Masurarea Indicelui de Fum La Autovehiculele Echipate Cu MAC

Controlul şi reducerea poluăriiLUCRAREA - 04

1

MĂSURAREA INDICELUI DE FUM LA AUTOVEHICULELEECHIPATE CU MAC.

1. Scopul lucrării:

- cunoaşterea principiilor şi metodelor uzuale utilizate în construcţia echipamentelor de măsurare

a indicelui de fum la MAC;

- prezentarea din punct de vedere constructiv a opacimetrului SUN DSS 2;

- prezentarea anexelor opacimetrului;

- prezentarea softului.

- salvarea datelor achiziţionate în format tabelar;

- trasarea graficelor evoluţiei emisiei de fum;

- interpretarea rezultatelor în conformitate cu normativele în vigoare (RNTR-1).

2. Factori de influenţă în geneza emisiilor poluante la funcţionarea MAC

Principalii factori care influenţează geneza emisiilor poluante la arderea amestecurilor

combustibile MAC sunt:

proprietăţile combustibilului (temperatura de autoaprindere, indicele cetanic, conţinutul de

hidrocarburi aromatice policiclice, conţinutul de sulf, densitatea, viscozitatea, temperatura

limită de filtrabilitate);

factori constructivi (sistemul de injecţie, avansul injecţiei, raportul de compresie,

arhitectura camerei de ardere);

regimurile de funcţionare (regimul termic, sarcina).

2.1. Geneza emisiilor poluante la MAC

În gazele de ardere ale unui MAC vom regăsi emisiile nocive produse şi de MAS, respectiv

hidrocarburile nearse (inclusiv HAP), monoxidul de carbon, oxizii de azot, oxizii de sulf şi

particulele, dar în alte procente. Emisiile de CO ale unui MAC sunt de 10 ori mai mici decât în

cazul MAS, cele de HC sunt mai mici de 12-14 ori în cazul MAC, cele de NOx sunt reduse la

jumătate pentru MAC, cele de SO2, SO3 datorate conţinutului de sulf din motorină sunt

nesemnificative, iar emisiile de particule sunt mai mari. Emisiile specifice MAC care nu se

regăsesc la MAS sunt fumul, mirosurile şi particulele materiale (aerosolii).

Geneza hidrocarburilor - formarea hidrocarburilor nearse din gazele de evacuare în cazul

unui MAC este similară formării acestora într-un MAS. În cazul MAC întârzierea la aprindere a

scânteii fiind înlocuită de întârzierea momentului injecţiei şi va avea ca rezultat apariţia HC nearse.


2

Geneza monoxidului de carbon - ca şi în cazul MAS, monoxidul de carbon pentru MAC este

rezultat al arderii incomplete cauzată atât de insuficienta cantitate de aer cât şi de consumarea

oxigenului fapt ce nu mai întreţine procesul de ardere. Motoarele cu aprindere prin compresie chiar

dacă operează în general pe domenii largi ale coeficientului de exces, au un nivel redus de emisii

de CO.

Geneza oxizilor de azot - mecanismul de formare a NOx este în esenţă acelaşi ca şi pentru

motoarele cu aprindere prin scânteie, cu excepţia faptului că unele motorine conţin compuşi

aromatici cu azot, reprezentând un aport nedorit în balanţa finală a emisiilor de noxe, iar regimul

termic şi excesul de oxigen constituie elemente favorizante suplimentare.

Geneza compuşilor cu sulf - unele motorine au în compoziţie până la 10 mg/kg sulf. Acesta în

procesul de ardere din MAC, la temperaturi înalte, se va combina cu hidrogenul rezultând

hidrogenul sulfurat, sau cu oxigenul formând dioxidul de sulf conform ecuaţiilor următoare:

H2 + S → H2S (1)

O2 + S → SO2 (2)

Hidrogenul sulfurat este parţial responsabil pentru mirosul neplăcut al gazelor de evacuare de

la MAC. Gazele de evacuare pot conţine până la 20 ppm dioxid de sulf, acesta ajuns în atmosferă

va reacţiona cu apa, rezultând acid sulfuri (H2SO4) şi acid sulfuros (H2SO3) care reprezintă

ingredientele principale pentru ploile acide.

Geneza fumului - fumul este un produs direct al procesului de ardere, el se formează ca şi

poluant în procesul de propagare a arderii şi se intensifică cantitativ pe traseul de evacuare a

gazelor.

În funcţie de condiţiile de funcţionare ale MAC, compoziţia fumului se schimbă, acest fapt

este sesizabil prin intermediul culorii caracteristice în contactul cu aerul atmosferic mai rece:

fumul alb - acesta apare la pornirea motorului rece şi la mersul în gol pe durata

încălzirii motorului, este compus din particule lichide de combustibil cu dimensiuni de

1μm care au condensat la contactul cu aerul atmosferic mai rece;

fumul albastru - se formează în zonele reci sau cu lipsă de aer, este specific mersului

în gol sau sarcinilor mari ale motorului, compoziţia este formată din particule lichide

de combustibil cu dimensiuni de 0,5 μm şi particule de ulei de motor, culoarea albastră

apare datorită reflexiei luminii cu lungime de undă mică;

fumul negru - se formează în zonele cu concentraţii mari de combustibil în amestec,

este caracteristic exploatării motoarelor la sarcină plină, accelerării dar şi reprizelor de

schimbare a vitezei autovehiculului, compoziţia are la bază particule cărbunoase


3

(funingine) cu dimensiuni de 1 μm, acestea se pot oxida în continuare dacă găsesc

zone suficient oxigenate cu temperaturi ridicate.

Fumul alb şi cel albastru mai au denumirea de "fum rece" deoarece se formează la temperaturi

scăzute.

Geneza substanţelor cu miros neplăcut - acestea apar datorită oxidării parţiale a

combustibilului, mai ales a hidrocarburilor aromatice, din zona amestecurilor preformate

neinflamabile, unde dozajul indică un amestec foarte sărac. În funcţie de miros putem face o

clasificare a acestor emisii:

substanţe cu miros de afumat, din care fac parte metilfenolul şi hidroxi-indanona;

substanţe cu miros de ars, unde găsim furanii şi alkil-benzaldehidele;

substanţe cu miros de ulei ars, în care caracteristice sunt alkenonele, dienonele şi

indanonele;

substanţele cu miros iritant, din care se pot menţiona hidrogenul sulfurat, fenolii şi

benzaldehidele.

Geneza particulelor - în timp ce nivelul de CO şi hidrocarburi în gazele de evacuare ale MAC

sunt destul de reduse, emisiile de particule provenind de la aceste motoare sunt considerabil mai

mari decât cele provenite de la motoarele cu aprindere prin scânteie comparabile ca şi

caracteristici.

Fracţiile PM (Particulate Mater) - particulele sunt particule fine solide sau lichide aflate în

suspensie în masa de gaz. Emisiile mari de particule sunt o consecinţă a injecţiei directe a

combustibilului în cilindrul sau camera de preardere a motorului diesel.

Viteza de amestecare a combustibilului cu aerul încălzit este relativ lentă, permiţând ca o

parte din combustibil să ajungă şi să stea la temperaturi ridicate suficient timp pentru producerea

unor reacţii de polimerizare, rezultând hidrocarburi cu masă moleculară mare, care formează în

cele din urmă particulele cărbunoase cunoscute şi sub numele de funingine.

Alte componente ale emisiilor de particule provin din aditivii uleiurilor de motor şi din

motorine, compuşii cu conţinut de sulf din motorină şi microparticulele metalice provenite din

uzura pieselor motorului şi antrenate de ulei.

Clasificarea lor se face în funcţie de dimensiunea acestora, diametrul aerodinamic şi

localizarea din punct de vedere al riscului pentru om:

PM 10 fracţii toracice de dimensiuni ≤10 μm;

PM 2,5 fracţii respirabile de dimensiuni ≤2,5 μm;

PM 1 de dimensiuni ≤1 μm;

UFP sau UP fracţii fine sau ultrafine de dimensiuni ≤0,1 μm;


4

PM 1-PM 2,5 fracţii inferioare de dimensiuni cuprinse între 2,5 μm - 10 μm.

În figura 1 este redat traseul, zonele şi modul de formare a particulelor la evacuarea în aerul

atmosferic mai rece.

Fig. 1. Geneza particulelor.

Din punct de vedere al compoziţiei chimice în PM provenite din gazele de ardere de la MAC

au fost identificate următoarele componente:

SOx oxizi pe bază de sulf;

NOx oxizi de azot;

sulfuri;

nitraţi;

fracţii biogenice rezultate din hidrocarburile nearse.

Forma şi aspectul particulelor în funcţie de compoziţia chimică se poate observa în figura 2.

Fig. 2. Variaţia formei, culorii şi mărimii particulelor înfuncţie de compoziţia lor chimică.

Structura multistrat a unei particule sferice, crescută prin condensare şi reacţii secundare de

formare a sulfaţilor şi nitraţilor de generaţia a II-a, cu formare de strat metalic din particulele


5

metalice oxidate în procesul de ardere şi a unui strat toxic provenit din condensarea hidrocarburilor

aromatice policiclice cu masă moleculară mare în jurul unui miez de carbon elementar de

funingine, figura 3.

Fig. 3. Structura unei particule sferice.

3. Metode utilizate pentru evaluarea emisiilor de fum produse de MAC

metode de evaluarea experimentală clasificate şi ele în următoarele

categorii:

metode de evaluarea pe baza ciclurilor de testare (tabelul 1);

metode de evaluarea directă prin măsurarea emisiilor poluante în diferite condiţii

de funcţionare (tabelul 2).

Tabelul 1. Standarde Europene privind emisiile motoarelorDiesel în condiţii grele, g/kWh (fumul în m−1).

Nivelul Data Ciclul de testare CO HC NOx PM Fumul1992, < 85 kW 4.5 1.1 8.0 0.612

Euro I1992, > 85 kW 4.5 1.1 8.0 0.36

Octombrie 1996 4.0 1.1 7.0 0.25Euro II

Octombrie 1998

ECE R-49

4.0 1.1 7.0 0.15

Octombrie 1999 EEV ESC & ELR 1.0 0.25 2.0 0.02 0.15Euro III

Octombrie 2000 2.1 0.66 5.00.100.13*

0.8

Euro IV Octombrie 2005 1.5 0.46 3.5 0.02 0.5

Euro V Octombrie 2008 1.5 0.46 2.0 0.02 0.5

Euro VI 31 Decembrie 2013

ESC & ELR

1.5 0.13 0.4 0.01

* pentru motoare mai mici de 0,75 dm3 volum pe cilindru şi cu puterea nominală la peste 3.000 [rot/min.]EEV - autovehicul ecologic îmbunătăţit.


6

Standarde Europene privind emisiile pentru autoturisme (Categoria M*), g/kmNivelul Data CO THC NMHC NOx HC+NOx PM P**

Diesel

Euro 1† Iulie 19922.72

(3.16)- - -

0.97(1.13)

0.14(0.18)

-

Euro 2 Ianuarie 1996 1.0 - - - 0.7 0.08 -

Euro 3 Ianuarie 2000 0.64 - - 0.50 0.56 0.05 -

Euro 4 Ianuarie 2005 0.50 - - 0.25 0.30 0.025 -

Euro 5 Septembrie 2009 0.50 - - 0.180 0.230 0.005 -

Euro 6 (viitor) Septembrie 2014 0.50 - - 0.080 0.170 0.005 -* Inainte de Euro 5, autoturismele > 2500 kg au devenit vehicule comerciale uşoare N1-I;** Un standard numeric urmează a fi definit cât mai curând posibil şi cel mai târziu la data intrării în vigoare aEuro 6;† Valorile din paranteze sunt în conformitate cu limitele date de producător.

3. Metodica măsurătorilor experimentale

Se identifică parametrii măsurabili care să permită o evaluare concludentă din punctul de

vedere al poluării mediului:

măsurarea fumului din gazele de evacuare;

alegerea unor parametrii funcţionali, care vor fi măsuraţi, ai motorului pe care se vor efectua

măsurătorile;

analiza evoluţiei fumului în funcţie de turaţie;

În acest scop:

se măsoară direct nivelul de fum din gazele de ardere cu opacimetrul;

se măsoară indirect prin intermediul aparatelor de măsură (se calculează), senzorilor şi asistemului de achiziţie a datelor următorii parametrii:

turaţia arborelui motor şi temperatura uleiului din motor;

Din punct de vedere al derulării încercărilor experimentale acestea se vor desfăşura în condiţiireale.

4. Echipamente şi aparatură utilizate

Pentru determinarea opacităţii gazelor de evacuare se utilizează staţia de diagnoză SUN

Systems SMP 4000 echipată cu unitate de calcul şi software proprii (figura 4), opacimetrul SUN

DSS 2 (figura 5). În spatele staţiei sunt amplasate mufele de alimentare, porturile de comunicare a

datelor către şi de la calculator (figura 6).


7

Fig. 4. Staţia de diagnoză SUN Systems SMP 4000.

Fig. 5. Opacimetrul SUN DSS 2.1-opacimetru; 2-sondă prelevare probe; 3-clemă fixare la eşapament;

4-cameră fotocelulă; 5-sistem ventilaţie (evacuare gaze); 6-conector magistrală dateopacimetru-PC; 7-alimentare opacimetru.

Fig. 6. Staţia de diagnoză SUN Systems SMP 4000 vedere spate.


8

Pentru măsurarea indicelui de fum din gazele de evacuare opacimetrul este echipat cuo celulă de măsurare a intensităţii luminii (figura 7):

Fig. 7. Camera de măsură a opacimetrului.

Camera de măsură are lungimea definită şi suprafaţa sa interioară nu reflectă lumina.

Interiorul camerei este umplut omogen de către gazele de eşapament. Pierderea uşoară de

intensitate, apărută datorită trecerii fumului (gazelor de evacuare), între sursa de lumină şi detector,

este măsurată şi din ea se calculează opacitatea gazelor de evacuare. Calculul se bazează pe legea

Beer-Lambert.

Softul unităţii de calcul (figura 8), permit selectarea parametrilor funcţie de următoarele date

de intrare:

tipul motorului;

numărul de timpi ai motorului, doi sau patru timpi;

numărul de cilindrii;

combustibilul folosit;

Fig. 8. Selectarea parametrilor de măsură.


9

5. Mersul lucrării

Procedura de efectuare în timp real a determinărilor necesare pentru un combustibil şi o

turaţie dată prevede următoarele etape:

1) conectarea senzorilor de turaţie şi temperatură la motorul autovehiculului;

2) pregătirea autovehiculului (încălzire motor);

3) pornirea pentru încălzire, auto-testare şi calibrare a staţiei de diagnoză;

4) pornirea calculatorului şi programului de măsurare a opacităţii din gazele de ardere;

5) menţinerea turaţiei de referinţă stabilite;

6) măsurarea opacităţii din gazele de evacuare şi salvarea datelor.

7) aranjarea tabelară a datelor obţinute şi trasarea graficelor pentru poluant conform tabelului şi

graficului alăturat (figura 9);

8) interpretarea rezultatelor conform RNTR 1.

Nr.crt.

Turaţie motor[rot*min-1]

Temperatură ulei[oC]

Opacitate [m-1] Temperatură mediu[0C]

1.2.

n.

Fig. 9. Variaţia poluantului în funcţie de turaţia motorului.

6. Verificarea cunoştinţelor

Documents

Masurarea Indicelui de Fum La Autovehiculele Echipate Cu MAC