Emisiile date de motoarele cu aprindere prin compresie

EMISIILE DATE DE MOTOARELE CU APRINDERE PRIN COMPRESIE

1 Originea fumului emis de catre m.a.c.

Fumul este de trei categorii

fumul alb - propriu momentelor pornirii, cand este antrenat motorul si eventual cand se incalzeste;

fumul albastru - propriu mersului in gol si la sarcini mici;

fumul negru - ce apare la sarcini mari, solicitari termice mari, turatia fiind indiferenta.

Dupa regimurile opuse la care apare, fumul se mai numeste rece sau cald.

Fumul alb si cel albastru consta dintr-o suspensie de particule lichide de combustibil nears sau oxidat partial cu diametru in jur de 1 jim, pentru fumul alb si cel albastru 0.5 um.

Pentru fumul alb si cel albastru, particulele de combustibil partial oxidat se datoreaza regimului termic prea coborat, care caracterizeaza pornirea, incalzirea, mersul in gol sau la sarcini mici. Aceste defavotizeaza arderea intregii cantitati de combustibil, combustibilul condenrandu-se la temperaturi mici in destindere.

Fumul albastru contine combustibil nears si eventual ulei de ungere; din cauza unor conditii nefavorabile de concentratie, combustibilul nears ajunge sa condenseze in timpul evacuarii.

Fumul negru se formeaza numai in amestecuri cu combustibil in exces.

2Originea emisiilor de hidrocarburi:

Prezenta hidrocarburilor se datoreaza: stingerii flacarii la perete, compozitiei locale a amestecului excesiv de bogate sau sarace, existentei unor elemente izolate de amestec, in care raportul suprafata/volum este mare, astfel ca aprinderea este imposibila, datorita pierderilor de caldura.

3 Formarea poluantilor

Durata intarzierii la aprindere, precum si intensitatea proceselor care au loc in acest interval si mai ales miscarea din cilindru au o influenta consistenta asupra formarii amestecului, a arderii si a noxelor.

In conditiile miscarilor severe ale aerului din cilindru, jetul ajunge rapid la pereti dupa circa 0.5ms, ceea ce face ca o importanta transa a amestecului sa se formeze in apropierea peretilor. Acestea favorizeaza vaporizarea, deoarece, in orice caz, in zona temperaturile sunt mai ridicate dar devine defavorizant daca combustidilul atinge peretele.

Emisiile poluante isi au originea in zone distincte, care caracterizeaza campul de concentratii si gradul de propagare al amestecului in vederea arderii si anume:

zona amestecurilor preformate inflamabile;

zona amestecurilor preformate neinflamabile;

nucleul jetului;

zona peretelui;

coada jetului ( fractiunea finala a dozei de combustibil injectata pana la inchiderea injectoralui)

fractiunea de combustibil introdusa prin post-injectie.

Fig.1

In figura 1 nucleul jetului, desi dimensiunile picaturilor sunt cele mai mari, la sarcini partiale, datorita disponibilitatilor mari de aer, se formeaza doar oxizi de azot, favorizati de prezenta oxigenului in exces.

La sarcina plina, cel putin local, aerul nu mai este suficient, aparand noxele specifice arderii incomplete (funinginea, hidrocarburi, compusi partial oxidati).

In zona amestecurilor preformate neinflamabile nu exista suficient combustibil pentru a permite arderea si au loc radiatii chimice de descompunere si oxidare partiala, rezultand CO, "aldehide si hidrocarburi partial descompuse.

Zona amestecurilor performate inflamabile este generatoare numai de oxizi de azot, temperaturile fiind mari datorita plasarii ei in apropierea nucleului jetului.

Coada jetului apare ca urmare a injectarii ultimei fractiuni de combustibil, in destindere, cand presiunea de injectie devine mica, pulverizarea si amestecarea sunt deficitare, cantitatea de funingine si hidrocarburi formate fiind cu atat mai mare cu cat disponibilitatile de oxigen sunt reduse, adica cu cat sarcina motorului este mai mare.

Post-injectia se manifesta in anumite regimuri de functionare, cand si sub efect hidrodinamic, datorita undelor, injectorul se mai deschide, chiar de cateva ori. Injectia este deficitara la presiuni reduse, oxigen este putin, astfel incat post-injectia, nedorita nici economic, este generatoare de hidrocarburi si de funingine.

4 Originea particulelor

Corelatia dintre particule si emisiile de funingine si HC indica faptul ca particulele provin din procese similare cu cele ale genezei funinginii si HC. La aceasta concluzie a condus observatia ca emisia de particule ia valori care urmaresc valorile fumului negru si ale HC, de aceea s-a presupus ca emisia masica de particule este egala cu suma emisiei de funingine (fum negru) si emisia masica de HC, care sunt lichide Ia temperatura de prelevare a particuielor(52°C).

P[g/m³]=AFum[g/m³]+BHC[g/m³]+C

Funinginea se formeaza orin supunerea amestecurilor bogate la temperaturi inalte. Cu cat amestecul este mai bogat sau cu cat temperatura este ma ridicata, cu atat creste funinginea produsa din carbonul existent in combustibil. Emisia de funingine este legata de cantitatea de combustibil injectata, in special de cantitatea injectata in cea de-a doua faza a arderii, dupa perioada de intarziere

Combustibilul injectat inaintea aprinderii are timp sa se amestece in conditii mai sarace inainte ca temperature sa creasca.

Hidrocarburile provin din trei surse principale:

-amestecurile sarace neinflamabile;

-volumul sacului injectorului;

-amestecurile bogate formate tarziu in ciclul motor;

Cea mai mare parte a combustibilului injectat este consumata de reactiile rapide la valori ale coefincientului de exces de aer apropiate de unitate, care practic nu genereaza HC. Acestea apar cand temperaturile sunt prea mici sau exista o lipsa locala de oxigen, cand amestecul este prea sarac sau prea bogat pentru a fi consumat de reactiile rapide stoechiometrice.

Particulele sunt alcatuite din o fractiune insolubila de carbon, cunoscuta sub denumirea de funingine, compusi metalici si o fractiune solubila formata din combustibil si ulei nears. Compozitia particulelor depinde de regimul de functionare a motorului, observandu-se ca odata cu cresterea sarcinii si, intr-o anumita masura, cu cresterea turatiei, are loc scaderea procentului reprezentat de fractiunea organica solubila si cresterea fractiunii insolubile, alcatuita in principal din carbon amorf.

Fig. 2

4 .1. Studiu referitor ia emisia de azot al motorului MAN B&W

in timpul voiajului de pratica am notat parametrii de functionare ai motorului principal si am studiat variatia procentuala a coeficientului excesului de aer in functie de cresterea temperaturii ie evacuare, aerului de supraalimentare si presiunea aerului de supraalimentare;

evolutia emisiilor de substante poluante este in stransa legatura cu valoarea coeficientului excesului de aer;

sunt mai multe ipoteze de formare a oxizilor de azot in cilindrul motorului, unele dintre ele tangenteaza rezultatele experimentale si masuratorile facute pe motoare, altele sunt departe de aceste rezultate, dovada a faptului ca fenomenul formarii NO este un fenomen complex care depinde de un numar foarte mare de factori;

Tab1

a = [(mc - mi) / mi ] x100

α = variatia coeficientului excesului de aer

mc= cantitatea curenta de aer introdusa in cilindru

mi= masa initiala de aer introdusa in cilindru

P V = mRT => m = PV/RT

P = presiunea aerului de supraalimentare

V  = (ct) volumul de aer introdus in cilindru
R= costanta specifica a aerului 287 J/KG

T = temperatura aerului de supraalimentare

V  = [(πd²/4)]S

d = 350 mm (diametrul cilindrului) S = 1050 mm (cursa pistonului)

V=0.01009 m³

mi= 0.17906 m1 = 0.18406 m₂= 0.18348 m₃= 0.19024 m4 = 0.22613 m₅ = 0.20507 m6 = 0.22542 m₇ = 0.20891 m₈ = 0.21105

 = [(-mj)]/mi =[(m₂-mi)]/mi

=[(m₈-mi)]/mi

 = 2,79 a₂ = 2.46 a= 6.24 a₄= 26.28 a₅= 14.52 a₆= 26.89 = 16.67 a₈= 17.86

Cantitatea de aer necesara arderii 1 kg de combustibil

L = αL₀ [ kmol aer / kg comb ]

L - cantitatea reala de aer

L₀= cantitatea teoretica de aer necesara arderii 1 kg de combustibil

O_min [ kmol 0₂/ kg comb ]

L₀ = O_min / 0.21 =>L₀ = 0.4969246    [ kmol aer / kg comb ]

Li =1.3864

L₂ = 1.2224

L₃ = 1008

L₄= 10591

L₅ = 7.2153

= 13175

L₇ = 8.2837

L₈ = 8.8750

Produsele arderii

Cantitati de gaze rezultate din arderea unui kg de combustibil

Tab 2

vi = 1.0952

v₂=

v₃ = 2.4496

v₄= 10.3166

v₅= 5.70087

v₆= 10.5208

v₇ = 6.54

v₈ = 7.01125

4.2. Cinetica oxidului de azot

Este cunoscut ca in gazele de evacuare ale motorului cu ardere interna se gaseste oxid de azot , considerat ca substanta nociva pentru efectele directe sau indirecte pe care le are asupra sanatatii omului.

Masuratorile indica o concentratie redusa a oxidului de azot in gazele de evacuare, variabila cu calitatea amestecului (figura 1.), care atinge un nivel maxim de ordinul a 2000 - 4000 ppm la motoarele cu aprindere prin scanteie functionand in domeniul dozajului sarac, la sarcina maxima.

Primele incercari de determinare a cantitatii de NO din gazele de evacuare s-au intemeiat pe reactia la echilibru a oxigenului si azotului molecular din gazele de evacuare:

0₂ + N₂ NO.

Concentratia de NO la echilibru este invers proportionala cu constanta de echilibru Kc_NO

[NO]=[N]/

La temperatura gazelor din cilindrul motorului , are valori relativ mari ( = 21 la 2800°K, dar temperatura gazelor de evacuare creste de aproximativ 10' ori ( ⁼ 22220 la10G0°K). Ca urmare rezulta o mare discrepanta intre masuratori si calculul concentratiei la echilibru, la temperatura gazelor de evacuare (figura 3).

Fig. 3

Newhall si Starkman incearca o noua metoda de calcul a NO; pe baza masurilor spectroscopice ei observa ca, concentratia maxima de No inregistrata la un moment dat in cilindrul motorului ramane practic neschimbata in cursa de destindere ( Figura 2.) si concluzionand ca viteza de formare al NO este probabil cu mult mai mare decat viteza de descompunere.

Fig.4

Astfel, s-ar putea admite ca NO se formeaza in conditiile echilibrului chimic, dar reactia de descompunere 'ingheata' practic in cursa de destindere. Pe temeiul acestei ipoteze ei calculeaza concentratia NO-ului la echilibru, pentru temperatura maxima a fluidului motor determinata pe baza ecuatiei de stare a gazelor. Rezultatele publicate (Figura 4.), arata ca numai intr-un singur caz valorile calculate (linia intrerupta) coincid cu datele experimentale. Wallet Manager 2.0. Variatia concentratiei de NO cu coeficientul excesului de aer, calculata in conditii similare, adica la temperatura (T^max; este de asemenea aratata in (Figura 4). Diferenta dintre rezultatele masuratorilor si rezultatele calculului sunt atat de mari incat insasi autorii conchid ca 'este posibil ca temperatura maxima globala (T_esa)max sa furnizeze o reprezentare insuficienta a conditiilor reale in care are loc formarea NO la echilibru maxim' si sugereaza ca 'este necesar sa se considere o distributie de stari locale de echilibru, definite pentru varfurile locale de temperatura'. Asadar apare aici o prima indicatie asupra necesitatii diferentierii termice a fluidului motor pentru a obtine o corelare mai buna intre calcul si experienta.

Eyzat si Guibet admit pentru prima oara ipoteza ca in motoarele cu ardere interna NO nu are timp sa ajunga la echilibru. Ei calculeaza concentratia de NO pe baza mecanismului biomolecular ai reactiei (1), folosind constanta de viteza determinata de Kaufman si Kelso. Desi au obtinut rezultate acceptabile, ele sunt totusi neconcludente, dupa cum apreciaza Starkman, deoarece constanta de viteza se bazeaza pe extrapolarea masuratorilor de temperatura foarte joasa. in realitate reactia biomoleculara (1.) este o reactie lenta, si reprezinta astfel un caz opus echilibrului chimic, care presupune ca viteza de reactie este extrem de mare.

Anii care urmeaza aduc informatii experimentale pretioase, pe de o parte cu privire la aparitia si evolutia pe ciclu a NO, pe de alta parte cu privire la influenta unor factori asupra concentratiei de NO din gazele de evacuare. Au fost dezvoltate doua metode distincte de cercetare experimentala: metoda analizei spectrale si metoda analizei chimice. Masuratorile locale efectuate pe motor Starkman si Lavoie ca si cele efectuate in bomba conduc la acelasi rezultat. Figura 5

Fig5

1) oxidul de azot se formeaza in timp, deci cu viteza finita ;

2) concentratia atinge o valoare limita care ramane apoi constanta.

La trecerea flacarii prin dreptul zonei de investigatie se declanseaza reactiile de oxidare a combustibilului, care decurg rapid. in schimb NO se acumuleaza treptat pana la valoarea limita. De aceea Newhall si Shahed au numit reactia de formare a NO ca o reactie de post flacara. Se observa ca concentratia de NO depinde de timpul disponibil pentru dezvoltarea reactiei de post flacara precum si de viteza de reactie. Concluziile care decurg de aici pentru un motor cu ardere interna sunt urmatoarele: Cu cat arderea incepe mai devreme pe ciclu, cu atat timpul disponibil pentru reactia de post flacara e mai mare si creste concentratia de NO. Reducerea avansului la declansarea scanteii va determina o reducere a concentratiei de NO. Totodata marirea turatiei motorului micsoreaza timpul disponibil pentru formarea NO-ului. Pe de alta parte , cu cat presiunea si temperatura sunt mai mari, mai ales pentru partea din amestec care arde devreme pe ciclu, cu atat viteza de reactie este mai mare si concentratia de NO creste. Asadar limitarea concentratiei de NO din cilindru se poate efectua prin: reducerea timpului disponibil pentru dezvoltarea reactiei de post flacara; reducerea nivelului de presiune, dar mai ales de temperatura, pentru gazele arse in general si pentru gazele arse in general si pentru gazele ce se formeaza timpuriu pe ciclu, in special.

In cursa de destindere temperatura scade. Reactiile de descompunere a NO decurg insa cu viteza mica. Timpul disponibil era insuficient pentru formarea oxigenului si azotului molecular. Reactie 'inghetata' si concentratia maxima din cilindru se regaseste aproape nemodificata in gazele evacuate.

Azotul formeaza cu oxigenul sase oxizi: N2O (protoxidul de azot), NO (oxidul de azot), NO2 (bioxidul de azot), N₂0₃ (trioxidul de azot), N₂0₄ (tetraoxidul de azot), N₂0₅

(pentaoxidul de azot). Numai oxidul de azot a fost semnalat in gazele in cantitati semnificative. Au fost semnalate 'urme' de protoxid de azot si bioxid de azot.

Exista mai multe reactii care ar putea fi responsabile pentru formarea NO, a protoxidului si a bioxidului de azot.