Poluarea Motoarelor

Cuprins

Argument

Cap.I Considerații generale

Cap.II Particule emise de motoare

2.1. Originea particulelor

2.2.Compoziția particulelor

2.3.Dimensiunea particulelor

Cap.III Tipuri constructive de filtre

Cap.IV Filtre de particule cu reținere mecanică

4.1. Filtrul monolit ceramic

4.2.Filtrul cu fibre ceramice

4.3.Filtrul metallic poros

4.4.Regenerarea filtrelor

4.4.1. Regenerare termică

4.4.2. Regenerare catalitică

4.4.3. Regenerare aerodinamică

4.4.4. Regenerare prin alte măsuri aplicate motorului

Cap.V Filtre electrostatice de particule

Cap.VI Concluzii

Bibliografie

34 PAGINI

=== Poluarea Motoarelor ===

Cuprins

Argument

Cap.I Considerații generale

Cap.II Particule emise de motoare

2.1. Originea particulelor

2.2.Compoziția particulelor

2.3.Dimensiunea particulelor

Cap.III Tipuri constructive de filtre

Cap.IV Filtre de particule cu reținere mecanică

4.1. Filtrul monolit ceramic

4.2.Filtrul cu fibre ceramice

4.3.Filtrul metallic poros

4.4.Regenerarea filtrelor

4.4.1. Regenerare termică

4.4.2. Regenerare catalitică

4.4.3. Regenerare aerodinamică

4.4.4. Regenerare prin alte măsuri aplicate motorului

Cap.V Filtre electrostatice de particule

Cap.VI Concluzii

Bibliografie

Argument

Interesul pentru poluarea mediului a crescut in ultima jumatate de secol de la un numar mic de persoane, care se ocupau sporadic si intamplator de poluare pana la intreaga populatie a globului si la institutiile si organizatiile cala mai diverse.

Desigur ca poluarea merita interes, in primul rand pentru aspectele sale actuale, deoarece se creaza si in prezent incomoditati, pagube care afecteaza sanatatea, implicand uneori mase mari de oameni. Aceasta obliga la cunoasterea sa cat mai aprofundata, mai urgenta si mai extinsa.

Lucrarea “ Studii privind emisia de particule poluante la motoarele de automobile” se inscrie pe aceasta linie, ea dorindu-se a fi un ghid care sa cuprinda succint ansamblul problemelor legate de emisia particulelor poluante la motoarele de automobile.Fundamentata pe o conceptie imbogatita din literatura de specialitate, lucrarea prezinta originea, compozitia, dimensiunile particulelor emise de motoarele automobilelor precum si tipurile constructive de filtre pentru retinerea acestora. Toate aceste laturi reprezinta, tot atatea capitole desfasurate intr-o logica fireasca, care constituie un rea sprijin in intelegerea si analiza completa si corecta a problemelor legate de emisia particulelor la motoarele de automobile.

In prezent, si desigur si in viitor, obligatia noastra a oamenilor este de a echilibra si controla calitatea mediului pentru fiecare componenta, cat si pe ansamblu.

CAP.I CONSIDERAȚII GENERALE

Din punct de vedere al poluarii mediului este foarte importantă sistematizarea surselor de poluare legate de transporturi în funcție de:

Modul de transport;

Mijlocul de propulsie ( motoare cu ardere internă, motoare electrice);

Locul specific al transportului( urban: rutier și pe șine; interurban: rutier,pe șine, aerian și naval; internațional: rutier, pe șine, naval,aerian);

Atenția principală trebuie acordată trnsportului auto. Se apreciază că, la un drum de 1000 Km, un singur autoturism consumă oxigenul a patru persoane pe an, în afara altor produse poluante rezultate.

Emisiile poluante produse de motoarele autovehiculelor se impart în două clase:

-substanțe primare;

-substanțe secundare;

Substanțele primare sunt substanțe nocive emise direct de motor și cuprind mai multe varietăți: -în stare gazoasă: oxidul de carbon (CO); hidrocarburile (HC); oxizii de azot (NO);

-în stare solidă: particule de plumb la MAS, particulele organice care alcătuiesc fumul la MAC;

-în stare lichidă: când motorul diesel este rece, unele hidrocarburi se evacuează sub formă de particule de lichid;

Cantitatea și calitatea emisiilor poluante depind de natura și consumul de combustibil, precum și de două procese fundamentale: procesul de amestecare și procesul de ardere. Cercetarea și proiectarea concentrează eforturi considerabile pentru controlul acestor procese precum și pentru îmbunătățirea combustibilului în vederea satisfacerii normelor antipoluante.

CAP. II PARTICULE EMISE DE MOTOARE

2.1Originea particulelor

Fata de emisiile existente in gazele de evacuare ale MAS, gazele produse de MAC cuprind un poluant definit prin metoda de masurare, si anume particulele diesel, poluant a carui monitorizare urmareste determinarea emisiilor solide si lichide din gazele de evacuare printr-un procedeu de masurare mai riguros decat masurarea opacitatii fumului. Problema fundamentala a particulelor din gazele de evacuare.

Particulele sunt definite implicit prin metoda de măsurare, ca totalitatea materiei colectate pe un filtru de teflon la trecerea gazelor arse emise de motorul cu aprindere prin comprimare, gaze care au fost diluate cu aer filtrat pentru menținerea temperaturii acestora sub 520 C.

Extinderea definiției particulelor pentru MAS este formală nefiind impusă de prevederi legislative concrete, datorită faptului că emisia de particule MAS este de 40-100 de ori mai mică decât aceea a MAC, pentru motoare similare. Din punct de vedere a compoziției chimice, particulele MAS conțin pe lângă carbon, Pb, P, aditivi organici din ulei și benzină.

Revenind la cazul particulelor emise de MAC, se apreciază, din punct de vedere cantitativ, că din cele 0,3% din gazele arse care sunt dăunătoare sănătății 0,005% sunt particule.

Particulele provin din procese similare cu cele ale genezei funinginei și hidrocarburilor.

Funinginea

Se formează prin suprapunerea amestecurilor bogate la temperaturi înalte. Cu cât amestecul este mai bogat sau cu cât temperatura este mai ridicată, cu atât crește funinginea produsă din carbonul existent în combustibil. Emisia de funingine este legată de cantitatea de combustibil injectată în cea de-a doua fază a arderii, după perioada de întârziere la autoaprindere. Combustibilul injectat înaintea aprinderii are timp să se amestece în condișii mai sărace înainte ca temperatura să crească.

Hidrocarburile HC

Provin din trei surse principale.

-amestecuri sărace neinflamabile;

-volumul sacului injectorului;

-amestecuri bogate formate târziu în ciclul motor;

Cea mai mare 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 oxigen, când amestecul este prea sărac sau prea bogat pentru a fi consumat de reacțiile rapide stoechiometrice.

2.2 Compoziția particulelor

Particulele sunt alcătuite din o fracțiune insolubilă de carbon, sub denumirea de funingine, compuși metalici și o fracțiune solubilă, formată din combustibil și ulei nears.

În figura 1 sunt prezentate compoziția tipică și proveniența particulelor în gazele de evacuare.

Compoziția particulelor depinde de tipul constructiv al motorului, procentele componentelor fiind prezentate în tabelul1.

Tabelul 1 Variația compoziției particulelor funcție de tipul MAI

2.3 Dimensiunile particulelor

Există mai multas referiri asupra dimensiunilor particulelor emise de motoarele Diesel:

Diametrul mediu 0,1-0,3µm, cele mici pot fi de 10nm;

Mai mult de 50% dintre particule au diametru mai mic de 1µm;

90% dintre particule au diametru mai mic de 1µm, iar 70% sub 0,3µm;

0,03-0,6µm conform distribuției tipice dimensionale; în plus, dimensiunile particulelor emise de MAS sunt mai mici decât cele emise de MAC: 0,01-0,05µm în cazul MAS cu catalizator și 0,01-0,1µm în MAS fără catalizator.

Particulele emise de MAC sunt foarte mici și nu au intrat până de curând în atenția legislatorilor, decât prin prisma măsurării fumului și a compoziției chimice a gazului de eșapament.

Efectele asupra sănătății produse de particule depind de dimensiunile acestora, de modul în care acestea pătrund în organism, ca și de capacitatea organismului de a le elimina sau neutraliza.Particulele MAC sunt suficient de mici pentru a se depune în traiectul respirator. Particulele mai mari de 0,3µm sunt eliminate din traiectul respirator, în timp ce restul pot pătrunde în plămâni. Tot materialul sub formă suspendată, solid sau lichid, poate fi denumit particule și clasificat după mărime. Particulele ultrafine, cunoscute sub denumirea de nanoparticule sau particule submicronice care apar în număr foarte mare, dar în cele din urmă acestea au o contribuție mică asupra masei totale a particulelor. Particulele ultrafine sunt mai periculoase, din cauza capacității acestora de a pătrunde adânc în sistemul respirator și de a se depozita în zona alveolară a plămânului.

Dimensiunile paticulelor variază cu regimul de funcționare al motorulu, constatându-se că la turație constantă creșterea sarcinii a dus la creșterea diametrului mediu al particulelor, iar la creșterea turației, diametrele medii au scăzut, datorită scăderii timpului de staționare a particulelor în motor și a anihilării fenomenelor de aglomerare.

Pentru studiul dimensional al particulelor s-a folosit microscopia elecronică, cu ajutorul căreia s-a analizat imaginea particulelor emise de motorul D2156 MTN 8, în regimul de funcționare caracterizat de 100% sarcină și la turația de 1800 rot/min. Depunerea particulelor s-a făcut pe pastile de aluminiu lustruite chimic, acestea fiind menținute în curentul de gaze arse un timp foarte scurt, pentru a se evita depunerile în straturi a particulelor. Fotografiile confirmă aspectul de conopidă al particulelor.

CAP.III TIPURI CONSTRUCTIVE DE FILTRE

Problema fundamentala a particulelor din gazele arse este ca sunt prea diluate pentru a putea

arde, de aceea cea mai raspandita metoda este concentrarea lor intr-un filtru. Funcționarea filtrului implică două faze de lucru:

Perioada de filtrare și acumulare a particulelor;

Perioada de regenare, prin care particulele sunt fie oxidate, fie înlăturate, astfel încât filtrul să poată lucra din nou;

Filtrele de particule sunt dispozitive proiectate încă de la sfârșitul anilor “70, în scopul reținerii și oxidării particulelor conținute în gazele de evacuare ale motoarelor diesel.

Clasificarea filtrelor

dupa procedeul de colectare a particulelor:

-prin retinere mecanica ( structuri celulare sau fibroase avand suprafete mari de depunere si canalizatii inguste pentru trecerea gazelor arse );

-prin retinere electrostatica (prin procedeul efectului Corona, particulele electrizate se aglomereaza si pot fi colectate);

dupa natura materialului filtrant:

-filtre metalice;

-filtre ceramice;

dupa tipul regenerarii:

-regenerare termica (cu aport de energie, in scopul cresterii temperaturii gazelor arse pana la valori de 550…600 grade C);

-regenerare electrica cu rezistor de incalzire;

– regenerare cu microunde;

– regenerare cu arzator de combustibil suplimentar;

– regenerare cu obturarea admisiei;

– regenerare cu obturaea evacuarii;

– regenerare chimica ( cu reactii catalitice care produc oxidarea particulelor la temperaturi mai scazute ale gazelor de evacuare );

– regenerare cu depuneri sau injectere de catalizatori in filtru;

– regenerare combinata ( termica si chimica );

– regenerare mecanica;

dupa periodicitatea regenerarii:

– regenerare periodica;

– regenerare continua;

dupa locul de producere a regenerarii:

– regenerare externa ( oxidarea particulelor din filtru are loc dupa colmatarea acestuia prin folosirea unui arzator extern);

– regenerare interna ( oxidarea particulelor are loc in filtru, prin actiunea sistemului propriu de regenerare);

Filtrle de particule urmaresc retinerea particulelor, urmata de curatarea periodica prin diferita procedee. Functie de procedeul de retinere a particulelor s-au dezvoltat mai multe tipuri de filtre si procedee de regenerare, dintre care s-au dovedit mai eficiente in functionarea pe autovehicule urmatoarele:

-filtre de particule cu retinere mecanica;

-filtru monolit ceramic;

-filtru cu fibre ceramice;

-filtru metalic poros;

-filtre electrostatice de particule;

CAP.IV FILTRE DE PARTICULE CU REȚINERE MECANICĂ

In general filtrarea macanica se imparte in filtrare bidimensionala si filtrare tridimensionala (in volum). Daca dimensiunea particulei este mai mare decat cea a celulei filtrului, particula nu poate trece prin porii filtrului. Ca rezultat, particulele sunt filtrate si exista numai pe suprafata peretelui filtrului. Acesta este mecanismul filtrarii bidimensionale, care are o eficienta mare si o cadere de presiune mare. In cazul filtrarii tridimensionale, desii dimensiunea particulei este mai mica decat cea a poruluisi particula poate trece , ea este retinuta pe fibra filtrului din cauza fortei de inertie specifice curgerii gazului. Particulele nu exista numai la suprafata, ci si pe suprafata interioara a peretelui filtrului.

Functie de dimensiunea particulelor., exista trei mecanisme de captura a acestora:

– captura prin difuzie (particulele suficient de mici pentru a intra in miscare browniana cauzata de ciocnirea cu moleculele de gaz);

-captura prin interceptie (particule considerate prea mari pentru a mai fi supuse miscarii browniene, dar prea mici pentru a avea inertie proprie);

-captura prin impact inertial (particule mai mari cu suficienta inertie);

Fig.2 Mecanisme de captare a particulelor

Mecanismele de captare a particulelor prin impact si difuzie sunt predominante la filtrele cu fibre ceramice sau cu lana de sarma (wire mesh). Particulele mai mari aderă, dupa impact, cu suprafata filamentelor sau cu depunerile de pe acestea. Unele dintre particulele mici migreaza ( prin mecanismul de difuzie ) pe suprafetele filamentelor. Acest tip de filtru se mai numeste neblocabil ( gazele de evacuare pot razbate permanent spre iesire ). Filtrele au avantajul unei caderi mici de presiune, dar dezavantajul unei eficiente relativ reduse.

Interceptia este principalul mecanism de captare in filtrele din matelial poros, iar difuzia poate, la randul ei, sa sporeasca eficienta. Particulele mai mari ca diametru mediu al porilor sunt deci interceptate si retinute de monolit. Aceste filtre se numesc blocabile, avand in consecinta o cadere sporita de presiune si o viteza mai mare de crestere a acestei caderi de presiune.

FILTRUL MONOLIT CERAMIC

Filtrul ceramic pentru retinerea particulelor este format dintr-un corp ceramic cu sectiune circulara sau ovala, care are aspect de fagure, datorita canalelor care il strabat. Materialul ceramic din care este alcatuit se numeste cordierit si contine in principal oxid de mafneziu (MgO), oxid de aluminiu (Al2O3) si dioxid de siliciu (SiO2). Exista si o varianta de aliaj ceramic mai simplu, numit mullit. Forma de fagure este data de un numar foarte mare de canale longitudinale, de sectiune patrata

Fig.3 Sectiune prin filtru

Canalele longitudinale sunt obturate alternativ la capete cu obturatoare din ceramică, iar reținerea particulelor se realizează în momentul trecerii gazelor dintr-un canal în altul prin străbaterea pereților poroși ai monolitului – filtrare prin trecere prin perete – Wall Flow.

Treptat, suprafața interioară a canalelor se acoperă cu particule, afectând eficacitatea filtrului și mărind rezistențele gazo-dinamice de pe traseul evacuării.

Din acest motiv se impune regenerarea filtrului, care înseamnă arderea particulelor depuse. Matrița ceramică necesită o tehnologie de execuție specială, foarte costisitoare, în prezent existând numai două firme care o produc. Montarea matriței trebuie să se facă într-o rețea de țesături metalice izolate în lână ceramică, pentru a micșora tensiunile mecanice și pentru a asigura izolația termică. Acest sistem de filtrare a particulelor asigură un grad de reținere de până la 80-90%, cu un consum suplimentar de energie de 2%. Tehnica regenerării solicită dispozitive electronice și senzori fiabili, căci există pericolul distrugerii monolitului la șocuri termice și mecanice; de aceea se studiază și alte variante de monoliți ceramici.

Din punct de vedere al eficienței filtrării, filtrele se împart în filtre cu pori mari (diametrul mediu al porului dp>15µm) si filtre cu pori mici (diametrul mediu al porului<15µ). Prin timp de filtrare se înțelege timpul de funcționare al filtrului până la atingerea unei Δp impuse, fiind practic durata de funcționare între două regenerări, acest parametru este de dorit să fie cât mai mare. Prin dublarea grosimii pereților, timpul de filtrare se înjumătățește pentru filtrele cu pori mici și se reduce la 1/5…1/10 pentru filtrele cu pori mari.

Dublarea lungimii filtrului semnifică dublarea suprafeței de filtrare, iar timpul de filtrare crește. Capacitatea de încărcare a filtrului se determină prin cântărirea particulelor colectate în filtru la atingerea Δp date. Practic, această mărime se determină prin diferența dintre valorile masei filtrului încărcat si valorile filtrului curat.

4.2 FILTRE CU FIBRE CERAMICE

Pentru retinerea particulelor s-au dezvoltat in ultimul timp fibre din materiale

refractare, denumite generic filtre cu fibre ceramice, care rezista la temperaturi mari de 1000 grade C si care asigura filtrarea buna a particulelor submicronice diesel. Aceste materiale se disting prin urmatoarele proprietati:

rezistente si module de elasticitate ridicate (rezistenta creste cu micsorarea diametrului fibrei);

temperaturi de lucru pana la 1000 grade C , in functionare de durata;

proprietati electrice care acopera domeniul de buni izolatori pana la materiale conductibile;

rezistenta chimica foarte buna;

posibilitati de finisare a suprafetei si a structurii interne;

Principalele materiale din care se pot cofectiona astfel de fibre sunt: carbonul, carbonul activ sticla, cuartul, materialele ceramice(mullitul), oxizii de aluminiu, carbura de siliciu. Fibrele fara selectionate sunt apoi tricotate sau tesute, rezultand o structura volumica cu pori deschisi. Impletitura este pretensionata in procesul de formare a ochiului tricotului.

Utilizarea acestor filtre la motoarele diesel se bazează pe următoarele caracteristici:

grad înalt de separare în domeniul submicronic;

repartizare uniformă a particulelor;

capacitate mare de înmagazinare a materialului inert;

rezistență la temperature înalte;

insensibilitate la șocuri termice;

amortizare bună a zgomotului;

ușurința regenerării passive;

simplitatea carcasării;

Constructiv, există mai multe variante determinate de tipul autovehiculului. Pentru autoturisme, la

care spațiul din instalația de evacuare este redus s-a dezvoltat un filtru cu fibre ceramice de tipul “țeavă în țeavă” , în care gazele arse parcurg dinspre interior spre exterior un tub perforat, pe suprafața căruia s-a înfășurat o împletitură din fibre ceramice. Cartușele filtrante se pot configura în serie. La motoarele supraalimentate se recomandă plasarea filtrului de particule înaintea turbosuflantei, nu numai din motivul temperaturii mai ridicate a gazelor, ci și datorită efectului considerabil mai mic al pierderii de presiune asupra consumului de combustibil. Dezavantajul este dat de masa inerțial termică a filtrului, care este plasată înaintea turbinei și care înrăutățește comportamentul acesteia la variașia sarcinii. Pentru autoturisme acest dezavantaj persistă, pentru autocamioane și autobuze dezavantejul se diminuează considerabil, datorită proprietății de înmagazinare termică a filtrului. Vulnerabilitatea filtrului monolit la șocuri termice și la încercări vibratorii înalte asigură un ascendent net al fibrelor cu fibre ceramice.

4.3 FILTRU METALIC POROS

Monolitul ceramic are dezavantajul că se poate fisura sau topii în timpul regenerării, iar filtrele metalice se pot coroda ușor și au performanțe mai scăzute de captare a particulelor.

Ca alternativă la materialele tradiționale din care se confecționează filtrele de particule, s-a experimentat un material metallic poros, denumit Celmet, un aliaj Ni-Cr, care elimină dezavantajele. Filtrul este alcătuit din mai mulți cilindrii concentrici, de aceeasi grosime, din Celmet închiși într-o carcasă metalică, gazelle arse fiind forțate să treacă prin pereții cilindrii. Teoria filtrării tridimensionale se poate aplica filtrului metallic poros, obținându-se o eficiență a filtrării de 60%, în condițiile unei căderi de presiune duble față de cea obișnuită la filtrele ceramice monolit. Reducerea pierderii de presiune, până la valori comparabile cu cele ale monolitului ceramic, s-a reușit prin variația mărimii porilor cilindrilor concentrici ( cilindrii interiori, adică cei care sunt primii străbătuți de gaze, au pori mai mari decât cei ai cilindrilor exteriori). Astfel, acest tip de filtru ajunge să aibă toate avantajele filtrului monolit, dar și o bună rezistență la coroziune, la temperaturi înalte.

4.4 REGENERAREA FILTRELOR

Funcție de procedeul de reținere a particulelors-au dezvoltat mai multe procedee de

regenerare:

-regenerare termica (cu aport de energie, in scopul cresterii temperaturii gazelor arse pana la valori de 550…600 grade C);

-regenerare electrica cu rezistor de incalzire;

– regenerare cu microunde;

– regenerare cu arzator de combustibil suplimentar;

– regenerare cu obturarea admisiei;

– regenerare cu obturaea evacuarii;

– regenerare chimica ( cu reactii catalitice care produc oxidarea particulelor la temperaturi mai scazute ale gazelor de evacuare );

– regenerare cu depuneri sau injectere de catalizatori in filtru;

– regenerare combinata ( termica si chimica );

– regenerare mecanica;

dupa periodicitatea regenerarii:

– regenerare periodica;

– regenerare continua;

dupa locul de producere a regenerarii:

– regenerare externa ( oxidarea particulelor din filtru are loc dupa colmatarea acestuia prin folosirea unui arzator extern);

– regenerare interna ( oxidarea particulelor are loc in filtru, prin actiunea sistemului propriu de regenerare);

Condițiile impuse sistemului de regenerare sunt:

regenerarea filtrului trebuie să aibă loc automat, în funcționarea normală fără a deranja conducătorul sau fără a necesita intervenția acestuia;

sistemul trebuie să evite recurgerea la piese aflate în mișcare în curenți calzi;

modul de încălzire și oxidarea încărcăturii trebuie să se facă cu minimum de energie și de poluare secundară;

sistemul trebuie să poată substitui toba de evacuare și să producă aceeași atenuare sonoră fără cădere de presiune exagerată.

4.4.1 Regenerare termică

O metodă de reducere a particulelor este oxidarea lor pe traseul evacuării; fiindcă gazele conțin oxigen, particulele pot fi oxidate dacă temperatura este suficient de înaltă și timpul de ardere suficient de lung. Regenerarea necesită o anumită temperatură și un anumit conținut de oxigen pentru a se iniția,timpul de regenerare depinde de temperatura filtrului,care la rândul ei depinde de:

Cantitatea totală de particule acumulate;

Densitatea particulelor și distribuția lor în filtru;

Reactivitatea funinginei;

Debitul de gaze evacuate;

Pierderile de căldură ale filtrului.

În general, regenerarea depinde de temperatura gazelor, mai mare de 4800C, conținutul de oxigen, peste 2%, timp suficient pentru ardere completă. Creșterea temperaturii gazelor necesită o cantitate mare de energie, energie care dacă nu poate fi recuperată, duce la consumuri inacceptabile.

Regenerarea termica este specifică filtrului monolit și se realizează prin oxidare sau piroliză, care se amorsează la 500-6000C și în condițiile unui exces de O2.Piroliza trebuie controlată și amorsată, în cele mai multe cazuri temperatura gazelor arse nu atinge 550 0C, rămânând în jur de300 0C.

La funcționarea la sarcini mari se atinge această temperatură , dar gazele arse nu mai conțin suficient oxigen pentru producerea oxidării. Cum cele două condiții (temperatură înaltă și prezența oxigenului ) nu sunt îndeplinite niciodată simultan, s-au folosit metode de creștere a temperaturii gazelor cum ar fi: încălzirea lor prin intermediul unui arzător cu motorină sau a unui rezistor electric sau cu microunde, folosirea unei supape pe traseul de admisie sau evacuare, cu rol de a izola și de a menține temperatura înaltă a evacuării după funcționarea la sarcini mari.

Cea mai bună soluție s-a dovedit a fi încălzitorul electric sau arzătorul cu motorină, care duce la creșterea consumului de combustibil cu 1 – 2%, regenerarea fiind comandată când comatarea filtrului o impune, în timpul funcționării motorului. Controlul regenerării este dat de o unitate electronică de comandă,care primește semnale electrice de le traductoarele de presiune și de temperatură montați în filtru.

Pentru perioada cât filtrul se regenerează, gazele arse sunt deviate printr-un by-pass în conducta de evacuare nefiind filtrate. De aceea pentru motoarekle de autobuze, s-au construit sisteme de filtrare duble, astfel încât pe toată durata funcționării autobuzului gazele arse să fie filtrate. Pentru cercetarea procesului de regenerare, este interesantă variația parametrului ∆p. Variația ∆p în procesul de regenerare este reprezentată în figura 5. După ce se ating condițiile staționare de funcționare prin conducta de by-pass gazul trece prin filtru ducând la o creștere a ∆p pe filtru, fiindcă se încălzește în regimul de curgere în debit total. După aprindere, apare o scădere a ∆p. Este dificil de a aprecia care este timpul total al reacției mai ales la încărcări mici ale filtrului sau la temperaturi de regenerare scăzute.

Durata procesului de regenerare este puternic influențată de temperatura gazelor arse; pentru un filtru dat, procesul de regenerare poate dura între 10 minute, la temperatura de 6500C și 300 de minute, la temperatura de 4500C; la temperatura cea mai probabilă a regenerării, de 5500C, durata regenerării este de 95 de minute. Semnalarea regenerării se face prin scăderea presiunii și prin creșterea temperaturii în filtru, dar și prin variația bruscă a CO și O2.

Aprinderea particulelor depinde atât de temperatura gazelor, cât și de conținutul de oxigen; pentru un filtru dat în funcție de acești doi parametri se poate trasa curba aprinderilor care delimitează zonele în care particulele se pot aprinde de cele în care ele nu se aprind. Astfel, dacă temperatura nu poate fi crescută artificial, o metodă de asigurare a aprinderii este injecția de oxigen în filtru.

Fig .6 Curba de aprindere funcție de temperatură și conținutul de oxigen

4.4.2Regenerare catalitică

Această metodă urmărește începerea regenerării prin folosirea unei reacții catalitice în filtru, care are ca efect combustia particulelor la o temperatură mai scăzută. Există două tipuri de filtre de particule care folosesc afectul catalitic:

Unul folosește catalizatori care sunt depuși sau injectați în filtru,

Unul utilizează aditivi care sunt introduși în combustibil;

Filtrele cu depunere de catalizatori nu au fost prea larg dezvoltate, datorită faptului că motoarele ale căror gaze le filtrează trebuie să folosească motorină cu conținut foarte mic de sulf și efectul catalitic nu a fost prea puternic, datorită contactului dintre catalizator și particule. Un astfel de filtru este folosit pentru reținerea componentelor puternic mirositoare din gazele emise de MAC.

Metoda de obținere a filtrului este:

Prepararea soluției pentru stratul intermediar prin măcinarea a 100 părți de zeolit și 80 părți de silică, împreună cu apă și acid azotic;

Imersarea în soluție a monolitului de cordierit;

Îndepărtarea surplusului prin suflarea monolitului cu aer condiționat,

Uscarea și coacerea monolitului în cuptor;

Acoperire cu un strat de zeolit;

Îmbibarea monolitului cu o soluție apoasă de acetat de cupru,

O nouă uscare si coacere a monolitului în cuptor;

Componentele puternic mirositoare, precum aldehidele, având un punct de fierbere coborât sunt absorbite de zeolit când temperatura gazelor arse este sub 2000C, reținându-se totodată și fumul alb și albastru. La valori mai mari ale temperaturii gazelor arse, componentele puternic mirositoare sunt oxidate catalitic , transformându-se în compuși mai puțin mirositori.

Regenerarea catalitică se aplică mai ales la filtre cu fibre ceramice, acestea având o serie de proprietăți care favorizează regenerarea pasivă.

O altă metodă este regenerarea catalitică prin aplicarea unui strat activ pe fibre. Acestea sunt acoperite cu un catalizator CuO, care prin injectarea unui activator chimic (acetil-acetona), coboară temperatura de piroliză a particulelor de la 6000C la 2000C. Pentru activarea catalizatorului se injectează, după oprirea motorului, cu ajutorul unui sistem electronic de comandă și după răcirea filtrului 10ml acetil-acetonă. După pornirea motorului se începe regenerarea, la atingerea temperaturii de 2500C.

Emisia de particule se reduce în proporție de 80-90%, toate procesele decurg automat, rezervorul de acetil-acetonă de 9 l ajunge pe o rută de 60000 Km sau pe durata de funcționare de mai mult de un an a autobuzului. Acest lichid activator, acetil-acetona, este responsabil de poluări secundare; și pierderea de cupru este primejdioasă, deși, în medie, ea este sub valoarea impusă de legislație, concentrația locală urbană este destul de mare și poate pune sub semnul întrebării imunitatea pietonilor. În figura 7 este ilustrată schema generală a instalației, iar în figura 8 , aspectul filtrului cu bujii cu înfășurări filamentare din fibre ceramice.

Acest filtru este alcătuit din mai multe cartușe filtrante care sunt tuburi din material refractar, perforate și înfășurate cu fibre ceramice.Unul din capetele cartușului este obturat forțând gazele arse să treacă prin cartuș. Fibrele ceramice sunt fibre continue, robuste și elastice, bobinate pe tub cu respectarea unor parametrii specifici cum ar fi unghiul de bobinare, pasul, tensiunea de înfășurare. Fibra se înfășoară pe suportul tubular alternând pentru două straturi succesive sub unghiuri de ±45º fa’[ de generatoarea cilindrului metalic. Zona perforată este acoperită în întregime de fibre.

Pentru ca sistemul să răspundă tuturor condițiilor de încărcare termică și mecanică, rezistența fibrelor ceramice la temperaturi înalte este completată de utilizarea oțelurilor inoxidabile pentru tuburile suport și pentru carcasa filtrului. Toata aceste particularități constructive conduc la obținerea unui filtru cu rezistență remarcabilă la solicitările termice și mecanice, cu eficiență și durabilitate mari ca și cu posibilitatea efectuării regenerării pe motor.

Regenerarea chimică cu aditivarea combustibilului permite oxidarea particulelor la o temperatură relativ scăzută a gazelor arse. Oxidarea particulelor se face continuu , o data cu depunerea lor in filtru, prin egalizarea vitezei de ardere regenerative cu viteza de retinere a particulelor ; se obtin astfel valori constante ale presiunii in filtru.

In ultimii ani s-au studiat multi aditivi , fiind evaluate proprietatile acestora de a reduce temperatura de aprindere a particulelor.

Principalele contributii ale aditivilor in procesul de regenerare catalitica sunt urmatoarele:

-aditivii reduc temperatura de aprindere a funinginei pana la valori de 400ºC in conditii de laborator;

-aditivii nu reduc temperaturile maxime de regenerare in acelasi mod;

-calitatea regenerarii nu este imbunatatita dupa depasirea unei anumite concentratii limita;

-activitatea catalitică a aceluiaș aditiv diferă substanțial cu tipul și regimul motorului;

-temperatura de evacuare, concentrația de oxigen și conținutul de HC sunt parametrii importanți ai procesului de regenerare.

Aditivii rămași în competiție după multi ani de studiu sunt: cuprul, manganul, fierul și ceriumul.

4.4.3 Regenerare aerodinamică

Regenerarea aerodinamică utilizează pulsuri scurte de aer comprimat, care parcurg filtrul în sens invers gazelor evacuate; aerul este conținut într-un rezervor de presiune de 4-6 atm și presiunea la intrare în filtru de 1-2 atm. Funinginea se colectează într-o cameră amplasată sub monolit și care se curăță fie prin ardere, fie prin colectare într-un aspirator. Astfel de filtre cu regenerare aerodinamică pot asigura un curent de gaze arse răcit necesar pentru recircularea gazelor arse. Regenarea se efectuează periodic, când se atinge o valoare limită a căderii de presiune. Rezervorul der aer comprimat este menținut la 5 atm., iar la intrarea în filtru presiunea aerului este de 1,5 atm. în timpul regenerării. Această ultimă valoare trebuie menținută, căci la valori mai mici filtrul nu se curăță suficient de bine.

Funinginea este reținută în incinerator și particulele sunt arse sau extrase cu un aspirator printr-un orificiu special.

4.4.4 Regenerare prin alte măsuri aplicate motorului

Situarea temperaturii de regenerare la 4000C prin folosirea aditivilor nu este suficientă, această temperatură nefiind atinsă decât în anumite zone de funcționare ale motorului. Pentru cazul unui motor de 12 l cu injecție directă și supraalimentare, cartograma temperaturilor este reprezentată în figura:::::::

Pentru funcționarea motorului în zonele critice este necesar să se aplice o serie de procedee de creștere a temperaturii gazelor arse, creștere provocată și comandată de echipamentul de control al motorului.

Principalele tehnici utilizate sunt:

Creșterea temperaturii aerului aspirat de motor ( este cea mai simplă metodă pentru motoarele supraalimentate și cu răcire intermediară, obținându-se prin întreruperea circulației în răcitorul intermediar prin by – pass, fie al aerului, fie al lichidului de răcire );

Aplicarea recirculării gazelor arse;

Variația avansului la injecție prin modificarea cartogramei de avans din pompa de injecție comandată electronic;

Creșterea căderii de presiune în sistemul de evacuare ( se realizează simplu cu o supapă fluture ) se poate adapta pentru motoarele fără control electronic al motorului;

Descreșterea presiunii de supraalimentare prin deschiderea supapei de descărcare la motoarele supraalimentate;

Creșterea depresiunii aerului pe traseul de admisie prin aplicarea unei supape fluture.

Prin combinarea câtorva din tehnicile enumerate, linia temperaturilor coboară foarte mult în

domeniul regimurilor de sarcini foarte mici, regenerarea cu cerium fiind posibilă practice în orice condiții reale de funcționare a motorului. Creșterea temperaturii gazelor arse înrăutățește randamentul motorului și crește consumul de combustibil cu circa 30% pe perioada regenerării. Durata scurtă a regenerării, față de durata totală de funcționare nu duce la creșteri semnificative le consumului de combustibil.

CAP. V FILTRE ELECTROSTATICE DE PARTICULE

Aceste filtre produc devierea într-un câmp electrostatic a particulelor aglomerate spre o zonă de captare sau aglomerarea particulelor prin încărcare electrică, pentru a putea fi separate mechanic, prin efectul “ciclon”. Particulele colectet pot fi adunate într-un sac asemănător unui sac de aspirator menajer sau pot fi reorientate în cilindrul motorului, pentru a fi arse din nou.

Firma Wolkswagen adoptă acest principiu pe un filtru propriu, care are avantajul de a putea extrage și oxida particulele deviate de câmpul electric. Dispozitivul este foarte fiabil și nu necesită întreținere. Specialiștii prevăd că un astfel de filtru este capabil să resolve problema emisiei de particule la toate vehiculele în funcțiune.

Instalațiile de filtrare electrostatice au avantajul de a putea reține particule mai mici de 0,1 µm. Dimensiunile particulelor fiind mai mici de 1µm, acest procedeu este preferabil separatoarelor clasice. Aceste instalații pot asigura un grad de filtrare de 90%, dezavantajul lor este volumul constructive, relative mare, care a împiedicat până acum utilizarea lor pe autovehicule.

Filtrele electrice pot fi:

Cu plăci

Tubulare

Filtrul tubular seamănă cu un condensator cilindric la ai cărui electrozi se aplică o tensiune

înaltă. Între aceștia se formează un camp electrostatic care, fiind parcurs de gaz în direcția axială duce la devierea în camp pe direcție radială, a particulelor încărcate electric, care aderă la electrodul de polaritate opusă.

Gazul care părăsește cilindrul este curățat de particule, dacă acestea sunt încărcate electric. In figura 9 se prezintă un filtru electrostatic. Gazele arse înainte de a intra în filtru au trecut printr-un recipient de liniștire. Electrodul median este susținut de un isolator central, care este montat pe partea de gaz purificat. Pe el sunt montate discurile de descărcare care, pentru a favoriza descărcările de tensiune mare, trebuie să aibă vârfuri cu rază de curbură cât mai mică. Această cerință este impusă de faptul că particulele care se depun pe vârfuri, tind să le tocească și calitatea descărcării se înrăutățește. Alimentarea cu curent se face prin interiorul izolatorului.

Se observă că reducerea concentrației reziduale a particulelor este neglijabilă la creșterea numărului de discuri peste 20, iar creșterea intensității câmpului electric favorizează reducerea particulelor.

Îndepărtarea particulelor depuse trebuie să se facă prin ardere la bordul autovehiculului, căci masa acumulată de particule este destul de mare. Arderea particulelor este problematică deoarece după aprinderea stratului de particule depus pe perete cu ajutorul unei bujii incandescente acesta se aprinde de pe perete și se stinge. De aceea, cea mai eficientă metodă de ardere a particulelor este arderea lor în motor prin antrenarea în aerul de admisie.

Fig.9 Filtrul electrostatic

CAP.VI CONCLUZII

Principalele concluzii si tendinte in dezvoltarea filtrelor de particule sunt urmatoarele:

Filtrele de particule dezvoltate pana in prezent si-au dovedit eficienta, asigurand reducerea in proportie de 80-90% a particulelor;

Prin prisma criteriilor de apreciere a filtrelor, cat si a criteriilor impuse de piata, suprematia unui anumit tip de filtru nu a fost dovedita, coexistand in exploatare categoriile de baza prezentate in lucrare. Cele mai raspandite tipuri de filtre sunt cale cu monoliti ceramici si regenerare termica, precum si cele cu fibre ceramice si regenerare prin aditivarea combustibilului. Durabilitatea filtrelor ceramice este foarte mica in conditii normale de exploatare, datorita dificultatilor legate de incarcarea termica si mecanica mare ceea ce justifica in continuare cautarea de noi solutii constructive.

Situatia la sfarsitul primului deceniu de dezvoltare si cautari de solutii constructive poate fi rezumata astfel:

-pentru suport: exista multe tipuri fiabile, avand o eficienta intre 50 si 90%; costul lore este inca mare si nici unul din aceste tipuri nu a fost produs in cantitati mari;

-pentru regenerare: multe din solutiile implementate nu a dat satisfactie, conducand fie la defectari, fie la costuri inacceptabile;

-catalizatorii in combustibil: speranta ca regenerarea va fi total pasiva prin utilizarea de aditivi nu s-a concretizat inca, dar o combinatie de tehnologii ce cuprind regenerarea termica, impreuna cu o aditivare adecvata, au condus la o buna fiabilitate, la preturi rezonabile.

Noile strategii de supraveghere si control fac mai realist conceptul de regenerare total pasiva, dovedind ca filtrul si supravegherea sa trebuie integrate in dezvoltarea motorului.

Bibliografie

Adriana si Laurentiu Manea, Venetia Sandu -Motoare Termice, procese, poluare- Matrix Rom Bucuresti 2004

Gheorghe Bobescu, Anghel Chiru si altii -Motoare, economie si ecologie -Chisinau Ed.

“Tehnica-Info”-2000

Ioan Dumitrescu -Poluarea mediului – Ed. Focus 2000

Apostolescu N -Poluarea produsa de motoarele cu ardere interna

Univ. Pol. Bucuresti 1992