Formarea Noxelor la Motoarele cu Ardere Interna

FORMAREA NOXELOR LA MOTOARELE CU ARDERE INTERNA

Automobilul constituie una din principalele surse de poluare ale mediului înconjurător, contribuția la poluarea globală fiind cuprinsă între 20 și 45% în țările industrializate.

În aceste condiții se impune ca emisiile poluante ale autovehiculelor să fie reglementate prin norme naționale și internaționale.

Prima reglementare a apărut în legea din 3 februarie 1910 din Germania care stipula că vehiculele trebuie să fie sigure și să fie construite în așa fel încât să nu provoace nici o daună publicului prin fum sau miros.

În Statele Unite prima reglementare a fost elaborată în anul 1958 în California și prevedea eliminarea emisiilor gazelor de carter prin care se limitau emisiile de HC și CO. Primele standarde federale în S.U.A. au fost Clean Air Act care se aplica modelelor autovehiculelor începând din 1968 și care a fost publicat în Registrul Federal în anul 1966. Valorile acestor standarde erau cele aplicate în California în 1960.

Aceste standarde au fost amendate succesiv în 1968, 1970 și s-a trecut de la valori ale concentrației poluanților la valori masice ale acestora. Aceste valori exprimau masa emisă pe unitatea de distanță într-un ciclu impus de conducere.

Metoda eșantionului de volum constant (Constant Volume Sample – CVS) constă în acumularea emisiilor corespunzătoare ciclului test.

În Europa, în anul 1961 un comitet franco-german a luat în studiu posibilitățile de reducere a emisiilor de CO și HC nearse. În Franța emisiile de fum au fost reglementate în 1963, emisiile de gaze de carter în 1964, emisiile de CO2 la relanti în 1969. Datorită faptului că orașele europene prezintă condiții de trafic mult diferite de orașele americane s-a utilizat un ciclu de test care a avut la bază condițiile de trafic din Paris. Mai mult, în Europa există o mare varietate de automobile ca mărime și motorizare, motiv pentru care valorile impuse au fost ajustate în funcție de greutatea automobilului.

În Japonia, primele măsuri de limitare a emisiilor de CO au apărut în 1966 și au fost extinse la emisiile de HC și NOx în 1973. Standardele japoneze implică atât limitele concentrației de substanțe poluante cât și limitele masice ale acestora în cadrul unor cicluri test specifice Japoniei.

O serie de țări au conlucrat la elaborarea unor standarde privind poluarea autovehiculelor în cadrul Comisiei Economice Europene (EEC).

La ora actuală se constată că există un consens internațional în ceea ce privește scăderea nivelului de noxe emis de autovehicule, precum și realizarea unei distincții pe categorii de autovehicule (autoturisme, autocamioane, autobuze, motociclete, etc.).

Implicațiile regulamentelor europene privind emisiile asupra calității combustibililor

Benzina

Noua directivă consolidată a EC privind emisiile autovehiculelor a eliminat toate ambiguitățile tehnologiilor de control a emisiilor. Astfel, nivelul de emisii se aliniază la cele mai severe standarde US și japoneze, ceea ce a impus ca începând din ianuarie 1993 toate autoturismele vândute în Europa de Vest să aibă montat catalizator cu trei căi. Mai mult, directiva cere ca rezervorul de combustibil să fie dotat cu filtre care să prevină utilizarea benzinelor adiționate cu compuși ai plumbului.

Directiva impune utilizarea de echipamente pentru controlul emisiilor de combustibil prin evaporare și cere ca toate autovehiculele după 1993 să fie dotate cu cutie cu cărbune activ.

Automobilele având motoare cu aprindere prin scânteie constituie a doua sursă importantă de poluare prin emisiile de hidrocarburi de evaporare, după emisiile de solvenți. Emisiile de hidrocarburi din gazele arse contribuie cu 25 %, emisiile prin evaporare cu 10 %, iar realimentarea autovehiculelor cu 1,8 % din totalul hidrocarburilor emise în atmosferă.

Țările din Europa au o politică de control al emisiilor vaporilor de hidrocarburi pe timpul distribuției combustibilului la utilizatori (treapta I). Unele țări ca Elveția, Suedia și Germania doresc să controleze emisiile la realimentare, pentru a elimina expunerea publicului la benzen. Aceste emisii pot fi controlate fie prin intermediul unor stații de colectare a vaporilor și trimiterea lor la rezervoare speciale (sisteme de treapta a II-a), fie prin variante mai mari ale cutiei cu cărbune activ. Sistemele ce folosesc cărbune activ la bordul automobilelor sunt cele mai eficiente în controlul emisiilor la realimentare.

În Statele Unite, EPA a recomandat utilizarea sistemelor de colectare a vaporilor de combustibil la bordul autoturismelor, fapt consemnat și în noul Clean Air Act.

La ora actuală există o presiune crescândă pentru a reduce conținutul de benzen din benzină sub nivelul de 5 %. Benzenul, ca și alți compuși aromatici, sunt constituenți naturali ai petrolului și astfel se explică prezența lor în benzină. În procesul de rafinare, pentru a se îmbunătăți calitățile antidetonante ale benzinei prin mărirea cifrei octanice, se mărește conținutul de compuși aromatici; această tehnologie are și o parte bună, deoarece se generează hidrogenul necesar reducerii conținutului de sulf și a altor produși de rafinare. Trebuie amintit faptul că, benzenul se poate forma și prin arderea altor compuși ai benzinei în motor și astfel poate fi explicată prezența sa în gazele de evacuare.

Utilizarea catalizatorilor pentru gazele de evacuare și a cutiei cu cărbune activ pentru controlul hidrocarburilor, reduc drastic emisiile de benzen. În aceste condiții, reducerea în continuare a conținutului de benzen din benzină va influența numai într-o mică măsură emisiile.

Controlul asupra genezei emisiilor trebuie să constituie strategia prioritară a viitorului. Îmbunătățirea compoziției chimice a combustibililor se poate constitui ca o direcție secundară a strategiilor de reducere a concentrațiilor de compuși nocivi din gazele de evacuare ale motoarelor autovehiculelor.

Motorina

Calitatea motorinei a început să fie controlată în contextul creșterii preocupărilor privind nivelul emisiilor motorului Diesel.

Calitatea motorinei este influențată în mod determinant de: procesul de rafinare, calitatea petrolului supus procesării, amestecul de produse final impus și temperatura minimă de congelare a motorinei. Proprietățile motorinei, cum ar fi: caracteristicile de distilare, viscozitatea, densitatea și cifra cetanică, diferă în Europa ca și în Statele Unite.

La o analiză atentă se constată că multe din proprietățile motorinei sunt interdependente și că ele nu pot fi ajustate prin tehnologii dedicate. Pentru a îngusta plaja de variație a acestor proprietăți este nevoie de reprocesarea combustibilului pe instalații costisitoare.

Motorina va rămâne o parte atractivă a gamei combustibililor utilizați în transporturi. Îmbunătățirea calităților acesteia este posibilă însă la costuri ridicate. Trebuie să se recunoască că o creștere a prețului motorinei poate influența negativ într-o măsură ridicată prețurile și serviciile din Europa. Deci, îmbunătățirea calității motorinei are implicații socio-economice care trebuie cântărite foarte atent într-un bilanț între dorința de îmbunătățire a mediului înconjurător și costurile pe care le implică această îmbunătățire.

Studii recente au confirmat faptul că efectele proprietăților motorinei asupra emisiilor și funcționalitatea unor motoare Diesel optimizate sunt mici. În consecință, și în viitor se prevede ca îmbunătățirea proiectării motoarelor rămâne calea cea mai eficientă de reducere a emisiilor la motorul Diesel.

Compușii aromatici se găsesc și în motorine și ei nu pot fi în totalitate eliminați. Rezultatele experimentelor obținute în urma testării motor/autovehicul au arătat că, conținutul de compuși aromatici din motorinele comerciale, poate fi considerat ca un parametru secundar al nivelului emisiilor. Parametrul principal, strâns legat de conținutul de aromatice, este densitatea motorinei. Efectul de variație a densității motorinelor este compensat prin ajustarea dozei masice de combustibil injectat; în aceste condiții efectul nivelului compușilor aromatici asupra emisiilor (NOx și particule) devine nesemnificativ.

În petrol se găsește o anumită cantitate de sulf care poate fi eliminată, în mare parte, în procesul de rafinare prin hidrodesulfurare. Costul reducerii conținutului de sulf depinde de nivelul concentrației care trebuie atinsă.

Utilizarea catalizatorilor, pentru tratarea gazelor arse la motoare Diesel, va crește presiunile asupra industriei petroliere pentru scăderea drastică a conținutului de sulf din combustibil.

Sulful din motorină este eliminat din motor prin gazele de evacuare sub formă de SO2 , iar o mică cantitate (1…3%) este convertit în trioxid de sulf și eliminat sub formă de particule de sulfat. Contribuția sulfaților asupra cantității totale de particule emise depinde de nivelul absolut al particulelor emise de motor.

Începând cu octombrie 1993, s-a introdus motorina cu conținut redus de sulf, reformulată, în 49 de state din S.U.A (cu excepția Californiei). Acest combustibil are următoarele limite:

maxim 0,05 % în greutate conținut de sulf;

cifră cetanică maximă 40;

conținut maxim de hidrocarburi aromatice 30 % în volum.

La aceeași dată, California introduce o limitare și mai severă a nivelului de hidrocarburi aromatice, de maxim 10 %, păstrând nivelul maxim de sulf din combustibilii Diesel.

Utilizarea combustibililor fosili cu altă compoziție chimică poate determina reducerea semnificativă a emisiilor de hidrocarburi nearse și monoxid de carbon și neimportantă în ceea ce privește NOx. Efectul minim al reformulării combustibilului asupra emisiei de NOx îngustează și mai mult căile prin care viitoarele restricții legislative, referitoare la acești poluanți primari, pot fi îndeplinite.

Un studiu actual al European Auto/Oil estimează efectele proprietăților combustibililor Diesel (densitate, conținut de poliaromatice, cifră cetanică) asupra nivelului emisiilor a 17 modele de autoturisme și două de autocamioane, toate cu motoare Diesel. 14 din acestea au motoare cu injecție indirectă iar restul motoare cu injecție directă. Toate modelele au sisteme catalitice de oxidare a gazelor arse. Automobilele au fost încercate utilizând ciclul european MVEG, care combină testări în regimul urban cu cele în regim extraurban. Prin regresie liniară, s-au estimat efectele posibile ale reformulării combustibililor Diesel. asupra emisiilor motoarelor acestor automobile (tabelul 1.1).

Tabelul 1.1 – efecte ale reformulării combustibililor Diesel

Reducerile au fost obținute prin modificările arătate în tabelul 1.2

Tabelul 1.2 – tendințe în reformularea combustibililor Diesel

Interesant, emisia de NOx crește ușor, la funcționarea motoarelor cu motorina având modificările din tabelul 1.22. Rezultatele din tabelul 1.21 sunt determinate, în mare parte, de particularitățile funcționale ale motoarelor cu cameră de ardere divizată, predominante, ca număr, în grupul de autovehicule testate. La motoarele Diesel cu injecție directă, de turație ridicată, emisia de NOx descrește ușor odată cu creșterea cifrei cetanice a combustibilului (după cum este confirmat de alte cercetări ce au sudiat efectele reformulării combustibilului).

În cazul în care se va reuși reducerea importantă a valorilor emisiilor de CO, HC, și particule, prin reformularea combustibililor Diesel, se deschide posibilitatea concentrării eforturilor cercetătorilor asupra reducerii NOx, tratamentul gazelor arse în sistemul de evacuare făcându-se cu acest obiectiv prioritar. Concentrațiile particulelor organice solubile, ale formaldehidelor, se reduc odată cu reformularea constituenților motorinei.

Au fost estimate și efectele asupra nivelelor de emisii poluante pe care le are modificarea radicală a compoziției combustibilului Diesel. Probabil, ultima posibilitate de reformulare a combustibilului Diesel bazat pe hidrocarburi este obținerea acestuia, nu ca derivat al petrolului primar, ci din gaze naturale, de exemplu prin tehnologia Fischer-Tropsh. Au fost astfel obținuți combustibili Diesel cu o cifră cetanică de aproape 70, cu mai puțin de 0,1% conținut de hidrocarburi aromatice și mai puțin de 10 ppm ( părți pe milion) conținut de sulf. Procedeul de obținere este o versiune a tehnologiei Fischer-Tropsh utilizată de firma Sasol.

Alcoolii au fost utilizați și ei pentru reformularea combustibilului Diesel, dar, cifra octanică mare și corespunzător cifra cetanică mică, au determinat obținerea unor calități necorespunzătoare la utilizarea în motoarele Diesel.

Combustibili Diesel oxigenați se pot obține prin adăugarea în motorină a unor uleiuri vegetale modificate (de exemplu uleiul de rapiță sau uleiul de soia esterificate), cu bune calități în funcționarea motoarelor (cifră cetanică mare).

Alte proprietăți ale acestor uleiuri vegetale (vîscozitate mare, variabilitatea proprietăților cu modificarea temperaturii) fac ca procentul în care ele sunt folosite în amestec cu combustibilii Diesel clasici să fie de maxim 20 %. Utilizarea acestor amestecuri în motoarele Diesel a determinat reduceri ale nivelului de particule și CO dar creșteri ale indicelui NOx. În plus, acești combustibili sunt mai scumpi decât cei clasici, iar obținerea lor în cantități comparabile cu cele ale combustibililor petrolieri clasici determină implicații care se pot greu evalua.

Tendința general acceptată în redefinirea combustibililor Diesel constă în scăderea continuă a conținutului de sulf din compoziția acestora. Reducerea conținutului de sulf diminuează și distrugerile cauzate sistemelor catalitice de tratare a gazelor arse; sunt astfel posibile construcții care să realizeze simultan atât oxidarea CO și HC cât și reducerea NOx. Volkswagen a fost prima firmă care a introdus pe piață un sistem catalitic de reducere a NOx din gazele arse ale unui motor Diesel HSDI, dar alte firme nu se grăbesc încă să sacrifice o parte din economicitatea modelelor Diesel HSDI pentru încadrarea în limitele viitoarelor legislații ecologice

Măsurarea concentrației de oxid de carbon și a dioxidului de carbon

Emisiile de CO și CO2 din gazele de evacuare pot fi determinate utilizând metoda absorbției energiei radiante nedispersive prin spectrul de radiații infraroșu și care se bazează pe principiul absorbției selective a energiei radiante în spectrul infraroșu la diferite lungimi de undă caracteristice fiecărei substanțe.

Această metodă poate fi folosită și la măsurarea concentrației de HC și NOx. Radiația infraroșie este absorbită de CO la lungimea de undă de 4,7 m, iar de CO2 la 4,3 m.

Analizorul NDIR (Non Dispersive Infrared Radiation) (figura 8.1) dispune de două tuburi paralele, aceste tuburi au pereți reflectorizanți și ele sunt străbătute de câte un fascicul de radiații infraroșu. Aceste fascicule au o bandă largă de lungimi de undă

Proba de gaze arse de analizat traversează tubul de măsură situat pe traiectul fasciculului infraroșu. Tubul de referință este traversat de azot și el nu absoarbe radiații infraroșu .

Fasciculele sunt emise de două surse generatoare de radiații infraroșu de putere egală ajung în câte o cameră receptoare după ce au traversat tubul de măsură și tubul de referință. Cele două camere sunt umplute cu gaze de analizat și sunt separate de o membrană metalică. Radiația infraroșie este absorbită numai în banda de absorbție specifică gazului receptor, deci într-o manieră selectivă. Diferența de energie absorbită determină o diferență de temperatură și de presiune între cele două camere receptoare. Această diferență de presiune este transformată într-o diferență de tensiune, care este proporțională cu concentrația compusului care se determină, CO sau CO2, dar tot atât de bine poate fi determinată concentrația de HC sau NOx.

Fig. 2.1 Măsurarea concentrațiilor de CO și CO2 cu sistemul NDIR, unde:

Măsurarea concentrației oxizilor de azot

Regulamentele internaționale recomandă la măsurarea oxizilor de azot metoda chemiluminiscenței.

Analizorul cu chemiluminiscență își bazează funcționarea pe faptul că oxidul de azot (NO) reacționează cu ozonul (O3) de unde rezultă NO2 marcat electric care, prin descărcare, produce o cuantă de lumină roșie. Această emisie luminoasă poate fi măsurată cu precizie.

Aparatul (figura 2.2) dispune de o cameră de reacție în care se introduce proba de analizat și ozonul, unde se generează molecule NO2 încărcate electric și unde are loc descărcarea. Senzorul fotoelectric transformă impulsurile luminoase în curent electric.

Fig. 2.2 Schema analizorului bazat pe fenomenul de chemiluminescență; semnificația notațiilor este următoarea:

Camera de reacție este vidată cu ajutorul unei pompe de vid iar pe timpul funcționării volumul acesteia este menținută la temperatură constantă.

Analizorul dispune de un generator de ozon. Aerul sau oxigenul este trecut printr-un reactor în care sunt plasați doi electrozi alimentați de la o sursă de înaltă tensiune între care au loc descărcări electrice. Aproximativ 2% din oxigenul trecut prin descărcările electrice dintre electrozi este transformat în ozon.

În gazele de evacuare există pe lângă NO și cantități importante de NO2 .

Pentru măsurarea concentrației de NO2 analizorul dispune de un reactor încălzit electric la temperatura de 650-700°C. Proba de gaze arse este trecută prin acest reactor; NO2 disociază în totalitate în NO, după care proba este analizată prin chemiluminiscență.

Măsurarea concentrației de hidrocarburi

Concentrația de hidrocarburi din gaze de evacuare ale motoarelor se determină cu analizorul FID (Flame Ionization Detector).

Funcționarea analizorului (figura 2.3) se bazează pe faptul că atomii de carbon pot fi separați la temperatură ridicată în ioni pozitivi și electroni liberi. Vaporii de apă din gazele de evacuare pot vicia măsurătoarea, pentru a elimina această influentă probă gaze de evacuare se încălzește până la 190°C, iar analizorul devine HFID (Heated Flame Ionozation Detection).

Fig. 2.3 Sistemul pentru determinarea conținutului de hidrocarburi prin detecție de ioni în flacără ionizată (FID);

1-sistem de afișare; 2-arzător; 3-ieșire; 4-hidrogen; 5- aer; 6-gaze etalon; 7-gaze de eșapament.

Proba de analizat este amestecată cu aer și este arsă într-o flacără dată de un amestec format de H2 (40%) și He (60%).

În zona flăcării sunt plasate două plăci, una încărcată pozitiv, iar cealaltă negativ. Ionii pozitivi și negativi se vor separa pe plăci, generând un curent proporțional cu numărul de atomi de carbon, curent care va fi amplificat și măsurat.

Măsurarea concentrației de particule

Măsurarea cantității de particule emise se realizează prin metoda gravimetrică.

Gazele de evacuare traversează un filtru și masa acestor particule este determinată prin cântărirea filtrului ( filtru gol – filtru cu particule).

Înainte și după preluarea probei filtrele sunt menținute în etuve cu atmosferă controlată (umiditate, temperatură constantă); măsurarea se realizează tot în etuvă pentru a elimina influența umidității asupra măsurării.

Gazele sunt diluate cu aer după preluare. Diluția se poate realiza printr-un sistem principal sau printr-un sistem în deviație.

În general, se folosește preluarea la volum constant (CVS – Constant Volume Sampling). La acest sistem se măsoară volumul constant de gaze arse și aer și se prelevează proba supusă măsurării. Masa emisiilor de particule este apoi calculată cunoscând masa particulelor prelevate, debitul probei și debitul amestecului.

Filtrele utilizate pot influența măsurarea, prin reținerea vaporilor de apă și de hidrocarburi din gazele de evacuare.

Filtrele utilizate pentru reținerea particulelor sunt confecționate din fibre de sticlă acoperite cu fluorcarbon sau teflon, sau filtre tip membrană din fluorcarbon.

La măsurarea particulelor se utilizează mai multe filtre montate în serie, dispuse la o distanță de maxim 100 mm.

Microbalanța utilizată trebuie să aibă domeniul de măsurare de 0…5 mg.

Condițiile climatice din camera sau etuva de măsurare trebuie să înscrie în limitele următoare: temperatura 20-30 °C, umiditatea 35-55%.

Măsurarea emisiilor de fum

Pentru măsurarea densității fumului emis de motoare s-au dezvoltat două metode de măsurare: a) metoda filtrării gazelor și b) metoda măsurării radiației luminoase absorbite de gazele arse.

Metoda filtrării gazelor constă în trecerea unei cantități de gaze arse printr-un filtru. Filtrul este apoi supus unei analize optice în comparație cu un filtru curat.

Valorile obținute se încadrează în scara Bacharach care are 10 nivele de înnegrire a hârtiei de filtru curate (figura 2.4).

Fig. 2.4 Determinarea concentrației fumului din gazele de evacuare ale motoarelor

Diesel prin metoda filtrării (BOSCH); semnificația notațiilor este următoarea:

Metoda de măsurare a gradului de absorbție a luminii are ca principiu de măsurare comparația transparenței unei coloane de gaze de o lungime prestabilită cu o coloană de aer curat de aceeași lungime (figura 2.5).

Fig. 2.5

fummetru HARTRIDGE:

1-separator de apă; 2- supapă; 3- intrarea gazelor de evacuare; 4- sursă luminoasă; 5- tub de fum; 6- fotoelement; 7- tub calibrat; 8- poziție de măsurare; 9- poziție de calibrare; 10- ieșirea gazelor de evacuare; 11- ventilator; 12- aer.

FORMAREA EMISIILOR POLUANTE LA MOTOARELE CU ARDERE INTERNĂ

Formarea oxizilor de azot

FORMAREA oxidului de azot (NO)

La motoarele cu ardere internă sursa principală a azotului care va participa la reacțiile de formare ale oxidului de azot o constituie azotul molecular existent în aerul care este admis în motor. Benzina și motorina conțin mici cantități de azot care vor contribui la formarea oxidului de azot.

Mecanismul de formare a oxidului de azot din azotul atmosferic este descris prin următoarele reacții care au loc în zonele cu amestec aproximativ stoichiometric.

,

,

.

Ecuația (3.3) se desfășoară în amestecuri bogate. Reacțiile de formare a NO au loc în frontul flăcării și în gazele care părăsesc flacăra.

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

În figura 3.1 se prezintă formarea NO în dependență față de nivelul de temperatură, în funcție de timp.

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

Cantitățile de NO formate vor fi cu atât mai mari cu cât concentrația de oxigen și nivelul de temperatură sunt mai ridicate.

Fig. 3.1 Formarea oxidului de azot la diferite temperaturi, în funcție de timp.

X – concentrația instantanee de NO

X0 – concentrația NO la echilibru

FORMAREA DIOXIDULUI DE AZOT (NO2)

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

.

și NO2 este reconvertit în NO după următoarea reacție:

.

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

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

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

FORMAREA PROTOXIDULUI DE AZOT (N2O)

Protoxidul (N2O) se formează din substanțe intermediare care reacționează cu oxidul de azot.

,

.

Mecanismul de formare este limitat la reacția de oxidare.

Hidrogenul atomic determină distrugerea protoxidului de azot format:

,

.

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

Particularități ale genezei NOx la motorul cu aprindere prin scânteie

La motorul cu aprindere prin scânteie amestecul aer combustibil se caracterizează prin omogenitate deoarece procesul se desfășoară pe parcursul cursei de admisie și comprimare. Cantitățile de NO formate în gazele arse la temperatură ridicată sunt bine determinate. Cantitățile de NO pot crește peste valorile de echilibru când temperatura scade în timpul destinderii

Vârful concentrației de NO, care apare în destindere, este influențat de condițiile de funcționare ale motorului și, de asemenea, de momentul inițierii aprinderii amestecului. În cazul amestecurilor sărace procesul de formare a NO se termină mai repede, în cursa de destindere și are loc descompunerea numai a unei mici cantități de NO. Arderea amestecurilor bogate determină formarea de NO pe tot parcursul arderii, aceasta prelungindu-se în destindere, o cantitate de NO este supusă în acest caz procesului de descompunere.

Emisiile de NOx sunt mult mai sensibile la condițiile de funcționare ale motorului, când se utilizează amestecuri bogate, față de cazul utilizării amestecurilor sărace.

Concentrația emisiilor de NOx depinde în mare măsură de fracțiunea de amestec care arde prima. Dacă amestecul aer-combustibil nu este supus unor puternice mișcări organizate și neorganizate, cele mai importante concentrații de NOx sunt create în jurul bujiei. În camera de ardere apare un gradient al concentrației de NOx care urmărește gradientul de temperatură.

Factorii care influențează decisiv emisiile de NOx sunt:

Raportul aer-combustibil;

Fracțiunea de gaze arse care se găsește în amestecul nears din camera de ardere;

Avansul la aprindere.

În comparație cu acești factori, proprietățile combustibilului influențează nesemnificativ emisiile de NOx.

Influența dozajului

Dozajul influențează performanțele energetice ale motorului cu aprindere prin scânteie, acesta dezvoltând puterea maximă la amestecuri bogate unde există un deficit de aer față de amestecul stoichiometric de 0 –10 %.

Consumul minim de combustibil este obținut în condițiile unor amestecuri sărace, unde excesul de aer este de aproximativ de 10 %.

Din punctul de vedere al genezei NOx situația se prezintă în modul următor: temperatura maximă a gazelor arse se obține la amestecuri bogate ( 0,9). În aceste condiții concentrația din camera de ardere este scăzută. Dacă coeficientul de exces de aer începe să crească, efectul creșterii presiunii parțiale a oxigenului contrabalansează efectul reducerii temperaturii gazelor arse, care tinde să reducă formarea NOx. Vârful concentrației emisiilor de NOx este plasat în zona amestecurilor ușor sărace ( 1,1). În cazul în care excesul de aer continuă să crească, datorită reducerii temperaturii flăcării, rata de formare a NOx din azotul molecular se reduce.

Influența fracțiunii de gaze arse

Înaintea aprinderii, amestecul din camera de ardere a unui motor cu aprindere prin scânteie conține: aer, vapori de combustibil și gaze arse. Gazele arse pot fi gaze reziduale de la ciclul anterior, sau o cantitate de gaze arse intenționat recirculate, pentru a reduce emisiile de NOx.

Valoarea fracțiunii gazelor reziduale din amestec depinde de sarcină și fazele de distribuție (în special de durata de suprapunere a deschiderii supapelor de evacuare și admisie). Creșterea suprapunerii deschiderilor supapelor determină întoarcerea unei cantități de gaze arse, care va fi reținută în camera de ardere, efectul va fi reducerea emisiilor de NOx. Cantitatea de gaze reziduale depinde, de asemenea, de turația motorului, dozajul și raportul de comprimare (prin reducerea căruia apare o scădere a concentrației de NOx).

Gazele arse reziduale inactive din punct de vedere chimic acționează ca un diluant al amestecului aer-combustibil. Cu cât fracțiunea de gaze arse este mai ridicată, cu atât nivelul de temperatură al ciclului motor este mai redus. Mărirea cantității de gaze arse reziduale, sau recirculate, poate influența negativ asupra ratei de degajare a căldurii, ceea ce poate determina funcționarea instabilă a motorului.

Cercetări experimentale au evidențiat că, prin recircularea gazelor arse, se pot obține importante reduceri ale emisiilor de NOx. În figura 3.2 se prezintă efectul concentrației de gaze arse recirculate asupra emisie de NO pentru diferite dozaje. Se apreciază că importante reduceri ale emisiei de NO se obțin la concentrații de 15-20%, aceste concentrații fiind și maximul permisibil la sarcini parțiale de funcționare ale motorului. Mărirea concentrației de gaze arse recirculate poate determina înrăutățirea arderii sau chiar lipsa aprinderii amestecului.

Fig. 3.2 Influența recirculării de gaze arse asupra emisiei de NO, la un MAS funcționând la 1600 rot/min (A / F – raportul aer / combustibil).

Influența avansului la aprindere

Emisiile de NO sunt influențate în mod determinant de avansul la aprindere al amestecului din cilindrii motorului.

Mărirea avansului la aprindere determină creșterea emisiilor de NOx deoarece un procent sporit de amestec arde înainte de p.m.s., iar valoarea presiunii maxime a ciclului crește pentru că se apropie de p.m.s., când volumul de lucru al gazelor este minim. Creșterea presiunii maxime a ciclului are ca rezultat mărirea valorii maxime a temperaturii ciclului și a timpului cât gazele rămân în cilindree la temperaturi ridicate.

Micșorarea avansului la aprindere reduce nivelul temperaturii maxime al ciclului deoarece acesta se află plasat în cursa de destindere a ciclului. Se apreciază că reducerea de aproximativ 10 RAC a avansului la aprindere poate determina o reducere a nivelului de emisii de NO cu 20-30% la același nivel de putere (fig. 3.3).

Reducerea avansului la aprindere determină creșterea nivelului de temperatură al gazelor arse evacuate, favorizează post-arderea hidrocarburilor și înrăutățește consumul de combustibil și puterea specifică.

Fig. 3.3 Influența avansului la declanșarea scânteii electrice asupra emisiei de NO, la un MAS funcționând la 1600 rot/min

A / F – raportul aer / combustibil

Particularități ale genezei NOx la motorul cu aprindere prin comprimare

Formarea NOx este influențată de particularitățile de formare a amestecului aer-combustibil și arderea în motorul cu aprindere prin comprimare. Amestecul aer-combustibil se formează în cilindrii motorului prin injecția combustibilului la sfârșitul cursei de compresie, ceea ce determină o puternică neuniformitate a amestecului în camera de ardere, astfel rezultând o puternică neuniformitate a temperaturii și compoziției gazelor arse.

În motorul cu aprindere prin comprimare, procesele de formare a amestecului aer-combustibil și arderea sunt foarte complexe, fiind influențate de o multitudine de factori și, în plus aceste procese, se suprapun parțial. Pe parcursul fazei de ardere rapidă care urmează imediat după întârzierea la autoaprindere arderea amestecului este necontrolată, dozajul amestecului situându-se în jurul dozajului stoichiometric. Pe parcursul fazei de ardere difuzive, amestecul are dozajul apropiat de cel stoichiometric.

Asemănător motorului cu aprindere prin scânteie, maximul de temperatură influențează formarea NO. Fracțiunea de combustibil care arde mai devreme în procesul de ardere față de p.m.s. este determinant deoarece gazele sunt comprimate și temperatura are tendința de creștere ceea ce accentuează procesul de formare a NO. În cursa de destindere formarea NO este oprită deoarece gazele fierbinți se amestecă cu aer sau gaze arse ˝reci˝. In motorul cu aprindere prin comprimare datorită acestui proces de răcire a amestecului de gaze în cursa de destindere, NO are tendință mai scăzută de descompunere comparativ cu motorul cu aprindere prin scânteie.

Perioada critică de formare a NO este deci între începutul arderii și un punct plasat cu puțin după înregistrarea valorii maxime a presiunii din cilindru.

Experimental s-a determinat faptul că întreaga cantitate de NO de formează pe 20 RAC din momentul inițierii arderii. Când avansul la injecție este micșorat arderea începe mai târziu la fel și procesul de formare a NO, însă rata de formare este diminuată datorită nivelului maxim de temperatură mai redus.

Concentrația de NO crește cu mărirea dozajului. Dozajul crește cu mărirea cantității de combustibil injectat iar emisia de NO este proporțională cu cantitatea de combustibil injectată (fig. 3.4). La sarcină plină nivelul presiunii din cilindrul este maxim, deci și nivelul NO va fi mai mare.

Fig. 3.4 Influența dozajului asupra emisiei de oxizi de azot la un motor Diesel.

Din cantitatea de NOx evacuată de un motor cu aprindere prin comprimare NO2 reprezintă 10…20% din cantitatea de NOx.

În motorul cu aprindere prin comprimare cu injecție indirectă procesul de formare a NO are loc în camera separată ( 65%) și în camera principală ( 35%). În camera separată, neuniformitatea amestecului este importantă, începând de la amestec stoichiometric ți continuând cu amestecul bogat. Vârful concentrației de NO este așteptat să apară local, în regiunile cu amestec stoichiometric. Din cauză că amestecul rămâne bogat în camera separată și gazele arse sunt expulzate, atingerea vârfului de presiune va fi la 6…10 RAC după p.m.s.; o parte importantă din NO se descompune în camera separată.

Transferarea gazelor arse din camera separată în camera principală poate opri formarea NO datorită răcirii gazelor prin amestecare cu componente mai reci și prin destindere (aproximativ 15 RAC după p.m.s.).

Emisiile de NO pot fi diminuate prin diluarea amestecului cu gaze recirculate pentru reducerea temperaturii gazelor arse. Compoziția gazelor de evacuare ale motorului cu aprindere prin comprimare depinde de sarcina motorului. La sarcini mici compoziția gazelor de evacuare nu diferă cu mult de compoziția aerului atmosferic cu muci concentrații de CO2 și H2O, căldura specifică a acestor gaze este scăzută. La sarcini mari căldura specifică crește ca de altfel și concentrațiile de CO2 și H2O.

FORMAREA oxidului de carbon

Emisiile de oxid de carbon sunt influențate în primul rând de raportul aer-combustibil.

Formarea de monoxid de carbon este un proces intermediar în oxidarea hidrocarburilor având ca produs final dioxidul de carbon.

,

iar

.

Rata de oxidare a combustibilului depinde de concentrația oxigenului disponibil, temperatura gazelor și de timpul de desfășurare a reacțiilor.

Lipsa oxigenului necesar arderii generează arderea incompletă cu formarea de monoxid de carbon.

Concentrația de CO în gaze poate fi dată de echilibrul următoarei ecuații:

.

pentru temperaturi de aproximativ 1600…1700 K.

Stoparea acestei reacții pentru aceste temperaturi are loc pentru constanta de echilibru de relația:

.

care are valori în jur de 3,5 la 3,8.

La amestecuri bogate concentrația de CO este foarte apropie de concentrația de echilibru în gazele arse în curba de destindere.

În cazul amestecurilor sărace emisiile de CO sunt mai mari decât cele calculate și acesta se datorează hidrocarburilor oxidate incomplet desprinse de pe pereții camerei de ardere, spații înguste filmul de ulei în timpul cursei de destindere.

FORMAREA monoxidului de carbon la MAS

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

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

Cantitățile de monoxid de carbon formate în regimurile de accelerare /decelerare pot fi reduse prin controlul cantității de combustibil introdus în cilindri.

FORMAREA monoxidului de carbon la MAC

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

Particularitățile de formare ale amestecului și arderii la MAC care se caracterizează prin neomogenitate ridicată, lipsa locală a oxigenului, fluctuații ale temperaturii în camera de ardere și timp insuficient pentru desăvârșirea reacțiilor de ardere pot cauza creșteri ale emisiilor de CO (la sarcini mici și la sarcină plină și turații ridicate).

Formarea hidrocarburilor nearse

Emisiile de hidrocarburi sau de substanțe organice sunt rezultatul arderii incomplete ale combustibilului.

Gazele de evacuare conțin o multitudine de hidrocarburi (tabelul 3.1).

Tabelul 3.1 – compoziția hidrocarburilor emise de MAS.

O parte din hidrocarburi sunt inerte din punct de vedere fiziologic și nereactive în smogul fotochimic. O altă parte sunt cunoscute drept substanțe cancerigene sau sunt puternic reactive la formarea smogului fotochimic

Având în vedere reactivitatea hidrocarburilor la formarea smogului fotochimic, compușii hidrocarbonați sunt divizați în două categorii nereactivi și reactivi.

În tabelul 3.2 se prezintă o scală a reactivității prin care se poate estima reactivitatea amestecului gazos de hidrocarburi din gazele de evacuare.

Tabelul 3.2 – reactivitatea hidrocarburilor

Compoziția combustibilului influențează compoziția și nivelul emisiilor organice. Combustibilii care conțin o proporție ridicată de substanțe aromatice și olefinice produc o concentrație semnificativă de hidrocarburi reactive. De cele mai multe ori compușii organici găsiți în gazele de evacuare nu sunt prezenți în compoziția combustibilului, indicând faptul că, pe timpul arderii, au loc reacții de piroliză și sinteză.

Compușii oxigenați sunt prezenți în gazele de evacuare și sunt bine cunoscuți ca fiind participanți la smogul fotochimic, o parte din acești compuși sunt iritanți și mirositori. Aldehidele volatile sunt iritante pentru ochi și aparatul respirator. Formaldehida este un important component, aproximativ 20% din totalul carbonililor.

Carbonilii reprezintă în jur de 10% din totalul emisiilor la m.a.c. pentru autoturisme.

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

Mecanismul stingerii flăcării

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

La stingerea flăcării rămâne nears sau parțial ars un strat subțire de combustibil. Suprafețele chiulasei, pistonului, cilindrului, supape și spațiile înguste cum ar fi spre exemplul canalul primului segment.

Grosimea stratului de combustibil nears sau parțial ars este influențată de o serie de factori cum ar fi: presiunea și temperatura amestecului, densitatea acestuia, viteza de propagare a frontului de flacără, conductivitatea termică, prezența depozitelor, forma suprafețelor și temperatura pereților.

Studiile efectuate pe configurații simple reprezentate de două suprafețe plane printre care flacăra se poate propaga arată că distanța este dată de "numărul Peclet".

. (3.14) Mărimile n, un, cp, T și k sunt aproximativ constante pe gama de funcționare a motorului și reprezintă densitatea, viteza laminară a flăcării, căldura specifică la căldură constantă, temperatura, temperatura gazelor și conductivitatea termică iar indicii n și f se referă la condițiile amestecului nears și ale flăcării.

ds2 – distanța dintre cele două suprafețe.

Se consideră că temperatura pereților este egală cu temperatura gazelor nearse.

O corelația empirică între spațiul dintre două suprafețe a fost dezvoltată de Lavoie pentru utilizarea de hidrocarburi lichide și pentru o gamă de presiuni cuprinse 0,3…4 MPa.

, (3.15)

unde:

p – presiunea atmosferică; d – raportul combustibil / aer.

În aceste condiții se poate determina distanța minimă între două suprafețe prin care flacăra se propagă.

Pentru stingerea flăcării la perete există mai multe posibilități geometrice. Cel mai simplu model este atunci când frontul de flacără este paralel la perete. În condițiile existenței unui singur perete, distanța de stingere a flăcării ds1 se definește ca fiind distanța minimă până la care au loc reacțiile de ardere.

Numărul Peclet pentru un singur perete este dat de relația:

,

Indicele n se referă la proprietățile gazelor nearse.

Dacă se utilizează temperatura peretelui ca reprezentând temperatura gazelor arse se poate scrie următoarea relație:

.

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

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

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

Mecanismul chimic de formare al hidrocarburilor nearse

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

.

Radicalii alchil (R) reacționează ușor cu oxigenul formând radical alchil peroxid.

.

Acestea sunt treptele inițiale pentru a forma legături între oxigen și hidrocarburi. Următoarele trepte implică un număr de reacții ale radicalilor liberi combinate cu reacții de dehidrogenare și izomerizare, ca în sfârșit să se producă diferite forme de compuși organici oxigenați.

3.3.2.1. Formarea aldehidelor

Radicalul (RO2) se combină cu hidrogenul care migrează în camera de ardere după care se descompune în aldehide și radicalul hidroxil.

.

Radicalul (RO) format în timpul descompunerii termice a peroxidului de tipul ROOH dă aldehidă în cazul radicalului secundar prin spargerea legăturii C-C și prin rearanjare se obține relația

,

și cazul radicalului primar RO, radicalul aldehidă poate reacționa cu oxigenul

.

Formarea cetonelor

Ca și în cazul reacției (3.20) radicalul secundar RO2 este implicat în formarea cetonelor

.

Și în acest caz radicalul terțiar este:

.

FORMAREA alcoolilor

Radicalii RO pot extrage hidrogen din hidrocarburi formând alcooli

.

formarea acizilor organici

Radicalul acil (RCO) se formează prin îndepărtarea hidrogenului și direct din descompunerea aldehidelor. Acest radical se descompune ușor dând CO și un radical liber de tipul R care se combină cu oxigenul dând un radical acid.

.

Radicalul peroxid (RCO3), prin extragere de hidrogen din hidrocarburi, poate da peracid.

,

Peracidul se poate descompune în radical carboxil (RCO2):

,

aceasta poate să extragă hidrogenul din hidrocarburi obținându-se acidul carboxilic

.

Catalizatorul

Catalizatorul are forma unui amortizor de sunet clasic, eliptic sau rotund, in interiorul caruia sa afla un monolit ceramic sau metalic pe care sunt depuse metale nobile care favorizeaza conversia gazelor poluante in gaze nepoluante.
In catalizator (convertorul catalitic) au loc procese de transformare a hidrocarburilor in dioxid de carbon (CO2 ) si vapori de apa, a monoxidului de carbon (CO) in dioxid de carbon (CO2) si a oxidului de azot (NO in azot (N2) si oxigen (O2).

Catalizator (convertizor catalitic) – componenta a sistemului de evacuare a gazelor rezultate ca urmare a arderii combustibilului care “trateaza” gazele de esapament inainte ca acestea sa fie evacuate.
Functionarea in conditii normale a unui convertor catalitic conduce la o transformare a gazelor de ardere in gaze cvasiinofensive eliminand in acest fel o parte importanta a poluantilor.

Pentru a rezolva aceste probleme, orașele, statele și guvernul federal emit legi pentru protecția calității aerului și au fost adoptate mai multe legi care limitează poluarea care poate fi produsă de mașini. Pentru a ține pasul cu aceste legi, producătorii de mașini au realizat multe îmbunătățiri ale motoarelor și sistemelor de alimentare ale mașinilor. Pentru a reduce și mai mult emisiile, aceștia au dezvoltat un dispozitiv interesant numit convertizor catalitic, care tratează gazele de eșapament înainte ca acestea să fie evacuate și elimină o parte importantă a poluanților.

Localizarea convertizorului catalitic într-un autoturism

Convertizorii catalitici sunt dispozitive surprinzător de simple, de aceea este incredibil să descoperiți ce impact major au aceștia!

Poluanți produși de motorul unei mașini

Pentru a reduce emisiile de poluanți, motoarele moderne controlează cu precizie cantitatea de carburant pe care o consumă. Acestea încearcă să mențină raportul aer-carburant foarte aproape de punctul stoichiometric, care reprezintă raportul ideal calculat pentru aer și carburant. Teoretic, la acest raport, tot carburantul ar fi ars utilizând tot oxigenul din aer. Pentru benzină, raportul stoichiometric este de aproximativ 14,7:1, adică pentru fiecare livră de benzină vor fi arse 14,7 livre de aer. Amestecul carburant variază în realitate de la raportul ideal destul de mult în timpul funcționării motorului. În unele cazuri amestecul poate fi sărac (un raport aer-carburant mai mare de 14,7) iar în alte cazuri amestecul poate fi bogat (un raport aer-carburant mai mic de 14,7).
Principalele emisii ale unui motor de mașină sunt:

Azot (N2) – Aerul este format din 78 la sută azot și cea mai mare parte din acesta trece neschimbat prin motorul mașinii.

Dioxid de carbon (CO2) – Acesta este unul dintre produsele combustiei. Carbonul din carburant se leagă cu oxigenul din aer.

Vapori de apă (H2O) – Aceștia sunt un alt produs al combustiei. Hidrogenul din carburant se leagă cu oxigenul din aer.

Aceste emisii sunt în general nedăunătoare (deși se crede că emisiile de dioxid de carbon contribuie la încălzirea globală). Dar, deoarece procesul de combustie nu este niciodată perfect, în motoarele mașinilor sunt produse de asemenea cantități mai mici de emisii mai dăunătoare:

Monoxid de carbon (CO) – un gaz toxic incolor și inodor.

Hidrocarburi sau compuși organici volatili (COV) – produși în principal datorită carburantului nears care se evaporă. Lumina soarelui desface acești compuși formând oxidanți, care reacționează cu oxizii azotului și crează ozon (O3) la nivelul solului, unul dintre componentele principale ale smogului.

Oxizi de azot (NO și NO2, denumiți împreună NOx) – contribuie la formarea smogului și a ploii acide, și produc de asemenea iritații ale membranelor mucoase umane.

Acestea sunt principalele trei emisii reglementate și de asemenea cele pe care convertizorii catalitici sunt proiectați să le reducă.

Cum reduc convertizorii catalitici poluarea

Majoritatea mașinilor moderne sunt echipate cu convertizori catalitici cu trei acțiuni. "Trei acțiuni" se referă la cele trei emisii reglementate la a căror reducere ajută catalizatorul – moleculele de monoxid de carbon, COV și NOx. Convertizorul utilizează două tipuri diferite de catalizatori, un catalizator de reducere și un catalizator de oxidare. Ambele tipuri constau dintr-o structură ceramică acoperită cu un catalizator metalic, în general platină, rodiu și/sau paladiu. Idee este de a crea o structură care expune o suprafață maximă de catalizator la fluxul de eșapament, minimizând în același timp cantitatea de catalizator necesară (catalizatorii sunt foarte scumpi).

Un convertizor catalitic cu trei acțiuni: Observați cei doi catalizatori separați

Există două tipuri principale de structuri utilizate în convertizorii catalitici – fagure și bile ceramice. Majoritatea mașinilor din prezent utilizează structura-fagure.

Structură fagure-ceramic catalizator

Catalizatorul de reducere

Catalizatorul de reducere este prima treaptă a convertizorului catalitic. Aceasta utilizează platină și rodiu pentru a ajuta la reducerea emisiilor de NOx. Când o moleculă de NO sau NO2 ia contact cu catalizatorul, catalizatorul desface atomul de azot din moleculă și îl reține, eliberând oxigenul sub formă de O2. Atomii de azot se leagă cu alți atomi de azot fixați pe catalizator formând N2.

De exemplu:

2NO —› N2 + O2 or 2NO2 —› N2 + 2O2

Catalizatorul de oxidare

Catalizatorul de oxidare este a doua treaptă a convertizorului catalitic. Acesta reduce hidrocarburile nearse și monoxidul de carbon prin arderea (oxidarea) acestora asupra unui catalizator din platină și paladiu. Catalizatorul ajută reacția dintre CO și hidrocarburi și oxigenul rămas în gazul de eșapament.

De exemplu:

2CO + O2 —› 2O2

Dar de unde provine oxigenul?

Sistemul de control

A treia treaptă este un sistem de control care monitorizează fluxul de eșapament și utilizează aceste informații pentru controlul sistemului de injecție a carburantului. Există un senzor de oxigen montat înaintea convertizorului catalitic, adică mai aproape de motor decât convertizorul. Acest senzor comunică computerului motorului cât oxigen există în gazul de eșapament. Computerul motorului poate mări sau micșora cantitatea de oxigen din gazul de eșapament modificând raportul aer-carburant. Acest sistem de control permite computerului motorului să asigure funcționarea motorului în apropierea punctului stoichiometric și de asemenea permite să se asigure existența a suficient oxigent în gazul de eșapament pentru ca, convertizorul catalitic să poată arde hidrocarburile nearse și CO.

Alte metode de reducere a poluării

Convertizorul catalitic reduce mult poluarea, dar această reducere poate fi îmbunătățită substanțial. Unul dintre cele mai mari neajunsuri este faptul că acesta funcționează doar la temperaturi destul de mari. Când porniți mașina de la rece, convertizorul catalitic nu acționează aproape deloc pentru reducerea poluanților din gazul de eșapament.

O soluție simplă constă în deplasarea convertizorului catalitic mai aproape de motor. Astfel, gazele de eșapament mai fierbinți ating convertizorul și acesta se încălzește mai rapid, dar această soluție poate reduce de asemenea viața convertizorului prin expunerea acestuia la temperaturi extrem de mari. Majoritatea producătorilor de mașini poziționează convertizorul sub scaunele din față ale pasagerilor, destul de departe de motor pentru a menține temperatura la un nivel care să nu îi dăuneze acestuia.

Preîncălzirea convertizorului catalitic este o metodă bună pentru reducerea emisiilor. Cea mai simplă metodă de preîncălzire a convertizorului este de a utiliza încălzitoare cu rezistență electrică. Din păcate, sistemele electrice la 12 volți existente pe majoritatea mașinilor nu oferă destulă energie sau putere pentru a încălzi destul de rapid convertizorul. Majoritatea oamenilor nu ar aștepta câteva minute pentru ca, convertizorul catalitic să se încălzească înainte de a porni mașina. Mașinile hibrid care dispun de pachete mari de baterii de voltaj mare oferă destulă putere pentru a încălzi convertizorul catalitic foarte rapid.