STUDIUL INFLUENȚEI BIOCOMBUSTIBILILOR ASUPRA PERFORMANȚELOR CONVERTOARELOR CATALITICE

LA MOTOARELE CU APRINDERE PRIN SCÂNTEIE

Lucian CRIȘAN-LUPA, Bogdan CRIȘAN-LUPA

STUDIES REGARDING THE INFLUENCE OF BIOFUELS ON THE PERFORMANCE OF CATALYTIC CONVERTERS

MOUNTED ON SPARK IGNITED ENGINES In this paper, the problem of study is designed maintenance or performance degradation of catalysts used in catalytic exhaust systems, which equips vehicles powered by an internal combustion engine with spark-ignition, in terms of using a fuel that comprises bioethanol. Keywords: biofuel, bioethanol, catalytic converter, exhaust system, spark-ignited engines Cuvinte cheie: biocombustibil, bioetanol, convertor catalitic, motor cu aprindere prin scanteie, sistem de evacuare 1. Introducere În această lucrare, problema de studiu este menținerea sau degradarea performanțelor proiectate ale catalizatoarelor catalitice utilizate în sistemele de evacuare, ce echipează autovehiculele propulsate de un motor cu ardere internă cu aprindere prin scânteie, în condițiile utilizării unui combustibil care are în componență, bioetanol. În zilele noastre convertorul catalitic este un element de bază printre componentele care alcătuiesc sistemul de evacuare a gazelor

361

arse a autovehiculelor cotidiene, echipate și propulsate de motoare cu ardere internă. Datorită importanței pe care lumea întreagă o acordă sănătății speciei umane și a mediului înconjurător, a creșterii alarmante a pericolului unui impact ireversibil dintre societatea umană tehnologizată, bazată pe motoare termice-transporturi și Planeta Pământ, s-au impus o serie de restricții a emisiilor dăunătoare în atmosferă. Astfel, începând cu 1993, autovehiculele propulsate de motoare cu ardere internă cu aprindere prin scânteie vândute în Comunitatea Europeană, au fost echipate obligatoriu cu sisteme de evacuare și convertor catalitic, iar din 1997 au început să fie echipate și cele cu motoare termice cu aprindere prin comprimare. 2. Considerații teoretice 2.1. Convertorul catalitic Convertorul catalitic este de fapt o componentă intercalată în sistemul de evacuare a gazelor arse care, fie continuă procesul de oxidare a hidrocarburilor și a monoxidului de carbon, fie reacția de reducere a diverșilor oxizi de azot, aceste gaze fiind considerate foarte nocive (HC, CO, NOx); în urma acestor procese chimice rezultă H2O, CO2, N2, substanțe considerate „curate”.

Fig. 1 Convertor catalitic

362

Pentru realizarea acestor reacții chimice, gazele de evacuare străbat un „monolit” ceramic sau metalic, având forma fagurelui de miere în secțiune, pentru a avea o suprafață de contact cât mai mare cu gazele arse. Aceste suprafețe sunt acoperite cu metale nobile: platină, paladiu sau rodiu. O formă tipică de subansamblu catalitic este prezentat în figura 1 (Mitsubishi Lancer Evo) dar varietatea constructivă este practic nelimitată, funcție de necesitățile constructive și tehnice impuse de proiectant [5].

Fig. 2 Elemente ceramice extrudate folosite ca suport în convertoarele catalitice [6, 7]

Eficiența acestor catalizatori depinde în mod direct de suprafața de contact a gazelor cu metalele rare, trebuind să acopere cele mai dificile regimuri de exploatare ale motorului, dar și a temperaturii de lucru a acestora, adică peste 300 0C (valoare tipică 350 grade 0C). 2.2. Bioetanolul Etanolul este un alcool, formula chimică fiind aceeași cu cea a alcoolului etilic găsit în băuturile spirtoase; se poate fabrica sintetic, circa 7 % din producția mondială, dar circa 93 % se obține din biomasă prin fermentație, iar creșterea concentrației acestuia se realizează în prezent prin fracționare-distilare.

363

Etanolul provenit din biomasă, este cel mai răspândit biocombustibil din ziua de azi. Practic poate fi fabricat din orice materie biogenă care conține zahăr sau care poate fi convertită în zahăr, amidon sau celuloză; materii prime zaharoase: sfeclă și trestie de zahăr, materii prime amidonoase: cereale, cartofi, rădăcini și tuberculi de plante tropicale, materii prime celulozice: deșeuri forestiere și comunale, leșii bisulfice rezultate din fabricarea celulozei [1, 3]. Avantajele folosirii bioetenolului sunt multiple, fiind demne de menționat câteva: există o potențială bază de materii prime din produse agricole sau reziduuri agricole, utilizarea bioetanolului are un impact redus asupra mediului înconjurător, prin ardere se elimină mult mai puțin dioxid de carbon, emisiile poluante, de exemplu monoxidul de carbon și hidrocarburile nearse sunt în cantități mult reduse. Motoarele cu aprindere prin scânteie pot funcționa cu amestec de benzină și bioetanol fără modificări tehnice sau cu modificări minore, motoarele cu ardere internă au o durată de funcționare mai mare. Beneficiile utilizării biocombustibililor sunt și de altă natură decât cele amintite, de exemplu economic, prin crearea de locuri de muncă, ridicarea economică a zonelor defavorizate sau a diverselor comunități locale care nu au alte posibilități de dezvoltare. Având o alternativă la produsele petroliere, prin plante regionale sau locale, s-ar putea asigura chiar o stabilitate în aprovizionarea cu combustibili și ar contribui la siguranța energetică națională [3]. Momentan reglementările ecologice în vigoare în SUA și Europa prevăd folosirea combustibililor amestec de etanol și benzină în proporții diferite. Planurile viitoare prevăd creșterea ponderii bioetanol-ului, în vederea reducerii emisiilor de gaze ce creează efectul de seră. Etanol E85 este bioetanol popular, cu o concentrație de 85 % etanol și este destinat motoarelor flexibile din punct de vedere al combustibililor acceptați. Pe timp de iarnă însă, un amestec de minim 25 % benzină este necesar pentru pornirea la rece [10]. Astfel, creșterea consumului de biocombustibili în detrimentul celor obținuți din produse petroliere, s-a impus de către organismele internaționale, printr-o strategie susținută de o serie de reglementări legale, adoptate bineînțeles și de România. În ședința de Guvern din data de 16 mai 2007, membrii Cabinetului au aprobat o serie de modificări și completări la HG nr.1844/2005 privind promovarea utilizării biocombustibililor și a altor combustibili regenerabili pentru transport, în care se menționează că, operatorii economici vor introduce pe piață, numai amestec de biocombustibili și combustibili convenționali, – de la

364

data de 1 iulie 2009 - benzina cu un conținut de biocombustibil de minimum 4 % în volum.

3. Influența biocombustibilului asupra convertorului catalitic Motoarele termice cu aprindere prin scânteie exploatate azi pe scară largă, au fost proiectate să funcționeze având drept carburant, benzină, produs petrolier utilizat cu succes încă de la începutul secolului trecut. Pentru ca un motor termic să funcționeze uniform și cu eficiență maximă, combustibilul ales trebuie să aibă caracteristici fizico-chimice stabile, indiferent de sursa petrolieră sau de producătorul produsului finit, indiferent de normele ecologice impuse, atât azi cât și în următorii ani omologării acestuia pe piața de profil.

Cererea în continuă creștere de energie, epuizarea rezervelor de petrol și de gaze naturale, creșterea emisiilor poluante, în special cele de gaze cu efect de seră, au forțat legislațiile internaționale să impună producătorilor de produse petroliere să substituie o cantitate importantă de combustibil cu alternative de origine biogenă. Concret, la stațiile de alimentare cu combustibil, benzina a fost înlocuită de un amestec de benzină și bioetanol.

Tendința actuală și direcția în care se dezvoltă ramurile industriale producătoare de combustibili, îngrijorarea omenirii în ce privește soarta planetei datorită exploatării accelerate a combustibililor fosili, a dus la creșterea proporției bioetanolului în combustibilul pentru motoarele cu aprindere prin scânteie.

Fig. 3

Combustibilul folosit drept

„benzină”, este de fapt un

amestec de benzină și etanol

[10]

365

Tema lucrării prezente este tocmai studiul influenței unei proporții de bioetanol în combustibil asupra convertorului catalitic, exploatat un timp mai îndelungat, la un motor termic cu aprindere prin scânteie, proiectat pentru a utiliza drept combustibil, benzina. Perioada de utilizare a unui convertor catalitic care echipează un autovehicul, specificată de producătorii în domeniu, este de 80-120.000 km parcurși. Din păcate, realitatea este alta; de exemplu, un autovehicul proiectat în urmă cu 10 ani, propulsat de un motor funcționând cu benzină, echipat cu un sistem catalitic adecvat acestui tip de combustibil, nu reușește să se încadreze eficient în acest interval. Problema

ridicată este dacă utilizarea de biocombus-tibili poate constitui principalul motiv de degradare a catalizatoru-lui. Cauzele pot fi de altă natură: - lipsa verificărilor

riguroase periodice și a întreținerii autovehiculului

după epuizarea termenului de garanție, în care proprietarul era obligat să respecte un plan impus de producător, - utilizarea de combustibili din altă categorie decât cei recomandați, - șocuri mecanice externe,

- modificarea legală a caracteristicilor combustibililor actuali de pe piață, comparativ cu cei prezenți în urmă cu 10 ani când a fost vândut autovehiculul, - eroare de proiectare și/sau execuție.

Fig. 4 Convertoare catalitice deteriorate prin ardere și prin obturare [11,12]

366

4. Concluzii ■ Costurile legate de defectarea convertorului catalitic sunt semnificative în întreținerea autovehiculului; cu atât mai mult cu cât normele de poluare impuse sunt tot mai stricte, prețul convertorului catalitic cu toate componentele aferente este tot mai ridicat, deci proporția din prețul întregului autovehicul a sistemului de evacuare creste exponențial.

■ Tema prezentă deschide un nou orizont în testarea viitorilor combustibili, dar și în proiectarea noilor sisteme catalitice, utilizate pentru motoarele termice cu aprindere prin scânteie, astfel încât efectele negative care se răsfrâng asupra sistemului de evacuare în general și a convertorului catalitic în special, să fie cât mai mici; de a nu ne găsi în situația în care costurile, pe toate planurile, să devină cu mult mai mari decât avantajele utilizării sistemelor actuale de catalizatoare și a carburantului benzină-bioetanol.

BIBLIOGRAFIE [1] Barabas, I., Todoruț, I.A., Combustibili pentru automobile, testare, utilizare, evaluare, Editura U.T.Press, Cluj-Napoca, 2010. [2] Bertrand, F., Devals, C., Seguineau, de Preval, C., Towards the simulation of the catalytic monolith converter using discrete channel-scale models, 2012 * * * http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0920586 111008327. [3] Burnete, N., și colectivul, Motoare Diesel și Biocombustibili pentru Transportul Urban , Editura Mediamira, Cluj-Napoca, 2012. [4] Wu Guojiang, Tan Song, (2005)-CFD simulation of the effect of upstream flow distribution on the light-off performance of a catalytic converter, * * * http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0196890404002997. [5] * * * http://www.ebay.co.uk/itm/MITSUBISHI-LANCER-EVO-2-0-CATALY-TIC-CONVERTER-CAT-99-/130351791923. [6] * * * http://www.henchchem.com/productDisplay.php?pro_id=5&bigtype_id= [7] * * * https://www.google.ro/search?tbm=isch&hl=ro&q=Ceramic%20cata-lytic%20converter#facrc=_&imgdii=_&imgrc=bCk5-EfQi4OYgM%3A%3Bo2q WJZdGHDC_OM%3Bhttp%253A%252F%252Fwww.catalytic-converters.com% 252Fautocat_ceramic2.jpg%3Bhttp%253A%252F%252Fwww.catalytic-conver-ters.com%252F%3B795%3B596. [8] * * * https://www.google.ro/search?q=bioetanol&tbm=isch&tbo=u&source =univ&sa=X&ei=G7ZNUpuqJJH07AbcgIHwBw&sqi=2&ved=0CEAQsAQ&biw=1438&bih=708&dpr=1#facrc=_&imgdii=_&imgrc=6mEsWehn84Dc3M%3A%3Bwm7upbQSstorAM%3Bhttp%253A%252F%252Fbiofuels.dbioro.eu%252Fbioetanol_files%252Fimage006.gif%3Bhttp%253A%252F%252Fbiofuels.dbioro.eu%252Fbioetanol.php%3B583%3B339.

367

[9] * * * https://www.google.ro/search?q=bioetanol&tbm=isch&tbo=u&source= univ&sa=X&ei=G7ZNUpuqJJH07AbcgIHwBw&sqi=2&ved=0CEAQsAQ&biw=1438&bih=708&dpr=1#facrc=_&imgdii=_&imgrc=eHwE1DfU_X63AM%3A%3BrLZaYyYA39wOCM%3Bhttp%253A%252F%252Fwww.kmph.es%252Fwp-content %252Fuploads%252F2013%252F05%252Fbioetanol2.jpg%3Bhttp%253A%252F%252Fwww.kmph.es%252Fbioetanol-el-combustible-del-futuro%252F% 3B344%3B269. [10] * * * http://www.energeia.ro/biomasa/bioetanol/bioetanol-21/. [11] * * * https://www.google.ro/search?q=bioetanol&tbm=isch&tbo=u&source= univ&sa=X&ei=G7ZNUpuqJJH07AbcgIHwBw&sqi=2&ved=0CEAQsAQ&biw=1438&bih=708&dpr=1#facrc=_&imgdii=_&imgrc=xueGu1gifcRkuM%3A%3B0o9baw4SrRQr4M%3Bhttp%253A%252F%252Fwww.agrointel.ro%252Fwp-content% 252Fuploads%252F2012%252F09%252Fetanol.jpg%3Bhttp%253A%252F%252Fwww.agrointel.ro%252F1638%252Fdeloitte-tax-importurile-de-bioetanol-din-sua-sunt-supuse-inregistrarii-in-uniunea-europeana%252F%3B460%3B345. [12] * * * https://www.google.ro/search?tbm=isch&hl=ro&q=Ceramic%20 cata-lytic%20converter#facrc=_&imgdii=_&imgrc=dzFDGsJ1TSW6eM%3A%3BrigUtUc_SbW1FM%3Bhttp%253A%252F%252Fwww.bmwe34.net%252FE34main%252FTrouble%252FData%252FCatmeltdown.jpg%3Bhttp%253A%252F%252Fwww.bmwe34.net%252FE34main%252FTrouble%252FCatalyticconv.htm%3B240%3B230. [13] * * * http://www.google.ro/imgres?hl=ro&tbm=isch&tbnid=yqH5fmRxopv0 NM:&imgrefurl=http://www.clublexus.com/forums/performance/468178-has-anyone-had-to-replace-their-catalytic-converter.html&docid=a3EM7wUR1y60o M&imgurl=http://www.clublexus.com/forums/attachments/performance/159592d1261010815-has-anyone-had-to-replace-their-catalytic-converter-bmw-e46-m3-400-cpi-ceramic-oem-catalyst-core-melted.jpg&w=639&h=479&ei=O6NNUtOuJ 4nZ4ASEtYHIDg&zoom=1&ved=1t:3588,r:8,s:0,i:104&iact=rc&page=1&tbnh=181&tbnw=242&start=0&ndsp=18&tx=81.84210205078125&ty=112.21054077148437. [14] Walker-Exhaust systems-4G AGAR-Analyzer V.4.0.

Drd.Ing Lucian CRIȘAN-LUPA Departamentul de Autovehicule Rutiere și Transporturi,

Facultatea de Mecanică, Universitatea Tehnică din Cluj-Napoca, e-mail: 0744599711 lucian.crisan@auto.utcluj.ro

Bogdan CRIȘAN-LUPA

e-mail: bogdan18me@yahoo.com 0741119926

368