Dispozitive de reducere a poluarii produse de MAI

Dispozitive de reducere a poluarii produse de MAI

Pentru reducerea emisiilor poluante produse de MAI, pe langa modificarile constructive ale motorului propiuzis, s-au realizat o serie de dispozitive care contribuie semnificativ la adaptarea pentru incadrarea in normele legale programatre. In legislatia europeana, pentru perioadele de timp apropiate, sunt prevazute urmatoarele norme :

-Euro 4: 1,5 CO g/kWh; 0,46 HC g/kWh; 3,5 NO_x g/kWh; 0,02 PM g/kWh;

-Euro 5: 1,5 CO g/kWh; 0,46 HC g/kWh; 2,0 NO_x g/kWh; 0,02 PM g/kWh.

Perioada de timp intre introducerea Euro 4 si Euro 5 este relativ scurta, si anume 3 ani (1 octombrie 2006 pentru Euro 4 si 1 octombrie 2009 pentru Euro 5).

In figura 1 este prezentata o diagrama care indica masura in care mormele europene reduc emisiile de NO_x si de particole.

Figura 1

1. Convertoare catalitice

Reprezinta solutia cea mai raspandita de reducere a emisiilor poluante produse de MAI. Aparute pentru prima data in USA in 1973 si comercializate din 1975, au permis inscrierea in parametrii restrictivi introdusi de EPA, forul nord-american cu atributii in domeniu. In figura 2 este prezentat un asemenea dispozitiv,

Figura 2. Covertor catalitic.

Convertoarele catalitice se monteaza cat mai aproape de motor pentru a reduce pierderile de caldura si a asigura o incalzire rapida.

Principial exista doua tipuri de convertoare catalitice :

a)     convertorul catalitic cu doua cai. El realizeaza simultan doua sarcini:

Oxidarea monoxidului de carbon, rezultand dioxid de carbon 2CO + O₂ → 2CO₂

Oxidarea hidrocarburilor nearse sau arse partial, rezultand apa si dioxid de carbon

C_xH_4x + 2xO₂ → xCO₂ + 2_xH₂O

Acest tip de convertor este utilizat ca si componenta a sistemelor de depoluare folosite pe MAC-uri. Pentru reducerea oxizilor de azot, NO_x, se utilizeaza catalizatori cu platina sau sisteme prin care se injecteaza uree in gazele de evacuare (din uree rezulta amoniacul care reduce NO_x-ul).

La MAS-uri nu se mai utilizeaza convertorul catalitic cu doua cai trecand la convertorul catalitic cu trei cai.

b)     Convertorul catalitic cu trei cai. Acest convertor catalitic realizeaza urmatoarele treansformari :

Reduce oxizii de azot rezultand azot si oxigen:

2NO_x → xO₂ + N₂

2 Oxidarea monoxidului de carbon, rezultand dioxid de carbon 2CO + O₂ → 2CO₂

Oxidarea hidrocarburilor nearse sau arse partial, rezultand apa si dioxid de carbon

C_xH_4x + 2xO₂ → xCO₂ + 2_xH₂O.

Pentru o functionare in paramerti optimi ai convertoarelor catalitice este necesar ca gazele evacuate sa rezulte in urma unei arderi stoichiometrice (14.6.14.8 parti aer pentru o parte de combustibil - motorina sau benzina) sau cat mai aproape de acest deziderat. Singur, catalizatorul, nu poate influenta compozitia gazelor primite din motor si de aceea s-au realizat sisteme automate care dozeaza combustibilul si aerul, rezultand astfel si o importanta reducere a consumului specific de combustibil.

In figura 3 se poate observa structura unui asemenea sistem.

Figura 3

Si aceasta schema de lucru a fost perfetionata, in figura 4 fiind prezentata noua schema care permite si o verificare a masurii in care convertorul catalitic functioneaza in paramerii stabiliti.

Figura 4

Sistemele includ o serie de senzori si de elemente de executie conectati la un calculator numeric de proces (ECU).

Structura interna a convertoarelor catalitice difera functie de producator. Se disting doua moduri de realizare :

sub forma de fagure metalic -otel (figura 5 a) ;

sub forma de fagure ceramic (figura 5 b), cel mai des intalnit la convertoarele catalitice de generatie actuala.

a b

Figura 5

Pe acesti faguri se depune un strat poros de amestec (alumina si silica) care mareste mult suprafata de contact cu gazele evacuate.

Elementele chimice care realizeaza cataliza sun adaugate in amestec. Acestea sunt :

platina si rodiul pentru reatii de reducere catalitica;

platina si paladiu pentru reatii de oxidare catalitica.

De remarcat este faptul ca suprafata chimic activa poate fi obturata, "otravita", de o serie de substante care reduc eficienta catalizatorilor sau chiar ii scot din functiune. Dintre aceste substante cea mai cunoscuta este plumbul, prezent in unele benzine ca si componenet al aditivului antidetonant TEP. Plumbul, avand si punctul de fierbere destul de ridicat, nu mai poate fi eliminat de pe stratul poros activ. In multe state aditivii pe baza de plumb au fost interzisi datorita toxicitatii deosebite.

Alte subsatnte periculoase pentru   catalizatori sunt : fosforul, magneziul si zincul. Acestia provin din combustibil sau din aditivii folositi pentru lichidul de racire care poate ajunge accidental, prin neetanseitati, in camera de ardere.

Functionarea motorului intr-un regim greu de incarcare pentru o perioada de timp relativ mare, cu supraincalzirea catalizatorului, poate elimina in buna substantele care au inactivat suprafata chimic activa (mai putin plumbul). Procesul este relativ sigur daca motorul se afla sub controlul automat al sistemelor specializate ( OBD-II ).

La MAS-uri la care sistemele de depoluare catalitice cu trei cai sunt generalizate in productia actuala, functionare eficienta a acestora are loc daca oxigenul din gazele reziduale se situeaza sub 1% (ideal sub 0.5 %). Sistemele automate de control pot realiza aceste deziderate.

Apare totusi problema prezentei sulfului in benzine, sulf prin a carui ardere rezulta H₂S, (hidrogen sulfurat), NH₃, SO₂ si chiar SO₃, precursori ai acizilor responsabili de ploile acide. In Europa, America de Nord si Japonia exista restritii legilative in productia carburantilor, dar, exista si tari unde nu exista reglementari si nivelul sulfului poate depasi 2% din masa combustibilului. Produsii rezultati din arderea sulfului pot reduce eficienta catalizatorilor daca acestia nu au fost adaptati unei functionari in asemenea situatii.

La unele convertoare catalitice de pe MAS-uri intre trepta de reducere a NO_x-ului si treapta oxidanta se introduce aer sub presiune pentru a creste concentratia de O₂ .

In cazul MAC-urilor, functionare cu exces de aer face sa nu existe probleme pentru cataliztori in oxidarea CO si a resturilor de combustibil nears. Pentru eliminarea NO_x se foloseste reducerea catalitica selective ( selective catalytic reduction SCR) si/sau absorbanti de NO_x.

2 Filtre de particole solide

O alta problema la MAC-uri este aparitia emisiilor de particole solide. Pentru eliminarea acestora se utilizeaza filtre speciale (disel particulate filter - DFP). In figura 6 se poate abserva principiul de functionare ( a ) si modul de realizare constructiva.

a)

Figura 6

b)

Figura 7.

In figura 7 sunt prezentate imagini ale microstructurii fitrelor de paricole solide si ale constructiei de ansambu. Eficienta acestor filtre este mare, dar scade in timp datorita acumularii de particole. De aceea se practica o regenerare a filtrelor prin arderea periodica a particolelor acumulate. Senzorii de imbacsire comanda deschiderea unui injector de combustibil chiar in amonte de filtru de particole. Temperatura ridicata generata ajuta la oxidarea particolelor solide aducand filtrul in parametrii initiali.

Figura 8

Diversi producatori de motoate au adoptat divese combinatii de solutii pentru a face fata reglementarilor de mediu tot mai severe. In figura 8 este prezentata o asemenea solutie complexa adoptata de firma Mercedes.

3 Sonda LAMBDA

Reprezinta senzorul principal ce permite dozarea corecta a amestecurilor. Pe langa reducerea semnificativa a consumurilor specifice se asigura si conditiile optime de functionare a convertoarelor catalitice.

In figura 9 sunt prezentate sonda in vedere (a) si in sectiune (b). 1 este cablul de legatura la calculatorul de proces, 2 sunt o serie de orificii prin

care aerul atmosferic poate patrunde in intriorul elementului de dioxid de zirconiu, 3 este teaca metalica de protectie, 4 permite infiletarea in galeria de evacuare, cat mai aproape de iesirea gazelor arse din moror, iar 5 este parte care sta in curentul de gaze arse.

Figura 9

Elementul de dioxid de zirconiu, adus la o temperatura de circa 300⁰ C, realizeaza o difernta de potential intre fata sa interioara (la care are acces oxigenul atmosferic, de concentratie constanta) si cea exteriora (care vine in contact oxigenul din gazele evacuate). Marimea tensiunii generate depinde de concentratia oxigenului din gazele evacuate. In consecinta aceasta tensiune este un indicator fidel al eficientei arderii in motor, informatie preluata de sistemul de calcul numeric. Acesta, in baza unor programe, si in baza datelor furnizate si de alti senzori, comanda elementele de executie din sistemul de dozare a amestecului.

Problema acestui senzor, in cazul pornirii la rece, este timpul relativ mare de incalzire. De aceea au aparut sonde Lambda cu incazire propie care scad mult timpul de incalzire, reducand efectele nedorite asupra catalizatorilor catalitici in cazul pornirii la rece.

Figura 10

In figura 10 este prezentata o sectiune printr-o sonda Lambda cu sistem electric de incalzire.

La motoarele cu ardere interna de generatie actuala sunt prevazute doua sonde Lamda. A doua sonda se plaseaza dupa covectorii catalitici. Ea transmite informatii unitatii de calcul care le compara cu cele date de sonda Lambda plasata inaintea convertorilor catalitici. Unitatea de calcul poate stabili astfel masura in care convertorii catalitici sunt in paramerti.