Mijloace de reducere activ a emisiilor poluante la M.A.C.Cursul 8

Motorul cu aprindere prin comprimare prezint serioase rezerve de optimizare pentru mbuntirea parametrilor energetici i ecologici.Datorit faptului c funcioneaz cu un consum redus de combustibil emisiile de CO2 sunt reduse i este de ateptat ca pe viitor acest tip de motor s-i extind utilizarea n traciunea rutier.Mijloacele de reducere activ a emisiilor poluante vizeaz n primul rnd perfecionarea proceselor care au loc n motor.Formarea poluanilor n motorul cu aprindere prin comprimare este influenat de particularitile proceselor de formare a amestecului aer-combustibil i de ardere. n acest caz trebuie s se acioneze asupra procesului de schimb de gaze, camera de ardere i procesul de injecie a combustibilului. Supraalimentarea i rcirea intermediar a ncrcturii proaspete pot influena pozitiv asupra nivelului de emisii nocive.Recircularea gazelor arse are rolul de a inhiba formarea oxizilor de azot.

Procesele de formare a amestecului aer combustibil i arderea La motorul cu aprindere prin comprimare procesele de formare a amestecului aer-combustibil i arderea sunt greu de controlat pe de o parte datorit timpului scurt n care acestea au loc iar pe de alt parte datorit suprapunerii pariale a acestor procese.Energia cinetic necesar formrii amestecului aer-combustibil este dat de energia cinetic a aerului i de energia cinetic a jetului de combustibil. La o anumit stare termodinamic accelerarea i favorizarea proceselor legate de formarea amestecului este determinat de nivelul energetic atins de cele dou fluide (aer i combustibil) n diferitele momente ale proceselor. ntregul proces are un pronunat caracter dinamic cu nsemnate variaii ale parametrilor de control, cu schimbarea de la o faz la alta a condiiilor optime de desfurare a fenomenelor legate de formarea amestecului i de apariia autoaprinderii.Procesele de formare a amestecului i de ardere pot fi optimizate prin controlul nivelului energetic al aerului, prin intensificarea micrilor organizate i neorganizate (turbulen) i prin caracteristicile procesului de injecie: injecie pilot, calitatea jetului de combustibil, durata de injecie, legea de injecie, postinjecie i prin cantitatea de gaze arse recirculate.Motoarele avansate tehnologic posed un management electronic care poate controla procesele de formare a amestecului i de ardere n funcie de parametrii funcionali ai motorului.

Procesul de schimb al gazelor Procesul de schimb al gazelor la motorul cu aprindere prin comprimare poate influena decisiv procesele ce se desfoar n cilindrii motorului (formarea amestecului i arderea).Canalizaia de admisie determin la nivelul macroscrilor ncrcturii proaspete intensitatea micrilor tangeniale (de vrtej - swirl) care va influena nivelul energetic al procesului de formare a amestecului aer-combustibil.Cerinele de funcionare optime a motorului impun amplificarea micrii de vrtej ale ncrcturii proaspete la turaii reduse ceea ce implic utilizarea unui canal de admisie elicoidal. Generarea micrii de vrtej a ncrcturii cu ajutorul canalului de admise elicoidal. Creterea intensitii micrii de vrtej prin utilizarea canalului de admisie elicoidal determin mrirea pierderilor gazodinamice i micorarea coeficientului de umplere al motorului, n plus, la creterea turaiei motorului crete i coeficientul de vrtej ceea ce poate afecta negativ procesul de formare a amestecului (prin suprapunerea jeturilor de combustibil).

Asigurarea unui raport de vrtej optim n funcie de regimul funcional al motorului se poate realiza prin utilizarea a dou supape de admisie pe cilindru. Una din supape este alimentat printr-un canal de admisie tangenial iar cealalt printr-un canal de admisie elicoidal. Dispunerea canalelor de admisie Dispunerea supapelor de admisie i evacuare pe cilindru

Reglarea raportului de vrtej prin controlul seciunii canalului tangenialModificarea cifrei de vrtej se poate realiza fie prin controlul seciunii de intrare a canalului de admisie elicoidal fie prin controlul seciunii canalului tangenial.Prezena clapetei de control pe traiectul canalelor de admisie determin scderea coeficientului de umplere al motorului.

La nivelul microscrilor ncrcturii proaspete trebuie s se acorde o deosebit atenie micrilor turbulente induse de rugozitatea suprafeelor canalului de admisie, de forma scaunului supapei i de supap. Controlul turbulenei pe ntreaga gam a regimurilor de funcionare va avea un impact pozitiv asupra diminurii emisiilor poluante i asupra mbuntirii parametrilor de putere i de consum ai motorului.O alt msur tehnic care poate influena pozitiv funcionarea motorului i diminua emisiile poluante o constituie aplicarea distribuiei variabile a gazelor. Influena ridicrii supapei i a obturrii unui canal de admisie

Camera de ardere

La motoarele Diesel cu injecie direct s-au utilizat dou tipuri de camer divizat: antecamer i camera de turbulen (de vrtej). Cu toate c motoarele Diesel cu camer divizat sunt mai puin sensibile la imperfeciunile procesului de formare a amestecului, exist numeroase limite ale acestui tip de motor care au condus la perfecionarea motorului Diesel cu camer unitar. Aceste limite se refer n primul rnd la: pierderi mari de cldur prin pereii camerei de ardere ceea ce impune utilizarea unor rapoarte mari de comprimare; utilizarea unor coeficieni de exces de aer inferiori motorului cu camer unitar (consum de combustibil i emisii de CO2 ridicate); posibiliti reduse de optimizare a proceselor din motor prin utilizarea noilor dezvoltri tehnologice.

Motorului cu injecie direct, datorit economicitii ridicate i-au fost aduse mbuntiri constructive care s rspund normelor de poluare.Forma camerei de ardere la motorul Diesel cu injecie direct difer de la firm la firm i n cadrul aceleiai firme de la un tip de motor la altul n funcie de caracteristicile constructive i de exploatare.Camerele de ardere ntlnite la motoarele Diesel cu injecie direct sunt: sferice, cilindrice, ptrate, n form de "".Predomin totui formele de camer "" datorit particularitilor micrii ncrcturii proaspete n form de tor.

Gradul de amplificare al micrilor ncrcturii proaspete la sfritul cursei de comprimare depinde de: gradul de deschidere al camerei de ardere definit prin raportul dintre diametrul de intrare al camerei de ardere i alezajul cilindrului, forma i nlimea deschiderii camerei de ardere, adncimea camerei de ardere, forma camerei de ardere, existena renurilor de turbulen, etc. Variante de camer de ardere tip

Injecia combustibilului

Un element cheie al motorului Diesel din punct de vedere energetic i ecologic este echipamentul de injecie.n mod normal un sistem clasic de injecie a combustibilului cuprinde o pomp de nalt presiune (cu elemeni n linie sau cu distribuitor rotativ) i un injector care realizeaz pulverizarea combustibilului n camera de ardere.Echipamentul de injecie prin caracteristicile sale constructive determin parametrii de calitate ai jetului de combustibil i parametrii temporali de desfurare ai acestuia.Calitatea pulverizrii combustibilului n camera de ardere poate fi apreciat prin: fineea pulverizrii, omogenitatea pulverizrii, penetraia i dispersia jetului de combustibil. Calitatea pulverizrii depinde de: presiunea de injecie, viteza combustibilului prin orificiile de ieire, diametrul i lungimea orificiilor de pulverizare. Parametrii temporali de desfurare ai procesului de injecie se refer n primul rnd la momentul nceperii procesului de injecie n raport cu ciclul motor, la durata procesului de injecie i la legea de injecie. Aceti parametri depind n primul rnd de caracteristicile constructive ale pompei de injecie i n al doilea rnd de caracteristicile constructive ale pulverizatorului injectorului.La sistemele clasice de injecie se poate corecta caracteristica de injecie prin intermediul unor dispozitive mecanice, hidraulice sau pneumatice. Corecia se realizeaz dup legi simple.

Dezvoltarea motoarelor Diesel de turaie ridicat a scos n eviden faptul ca echipamentele de injecie clasice nu mai fac fa cerinelor de formare optim a amestecului aer-combustibil pentru fiecare regim de funcionare al motorului, att din punct de vedere energetic ct i din punctul de vedere al emisiilor poluante.n aceste condiii s-a acionat n primul rnd n mai multe etape asupra injectorului prin modificarea numrului, diametrului i lungimii orificiilor de pulverizare, eliminarea sacului injectorului, micorarea maselor n micare (ac, tije, talere, etc.) pentru a mri viteza de ridicare a acului pulverizatorului, mrirea presiunii de deschidere a injectorului. Aceste intervenii au vizat mbuntirea calitii pulverizrii combustibilului. O alt msur constructiv care a dus la diminuarea emisiilor de zgomot datorate arderii i a emisiilor poluante a constituit-o injectorul cu dou arcuri la care injecia combustibilului se desfoar n dou faze. Prima faz a injeciei (injecia pilot) ncepe prin nvingerea rezistenei primului arc cu fora corespunztoare presiunii de injecie de 16 pn la 18 MPa i o ridicare a acului de 0,02 pn la 0,06 mm. Combustibilul injectat n aceast faz sufer transformri fizice i chimice constituind nuclee fizice de autoaprindere la injecia dozei principale de combustibil. n faza a doua a injeciei se nvinge rezistena celui de-al doilea arc prin fora dat de o presiune de 32 - 35 MPa. Ridicarea acului injectorului n aceast faz este de 0,2 - 0,3 mm.

Injectorul cu pulverizare n dou faze 1. Corpul injectorului;2. aib de reglaj;3. Arcul primei faze;4. Taler;5. aib de reglaj pentru faza principal;6. Arcul celei de-a doua faze;7. Tija acului;8. Talerul acului;9. Pies intermediar;10. Acul pulverizatorului;11. Corpul pulverizatorului;12. Piulia pulverizatorului. Utilizarea pulverizrii combustibilului n dou faze determin datorit optimizrii proceselor de formare a amestecului i de ardere o reducere a emisiilor de hidrocarburi nearse cu 15 - 20%, a oxizilor de azot de 10 - 15% fa de motoarele dotate cu injectoare clasice.Sistemele de reglare ale pompei de injecie clasic de tip mecanic, hidraulic sau pneumatic acioneaz dup legi simple, au elemente cu o inerie ridicat iar forele de frecare ntre elemente au valori ridicate. De aceea s-a apelat la utilizarea sistemului de reglare a pompei de injecie electronic.

Sistemele electronice de control au un volum de funcii mult mai ridicat dect la sistemele clasice i realizeaz separarea funciei de dozare de funciile de reglaj. Sistemele de control electronic ale pompelor de injecie au urmtoarele funcii de reglare: corectarea dozei de combustibil funcie de caracteristica de sarcin i turaie a motorului; asigur o caracteristic de debit de injecie corectat n funcie de temperatura lichidului de rcire; asigur valori ale debitului pe ciclu i moment de nceput al injeciei precis stabilite; regleaz debitul regimului de mers n gol independent de ncrcare; regleaz avansul injeciei; regleaz viteza de deplasare a autovehiculului; regleaz debitul gazelor recirculate; regleaz debitul de combustibil funcie de presiunea de supraalimentare; corecteaz debitul de combustibil funcie de altitudine; regleaz comportamentul dinamic al motorului; asigur comanda electronic a echipamentului de injecie (pedal de acceleraie electronic);

Pompa cu rotor distribuitor cu regulator electronic1. Senzor de curs;2. Dispozitiv de reglare debit;3. Electrovalv de oprire;4. Piston de pompare;5. Electrovalv pentru nceputul injeciei;6. Tija regulatorului;7. Variator de avans.

Urmtorul pas n dezvoltarea echipamentului de injecie a fost sistemul de injecie cu ramp comun de nalt presiune (Common Rail). Acest sistem se caracterizeaz printr-o nalt flexibilitate. Pompa de nalt presiune are numai rolul de a ridica n rampa comun presiunea combustibilului la nivelul presiunii de injecie. Momentul de nceput, durata injeciei nu mai de depind de forma unei came, ci ele pot fi modelate n funcie de semnalul primit de injectorul cu deschidere electromagnetic de la unitatea electronic de control. Doza de combustibil i parametrii procesului de injecie sunt stabilii n funcie de parametrii funcionali ai motorului.

Pentru mbuntirea calitii amestecului aer combustibil pe ntreaga plaj a regimurilor de funcionare ale motorului trebuie ca i jeturile de combustibil s ndeplineasc condiiile de calitate n corelaie cu micarea aerului din cilindrii i cu forma camerei de ardere.

Una din msuri o constituie mrirea presiunii de injecie care la sistemele clasice este dificil de realizat datorit complicaiilor constructive. Pompa injector poate realiza condiiile de presiune ridicat ns nu poate beneficia de controlul electronic.

Variaia presiunii de injecie maxime n funcie de turaia motoruluiSe remarc faptul c sistemul de injecie cu ramp comun ofer presiuni de injecie mai ridicate pe ntreaga gam de funcionare a motorului i c exist posibiliti de cretere i de meninere la valori ridicate a presiunii de injecie i la turaii reduse de funcionare ale motorului.

Sistemul de injecie cu ramp comun

Motorina este preluat din rezervorul de combustibil de ctre pompa de presiune i refulat n rampa comun. Pompa de presiune este prevzut cu trei pistonae plonjoare dispuse radial. Pistonaele sunt acionate de ctre o cam de nlime mic prin intermediul unor tachei cu rol. Pistonaele plonjoare au o dispunere simetric pentru a se evita introducerea de unde de presiune de amplitudine ridicat n volumul rampei comune. Pompa de presiune preia puterea necesar comprimrii combustibilului de la arborele cotit al motorului.Schema pompei de nalt presiune

Pompa de nalt presiune este prevzut cu un regulator de presiune. Acesta are rolul de a modifica nivelul presiunii combustibilului din rampa comun. Reglarea presiunii se realizeaz cu ajutorul unei supape electromagnetice a crei ridicare este n funcie de intensitatea curentului de alimentare comandat de ctre unitatea electronic de control. Regulatorul de presiune al pompei de nalt presiune

Combustibilul sub presiune refulat de ctre pompa de nalt presiune ajunge n rampa comun. Volumul cuprins n tubulatura dintre pompa de nalt presiune i injectoare (conducta de alimentare a rampei comune, rampa comun, conductele de alimentare ale injectorului) servete drept acumulator de presiune. Acest volum are rolul de a amortiza undele de presiune induse de ctre pompa de nalt presiune. O valoare inferioar valorii optime a volumului amplific undele de presiune induse de ctre pompa de presiune, o valoare superioar valorii optime a volumului mrete timpul de rspuns la variaiile de presiune cerute de funcionarea motorului la regimurile tranzitorii (la un motor cu cilindree de 2 litri volumul de acumulare este de 30 - 40 cm3). Rampa comun este prevzut cu un senzor piezoelectric care emite un semnal spre unitatea electronic de control (UEC) indicnd nivelul de presiune din aceasta. UEC compar valoarea semnalului primit cu valoarea memorat conform cu regimul de funcionare al motorului. Dac valoarea msurat difer de valoarea memorat, atunci UEC emite un semnal spre regulatorul de presiune al pompei de nalt presiune, unde un orificiu de descrcare poate fi nchis sau deschis dup cum presiunea din rampa comun trebuie mrit sau micorat.Sistemul de injecie cu ramp comun este prevzut cu injectoare cu deschidere electromagnetic.

Elementele injectorului cu deschidere electromagnetic A- orificiu deschis sau nchis prin acionarea electromagnetului;P- piston de control;D- pulverizator;Z- orificiu pentru alimentarea cu combustibil a pistonului de control. Circuitul electromagnetic de deschidere al injectorului este alimentat de ctre unitatea electronic de control. Momentul de nceput al injeciei i durata acesteia sunt stabilite de ctre UEC prim compararea informaiilor funcionale ale motorului cu valorile memorate pentru aceleai regimuri funcionale. Doza de combustibil pe ciclu este stabilit de ctre UEC pe baza valorii presiunii combustibilului din rampa comun, durata injeciei i suprafaa seciunii echivalente de curgere a combustibilului prin injector i pulverizator. Avantajul major al sistemului de injecie cu ramp comun este flexibilitatea acestuia care poate modifica legea de injecie n funcie de particularitile regimului de funcionare al motorului.

Comanda electomagnetic a deschiderii injectorului poate asigura multiple injecii n diferite momente ale ciclului motor.Cu acest sistem se poate realiza injecia pilot iar plasarea acesteia n ciclu este independent de caracteristicile sistemului de injecie. Prin injecia pilot se introduce n cilindrii motorului o mic cantitate de combustibil (1 - 5 mm3) naintea pulverizrii dozei principale, combustibilul introdus n aceast faz suport transformri fizice i chimice asigurnd centrii activi ai procesului de autoaprindere la introducerea dozei principale. Prin injecia pilot se pot controla procesele de formare a poluanilor chimici, se reduce zgomotul datorat arderii amestecului carburant i se mbuntesc calitile de pornire ale motorului la temperaturi reduse.Cercetri recente au demonstrat c i postinjecia are efecte pozitive (cantitatea de cobustibil la postinjecie este de 1 - 2 mm3). Postinjecia se poate plasa n cursa de destindere sau n cursa de evacuare i are rolul de a asigura reducerea NOx n convertorul catalitic i de a reduce nivelul de particule din gazele de evacuare. Profilul ridicrii acului injectorului la sistemul cu ramp comun

Deschiderea acului injectorului aferent injeciei dozei principale poate fi modulat n funcie de parametrii funcionali ai motorului i de necesitatea reducerii nivelului emisiilor poluante. Modele ale curbei de ridicare a acului injectorului Noi dezvoltri ale echipamentelor de injecie prevd injectoare de gabarit redus care au pulverizatoare cu orificii de pulverizare din ce n ce mai mici.

Recircularea gazelor arse Motorul cu aprindere prin comprimare funcioneaz cu amestecuri srace, deci gazele de evacuare sunt bogate n oxigen. Datorit coninutului ridicat de oxigen, oxizii de azot nu pot fi redui eficient n convertoarele catalitice pe baze de metale preioase Pt, Rh, Pd.Msura prin care se poate frna procesul de formare a oxizilor de azot prevede reintroducerea n camera de ardere a unei cantiti de gaze arse care n prealabil au fost rcite.Gazele arse sunt inerte din punct de vedere chimic i ele acioneaz ca un diluant al cantitii de oxigen din camera de ardere, determinnd modificri ale dinamicii procesului de ardere i n consecin micornd temperatura de ardere.Procesul de formare a oxizilor de azot este frnat pe de-o parte de diluia oxigenului (fenomen similar arderii amestecurilor bogate) iar pe de alt parte datorit reducerii temperaturii de ardere.Cantitatea de gaze arse reintrodus n cilindrii motorului este reglat de UEC n funcie de parametrii care caracterizeaz regimul de funcionare al motorului.Recircularea gazelor arse are ca efect creterea uoar a emisiilor de CO, HC i particule (care pot fi diminuate cu dispozitive de tratare a gazelor arse: convertor de oxidare i filtru de particule) i reducerea drastic a emisiilor de oxizi de azot.