalizatorului.
b) Tehnologia W.R.Grace un al doilea proces de fabricare a monoliților ceramici care a
avut o utilizare limitată a constat în extrudarea pastei de hârtie sub forma cilindrică.
Pasta de hârtie este compusă pe lângă fibrele celulozice și dintr -un preamestec ceramic
fin divizat, a cărui coeziune era asigurată de un liant adecvat și solve nt.
Sistemul de extrudare conține nervuri verticale mici, paralele cu direcția de extrudare la
intervale regulate.
Când sunt înfășurate, aceste nervuri mențin distanțarea straturile plate, producând o
structură fagure cu canale pe direcția unic axială. Una din limitările funcționale ale acestui
monolit a constat în faptul că nervurile care separau straturile nu au rezistat tensiunilor fizice și
termice, făcând suportul inadecvat utilizării în foarte scurt timp.
c) Tehnologia Du -Pont de Nemours constă printr -o formare inițială a structurii din folie
de aluminiu de 0,04 mm, care apoi era oxidată la temperatură, la oxid de aluminiu.
Produsul astfel obținut are proprietăți fizico -mecanice și de durabilitate foarte bună, însă
e costisitor și sensibil la șoc termi c pentru a fi utilizat la automobile.
Tehnologia Corning Glass tehnologia constă în extrudarea longitudinală, printr -o filiera
a unei paste ceramice de o anumita compoziție, secțiunea transversală a extrudatului având
formă transversală a monolitului.

Autor: ing. Ionut -Valentin RADU Cond. științific:Prof.univ.dr.ing. Ionel SIMION Sisteme de reducere a reziduurilor rezultate în urma procesului de ardere la motoare
75 6.2.8 Suporții monolitici metalici (SMM)

Fig. 6.5. Suporți monolitici metalici
Montați în spatele colectorului de evacuare, suporților monolitici metalici le sunt impuse
condiții severe mecanice și de durabilitate.
La fabricarea SMM sunt trei probleme majore care trebuiesc rezolvate:
– Alegerea adecvată a foilor de oțel;
– Găsirea unei tehnologii corecte și viabile economic pentru formarea SMM;
– Acoperirea suportului monolitic metalic cu suport secundar și metale prețioase.
SMM utilizate la fabricarea convertoarelor catalitice auto trebuie să îndeplinească
următoarele caracteristici tehnice:
 Aria mare de suprafață;
 Volum mare;
 Masă mică;
 Rugozitatea pereților canalelor SMM corespunzătoare unei adeziuni satisfăcătoare a
suportului secundar;
 Rezistența la șoc termic;
 Rezistență la coroziune;
 Capacitate calorică mică.
6.2.9 Materiale utilizate la fabricarea SMM
Suporții monolitici metalici sunt fabricați din foi de oțel rezistente la coroziune și
temperatură. Acest material este format în laminoare speciale, dintr -o bandă ondulată și apoi
rulată împreună cu o bandă metalică plată formând o structură fagure trapezoidală, prezentată
în figura 6. 6.