831.11. Controlul emisiilor poluante ale motorului Diesel Efectul poluant cel mai important al motoarelor cu ardere intern ă este produs de… [622596]

831.11. Controlul emisiilor poluante ale motorului Diesel
Efectul poluant cel mai important al motoarelor cu ardere intern ă este produs de
substanțele nocive existente în gazele de evacuare; diferen țele existente între procesul
ideal de ardere și cel real, care conduc la apari ția substan țelor poluante, sunt datorate
timpului de reac ție disponibil care, în motor, este foarte redus, imperfec țiunilor legate de
formarea amestecului aer-combustibil etc. Dintre cele aproximativ o mie de substan țe existente în gazele de evacuare,
reglement ările legislative iau în calcul urm ătoarele substan țe poluante:
• hidrocarburi – HC;
• monoxid de carbon (CO) și bioxid de carbon (CO
2);
• oxizi de azot – NO x (NO + NO 2);
• particule (pentru motoarele Diesel);
• fum.
Fig. 1.124 prezint ă o analiză comparativ ă a emisiilor celor dou ă tipuri de motoare
utilizate (cu aprindere prin scânteie și Diesel); trebuie remarcat c ă emisiile sunt mai
importante cantitativ atunci când motorul este rece decât dup ă ce acesta s-a înc ălzit.

a)

b)
Fig. 1.124. Compozi ția gazelor
de ardere [38]
a) motor cu aprindere prin scânteie;
b) motor cu aprindere prin comprimare.

În categoria hidrocarburilor intră produsele gazoase rezultate din arderea
incomplet ă, dar și componentele evaporate din combustibil; compozi ția acestora difer ă în
funcție de tipul motorului (m.a.s. sau m.a.c.), dar este reprezentat ă majoritatea compu șilor
organici (hidrocarburi aromatice, aldehide, eteri etc.).
Hidrocarburile sunt, în acela și timp, substan țe poluante primare, care rezult ă din
procesele de schimb de gaze și ardere, dar și substanțe poluante secundare, ca urmare a
interacțiunii dintre substan țele primare sau dintre acestea și aerul înconjur ător.
Apariția hidrocarburilor în gazele de evacuare ale motoarelor este o consecin ță a
imposibilit ății propag ării frontului de flac ără în masa de amestec carburant. Stingerea

84flăcării poate apare prin contact cu peretele relativ rece al cilindrului, din cauza
depresiunilor mari din colectorul de admisie (la m.a.s.) sau ca urmare e existen ței unei
mase mari de gaze arse reziduale, care întrerupe reac ția; întoarcerea gazelor de ardere în
cilindru, pe lâng ă supapa de evacuare, poate de asemenea produce stingerea fl ăcării.
Oxizii de azot din gazele de ardere apar ca urmare a reac ției dintre
oxigenul atmosferic și azotul din aer, în condi țiile de presiune și temperatur ă
ridicate ce caracterizeaz ă arderea din cilindrul motorului. Dintre oxizii de azot cei
mai importan ți din punct de vedere al polu ării sunt NO și NO 2
Monoxidul de carbon este un produs intermediar, prin care trec to ți compușii
carbonului atunci când sunt oxida ți, în timp ce bioxidul de carbon este produsul final al
arderii. Dac ă amestecul carburant este caracterizat pr intr-un exces mare de aer (cantitate
de aer mai mare decât cea stoichiometric necesar ă pentru arderea combustibilului),
monoxidul de carbon este oxidat în continuare, formându-se bioxid de carbon. Ca urmare,
emisiile de CO ale motoarelor Diesel (care func ționează cu un coeficient mare de exces
de aer) sunt mai mici decât cele ale motoarelor cu aprindere prin scânteie.
Particulele reprezint ă un amestec de substan țe anorganice și organice, care
provin din gazele arse și care se pot g ăsi atât în stare solid ă cât și în stare lichid ă;
particulele sunt formate dintr-o frac țiune insolubil ă de carbon (funingine) și o fracțiune
solubilă, ce conține combustibil și ulei nears. Din punct de vedere legislativ, particulele
sunt definite ca fiind materialul (cu excep ția apei) colectat pe un filtru din teflon, la
trecerea gazelor arse emise de motor, diluate cu aer filtrat pentru ca temperatura filtrului
să nu depășească 520C. În general, motoarele cu aprindere prin comprimare au emisii de
particule mai importante cantitativ decât motoarele cu aprindere prin scânteie; în acela și
timp, particulele de carbon emise de motorul Diesel au dimensiuni mai mici și pot
pătrunde mai adânc în pl ămâni. Compușii de sulf , care se g ăsesc într-un procent mai mare
în motorin ă decât în benzin ă, se transform ă, prin ardere, în bioxid de sulf (în cea mai
mare parte), dar și în trioxid de sulf care, combinându-se cu apa și cu alți compuși din
gazele de evacuare, contribuie la emisia de particule a motorului. Reducerea emisiilor de
particule constituie principalul motiv pent ru care normativele recente impun reducerea
procentului de sulf din motorin ă, ceea ce poate avea efecte negative asupra propriet ăților
lubrifiante ale acesteia precum și asupra durabilit ății sistemului de injec ție a
combustibilului.
Fumul este format dintr-o suspensie de particule lichide de combustibil, nears sau
parțial oxidat, cu diametrul de 0,5…1 µm (fumul alb sau albastru), sau din particule
cărbunoase cu diametrul de 1 µm (fumul negru). Fumul alb sau albastru este cauzat de
regimul termic coborât al motorului (la pornire , mers în gol sau sarcini mici), când are loc
o ardere incomplet ă a combustibilului; din cauza temperaturilor mici ale gazelor de
ardere, combustibilul nears se condenseaz ă sub form ă de particule lichide. Fumul negru
apare în cazul amestecurilor s ărace (cantitate de combustibil mai mare decât cea
corespunz ătoare arderii stoichiometrice).
Pentru motorul cu aprindere prin comprimare cele mai importante substan țe
poluante din gazele de ardere (din punct de vedere cantitativ) sunt oxizii de azot și
particulele. Metodele de reducere a emisiilor poluante ale motorului Diesel se împart în dou ă
categorii [38]:
• metode active, care combat emisiilor poluan te prin controlul procesului de ardere
a combustibilului;

85• metode pasive, care ac ționează asupra emisiilor poluante dup ă formarea acestora,
pe traseul de evacuare, prin utilizarea unor metode chimice și mecanice.
Metodele active utilizate pentru reducerea emis iilor poluante au în vedere
următorii factori [38]:
• regimul de func ționare: emisiile poluante sunt influen țate de sarcina și turația
motorului și reducerea acestora este posibil ă prin evitarea acelor regimuri care
influențează negativ emisiile (de exemplu func ționarea îndelungat ă în relanti,
accelerările bruște);
• caracteristicile injec ției (avansul la injec ție, legea de injec ție, presiunea de
injecție, caracteristicile injectorului): motoarele moderne utilizeaz ă sisteme de
injecție controlate electronic, astfel încât avansul la injec ție și durata injec ție să
poată fi modificate în func ție de regimul de func ționare; aceste sisteme permit și
utilizarea metodei injec ției-pilot (fig. 1.125), ce presupune injectarea unei mici
cantități de combustibil (aproximativ 10% din doza ciclic ă) cu 3…100RAC
înainte de începutul injec ției principale (vezi și 1.5.4). Astfel se asigur ă
introducerea combustibilului din injec ția principal ă într-un mediu mai bine
pregătit pentru desf ășurarea arderii, ceea ce are ca efect reducerea emisiilor de
NO x (dar conduce la cre șterea emisiilor de particule și fum).
Fig. 1.125. Principiul injec ției
pilot33
• particularit ățile constructive ale motorului: în acest ă categorie se includ elemente
cum ar fi cantitatea de gaze arse reziduale din cilindru, tipul camerei de ardere,
transferul de c ăldură prin pere ții camerei de ardere, supraalimentarea, fazele
distribuției etc. Astfel, o cantitate mai mare de gaze arse reziduale în cilindru
conduce la mic șorarea cantit ății de aer proasp ăt aspirat în motor și deci la
reducerea emisiilor de oxizi de azot și de hidrocarburi, dar și la creșterea emisiilor
de fum și a duratei arderii, cu efecte negative asupra consumului de combustibil.
În acest sens o metod ă eficientă de reducere a emisiilor de NO x o constituie
recircularea gazelor de ardere (EGR – Exhaust Gas Recirculation), astfel încât o anumită cantitate de gaze de ardere s ă fie reintrodus ă în cilindru (fig. 1.126).
Utilizarea camerelor de ardere di vizate conduce la reducerea cu pân ă la 10% a
nivelului global al emisiilor [38]; s upraalimentarea motorului conduce la cre șterea
temperaturii aerului din cilindru la sfâr șitul comprim ării, cu efecte pozitive asupra
reducerii duratei întârzierii la autoaprindere și a emisiilor de NO
x și HC (fig.
1.127). Fazele distribu ției influen țează emisiile poluante prin durata în care

33 http://nptel.ac.in/courses/112 104033/pdf_lecture/lecture26.pdf

86supapa de admisie și cea de evacuare sunt deschise simultan [38].
Fig. 1.126. Supraalimentarea
și recircularea gazelor de
ardere34

1- supapă EGR;
2- turbină;
3-compresor;
4-răcitor intermediar;
5-motor Diesel.
Fig. 1.127. Reducerea
emisiilor poluante ale motoarelor Diesel
35

a-motor cu aspira ție naturală;
b-motor supraalimentat;
c-motor supraalimentat, cu r ăcire
intermediar ă a aerului;
d- motor supraalimentat, cu r ăcire
intermediar ă a aerului și control
electronic al injec ției.
• starea tehnic ă a motorului: emisii m ărite de substan țe poluante apar ca urmare a
uzării sau deregl ării echipamentului de injec ție, uzurilor cuplului piston-cilindru,
colmatării filtrelor etc.
Metodele pasive reduc emisiile poluante prin tratarea gazelor de ardere dup ă
ieșirea din cilindru (post-tratarea gazelor arse) cu ajutorul filtrelor de particule și a
catalizatorilor de oxidare. În principiu cata lizatorii de oxidare permit reducerea emisiilor
de oxizi de azot, în timp ce filtrele de particule sunt utilizate pentru reducerea emisiilor de particule.
Diminuarea emisiilor de oxizi de azot se realizeaz ă prin reducere catalitic ă
neselectiv ă (NSR – Non Selective cathalytic Reduction) și prin reducere catalitic ă
selectivă (SCR – Selective Cathalytic Reduction).
Un catalizator de tip NSR este format dintr-un material de baz ă, realizat sub
forma unei structuri de tip fagure, dintr-un material ceramic sau mineral (de exemplu
cordierit
36), pe care se depune un strat intermediar poros din oxid de aluminiu, peste care

34 http://nptel.ac.in/courses/112 104033/pdf_lecture/lecture27.pdf
35 ibid.
36 Silicat de aluminiu și magneziu.

87se găsește stratul catalitic activ, format din oxid de bariu și platină (fig. 1.128).
Fig. 1.128. Structura unui catalizator NSR

1-material de baz ă (cordierit);
2-strat poros de oxid de aluminiu.
Func ționarea unui astfel de catalizator are loc în dou ă faze (fig. 1.129):
• faza 1: în gazele de ardere exist ă NO, NO 2 și oxigen (cantitatea de aer din cilindru
fiind mult mai mare decât cea necesar ă pentru arderea stoichiometric ă a
combustibilului); în prezen ța catalizatorului din platin ă NO se transform ă în NO 2,
ca urmare a prezen ței oxigenului, iar NO 2 este stocat de c ătre oxidul de bariu,
până când acesta din urm ă este complet saturat cu oxizi de azot (în aproximativ
60…100 s);
• faza 2: în prezen ța hidrocarburilor nearse din gazele de evacuare (HC) și a
catalizatorului din platin ă are loc reac ția de reducere a NO 2, cu eliberarea de N 2,
CO 2, H 2O.

Fig. 1.129. Func ționarea catalizatorului NSR37
1-stocarea NO 2; 2- reducerea oxizilor de azot în prezen ța combustibilului (HC)

Gazele de evacuare ale motorului Diesel con țin doar cantit ăți mici de
hidrocarburi nearse; în aceste condi ții hidrocarburile necesare reac ției de reducere rezult ă
fie din injec ția de combustibil în cilindru (aproximativ 2% din doza ciclic ă), către
sfârșitul destinderii (la 90…2000 RAC dup ă începutul injec ției principale), fie din injec ția
de combustibil suplimentar în sistemul de evacuare al motorului.
Sistemele de tip NSR func ționează optim la temperaturi cuprinse între 200 și

37 www.intechopen.com/download/pdf/44432

883500C, iar prezen ța sulfului din combustibil reduce dramatic eficien ța sistemului, într-un
interval de timp relativ scurt; randamentul diminu ării emisiilor de oxizi de azot nu
depășește 30…35% în condi țiile în care motorul func ționează în diferite regimuri de
sarcină și turație.
Catalizatorii de tip SCR permit ob ținerea unor randamente mai mari în ceea ce
privește diminuarea emisiilor de oxizi de azot (60…70%). În acest caz se utilizeaz ă un
agent care reac ționează preferențial (sau selectiv) cu NO x; agentul reduc ător (amoniac sau
uree) este injectat în g azele arse evacuate [38].
În stare liber ă amoniacul (NH 3) este toxic și din acest motiv se utilizeaz ă o soluție
pe bază de apă și uree (CO(NH 2)2), conținutul de uree fiind de aproximativ 32,5%.
Această soluție este stabil ă din punct de vedere ch imic; denumirea comercial ă, în Europa,
a acestei solu ții de uree este AdBlue .
Pentru a putea respecta limitele impuse de standarde pentru emisiile poluante
motoarele Diesel actuale sunt echipate cu urm ătoarele sisteme de post-tratare a gazelor de
evacuare (fig. 1.130):
• catalizator de oxidare (reducere CO, HC, NO, conversie NO);
• catalizator SCR (reducere NO, NO 2);
• catalizator de oxidare amoniac (reducere NH 3 rezidual);
• filtru de particule.

Fig. 1.130. Sistem catalitic de tip SCR38

În catalizatorul de oxidare au loc reac țiile de reducere a hidrocarburilor (HC),
monoxidului de carbon (CO) și a oxizilor de azot (NO):
2NO + O 2 → 2NO 2: monoxidul de azot (NO) se combin ă cu oxigenul (O2) și rezultă
bioxid de azot (NO 2);
2CO + O 2 → 2CO 2: monoxidul de carbon (CO) se combin ă cu oxigenul (O 2) și rezultă
bioxid de carbon (CO 2);

38 http://www.e-automobile.ro/

894HC + 3O 2 → 2CO 2 + 2H 2O: hidrocarburile nearse (HC) sunt convertite în bioxid de
carbon (CO 2) și apă (H 2O), în prezen ța oxigenului (O 2)
După catalizatorul de oxidare are loc injec ția de uree, dup ă care gazele și soluția
AdBlue trec printr-un mixer (sit ă metalică care are rolul de a omogeniza amestecul) și
intră în catalizatorul de hidroliz ă. Acesta are rolul de a extrage amoniacul (NH 3) din
soluția AdBlue; amoniacul (NH 3) se obține prin dou ă reacții, una de piroliz ă și a doua de
hidroliză:
CO(NH 2)2 → NH 3 + HNCO (piroliz ă): ureea (CO(NH 2)2) este descompus ă în amoniac
(NH 3) și acid izocianic (HNCO);
HNCO + H 2O → NH 3 + CO 2 (hidroliz ă): acidul izocianic (HNCO) rezultat în urma
reacției de piroliz ă, prin combina ție cu apa
(H2O) formeaz ă amoniac (NH 3) și bioxid de
carbon (CO2).
În catalizatorul SCR au loc reac țiile de reducere a oxizilor de azot (NO și NO 2),
cu ajutorul amoniacului (NH 3). În urma reac țiilor produsele rezultante sunt apa (H 2O) și
azotul (N2):
8NH 3 + 6NO 2 → 7N 2 + 12H 2O;
4NH 3 + 4NO + O 2 → 4N 2 + 6H 2O;
2NH 3 + NO + NO 2 → 2N 2 + 3H 2O.
Catalizatorul de oxidare a amoniacului ar e rolul de a neutraliza, prin oxidare,
amoniacul (NH 3) care nu a reac ționat în interiorul catalizatorului SCR pentru c ă altfel
acesta ar fi eliberat în atmosfer ă, având un impact toxic asupra mediului înconjur ător.
4NH 3 + 3O 2 → 2N 2 + 6H 2O39.
Sistemul de injec ție cu uree este relativ complex și implică costuri adi ționale
relativ mari; acesta con ține un rezervor de uree, sistemul de alimentare cu pomp ă
electrică, modulul electronic de control, injectorul și catalizatorul (fig. 1.131).

Fig. 1.131. Sistem Bosch de
tratare a emisiilor de NO x
prin injec ție de AdBlue40
1-sistem de alimentare (pomp ă);
2-rezervor AdBlue;
3- filtru; 4-senzor de temperatur ă;
5-senzor de nivel solu ție AdBlue;
6-modul electronic de control;
7-ieșiri modul electronic de
control;
8-intrări modul electronic de
control;
9, 10-porturi de comunicare și
diagnoză;
11-injector AdBlue;
12-senzor de NOx;
13-catalizator de oxidare;
14-catalizator SCR;
15-catalizator neutralizare
amoniac.

39 http://nptel.ac.in/courses/112 104033/pdf_lecture/lecture29.pdf
40 http://www.e-automobile.ro/

90Filtrele de particule realizeaz ă reducerea acestui tip de emisii poluante în dou ă
faze: în primma faz ă are filtrarea și acumularea particulelor (deoarece acestea sunt prea
diluate pentru a putea arde), iar în a doua faz ă are loc regenerarea filtrului, când
particulele colectate sunt oxidate (arse). În principiu un filtru de particule (DPF – Diesel Particulate Filter) este format dintr-o carcas ă (1, fig. 1.132) în care se g ăsește un corp ceramic monolit, poros, în care
sunt executate canalele longitudinale (2), ce îi confer ă un aspect de fagure; canalele sunt
obturate alternativ cu obturatoarele ceramice (3) astfel încât re ținerea particulelor are loc
la trecerea gazelor dintr-un canal în altul prin pere ții poroși ai monolitului.

a)

b) Fig. 1.132. Fitrul
de particule
a) schema de
principiu;
b) corpul ceramic
monolit;
1-carcasă;
2-canale;
3-dopuri

În timp filtrul se colmateaz ă cu particulele re ținute și este necesar ă curățirea
(regenerarea) acestuia. Atunci când temperatura gazelor de evacuare este de peste 5400C
filtrul este cur ățat prin arderea particulelor acumulate, îns ă la motoarele cu aprindere prin
comprimare temperatura gazelor de evacuare este, de obicei, insuficient ă pentru a asigura
regenerarea filtrului (fiind de aproximativ 3000C), ceea ce impune utilizarea unor metode
speciale de regenerare. Totu și, în cazul motoarelor supraaalimentate, la care temperatura
gazelor de ardere este mai mare decât la motoarele cu aspira ție normal ă, amplasarea
filtrului de particule în imediata apropier e a racordului de refulare a turbinei asigur ă
gazelor de ardere temperatura necesar ă pentru regenerarea filtrului, mai ales atunci când
motorul func ționează în regimuri de sarcini și turații mari.
Regenerarea activ ă presupune utilizarea unei surse exterioare de c ăldură care să
mărească temperatura gazelor ce trec prin filtru; aceasta poate fi o rezisten ță electrică sau
un arzător care folose ște același combustibil ca și cel utilizat de c ătre motor. Prima
variantă necesită echiparea autovehiculului cu o baterie de acumulatoare de mare
capacitate având în vedere faptul c ă rezistența electrică utilizată pentru regenerare trebuie
să aibă o putere relativ mare (aproximativ 3 kW). În fig. 1.133 se prezint ă o soluție
constructiv ă de regenerare activ ă cu arzător; se observ ă existența unui ventilator (2) – care
asigură aerul necesar arderii – și a arzătorului (5), alimentat cu combustibil prin
intermediul electrovalvei (4) doar atunci când trebuie efectuat ă regenerarea. Pe durata
regenerării doar o mic ă parte din gazele de ardere sunt evacuate prin filtrul de particule
(6), cea mai mare ie șind în atmosfer ă prin amortizorul de zgomot (7), f ără a mai trece prin
filtru.
Regenerarea pasiv ă (catalitic ă) folosește catalizatori care s ă permită arderea
particulelor la o temperatur ă mai scăzută; catalizatorul poate fi introdus în combustibil

91sau poate fi depus în filtru [38].
Fig. 1.133. Sistem pentru
regenerarea activ ă a filtrului de
particule

1-motor;
2-ventilator,
3-pompă de alimentare cu combustibil;
4-electrovalv ă;
5-arzător;
6-filtru de particule; 7-amortizor de zgomot.

Aditivii pentru combustibil, pe baz ă de Fe, Ce (ceriu), Mn, Zn, Cu, Pb coboar ă
temperatura de aprindere a particulelor spre 3000C; aditivii sunt introdu și în sistemul de
alimentare cu ajutorul unui sistem automat, atunci când c ăderea de presiune pe filtrul de
particule (din cauza acumul ării particulelor) dep ășește o anumit ă valoare maxim ă.
În cazul depunerii catalizatorului în filtru una dintre metodele folosite este care
utilizează un catalizator de oxidare în amontele fitr ului de particule, astfel încât oxidul de
azot din gazele de ardere s ă fie transformat în bioxid de azot (în prezen ța unui catalizator,
de exemplu platin ă), care apoi s ă asigure oxidarea (arderea) particulelor din filtru la
temperaturi mai sc ăzute (aproximativ 3000C):
NO + 0,5 ⋅O2 → NO 2,
NO 2 +C → CO 2 + NO.
Fig. 1.134. Filtru de
particule catalitic (sistem CRT
41)

1-catalizator de oxidare;
2-filtru de particule.
Fig. 1.135. Sistem
integrat de tratare a
gazelor de ardere

1-catalizator de oxidare;
2-filtru de particule;
3-injector uree;
4-catalizator SCR;
5-amortizor de zgomot.

41 CRT: Continously Regenerating Trap; http://ect.jmcatalys ts.com/Continuously-regenerating-trap-CRT-johnson-matthey

92 Fig. 1.135 prezint ă schema unui sistem integrat de tratare a gazelor de ardere care
asigură reducerea emisiilor de particule, a celor de oxizi de azot și a zgomotului prin
integrarea subansamblurilor respective într-o carcas ă comună.