ȘCOALA DOCTORALĂ INGINERIA ȘI MANAGEMENTUL [602563]

UNIVERSITATEA „POLITEHNICA” din BUCUREȘTI
ȘCOALA DOCTORALĂ INGINERIA ȘI MANAGEMENTUL
SISTEMELOR TEHNOLOGICE

Nr. Decizie …….. din ………

TEZĂ DE DOCTORAT

SISTEME DE REDUCERE A REZIDUURILOR REZULTATE IN URMA
PROCESULUI DE ARDERE LA MOTOARE

SYSTEMS FOR WASTE REDUCTION RESULTING FROM THE
COMBUSTION PROCESS IN ENGINES

Autor: Ing. Ionuț -Valentin RADU

Conducător de doctorat: Prof.dr.ing. Ionel SIMION

COMISIA DE DOCTORAT

Președinte de la
Conducător de doctorat Prof.dr.ing. Ionel SIMION de la UNIVERSITATEA „POLITEHNICA” din BUCUREȘTI
Referent de la
Referent de la
Referent de la

BUCUREȘTI
2016

Autor: ing. Ionut -Valentin RADU Cond. științific:Prof.univ.dr.ing. Ionel SIMION Sisteme de reducere a reziduurilor rezultate în urma procesului de ardere la motoare
2 Această pagină a fost lăsată intenționat liberă.

Autor: ing. Ionut -Valentin RADU Cond. științific:Prof.univ.dr.ing. Ionel SIMION Sisteme de reducere a reziduurilor rezultate în urma procesului de ardere la motoare
3 Cuprins
STUDIUL ACTUAL PRIVIND SISTEMELE DE REDUCERE A REZIDUURILOR
REZULTATE ÎN URMA PROCESULUI DE ARDERE ………………………….. …………………… 11
CAPITOLUL 1 PROCESUL DE ARDERE ………………………….. ………………………….. … 11
1.1 Mecanismul aprinderii combustibilului ………………………….. ………………………….. 11
1.2 Arderea combustibilului ………………………….. ………………………….. ………………….. 11
1.3 Procesul arderii în mașina cu aprindere prin scânteie ………………………….. ……….. 14
1.4 Procesul arderii în mașina cu aprindere prin comprimare ………………………….. …. 17
1.5 Poluarea chimică ………………………….. ………………………….. ………………………….. … 20
1.5.1 Generalități ………………………….. ………………………….. ………………………….. ……………………… 20
1.5.2 Gene za și efectele CO ………………………….. ………………………….. ………………………….. ………. 22
1.5.3 Geneza și efectele NO x ………………………….. ………………………….. ………………………….. ……… 25
1.5.4 Geneza și efectele HC ………………………….. ………………………….. ………………………….. ………. 26
1.5.5 Geneza și efectele aldehidelor ………………………….. ………………………….. ………………………… 28
1.5.6 Geneza și efectele produșilor cu sulf ………………………….. ………………………….. ……………….. 28
1.5.7 Geneza particulelor. plumbul și efectele acestuia ………………………….. ………………………….. 29
1.5.8 Geneza și efecte le fumului ………………………….. ………………………….. ………………………….. … 30
1.5.9 Geneza și efectele ozonului ………………………….. ………………………….. ………………………….. .. 31
COMPONENȚA UNUI CONVERTOR CATALITIC ………………………….. ……………… 34
CAPITOLUL 2 CATALIZATORUL ………………………….. ………………………….. …………. 34
2.1 Generalitați ………………………….. ………………………….. ………………………….. ………… 34
2.2 Unitatea catalitică ………………………….. ………………………….. ………………………….. . 36
2.2.1 Reacții chimice ………………………….. ………………………….. ………………………….. ………………… 36
2.2.2 Învelișul activat ………………………….. ………………………….. ………………………….. ……………….. 38
2.2.3 Catalizatori din metal prețios ………………………….. ………………………….. ………………………….. 39
2.3 Tipuri de catalizatori ………………………….. ………………………….. ……………………….. 45
STADIUL ACTUAL AL CUNOAȘTERII TEHNOLOGIILOR ȘI INSTALAȚIILOR 47
CAPITOLUL 3 OBȚINEREA SPUMELOR METALICE ………………………….. ………… 47
3.1 Considerații generale ………………………….. ………………………….. ………………………. 47
3.2 Caracterizarea spumelor metalice ………………………….. ………………………….. ……… 49
3.2.1 Porozitatea materialului celular ………………………….. ………………………….. ………………………. 50
3.2.2 Tehnologii și echipamente pentru obținerea spumelor metalice ………………………….. ………. 50
3.2.3 Procedeul de spumare prin injectarea gazului în topitura met alică ………………………….. …… 51
3.2.4 Tehnologii de obținere a spumelor metalice destinate construcției supuraților catalitici ….. 51
NOȚIUNI TEORETICE PRIVIND CATALIZA ………………………….. ……………………… 53
CAPITOLUL 4 DESTINAȚI REDUCERII POLUĂRII MEDIULUI AVÂND ÎN
COMPONENȚA SA SPUME METALICE ………………………….. ………………………….. ………… 53
4.1 Orientări, direcții, obiective cunoscute, stadiul existent ………………………….. ……. 53
4.2 Principalele proprietăți ale catalizatorilor ………………………….. ……………………….. 53

Autor: ing. Ionut -Valentin RADU Cond. științific:Prof.univ.dr.ing. Ionel SIMION Sisteme de reducere a reziduurilor rezultate în urma procesului de ardere la motoare
4 4.3 Etape în desfășurarea proceselor catalit ice ………………………….. ……………………… 53
4.3.1 Difuzia reactanților și a produselor de reacție ………………………….. ………………………….. …… 54
4.3.2 Clasificarea metodelor de obținere a catalizatorilor ………………………….. ……………………….. 54
4.4 Prepararea suporților de catalizator ………………………….. ………………………….. …… 55
REDUCEREA POLUARII PRIN CATALIZĂ ………………………….. ………………………… 56
CAPITOLUL 5 STADIUL ACTUAL AL CERCETĂRILOR DE CATALIZĂ
DESTINATE REDUCERII POLUĂRI I ………………………….. ………………………….. ……………… 56
5.1 Orientări, direcții, obiective cunoscute, stadiul existent ………………………….. ……. 56
5.2 Suporți ceramici pentru catalizatori ………………………….. ………………………….. …… 56
5.3 Dimensiuni și modele de celule ………………………….. ………………………….. ………… 57
5.3.1 Mărimea suporților de catalizator ………………………….. ………………………….. ……………………. 57
5.4 Proprietățile fizice ale suporților de catalizator ………………………….. ……………….. 57
5.5 Îmbunătățiri aplicate suporților de catalizatori ceramici ………………………….. …… 58
5.6 Catalizatori metalici și de me tal pe suport ………………………….. ………………………. 58
5.7 Catalizatore cu trei căi ………………………….. ………………………….. …………………….. 59
5.8 Principii de proiectare a catalizatorilor ………………………….. ………………………….. . 62
5.9 Dezvoltarea tehnologiilor de control a emisiilor auto prin dispozitive catalitice . 62
5.10 Importanța tehnică a tehnologiei de control catalitic a emisiilor auto ……………. 63
5.11 Obiectivele cercetării ………………………….. ………………………….. …………………….. 63
METODE DE PURIFICARE ………………………….. ………………………….. ……………………. 64
CAPITOLUL 6 ………………………….. ………………………….. ………………………….. …………… 64
STADIUL ACTUAL PRIVIND METODELE DE PURIFICARE A GAZELOR DE
EȘAPAMENT ………………………….. ………………………….. ………………………….. …………………….. 64
6.1 Noxele rezultate în combustia motoarelor cu ardere internă ………………………….. 64
6.1.1 Compușii carbonați ………………………….. ………………………….. ………………………….. …………… 64
6.1.2 Compușii azotați ………………………….. ………………………….. ………………………….. ………………. 65
6.1.3 Compuși organici ………………………….. ………………………….. ………………………….. …………….. 65
6.1.4 Hidrocarburi ………………………….. ………………………….. ………………………….. ……………………. 66
6.1.5 Hidrocarburi aromatice polinucleare ………………………….. ………………………….. ……………….. 67
6.1.6 Compuși carboxilați ………………………….. ………………………….. ………………………….. …………. 67
6.1.7 Compuși pe bază de sulf ………………………….. ………………………….. ………………………….. ……. 67
6.1.8 Compuși halogenați ………………………….. ………………………….. ………………………….. ………….. 68
6.1.9 Compuși metalici ………………………….. ………………………….. ………………………….. ……………… 68
6.1.10 Particule Matter ………………………….. ………………………….. ………………………….. ……………… 68
6.1.11 Mirosurile ………………………….. ………………………….. ………………………….. ……………………… 68
6.2 Metode actuale de purificare a gazelor de eșapament ………………………….. ………. 68
6.2.1 Constituția convertorului catalitic ………………………….. ………………………….. …………………… 68
6.2.2 Părțile componente ale convertorului catalitic ………………………….. ………………………….. ….. 70
6.2.3 Suporții monolitici ………………………….. ………………………….. ………………………….. ……………. 70

Autor: ing. Ionut -Valentin RADU Cond. științific:Prof.univ.dr.ing. Ionel SIMION Sisteme de reducere a reziduurilor rezultate în urma procesului de ardere la motoare
5 6.2.4 Parametrii funcționali ………………………….. ………………………….. ………………………….. ……….. 72
6.2.5 Geometria celulei suporților monolitici ceramici ………………………….. ………………………….. . 73
6.2.6 Porozitatea suporților monolitici ceramici (SMC) ………………………….. …………………………. 73
6.2.7 Fabricarea suportului monolitic ce ramic ………………………….. ………………………….. ………….. 74
6.2.8 Suporții monolitici metalici (SMM) ………………………….. ………………………….. ………………… 75
6.2.9 Materiale utilizate la fabricarea SMM ………………………….. ………………………….. ……………… 75
6.2.10 Proprietățile funcționale ale SMM ………………………….. ………………………….. ………………… 76
6.2.11 Fabricarea suportului monolitic metalic ………………………….. ………………………….. …………. 78
6.2.12 Suportul catalitic secundar ………………………….. ………………………….. ………………………….. . 78
6.2.13 Depunerea suportului catalitic secundar ………………………….. ………………………….. …………. 79
6.2.14 Suportul catalitic. Materiale activ e catalitic ………………………….. ………………………….. ……. 79
6.2.15 Suportul catalitic. Aplicarea suportului catalitic ………………………….. ………………………….. 80
6.2.16 Suportul catalitic. Transformări ce au loc în interiorul convertorului catalitic ……………… 80
6.2.17 Suportul catalitic. Reacțiile chimice din interiorul catalizatorului ………………………….. ….. 80
6.2.18 Suportul catalitic. Termodinamica reacțiilor ………………………….. ………………………….. …… 82
6.2.19 Suportul catalitic. Evoluția unei reacții ………………………….. ………………………….. ………….. 82
6.2.20 Suportul catalitic. Termodinamica oxidării directe ………………………….. ………………………. 82
6.2.21 Suportul catalitic. Termodinamica reacțiilor de vaporeformaj ………………………….. ……….. 84
CONSIDERATII PRIVIND DETERMINAREA PROPRIETATILOR SPUMELOR
METALICE OBTINUTE, DESTINATE SUPORTURILOR CATALITICE ……………………. 86
CAPITOLUL 7 PREGATIREA MATERIALELOR SI PROBELOR PENTRU
TESTARE ………………………….. ………………………….. ………………………….. ………………………….. 86
7.1 Orientări, direcții, obiective ………………………….. ………………………….. ……………… 86
7.2 Materiale și metode folosite la încercările experimentale ………………………….. …. 86
7.3 Caracterizarea materialelor utilzate ………………………….. ………………………….. …… 86
7.3.1 Compresibilitatea pulberilor ………………………….. ………………………….. ………………………….. . 86
7.4 Caracterizarea precursorilor metalici ………………………….. ………………………….. …. 87
7.4.1 Geometria precursorilor ………………………….. ………………………….. ………………………….. …….. 87
7.4.2 Densitatea precursorilor ………………………….. ………………………….. ………………………….. …….. 88
7.5 Concluzii ………………………….. ………………………….. ………………………….. …………… 89
CAPITOLUL 8 CERCETĂRI EXPERIMENTALE PRIVIND OBȚINEREA
SPUMELOR METALTCE ………………………….. ………………………….. ………………………….. …… 90
8.1 Obținerea spumei metalice prin topire și insuflare de gaze ………………………….. .. 90
8.2 Obținerea spumelor metalice cu pori deschiși ………………………….. …………………. 91
8.2.1 Obținerea spumelor din aluminiu ………………………….. ………………………….. ……………………. 91
8.2.2 Obținerea spumelor din nichel ………………………….. ………………………….. ………………………… 92
8.3 Concluzii ………………………….. ………………………….. ………………………….. …………… 94
CAPITOLUL 9 DE TERMINAREA PROPRIETĂȚILOR SPUMELOR METALICE
OBȚINUTE, DESTINATE SUPORȚILOR CATALITICI ………………………….. ……………….. 95
9.1 Caracterizarea structurală a spumelor din aliajului Ni -5Cu prin compactare

Autor: ing. Ionut -Valentin RADU Cond. științific:Prof.univ.dr.ing. Ionel SIMION Sisteme de reducere a reziduurilor rezultate în urma procesului de ardere la motoare
6 izostatică ………………………….. ………………………….. ………………………….. …………………………. 95
9.2 Determinarea porozității ………………………….. ………………………….. ………………….. 97
9.2.1 Parametrii utilizați și rezultatele obținute ………………………….. ………………………….. …………. 97
9.3 Determinarea durității ………………………….. ………………………….. ……………………… 98
9.3.1 Microduritatea înainte și după compactarea izostatică la rece ………………………….. …………. 98
9.4 Încercarea la compresiune ………………………….. ………………………….. ……………….. 99
PROIECTAREA UNUI SISTEM DE PURIFICARE A GAZELOR …………………….. 100
CAPITOLUL 10. PROIECTAREA UNUI NOU SISTEM DE PURIFICARE A
GAZELOR ………………………….. ………………………….. ………………………….. ……………………….. 100
10.1 Obținerea pulberilor ………………………….. ………………………….. …………………….. 101
10.2 Obținerea pulberii de Fier – Metoda carbonil – ………………………….. ……………. 102
10.3 Obținerea pulberii de Ni –Măcinarea în mori cu vârtej – ………………………….. . 103
10.4 Amestecul pulberilor metalice ………………………….. ………………………….. ………. 104
10.5 Proiectarea matrițelor ………………………….. ………………………….. …………………… 105
10.6 Dozarea pulberilor ………………………….. ………………………….. ………………………. 106
10.6 Presarea pulberilor ………………………….. ………………………….. ………………………. 107
10.7 Sinterizarea ………………………….. ………………………….. ………………………….. ……. 107
10.7.1 Parametrii tehnologici ai sinterizării ………………………….. ………………………….. ……………. 111
10.7.2 Temperatura ………………………….. ………………………….. ………………………….. …………………. 111
10.7.3 Durata sinterizării ………………………….. ………………………….. ………………………….. …………. 111
10.7.4 Tipul sinterizării ………………………….. ………………………….. ………………………….. …………… 111
10.7.5 Rebuturile sinterizării ………………………….. ………………………….. ………………………….. ……. 112
10.7.6 Mediul de sinterizare ………………………….. ………………………….. ………………………….. …….. 112
10.7.7 Mediul de sinterizare ………………………….. ………………………….. ………………………….. …….. 112
10.7.8 Determinarea proprietăților chimice. Compoziția chimică ………………………….. ………….. 112
10.7.9 Determinarea proprietăților chimice. Rezistența la coroziune ………………………….. ……… 112
10.7.10 Încercări mecanice. Încercarea la tracțiune ………………………….. ………………………….. …. 112
10.7.11 Încercări mecanice. Încercarea la încovoiere ………………………….. ………………………….. . 113
10.7.12 Încercări mecanice. Încercarea durității ………………………….. ………………………….. ………. 113
10.8 Încercări particulare. Determinarea rezistenț ei la pătrunderea unui dorn tronconic
………………………….. ………………………….. ………………………….. ………………………….. ………… 113
10.9 Determinarea diametrului maxim al porilor ………………………….. ………………… 113
ASPECTE ECONOMICE ………………………….. ………………………….. ………………………. 114
CAPITOLUL 11. PRODUCȚIA FILTRELOR CATALITICE PRIN TEHNOLOGIA
PULBERILOR ………………………….. ………………………….. ………………………….. ………………….. 114
11.1 Prețul pulberii necesare la fabricarea unui filtru ………………………….. …………… 114
11.1.1 Calculul prețului pulberii de Fe necesară fabricării unui filtru ………………………….. …….. 114
11.1.2 Calculul prețului pulberii de Ni necesară fabricării unui filtru ………………………….. …….. 114
11.2 Calculul costului energiei și costurilor personalului pentru fabricarea unui filtru
………………………….. ………………………….. ………………………….. ………………………….. ………… 114

Autor: ing. Ionut -Valentin RADU Cond. științific:Prof.univ.dr.ing. Ionel SIMION Sisteme de reducere a reziduurilor rezultate în urma procesului de ardere la motoare
7 11.3 Calculul prețului energiei electrice și a personalului folosit la amestecarea
pulberilor ………………………….. ………………………….. ………………………….. ………………………. 115
11.4 Calculul prețului e nergiei electrice și a personalului folosit la sinterizarea
pulberilor ………………………….. ………………………….. ………………………….. ………………………. 115
11.5 Prețul final al unui catalizator ………………………….. ………………………….. ……….. 115
INSTALAȚIE EXPERIMENTALĂ PENTRU MĂSURAREA CU IZOTOPI A
SUPRAFEȚELOR DE CATALIZATORI FOLOSIND METALURGIA DE REACTIE
PENTRU CATA LIZATORI ………………………….. ………………………….. ………………………….. .. 116
CAPITOLUL 12 CERCETĂRI PRIVIND PREPARAREA SUPORȚILOR DE
CATALIZATORI FOLOSIND METALURGIA PULBERILOR CERAMICE ………………. 116
12.1 Modalități de aplicare în cadrul cercetării a preparării suporților din pulberi
ceramice ………………………….. ………………………….. ………………………….. ……………………….. 116
12.2 Catalizatorii preparați, în cadrul lucrării, pentru studiul cineticii de tranziție .. 118
12.2 Determinarea ariei suprafeței suporților -catalizator ………………………….. ……… 121
12.2.1 Considerente teoretice ………………………….. ………………………….. ………………………….. …… 122
12.2.2 Determinarea superfeței specifice BET a unei pulberi ………………………….. ………………… 122
12.2.3 Calculul diametrului granulelor cunoscând suprafața speci fică BET. ………………………… 124
12.2.4 Modul de lucru. ………………………….. ………………………….. ………………………….. ……………. 124
12.2.5 Experimentul efectuat pentru determinarea ariilor ………………………….. ……………………… 125
12.2.6 Instalație experimentală ………………………….. ………………………….. ………………………….. …. 127
12.2.7 Caracterizarea suprafețelor catalitice folosind metoda ci neticii stării de tranziție ……….. 127
12.3 Modelul matematic al schimbului izotopic Hidrogen/deuteriu utilizat la
caracterizarea Cataliz atorilor de tip metal/oxid prin metoda Cineticii stării de tranziție … 136
12.3.1 Model teoretic ………………………….. ………………………….. ………………………….. ………………. 136
12.3.2 Model matematic simplificat ………………………….. ………………………….. ………………………. 138
12.3.3 Considerații asupra modelului ………………………….. ………………………….. …………………….. 139
12.4 Aplicația soft de prelucare a datelor ………………………….. ………………………….. . 140
12.4.1 Aplicația MathCad 15 de prelucrare a datelor -V.Eco Catalyst ………………………….. …….. 140
12.4.2 Interfața utilizator ………………………….. ………………………….. ………………………….. …………. 140
12.5 Confirmarea experimentală a modelului matematic și a procedeului de măsurare.
Experimentări pentru obținerea curbelor cinetice globale ………………………….. …………….. 141
CONCLUZII ȘI CONTRIBUȚII ORIGINALE ………………………….. ……………………… 147
ANEXE ………………………….. ………………………….. ………………………….. ……………………. 153
BIBLIOGRAFIE ………………………….. ………………………….. ………………………….. ……….. 156

Autor: ing. Ionut -Valentin RADU Cond. științific:Prof.univ.dr.ing. Ionel SIMION Sisteme de reducere a reziduurilor rezultate în urma procesului de ardere la motoare
8 LISTĂ DE NOTAȚII
CDI – Common Rail Direct Injection;
CO – monoxid de carbon;
CO 2 – dioxid de carbon;
COV – compuși organici volatili;
dB(A) – decibel pe curba audio de tip A (u.m.);
ε – raportul de compresie;
EGR – sistem de recirculare a gazelor arse;
EMS – sistem electronic de gestionare a motorului;
GPL – gaz petrol lichefiat;
HC – hidrocarburi;
HDI – High Direct Injection;
LEV – Low Emission Vehicle;
MAC – motor cu aprindere pri n comprimare;
MAS – motor cu aprindere prin scânteie;
NO x – oxizi de azot (noxe);
NMHC – hidrocarburi fără metan;
NSCR – metodă de reducere catalitică neselectivă;
O3 – ozon;
OBD – On Board Diagnostics;
p – presiunea;
Pa – pascal (u.m.);
pmi – punct mort inferior;
pms – punct mort superior;
Pb – plumb;
PIB – produs intern brut;
ppm – particule pe milion (u.m.);
PVR – presiunea de vapori reid;
RCC – raport critic de comprimare;
s – secunde (u.m.);
SCR – metodă de reducere catalitică sele ctivă;
SO 2 – dioxid de sulf;
TLEV – Transitional Low Emission Vehicle;
TEP – tetraetil de plumb;
u – viteza de propagare a flăcării în m/s;
ULEV – Ultra Low Emission Vehicle;
W – viteza masică de ardere în kg/s;
W – watt (u.m.);
WHO – World Health Organi sation;
Z.E.V. – Zero Emission Vehicle;
λ – coeficientul de exces de aer.

Autor: ing. Ionut -Valentin RADU Cond. științific:Prof.univ.dr.ing. Ionel SIMION Sisteme de reducere a reziduurilor rezultate în urma procesului de ardere la motoare
9 Pagina de mulțumiri

Autor: ing. Ionut -Valentin RADU Cond. științific:Prof.univ.dr.ing. Ionel SIMION Sisteme de reducere a reziduurilor rezultate în urma procesului de ardere la motoare
10 Introducere
La începutul anilor 1700, Denis Papin a experimentat prima mașină termică, capabilă să
transforme căldura în lucru mecanic. În anul 1765, James Watt a realizat o invenție epocală,
mașina cu abur, cu piston de simplu și ulterior cu dublu efect.
Primul autovehicul cu motor cu abur a fost construit în anul 1769 de către inginerul Nicolas
Joseph Gugnot, din artileria armatei franceze.
În anul 1860, fr ancezul Etienne Lenoir a realizat și brevetat primul motor cu ardere internă
din lume, având doi timpi și o putere de doar 1,5 CP. Acel motor avea drept combustibil petrolul.
Din acest moment putem să spunem că geneza emisiilor de CO, CO 2 cât și NO x a înce put să
modifice structura moleculară a stratului atmosferic.
În anul 1876, Nikolaus August Otto împreună cu asociatul său, inginerul Eugen Langen,
au construit și brevetat primul motor cu ardere internă în patru timpi. În Germania anului 1893,
Rudolf Diese l, a realizat în uzina sa din Augsburg, cu sprijinul vestitelor uzine Krupp, primul
motor cu ardere internă cu aprindere prin comprimare.
Până la sfârșitul secolului XIX, au apărut atât în Europa, cât și în America primele trăsuri
dotate cu motoare, alimentate cu petrol. S -a născut astfel, ceea ce poetul român G. Topârceanu
numea „copilul civilizației eterne” – automobilul.
A urmat o lungă perioadă de perfecționări continue a automobilului. În secolul trecut, la
începutul anilor ‘70, o dată cu apariți a crizei petrolului, forurile internaționale au luat în
considerare, printre altele, și reversul dezvoltării industriei de autovehicule – impactul asupra
mediului. Au fost trase astfel primele semnale de alarmă cu privire la emisiile poluante, generate
de activitatea de transport.
Pentru prima dată, în SUA anului 1970, a apărut un document oficial denumit „Clean Air
Act” unde au fost indicate primele norme limită la emisiile de gaze auto în atmosferă.
Sfârșitul secolului trecut s -a remarcat printr -o puter nică preocupare din partea forurilor
mondiale de limitare a efectelor negative ale transporturilor asupra mediului, materializate atât
în plan legislativ, cât și în plan constructiv.

Autor: ing. Ionut -Valentin RADU Cond. științific:Prof.univ.dr.ing. Ionel SIMION Sisteme de reducere a reziduurilor rezultate în urma procesului de ardere la motoare
11 STUDIUL ACTUAL PRIVIND SISTEMELE DE REDUCERE A
REZIDUURILOR REZULTATE Î N URMA PROCESULUI DE ARDERE
CAPITOLUL 1 PROCESUL DE ARDERE
1.1 Mecanismul aprinderii combustibilului
Mecanismul aprinderii combustibilului este unul foarte complex, dar insuficient studiat.
Cercetările teoretice și experimentale permit, însă, o reprezentar e a mecanismului fizico -chimic
de producere a aprinderii la motoarele cu ardere internă. După schemele cele mai larg acceptate
ale procesului de aprindere, acesta se produce în două moduri diferite [3], [10], [35]:
• aprindere monostadială la temperaturi î nalte (MAS);
• aprindere polistadială la temperaturi joase (MAC).
Aprinderea la temperaturi înalte constă în producerea flăcării datorită autoaccelerării
progresive a reacțiilor exoterme. Aceasta este pe deplin posibilă deoarece între electrozii bujiei
se formează un arc electric de înaltă temperatură (cca 10.000șK) care asigură ruperea coeziunii
intermoleculare și formarea unor particule active (radicali liberi) care joacă rolul centrilor
inițiali ai reacțiilor , ele dezvoltând reacțiile în lanț, viteza lor crescând exponențial în timp. O
dată cu creșterea temperaturii inițiale a amestecului, numărul centrilor activi creste și el,
determinant pentru mărirea vitezei inițiale de reacție . Paralel cu autoaccelerarea reacțiilor în
lanț creste și viteza de degajare a căldurii. După ce aceasta depășește viteza de trecere a căldurii
prin pereții camerei de ardere, începe perioada de creștere a temperaturii amestecului, ceea ce
conduce la autoaccelerarea reacțiilor în continuare și la dezvoltarea ard erii. Deoarece nu există
o limită între prima și a doua fază a aprinderii, procesul este tratat ca fiind monostadial.
Aprinderea la temperaturi joase este un proces caracteristic reacțiilor din motoarele cu
aprindere prin comprimare. Inițial formarea radic alilor liberi este posibilă printr -un proces de
autooxidare cu formarea endotermică a unor peroxizi de tip R -CH2 -O-O-H ce se realizează cu
viteză crescătoare până la atingerea unei concentrații critice, la care legăturile intermoleculare
ale acestora încet ează, producându -se o scindare a moleculelor de combustibil, cu formarea unei
flăcări reci.
Aceasta se propagă în volumul amestecului proaspăt cu o difuzie de particule active, fără
transfer de căldură pentru că încălzirea în acest caz este foarte redusă. În perioada flăcării reci,
apar aldehidele și radicalii liberi. După ce acumularea de peroxizi încetează, se produce
oxidarea formaldehidei, cu apariția unei flăcări reci numită flacără albastră. Se formează masiv
radicali și oxid de carbon. În această per ioadă se produce o creștere a temperaturii și presiunii.
Perioada flăcării albastre se caracterizează prin apariția unor produse intermediare și particule
active, respectiv CO și radicali liberi.
Urmează ultimul stadiu, când reacțiile se dezvoltă până la f ormarea CO 2 și H2O, denumit
stadiul flăcării calde, când arderea este însoțită de viteze înalte de degajare a căldurii.
1.2 Arderea combustibilului
Procesul de transformare a energiei chimice a combustibilului în energie calorică prin
reacții de oxidare, respectiv prin ardere, nu se produce instantaneu, cum s -a presupus la analiza
ciclurilor ideale, ci printr -o înaintare treptată a frontului de ardere în masa de amestec de
combustibil și aer.
Propagarea frontului flăcării în procesul arderii, adică deplasa rea zonei de reacție, se
poate face cu diferite viteze, în funcție de influenta ce o manifestă factorii chimici și fizici ce
însoțesc arderea.

Viteza de ardere a amestecului carburant
Viteza de propagare a flăcării împreună cu viteza reacțiilor de oxidare a moleculelor
de combustibil determină durata arderii masei de amestec aflat în camera de ardere.

Autor: ing. Ionut -Valentin RADU Cond. științific:Prof.univ.dr.ing. Ionel SIMION Sisteme de reducere a reziduurilor rezultate în urma procesului de ardere la motoare
12 Durata totală a arderii întregii cantități de amestec cunoaște următoarele etape:
– timpul necesar pentru producerea primelor reacții de ardere (apariția flăcă rii);
– timpul necesar pentru propagarea zonei de reacție în întregul volum al camerei de
ardere;
– timpul necesar pentru desăvârșirea reacțiilor de ardere care se produc în volum de gaze
deja străbătut de flacără (în pungile de gaze încercuite de frontul flăc ării).
Durata primei și ultimei faze de ardere depinde de viteza reacțiilor chimice de oxidare Wr
exprimată prin cantitatea de substanță ce reacționează în unitatea de timp pe unitatea de volum,
adică de cinetica procesului de oxidare (în kg/cm3 sau mol/c m3).
Durata celei de a doua faze a arderii este determinată de viteza de propagare a flăcării u
în m/s care depinde nu numai de viteza reacțiilor chimice, ci și de alți factori, spre exemplu, de
turbionarea amestecului în camera de ardere. Parametrii W și u împreună determină durata
totală a procesului de ardere a unei mase de amestec date, precum și viteza masică de ardere
prin care se înțelege cantitatea de combustibil sau amestec ars în unitatea de timp în întregul
volum al camerei de ardere (în kg/s sau mol/s) [10].
Viteza masică de ardere sau pe scurt, viteza de ardere este un parametru foarte important
al ciclului, deoarece mărimea sa determină viteza de degajare a căldurii și împreună cu aceasta
presiunea și temperatura gazelor în perioada arderii.
Procesul arderii decurge în timp, deci la volum variabil. De aceea, în ciclurile reale aportul
de căldură în procesul arderii este însoțit de pierderi de căldură prin pereții camerei de ardere.
În ansamblu, caracterul desfășurării procesului de ardere, deter minat de viteza de ardere,
manifestă o influență hotărâtoare asupra desfășurării ciclului real și prin urmare, asupra puterii
și economicității motorului. La motoarele cu cicluri diferite, procesul de ardere se desfășoară
diferit, deoarece caracterul său d epinde de o serie de factori ca modul de formare a amestecului
și procesul de aprindere a acestuia.
La motoarele cu carburator cu aprindere prin scânteie amestecul este practic omogen.
Amestecul pregătit în prealabil este caracterizat de coeficientul de ex ces de aer λ. Arderea
acestui amestec în stratul frontului flăcării care se propagă în camera de ardere de la punctul de
aprindere în direcția amestecului nears, este foarte intensă și se caracterizează în acest caz nu
prin viteza reacțiilor chimice, care la temperatura flăcării este suficient de ridicată, ci prin viteza
de propagare a flăcării, care la motoarele cu aprindere prin scântei este de ordinul 40 m/s,
valoare destul de ridicată.
La motoarele cu aprindere prin comprimare arderea decurge mai puțin intens, ceea ce se
explică prin lipsa unei pregătiri prealabile foarte bune a amestecului de compoziție determinată
și prin lipsa unei surse suplimentare de aprindere. În acest caz are loc o autoaprindere, arde un
amestec eterogen de combustibil și aer, d e compoziție variabilă, în timp și ca dispunere în
volumul camerei de ardere. La aceste motoare viteza de ardere a combustibilului injectat în
cilindru se limitează nu de către viteza de propagare a flăcării, ci de alți factori ca viteza de
pregătire pentr u autoaprindere a primelor cantități de combustibil injectat (la începutul
procesului) și viteza de amestecare a combustibilului cu aerul (în ultima parte a procesului).
Viteza de amestecare a combustibilului cu aerul depinde de viteza de difuzie dintre mo leculele
de combustibil și oxigen și intensitatea transportului turbionar de masă în timpul arderii.
Prin urmare arderea în motoarele cu aprindere prin scânteie este foarte diferită de arderea
din motoarele cu aprindere prin comprimare ceea ce impune anali za separată a arderii în aceste
tipuri de motoare.

Combustibilii utilizați în motoare sunt constituiți din anumite tipuri de hidrocarburi a
căror ardere completă este descrisă de ecuațiile arderii complete a carbonului și hidrogenului.

𝐶+𝑂2=𝐶𝑂2 (1)
2𝐻2+𝑂2=2𝐻2𝑂 (2)

Autor: ing. Ionut -Valentin RADU Cond. științific:Prof.univ.dr.ing. Ionel SIMION Sisteme de reducere a reziduurilor rezultate în urma procesului de ardere la motoare
13 În condițiile reale reacțiile de oxidare nu se produc direct ci cu formarea unor produse
intermediare de tipul peroxizilor, care sunt extrem de instabili și din care cauză compoziția și
reacțiile lor ulterioare nu au putut fi încă sufi cient studiate. Printre teoriile arderii
hidrocarburilor cea mai răspândită este teoria reacțiilor accelerate sau în lanț ramificat.
În lumina acestei teorii procesul apariției flăcării se produce în lanț, fiind nu numai o sursă
puternică de căldură, dar și de particule active (atomi și radicali liberi) care difuzează în gazele
nearse, astfel încât, în masa acestora se dezvoltă reacții de ardere și noi difuzii de particule
active, deci o autoaccelerarea a reacțiilor de ardere [10].
Teoria reacțiilor în lanț analizează două căi posibile de dezvoltare a reacțiilor în
masa de amestec. Prima cale, când datorită consumului a peste jumătate din substanțele de
ardere viteza de reacție, începe să scadă de la un maxim atins, fără formarea flăcării după cum
se poate observa de pe curba 1 din figura 3.1. A doua cale, când dezvoltarea reacției în lanț
conduce la o asemenea viteză de degajare a căldurii, care asigură autoaccelerarea progresivă a
vitezei de reacție care produce aprinderea masei de amestec date ( conform curbei 2 din figura
1.1).

Fig. 1.1. Vitezei de reacție care produce aprinderea masei de amestec
În ambele cazuri apariția flăcării este precedată de un fenomen numit întârzierea la
aprindere (τ 1). Însă în cazul aprinderii prin scânteie a amestecului, temperatura sursei de
aprindere este mai mare decât temperatura mediului ce urmează a fi aprins și de aceea reacțiile
de ardere pe timpul necesar formării inițiale au loc cu o degajare de căldură.
Viteza reacțiilor chimice depinde de temperatu ra și concentrația reactanților. Aceasta se
poate exprima în funcție de presiune și temperatură după cum se poate observa în relația 3:
𝑊𝑟=𝐴∙𝑝𝑛∙𝑒𝐸
𝑅𝑀∙𝑇 (3)
unde:
A – este constanta care depinde de proprietățile combustibilului și de compoziția
amestecului;
p – presiunea;
n – ordinul reacției;
E – energia de activare;
T – temperatura;
RM – constanta generală a gazelor [29].
Arderea cu flacără poate să înceteze în amestecuri foarte bogate (ciocniri trimoleculare)
sau foarte sărace (ciocnirea cu gaze inerte). Limitele acestor amestecuri sunt determinate practic
de către limitele superioare și inferioare ale aprinderii, când variația cantității de combustibil în
amestec, conduce la imposibilitatea aprinderii (tabelul 1.1).

Autor: ing. Ionut -Valentin RADU Cond. științific:Prof.univ.dr.ing. Ionel SIMION Sisteme de reducere a reziduurilor rezultate în urma procesului de ardere la motoare
14 Tabelul 1.1 Limitele aprinder ii amestecului combustibil – aer

Temperatura
amestecului
înaint e de
aprinder e [șC]

Limita aprinder ii în
funcție de amestec
Temperatura
amestecului
înaint e de
aprindere [șC]

Limita aprinder ii în
funcție de amestec

superioa ră
inferioară
superioa ră
inferioară
0 0,53 1,23 200 0,40 1,60
50 0,42 1,45 250 0,40 1,67
100 0,40 1,60 300 0,40 1,86
150 0,40 1,60

O dată cu creșterea temperaturii, limitele aprinderii amestecului se lărgesc, în special,
limita amestecurilor sărace. Aceste limite prezintă importantă pentru reglajul motoarelor. La
motoarele cu carburator, la amestecuri cu λ cuprins în intervalul 0,85÷0,9 (în zona amestecurilor
bogate), se pot obține valori maxime de ardere și prin urmare și puterea maximă, dar cu o
economicit ate scăzută. La amestecuri sărace cu λ în intervalul 1,05÷1,15, viteza de ardere va fi
mai mică, puterea se va micșora, însă economicitatea se va mări, prin reducerea consumului
specific. Prezintă importantă și pierderile de căldură, care în cazul amestecu rilor sărace vor fi
mai mari deoarece arderea amestecului se va încetini și se va prelungi, sfârșindu -se când gazele
ocupă un volum mare și o suprafață de răcire prin pereți [10].
Pentru amestecuri neomogene problema limitelor de autoaprindere după compozi ția
amestecului își pierde sensul, deoarece în procesul formării amestecului (formare interioară prin
injecție) se obțin câmpuri de concentrații cu limite largi ale coeficientului λ, care variază de la
zero la infinit. La injectarea combustibilului lichid apar zone cu compoziție optimă a
amestecului, deci cu condiții optime pentru producerea aprinderii, comparabile cu cele ale
amestecului omogen gazos.
Se presupune, că în jurul fiecărei picături de combustibil injectat se formează un înveliș
sferic de ames tec în care, pentru condiții corespunzătoare de temperatură și presiune de vapori
a combustibilului se obține zona de amestec optim de combustibil.
1.3 Procesul arderii în mașina cu aprindere prin scânteie

Pentru dezvoltarea optimă a procesului de degajare a căldurii cu calcularea timpului
de ardere a amestecului, aprinderea se efectuează înainte ca pistonul să ajungă în p.m.s. în cursa
de comprimare. Unghiul manivelei corespunzător acestui moment față de p.m.s. (punctul mort
superior) se numește unghi de avans la producerea scânteii (φ s) și pentru motoarele moderne
cu carburator se află în limitele 2÷35°RAC înainte de p.m.s. (figura 1.2) [3].

Autor: ing. Ionut -Valentin RADU Cond. științific:Prof.univ.dr.ing. Ionel SIMION Sisteme de reducere a reziduurilor rezultate în urma procesului de ardere la motoare
15
Fig. 1.2. Cantitatea de căldură degajată și unghiul de avans
În aceeași figură este prezentată diagrama indicată desfășurată în coordonate p – φ,
care permite urmărirea caracterului variației presiunii gazelor în cilindru în funcție de unghiul
de rotație a arborelui cotit. După cum se vede, între momentul pro ducerii scânteii 1 și punctul
2 nu se produce o creștere apreciabilă a presiunii. După punctul 2, presiunea creste rapid până
la valoarea maximă 3, iar apoi în cursa de destindere descrește spre punctul 4.
Întreaga perioadă de ardere în motorul cu aprinder e prin scânteie poate fi considerată,
din punctul de vedere al creșterii presiunii, ca fiind constituită din trei faze: faza I, de inițiere a
arderii (φ1), faza a II -a, de propagare a flăcării (φ2) și faza a III -a, de desăvârșire a arderii în
timpul desti nderii (φ3) la 30÷50° RAC. Faza I este faza inițială sau perioada de inducție .
În această fază se arde o cantitate redusă de amestec în jurul bujiei (6÷8%), iar presiunile
și temperaturile nu cresc vizibil deoarece căldura degajată abia compensează pierde rile de
căldură prin pereții camerei de ardere. Această fază se desfășoară pe 5÷7° RAC și se mai
numește întârziere la aprindere.
Faza a II -a, care este faza principală de ardere și se desfășoară pe 10÷25° RAC,
determină mersul liniștit al motorului, caracterul creșterii presiunii, care se apreciază prin
creșterea de presiune pe 1° RAC, respectiv dp/dφ (figura 1.3) [10].

Fig. 1.3. Comportamentul presiunii în mersul la relantii
Pentru perioada de la începutul arderii până la atingere presiunii maxime, la motoare cu
ε = 6,5÷8, viteza medie de creștere a presiunii este:
∆𝑝
∆𝜑=(2.5−3) [𝑀𝑝𝑎° 𝑅𝐴𝐶]⁄ (4)
∆𝑝
∆𝜑=(0.8−1.8) [𝑀𝑝𝑎° 𝑅𝐴𝐶]⁄ (5)

Autor: ing. Ionut -Valentin RADU Cond. științific:Prof.univ.dr.ing. Ionel SIMION Sisteme de reducere a reziduurilor rezultate în urma procesului de ardere la motoare
16 pentru că la valori mai mici arderea se prelungește în destindere, iar la valori mai mari
motorul are o funcționare dură. De asemenea eficiență maximă de ardere se atinge la 10÷15°
RAC după p.m.s.
Căldura degajată prin dezvoltarea primelor reacții se transmite particulelor cu care vin
în contact, aprinzându -le și provocând arderea cele ilalte părți de amestec (faza a II -a), adică
începe propagarea flăcării. Arderea care se produce după această schemă se numește în general
normală sau fără detonație .
Mecanismul propagării flăcării în acest tip de ardere este legat de transmiterea căldu rii
prin convecție și difuzia particulelor active, precum și de ambele procese prin acțiunea de
turbionare asupra procesului. Flacăra se propagă în camera de ardere în toate direcțiile , cu o
viteză medie de 20÷30 m/s și uneori chiar de 40 m/s. Viteza de pr opagare a flăcării depinde de
mulți factori printre care cei mai importanți sunt: intensitatea procesului chimic de oxidare,
construcția motorului (raportul de comprimare, temperatura pieselor, turbionarea asigurată),
energia surselor de aprindere, numărul bujiilor etc.
Faza a III -a este faza finală și începe după atingerea presiunii maxime corespunzătoare
punctului 3, încheindu -se în destindere. În această fază de post ardere sau ardere întârziată se
desăvârșesc reacțiile de ardere a combustibilului care n u a ars în fazele precedente. Viteza de
ardere în acest caz are valori reduse, iar aria frontului de flacără se micșorează. Durata acestei
faze este de 30÷50°RAC, iar sfârșitul arderii este greu de precizat, putându -se aprecia numai
după cantitatea de comb ustibil arsă, respectiv după căldura degajată în raport cu căldura
furnizată ciclului. Pe diagrama indicată desfășurată (figura 1.2), prima fază de ardere începe în
momentul apariției scânteii la electrozii bujiei și se sfârșește în punctul 2, adică în mom entul
începerii creșterii presiunii de ardere față de presiunea de comprimare.
În acest fel în prima fază se include nu numai perioada formării flăcării (aprinderii), ci și
timpul necesar pentru propagarea sau formarea flăcării într -un volum suficient de amestec
pentru accelerarea reacțiilor cu o însemnată creștere de presiune (punctul 2). Dezvoltarea în
continuare a arderii asigură propagarea flăcării în volumul camerei de ardere, factor
determinant în aprecierea vitezei de ardere și deci și a puterii și economicității. Frontul flăcării
se deplasează în direcția amestecului nears (figura 1.4), însă direcția de deplasare față de pereții
camerei de ardere determinată nu numai de propagarea propriu -zisă a flăcării în amestecul
proaspăt, ci și de caracterul deplasării amestecului în camera de ardere [4], [10].

Fig. 1.4. Direcția de deplasare a frontului nears
De aceea, în condiții reale viteza de propagare a flăcării este constituită dintr -o viteză de
propagare laminară în amestec, numită viteză normală (u n), și din viteza condiționată de
mișcarea turbulentă a gazelor (u r).
Prin viteză normală se înțelege viteza cu care se propagă flacăra de la un strat de gaze, cu
difuzie de particule active și transmitere de căldură în direcție normală la suprafața frontului
său. Viteza normală de ardere a amestecurilor de benzină și aer oscilează în limitele 2÷3 m/s.
Însă pentru dezvoltarea proc esului o importanță hotărâtoare o are viteza de ardere
determinată de mișcarea amestecului, adică de pulsația turbulentă a gazelor. Intensitatea acțiunii

Autor: ing. Ionut -Valentin RADU Cond. științific:Prof.univ.dr.ing. Ionel SIMION Sisteme de reducere a reziduurilor rezultate în urma procesului de ardere la motoare
17 pulsațiilor turbulente asupra procesului de ardere e determinată pe scara acestor pulsații (micro –
și macro -turbulență).
În primul caz accelerația propagării flăcării se asigură de către intensitatea transportului
de substanțe și particule active din flacăra spre amestecul nears, fără schimbarea suprafeței
frontului flăcării, iar în al doilea caz, când tu rbulența se accentuează, se deformează frontul
flăcării, care provoacă mișcarea dezordonată a gazelor proaspete și arse, ceea ce mărește
suprafața cuprinsă de flacără și viteza maximă de ardere (figura 1.4).
Scara pulsațiilor turbulente depinde de adâncim ea zonei de ardere δ și de amplitudinea
oscilațiilor frontului flăcării l. Dacă l≤δ, se poate vorbi de o micro -turbulență, iar dacă l>δ,
există o macro -turbulență, l putând ajunge la valori de zeci de mm.
Deplasarea frontului flăcării în amestec, uniform, în camera de ardere închisă, depinde de
raportul de comprimare a amestecului încă nears, care este puternic comprimat (de 7 -8 ori) prin
destinderea gazelor care au ars până în momentul respectiv în direcția părții de volum cu gaze
arse. După cum se vede, s e respectă în general o succesiune în dezvoltarea procesului de ardere
în ansamblu. Prima zonă de ardere se formează sub acțiunea vitezei normale de ardere
(transmiterea de căldură, difuzie).
O dată cu dezvoltarea zonei de ardere și formarea unor fronturi de ardere devin posibile
pulsații turbulente, scara cărora nu depășește încă adâncimea zonei de ardere (micro –
turbulență). Însă pulsațiile amplifică viteza normală, pentru că transmiterea de căldură și difuzia
particulelor active cresc. La sfârșit scara t urbulenței devine mai mare decât adâncimea zonei de
ardere și rolul vitezei normale se reduce, deoarece prevalează influența vitezei u r, condiționată
de turbulența asupra arderii (macroturbulență).
Uneori, este posibil, către sfârșitul arderii normale, să apară în fluidul motor (amestecul
combustibil -aer) fenomene de autoaprindere caracterizate de viteze ridicate de propagare a
flăcării.
În acest caz, arderea se numește detonantă. Acest tip de ardere limitează creșterea puterii
și economicității, prin mărirea raportului de comprimare. Se produc unde puternice de șoc, ce
se propagă cu viteze de circa 1200 m/s.
Arderea detonantă este însoțită de zgomote metalice, asemănătoare unor ciocănituri, de
tendința de supraîncălzire a motorului și de scăderea pute rii. O funcționare îndelungată duce la
uzura segmenților și la creșterea nivelului de emisii poluante.
1.4 Procesul arderii în mașina cu aprindere prin comprimare

Arderea amestecului neomogen se deosebește esențial de arderea amestecului omogen.
Procesul formării amestecului și pregătirea lui pentru aprinderea în motorul cu aprindere prin
comprimare încep din momentul injectării combustibilului în camera de a rdere, adică de la
10÷40° RAC înainte de a ajunge pistonul în p.m.s. Timpul disponibil pentru toate procesele de
pregătire a amestecului pentru autoaprindere este foarte scurt și în motoarele cu aprindere prin
comprimare aceste procese se realizează în 0,0 4÷0,001 s, valorile mari referindu -se la
motoarele lente, iar cele mici, la motoarele rapide. Timpul disponibil pentru pregătirea și
formarea amestecului pentru aprindere la motoarele cu carburator este de câteva ori mai mare
decât la motoarele cu aprinder e prin comprimare.
Fazele de formare și pregătire a amestecului pentru autoaprindere la motoarele cu
aprindere prin comprimare (pulverizarea combustibilului din injector și proiectarea lui în
camera de ardere, încălzirea picăturilor și vaporizarea lor, fo rmarea produselor intermediare de
oxidare și în final, aprinderea) se suprapun în timp una alteia și se prelungesc până după
aprindere.
În aceasta constă particularitatea și în același timp complexitatea studierii proceselor de
ardere în aceste motoare. C ombustibilul injectat în cilindru ajunge în mediul comprimat și prin
urmare încălzit, aerul având în general presiuni de 3÷4 MPa și temperaturi de 800÷1000 °K.

Autor: ing. Ionut -Valentin RADU Cond. științific:Prof.univ.dr.ing. Ionel SIMION Sisteme de reducere a reziduurilor rezultate în urma procesului de ardere la motoare
18 În figura 1.5, se prezintă diagrama indicată desfășurată, unde 1 -2 este perioada de
întârziere l a autoaprindere, 2 -3 perioada de creștere bruscă a presiunii, 3 -4 perioada dezvoltării
temperaturii maxime a ciclului și 4 -5 perioada desăvârșirii arderii.
În figura 6, se prezintă caracteristica de injecție și de degajare a căldurii.
Curba i=f 1(α) descr ie legea de injecție a combustibilului, curba x=f 2(α) reprezintă variația
fracțiunilor de căldură degajată, p inj=f3(α) arată variația presiunii de injecție și dx/dα viteza de
degajare a căldurii în funcție de timp, sau de unghiul de rotație al arborelui co tit [3].

Fig. 1.5. Diagrama desfășurată a autoaprinderii
Fazele de ardere sunt reprezentate în fracțiuni din timpul de desfășurare a ciclului (figura
1.6) sau pot fi delimitate într -o diagramă p -α în ° RAC. După cum se vede din caracteristica
variației mărimilor x, dx/dα, căldura degajată la sfârșitul fazei a tr eia este importantă, însă viteza
de degajare a căldurii scade, deși procesele se desfășoară la temperaturile cele mai înalte,
aceasta putându -se explica prin diminuarea contactului dintre oxigen și combustibil sau produse
de ardere incompletă care se accen tuează datorită măririi concentrației gazelor inerte în amestec
(azot și produse de ardere). Simultan cu aceasta are loc și o înrăutățire a condițiilor de formare
a amestecului, datorită faptului că injecția și pulverizarea în faza a III -a se produc cu vit eze mai
scăzute și coeficientul de exces de aer în timp este mai mic. Caracterul propagării flăcării în
camera de ardere a motorului cu aprindere prin comprimare nu a fost pe deplin elucidat ca la
motorul cu carburator.
Astfel, este posibil să existe dife rite puncte de vedere asupra descrierii fenomenelor fizice
ce apar în procesul arderii amestecurilor de combustibili și aer în motoarele cu aprindere prin
comprimare. În literatura de specialitate actuală, privind procesul de ardere, în general se
consider ă că acesta este constituit din patru faze.

Autor: ing. Ionut -Valentin RADU Cond. științific:Prof.univ.dr.ing. Ionel SIMION Sisteme de reducere a reziduurilor rezultate în urma procesului de ardere la motoare
19
Fig. 1.6. Desfășurarea ciclului de ardere
Împărțirea pe faze este convențională pentru motoarele cu aprindere prin comprimare
deoarece multe aspecte ale arderii nu au fost încă studiate în detaliu. Deși convenționale, fazele
procesului de ardere reflectă suficient de fidel fenomenele petrecute în cilindru.
O imagine cât mai apropiată de realitate asupra procesului de ardere din motorul cu
aprindere prin comprimare se poate obține dacă la baza analizei desfășurării fazelor se iau în
calcul factorii care au o influență constantă asupra proceselor, c a spre exemplu legea de injecție
a combustibilului și legea degajării căldurii, care, la rândul lor, determină temperatura și
presiunea ciclului.
Întreaga perioadă de ardere din motorul cu aprindere prin comprimare cunoaște
următoarele faze:
I – faza preg ătirii zonelor de autoaprindere (întârzierea la autoaprindere);
II – faza dezvoltării zonelor de autoaprindere și propagării flăcării denumită și faza arderii
rapide;
III – faza de ardere a masei de bază a amestecului (arderea moderată);
IV – faza arderii relativ încetinite a componentelor de amestec rămase din faza precedentă
(post arderea cu ardere în destindere).
Prima fază se desfășoară în intervalul de timp dintre momentul începerii reale a injectării
combustibilului, 1, până în momentul creșterii rapi de de presiune, 2.
În decursul acestei perioade se produce pregătirea fizico -chimică a acelei părți de
combustibil care a pătruns în cilindru în acest interval de timp. Viteza de degajare a căldurii în
această perioadă fiind foarte mică, nu se produce o cr eștere vizibilă a presiunii.
În timpul acestei faze pătrunde în cilindru 30÷40% din întreaga cantitate de combustibil
pentru un ciclu (la unele motoare rapide cantitatea de combustibil injectat poate fi chiar de 100
%). Durata primei faze este de 0,002÷0, 006 s sau 10÷30 °RAC și determină caracterul
desfășurării fazelor următoare în funcție de diferiți factori.
Cum se vede din figurile 1.5, respectiv 1.6, la sfârșitul primei faze începe procesul
degajării active de căldură, adică în acest timp pregătirea fo rmării zonelor de autoaprindere se
încheie. În a doua fază se observă o foarte intensă degajare de căldură (dx/dα → max) și o
creștere bruscă de presiune, corespunzătoare perioadei 2 -3, acum injecția de combustibil
continuă mărind concentrația acestuia în amestec. La sfârșitul acestei faze, maximul vitezei de
degajare a căldurii coincide practic cu maximul presiunii de ardere p z. În această fază se degajă
30÷50% din întreaga căldură furnizată ciclului.
Un criteriu de apreciere a intensității arderii pentru perioada a doua este viteza de creștere
a presiunii, obținut ca și la motoarele cu aprindere prin scânteie, din raportul creșterii de
presiune a gazelor ∆p pentru o perioadă oarecare a procesului, raportat la creșterea

Autor: ing. Ionut -Valentin RADU Cond. științific:Prof.univ.dr.ing. Ionel SIMION Sisteme de reducere a reziduurilor rezultate în urma procesului de ardere la motoare
20 corespunzătoare a unghiului de rotire a arborelui cotit, adică viteza momentană W și viteza
medie W m, .
𝑊=∆𝑝
∆𝛼 [𝑀𝑝𝑎°𝑅𝐴𝐶]⁄ (6)
𝑊𝑚=(∆𝑝
∆𝛼)
𝑚𝑒𝑑=𝑝𝑠−𝑝𝑐
𝛼3−𝛼2 [𝑀𝑝𝑎°𝑅𝐴𝐶]⁄ (7)

Conform datelor experimentale (tabelul 1.2) , mărimea W m, care caracterizează rigiditatea
funcționării motorului, oscilează în limitele 0,4÷0,6 MPa/ș RAC. Valorile mari corespund unor
perioade îndelungate de întârziere la autoaprindere, iar cele mici unor întârzieri scurte [10].

Tabelul 1.2 Date experimentale obținute, mărimea Wm
Valori Wm [MP a/ș RAC] Timp [s]
0.39 0.002
0.42 0.0032
0.41 0.0028
0.45 0.0035
0.44 0.003
0.58 0.0057
0.52 0.004
0.54 0.005
0.61 0.006
0.59 0.0059
În faza a treia injecția de combustibil de obicei încetează și arde masa de bază a
amestecului combustibil -aer. Se mai numește și faza arderii progresive, deoarece menține
presiunea aproape constantă pentru o anumită perioadă de timp. În această fază cantitatea totală
de căldură degajată este de 40÷50%. Faza a patra începe din momentul atingerii temperaturii
maxime de ardere în cilindru. Se consideră că limita sfârșitului arderii poate fi momentul când
degajarea de căldură atinge 95÷97% din căldura totală degajată pe ciclu. Faza este caracterizată
prin micșorarea vitezei de degajare a căldurii (dx/dα → 0) și de micș orarea vitezei de ardere.
1.5 Poluarea chimică
1.5.1 Generalități
Activitatea umană la ora actuală se confruntă cu o stringentă cerință de ecologizare
datorată în primul rând dinamicii deosebite a producției de bunuri materiale și servicii, care pun
în per icol echilibrul natural al planetei. Faptul este fără precedent și nu poate fi tratat ca un
accident în dezvoltarea umanității. Este deci necesar ca orice act de creație tehnică în primul
rând să se pună în acord cu echilibrul atât de precar al naturii, ca re se află permanent în pericol.
Fenomenul dinamic al dezvoltării industriale a adus după sine, pe lângă factorul activ de
progres, și câteva elemente negative, dăunătoare mediului și implicit sănătății omului, elemente
care trebuie limitate și atenuate cu maximă exigență. Aceste așa -numite reziduuri rezultate în
urma activității industriale au fost denumite generic «poluanți» și constituie un pericol în
condițiile în care concentrația (densitatea) lor depășește limitele posibilităților de absorbție sau
toleranță, fiind astfel pus în pericol echilibrul ecosistemelor care asigură funcțiile biologice
ale planetei.
Tabel 1.3 Persistența unor poluanți în atmosferă
Componentă Persistență Mecanism de îndepărtare naturală
CO 2 4 ani Fotosinteza , absorbți e în apă
CO 3 ani Puțin cunoscute

Autor: ing. Ionut -Valentin RADU Cond. științific:Prof.univ.dr.ing. Ionel SIMION Sisteme de reducere a reziduurilor rezultate în urma procesului de ardere la motoare
21 SOx 4 zile Oxidare și transformare în sulfați
NOx 5 zile Oxidare, foto-oxidare și transformare în nitrați
Hidrocarburi 16 ani Reacții fotochimic e cu NOx și O2
În tabelul 1.3 este redat ciclul de descompunere naturală a celor mai cunoscute substanțe
rezultate în urma arderii combustibilului în motoarele cu ardere internă [12].
În măsura în care un reziduu al activității economice industriale sau sociale depășeșt e o
concentrație maximă admisibilă (egală cu capacitatea de absorbție sau de toleranță a
ecosistemului), acesta este definit în mod cert ca poluant și atenția acordată reducerii lui implică
severe măsuri tehnico -economice ce nu de puține ori, în ultimul ti mp, au dus la reorientări ale
proceselor tehnologice sau ale producției industriale în ansamblu. În tabelul 1.4, sunt trecute
valorile maxim admise la nivel mondial, pentru gazele poluante generate de traficul auto [52],
[53].
Tabelul 1.4 Concentrația maximă admisă pentru diferiți poluanți
Poluantul Concentr ația maximă admi să (µg/m3) Timp medi u de
expunere
Ozon 120µg/m3 (0,06 ppm) 8h
NO2 200µg/m3 (0,11ppm) 1h
40-50 µg/m3
(0,021-0,026 ppm) anual
SO 2 500 µg/m3
(0,175 ppm) 10 min
125 µg/m3
(0,044 ppm) 24 h
50 µg/m3
(0,017 ppm) anual
CO 100 mg/m3 [90 ppm]
60 mg/m3 [50 ppm]
30 mg/m3 [25 ppm]
10 mg/m3 [10 ppm] 15 min
30 min
1 h
8 h
Pb
0,5 – 1 mg/m3 anual
Agresivitatea asupra mediului reprezintă una dintre cele mai noi probleme apărute în
dezvoltarea societății și lezează caracterul durabil al acesteia. O dată cu importanța sporită
acordată calității vieții și depășirea îngrijorătoare a nivelului de poluare în ultimele două
decenii, transporturile au ajuns în centrul dezbaterilor legate de protecția mediului [31].
Activitatea de transport este responsabilă de circa 35% din totalul emisiilor de CO 2. În
centrul marilor aglomerări urbane, traficul rutier este generatorul a 90 -95% din concentrațiile
de CO și Pb regăsite în aer, 60 -70% din cele a le noxelor și hidrocarburilor, precum și a unui
important procent de particule aflate în suspensie [40].
Motoarele cu ardere internă, folosite în transporturi, generează o poluare a aerului pe
unitatea de energie mai mare decât orice alt consumator energet ic. Prin folosirea acestor tipuri
de motoare se produc emisii de substanțe în cantități și de natură să cauzeze efecte dăunătoare
eco biosistemelor atât la nivel local, cât și la nivel global. Datorită activității de transport cu

Autor: ing. Ionut -Valentin RADU Cond. științific:Prof.univ.dr.ing. Ionel SIMION Sisteme de reducere a reziduurilor rezultate în urma procesului de ardere la motoare
22 vehicule motorizate neelec trice, se emit numeroși poluanți care contribuie la realizarea efectului
de seră.
În secolul încheiat de curând, rezultatul acestui efect a condus la încălzirea suprafeței
terestre cu aproape 2,3 W/m2. Tendința crescătoare a valorii temperaturii medii la sol în șC se
poate observa în figura 1.7 [25], [46]:

Fig. 1.7. Tendința crescătoare a valorii temperaturii medii la sol

În rândul generatorilor de substanțe poluante cu aport la creșterea efectului de seră,
autovehiculul figurează poluant cu o pondere însemnată [13]. Sursa principală de poluare la
autovehicule o constituie carburantul, având o pondere de peste 96%.
Alături de carburant, cu o contribuție minoră, participă la poluare acumulatorii auto
(2,7%), vopseaua de caroserie (0,85%), scurgerile de ulei (0,45%) [38].
Se constată că ponderea majoră este ferm orientată în direcția carburantului, considerat a
fi un poluant activ, pentru că în toate stările de transformare pe care le suferă în cursul reacțiilor
chimice care au loc în scopul obținerii energiei mecanice acesta emană în atmosferă substanțe
poluante. Mecanismele prin care se produce poluarea de către carburanți sunt determinate de
două principale fenomene chimice.
Evaporarea combustibilului s -a determinat că pentru fiecare litru de combustibil, în
momentul alimentării, se răspândesc în mediul înconjurător, în medie 1,2 grame de combustibil.
De asemenea neetanșeit ățile rezervoarelor conduc la pierderea prin evaporare a până la 15%
din valoarea poluantului. Eliminarea gazelor arse în atmosferă – pentru o ardere completă a
combustibilului se produc vapori de apă (13%), dioxid de carbon (13%) și azot (74%). În motor
arderea combustibilului nefiind completă, se mai produc oxizi de azot, hidrocarburi, produși
oxidanți, oxizi de sulf, particule etc.
În funcție de procedeul de ardere (aprindere prin scânteie sau comprimare), respectiv de
combustibilul folosit (benzină sau motorină), atât din punct de vedere calitativ cât și cantitativ,
structurile emisiilor poluante ale motoarelor autovehiculelor prezintă diferențe notabile:
– în cazul MAS, ponderea importantă o au emisiile de CO, hidrocarburi și
plumb;
– în cazul MAC, ponderea majoritară este cea a emisiilor de NO x; mai sunt de
evidențiat emisiile scăzute dar semnificative de SO 2 (0,25%) și cele de
particule (fum).
1.5.2 Geneza și efectele CO
Originea oxizilor de carbon a fost mult timp discutată, însă, în urma cercetărilor mai
serioase în această direcție, s -a ajuns la concluzia că o primă sursă importantă de CO este
disocierea dioxidului de carbon la depășirea unui anumit prag de temperatură, conform reacției
8 [1], [18], [32], [35]:

Autor: ing. Ionut -Valentin RADU Cond. științific:Prof.univ.dr.ing. Ionel SIMION Sisteme de reducere a reziduurilor rezultate în urma procesului de ardere la motoare
23 𝐶𝑂2⟶𝐶𝑂+1
2𝑂2 (8)
O altă sursă importa ntă de CO este considerată arderea incompletă în cilindru datorită
lipsei de oxigen (ec. 9):
𝐶+1
2𝑂2⟶𝐶𝑂 (9)
Acest proces are loc în condițiile unui amestec sărac generat de lipsa aerului (λ<1) și
caracterizează o bună parte din regimul de funcționare a motorului (la accelerare și la
decelerare).

Fig. 1.8. Coeficientul de CO în funcție de excesul de aer
S-a constatat că în condiții de amestec bogat (λ<1) emisiile de CO scad simțitor (fig. 1.8).
Este definit ca dozaj stoichiometric λ=1 unde λ este definit de relația 10 [5], [9] și care
exprimă raportul dintre cantitatea de aer disponibilă pentru arderea unui kg de combustibil și
cantitatea de aer teoretică necesară pentru arderea a 1 kg de combustibil:
𝜆=𝐿
𝐿𝑚𝑖𝑛 (10)
unde L și L min se exprimă în kg aer/kg combustibil.
La motoarele cu aprindere prin comprimare, oxizii de carbon apar în cantitate redusă în
gazele de ardere. Geneza lor are ca explicație arderea incompletă datorită deficiențelor de
amestecare [9].
Oxidul de carbon este un gaz incolor și inodor. Masa kilomolului de oxid de carbon este
28,01 kg/kmol. Într -un kilogram de oxid de carbon se află 0,4287 kg de carbon și 0,5713 kg de
oxigen. Este puțin solubil în apă, iar sub influența radiațiilor ultraviolete reacționează cu
aceasta:
𝐶𝑂+𝐻2𝑂⟶𝐻𝐶𝑂𝑂𝐻 (11)
În prezența unui agent catalitic (Pt -platină) în mediu umed, se poate obține dioxidul de
carbon și hidrogen (rel.9):
𝐶𝑂+𝐻2𝑂⟶𝐶𝑂2+𝐻2 (12)

Autor: ing. Ionut -Valentin RADU Cond. științific:Prof.univ.dr.ing. Ionel SIMION Sisteme de reducere a reziduurilor rezultate în urma procesului de ardere la motoare
24 Oxidul de carbon din atmosferă poate fi transformat în dioxid de carbon de plante, cu o
viteză de 1,45 µmol/dm2h (planta de fasole). Oxidul de carbon reacționează cu hemoglobina
(Hb) [30]. Aceasta este o substanță albuminoidă cristalizabilă și se găsește î n sânge.
Omul are circa 700 g hemoglobină. În procesul de oxigenare a sângelui, aerul trece prin
peretele endotelial al alveolei pulmonare și se dizolvă în plasmă. Cea mai mare parte din oxigen
reacționează cu hemoglobina conform reacției 10, oxigenând ma i departe țesuturile vii:
𝐻𝑏+𝑂2⇄𝐻𝑏𝑂2 (13)
Oxidul de carbon ajunge în organism pe cale pulmonară sau cutanată. Și oxidul de carbon
este solubil în plasma sangvină unde reacționează cu hemoglobina conform reacției 14:
𝐶𝑂+𝐻𝑏⟶𝐶𝑂𝐻𝑏 (14)
Carboxihemoglobina astfel formată este mult mai stabilă decât oxihemoglobina. În plus,
afinitatea hemoglobinei pentru oxidul de carbon este de aproximativ 200 de ori mai mare decât
pentru oxigen. Ca urmare prezența oxidului de carbon în sânge blochează hem oglobina și
împiedică mecanismul oxidării sângelui producând anoxemie, adică diminuarea oxigenului
vehiculat către celule, ceea ce determină stări de asfixie a țesuturilor [44].
Prin urmare circa 0,1% oxid de carbon în sânge duce la blocarea sub formă de
carboxihemoglobină a jumătate din hemoglobina existentă în sânge, ceea ce are drept efect o
intoxicație gravă. Afecțiunile produse de oxidul de carbon se numesc oxicarbonism, având
manifestare acută sau cronică.
Primele simptome ale bolii încep de la o con centrație de peste 10% din totalul
hemoglobinei (figura 1.9), și constau în dureri de cap, amețeli, oboseală, greață, vomă, aritmii,
dureri în zona inimii [1].

Fig. 1.9. Dispersia bolilor în funcție de concentrația carboxihemoglobina
Oxidul de carbon sporește riscul de infarct miocardic datorită afinității acestuia pentru
mioglobină stimulând producerea unor tulburări în irigarea cu sânge a mușchiului cardiac. O
altă acțiune gravă este cea teratogenă asupra fătului [52].
Un studiu rec ent al unui grup de specialiști vienezi a subliniat că o expunere timp de o
oră la efectul unor concentrații variabile de oxid de carbon (50÷100 ppm) are drept efect o
scădere lineară a atenției participanților la traficul rutier, acest lucru fiind un gene rator de
accidente de circulație și un factor de creștere a nivelului de poluare [35], [44]. Oxidul de carbon
este greu de detectat cu mijloace obișnuite, deter minarea concentrației lui în gazele de evacuare
și în atmosferă necesitând apa ratură specială.
Determinarea emisiei de oxid de carbon se face cu aparate electrice, prin măsurarea
gazelor de post ardere , sau cu aparate cu raze infraroșii cu o fidelitate mai ridicată și care se
bazează pe proprietatea gazelor poliatomice cu structuri eterogene de a a bsorbi selectiv energia
radiantă în infraroșu [18], [32], în funcție de lungimea de undă.

Autor: ing. Ionut -Valentin RADU Cond. științific:Prof.univ.dr.ing. Ionel SIMION Sisteme de reducere a reziduurilor rezultate în urma procesului de ardere la motoare
25
1.5.3 Geneza și efectele NO x
Azotul formează cinci oxizi, prin combinarea cu oxigenul [86]:
– hemioxidul de azot N 2O;
– monoxidul de azot NO;
– sescvioxidul de azot (anhidridele azotoase) N 2O3;
– dioxidul de azot NO 2;
– hemipentoxidul de azot (anhidride azotice) N 2O5.
Dintre acestea prezintă interes, monoxidul de azot, dioxidul de azot și hemioxidul de azot.
Monoxidul de azot este prezent în gazele de evacuare într -o proporție mult mai redusă.
Evaluarea concentrației se face în părți pe milion (1ppm = 1cm³ / 1m³ sau 10000 ppm =
1,0% concentrație). Deși concentrația nu depășește 2000 -4000 ppm, este suficient de mare
pentru a avea efecte nocive asupra omului și a naturi i. În urma cercetărilor [1], [9], [35], [29]
s-a ajuns la concluzia că există o strânsă dependență între calitatea amestecului și concentrația
noxelor (fig. 1.10). Astfel, amestecurile sărace care conțin peste 10% aer în exces generează un
conținut maxim de NO x.

Fig. 1.10. Dependența dintre calitatea amestecului și concentrația noxelor
Reacțiile care conduc la apariția oxidului de azot sunt următoarele [35]:
𝑁2+1
2𝑂2⇄𝑁𝑂+𝑁 (15)
𝑂2+𝑁⇄𝑁𝑂+𝑂 (16)
Pentru λ>1,2 reacția se desfășoară în prezența grupării OH și este următoarea:
𝑂𝐻+𝑁⇄𝑁𝑂+𝐻 (17)
Prin oxidări repetate se ajunge fie la azotul molecular, fie la bioxidul de azot [35]. S -a
constatat faptul că reacția de formare a noxelor este dependentă de cinetica arderii, astfel că î n
procesul de formare a oxizilor de azot creșterea temperaturii are un rol esențial [86]:
𝑊𝑁𝑂=𝐴∙𝑒−𝐵
𝑇 (18)
unde A și B sunt constante determinate experimental. Practic, se constată că procentul de
oxizi de azot din gazele de evacuare depinde de tempera tura gazelor arse, de calitatea