Emisiile de particule la motoarele cu aprindere prin scânteie moderne

Principalele idei:

- Patru tipuri de emisii de particule au fost observate în gazele de evacuare din vehiculele dotate cu GDI (MAS cu injecție directă)

- Mărimea distributiei particulelor nonvolatile consistă din două modele.

- Vehiculele dotate cu GDI emit particule și în timpul frânei de motor.

- Particulele de nucleație semivolatile erau în gazele de evacuare la sarcini mari.

- Emisiile de particule erau calitativ similare în condiții de teste pe drum precum cele din laborator.

Cuvinte cheie:

- Particule din gazele de evacuare

- Injecție directă de benzină

- Nucleație

- Funingine

- Emisii de particule

Rezumat

Dezvoltarea tehnologică a vehiculelor și limitele de particule care vor fi impuse au dus la cerința de a se realiza analize detaliate ale emisiilor de particule ale vehiculelor care sunt dotate cu tehnologia de injecție directă a benzinei. În această lucrare emisiile de particule caracteristice automobilelor moderne dotate cu motor GDI au fost studiate în condiții de laborator cât și de drum punându-se accent pe numărul particulelor din gazele de evacuare, mărimea distribuției, volatilitatea și morfologie. Atât în condiții de accelerare cât și la mers încet în gol numărul mărimii distribuției de particule nonvolatile a fost în două moduri, unul cu dimensiunea medie a particulelor sub 30 nm și celălalt cu dimensiunea medie a particulelor de aproximativ 70 nm. Rezultatele indică faptul că ambele moduri de particule sunt formate din funingine dar cu diferite morfologii. Atât în laborator cât și în condiții de drum s-a observat o cantitate semnificativă de emisii de particule în timpul frânei de motor. Aceste particule își au originea cel mai probabil din cenușa uleiului. Particulele de nucleație semivolatile au fost observate în timpul experimentelor din laborator la sarcină plină. Deși, în general, studiile indică faptul că vehiculele moderne pe benzină pot să emită patru tipuri distinctive de particule. Diferența dintre caracteristicile particulelor și formarea lor trebuie avută în vedere în dezvoltarea strategiilor și tehnologiilor de control a emisiilor și, pe de altă parte, în aprecierea impactului pe care îl au emisiile de particule asupra mediului și a sănătații omului.

Introducere

În dezvoltarea autoturismelor pe benzină datorită atenției sporite asupra încălzirii globale și a gazelor cu efect de seră a dus la răspândirea motoarelor cu injecție directă de benzină (GDI). În general, tehnologia GDI oferă un consum de combustibil mai redus față de sistemul cu injecție în poarta supapei și de asemenea emisii de CO2 mai reduse. De asemenea utilizarea combustibililor alternativi este în creștere, atât în flotele de vehicule cu motoare diesel dar și cele pe benzină. Noile tehnologii, cel mai probabil, afectează atât emisiile reglementate cum ar fi NOx, hidrocarburi și masa particulelor, și emisiile nereglementate precum cantitatea și caracteristicile nanoparticulelor. Modificările emisiilor altele decăt CO2 pot fi ori avantajoase ori dăunătoare. În cazul tehnologiei GDI, injecția directă poate duce la emisii de particule mai crescute din cauza volatilizării incomplete a combustibilului, zonelor cu amestec parțial bogat, și din cauza împingerii combustibilului pe piston și pe suprafața cilindrilor.

Emisiile de particule sunt reglementate, aceste reglementări variază semnificativ în funcție de zonă. În Statele Unite ale Americii, înca din 2004 aceleași reglementări au fost aplicate vehiculelor indiferent de tipul de combustibil utilizat și în acest mod limitele pentru masa particulelor s-au impus și pentru vehiculele pe benzină. În Uniunea Europeană, limita pentru masa particulelor pentru motoarele pe benzină cu injecție directă a intrat în vigoare în 2009 (EURO 5), și primele restricții pentru numărul particulelor emise v-a intra în vigoare în 2014 (EURO 6). Prin urmare, global limitele emisiilor de particule sunt sub o dezvoltare puternică. În special limita Europeană referitoare la numărul de particule emise pentru motoarele GDI poate să impună industriei auto o schimbare a tehnologiilor și metodelor de reducere a emisiilor.

Importanța relativă a emisiilor de particule pentru vehiculele pe benzină a crescut datorită viitoarelor regulamente referitoare la emisiile de particule, și din cauză că injecția în poarta supapei (PFI- port-fuel injection) a fost înlocuită de tehnologia GDI. Pe de altă parte, importanța emisiilor de particule ale benzinei este mai crescută datorită nivelului scăzut de emisii al autoturismelor diesel moderne. Numărul de vehicule GDI în flotele de vehicule este prognozat să crească semnificativ în următorii ani. Este cunoscut faptul că tehnologia GDI oferă un consum mai redus de combustibil și emisii de NOx mai reduse. Însă, cunoaștințele despre emisiilor de particule la benzină nu sunt la același nivel cu cele de la diesel. Dezavantajul tehnologiei GDI constă în creșterea numărului de particule emise față de tehnologia PFI. Dacă este comparată cu emisiile de particule de la diesel, numărul concentrațiilor emisiilor GDI sunt semnificativ mai reduse decât concentrațiile emisiilor unui motor diesel fără filtru de particule dar mai ridicate decât concentrațiile cu filtru de particule. Studiul lui Maricq et al., desfășurat pe o camionetă ușoară cu mototr GDI, indică faptul că emisiile de particule ale unui motor GDI sunt dominate de carbonul elementar în timp ce carbonul organic constituie doar o mică parte. Câteva studii indică faptul că particulele din evacuare la GDI sunt în mare parte particule cu dimensiunea sub 100 nm. În plus, s-a observat că mărimea distribuției este bi-modală. Modul de particule mai mici ( particule cu mărimea în medie între 10 și 20 nm) a fost în prealabil observată să consiste din carbon amorf sferic și să fie parțial încărcat indicând faptul că s-a format la temperaturi ridicate. Deși volatilitatea caracteristică particulelor mai mici nu a fost luată în calcul în toate studiile precedente, anumite studii indică faptul că emisiile GDI pot conține particule de nucleație semivolatile. În contrast cu micile particule de carbon amorf, și în general, particulele cu nucleu nonvolatil se formează la motoarele diesel, întregul mod de nucleație semivolatil este format în procesele de diluție atmosferică și răcire a gazelor de evacuare diesel.