Metode de Studiu a Noxelor Produse de Motoarele cu Ardere Internă

Introducere

Deoarece condiţiile arderii totale nu sunt niciodată întrunite simultan, arderea amestecului carburant în motoarele cu ardere internă este incompletă sau imperfectă. Prin urmare gazele de eşapament au în componenţă o serie de substanţe poluante cum ar fi: CO, HxCy , NOx, CO2, etc. Pentru a satisface standardele în continuă creştere, privind controlul şi micşorarea emisiilor poluante, a fost necesară adoptarea unor sisteme de control al acestor emisii.

La inspecţia tehnică periodică şi la verificările efectuate în trafic de către reprezentanţii poliţiei rutiere şi Registrului Auto Român, prima operaţiune constă în controlarea etanşeităţii evacuării gazelor arse. Următoarea operaţiune constă în determinarea concentraţiei de CO cu ajutorul analizorului de gaze. Pentru autovehiculele EURO 2 concentraţia de CO la ralantiul motorului nu trebuie să depăşească 0, 5 % din volumul de gaze arse, iar pentru autovehiculele echipate, cu EURO 3 şi 4 procentul nu trebuie să depăşească 0, 3%.

În regim de acceleraţie a motorului la cel puţin 2000 rotaţii pe minut pentru autovehiculele cu EURO 2 conţinutul de CO nu trebuie să depășească 0,3 % din volumul de gaze arse, iar pentru autovehiculele cu EURO 3 şi 4 procentul nu trebuie să fie mai mare de 0,2 %. Pentru autovehiculele destinate transportului public de persoane şi pentru cele de marfă cu masa totală maximă autorizată mai mare de 3,5t, emisiile poluante nu trebuie să depăşească limitele corespunzătoare treptei EURO4, începând cu 1 ianuarie 2007.

Sonda lambda sau „oxigen senzorul" măsoară cantitatea de oxigen din gazele de evacuare ale motorului. Calculatorul central al autovehiculului foloseşte semnalele primite de la sonda lambda ajustând amestecul în vederea obţinerii celui ideal L = 1 (14,8 kg aer cu 1 kg benzină fără plumb).

În conformitate cu reglementările legale, concentraţia maximă admisibilă de CO pentru autovehiculele cu motor fără catalizator, fabricate până în anul 1986, procentul este de 4,5 % din volumul gazelor arse, iar pentru cele fabricate după 1 ianuarie 1987, valoarea procentului nu trebuie să depăşească 3,5 % din volumul de gaze arse. Emisia de CO în concentraţie de 2,5 %, stabilită cu analizatorul de gaze după, reglarea funcţionării în gol, la turaţia minimă a motorului pe benzină fără catalizator tricomponent şi sondă lambda indică faptul că instalaţia de alimentare cu carburant funcţionează normal.

Măsurarea indicelui de fum la autovehiculele echipate cu motor Diesel constă în primul rând în verificarea etanşeităţii evacuării gazelor arse, apoi operaţiunea se execută după ce motorul a ajuns la regimul termic de funcţionare normală (la cald) şi după ce a fost accelerat de 2-3 ori pentru eliminarea completă a gazelor şi curăţarea traseului de evacuare.

Potrivit reglementărilor legale, valoarea maximă admisă a indicelui de fum este de 2,5 m3 pentru autovehiculele echipate cu motoarele Diesel cu aspiraţie normală, 3,5 pentru cele supraalimentate şi de 1,5 m3 pentru autovehiculele EURO 4 şi 5. Starea tehnică necorespunzătoare a motorului şi a celorlalte sisteme şi instalaţii ale autovehiculului duc 1a creşterea semnificativă a noxelor eliminate în atmosferă. Reducerea consumului de carburanţi prin perfecționarea motorului cu ardere internă şi folosirea combustibililor neconvenţionali contribuie la scăderea noxelor din gazele de evacuare.

Modificarea camerei de ardere (exemplu camera de ardere divizată) duce la coborârea nivelului noxelor. Creşterea raportului de comprimare în combinaţie cu folosirea amestecurilor sărace contribuie semnificativ la reducerea nivelului noxelor. Recircularea gazelor de evacuare, răcite în prealabil, fac ca amestecul de gaze care nu conţin oxigen (sunt inerte din punct de vedere chimic) va reduce viteza de formare a oxizilor de azot (NOx) din noxe. Folosirea camerei de ardere divizate după principiul stratificării (amestec bogat în camera separată, amestec sărac în camera principală) contribuie la reducerea noxelor motorului cu aprindere prin comprimare. Folosirea amestecurilor sărace la alimentarea motoarelor cu aprindere prin comprimare duce la scăderea noxelor din gazele de evacuare. Folosirea la alimentarea motoarelor cu ardere internă a alcoolilor şi eterilor, a gazelor naturale, hidrogenului ori a uleiurilor vegetale a demonstrat în urma cercetărilor efectuate, o reducere semnificativă a noxelor eliminate în gazele de evacuare.

Dintre echipamentele de dezvoltare, întreţinere şi diagnosticare pentru motoarele pe benzină, analizoarele de gaze au realizat cele mai mari progrese din punct de vadere tehnic. La început aceste aparate au fost folosite în scop pur economic. Primele aparate capabile să evalueze compoziţia gazelor eşapate nu erau propriu-zis analizoare de gaze. Metodele de măsurare se bazau în principal pe examinarea conductibilităţii termice sau a căldurii de reacţie a gazelor exhaustate, şi erau calibrate în principal pentru variabila lambda, care reprezintă coeficientul de exces de aer.

După câtva timp s-a dovedit necesar să se măsoare concret compoziţia reală a gazelor eşapate. La început a fost măsurat CO (monoxidul de carbon).

Deoarece există o legătură strânsă între concentraţia de CO, conductibilitatea termică a gazelor eşapate şi căldura de reacţie rezultată din creşterea concentraţiei de CO (mai mult de 2%) şi de numărul scăzut de hidrocarburi nearse HC, aceste instrumente au fost calibrate volumetric (% volum de CO).

Marele avantaj a fost preţul foarte scăzut al acestor aparate. Totuşi acestea erau inoperabile pentru concentraţii reduse de CO atunci când creştea concentraţia de HC. Era necesar un alt sistem de măsurare care să fie capabil să măsoare selectiv nu numai concentraţia de CO, dar şi concentraţiile de HC, CO2, şi O2.

Acum aproximativ 20 ani, măsurările exacte a concetraţiei de gaz erau posibile doar cu o metodă chimică umedă într-un laborator sau cu analizori optici staţionari (chemiluminescenţă sau analiza infraroşu). Metoda chemiluminescenţei utilizează proprietatea NO de a emite o radiaţie caracteristică când reacţionează cu ozonul (O3). Intesitatea acestei radiaţii este proporţională concetraţiei de masă a NO.

În analiza în infraroşu gazul măsurat este radiat cu o lumină infraroşie şi concetraţia unui anumit component de gaz ( de ex. CO2) este determinată prin rata de absorbţie în şirul lungimii de undă caracteristice pentru acest component. Aceste metode sunt foarte complexe dar de asemenea foarte precise şi deaceea sunt folosite încă pentru măsurări de referinţă.

Metodele optice bazate pe absorţia razelor în infraroşu şi selectarea cu ajutorul celulelor electrochimice s-au dovedit a fi mai bune, având o selectivitate suficientă la o compoziţie obişnuită a gazelor eşapate.