ΕΠΙΔΡΑΣΗ ΝΕΩΝ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΩΝ ΑΝΤΙΡΡΥΠΑΝΣΗΣ ΚΑΙ BIODIESEL 2 ης ΓΕΝΙΑΣ ΣΤΙΣ ΕΚΠΟΜΠΕΣ ΣΩΜΑΤΙΔΙΩΝ

Transcript

1 ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ ΠΟΛΥΤΕΧΝΙΚΗ ΣΧΟΛΗ ΤΜΗΜΑ ΜΗΧΑΝΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΕΦΑΡΜΟΣΜΕΝΗΣ ΘΕΡΜΟΔΥΝΑΜΙΚΗΣ ΔΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ ΕΠΙΔΡΑΣΗ ΝΕΩΝ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΩΝ ΑΝΤΙΡΡΥΠΑΝΣΗΣ ΚΑΙ BIODIESEL 2 ης ΓΕΝΙΑΣ ΣΤΙΣ ΕΚΠΟΜΠΕΣ ΣΩΜΑΤΙΔΙΩΝ ΜΩΛΟΣ ΘΕΟΔΩΡΟΣ ΑΕΜ: 5017 ΥΠΕΥΘΥΝΟΣ ΚΑΘΗΓΗΤΗΣ: ΛΕΩΝΙΔΑΣ ΝΤΖΙΑΧΡΗΣΤΟΣ ΑΡΜΟΔΙΟΣ ΠΑΡΑΚΟΛΟΥΘΗΣΗΣ: ΣΤΑΥΡΟΣ ΑΜΑΝΑΤΙΔΗΣ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗ, ΙΟΥΛΙΟΣ 2014

2

3 1. 2. ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΤΜΗΜΑ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΜΗΧΑΝΟΛΟΓΩΝ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ 5. Υπεύθυνος: Λεωνίδας Ντζιαχρήστος 3. ΕΝΕΡΓΕΙΑΚΟΣ ΤΟΜΕΑΣ 4. ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΕΦΑΡΜΟΣΜΕΝΗΣ ΘΕΡΜΟΔΥΝΑΜΙΚΗΣ 6. Αρμόδιος Παρακολούθησης: Σταύρος Αμανατίδης 7. Τίτλος εργασίας: ΕΠΙΔΡΑΣΗ ΝΕΩΝ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΩΝ ΑΝΤΙΡΡΥΠΑΝΣΗΣ ΚΑΙ BIODIESEL 2 ης ΓΕΝΙΑΣ ΣΤΙΣ ΕΚΠΟΜΠΕΣ ΣΩΜΑΤΙΔΙΩΝ 8. Ονοματεπώνυμο φοιτητή : 10.Θεματική περιοχή: Σωματιδιακή ύλη ΜΩΛΟΣ ΘΕΟΔΩΡΟΣ 11. Ημερομηνία έναρξης: ΣΕΠ Περίληψη: 12. Ημερομηνία παράδοσης: ΙΟΥΛ 2014 Αντικείμενο της συγκεκριμένης διπλωματικής εργασίας είναι η διερεύνηση της επίδρασης των νέων τεχνολογιών αντιρρύπανσης και της χρήσης biodiesel 2 ης γενιάς στις εκπομπές σωματιδίων. Για τον σκοπό αυτό πραγματοποιήθηκαν πειραματικές μετρήσεις με οχήματα με κινητήρες βενζίνης και πετρελαίου, υπό πιστοποιημένους κύκλους οδήγησης. Τα αποτελέσματα των μετρήσεων επεξεργάστηκαν και παρουσιάζονται στην συγκεκριμένη διπλωματική εργασία. Στο 1 ο κεφάλαιο παρουσιάζονται οι βασικές έννοιες για τα αιωρούμενα σωματίδια, γίνεται μια αναφορά στους κύκλους οδήγησης που χρησιμοποιήθηκαν, καθώς επίσης και στους τρόπους μείωσης των εκπομπών στους κινητήρες πετρελαίου και βενζίνης. 9. Αριθμός μητρώου: Αριθμός εργασίας: 14.DI.0057.V1 15. Στοιχεία εργασίας: Αρ. Σελίδων: 104 Αρ. Εικόνων: 87 Αρ. Πινάκων: 22 Αρ. Παραπομπών: 68 Στο 2 ο κεφάλαιο παρουσιάζεται το πειραματικό υπόβαθρο των οργάνων που συμμετέχουν στη διάταξη μέτρησης, καθώς επίσης και το πρωτόκολλό της. Στο 3 ο κεφάλαιο παρουσιάζονται τα αποτελέσματα των μετρήσεων ανά εξεταζόμενο όχημα. Στο 4 ο κεφάλαιο γίνεται μια στοχευμένη παρουσίαση αποτελεσμάτων για την καλύτερη κατανόηση τους, ενώ επίσης μελετάται η επίδραση της αναγέννησης της παγίδας στους κινητήρες diesel και του τρόπου έγχυσης του μείγματος αέρα-καυσίμου στους κινητήρες βενζίνης. 16. Λέξεις κλειδιά: Σωματιδιακή ύλη, Εκπομπές Σωματιδίων, Παγίδα Αιθάλης 17. Σχόλια: Στο 5 ο κεφάλαιο γίνεται η αποτίμηση των αποτελεσμάτων και η εξαγωγή των συμπερασμάτων από τις πειραματικές μετρήσεις. 18. Συμπληρωματικές παρατηρήσεις: 19. Βαθμός:

4

5 ΠΡΟΛΟΓΟΣ Η παρούσα διπλωματική εργασία αποτελεί το αποτέλεσμα πειραματικών μετρήσεων, που ξεκίνησαν τον Σεπτέμβριο του 2013 και ολοκληρώθηκαν τον Φεβρουάριο του 2014, για τον υπολογισμό της εκπεμπόμενης σωματιδιακής ύλης από οχήματα με νέες τεχνολογίες αντιρρύπανσης και βιοντίζελ 2 ης γενιάς. Το πειραματικό μέρος της εργασίας έλαβε χώρα στο Εργαστήριο Εφαρμοσμένης Θερμοδυναμικής του Πολυτεχνείου του ΑΠΘ. Μέσα σε αυτό το χρονικό διάστημα είχα την τύχη και την ευκαιρία να συνεργαστώ με ανθρώπους που με βοήθησαν τόσο στο πειραματικό, όσο και στο θεωρητικό μέρος της εργασίας και μου έδωσαν τη δυνατότητα να δώσω λύσεις σε όποιο πρόβλημα παρουσιάστηκε κατά τη διάρκεια της. Νιώθω λοιπόν την ανάγκη να ευχαριστήσω ιδιαίτερα τον επίκουρο καθηγητή κ. Λεωνίδα Ντζιαχρήστο για την άψογη συνεργασία και για την ευκαιρία που μου έδωσε να αποκτήσω επιστημονική γνώση και εμπειρία συνεργασίας με ανθρώπους σε ένα άριστα οργανωμένο εργαστήριο. Θα ήθελα επίσης να ευχαριστήσω θερμά τον καθηγητή κ. Ζήση Σαμαρά, ως διευθυντή του Εργαστηρίου Εφαρμοσμένης Θερμοδυναμικής (ΕΕΘ), για τη θερμή συμπαράστασή του και για την πειραματική υποστήριξη της εργασίας όπου χρειάστηκε, αλλά και τον υποψήφιο διδάκτορα Σταύρο Αμανατίδη, για την πραγματικά πολύτιμη βοήθεια του σε όλη τη διάρκεια της παρούσας διπλωματικής εργασίας, στη διάρκεια της οποίας ξοδέψαμε πολλές ώρες για την παρακολούθηση και καταγραφή των μετρήσεων, καθώς και για την ανάλυση των πειραματικών αποτελεσμάτων τους. Τέλος, ευχαριστώ τα μέλη της ομάδας του εργαστηρίου, τους κύριους Παναγιώτη Πιστικόπουλο, Αργύρη Τζιλβελή, Δημήτρη Κατσαούνη, Θανάση Δημάρατο και Διονύση Μαυροδή, αφού οι συζητήσεις μαζί τους ήταν ιδιαίτερα διδακτικές για μένα.

6

7 ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ 1. ΕΙΣΑΓΩΓΗ Σωματιδιακή ύλη και πηγές προέλευσης της Επιδράσεις της σωματιδιακής ρύπανσης Μεθοδολογίες αξιολόγησης ρύπων ελαφρών οχημάτων Τρόποι μείωσης εκπομπών σε κινητήρες Κινητήρες πετρελαίου Κινητήρες βενζίνης Σκοπός της εργασίας ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΟ ΥΠΟΒΑΘΡΟ Μετρήσεις εκπομπών υπό ελεγχόμενες συνθήκες Σύστημα αραίωσης σταθερού όγκου Μετρητικά όργανα Πρωτόκολλο μέτρησης ΠΑΡΟΥΣΙΑΣΗ ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΩΝ Honda Accord BMW X Opel Astra Opel Mokka Volkswagen Polo ΠΕΡΙ ΤΩΝ ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΩΝ Ανάλυση αποτελεσμάτων Σύγκριση οχημάτων Opel Astra και Opel Mokka Αναγέννηση παγίδας κατά την μέτρηση Ενεργητικές αναγεννήσεις Παθητικές αναγεννήσεις Επίδραση τρόπου έγχυσης σε κινητήρες βενζίνης άμεσης έγχυσης ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ

8

9 1. ΕΙΣΑΓΩΓΗ 1.1 Σωματιδιακή ύλη και πηγές προέλευσης της Οι συνθήκες του φυσικού περιβάλλοντος είναι ο βασικός παράγοντας για την ύπαρξη αλλά και την βιωσιμότητα όλων των οικοσυστημάτων που συναντούνται στη Γη. Η χημική σύσταση στης ατμόσφαιρας παρουσιάζει μικρές έως ασήμαντες μεταβολές τα τελευταία 0,5 δισεκατομμύρια χρόνια. Ο άνθρωπος στην προσπάθειά του να ικανοποιήσει τις ανάγκες του και να βελτιώσει το βιοτικό του επίπεδο επηρέασε την φυσική αυτή ισορροπία. Από την βιομηχανική επανάσταση του 18 ου -19 ου αιώνα, αλλά κυρίως από την βιομηχανική και τεχνολογική εξέλιξη του 20 ου αιώνα και έπειτα, οι ανθρώπινες δραστηριότητες οδήγησαν στην βαθμιαία ρύπανση και υποβάθμιση του φυσικού περιβάλλοντος, καθώς ευθύνονται για την σημαντική αύξηση των συγκεντρώσεων όζοντος και σωματιδίων στην ατμόσφαιρα, τόσο σε αστικές όσο και σε αγροτικές περιοχές (Schulz et al., 2006; Parrish et al., 2012). Σήμερα, το περιβαλλοντικό πρόβλημα και οι επιπτώσεις του είναι μείζονος σημασίας και η επιστημονική κοινότητα έχει στρέψει την προσοχή της στους τρόπους με τους οποίους η έκλυση τόσο των αερίων του θερμοκηπίου αλλά και της σωματιδιακής μάζας μπορεί να περιοριστεί. Ο όρος «σωματιδιακή μάζα» - γνωστός επίσης και ως «σωματιδιακή μόλυνση» ή πιο απλά PM (particulate matter) αναφέρεται σε ένα σύνθετο μίγμα από εξαιρετικά μικρά σωματίδια και σταγονίδια υγρού, τα οποία αιωρούνται στον αέρα (U.S. EPA). Ως ατμοσφαιρικό αερόλυμα ή αεροκολλοειδές (aerosol) ορίζεται το μίγμα των παραπάνω στερεών σωματιδίων και υγρών σταγονιδίων διαλυμένα μέσα στον αέρα ή μέσα σε κάποιο άλλο αέριο. Οι σωματιδιακοί ρύποι του περιβάλλοντος αέρα χαρακτηρίζονται τυπικά μέσω τριών παραμέτρων: Την συγκέντρωση μάζας τους Την κατανομή του μεγέθους τους και Τη χημική τους σύνθεση Ως μονάδα μέτρησης της συγκέντρωσης μάζας σωματιδιακών ρύπων στην ατμόσφαιρα χρησιμοποιείται το μg/m 3, ήτοι μάζα σωματιδίων ανά μονάδα όγκου ατμοσφαιρικού αέρα. Η κατανομή μεγέθους των σωματιδιακών ρύπων είναι πολύ σημαντική όσον αφορά θέματα μεταφοράς τους στην ατμόσφαιρα και αλληλεπίδρασής τους με το ανθρώπινο αναπνευστικό σύστημα. Η χημική τους σύνθεση μπορεί να καθορίσει τον τύπο των βλαβών που θα προκαλέσουν στους οργανισμούς που τους εισπνέουν, τη βλάστηση και τα υλικά. Για τον καθορισμό της κατανομής του μεγέθους των αιωρούμενων σωματιδίων έχουν αναπτυχθεί διάφορες ισοδύναμες διάμετροι, καθώς τα διάφορα όργανα μέτρησης λειτουργούν με διαφορετικές αρχές λειτουργίας. Συνήθως χρησιμοποιούνται οι εξής ισοδύναμες διάμετροι: 1. Αεροδυναμική διάμετρος (Dae): Ορίζεται ως η διάμετρος σφαιρικού σωματιδίου μοναδιαίας πυκνότητας (ρ=1 g/cm 3 ), το οποίο έχει ίδια ταχύτητα καθίζησης στον αέρα με το εξεταζόμενο σωματίδιο (Task Group on Lung Dynamics, 1996). 2. Διάμετρος Stokes (Ds): Ορίζεται ως η διάμετρος σφαιρικού σωματιδίου πυκνότητας ίδιας με αυτήν του εξεταζόμενου σωματιδίου και το οποίο έχει την ίδια οριακή ταχύτητα καθίζησης με αυτό (Fucks, 1964)

10 3. Διάμετρος κινητικότητας (Dm): Όταν ένα φορτισμένο σωματίδιο τοποθετείται μέσα σε ένα ηλεκτρικό πεδίο, στο σωματίδιο αναπτύσσεται δύναμη που το επιταχύνει μέχρι να ισορροπήσει. Για σφαιρικά σωματίδια η διάμετρος κινητικότητας ταυτίζεται με την ογκομετρική τους διάμετρο. Για μη σφαιρικά, είναι μια συνάρτηση του σχήματος του σωματιδίου και του προσανατολισμού του. Στην Εικόνα 1,1 φαίνεται ένα υπολογιστικό παράδειγμα στο οποίο, με την χρήση των παραπάνω ορισμών, προκύπτουν αντιστοίχως τα σφαιρικά σωματίδια με βάση την αεροδυναμική διάμετρο και με βάση την διάμετρο Stokes. Το εξεταζόμενο ακανόνιστου μεγέθους σωματίδιο έχει πυκνότητα ρ=4g/cm 3 και ταχύτητα καθίζησης στον αέρα v=0.22 cm/s. Εικόνα 1,1: Ισοδύναμη αεροδυναμική διάμετρος και ισοδύναμη διάμετρος Stokes για ακανόνιστο σωματίδιο (ρ=4g/cm 3 και v=0.22 cm/s). Με βάση την ισοδύναμη αεροδυναμική διάμετρό τους, τα σωματίδια κατηγοριοποιούνται σε αντίστοιχες περιοχές. Τα εύρη των περιοχών αυτών, καθώς και η εξέλιξη της σχετικής συγκέντρωσης μάζας διακρίνονται στην Εικόνα 1,2. Από τα συνολικά αιωρούμενα σωματίδια (total suspended particles, TSP) όσα έχουν αεροδυναμική διάμετρο μικρότερη από 10 μm (Dae <10 μm) ονομάζονται μικροσωματίδια. Πιο συγκεκριμένα, τα σωματίδια με Dae <2,5 μm ονομάζονται λεπτόκοκκα (fine particles, PM2.5), ενώ τα σωματίδια στην περιοχή 2,5 μm< Dae <10 μm ονομάζονται χονδρόκοκκα (inhalable coarse particles, PM10). Τελευταία δίνεται ιδιαίτερη έμφαση στα σωματίδια με αεροδυναμική διάμετρο μικρότερη από 0,1 μm, τα οποία ονομάζονται υπερλεπτόκοκκα σωματίδια (ultrafine particles-ufps), δεδομένου ότι αποτελούν το % του συνολικά μετρούμενου αριθμού των σωματιδίων (Wehner and Wiedensohler, 2003; Mejia et al., 2008). Τέλος, τα σωματίδια με αεροδυναμική διάμετρο μικρότερη από 50 nm ονομάζονται νανοσωματίδια (nanoparticles). Η κύρια πηγή υπερλεπτόκκων σωματιδίων και νανοσωματιδίων είναι τα καυσαέρια από τις μηχανές εσωτερικής καύσης των οχημάτων. Στην Εικόνα 1,3 γίνεται περισσότερο κατανοητή η τάξη μεγέθους των λεπτόκοκκων και των χονδρόκοκκων σωματιδίων. Όπως φαίνεται χαρακτηριστικά, η μέση ανθρώπινη τρίχα με διάμετρο περίπου 70 μm, έχει 30 φορές μεγαλύτερη διάμετρο από το μεγαλύτερο λεπτόκοκκο

11 Εικόνα 1,2: Σχετική συγκέντρωση μάζας και αριθμού σωματιδίων σε σχέση με την αεροδυναμική τους διάμετρο (πηγή U.S. EPA) Εικόνα 1,3: Σύγκριση μεγέθους μέσης ανθρώπινης τρίχας με μεγέθη σωματιδίων (πηγή U.S.EPA). σωματίδιο (PM2,5) και 7 φορές μεγαλύτερη διάμετρο από το μεγαλύτερο χονδρόκοκκο (PM10). Με βάση την πηγή προέλευσής τους τα αιωρούμενα σωματίδια χαρακτηρίζονται είτε ως πρωτογενή είτε ως δευτερογενή. Τα πρωτογενή είναι αυτά που εκπέμπονται απευθείας στην ατμόσφαιρα, ενώ τα δευτερογενή δημιουργούνται από φυσικές ή χημικές διεργασίες στην ατμόσφαιρα. Τυπικά δευτερογενή σωματίδια απαρτίζονται από νιτρικά, αμμωνιακά και θειικά άλατα που σχηματίζονται από φωτοχημικές αντιδράσεις των αερίων οξειδίων του αζώτου, αμμωνίας και διοξειδίου του θείου αντίστοιχα. Επίσης σωματίδια μπορούν να σχηματιστούν από συμπύκνωση βαρέων οργανικών συστατικών (π.χ. πολυαρωματικοί υδρογονάνθρακες). Τα δευτερογενή σωματίδια συνεισφέρουν στη συνολική μάζα της

12 σωματιδιακής ύλης είτε ως ανεξάρτητα σωματίδια είτε ως συμπυκνώματα πάνω σε προϋπάρχοντα στερεά σωματίδια. Το μεγαλύτερο μέρος των αεροκολλοειδών (aerosol) -περίπου το 90% κατά μάζα- προέρχεται από φυσικά αίτια όπως από ηφαίστεια, από δασικές πυρκαγιές ή από την αντίδραση αερίων προερχόμενα από την φωτοσύνθεση ορισμένων φυτών ή ακόμα και ένα είδος μικροφυκιών με άλλα αέρια της ατμόσφαιρας. Το υπόλοιπο 10% των αεροκολλοειδών θεωρούνται ανθρωπογενή και προέρχονται από διάφορες πηγές (U.S. EPA). Η καύση ορυκτών καυσίμων στα οχήματα, σε βιομηχανίες και σε σταθμούς παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας είναι οι βασικότερες πηγές αιωρούμενων σωματιδίων. Οι δραστηριότητες αυτές σε συνδυασμό με την αποξήλωση των δασών, την υπερβόσκηση, την ξηρασία αλλά και την υπερβολική άρδευση μπορούν να οδηγήσουν σε σημαντική αύξηση των συγκεντρώσεων σωματιδίων στην ατμόσφαιρα. Ακόμη και σε εσωτερικούς χώρους τα τσιγάρα, οι φούρνοι, τα τζάκια ακόμα και τα κεριά είναι πηγές τέτοιων σωματιδίων. Παρά το κατά πολύ μικρότερό τους ποσοστό, τα ανθρωπογενή σωματίδια μπορούν να κυριαρχήσουν στην ατμόσφαιρα κατάντη αστικών και βιομηχανικών περιοχών. Εικόνα 1,4: Πηγές προέλευσης σωματιδίων για την ΕΕ (πηγή European Environment Agency). Τα καυσαέρια από τα οχήματα εδώ και καιρό θεωρούνται μία σημαντική πηγή ανθρωπογενών εκπομπών σωματιδιακής μάζας (EPA, 2009; HEI, 2013). Το 2007 οι μεταφορές ήταν η μεγαλύτερη πηγή εκπομπών, αντιπροσωπεύοντας σχεδόν το 30% των συνολικών εκπεμπόμενων σωματιδίων σε όλη την Ευρωπαϊκή Ένωση των 27 χωρών-μελών (Εικόνα 1,4). Μόνο οι εκπομπές των σωματιδίων προερχόμενες από τις οδικές μεταφορές (Road transport) αντιπροσωπεύουν το ένα πέμπτο των συνολικών εκπομπών. Οι εκπομπές αυτές παρουσιάζουν μείωση κατά 38% από το 1990 έως και το 2007 (Εικόνα 1,5). Η μείωση αυτή παρατηρείται τόσο για τα πρωτογενή όσο και για τα δευτερογενή PM10 παρά την αυξανόμενη δημοτικότητα των πετρελαιοκίνητων οχημάτων, τα οποία έχουν υψηλότερες εκπομπές σωματιδίων από τα βενζινοκίνητα. Δεδομένου ότι βελτιωμένες τεχνολογίες των κινητήρων προσθέτονται στα νέα οχήματα και ότι οι εκπομπές σταθερών πηγών ελέγχονται

13 είτε μέσω τεχνικών ελάττωσης όπως τα φίλτρα σωματιδίων-παγίδες αιθάλης είτε με την χρήση καυσίμων χαμηλής περιεκτικότητας σε θείο, όπως το φυσικό αέριο, αναμένεται τα επόμενα χρόνια περαιτέρω αύξηση του ποσοστού μείωσης των εκπεμπόμενων σωματιδίων από τις οδικές μεταφορές. Εικόνα 1,5: Εξέλιξη εκπομπών πρωτογενών και δευτερογενών σωματιδίων ανά πηγή προέλευσης τους (πηγή European Environment Agency). Πίνακας 1,1: Χημική σύνθεση σωματιδίων και πηγές προέλευσης τους (πηγή Pounce et al., 2012). Στερεά κλάσματα (SOL) Άνθρακας Στάχτη Διαλυτά οργανικά κλάσματα (SOF) Υδρογονάνθρακες Νερό Σωματίδια θειικών ενώσεων (SO x) Θείο Λάδια καυσίμων και λιπαντικών Πρόσθετα και φθορά κινητήρα Λάδια καυσίμων και λιπαντικών Καύσιμο και περιβάλλον Λάδια καυσίμων και λιπαντικών Λάδια καυσίμων και λιπαντικών Τέλος, τα σωματίδια που εκπέμπονται από τα οχήματα έχουν ιδιαίτερα σύνθετη χημική σύσταση, καθώς προέρχονται από οργανικές και ανόργανες ουσίες που εισήχθησαν στον κινητήρα μαζί με το μίγμα καυσίμου-αέρα. Εξαιτίας της διάχυσης και της προανάμειξης των φλογών σε πλούσιο και σε φτωχό μίγμα δημιουργούνται μικρά σωματίδια ή πυρήνες καύσης, ενώ συναντώνται επίσης υδρογονάνθρακες λόγω του άκαυστου καύσιμου και θειικά

14 σωματίδια. Σύμφωνα με ανάλυση που βασίζεται σε συνδυασμό φυσικών και χημικών μεθόδων τα σωματίδια διαχωρίζονται σε τρείς κύριες κατηγορίες (Πίνακας 1,1; Rounce et al., 2012): 1. Στερεά κλάσματα (Solid fraction, SOL): Αποτελούμενα από στοιχειώδη άνθρακα και στάχτη. 2. Διαλυτά οργανικά κλάσματα (Soluble organic fraction, SOF): Αποτελούμενα από οργανική ύλη. 3. Σωματίδια θειικών ενώσεων (Sulphates particulates, SOx): Αποτελούμενα από θειικό οξύ και νιτρικά άλατα. 1.2 Επιδράσεις της σωματιδιακής ρύπανσης Αν και τα περισσότερα σωματίδια παραμένουν αιωρούμενα στην ατμόσφαιρα για σύντομες χρονικές περιόδους (τυπικά μεταξύ τεσσάρων ημερών και μίας βδομάδας) μπορούν να ταξιδεύουν μεγάλες αποστάσεις. Σωματίδια που κινούνται στην ατμόσφαιρα με 5 μέτρα ανά δευτερόλεπτο (m/s) θα διανύσουν χιλιάδες χιλιόμετρα σε μια εβδομάδα. Σύννεφα σκόνης από τη Σαχάρα συχνά διασχίζουν τον Ατλαντικό και μπορούν να φτάσουν μέχρι και στην Καραϊβική. Σωματίδια από την Κίνα και την Ιαπωνία μπορούν να φτάσουν βαθειά μέσα στον Ειρηνικό Ωκεανό, ενώ από τον Καναδά μπορούν να φτάσουν στην Αρκτική. Η σωματιδιακή ύλη είναι ο πλέον σημαντικός ρύπος στην ατμόσφαιρα σε ότι αφορά την υγεία. Σύμφωνα με την επιστημονική κοινότητα, η σύνθεση των λεπτόκοκκων σωματιδίων (PM2.5) στην ατμόσφαιρα διαδραματίζει σημαντικότατο ρόλο στις επιπτώσεις που έχουν στην ανθρώπινη υγεία (Rohr et Wyzga, 2012). Εκτός από την εμφάνιση καρκίνου, η σωματιδιακή ρύπανση ευθύνεται επίσης για προβλήματα στο καρδιαγγειακό και στο κυκλοφορικό σύστημα, επιφέρει αλλαγές στο ανθρώπινο DNA, αποτελεί κίνδυνο για τις εγκύους και επιβαρύνει το ανοσοποιητικό σύστημα. Η αξιολόγηση του 2013 από τον Διεθνή Οργανισμό Υγείας για τον Καρκίνο (International Agency for Research on Cancer, IARC) κατέληξε στο συμπέρασμα ότι η μόλυνση του εξωτερικού αέρα είναι καρκινογόνος για τον άνθρωπο, και πιο συγκεκριμένα ότι τα συστατικά της σωματιδιακής ύλης στην ατμόσφαιρα συνδέονται στενά με την αυξημένη συχνότητα εμφάνισης καρκίνων, κυρίως καρκίνου του πνεύμονα και της ουροδόχου κύστης. Η ρύπανση του εξωτερικού αέρα τόσο σε αστικές όσο και σε αγροτικές περιοχές και η επακόλουθη έκθεση στα χονδρόκοκκα σωματίδια (PM10) εκτιμάται ότι ευθύνεται ετησίως για 3,2 ± 0,4 εκατομμύρια πρόωρους θανάτους παγκοσμίως (Lim et al., 2012). Αξιοσημείωτο είναι το γεγονός ότι οι άνθρωποι που κατοικούν σε χαμηλού και μεσαίου εισοδήματος χώρες βιώνουν δυσανάλογα τις επιπτώσεις από την αέρια ρύπανση, καθώς το 88% των πρόωρων θανάτων συμβαίνουν σε αυτές και μόλις το υπόλοιπο 12% στις υψηλού εισοδήματος χώρες (WHO, 2013). Στην Ασία ενδεικτικά, οι ανθρωπογενείς εκπομπές έχουν αυξηθεί κατά τις τελευταίες δεκαετίες, λόγω του ιλιγγιώδους ρυθμού της αστικοποίησης και της εκβιομηχάνισης. Αντίθετα, τα σωματίδια έχουν μειωθεί στη Βόρεια Αμερική και στην

15 Ευρώπη, καθώς τα εργοστάσια έχουν μετακινηθεί προς τις αναπτυσσόμενες χώρες και οι δυτικές χώρες έχουν υιοθετήσει πιο αυστηρούς κανονισμούς ποιότητας αέρα. Η συνειδητοποίηση από το μέρος της πολιτείας για την αναγκαιότητα ύπαρξης συγκεκριμένης νομοθεσίας για την διασφάλιση της ποιότητας του αέρα, σε συνδυασμό με την συνεχή βελτίωση των αντιρρυπαντικών τεχνολογιών από το μέρος της επιστημονικής κοινότητας, οδηγούν στην θέσπιση όλο και πιο αυστηρών επιτρεπόμενων ορίων συγκέντρωσης των ρύπων στην ατμόσφαιρα. Για την Ευρώπη, τα επιτρεπόμενα όρια για τα σωματίδια περιέχονται στην κοινοτική οδηγία «Directive 2008/50/EC» (European Union Law), την οποία εξέδωσε η Ευρωπαϊκή Ένωση τον Μάιο του 2008 και στην οποία καθορίζονται τα επιτρεπόμενα όρια για όλες τις ρυπογόνες ενώσεις που ευθύνονται για την υποβάθμιση της ποιότητας του ατμοσφαιρικού αέρα, βλάπτοντας έτσι την ανθρώπινη υγεία και την βλάστηση. Τα όρια αυτά που θεσπίζει η ισχύουσα ευρωπαϊκή νομοθεσία για την σωματιδιακή ύλη συνοψίζονται στον Πίνακας 1,2. Πίνακας 1,2: Επιτρεπόμενα όρια σωματιδιακής ύλης για την Ευρωπαϊκή Ένωση (πηγή European Union Law). Ανώτερο όριο εκτίμησης Κατώτερο όριο εκτίμησης Μέσος όρος PM ωρου Μέσος ετήσιος όρος PM 10 (1) Μέσος ετήσιος όρος PM % της οριακής τιμής 70 % της οριακής τιμής 70 % της οριακής τιμής (35 μg/m 3, δεν πρέπει να (28 μg/m 3 ) (17 μg/m 3 ) υπερβαίνεται πάνω από 35 φορές σε ένα έτος) 50% της οριακής τιμής (25 μg/m 3, δεν πρέπει να υπερβαίνεται πάνω από 35 φορές σε ένα έτος) 50 % της οριακής τιμής (20 μg/m 3 ) 50 % της οριακής τιμής (12 μg/m 3 ) (1) : Το ανώτερο και το κατώτερο όριο εκτίμησης για τα PM 2,5 δεν ισχύουν για τις μετρήσεις, για εκτίμησης της συμμόρφωσης με τον στόχο μείωσης της έκθεσης σε PM 2,5 για την προστασία της ανθρώπινης υγείας. Η εξέλιξη των τελευταίων δεκαετιών στην τεχνολογία των μηχανών εσωτερικής καύσης οδήγησε στην αποτελεσματικότερη καύση, συνεπάγοντας την μείωση του μεγέθους των μαύρων σωματιδίων άνθρακα/αιθάλης από μικρόμετρα (μm) σε νανόμετρα (nm) (Morawska et al., 2009). Τα επιτρεπόμενα επίπεδα εκπομπών για τα υπερλεπτόκοκκα σωματίδια από τα καυσαέρια των οχημάτων (βασισμένα στον συνολικό αριθμό συγκέντρωσης των σωματιδίων) περιλαμβάνονται στο πρότυπο Euro5b (Summary of worldwide diesel emission standards). 1.3 Μεθοδολογίες αξιολόγησης ρύπων ελαφρών οχημάτων Από τα παραπάνω γίνεται εμφανές ότι στις μέρες μας, το περιβαλλοντικό αντίκτυπο από την χρήση των οχημάτων είναι σημείο έντονης ανησυχίας. Οι κυβερνήσεις εφαρμόζουν διαφορετικές πολιτικές για να μειώσουν την κατανάλωση καυσίμου και τις εκπομπές ρύπων, δεδομένου ότι υπάρχουν και οικονομικές επιπτώσεις, τόσο από τις ανάγκες υγειονομικής περίθαλψης όσο και από τις ανάγκες για εισαγωγές καυσίμων. Σε μη κυβερνητικό επίπεδο αρκετές μεθοδολογίες αξιολόγησης έχουν αναπτυχθεί. Οι μεθοδολογίες αυτές συγκρίνουν

16 διαφορετικά οχήματα και αξιολογούν τις περιβαλλοντικές τους επιπτώσεις, με σκοπό να ευαισθητοποιήσουν τους τελικούς χρήστες και εξάγουν χρήσιμα συμπεράσματα για την επιστημονική κοινότητα, αποσκοπώντας στην περαιτέρω κατανόηση και μελέτη της συμπεριφοράς των εκπεμπόμενων ρύπων από τα οχήματα. Στον Πίνακας 1,3 φαίνονται μερικές τέτοιες μεθοδολογίες και οι αντίστοιχοι οργανισμοί έκδοσής τους. Οι παραπάνω μεθοδολογίες εφαρμόζονται σε κάθε χώρα και περιλαμβάνουν διαφορετικές παραμέτρους. Μερικές θεωρούν τον ολικό κύκλο ζωής του οχήματος, άλλες μερικό κύκλο ζωής, όλες όμως αξιολογούν την χρήση του οχήματος. Η χρήση του οχήματος είναι μία παράμετρος που αυτή την στιγμή θεωρείται ότι εξαρτάται από την γεωγραφική περιοχή και συνήθως χαρακτηρίζεται με τη χρήση, άμεσα ή έμμεσα, των νομοθετημένων κύκλων των περιοχών για σκοπούς υπολογισμού κατάταξης. Οι κύκλοι οδήγησης που χρησιμοποιούνται θεωρείται ότι αναπαράγουν την συνήθη οδήγηση για κάθε χώρα (Vaidyanathan et Langer, 2011; ADIT, 2004; Timmermans et al., 2006). Πίνακας 1,3: Μεθοδολογίες αξιολόγησης εκπεμπόμενων ρύπων (πηγή Marques et al., 2014). Name Country of origin 1 American Council for an Energy-Efficient Economy (ACEEE) USA 2 Ecoscore Belgium 3 Verkehrsclub Deutschland (VCD) Germany 4 Green Vehicle Guide (GVG) Australia Στην Ευρωπαϊκή Ένωση, οι δοκιμές εκπομπών για έγκριση τύπου οχήματος απαιτούνται από την νομοθεσία για όλα τα νέα ελαφριά-επαγγελματικά και βαριά-επαγγελματικά οχήματα (LDV και HDV αντίστοιχα). Τα καυσαέρια των οχημάτων είναι εγγενώς μεταβαλλόμενα και γι αυτό ο καλύτερος τρόπος για να εξασφαλιστεί η επαναληψιμότητα της δοκιμής εκπομπών είναι η διεξαγωγή της υπό τυποποιημένες εργαστηριακές συνθήκες. Οι μεθοδολογίες για την συλλογή και την ανάλυση των ρύπων καθορίζονται αναλυτικώς από την νομοθεσία. Τα LDV δοκιμάζονται σε πέδη δυναμομέτρησης οχημάτων, ενώ τα HDV σε πέδη δυναμομέτρησης κινητήρα. Το Πρόγραμμα Μέτρησης Σωματιδίων (Particle Measurement Program, PMP) ξεκίνησε το 2001 με την πρωτοβουλία αρκετών ευρωπαϊκών κρατών-μελών, με σκοπό την ανάπτυξη μιας πιο ευαίσθητης και πιο ακριβής μεθοδολογίας μέτρησης από ότι η μέτρηση της μάζας των σωματιδίων (Martini et al., 2009; Andersson et al., 2010). Η μέθοδος μέτρησης του αριθμού στερεών σωματιδίων (Solid Particle Number, SPN), που προτάθηκε από το PMP το 2007, βασισμένη στην μέτρηση στερεών σωματιδίων με μέγεθος > 23 nm, συμπεριλήφθη στην ευρωπαϊκή νομοθεσία για τον έλεγχο των εκπομπών από τα ελαφριά-επαγγελματικά οχήματα το Η στενή συμμετοχή επαγγελματιών της έρευνας και ανάπτυξης στις συζητήσεις του PMP, κατέστησε δυνατό οι διαδικασίες μέτρησης των SPN να γίνουν προσβάσιμες από τους νομοθέτες, τα κέντρα δοκιμών και την αυτοβιομηχανία (Giechaskiel et al., 2012a). Η καινοτόμα προσέγγιση είχε ανάγκη την εισαγωγή νέων ορισμών, ιδίως όσον αφορά στο τι μπορεί να χαρακτηριστεί ως «στερεό» (solid particle number-spn) σωματίδιο. Αν και υπάρχει ακόμα μια συζήτηση σχετικά με το πώς ακριβώς αυτά ορίζονται, θεωρούμε ως μη πτητικά ή στερεά σωματίδια (non-volatile or solid), τα σωματίδια που δεν εξατμίζονται μέχρι τους 350 ο C, ημι-πτητικά (semi-volatile) τα σωματίδια

17 που εξατμίζονται στην περιοχή μεταξύ ο C και πτητικά (volatile) εκείνα που εξατμίζονται εντελώς ήδη πριν τους 100 ο C. Πρέπει λοιπόν, οι εκπομπές και η κατανάλωση καυσίμου των ελαφρών οχημάτων να υπολογιστούν στους κύκλους οδήγησης έτσι ώστε να εγκριθούν. Ο Νέος Ευρωπαϊκός Κύκλος Οδήγησης (New European Driving Cycle-NEDC) αξιολογεί τα επίπεδα εκπομπών των κινητήρων των αυτοκινήτων και την εξοικονόμηση καυσίμου στα επιβατικά οχήματα, εκτός από τα ελαφρά φορτηγά και τα εμπορικά οχήματα. Αναφέρεται και ως κύκλος MVEG (Motor Vehicle Emissions Group) και έχει σχεδιαστεί για να αντιπροσωπεύει την τυπική χρήση ενός αυτοκινήτου στην Ευρώπη. Υπάρχουν όμως, αρκετές μελέτες οι οποίες συγκρίνουν τυπικούς κύκλους με πραγματικές συνθήκες οδήγησης και συχνά προκύπτουν σημαντικές διαφορές της τάξης του 15% για τις εκπομπές διοξειδίου του άνθρακα (CO2) σε συμβατικά οχήματα (Mellios et al., 2011). Συνεπώς η κατανάλωση καυσίμου και οι εκπομπές υποεκτιμούνται. Το πρόβλημα αυτό της υποεκτίμησης οφείλεται στο γεγονός ότι ο τρέχων ευρωπαϊκός κύκλος οδήγησης NEDC δεν προήλθε από την χρήση πραγματικών δεδομένων και δεν είναι αρκετά δυναμικός. Επομένως, γίνονται προσπάθειες να αναπτυχθούν αντιπροσωπευτικοί κύκλοι, βασισμένοι σε πραγματικά δεδομένα από την κίνηση των οχημάτων, όπως για παράδειγμα οι κύκλοι CADC (Common Artemis Driving Cycles) (Andre, 2004). Πίνακας 1,4: Περίληψη των απαιτήσεων εκπομπών σωματιδιακής ύλης και μεθόδων μέτρησης της σε ΕΕ και Η.Π.Α. για Light-Duty (LD) και Heavy-Duty (HD) οχήματα (πηγή Giechaskiel et al., 2014)

18 Πλέον, υπάρχει η επιθυμία για την ανάπτυξη ενός πιο δυναμικού, διεθνώς εναρμονισμένου κύκλου πιστοποίησης, ο οποίος θα μπορούσε να γίνει αποδεκτός από όλες τις νομοθετικές αρχές παγκοσμίως. Το πρωτόκολλο αυτό, ονομαζόμενο ως World harmonized Light-Duty Test Procedure (WLTP), αναπτύσσεται στο πλαίσιο της ευρωπαϊκής επιτροπής United Nations Economic Commission for Europe (UNECE), από ειδικούς από την Ευρώπη, την Ιαπωνία και την Ινδία, ενώ η τελική του έκδοση αναμένεται να αντικαταστήσει τον NEDC με χρονικό ορίζοντα το Παρόμοια πρωτόκολλα έχουν ήδη αναπτυχθεί για μοτοσυκλέτες (WMTC) (UNECE, 2005a) και για βαριά οχήματα (WHDC) (UNECE, 2006). Ο νέος κύκλος θα παρέχει μια καλύτερη αντιπροσώπευση των συνθηκών οδήγησης απ ότι ο NEDC, έτσι ώστε να εξασφαλίζεται ο κατάλληλος έλεγχος των πραγματικών οδηγητικών προτύπων και να προσομοιώνονται ικανοποιητικά οι ευρωπαϊκές συνθήκες οδήγησης, ακόμα και στις υψηλές ταχύτητες (Demuynck et al., 2011). Περισσότερες πληροφορίες για τους κύκλους οδήγησης περιέχονται στο ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ. Στον Πίνακας 1,4 παρουσιάζονται συνοπτικά οι νομοθετικές διαδικασίες που ισχύουν σε ΕΕ και Η.Π.Α., με τον κύκλο οδήγησης που αντιστοιχεί σε κάθε διαδικασία και τα όρια τόσο σωματιδιακής μάζας, όσο και αριθμού σωματιδίων. 1.4 Τρόποι μείωσης εκπομπών σε κινητήρες Κινητήρες πετρελαίου Στα οχήματα που χρησιμοποιούν diesel, δεδομένου ότι παράγουν μεγαλύτερο αριθμό σωματιδίων, έγιναν πολλές αλλαγές και εγκαταστάθηκαν καινούργιες τεχνολογίες προκειμένου να επιτευχθούν οι στόχοι εκπομπής. Μία πολύ σημαντική είναι ο οξειδωτικός καταλύτης (Diesel Oxidation Catalyst-DOC), ο οποίος οξειδώνει το πτητικό τμήμα των σωματιδίων και έτσι μειώνει τη συνολική τους μάζα. Ο οξειδωτικός καταλύτης (Diesel Oxidation Catalyst-DOC) προάγει την οξείδωση των κύριων συστατικών (CO, HC και SOF) των καυσαερίων από κινητήρες ντίζελ και την επεξεργασία τους πριν την ελευθέρωσή τους στο περιβάλλον. Η καταλυτική οξείδωση των αερίων επιταχύνεται μέσω της παρουσίας πολύτιμων μετάλλων, συνήθως πλατίνας, επί υποστρώματος αλουμίνας (Pt/Al2O3). Ο DOC λειτουργεί ικανοποιητικά πάνω από τους 250 ο C. Οι συνολικές εκπομπές NOx δεν παρουσιάζουν αλλαγές μέσα στον οξειδωτικό καταλύτη. Αντιθέτως μάλιστα, το NO μετασχηματίζεται στο πιο επικίνδυνο NO2. Για τον λόγο αυτό, χρησιμοποιείται η ανακυκλοφορία καυσαερίου στην οποία μέρος του καυσαερίου επανεισάγεται στον κινητήρα με αποτέλεσμα την μείωση της θερμοκρασίας της καύσης, η οποία οδηγεί σε μείωση του σχηματισμού ΝΟx. Ακόμη, η έγχυση του καυσίμου πραγματοποιείται πλέον με εγχυτήρες υψηλής πίεσης, οι οποίοι δημιουργούν υψηλή διασπορά στο καύσιμο με αποτέλεσμα την καλύτερη καύση και τη μείωση των εκπομπών σωματιδίων. Χρησιμοποιείται επίσης και προκαταλύτης (Pre-DOC), ο οποίος τοποθετείται πιο κοντά στην εξαγωγή του κινητήρα, με αποτέλεσμα να θερμαίνεται γρηγορότερα και να υπάρχει ταχύτερη μείωση των εκπομπών σωματιδίων. Στους diesel κινητήρες φορτηγών, αλλά πλέον και σε μεγάλους κινητήρες επιβατικών οχημάτων, χρησιμοποιείται καταλύτης τύπου Selective

19 Catalytic Reduction (SCR), στον οποίο γίνεται έγχυση αμμωνίας στη ροή του καυσαερίου. Η αμμωνία, η οποία παράγεται σε καταλύτη μέσω υδρόλυσης της ουρίας, αντιδρά με τα NOx, ανάγοντάς τα σε άζωτο και νερό, μειώνοντας έτσι σημαντικά τις συνολικές εκπομπές NOx (Ντζιαχρήστος, 2010). Τον πιο καθοριστικό ρόλο στην δέσμευση των σωματιδίων από κινητήρες ντίζελ έχει ίσως διαδραματίσει η χρήση της παγίδας αιθάλης (Diesel Particulate Filter-DPF), η οποία συγκρατεί σχεδόν το σύνολο της μάζας των σωματιδίων. Η απόδοση του φιλτραρίσματος είναι πάνω από 90%, με αποτέλεσμα οι εκπομπές των ντίζελ να έχουν πέσει στα ίδια ή και μικρότερα επίπεδα με τα αυτοκίνητα βενζίνης. Η παγίδα αιθάλης είναι κυρίως αποδοτική στην δέσμευση των στερεών κλασμάτων των σωματιδίων (SOL), περιλαμβανομένων των ενώσεων αιθάλης (Soot). Τα καυσαέρια αναγκάζονται να περάσουν διαμέσου των πορώδων τοιχωμάτων των κεραμικών καναλιών, τα οποία διαχωρίζουν τα σωματίδια από τα υπόλοιπα καυσαέρια με εναπόθεση. Κατά την διάρκεια λειτουργίας της, όλο και περισσότερα σωματίδια συσσωρεύονται στα τοιχώματα της παγίδας αυξάνοντας κατά μήκος της την απόδοση φιλτραρίσματος. Τα υλικά των παγίδων όμως, έχουν σχεδιαστεί να συγκρατούν συγκεκριμένη ποσότητα σωματιδίων. Σε περίπτωση υπερ-συγκέντρωσης υπάρχει κίνδυνος για απόφραξη και συνεπώς καταστροφή της παγίδας. Ταυτόχρονα η πτώση πίεσης στην εξαγωγή αυξάνεται, γεγονός που οδηγεί στην αύξηση της κατανάλωσης καυσίμου. Γι αυτό είναι αναγκαίο η παγίδα να αναγεννιέται ανά τακτά χρονικά διαστήματα. Η πλειοψηφία των αναγεννήσεων των παγίδων αιθάλης χρησιμοποιούν θερμικές αναγεννήσεις, κατά την διάρκεια των οποίων τα σωματίδια οξειδώνονται για να παράγουν αέρια προϊόντα. Η θερμοκρασία των καυσαερίων είναι συνήθως πολύ μικρή για να διατηρήσει αυτόματη αναγέννηση στην παγίδα. Το πρόβλημα αυτό λύνεται είτε (1) μειώνοντας την απαιτούμενη θερμοκρασία οξείδωσης της αιθάλης σε ένα επίπεδο, το οποίο επιτυγχάνεται σε χαμηλότερες θερμοκρασίες είτε (2) αυξάνοντας την θερμοκρασία της παγίδας, παρέχοντας ενέργεια από το καύσιμο ή από ηλεκτρικό θερμαντήρα, μέχρι να αρχίσει η οξείδωση της παγιδευμένης αιθάλης. Η πρώτη μέθοδος ονομάζεται παθητική αναγέννηση (passive) και στηρίζεται στην οξείδωση του NO σε NO2, το οποίο επιτρέπει την οξείδωση της αιθάλης σε χαμηλότερες θερμοκρασίες και η δεύτερη ενεργή αναγέννηση (active). Ο οδηγός δεν συμμετέχει καθόλου στην διαδικασία της αναγέννησης. Άλλος τρόπος μείωσης των εκπομπών είναι η χρησιμοποίηση βιοκαυσίμου (biofuel) αντί για πετρέλαιο ή βενζίνη. Με τον όρο βιοκαύσιμα εννοούμε τους μεθυλεστέρες λιπαρών οξέων, οι οποίοι παράγονται μέσω της εστεροποίησης φυτικών ελαίων. Η χρήση βιοκαυσίμου μειώνει τις εκπομπές CO2 κατά 50 με 80% σε σχέση με το diesel. Τα κυριότερα είναι: Το βιοντίζελ: παράγεται από φυτικά έλαια και ζωικά λίπη. Αποτελεί ένα άριστο υποκατάστατο του συμβατικού ντίζελ και μπορεί να χρησιμοποιείται αυτούσιο σε μίγματα με αυτό στους ήδη υπάρχοντες πετρελαιοκινητήρες. Η βιοαιθανόλη: παράγεται από σακχαρούχα, κυτταρινούχα και αμυλούχα φυτά και μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε μίγματα με την βενζίνη. Το βιοαέριο: παράγεται από οργανικά., αγροτοβιομηχανικά και άλλα απόβλητα και υπολείμματα, καθώς και από ενεργειακά φυτά. Τα πέλλετς και οι μπρικέττες: παράγονται από γεωργική και δασική βιομάζα

20 Τα βιοκαύσιμα 2 ης γενιάς: παράγονται από λιγνοκυτταρική βιομάζα, γεωργικά υπολείμματα ή απόβλητα. Το βιοντίζελ είναι το πρώτο ανανεώσιμο καύσιμο, πλήρως συμβατό με το συμβατικό ντίζελ και το πιο πολυχρησιμοποιημένο ανανεώσιμο καύσιμο στους κινητήρες με έναυση συμπίεσης (compression ignition-ci). Οι τεχνολογίες παραγωγής του, ως πρώτης γενιάς βιοκαυσίμου, βασίζονται στην αντίδραση των τριγλυκεριδίων των πρώτων υλών με μία αλκοόλη μικρού μοριακού βάρους (μεθανόλη) με την χρήση ισχυρών ομογενών καταλυτών, κυρίως βασικών, όπως υδροξειδίων (KOH ή NaOH), μεθοξειδίων (CH3ONa) κ.ά.. Παράγεται από καθαρά φυτικά έλαια με χαμηλή οξύτητα (<1,5%) όπως ηλιέλαιο, κραμβέλαιο, σογιέλαιο, φοινικέλαιο και βαμβακέλαιο. Τα σημαντικότερα μειονεκτήματα της παραγωγής του αφορούν στην ανταγωνιστικότητα των πρώτων υλών με τα τρόφιμα, στην παραγωγή ακάθαρτης γλυκερίνης και στην κατανάλωση μεθανόλης και KOH, NaOH ή CH3ONa. Το δεύτερης γενιάς βιοκαύσιμο παράγεται από όξινα χρησιμοποιημένα και απόβλητα φυτικά λάδια, λιπαρά οξέα και απόβλητα ή υπολειμματικά ζωικά λίπη. Οι βιώσιμες τεχνολογίες παραγωγής του απαιτούν την προεπεξεργασία των πρώτων υλών για την μετατροπή των ελεύθερων λιπαρών οξέων σε εστέρες (βιοντίζελ) και την εν συνεχεία μετατροπή των υπαρχόντων τριγλυκεριδίων σε βιοντίζελ ή την ταυτόχρονη μετατροπή των οξέων και των τριγλυκεριδίων σε βιοντίζελ. Οι νέες διεργασίες κάνουν χρήση νέων ετερογενών στερεών καταλυτών (όξινων, βασικών και ενζυμικών). Τα πλεονεκτήματα του βιοντίζελ 2 ης γενιάς είναι η χρήση πρώτων υλών που χαρακτηρίζονται ως απόβλητες ή υπολειμματικές, η παραγωγή καθαρής γλυκερίνης και το γεγονός ότι δεν καταναλώνεται καταλύτης. Το βιοντίζελ τρίτης γενιάς παράγεται από έλαια που προέρχονται κυρίως από μικροφύκη (άλγη). Η πλειοψηφία της επιστημονικής κοινότητας συμφωνεί ότι οι εκπομπές άκαυστων συνολικών υδρογονανθράκων (THC) και οι εκπομπές μονοξειδίου του άνθρακα από το βιοντίζελ είναι χαμηλότερες από τις αντίστοιχες του συμβατικού ντίζελ. Ένα από τους σημαντικότερους λόγους για αυτό, είναι η περιεκτικότητα του βιοντίζελ σε οξυγόνο, γεγονός το οποίο προκαλεί μια πιο πλήρης και πιο καθαρή διαδικασία καύσης. Από την άλλη μεριά, σχετικές μελέτες έχουν δείξει επίσης ότι οι εκπομπές των NOx αυξάνονται με την χρήση βιοντίζελ (Chauhan et al., 2013) δυσκολεύοντας έτσι την ευρύτερη υιοθέτηση και χρήση του. Ένας ενδεικνυόμενος τρόπος για μείωση των επιπέδων των NOx είναι ο σχεδιασμός του κινητήρα με ανακυκλοφορία καυσίμου (exhaust gas recirculation-egr), όμως η τεχνολογία αυτή δεν είναι αποτελεσματική στην ταυτόχρονη αφαίρεση τόσο των εκπομπών NOx, όσο και των σωματιδιακών ρύπων από τα καυσαέρια (Lahde et al., 2010). Γαλακτωματοποιημένα βιοντίζελ, με οξυγονούχα πρόσθετα και νερό με διαλυτικά πρόσθετα έχουν επίσης χρησιμοποιηθεί για να μειώσουν ταυτόχρονα NOx και PM. Όταν καθαρό biodiesel χρησιμοποιείται αντί συμβατικού diesel, έχει παρατηρηθεί μείωση της ισχύος του κινητήρα κατά 5,6% και αύξηση έως και 7% της κατανάλωσης καυσίμου (Lopez et al., 2014). Επιπλέον, για τα καύσιμα με 100% biodiesel έχουν αναφερθεί προβλήματα λόγω παραγωγής οξειδωτικών προϊόντων, τα οποία σχετίζονται με την διάβρωση του συστήματος καυσίμου και την δημιουργία ιζημάτων. Συνεπώς στις περισσότερες περιπτώσεις, θεωρείται ότι τα μείγματα μέχρι 20% biodiesel (B20) δεν προκαλούν κάποια μείωση στην απόδοση του

21 κινητήρα. Οι μέχρι τώρα μελέτες έχουν αποδείξει ότι το Β20 είναι ένα πρακτικό καύσιμο, το οποίο μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε κάθε κινητήρα diesel χωρίς καθόλου προφυλάξεις ή αλλαγές. Ωστόσο, πολύ αποθαρρύνουν έντονα την χρήση των μειγμάτων άνω του 20%, κυρίως εξαιτίας των πιθανών επιδράσεων των συγκεκριμένων υψηλότερης περιεκτικότητας μειγμάτων στον εξοπλισμό και στο σύστημα καυσίμου, που δεν έχουν εξεταστεί διεξοδικά μέχρι σήμερα. Υπάρχουν πρόσθετες ανησυχίες σχετικά με την επίδραση της αυξημένης περιεκτικότητας σε biodiesel (άνω του 20%) στις ιδιότητες της ψυχρής ροής, στην συμβατότητα των υλικών, στην σταθερότητα του καυσίμου, στο ενεργειακό περιεχόμενο, στις εκπομπές και στην συνολική διαχείριση Κινητήρες βενζίνης Η συνεχώς αυξανόμενη τιμή των καυσίμων, σε συνδυασμό με τα όλο και πιο αυστηρά επιτρεπόμενα όρια εκπομπών από την νομοθεσία, απαιτεί την βελτίωση της απόδοσης του κινητήρα. Δεδομένου ότι οι κινητήρες με καρμπυρατέρ δεν μπορούν να κρατήσουν τον λόγο αέρα-καυσίμου κοντά στην στοιχειομετρική τιμή σε ιδιαίτερα δυναμικές συνθήκες λειτουργίας, οι καταλυτικοί μετατροπείς δεν μπορούν να λειτουργήσουν με υψηλή απόδοση. Επομένως, αυτοί οι κινητήρες έχουν υψηλές τιμές εκπομπών και χαμηλή απόδοση. Τα ηλεκτρονικά ελεγχόμενα συστήματα Port Fuel Injection (PFI) χρησιμοποιούνται στην θέση των συστημάτων με καρμπυρατέρ από την δεκαετία του 80. Στα συστήματα αυτά, ο εισερχόμενος αέρας μπορεί να μετρηθεί με ακρίβεια και με την χρήση του αισθητήρα λάμδα, ο λόγος αέρα-καυσίμου μπορεί να διατηρήσει σταθερή τιμή. Όμως, παρά τα πλεονεκτήματά του, το σύστημα PFI δεν μπορεί να ανταπεξέλθει στις συνεχώς αυξανόμενες απαιτήσεις σχετικά με απόδοση, νομοθεσία εκπομπών και οικονομία καυσίμου στην σημερινή εποχή (Stone, 1999). Τα ηλεκτρονικά συστήματα άμεσης έγχυσης (Gasoline Direct Injection, GDI), άρχισαν να ανταγωνίζονται τα συστήματα PFI από την δεκαετία του 90. Οι παράμετροι που έχουν την μεγαλύτερη επίδραση στην απόδοση του κινητήρα είναι το ο λόγος συμπίεσης και ο λόγος αέρα-καυσίμου. Η επίδραση της αύξησης του λόγου συμπίεσης είναι η αύξηση της αποδιδόμενης ισχύος και η μείωση της κατανάλωσης καυσίμου. Η μέγιστη απόδοση (ή ελάχιστη ειδική κατανάλωση καυσίμου) συμβαίνει με ένα μείγμα που είναι λίγο κάτω από την στοιχειομετρία. Οι κινητήρες PFI δουλεύουν με στοιχειομετρικό λόγο αέρα-καυσίμου, οπότε είναι αδύνατο να βελτιωθεί επιπλέον η οικονομία καυσίμου. Σε αυτούς τους κινητήρες ο λόγος αέρα-καυσίμου είναι περίπου 9:1-10:1. Για την αποφυγή του «χτυπήματος» του κινητήρα, ο λόγος συμπίεσης δεν μπορεί να αυξηθεί περισσότερο. Για τον ίδιο όγκο κινητήρα, η αυξανόμενη ογκομετρική απόδοση συνεπάγεται επίσης αύξηση της αποδιδόμενης ισχύος. Ο λόγος συμπίεσης στους GDI κινητήρες μπορεί να φτάσει μέχρι 12:1 (Kume, 1996). Το χτύπημα του κινητήρα αποφεύγεται, καθώς μόνο ο αέρας συμπιέζεται σε χαμηλά και μεσαία φορτία. Σε πλήρες φορτίο, καθώς το καύσιμο εγχέεται στον κύλινδρο, ο εισαγόμενος αέρας ψύχεται και μειώνεται έτσι η τάση για την εμφάνιση του χτυπήματος. Στους κινητήρες GDI, η κατανάλωση καυσίμου μπορεί να μειωθεί μέχρι και 20%, και μία βελτίωση της τάξης του 10% μπορεί νε επιτευχθεί στην αποδιδόμενη ισχύ, σε σχέση με τους παραδοσιακούς κινητήρες PFI (Fan et al., 1999). Οι κινητήρες GDI είναι ιδανικοί για εφαρμογές με συμπιεστή (turbocharger), καθώς έτσι πετυχαίνεται ακόμα μεγαλύτερη αντίσταση στην

22 εμφάνιση χτυπήματος στον κινητήρα κυρίως σε υψηλά φορτία και χαμηλές ταχύτητες κινητήρα. Οι κινητήρες GDI με συμπιεστή κάνουν δυνατή την παραγωγή κινητήρων μικρότερου εκτοπίσματος, υψηλότερης απόδοσης καυσίμου, χαμηλότερων εκπομπών και υψηλότερης ισχύος. Επιπλέον, οι κινητήρες GDI βοηθούν στην εξάλειψη των μειονεκτημάτων των τυπικών συμπιεστών (όπως turbo lag, λιγότερη εξοικονόμηση καυσίμου) και παρέχουν βιώσιμες λύσεις κινητήρων (Celik and Ozdalyan, 2010). Οι περισσότεροι κινητήρες άμεσης έγχυσης GDI λειτουργούν με μοναδιαίο λόγο αέρακαυσίμου (ομογενής ή στοιχειομετρική καύση). Σε μια προσπάθεια για περαιτέρω μείωση της κατανάλωσης καυσίμου, σε συνθήκες μερικού φορτίου επιλέγεται η λειτουργία του κινητήρα με φτωχό μείγμα (στρωματοποιημένη καύση). Η στρωματοποιημένη καύση (stratified) χρησιμοποιείται παραδοσιακά στους κινητήρες diesel, όπου το καύσιμο εγχέεται σε μία καμπυλότητα, ήδη φορτισμένη με αέρα ο οποίος περιστρέφεται. Στους κινητήρες diesel μόλις το καύσιμο εγχυθεί, αναμειγνύεται με τον αέρα στιγμιαία και καίγεται. Η καύση γίνεται μόνο στην κεντρική περιοχή. Οι εξωτερικές περιοχές του κυλίνδρου παραμένουν φορτισμένες με καθαρό αέρα, ο οποίος δρα σαν μόνωση μεταξύ του καιγόμενου καυσίμου και των τοιχωμάτων του κυλίνδρου. Αυτή η κατάσταση οδηγεί σε μεγαλύτερη μετατροπή της θερμότητας σε ισχύ, αντί να μεταφέρεται στο σύστημα ψύξης. Επιπλέον, ο συνολικός λόγος αέρα-καυσίμου είναι πολύ πιο υψηλός, δίνοντας στην συγκεκριμένη στρωματοποιημένη μέθοδο ξεκάθαρα πλεονεκτήματα τόσο σε εξοικονόμηση καυσίμου όσο και σε εκπομπές. Η χρήση μόνο της συγκεκριμένης μεθόδου σε κινητήρες βενζίνης δεν θεωρείται βιώσιμη επιλογή, κυρίως επειδή η βενζίνη έχει διαφορετικές ιδιότητες από το diesel, οδηγώντας σε μείωση της αποδιδόμενης ισχύος. Για αυτό επιλέγεται ο συνδυασμός των δύο μεθόδων. Δηλαδή, όταν ο κινητήρας λειτουργεί υπό φορτίο ή απαιτείται επιτάχυνση επιλέγεται η ομογενής λειτουργία, ενώ όταν δεν υπάρχει φορτίο χρησιμοποιείται η στρωματοποιημένη λειτουργία. Το εγχεόμενο καύσιμο συγκεντρώνεται κοντά στο μπουζί, η περιοχή αυτή έχει πλούσιο μείγμα, ενώ στο υπόλοιπο μέρος του κυλίνδρου περιέχει πολύ φτωχό μείγμα. Η χρήση αυτής της μεθόδου μπορεί αν επιφέρει μείωση κατά 40% στην κατανάλωση καυσίμου, στην περίπτωση που ο κινητήρας λειτουργεί σε πολύ χαμηλά φορτία. Οι κινητήρες βενζίνης που λειτουργούν υπό στοιχειομετρικές συνθήκες μπορούν να ικανοποιήσουν όλα τα τωρινά επιτρεπόμενα όρια εκπομπών καυσαερίων, χάρις στον τριαδικό καταλύτη (Three-Way Catalyst, TWC). Ο συγκεκριμένος καταλύτης είναι πολύ αποτελεσματικός για την δέσμευση των CO, HC και NOx για ομογενής λειτουργία (λ=1). Σε στρωματοποιημένη λειτουργία οι εκπομπές NOx δεν μπορούν να μετατραπούν πλήρως σε αβλαβή αέρια και απαιτείται η χρήση καταλύτη αποθήκευσης NOx. Στους GDI κινητήρες οι εκπομπές CO είναι πολύ χαμηλές, καθώς όπως είπαμε λειτουργούν με φτωχό μείγμα σε μερικά φορτία και με στοιχειομετρικό μείγμα σε πλήρες φορτίο. Εξαιτίας της ύγρανσης του εμβόλου και των τοιχωμάτων του κυλίνδρου με υγρό καύσιμο, οι εκπομπές υδρογονανθράκων είναι αυξημένες. Οι εκπομπές αιθάλης συμβαίνουν σε πολύ πλούσια μείγματα, δηλαδή όταν ο κινητήρας λειτουργεί με στρωματοποιημένη καύση. Για τα σωματιδιακή μάζα (PM) μπορεί να επιτευχθεί μια τιμή σημαντικά χαμηλότερη από το προτεινόμενο επιτρεπόμενο όριο, ενώ για το αντίστοιχο προτεινόμενο όριο για τον αριθμό των σωματιδίων (PN) είναι πιο δύσκολο να επιτευχθεί. Τα καυσαέρια από τους κινητήρες

23 βενζίνης μπορούν να φιλτραριστούν σε ένα επιπρόσθετο, πολύ κοστοβόρο, σύστημα παγίδας αιθάλης. Την ίδια ώρα, η αυξημένη πτώση πίεσης που θα επιφέρει η χρήση της παγίδας θα έχει αρνητική επίδραση στην απόδοση του οχήματος, στην κατανάλωση καυσίμου, αλλά και στις εκπομπές CO2. Τέλος οι εκπομπές NOx είναι μέγιστες για υψηλές θερμοκρασίες κυλίνδρου και λ=1.1. Οπότε, οι εκπομπές NOx είναι ιδιαίτερα υψηλές κυρίως σε πλήρες φορτίο. Στον καταλύτη αποθήκευσης NOx, συστατικά όπως το βάριο (Ba) και ασβέστιο (Ca) χρησιμοποιούνται για την δέσμευση NOx σε φτωχά μείγματα. Η λειτουργία του καταλύτη συνοψίζεται σε τρία στάδια: συσσώρευση NOx, απελευθέρωση NOx και μετατροπή. Τα οξείδια του αζώτου αντιδρούν με τα οξείδια του βαρίου και παράγεται νιτρίδιο του βαρίου (Ba(NO3)2). Στην συνέχεια για την μετατροπή, ο κινητήρας λειτουργεί στιγμιαία σε πλούσια ομογενή φάση. Λόγω του πλούσιο μείγματος, εμφανίζεται CO στα καυσαέρια, το οποίο αντιδρά με τα νιτρίδια του βαρίου και παράγονται CO2, BaO και NO (φάση απελευθέρωσης NOx). Έπειτα, το ΝΟ αντιδρά με το CO και παράγονται με την σειρά τους N2 και CO2 (φάση μετατροπής). Ο καταλύτης λειτουργεί ικανοποιητικά σε θερμοκρασίες ο C. Για λ=1, η λειτουργία του συγκεκριμένου καταλύτη είναι ίδια με την λειτουργία του TWC. Ένα σύστημα ανακυκλοφορία καυσίμου (Exhaust Gas Recirculation System, EGR) είναι απαραίτητο. Με εξαίρεση των υψηλών φορτίων, το EGR χρησιμοποιείται ευρέως για τον έλεγχο των εκπομπών NOx (Alkidas, 2007). 1.5 Σκοπός της εργασίας Σκοπός αυτής της εργασίας είναι η παρατήρηση και ανάλυση της επίδρασης των τεχνολογιών αντιρρύπανσης που χρησιμοποιούνται σήμερα για τη μείωση των σωματιδιακών εκπομπών. Για την επίτευξη του σκοπού αυτού, πραγματοποιήθηκαν πειραματικές μετρήσεις υπό συνθήκες που προσομοιώνουν τις πραγματικές συνθήκες οδήγησης. Επίσης, χρησιμοποιήθηκαν οχήματα αντιπροσωπευτικά του στόλου των οχημάτων που κυκλοφορούν στο δρόμο και υποβλήθηκαν σε διαφορετικούς κύκλους οδήγησης για την διεξοδικότερη ανάλυση των αποτελεσμάτων. Η αποτελεσματικότητα δέσμευσης σχεδόν του συνόλου των σωματιδίων από την παγίδα αιθάλης, αναδεικνύεται από τα αποτελέσματα των πειραματικών μετρήσεων της συγκεκριμένης διπλωματικής εργασίας. Επίσης, μελετάται η συνολική συμπεριφορά της δεσμευτικής απόδοσης της παγίδας, καθώς επίσης και η επίδραση της αναγέννησής της, τόσο στις εκπομπές σωματιδίων, όσο και στην κατανάλωση καυσίμου. Από τα αποτελέσματα αναδεικνύεται επίσης η χρησιμότητα της παγίδας αιθάλης, καθώς συγκρίνονται οι εκπομπές σωματιδίων από οχήματα με και χωρίς παγίδα. Επιπλέον, μελετάται η επίδραση στις εκπομπές των σωματιδίων από την χρήση καυσίμου biodiesel 2 ης γενιάς. Τέλος, στη συγκεκριμένη διπλωματική εργασία, γίνεται μια ανάλυση για την επίδραση που επιφέρει ο τρόπος εισαγωγής του μείγματος αέρα-καυσίμου στους κινητήρες βενζίνης και στις δυνατότητες βελτίωσης του συστήματος έγχυσης

24 2. ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΟ ΥΠΟΒΑΘΡΟ 2.1 Μετρήσεις εκπομπών υπό ελεγχόμενες συνθήκες Οι εκπομπές των επιβατικών οχημάτων μπορούν να μετρηθούν υπό ελεγχόμενες συνθήκες σε εργαστήρια. Αυτές οι μετρήσεις πραγματοποιούνται είτε σε πέδη δυναμομέτρησης οχημάτων είτε σε πέδη δυναμομέτρησης κινητήρα. Σε αυτές τις περιπτώσεις, οι χειριστές της δοκιμής έχουν τον έλεγχο στον κύκλο οδήγησης που ακολουθείται, στις περιβαλλοντικές συνθήκες και σε άλλες παραμέτρους, συμβάλλοντας έτσι στην επαναληψιμότητα των αποτελεσμάτων. Σύμφωνα με την νομοθεσία, τα σωματίδια για τα ελαφρά-επαγγελματικά οχήματα (LDV) συλλέγονται με τη συλλογή δείγματος αραιωμένων καυσαερίων κατά την διάρκεια ενός συγκεκριμένου κύκλου οδήγησης σε πέδη δυναμομέτρησης (Berg, 2003). Για τα βαριάεπαγγελματικά οχήματα (HDV) η αντίστοιχη διαδικασία γίνεται σε πέδη δυναμομέτρησης κινητήρα. Μία πέδη δυναμομέτρησης προσομοιώνει την ισχύ της συνολικής αντίστασης κατά την οδήγηση, η οποία επιβάλλεται στους τροχούς ενός οχήματος και η οποία προκύπτει από το άθροισμα της αεροδυναμικής αντίστασης του οχήματος, με την αντίσταση κίνησης του οχήματος σε συγκεκριμένη ταχύτητα. Οι κινητήριοι τροχοί του οχήματος τοποθετούνται πάνω στους κυλίνδρους της πέδης και το όχημα δένεται στο έδαφος ώστε να παραμένει σταθερό κατά την διάρκεια διεξαγωγής της δοκιμής (Εικόνα 2,1). Οι κύλινδροι συνδέονται μέσω κιβωτίου ταχυτήτων με ηλεκτροκινητήρα και περιστρέφονται ώστε να προσομοιώνουν πραγματική αντίσταση οδήγησης. Το φορτίο που εφαρμόζεται στο όχημα μέσω των κυλίνδρων μπορεί να ρυθμιστεί με σκοπό την προσομοίωση της αεροδυναμικής αντίστασης για το υπό δοκιμή όχημα, ενώ το μέγεθος των κυλίνδρων και η επιλογή των σφονδύλων αδρανείας υπολογίζονται ως αδράνεια του οχήματος. Εικόνα 2,1: Υπό εξέταση όχημα, τοποθετημένο πάνω στους κυλίνδρους της πέδης δυναμομέτρησης

25 Ο οδηγός του οχήματος ακολουθεί ένα προκαθορισμένο προφίλ ταχύτητας ως προς τον χρόνο, με τις αντίστοιχες αλλαγές στις σχέσεις ταχύτητας να εμφανίζονται σε ένα μόνιτορ (Εικόνα 2,2). Ο οδηγός λειτουργεί το όχημα ώστε να ταιριάξει την απαιτούμενη ταχύτητα στα διαφορετικά στάδια του κύκλου οδήγησης. Οι κύκλοι οδήγησης σε πέδη δυναμομέτρησης είναι συνήθως μεταβλητής κατάστασης (ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ) και επομένως ο οδηγός πρέπει να προλαμβάνει και να συμμορφώνεται με τις αλλαγές στην απαιτούμενη ταχύτητα μέσα σε μια συγκεκριμένη ανοχή (Wang et al., 1997). Έμπειροι οδηγοί είναι ικανοί να ταιριάζουν την ταχύτητα του οχήματος πολύ κοντά στο καθιερωμένο προφίλ. Υπερβολικές παραβάσεις των ορίων ανοχής οδηγούν στην μη αξιοπιστία των αποτελεσμάτων και της μέτρησης. Μπροστά από το όχημα τοποθετείται ανεμιστήρας, ο οποίος ρυθμίζεται ανάλογα με την ταχύτητα του οχήματος και παρέχει τον απαραίτητο αέρα για την ψύξη του κινητήρα του οχήματος. Εικόνα 2,2: Πειραματική διάταξη σε πέδη δυναμομέτρησης και οθόνη απεικόνισης του υπό δοκιμή κύκλου οδήγησης. Ο ρυθμός ροής των καυσαερίων παρακολουθείται συνεχώς και τα καυσαέρια του οχήματος συλλέγονται σε δειγματοληπτικούς σάκους για περαιτέρω ανάλυση, ή υποβάλλονται σε επεξεργασία σε απευθείας σύνδεση με αναλυτές καυσαερίων, συνδεδεμένους στη γραμμή δειγματοληψίας, η οποία μπορεί να περιλαμβάνει αραίωση με φιλτραρισμένο ατμοσφαιρικό αέρα. Επειδή οι δυναμομετρικές εγκαταστάσεις είναι σχεδιασμένες να ικανοποιούν κανονιστικά πρότυπα, τα αποτελέσματά τους είναι αρκετά ακριβή εφόσον χρησιμοποιούνται κατάλληλα προγράμματα βαθμονόμησης και συντήρησης Ένα μειονέκτημα της δοκιμής σε πέδη δυναμομέτρησης είναι ότι δεν ανταποκρίνονται απαραίτητα οι εκπομπές των οχημάτων με αυτές σε πραγματικές συνθήκες οδήγησης. Αυτό οφείλεται στο περιορισμένο εύρος των συνθηκών δοκιμών και ειδικότερα, οι τιμές της αντίστασης οδήγησης, που προσομοιώνουν το φορτίο του δρόμου λαμβάνονται από coast-down δοκιμές οχημάτων υπό τεχνητές ευνοϊκές συνθήκες, και γι αυτό συχνά υποεκτιμούνται η κατανάλωση και οι εκπομπές σε σχέση με την πραγματικότητα (Mellios et al., 2011)

26 2.2 Σύστημα αραίωσης σταθερού όγκου Στην δειγματοληψία σωματιδίων υπό εργαστηριακές συνθήκες, η αραίωση είναι ουσιώδης στο να μιμηθεί, τουλάχιστον σε κάποιο βαθμό, τις μετατροπές των σωματιδίων από τα καυσαέρια στο ατμοσφαιρικό περιβάλλον. Η πιο συνηθισμένη μέθοδος αραίωσης είναι η αραίωση όλων των καυσαερίων σε ένα κανάλι σταθερής παροχής όγκου, Constant Volume Sampling-CVS (Εικόνα 2,3). Με την σωστή αραίωση αποφεύγεται η συμπύκνωση των πτητικών συστατικών των καυσαερίων, κυρίως του νερού, στα τοιχώματα των σωλήνων είτε εξάτμισης είτε δειγματοληψίας, βελτιώνοντας έτσι την ακρίβεια της μέτρησης. Η σταθεροποίηση των καυσαερίων μειώνει τις διακυμάνσεις της πίεσης και της θερμοκρασίας, απλοποιώντας έτσι την διαδικασία δειγματοληψίας. Επιπλέον, η αραίωση μειώνει την συγκέντρωση και την θερμοκρασία των σωματιδίων από τα αρχικά επίπεδα των καυσαερίων στο μετρητικό εύρος των τυπικών αισθητήρων σωματιδίων. Ακόμα και για τους σύγχρονους κινητήρες με χαμηλές συγκεντρώσεις σωματιδίων, η δειγματοληψία χωρίς αραίωση των καυσαερίων θα είχε δυσμενείς επιπτώσεις στην λειτουργία και αντοχή των οργάνων. Εικόνα 2,3: Πειραματική διάταξη δειγματοληψίας σταθερού όγκου. Οι συνεχείς αντιδράσεις και οι μετατροπές ανάμεσα σε αέρια και σωματιδιακά είδη κατά την διάρκεια της μεταφοράς συνεπάγονται μεταβλητότητα και αβεβαιότητες που είναι δύσκολο να υπολογιστούν. Επομένως, με την αραίωση των καυσαερίων συνήθως προσπαθούμε να «παγώσουμε» την κατανομή του μεγέθους των σωματιδίων πριν την μέτρηση. Μόνο πολύ λίγα είδη οργάνων μπορούν να πάρουν δείγμα και να μετρήσουν τα υψηλής θερμοκρασίας μη-αραιωμένα καυσαέρια. Επειδή το σύστημα CVS παίρνει δείγματα και αραιώνει όλα τα καυσαέρια του κινητήρα, πρέπει να λειτουργεί σε πολύ υψηλές ταχύτητες ροής, ειδικά όταν δοκιμάζονται μεγάλοι κινητήρες. Το σύστημα CVS του Εργαστηρίου Εφαρμοσμένης Θερμοδυναμικής χρησιμοποιεί φίλτρο High Efficiency Particle Air (HEPA) και φίλτρα υδρογονανθράκων, τα οποία

27 παρέχουν «background» αέρα χωρίς σωματίδια και με χαμηλούς υδρογονάνθρακες. Δεδομένου ότι ο σχεδιασμός και η λειτουργία των συστημάτων ποικίλει μεταξύ των εγκαταστάσεων δοκιμών, γίνονται προσπάθειες να βελτιωθεί η επαναληψιμότητα μεταξύ διαφορετικών εργαστηρίων με την ανάπτυξη ειδικών κανονισμών. Η Εικόνα 2,4 απεικονίζει τις διαδικασίες που υφίστανται τα σωματίδια από την καύση στον κύλινδρο του κινητήρα μέχρι την μέτρηση διαμέσου του καναλιού αραίωσης Σταθερού Όγκου. Στον θάλαμο καύσης, πρώιμα σωματίδια (10-30 nm σφαιρίδια) σχηματίζουν μόρια διαμέσου της πυρόλυσης του καυσίμου (και του λιπαντικού), στις τοπικά πλούσιες σε καύσιμο περιοχές του μίγματος καύσης. Το μέγεθος και η συγκέντρωση αυτών των πρώιμων σωματιδίων εξαρτάται από την καύση, το καύσιμο και τις συνθήκες λειτουργίας. Εκτός από την πυρόλυση, μερικά μόρια καυσίμων (και λιπαντικών) μπορεί να ξεφύγουν από την καύση, ή να οξειδωθούν μερικώς, δημιουργώντας αέριους υδρογονάνθρακες στο ρεύμα καυσαερίων. Τα πρώιμα σωματίδια αιθάλης σχηματίζονται σαν συσσωματώματα ήδη κατά την καύση στον κύλινδρο του κινητήρα. Στις μηχανές diesel 90-99% της αιθάλης καίγεται κατά την εξαγωγή των καυσαερίων καθώς η περίσσεια αέρα οξειδώνει τα συσσωματώματα αιθάλης. Εικόνα 2,4: Συνήθης ακολουθία μετατροπής σωματιδίων από τον κινητήρα στην τοποθεσία μέτρησης (πηγή Giechaskiel et al., 2012a). Ταυτόχρονα, σχηματίζεται αιθάλη λόγω συσσώρευσης (accumulation mode), αποκτώντας το χαρακτηριστικό λογαριθμικό σχήμα της φάσης, με μέση διάμετρο nm. Τα συσσωματώματα αιθάλης είναι γενικά άμορφος άνθρακας σε χαμηλά φορτία, αλλά μπορεί να

28 παρουσιάσει δομές γραφίτη σε υψηλά φορτία (Harris & Maricq, 2002). Περιέχουν υπόλοιπα υδρογόνου, και γενικά έχουν μία πυκνότητα στην περιοχή 1,8-2 g/cm3. Η αιθάλη του κινητήρα περιέχει ακόμα μικρές ποσότητες στάχτης και στοιχεία που περιέχονται στα προσθετικά λιπαντικά. Στο κανάλι αραίωσης, τα καυσαέρια αναμειγνύονται με αέρα αραίωσης χωρίς σωματίδια, ελεγχόμενης θερμοκρασίας και υγρασίας. Κατά την διάρκεια αυτής της διαδικασίας, ημι-πτητικά αέρια είδη, οργανικές και θειούχες ενώσεις διαχωρίζονται από το αεροκολλοειδές, ανάλογα με την τοπική θερμοκρασία και τις συγκεντρώσεις των ειδών. Αυτός ο διαχωρισμός συμβαίνει με τον σχηματισμό απορρόφησης και συμπύκνωσης πάνω σε υφιστάμενα συσσωματώματα αιθάλης ή ως πυρήνωση (nucleation mode) ξεχωριστών σωματιδίων (σταγονιδίων), συνήθως με διάμετρο μεταξύ 10 και 30 nm. Επιπλέον, μια φάση πυρήνωσης μπορεί να συμβεί υπό εργαστηριακές δοκιμές εξαιτίας έκλυσης θερμότητας από υλικά, συσσωρευμένα στα τοιχώματα του συστήματος πριν από την διαδικασία δειγματοληψίας (Maricq et al., 1999). Γι αυτό, η ΕΕ αποφάσισε να ρυθμίσει μόνο τον αριθμό των στερεών σωματιδίων (SPN), τα οποία αντιστοιχούν στην φάση συσσώρευσης. Εκτός από τις φάσης συσσώρευσης και πυρήνωσης, εμφανίζεται και μια τρίτη φάση, η φάση των χονδρών σωματιδίων (coarse particle), που περιλαμβάνει φθαρμένα υλικά και σωματίδια που ξανά εισήλθαν από το σύστημα της εξάτμισης ή από τα τοιχώματα του συστήματος δειγματοληψίας. Αυτά τα σωματίδια είναι αμελητέα σε αριθμό, όμως μπορούν να συνεισφέρουν σημαντικά στην μεταβλητότητα της μετρούμενης μάζας. Επομένως, οι κανονισμοί απαιτούν την αφαίρεση αυτών των χονδρών σωματιδίων, με αεροδυναμική διάμετρο μεγαλύτερη από 2,5μm πριν από την μέτρηση των σωματιδίων από τα καυσαέρια. 2.3 Μετρητικά όργανα Η Ευρωπαϊκή Ένωση για την έγκριση τύπου οχήματος, εκτός από την μέτρηση της μάζας των σωματιδίων απαιτεί και την μέτρηση του αριθμού των στερεών σωματιδίων (SPN). Gravimetric method (PM mass) Η μάζα των σωματιδίων μετριέται με την συλλογή των σωματιδίων σε φίλτρο μετά την αραίωσή τους στο κανάλι CVS. Το ποσοστό των εκπομπών στην συνέχεια υπολογίζεται με το ζύγισμα του φίλτρου πριν και μετά την δοκιμή. Το φίλτρο συλλέγει όλα τα σωματίδια ανεξαρτήτως τα κλάσματα μεγέθους τους. Η μέθοδος συλλογής παρέχει επίσης ένα λειτουργικό ορισμό των σωματιδίων, καθώς η μάζα του υλικού που συλλέγεται στο φίλτρο ακολουθεί αραίωση σε θερμοκρασία < 52 ο C. Τα συμβατικά φίλτρα, φτιαγμένα από ίνες γυαλιού και ενδιάμεση επικάλυψη (π.χ Polytetrafluoroethylene PTFE), προστατεύουν την επιφάνεια από χημικές αντιδράσεις. Ο κλιματισμός των φίλτρων στο δωμάτιο ζύγισης μπορεί να επηρεάσει τα τελικά αποτελέσματα για μερικά μg. Γι αυτόν τον λόγο, τα φίλτρα κλιματίζονται υπό ελεγχόμενες συνθήκες σχετικής υγρασίας και θερμοκρασίας. Οι μετρήσεις του φίλτρου μπορούν να επηρεαστούν επίσης από την προσρόφηση ατμών, από απώλειες εξάτμισης κατά την διάρκεια ή μετά την δειγματοληψία και από αντιδράσεις μεταξύ συλλεγμένων (ammonium) σωματιδίων και υποστρωμάτων. Για τα οχήματα με τις σύγχρονες

29 τεχνολογίες aftertreatment, η μέθοδος αυτή φτάνει τα ανιχνευτικά της όρια. Ένα φίλτρο ζυγίζει περίπου 150 mg, ενώ η μάζα των σωματιδίων που συλλέγεται από οχήματα με Diesel Particulate Filters (DPFs) μπορεί να φτάσει τα 10 μg, ήτοι <0,1% της μάζας του φίλτρου (Giechaskiel et al., 2014). AVL Particle Counter, APC Ο μετρητής σωματιδίων της AVL, APC (Εικόνα 2,5) καθορίζει τον αριθμό των σωματιδίων των οχημάτων με βάση τους κανονισμούς Regulation No. 83, Revision 4, April και UNECE Regulation No. 49, Revision 5, Annex 4C (Emissions of compression ignition and gas fuelled positive ignition engines for use in vehicles). Χρησιμοποιήθηκε κατά κόρον για την μέτρηση των σωματιδίων από τα καυσαέρια των εξεταζόμενων οχημάτων κατά την εκπόνηση αυτής της εργασίας. Αποτελείται κυρίως από δύο υποσυστήματα: 1. Το Volatile Particle Remover (VPR), που έχει σκοπό την επεξεργασία του δείγματος και την αφαίρεση των πτητικών συστατικών και αποτελείται από τρία επιμέρους υποσυστήματα: τον Particle Number Diluter 1 (PND1), τον Evaporation Tube (ET) και τον Particle Number Diluter 2 (PND2). 2. Το Particle Number Counter (PNC), που μετράει τον αριθμό των στερεών σωματιδίων που έχουν μείνει μετά την επεξεργασία στο VPR. Εικόνα 2,5: AVL Particle Counter, APC

30 Εικόνα 2,6: Σχηματική παράσταση υποσυστημάτων APC (πηγή User s Manual). Πίνακας 2,1: Επεξήγηση συντομογραφιών (πηγή User s Manual). Στην Εικόνα 2,6 φαίνεται η συνολική διάταξη και στον Πίνακας 2,1 επεξηγούνται οι συντομογραφίες. Τα προαιρετικά όργανα (optional) δεν συμπεριλαμβάνονται στην διάταξη του Εργαστηρίου Εφαρμοσμένης Θερμοδυναμικής. Αρχικά συλλέγεται δείγμα από το κανάλι CVS, αραιώνεται με φιλτραρισμένο, συμπιεσμένο αέρα από το HEPA φίλτρο και οδηγείται στον PND1. Ο PND1 έχει ένα διάτρητο δίσκο, ο οποίος κινείται από ένα βηματικό κινητήρα. Η περιστροφή του δίσκου πετυχαίνει την ανάμειξη των καυσαερίων με τον αέρα αραίωσης, ενώ η αραίωση ρυθμίζεται με την προσαρμογή της ταχύτητας περιστροφής του. Ο PND1 θερμαίνεται στους 150 ο C. Ακολουθεί ο σωλήνας εξάτμισης (ET), ο οποίος θερμαίνεται, χρησιμοποιώντας κεραμικά στοιχεία θέρμανσης, σε μία θερμοκρασία μεταξύ 300 ο -400 ο C με σκοπό να αφαιρεθούν τα πτητικά σωματίδια τα οποία προέρχονται από την φάση πυρήνωσης-nucleation mode από την αρχική

31 αραίωση των καυσαερίων, αφήνοντας πίσω μόνο στερεά σωματίδια. Στη συνέχεια, τα καυσαέρια αραιώνονται άλλη μια φορά χρησιμοποιώντας ένα πορώδη αραιωτή-σωλήνα (PND2) με επιλεγμένο λόγο αραίωσης 10:1 και τροφοδοτούνται στο PNC σε θερμοκρασία μικρότερη από τους 35 ο C. Ο PNC αποτελείται από τον καταμετρητή συμπύκνωσης Condensation Particle Counter (CPC), η αρχή λειτουργίας του οποίου φαίνεται στην Εικόνα 2,7. Το αεροκολλοειδές προς μέτρηση εισέρχεται στο PNC (or CPC) από την είσοδο του δείγματος. Ακολουθεί ο εξατμιστήρας σε θερμοκρασία κορεσμού (saturator), το εσωτερικό του οποίου είναι εμποτισμένο σε βουτανόλη. Η βουτανόλη εξατμίζεται και σε αυτή την κατάσταση ατμών αναμειγνύεται με το αεροκολλοειδές. Εικόνα 2,7: Αρχή λειτουργίας μετρητή αριθμού σωματιδίων συμπύκνωσης (CPC)

32 Στον ψυχόμενο συμπυκνωτή (cooled condernser), η εξατμισμένη βουτανόλη ψύχεται μέχρι να υπερκορεστεί και να είναι έτοιμη να συμπυκνωθεί στα σωματίδια του αεροκολλοειδούς (ετερογενής συμπύκνωση). Αυτή η θερμοκρασία είναι ελάχιστα πιο χαμηλή από την θερμοκρασία στην οποία συμβαίνει η ομογενής συμπύκνωση (συμπύκνωση χωρίς πυρήνες συμπύκνωσης). Η βουτανόλη που συμπυκνώνεται στα τοιχώματα του συμπυκνωτή αποστραγγίζεται είτε με νερό (water removal) είτε ρέει πίσω στο εσωτερικό του εξατμιστήρα. Τα συμπυκνωμένα σωματίδια βουτανόλης εισέρχονται στην συσκευή μέτρησης διαμέσου ενός ακροφυσίου. Αυτή η συσκευή αποτελείται από μια δίοδο λέιζερ, ένα φακό εστίασης, ένα φακό συλλογής και ένα ανιχνευτή φωτός. Η δέσμη του λέιζερ εστιάζει ακριβώς στο σημείο πάνω από το ακροφύσιο. Όποτε ένα σωματίδιο εισέρχεται μέσω του ακροφυσίου, το φως του λέιζερ διαθλάται και το διαθλώμενο φως συλλέγεται από τον φακό συλλογής και εστιάζεται στον ανιχνευτή φωτός. Το σύνολο των οπτικών διατηρούνται σε μια θερμοκρασία υψηλότερη από την θερμοκρασία του εξατμιστήρα, έτσι ώστε να αποτρέψει την συμπύκνωση της βουτανόλης στους φακούς. Προκειμένου να ελεγχθεί ο όγκος ροής διαμέσου του PNC, ένα κρίσιμο ακροφύσιο (critical orifice) χρησιμοποιείται. Η διαφορά πίεσης ανάντη και κατάντη του στομίου, η απόλυτη πίεση και η πίεση κατάντη του ακροφυσίου μετριούνται και παρακολουθούνται με σκοπό να εξασφαλιστεί η σωστή ροή διαμέσου του PNC. Οι προδιαγραφές του PMP Group (Particle Measurement Program) ικανοποιούνται από τον μετρητή της AVL. Πιο συγκεκριμένα, τα σωματίδια με μέγεθος 23±1 nm και 41±1 nm διάμετρο ηλεκτρικής κινητικότητας, μετριούνται με απόδοση 50±12 % και >90% αντίστοιχα. Scanning Mobility Particle Sizer (SMPS) Το φασματόμετρο SMPS μετρά την κατανομή του μεγέθους υπο-μικρομετρικών σωματιδίων, χρησιμοποιώντας μία τεχνική ανίχνευσης ηλεκτρικής κινητικότητας. Τα σωματίδια κατηγοριοποιούνται με ένα Ηλεκτροστατικό Κατανεμητή (Model 3080 Electrostatic Classifier με ένα Model 3081 Long DMA) και στη συνέχεια η συγκέντρωση των σωματιδίων μετριέται με ένα Model 3010 Condensation Particle Counter (CPC). Το φασματόμετρο SMPS είναι αυτοματοποιημένο με ένα προσωπικό υπολογιστή που ελέγχει τις μεμονωμένες συσκευές και εκτελεί αναγωγή δεδομένων, χρησιμοποιώντας το αντίστοιχο λογισμικό. Electrostatic Classifier TSI 3080 Ο Ηλεκτροστατικός Κατανεμητής TSI 3080 αποτελείται από διάφορα υποσυστήματα, τα οποία χρειάζονται, σε συνεργασία με το DMA, να επεξεργαστούν ένα πολυδιάστατο αεροκολλοειδές και να το μετατρέψουν σε μονοδιάστατο. Τα κύρια υποσυστήματα του συμπεριλαμβάνουν τις εξής διατάξεις: προσκρουστήρα, ελεγκτές ροής, διπολικό φορτιστή, ελεγκτή υψηλής τάσης και DMA. Ο προσκρουστήρας τοποθετείται στο εξωτερικό του Ηλεκτροστατικού Κατανεμητή. Η ροή του πολυδιάστατου αεροκολλοειδούς επιταχύνεται διαμέσου ενός ακροφυσίου και οδηγείται πάνω σε μία επίπεδη πλάκα. Μέσω αδρανειακής πρόσκρουσης αφαιρούνται τα σωματίδια από το αεροκολλοειδές πάνω από μια συγκεκριμένη αεροδυναμική διάμετρο. Η αεροδυναμική διάμετρος στην οποία τα σωματίδια χωρίζονται ονομάζεται διάμετρος σημείου

33 Εικόνα 2,8: Ηλεκτροστατικός Κατανεμητής Model TSI 3080 με Model 3081 Long-DMA και Model 3085 Nano-DMA (πηγή User s Manual). Εικόνα 2,9: Σχηματική διάταξη του Ηλεκτροστατικού Κατανεμητή με Long DMA (πηγή User s Manual). αποκοπής (cut-point) και είναι συνάρτηση της ταχύτητας ροής στον προσκρουστήρα και της διαμέτρου του ακροφυσίου. Στη συνέχεια, το αεροκολλοειδές εισέρχεται στον Ηλεκτροστατικό Κατανεμητή και οδηγείται στον Διπολικό Φορτιστή (Kr-85 Bipolar Charger or Neutralizer), ο οποίος εκθέτει τα σωματίδια σε υψηλές συγκεντρώσεις διπολικών ιόντων

34 Τα σωματίδια γρήγορα ισορροπούν, αποκτώντας μια διπολική κατανομή φορτίου. Τα πλέον φορτισμένα σωματίδια εισέρχονται στο κύριο τμήμα του Αναλυτή Διαφορικής Κινητικότητας (Differential Mobility Analyzer, DMA). Το DMA περιλαμβάνει δύο ομόκεντρους μεταλλικούς κυλίνδρους. Το πολυδιάστατο αεροκολλοειδές και ο περιβάλλων αέρας εισέρχονται από το πάνω μέρος του Κατανεμητή και ρέουν προς τα κάτω στον κενό χώρο ανάμεσα στους δύο κυλίνδρους, χωρίς τα δύο ρεύματα να αναμειγνύονται μεταξύ τους. Επειδή ο εσωτερικός κύλινδρος διατηρείται σε μια ελεγχόμενη αρνητική τάση και ο εξωτερικός είναι γειωμένος, δημιουργείται ένα ηλεκτρικό πεδίο ανάμεσα στους δύο κυλίνδρους, το οποίο ελκύει τα θετικά φορτισμένα σωματίδια, διαμέσου του περιβάλλοντος αέρα κατά μήκος του εσωτερικού, αρνητικά φορτισμένου κυλίνδρου. Η θέση της καθίζησης των σωματιδίων εξαρτάται από την ηλεκτρική τους κινητικότητα, τον ρυθμό ροής του Κατανεμητή και την γεωμετρία του Κατανεμητή. Σωματίδια με υψηλή ηλεκτρική κινητικότητα καταλήγουν στο άνω τμήμα της ράβδου, ενώ τα σωματίδια με μικρή ηλεκτρική κινητικότητα συλλέγονται στο κάτω τμήμα της ράβδου. Σωματίδια μέσα σε ένα στενό εύρος ηλεκτρικής κινητικότητας εξέρχονται με την μονοδιάστατη ροή του αέρα από μία μικρή σχισμή, που βρίσκεται στο πάτο του εσωτερικού κυλίνδρου (Εικόνα 2,9). Αυτά τα σωματίδια μεταφέρονται σε έναν αισθητήρα σωματιδίων για τον καθορισμό της συγκέντρωσής αριθμού τους, ενώ τα υπόλοιπα απομακρύνονται από τον Κατανεμητή μέσω της περίσσειας ροής αέρα. Condensation Particle Counter (CPC) TSI 3010 O καταμετρητής σωματιδίων συμπύκνωσης TSI 3010 (Εικόνα ), σε συνδυασμό με τον ηλεκτροστατικό κατανεμητή, αποτελούν την διάταξη SMPS, με την οποία πραγματοποιήθηκαν οι μετρήσεις κατανομής μεγέθους των σωματιδίων. Αποτελεί ένα όργανο μέτρησης για την ανίχνευση σωματιδίων με διάμετρο μεγαλύτερη από 0,01 μm, με αρχή λειτουργίας αντίστοιχη με τον καταμετρητή συμπύκνωσης της AVL, όπως περιγράφηκε αναλυτικά παραπάνω. Εικόνα 2.10: Καταμετρητής Σωματιδίων Συμπύκνωσης CPC TSI 3010 (πηγή User s Manual)

35 2.4 Πρωτόκολλο μέτρησης Η διαδικασία για την μέτρηση των σωματιδίων είναι τυποποιημένη και λεπτομερείς πληροφορίες περιέχονται στον κανονισμό «Regulation No. 83», έτσι ώστε να εξασφαλίζεται η αξιοπιστία της μέτρησης, αλλά και να επιτυγχάνεται επαναληψιμότητα των αποτελεσμάτων και των συνθηκών μέτρησης. Το Πρωτόκολλο μέτρησης που ακολουθήθηκε κατά την διάρκεια των μετρήσεων για την εκπόνηση αυτής της εργασίας παρουσίαζε μικρές διαφοροποιήσεις καθημερινά, ανάλογα με το τι όριζαν οι αντίστοιχοι κανονισμοί των υπό εξέταση κύκλων οδήγησης και το είδος των υπό εξέταση οχημάτων. Πιο συγκεκριμένα, το Πρωτόκολλο Μέτρησης περιείχε καθημερινά τρείς κύκλους. Η πρώτη μέτρηση προσομοίωνε τις συνθήκες λειτουργίας του οχήματος υπό ψυχρή εκκίνηση (Cold Start). Για να επιτευχθεί αυτό, το εκάστοτε όχημα σταματούσε την λειτουργία του και κρύωνε σε συνθήκες περιβάλλοντος από τo προηγούμενο απόγευμα, με την νομοθεσία να ορίζει ελάχιστο όριο μη λειτουργίας του οχήματος για μέτρηση ψυχρής εκκίνησης τις 6 ώρες. Οι υπόλοιπες δύο μετρήσεις προσομοίωναν συνθήκες ζεστής εκκίνησης (Hot Start). Στην περίπτωση αυτή, πριν τον κύκλο οδήγησης προηγούνταν κατάλληλο «ζέσταμα» του οχήματος (Conditioning), το οποίο αποτελείτο από ένα ή δύο επαναλαμβανόμενους αστικούς κύκλους οδήγησης (EUDC), ανάλογα τον κύκλο οδήγησης που θα ακολουθούσε. Οι κύκλοι οδήγησης που χρησιμοποιήθηκαν ήταν οι εξής: NEDC, WLTC, Artemis Urban, Artemis Road και Ermes (Παράρτημα). Στην περίπτωση του Ermes κύκλου οδήγησης, το «ζέσταμα» που προηγούταν ήταν ένας ολιγόλεπτος κύκλος, σε σταθερό σημείο (120 km/h). Στο τέλος κάθε ημέρας γινόταν ένας κύκλος Conditioning, με τρεις επαναλαμβανόμενους αστικούς κύκλους (3xEUDC), αυτή την φορά όχι για ζέσταμα αλλά για συντήρηση και προετοιμασία του οχήματος για την ψυχρή εκκίνηση της επόμενης μέρας. Μόνο οι κύκλοι NEDC και WLTC μελετήθηκαν για ψυχρή εκκίνηση, ενώ για όσα οχήματα είχαν παγίδα αιθάλης για την δέσμευση των σωματιδίων από τα καυσαέριά τους, πριν το τελευταίο Conditioning της ημέρας πραγματοποιούνταν τεχνητή αναγέννηση της παγίδας. Στην συνέχεια ακολουθούσε ο κύκλος συντήρησης (Conditioning-3xEUDC). Συνεπώς, η παγίδα ήταν το ίδιο φορτισμένη κάθε ημέρα, εξασφαλίζοντας έτσι την επαναληψιμότητα των συνθηκών λειτουργίας της. Επίσης, πριν τους κύκλους οδήγησης (και τα αντίστοιχα Conditioning), πραγματοποιούνταν λεπτομερής έλεγχος όλης της διάταξης από τον υπεύθυνο του εργαστηρίου, ενώ γινόταν και βαθμονόμηση των αναλυτών και των οργάνων όποτε κρινόταν απαραίτητο για να διασφαλιστεί η ορθή λειτουργία τους. Μετά το τέλος κάθε κύκλου οδήγησης, ακολουθούσε η ανάλυση των δειγμάτων που είχαν συλλεχθεί στους σάκους δειγματοληψίας. Στην συνέχεια, οι σάκοι άδειαζαν, καθαρίζονταν και ακολουθούσε νέος έλεγχος της διάταξης και νέα βαθμονόμηση των αναλυτών. Δεδομένου ότι τα οχήματα με καύσιμο το πετρέλαιο (diesel) εκπέμπουν μεγαλύτερο αριθμό σωματιδίων απ ότι τα οχήματα με καύσιμο την βενζίνη (petrol), επιλέχθηκαν πέντε οχήματα για τις δοκιμές, από τα οποία τα τέσσερα ήταν πετρελαιοκίνητα και το ένα βενζινοκίνητο. Η επιλογή τους έγινε έτσι ώστε να αντιπροσωπεύουν όσο τον δυνατό καλύτερα τον στόλο που κυκλοφορεί στους δρόμους. Τα οχήματα που εξετάστηκαν είναι τα εξής:

36 i. Honda Accord 2.2 i-ctdi 2003 Το όχημα Honda Accord έχει τετρακύλινδρο κινητήρα πετρελαίου, κατατάσσεται στην κατηγορία Euro 4. Πιο συγκεκριμένα, ο 2204 cc κινητήρας αποδίδει 102 kw, περιλαμβάνει σύστημα ψεκασμού common rail (CDT) και συμπιεστή. To aftertreatment σύστημα του οχήματος περιλαμβάνει μόνο τον προκαταλύτη (Pre-DOC), καθώς ο οξειδωτικός καταλύτης (DOC) έχει αφαιρεθεί. Λόγω της παλαιότητας του, δεν περιείχε παγίδα αιθάλης (Diesel Particulate Filter-DPF). Ως καύσιμο χρησιμοποιήθηκε συμβατικό diesel και biodiesel 2 ης γενιάς, περιεκτικότητας 7%. ii. BMW X1 sdrive20d Efficient Dynamics Edition Το όχημα Χ1 αποτελεί ένα σύγχρονο όχημα SAV (Sport Activity Vehicle) της BMW, με τετρακύλινδρο κινητήρα πετρελαίου (έκδοση Efficient Dynamics, 2012), κατατάσσεται στην κατηγορία Euro 5. Πιο συγκεκριμένα, ο δίλιτρος κινητήρας (1995 cc) αποδίδει 120 kw, περιλαμβάνει τελευταίας γενιάς σύστημα ψεκασμού common rail και υπερσυμπιεστή μεταβλητής γεωμετρίας (Variable Geometry Turbo-VGT). To after-treatment σύστημα του οχήματος περιλαμβάνει οξειδωτικό καταλύτη (DOC). Για την δέσμευση της σωματιδιακής ύλης χρησιμοποιείται παγίδα αιθάλης (Diesel Particulate Filter-DPF). iii. Opel Astra 1.3 CDTI Start/Stop 2012 Το όχημα Opel Astra έχει τετρακύλινδρο κινητήρα πετρελαίου, κατατάσσεται στην κατηγορία Euro 5. Πιο συγκεκριμένα, ο 1248 cc κινητήρας αποδίδει 70 kw, περιλαμβάνει σύστημα ψεκασμού common rail, υπερσυμπιεστή, καθώς επίσης και το σύστημα Start/Stop. To after-treatment σύστημα του οχήματος περιλαμβάνει οξειδωτικό καταλύτη (DOC). Για την δέσμευση της σωματιδιακής ύλης χρησιμοποιείται παγίδα αιθάλης (Diesel Particulate Filter-DPF). iv. Opel Mokka 1.7 CDTI 2012 Το όχημα Opel Mokka έχει τετρακύλινδρο κινητήρα πετρελαίου, κατατάσσεται στην κατηγορία Euro 5. Πιο συγκεκριμένα, ο 1686 cc κινητήρας αποδίδει 95 kw, περιλαμβάνει σύστημα ψεκασμού common rail, υπερσυμπιεστή, ενώ δεν περιλαμβάνει το σύστημα Start/Stop. To after-treatment σύστημα του οχήματος περιλαμβάνει οξειδωτικό καταλύτη (DOC). Για την δέσμευση της σωματιδιακής ύλης χρησιμοποιείται παγίδα αιθάλης (Diesel Particulate Filter-DPF). v. Volkswagen Polo 1.2 TSI 2012 Το όχημα VW Polo έχει τετρακύλινδρο κινητήρα βενζίνης, κατατάσσεται στην κατηγορία Euro 5. Ο 1197 cc κινητήρας αποδίδει 66 kw, είναι στοιχοιομετρικής καύσης και άμεσης έγχυσης (Gasoline Direct Injection, GDI) και περιλαμβάνει υπερσυμπιεστή. To after-treatment σύστημα του οχήματος είναι εξοπλισμένο με τριοδικό καταλύτη (TWC)

37 3. ΠΑΡΟΥΣΙΑΣΗ ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΩΝ Στο κεφάλαιο αυτό, παρουσιάζονται τα αποτελέσματα των μετρήσεων του αριθμού των εκπεμπόμενων σωματιδίων ανά μοντέλο οχήματος. Οι μετρήσεις-δοκιμές έλαβαν χώρα στο Εργαστήριο Εφαρμοσμένης Θερμοδυναμικής του Αριστοτελείου Πανεπιστημίου Θεσσαλονίκης. Στον συγκεντρωτικό Πίνακας 3,1 παρουσιάζεται η κατανομή των μετρήσεων ανά μοντέλο και ανά κύκλο οδήγησης, ενώ στην τελευταία στήλη αναγράφονται τα μετρητικά όργανα που χρησιμοποιήθηκαν. Συνολικά πραγματοποιήθηκαν 134 μετρήσεις κύκλων οδήγησης από τον Σεπτέμβριο του 2013 μέχρι τον Φεβρουάριο του 2014 χρησιμοποιώντας το APC και 7 μετρήσεις χρησιμοποιώντας το SMPS. Τα αποτελέσματα που παρουσιάζονται στο παρόν κεφάλαιο αποτελούν τον μέσο όρο των αποτελεσμάτων από το σύνολο των εκάστοτε κύκλων οδήγησης ανά όχημα. Τα αρχεία των μετρήσεων για τον υπολογισμό των σωματιδίων συγχρονίστηκαν με τα αντίστοιχα αρχεία των στοιχείων του οχήματος, για να αναφέρονται στην ίδια χρονική στιγμή. Πίνακας 3,1: Συνολικός αριθμός μετρήσεων κύκλων οδήγησης ανά εξεταζόμενο όχημα. NEDC WLTC Artemis cold hot cold hot Urban Artemis Road Ermes Ημερομηνία Διεξαγωγής Ρυθμίσεις πέδης Όργανα Honda Accord Σεπ-13 LAT Settings APC, SMPS BMW X Δεκ-13 WLTP Settings APC Opel Astra Opel Mokka VW Polo Οκτ-13 LAT Settings APC Ιαν-14 NEDC Settings APC Ιαν-14 WLTP-H Settings APC Δεκ-13 NEDC Settings APC Δεκ-13 WLTP-H Settings APC Νοε-13&Φεβ-14 NEDC Settings APC Φεβ-14 WLTP-H Settings APC 3.1 Honda Accord Όπως μαρτυρούν τα δεδομένα του Πίνακας 3,1, το όχημα υποβλήθηκε σε τρεις διαφορετικούς κύκλους (NEDC Cold Start, Artemis Urban και Artemis Road) για την μέτρηση του αριθμού των εκπεμπόμενων σωματιδίων, ενώ για τον υπολογισμό της κατανομής του μεγέθους τους το όχημα παρέμενε σε σταθερό σημείο (120 km/h). Στον Πίνακας 3,2 περιέχονται συνοπτικά τα στοιχεία της πέδης δυναμομέτρησης, υπό τα οποία πραγματοποιήθηκαν οι μετρήσεις. Στο όχημα χρησιμοποιήθηκε συμβατικό diesel (Market Diesel) και biodiesel 2 ης γενιάς ( Sustain Diesel). Πίνακας 3,2: Συνθήκες πέδης για Honda Accord. Ρύθμιση πέδης οχήματος Αυτόματη ρύθμιση ταχύτητας ανεμιστήρα ψύξης οχήματος LAT Settings ΝΑΙ

38 PN [#/km] Στην Εικόνα 3,1 φαίνεται ο συνολικός αριθμός εκπεμπόμενων σωματιδίων (Particle Number- PN) ανά χιλιόμετρο, για όλους τους κύκλους οδήγησης και για τα δύο διαφορετικά είδη καυσίμου. Λόγω της παλαιότητάς του (μοντέλο του 2003, κατηγορία Euro 4), το όχημα δεν έχει παγίδα αιθάλης (Diesel Particle Filter-DPF) και λειτουργεί μόνο με προκαταλύτη (Pre- DOC), καθώς ο οξειδωτικός καταλύτης (DOC) έχει αφαιρεθεί. Η λειτουργία του οχήματος χωρίς παγίδα αιθάλης οδηγεί στην έκλυση μεγάλου αριθμού σωματιδίων στην ατμόσφαιρα, πολύ πάνω από το όριο που θεσπίζει η νομοθεσία (Euro5). Αξίζει να σημειωθεί, ότι με μια πρώτη ματιά η χρήση βιοκαυσίμου (biodiesel 2 ης γενιάς) επιδρά παρόμοια με την χρήση συμβατικού diesel, εκλύοντας σχεδόν ίδιο αριθμό σωματιδίων. Η επαναληψιμότητα των αποτελεσμάτων των μετρήσεων είναι ικανοποιητική. 1.4E+14 "Sustain" Diesel Market Diesel 1.2E E E E E E E+00 NEDC Art. Urban Art. Road 120 km/h Κύκλοι οδήγησης Εικόνα 3,1: Αριθμός σωματιδίων ανά χιλιόμετρο, αποτελέσματα για συμβατικό diesel και biodiesel 2 ης γενιάς. Στην Εικόνα 3,2 φαίνεται η εξέλιξη του προφίλ της συγκέντρωσης των εκπομπών σωματιδίων ως προς τον χρόνο διάρκειας του NEDC Cold Start κύκλου οδήγησης και συγκρίνεται με το προφίλ ταχύτητας του οχήματος. Το προφίλ των σωματιδίων προέκυψε από τον υπολογισμό του μέσου όρου των εφτά μετρήσεων του NEDC κύκλου, αφού πρώτα συγχρονίστηκαν με την ταχύτητα του οχήματος για να αναφέρονται στην ίδια χρονική στιγμή. Παρατηρείται μια ομοιομορφία μεταξύ των δύο προφίλ εξέλιξης, δηλαδή φαίνεται ότι οι εκπομπές σωματιδίων ακολουθούν ίδια πορεία με την ταχύτητα του οχήματος. Χαρακτηριστικό είναι ότι το μέγιστο της καμπύλης των σωματιδίων ταυτίζεται με το μέγιστο της καμπύλης της ταχύτητας, ενώ και όλα τα τοπικά μέγιστα συμπίπτουν μεταξύ τους

39 Car speed [km/h] PN [#/cm 3 ] Car spedd [km/h] PN [#/cm 3 ] Car speed Particle Concentration E E E E E E E E Time [sec] Εικόνα 3,2: Προφίλ εξέλιξης συγκέντρωσης εκπομπών σωματιδίων ανά κυβικό εκατοστό και ταχύτητας οχήματος για NEDC Cold Start κύκλο οδήγησης. Car speed Particle Concentration E E E E E E Time [sec] Εικόνα 3,3: Προφίλ εξέλιξης συγκέντρωσης εκπομπών σωματιδίων ανά κυβικό εκατοστό και ταχύτητας οχήματος για Artemis Urban κύκλο οδήγησης

40 Car speed [km/h] PN [#/cm 3 ] Car speed Particle Concentration E E E E E E E E E E Time [sec] Εικόνα 3,4: Προφίλ εξέλιξης συγκέντρωσης εκπομπών σωματιδίων ανά κυβικό εκατοστό και ταχύτητας οχήματος για Artemis Road κύκλο οδήγησης. Στις Εικόνα 3,3 και Εικόνα 3,4 παρουσιάζονται τα προφίλ εξέλιξης της συγκέντρωσης των σωματιδίων όπως αυτά μετρήθηκαν υπό τους κύκλους Artemis Urban και Artemis Road αντίστοιχα. Τα προφίλ προέκυψαν από τον υπολογισμό του μέσου όρου των αντίστοιχων μετρήσεων, αφού συγχρονίστηκαν μαζί με την ταχύτητα του οχήματος, ενώ και εδώ φαίνεται να σχετίζονται με το προφίλ της ταχύτητας του οχήματος. Για τον υπολογισμό της κατανομής του μεγέθους τους το όχημα παρέμενε σε σταθερό σημείο για μερικά λεπτά (ταχύτητα οχήματος 120 km/h για περίπου 15 min). Στην Εικόνα 3,5 παρουσιάζεται το προφίλ ταχύτητας του οχήματος, αλλά και η εξέλιξη των εκπεμπόμενων σωματιδίων, όπως αυτά μετρήθηκαν από το APC. Κατά την διάρκεια του κύκλου παίρνονταν τέσσερα ολιγόλεπτα δείγματα με την χρήση του SMPS. Στην Εικόνα 3,6 παρουσιάζεται η κατανομή του μεγέθους των σωματιδίων που μετρήθηκαν κατά την διάρκεια του συγκεκριμένου κύκλου οδήγησης, η οποία προέκυψε από τον υπολογισμό της μέσης κατανομής από τις μέσες κατανομές του μεγέθους κάθε μέτρησης. Το διάγραμμα έχει παραμέτρους στον κάθετο άξονα την κανονικοποιημένη συγκέντρωση (Normalized Concentration) και στον οριζόντιο άξονα την διάμετρο του σωματιδίου. Επιλέγεται η ανάλυση στην κανονικοποιημένη συγκέντρωση (ή αλλιώς dn/dlogdp με dn= η συγκέντρωση του σωματιδίου και dlogdp= η μέση διάμετρος του σωματιδίου), επειδή έχει παρατηρηθεί ότι όργανα με διαφορετικές αναλύσεις για ίδια φάση καταλήγουν σε διαφορετικές τιμές της συγκέντρωσης των σωματιδίων. Η μέγιστη τιμή της συγκέντρωσης παρατηρείται για σωματίδια με διάμετρο 100 nm

41 Normalized Concentration (dn/dlogdp) [cm -3 ] Car speed [km/h] PN [#/cm 3 ] Car speed 120 km/h E E E E E E E Time [sec] Εικόνα 3,5: Προφίλ εξέλιξης συγκέντρωσης εκπομπών σωματιδίων ανά κυβικό εκατοστό και ταχύτητας οχήματος για κύκλο οδήγησης σε σταθερό σημείο (120 km/h). 3.0E E E E E E E Particle Diameter [nm] Εικόνα 3,6: Προφίλ κανονικοποιημένης κατανομής μεγέθους σωματιδίων

42 PN [#/km] 3.2 BMW X1 Με βάση τα δεδομένα του Πίνακας 3,1, για το συγκεκριμένο όχημα έγιναν δοκιμές μόνο υπό τους NEDC και WLTC κύκλους οδήγησης, ενώ στον Πίνακας 3,3 περιέχονται οι συνθήκες λειτουργίας της πέδης. Πρόκειται για όχημα με κινητήρα diesel και παγίδα αιθάλης. Πίνακας 3,3: Συνθήκες πέδης για BMW X1. Ισοδύναμη αδράνεια [kg] 1590 Ρύθμιση πέδης οχήματος WLTP Settings Θερμοστάτηση λιπαντικού πέδης οχήματος [ o C] 70 Πίεση αέρα κινητήριων τροχών οχήματος [bar] 2.5 Αυτόματη ρύθμιση ταχύτητας ανεμιστήρα ψύξης οχήματος ΝΑΙ Στην Εικόνα 3,7 και στην Εικόνα 3,8 φαίνεται ο αριθμός των σωματιδίων (Particle Number) ανά χιλιόμετρο, που μετρήθηκαν για κρύα και ζεστή εκκίνηση αντίστοιχα. Οι κατακόρυφοι άξονες με μεταβλητή των αριθμό των σωματιδίων είναι σε λογαριθμική κλίμακα, για καλύτερη απεικόνιση των αποτελεσμάτων. Και στις δύο περιπτώσεις οι εκπομπές κατά την διάρκεια του NEDC κύκλου οδήγησης είναι κατά πολύ αυξημένες από τις αντίστοιχες του κύκλου οδήγησης, ενώ στην περίπτωση της ζεστής εκκίνησης, τα εκπεμπόμενα σωματίδια είναι αισθητά μειωμένα σε σχέση με την κρύα εκκίνηση. Οι υπερβολικά αυξημένες εκπομπές του NEDC κύκλου σε σχέση με τις εκπομπές του WLTC κύκλου οδήγησης, έχουν να κάνουν με την εμφάνιση αναγέννησης κατά την διάρκεια του conditioning της δεύτερης ημέρας. Δηλαδή, λίγο πριν την αναγέννηση η παγίδα λειτουργούσε με πολύ μεγάλη απόδοση δέσμευσης των σωματιδίων, ενώ μετά την αναγέννηση η απόδοση της παγίδας όπως είναι λογικό έπεσε. Περισσότερα στοιχεία για την επίδραση της ενεργητικής αναγέννησης θα παρουσιαστούν σε επόμενο κεφάλαιο, το οποίο περιέχει τις μετρήσεις στις οποίες συνέβη μη προβλεπόμενη αναγέννηση. 1.0E E+12 Euro 5/6 1.0E E E E E E+00 NEDC Κύκλοι οδήγησης WLTC Εικόνα 3,7: Αριθμός εκπεμπόμενων σωματιδίων ανά χιλιόμετρο για ψυχρή εκκίνηση (cold start)

43 Car speed [km/h] PN [#/cm 3 ] PN [#/km] 1.E+12 1.E+10 1.E+08 1.E+06 1.E+04 1.E+02 1.E+00 NEDC Κύκλοι οδήγησης WLTC Εικόνα 3,8: Αριθμός εκπεμπόμενων σωματιδίων ανά χιλιόμετρο για ζεστή εκκίνηση (hot start). Car speed Particle concentration Cold Start Particle concentration Hot Start E E E E E E Time [sec] Εικόνα 3,9: Προφίλ εξέλιξης συγκέντρωσης εκπομπών σωματιδίων ανά κυβικό εκατοστό και ταχύτητας οχήματος για NEDC κύκλο οδήγησης, κρύα και ζεστή εκκίνηση. Στην Εικόνα 3,9 παρουσιάζεται το προφίλ εξέλιξης της συγκέντρωσης των σωματιδίων για ΝEDC κύκλο οδήγησης, τόσο για κρύα, όσο και για ζεστή εκκίνηση. Για κρύα εκκίνηση, παρατηρούνται έντονες διακυμάνσεις εκπεμπόμενων σωματιδίων, που κλιμακωτά μειώνονται, όσο δηλαδή η παγίδα ζεσταίνεται και αρχίζει να αποδίδει καλύτερα. Για ζεστή

44 Car speed [km/h] PN [#/cm 3 ] εκκίνηση, οι εκπομπές είναι αισθητά μειωμένες, με την παγίδα να δεσμεύει το σύνολο των σωματιδίων. Στην Εικόνα 3,10 παρουσιάζεται το προφίλ εξέλιξης της συγκέντρωσης των σωματιδίων για WLTC κύκλο οδήγησης, τόσο για κρύα, όσο και για ζεστή εκκίνηση. Τα προφίλ παρουσιάζουν όμοια εξέλιξη και στις δύο περιπτώσεις. Για κρύα εκκίνηση, όπως αναμένεται, τα εκπεμπόμενα σωματίδια είναι περισσότερα από ότι στην ζεστή εκκίνηση. Οι μεγαλύτερες διακυμάνσεις παρατηρούνται στα πρώτα τρία λεπτά των κύκλων, ενώ λίγο πριν το τέλος του κύκλου παρατηρείται μια απότομη έκλυση σωματιδίων. Car speed Particle concentration Cold Start Particle concentration Hot Start E E E E E E E E E Time [sec] Εικόνα 3,10: Προφίλ εξέλιξης συγκέντρωσης εκπομπών σωματιδίων ανά κυβικό εκατοστό και ταχύτητας οχήματος για WLTC κύκλο οδήγησης, κρύα και ζεστή εκκίνηση. 3.3 Opel Astra Το όχημα Opel Astra έχει τετρακύλινδρο κινητήρα πετρελαίου, με κυβισμό 1248 cc. Το συγκεκριμένο όχημα δοκιμάστηκε υπό διαφορετικές συνθήκες της πέδης δυναμομέτρησης, σε μια προσπάθεια για καλύτερη προσομοίωση των πραγματικών συνθηκών οδήγησης, αλλά και στην προσπάθεια για τον συσχετισμό των κύκλων οδήγησης. Το πρώτο σετ μετρήσεων πραγματοποιήθηκε τον Οκτώβριο του 2013 υπό συνθήκες λειτουργίας της πέδης δυναμομέτρησης που επιλέχτηκαν από το Ε.Ε.Θ. (LAT Settings) και παραθέτονται στον Πίνακας 3,4. Το δεύτερο και το τρίο σετ μετρήσεων πραγματοποιήθηκαν τον Ιανουάριου του 2014, με τις συνθήκες λειτουργίας της πέδης δυναμομέτρησης να είναι αυτές που ορίζει η νομοθεσία για τις διαδικασίες μέτρησης των κύκλων NEDC και WLTP (NEDC Settings και WLTP-High

45 Settings αντίστοιχα). Οι κύριες συνθήκες λειτουργίας της πέδης δυναμομέτρησης παρουσιάζονται συγκεντρωτικά στους Πίνακας 3,5 και Πίνακας 3,6. Για περισσότερες πληροφορίες επί των νομοθετημένων ρυθμίσεων λειτουργίας, ο αναγνώστης μπορεί να ανατρέξει στην βιβλιογραφία (European Union Law). Πίνακας 3,4: Συνθήκες λειτουργίας πέδης για Opel Astra (Οκτώβριος 2013, LAT Settings). Ισοδύναμη αδράνεια [kg] 1470 Ρύθμιση πέδης οχήματος LAT Settings Θερμοστάτηση λιπαντικού πέδης οχήματος [ o C] 70 Πίεση αέρα κινητήριων τροχών οχήματος [bar] 2.2 Αυτόματη ρύθμιση ταχύτητας ανεμιστήρα ψύξης οχήματος ΝΑΙ Πίνακας 3,5: Συνθήκες λειτουργίας πέδης για Opel Astra (Ιανουάριος 2014, NEDC Settings). Ισοδύναμη αδράνεια [kg] 1360 Ρύθμιση πέδης οχήματος NEDC Settings Θερμοστάτηση λιπαντικού πέδης οχήματος [ o C] 70 Πίεση αέρα κινητήριων τροχών οχήματος [bar] 3 Αυτόματη ρύθμιση ταχύτητας ανεμιστήρα ψύξης οχήματος ΝΑΙ Πίνακας 3,6: Συνθήκες λειτουργίας πέδης για Opel Astra (Ιανουάριος 2014, WLTP-High Settings). Ισοδύναμη αδράνεια [kg] 1650 Ρύθμιση πέδης οχήματος WLTP-High Settings Θερμοστάτηση λιπαντικού πέδης οχήματος [ o C] 70 Πίεση αέρα κινητήριων τροχών οχήματος [bar] 3 Αυτόματη ρύθμιση ταχύτητας ανεμιστήρα ψύξης οχήματος ΝΑΙ Στην Εικόνα 3,11 φαίνεται ο αριθμός των σωματιδίων (Particle Number) ανά χιλιόμετρο που μετρήθηκαν για κρύα εκκίνηση και υπό τις τρεις διαφορετικές συνθήκες λειτουργίας της πέδης δυναμομέτρησης. Σε όλες τις περιπτώσεις, οι μετρούμενοι εκπεμπόμενοι ρύποι είναι πολύ χαμηλότερα από το όριο που θεσπίζει η νομοθεσία (Euro 5). Υπό τις συνθήκες του ΕΕΘ (LAT Settings), τα αποτελέσματα και για τους δύο κύκλους οδήγησης είναι παρόμοια, αν και οι μετρήσεις του NEDC κύκλου παρουσιάζουν μεγαλύτερες μεταξύ τους αποκλίσεις, όπως γίνεται αντιληπτό και από τις μπάρες σφάλματος (error bars) της εικόνας. Όπως και στην BMW X1, έτσι και εδώ υπήρξε μη προβλεπόμενη ενεργητική αναγέννηση κατά την διάρκεια μίας μέτρησης, με τα αποτελέσματά της να παραθέτονται στο αντίστοιχο κεφάλαιο. Οι διακυμάνσεις στις μετρήσεις του NEDC κύκλου οδήγησης, ίσως να οφείλονται στην μεταβολή της απόδοσης της παγίδας πριν και μετά την αναγέννηση. Υπό τις συνθήκες που ορίζει η νομοθεσία για τον NEDC κύκλο οδήγησης (NEDC Settings), τα αποτελέσματα του NEDC είναι πολύ πιο υψηλά από εκείνα του WLTC κύκλου οδήγησης

46 PN [#/km] PN [#/km] Παρουσιάζουν μάλιστα μεγάλη διακύμανση (εύρος μπάρων σφάλματος). Αντίθετα οι μετρήσεις για τον WLTC παρουσιάζουν καλή επαναληψιμότητα. Τέλος, υπό τις συνθήκες που ορίζει η διαδικασία WLTP (WLTP-High Settings), πραγματοποιήθηκαν μετρήσεις μόνο του WLTC κύκλου οδήγησης, με τα αποτελέσματα να είναι παρόμοια με τα αποτελέσματα υπό NEDC Settings. LAT Settings NEDC Settings WLTP-H Settings 7E+11 6E+11 5E+11 4E+11 3E+11 2E+11 1E+11 0 NEDC Κύκλοι οδήγησης WLTC Εικόνα 3,11: Αριθμός εκπεμπόμενων σωματιδίων ανά χιλιόμετρο για ψυχρή εκκίνηση (cold start). LAT Settings NEDC Settings WLTP-H Settings 8E+09 7E+09 6E+09 5E+09 4E+09 3E+09 2E+09 1E+09 0 NEDC WLTC Art. Urban Art. Road Ermes Κύκλοι οδήγησης Εικόνα 3,12: Αριθμός εκπεμπόμενων σωματιδίων ανά χιλιόμετρο για ζεστή εκκίνηση (hot start)

47 PM [mg/km] Στην Εικόνα 3,12 φαίνεται ο αριθμός των σωματιδίων (Particle Number) ανά χιλιόμετρο που μετρήθηκαν για όλους τους κύκλους οδήγησης, για ζεστή εκκίνηση και υπό τις τρεις διαφορετικές συνθήκες λειτουργίας της πέδης δυναμομέτρησης. Υπό τις συνθήκες του ΕΕΘ (LAT Settings), με εξαίρεση τους NEDC και Artemis Road κύκλους οδήγησης, τα μετρούμενα εκπεμπόμενα σωματίδια είναι ιδιαίτερα αυξημένα, σε αντιδιαστολή με τα αποτελέσματα των αντίστοιχων κύκλων υπό διαφορετικές συνθήκες λειτουργίας της πέδης δυναμομέτρησης. Οι κύκλοι NEDC και Artemis Road έχουν καλή επαναληψιμότητα, ενώ οι μετρήσεις του WLTC κύκλου παρουσιάζουν αποκλίσεις. Οι κύκλοι Artemis Urban και Ermes έχουν από μία μέτρηση και παρουσιάζουν μεγάλο αριθμό εκπεμπόμενων σωματιδίων. Υπό τις συνθήκες που ορίζει η νομοθεσία για τον NEDC κύκλο οδήγησης (NEDC Settings), ο μεγαλύτερος αριθμός εκπεμπόμενων σωματιδίων παρατηρήθηκε στους NEDC και Artemis Urban, αν και παρατηρείται μεγάλη διακύμανση στις τιμές των αποτελεσμάτων. Τέλος, υπό τις συνθήκες που ορίζει η διαδικασία WLTP (WLTP-High Settings), ο μεγαλύτερος αριθμός σωματιδίων παρατηρήθηκε κατά τον Artemis Urban κύκλο οδήγησης. Υπό αυτές τις συνθήκες υπήρξε μέτρηση του NEDC κύκλου οδήγησης. Στην Εικόνα 3,13 παρουσιάζεται η συγκέντρωση της μάζας των εκπεμπόμενων σωματιδίων ανά χιλιόμετρο για κρύα εκκίνηση, μετρούμενη με την βαρομετρική μέθοδο (Κεφάλαιο 2). Αναγράφονται τα αποτελέσματα και για τις τρεις διαφορετικές ρυθμίσεις λειτουργίας της πέδης δυναμομέτρησης. Η μάζα των εκπεμπόμενων σωματιδίων φαίνεται να κυμαίνεται στα ίδια επίπεδα και για τους δύο κύκλους οδήγησης. LAT Settings NEDC Settings WLTP-H Settings NEDC Κύκλοι οδήγησης WLTC Εικόνα 3,13: Μάζα εκπεμπόμενων σωματιδίων ανά χιλιόμετρο για ψυχρή εκκίνηση (cold start). Στην Εικόνα 3,14 παρουσιάζεται η συγκέντρωση της μάζας των εκπεμπόμενων σωματιδίων ανά χιλιόμετρο για ζεστή εκκίνηση. Οι διαθέσιμες μετρήσεις έγιναν μόνο για τις δοκιμές υπό τις ρυθμίσεις του εργαστηρίου (LAT Settings). Οι μεγαλύτερες τιμές παρατηρούνται στους WLTC και Artemis Urban κύκλους οδήγησης

48 Car speed [km/h] PN [#/cm 3 ] PM [mg/km] LAT Settings NEDC WLTC Artemis Urban Artemis Road Ermes Κύκλοι οδήγησης Εικόνα 3,14: Μάζα εκπεμπόμενων σωματιδίων ανά χιλιόμετρο για ζεστή εκκίνηση (hot start). Car speed Particle Concentratio Cold Start Particle Concentration Hot Start E+04 6.E+04 5.E E E+04 2.E+04 1.E+04 0.E Time [sec] Εικόνα 3,15: Προφίλ εξέλιξης συγκέντρωσης εκπεμπόμενων σωματιδίων ανά κυβικό εκατοστό και ταχύτητας οχήματος για NEDC κύκλο οδήγησης, κρύα και ζεστή εκκίνηση (LAT Settings). Στην Εικόνα 3,15 παρουσιάζεται η εξέλιξη της συγκέντρωσης των εκπεμπόμενων ρύπων ως προς τον χρόνο τόσο για την περίπτωση κρύας όσο και ζεστής εκκίνησης του NEDC κύκλου οδήγησης, υπό συνθήκες λειτουργίας της πέδης επιλεγμένες από το ΕΕΘ (LAT Settings). Στο βάθος διαγράφεται το προφίλ του κύκλου, η ταχύτητα δηλαδή του οχήματος ανά δευτερόλεπτο. Για την κρύα εκκίνηση, το προφίλ εξέλιξης των σωματιδίων ομοιάζει με το αντίστοιχο που υπολογίστηκε στο όχημα BMW X1. Παρατηρούνται έντονες εκπομπές

49 Car speed [km/h] PN [#/cm 3 ] σωματιδιακής μάζας τα πρώτα τρία λεπτά του κύκλου, στην συνέχεια οι εκπομπές μηδενίζονται και προς το τέλος του κύκλου εμφανίζεται μια απότομη έκλυση σωματιδίων, η οποία παρουσιάζει και εδώ μεγάλη επαναληψιμότητα. Κατά την ζεστή εκκίνηση, οι εκπομπές είναι σημαντικά μειωμένες, αν και παρουσιάζουν ανάλογη συμπεριφορά με την περίπτωση της ψυχρής εκκίνησης. Τα προφίλ εξέλιξης των σωματιδίων αποτελούν την μέση τιμή όλων των μετρήσεων που πραγματοποιήθηκαν υπό τις συγκεκριμένες συνθήκες (LAT Settings). Στην Εικόνα 3,16 παρουσιάζεται η εξέλιξη της συγκέντρωσης των εκπεμπόμενων ρύπων ως προς τον χρόνο τόσο για την περίπτωση κρύας όσο και ζεστής εκκίνησης, αυτήν την φορά για τον WLTC κύκλο οδήγησης, υπό LAT Settings. Στο βάθος διαγράφεται το προφίλ του κύκλου, η ταχύτητα δηλαδή του οχήματος ανά δευτερόλεπτο. Για την κρύα εκκίνηση, παρατηρούνται έντονες εκπομπές σωματιδιακής μάζας τα πρώτα τρία λεπτά του κύκλου, στην συνέχεια όμως οι εκπομπές μειώνονται και σχεδόν μηδενίζονται. Το προφίλ εξέλιξης των εκπεμπόμενων σωματιδίων για την περίπτωση της ζεστής εκκίνησης παρουσιάζεται ομοιόμορφο, αρκετά μικρότερο από το αντίστοιχο προφίλ της κρύας εκκίνησης, ενώ παρουσιάζει μια απότομη έκλυση σωματιδίων προς το τέλος του κύκλου. Car speed Particle Concentration Cold Start Particle Concentration Hot Start E E E E E E E Time [sec] Εικόνα 3,16: Προφίλ εξέλιξης συγκέντρωσης εκπεμπόμενων σωματιδίων ανά κυβικό εκατοστό και ταχύτητας οχήματος για WLTC κύκλο οδήγησης, κρύα και ζεστή εκκίνηση (LAT Settings). Στην Εικόνα 3,17 παρουσιάζεται η εξέλιξη της συγκέντρωσης των εκπεμπόμενων ρύπων ως προς τον χρόνο τόσο για την περίπτωση κρύας όσο και ζεστής εκκίνησης του NEDC κύκλου οδήγησης, υπό τις νομοθετημένες συνθήκες λειτουργίας της πέδης (NEDC Settings). Κατά τα πρώτα λεπτά της κρύας εκκίνησης, παρατηρούνται έντονες διακυμάνσεις στο προφίλ των εκπεμπόμενων σωματιδίων. Στη συνέχεια, το προφίλ ομαλοποιείται και λίγο πριν το τέλος του κύκλου εμφανίζεται μια απότομη έκλυση σωματιδίων. Για ζεστή εκκίνηση, τα σωματίδια

50 Car speed [km/h] PN [#/cm 3 ] Car speed [km/h] PN [#/cm 3 ] Car speed Particle ConcentrationCold Start Particle Concentration Hot Start E E E E E E E E Time [sec] Εικόνα 3,17: Προφίλ εξέλιξης συγκέντρωσης εκπεμπόμενων σωματιδίων ανά κυβικό εκατοστό και ταχύτητας οχήματος για NEDC κύκλο οδήγησης, κρύα και ζεστή εκκίνηση (NEDC Settings). Car speed Particle Concentration Cold Start Particle Concentration Hot Start E E E E E E E E E Time [sec] Εικόνα 3,18: Προφίλ εξέλιξης συγκέντρωσης εκπεμπόμενων σωματιδίων ανά κυβικό εκατοστό και ταχύτητας οχήματος για WLTC κύκλο οδήγησης, κρύα και ζεστή εκκίνηση (NEDC Settings)

51 Car speed [km/h] PN [#/cm 3 ] είναι πολύ πιο μειωμένα, ένδειξη της αποδοτικής λειτουργίας της παγίδας. Στην Εικόνα 3,18 παρουσιάζεται η εξέλιξη της συγκέντρωσης των εκπεμπόμενων ρύπων ως προς τον χρόνο τόσο για την περίπτωση κρύας όσο και ζεστής εκκίνησης, αυτήν την φορά για τον WLTC κύκλο οδήγησης, υπό τις νομοθετημένες συνθήκες λειτουργίας της πέδης (NEDC Settings). Για την κρύα εκκίνηση, παρατηρούνται απότομες κορυφές τα πρώτα πέντε λεπτά του κύκλου, ενώ στη συνέχεια, οι εκπομπές σωματιδίων ομαλοποιούνται σε σημείο να μηδενίζονται. Σε όλη την διάρκεια του κύκλου με ζεστή εκκίνηση, οι εκπομπές σωματιδίων είναι μηδαμινές. Στην Εικόνα 3,19 παρουσιάζεται η εξέλιξη της συγκέντρωσης των εκπεμπόμενων ρύπων ως προς τον χρόνο τόσο για την περίπτωση κρύας όσο και ζεστής εκκίνησης για τον WLTC κύκλο οδήγησης, σύμφωνα με τις συνθήκες λειτουργίας της πέδης δυναμομέτρησης, όπως αυτές ορίζεται από την διαδικασία WLTP (WLTP-High Settings). Για την κρύα εκκίνηση, παρατηρούνται απότομες κορυφές τα πρώτα πέντε λεπτά του κύκλου, ενώ στη συνέχεια, η απόδοση της παγίδας αυξάνεται και οι εκπομπές τείνουν να μηδενιστούν. Σε όλη την διάρκεια του κύκλου οδήγησης με ζεστή εκκίνηση, το προφίλ εξέλιξης των εκπεμπόμενων σωματιδίων είναι ομαλοποιημένο. Car speed Particle Concentration Cold Start Particle Concentration Hot Start E E E E E E E E Time [sec] Εικόνα 3,19: Προφίλ εξέλιξης συγκέντρωσης εκπεμπόμενων σωματιδίων ανά κυβικό εκατοστό και ταχύτητας οχήματος για WLTC κύκλο οδήγησης, κρύα και ζεστή εκκίνηση (WLTP-H Settings)

52 Car speed [km/h] PN [#/cm 3 ] Car speed LAT Settings NEDC Settings WLTP-H Settings E E E E E E E E E E E Time [sec] Εικόνα 3,20: Προφίλ εξέλιξης συγκέντρωσης εκπεμπόμενων σωματιδίων ανά κυβικό εκατοστό και ταχύτητας οχήματος για Artemis Urban κύκλο οδήγησης. Στην Εικόνα 3,20 παρουσιάζονται τα προφίλ εξέλιξης της συγκέντρωσης των εκπεμπόμενων σωματιδίων για τον Artemis Urban κύκλο οδήγησης και υπό τις τρεις εξεταζόμενες ρυθμίσεις λειτουργίας της πέδης δυναμομέτρησης. Στο βάθος της Εικόνα 3,20 απεικονίζεται η ταχύτητα του οχήματος. Τα προφίλ των μετρούμενων σωματιδίων παρουσιάζουν παρόμοια εξέλιξη, με τον κύκλο οδήγησης υπό τις ρυθμίσεις WLTP-High να έχει την πιο ήπια συμπεριφορά. Οι εντονότερες αυξομειώσεις σημειώνονται στα πρώτα sec, χωρίς να λείπουν και οι απότομες κορυφές σε τυχαία σημεία. Στην Εικόνα 3,21 παρουσιάζονται τα προφίλ εξέλιξης της συγκέντρωσης των εκπεμπόμενων σωματιδίων για τον Artemis Road κύκλο οδήγησης και υπό τις τρεις εξεταζόμενες ρυθμίσεις λειτουργίας της πέδης δυναμομέτρησης. Στο βάθος της Εικόνα 3,21 απεικονίζεται η ταχύτητα του οχήματος. Τα προφίλ των μετρούμενων σωματιδίων παρουσιάζουν παρόμοια εξέλιξη. Πιο συγκεκριμένα, οι όποιες αυξομειώσεις παρατηρούνται τα πρώτα 200 sec, και γύρω στα 800 sec. Η πιο έντονη συμπεριφορά παρατηρείται στον κύκλο υπό τις ρυθμίσεις WLTP-High, κάτι που έρχεται άμεση συμφωνία με τα αποτελέσματα της Εικόνα 3,12. Στην Εικόνα 3,22 παρουσιάζεται η εξέλιξη της συγκέντρωσης των εκπεμπόμενων σωματιδίων κατά την διάρκεια του Ermes κύκλου οδήγησης και για τις τρεις εξεταζόμενες ρυθμίσεις της πέδης δυναμομέτρησης. Την πιο έντονη συμπεριφορά παρουσιάζει ο κύκλος υπό τις ρυθμίσεις του ΕΕΘ, γεγονός που επαληθεύεται και από την Εικόνα 3,12, κυρίως στο χρονικό διάστημα sec, και προς το τέλος του κύκλου. Για τις άλλες δύο περιπτώσεις, οι κύριες εκλύσεις εκπεμπόμενων σωματιδίων καταγράφονται προς το τέλος του Ermes κύκλου οδήγησης, στο πιο απαιτητικό δηλαδή κομμάτι του κύκλου από άποψη απαιτήσεων σε ταχύτητα και ισχύ

53 Car speed [km/h] PN [#/cm 3 ] Car speed [km/h] PN [#/cm 3 ] Car speed LAT Settings NEDC Settings WLTP-H Settings E E E E E E E E E E E Time [sec] Εικόνα 3,21: Προφίλ εξέλιξης συγκέντρωσης εκπεμπόμενων σωματιδίων ανά κυβικό εκατοστό και ταχύτητας οχήματος για Artemis Road κύκλο οδήγησης. Car speed LAT Settings NEDC Settings WLTP-H Settings E E E E E E E E Time [sec] Εικόνα 3,22: Προφίλ εξέλιξης συγκέντρωσης εκπεμπόμενων σωματιδίων ανά κυβικό εκατοστό και ταχύτητας οχήματος για Ermes κύκλο οδήγησης

54 PN [#/km] 3.4 Opel Mokka Το όχημα Opel Mokka έχει τετρακύλινδρο κινητήρα πετρελαίου με κυβισμό 1686 cc. Το συγκεκριμένο όχημα δοκιμάστηκε τον Δεκέμβριο του 2013, υπό δύο διαφορετικές συνθήκες λειτουργίας της πέδης δυναμομέτρησης, συνθήκες οι οποίες παραθέτονται στον Πίνακας 3,7 και στον Πίνακας 3,8. Πίνακας 3,7: Συνθήκες λειτουργίας πέδης για Opel Mokka (Δεκέμβριος 2013). Ισοδύναμη αδράνεια [kg] 1470 Ρύθμιση πέδης οχήματος NEDC Settings Θερμοστάτηση λιπαντικού πέδης οχήματος [ o C] 70 Πίεση αέρα κινητήριων τροχών οχήματος [bar] 3 Αυτόματη ρύθμιση ταχύτητας ανεμιστήρα ψύξης οχήματος ΝΑΙ Πίνακας 3,8: Συνθήκες λειτουργίας πέδης για Opel Mokka (Δεκέμβριος 2013). Ισοδύναμη αδράνεια [kg] 1590 Ρύθμιση πέδης οχήματος WLTP-High Settings Θερμοστάτηση λιπαντικού πέδης οχήματος [ o C] 70 Πίεση αέρα κινητήριων τροχών οχήματος [bar] 3 Αυτόματη ρύθμιση ταχύτητας ανεμιστήρα ψύξης οχήματος ΝΑΙ 7.E+11 6.E+11 NEDC Settings WLTP-H Settings Euro 5/6 5.E+11 4.E+11 3.E+11 2.E+11 1.E+11 0.E+00 NEDC Κύκλοι οδήγησης WLTC Εικόνα 3,23: Αριθμός εκπεμπόμενων σωματιδίων ανά χιλιόμετρο για ψυχρή εκκίνηση (cold start). Στην Εικόνα 3,23 παρουσιάζονται τα αποτελέσματα για κρύα εκκίνηση. Όπως φαίνεται οι εκπομπές σωματιδίων του συγκεκριμένου οχήματος και για τους δύο κύκλους οδήγησης είναι παρόμοιες και πολύ κάτω από το ανώτερο επιτρεπτό όριο, ενώ οι μετρήσεις παρουσιάζουν μικρό εύρος διασποράς. Για τον WLTC κύκλο οδήγησης προκύπτουν ίδιες εκπομπές και για τις δύο ρυθμίσεις λειτουργίας της πέδης δυναμομέτρησης

55 PM [mg/km] PN [#/km] 1.5E+11 NEDC Settings WLTP-H Settings 1.2E E E E E+00 NEDC WLTC Art. Urban Art. Road Ermes Κύκλοι οδήγησης Εικόνα 3,24: Αριθμός εκπεμπόμενων σωματιδίων ανά χιλιόμετρο για ζεστή εκκίνηση (hot start). Στην Εικόνα 3,24 παρουσιάζονται τα αποτελέσματα για ζεστή εκκίνηση για όλους τους κύκλους. Υπό τις ρυθμίσεις NEDC Settings, ο μεγαλύτερος αριθμός εκπεμπόμενων σωματιδίων παρατηρήθηκε στον Artemis Urban κύκλο οδήγησης. Για τους κύκλους οδήγησης WLTC, Artemis Road και Ermes, τα εκπεμπόμενα σωματίδια κυμαίνονται στα ίδια επίπεδα. Υπό τις συνθήκες WLTP-High Settings, και πάλι ο κύκλος Artemis Urban παρουσιάζει τις περισσότερες εκπομπές σωματιδίων (διπλάσιες από ότι μετρήθηκε για Settings) NEDC Κύκλοι οδήγησης WLTC Εικόνα 3,25: Μάζα εκπεμπόμενων σωματιδίων ανά χιλιόμετρο για ψυχρή εκκίνηση (cold start, NEDC Settings). Στην Εικόνα 3,25 παρουσιάζονται οι μετρήσεις της μάζας των εκπεμπόμενων σωματιδίων ανά χιλιόμετρο για κρύα εκκίνηση, όπως μετρήθηκαν με την βαρομετρική μέθοδο, για

56 Car speed [km/h] PN [#/cm 3 ] λειτουργία της πέδης υπό τις ρυθμίσεις NEDC Settings. Η μάζα των εκπομπών σωματιδίων κατά των NEDC κύκλο οδήγησης είναι διπλάσιες από την μάζα των σωματιδίων κατά τον WLTC κύκλο οδήγησης. Στην Εικόνα 3,26 παρουσιάζονται τα προφίλ εξέλιξης της συγκέντρωσης για τον NEDC κύκλο οδήγησης, για κρύα και για ζεστή εκκίνηση, υπό τις ρυθμίσεις NEDC Settings. Τα προφίλ αποτελούν την μέση τιμή των μετρήσεων των αντίστοιχων κύκλων οδήγησης. Κατά την κρύα εκκίνηση, παρατηρούνται έντονες αυξομειώσεις στον αριθμό των εκπεμπόμενων σωματιδίων τα πρώτα 250 sec. Στη συνέχεια, το προφίλ ομαλοποιείται και λίγο πριν το τέλος του κύκλου εμφανίζεται μια απότομή κορυφή. Για τον κύκλο οδήγησης με ζεστή εκκίνηση, το προφίλ είναι πιο ήπιο, με μικρές διακυμάνσεις και την κύρια έκλυση σωματιδίων λίγο πριν το τέλος του κύκλου, στο ίδιο σημείο που εμφανίζεται και για τον κύκλο οδήγησης με κρύα εκκίνηση. Car speed Particle Concentration Cold Start Particle Concentration Hot Start E E E E E E E Time [sec] Εικόνα 3,26: Προφίλ εξέλιξης συγκέντρωσης εκπεμπόμενων σωματιδίων ανά κυβικό εκατοστό και ταχύτητας οχήματος για NEDC κύκλο οδήγησης, κρύα και ζεστή εκκίνηση. Στην Εικόνα 3,27 παρουσιάζεται η εξέλιξη της συγκέντρωσης των εκπεμπόμενων ρύπων ως προς τον χρόνο τόσο για την περίπτωση κρύας όσο και ζεστής εκκίνησης για τον WLTC κύκλο οδήγησης (NEDC Settings). Τα προφίλ προέκυψαν από τον υπολογισμό του μέσου όρου των μετρήσεων των αντίστοιχων κύκλων οδήγησης. Όπως είναι αναμενόμενο ο κύκλος υπό κρύα εκκίνηση παρουσιάζει μεγαλύτερες διακυμάνσεις στο προφίλ, με την μεγαλύτερη ποσότητα σωματιδίων να εκλύεται κατά την διάρκεια των 200 sec. Για την ζεστή εκκίνηση,

57 Car speed [km/h] PN [#/cm 3 ] Car speed [km/h] PN [#/cm 3 ] Car speed Particle Concentration Cold Start Particle Concentration Hot Start E E E E E E Time [sec] Εικόνα 3,27: Προφίλ εξέλιξης συγκέντρωσης εκπεμπόμενων σωματιδίων ανά κυβικό εκατοστό και ταχύτητας οχήματος για WLTC κύκλο οδήγησης, κρύα και ζεστή εκκίνηση (NEDC Settings). Car speed Particle Concentration Cold Start Particle Concentration Hot Start E E E E E E E E Time [sec] Εικόνα 3,28: Προφίλ εξέλιξης συγκέντρωσης εκπεμπόμενων σωματιδίων ανά κυβικό εκατοστό και ταχύτητας οχήματος για WLTC κύκλο οδήγησης, κρύα και ζεστή εκκίνηση (WLTP-H Settings)

58 Car speed [km/h] PN [#/cm 3 ] παρατηρούνται μικρότερης κλίμακας διακυμάνσεις. Ενδιαφέρον έχει να παρατηρήσουμε ότι μετά τα πρώτα 200 sec -οπότε και η παγίδα ζεσταίνεται- τα δύο προφίλ σχεδόν ταυτίζονται. Στην Εικόνα 3,28 παρουσιάζεται η εξέλιξη της συγκέντρωσης των εκπεμπόμενων ρύπων ως προς τον χρόνο τόσο για την περίπτωση κρύας όσο και ζεστής εκκίνησης για τον WLTC κύκλο οδήγησης, αυτή την φορά με διαφορετικές ρυθμίσεις λειτουργίας της πέδης (WLTP- High Settings). Τα προφίλ προέκυψαν από τον υπολογισμό του μέσου όρου των μετρήσεων των αντίστοιχων κύκλων οδήγησης. Και εδώ, ο κύκλος υπό κρύα εκκίνηση παρουσιάζει μεγαλύτερες διακυμάνσεις στο προφίλ, με την μεγαλύτερη ποσότητα σωματιδίων να εκλύεται κατά την διάρκεια των 200 sec. Για την ζεστή εκκίνηση, παρατηρούνται μικρότερης κλίμακας διακυμάνσεις και με εξαίρεση τα πρώτα 200 sec, παρουσιάζει παρόμοια συμπεριφορά με το προφίλ των εκπομπών υπό κρύα εκκίνηση. Στις Εικόνα 3,29 και Εικόνα 3,30 παρουσιάζονται τα προφίλ εξέλιξης της συγκέντρωσης των εκπεμπόμενων σωματιδίων για τους κύκλους οδήγησης Artemis Urban και Artemis Road. Τα εικονιζόμενα προφίλ προέκυψαν από τον υπολογισμό του μέσου όρου των μετρήσεων για τους αντίστοιχους κύκλους και για τις δύο ρυθμίσεις λειτουργίας της πέδης δυναμομέτρησης. Και για τα δύο προφίλ παρουσιάζεται παρόμοια εξέλιξη καθ όλη την διάρκεια των κύκλων οδήγησης, με τα προφίλ υπό τις ρυθμίσεις WLTP-High Settings να παρουσιάζουν πιο έντονες αυξομειώσεις. Car speed WLTP-H Settings NEDC Settings E E E E E E E E E E E Time [sec] Εικόνα 3,29: Προφίλ εξέλιξης συγκέντρωσης εκπεμπόμενων σωματιδίων ανά κυβικό εκατοστό και ταχύτητας οχήματος για Artemis Urban κύκλο οδήγησης

59 Car speed [km/h] PN [#/cm 3 ] Car speed [km/h] PN [#/cm 3 ] Car speed WLTP-H Settings NEDC Settings E E E E E E Time [sec] Εικόνα 3,30: Προφίλ εξέλιξης συγκέντρωσης εκπεμπόμενων σωματιδίων ανά κυβικό εκατοστό και ταχύτητας οχήματος για Artemis Road κύκλο οδήγησης. Car speed Particle Concentration E E E E E E E Time [sec] Εικόνα 3,31: Προφίλ εξέλιξης συγκέντρωσης εκπεμπόμενων σωματιδίων ανά κυβικό εκατοστό και ταχύτητας οχήματος για Ermes κύκλο οδήγησης

60 Στην Εικόνα 3,31 παρουσιάζεται το προφίλ εξέλιξης της συγκέντρωσης των εκπεμπόμενων σωματιδίων κατά την διάρκεια του Ermes κύκλου οδήγησης, το οποίο φαίνεται να ακολουθεί το προφίλ εξέλιξης της ταχύτητας του οχήματος. Στο αρχικό κομμάτι του κύκλου, παρατηρούνται επαναλαμβανόμενες κορυφές, αντίστοιχες με τις κορυφές της ταχύτητας του οχήματος. Στο μεσαίο κομμάτι, από sec, παρατηρούνται έντονες διακυμάνσεις, ενώ στο τελευταίο κομμάτι το προφίλ ομαλοποιείται. 3.5 Volkswagen Polo Από τα εξεταζόμενα οχήματα μόνο το Polo έχει κινητήρα βενζίνης χρησιμοποιεί τριαδικό καταλύτη (TWC). Οι τρεις κυριότεροι ρύποι στα καυσαέρια των βενζινοκινητήρων είναι τα οξείδια του αζώτου (ΝΟx), το μονοξείδιο του άνθρακα (CO) και οι άκαυστοι υδρογονάνθρακες (HC). Ο συγκεκριμένος βενζινοκινητήρα είναι άμεσου ψεκασμού στοιχειομετρικής καύσης (GDI). Οι κινητήρες αυτοί αποτελούν μία ευρέως εφαρμοσμένη τεχνολογία που επιτρέπει την αποτελεσματική μείωση των εκπομπών CO2 από ελαφριά εμπορικά αυτοκίνητα. Η τεχνολογία αυτή όμως οδηγεί σε σημαντικές εκπομπές σωματιδίων, μεγαλύτερες από εκείνες που σχετίζονται με τους συμβατικούς βενζινοκινητήρες. Το μέσο μέγεθος αυτών των σωματιδίων είναι αρκετά μικρότερο από εκείνων που εκπέμπουν οι πετρελαιοκινητήρες, όμως τα μικρά σωματίδια είναι πιο επιβλαβή για την ανθρώπινη υγεία. Για τον λόγο αυτόν, η επερχόμενη νομοθεσία (πρότυπο Euro 6), θα θέσει πιο αυστηρά όρια στις εκπομπές σωματιδίων (από 6x10 12 σε 6x10 11 ). Το πρώτο σετ μετρήσεων πραγματοποιήθηκε τον Νοέμβριο του 2013 υπό τις νομοθετημένες συνθήκες λειτουργίας της πέδης δυναμομέτρησης για τον NEDC κύκλο οδήγησης (NEDC Settings). Οι βασικές συνθήκες λειτουργίας παραθέτονται στον Πίνακας 3,9. Το δεύτερο και το τρίο σετ μετρήσεων πραγματοποιήθηκε τον Φεβρουάριο του Οι συνθήκες λειτουργίας για το δεύτερο σετ μετρήσεων συνοψίζονται στον Πίνακας 3,10 και πρόκειται για τις ρυθμίσεις της διαδικασίας WLTP. Οι συνθήκες λειτουργίας της πέδης για το τρίτο σετ μετρήσεων ήταν ίδιες με τις μετρήσεις του Νοεμβρίου (Πίνακας 3,9). Γι αυτό, οι συγκεκριμένες μετρήσεις επεξεργάστηκαν με τις αντίστοιχες μετρήσεις του Νοεμβρίου και υπολογίστηκαν οι μέσες τιμές των εκάστοτε κύκλων οδήγησης. Πίνακας 3,9: Συνθήκες λειτουργίας πέδης για VW Polo (Νοέμβριος 2013 & Φεβρουάριος 2014, NEDC Settings). Ισοδύναμη αδράνεια [kg] 1130 Ρύθμιση πέδης οχήματος NEDC Settings Θερμοστάτηση λιπαντικού πέδης οχήματος [ o C] 70 Πίεση αέρα κινητήριων τροχών οχήματος [bar] 2.7 Αυτόματη ρύθμιση ταχύτητας ανεμιστήρα ψύξης οχήματος ΝΑΙ

61 PN [#/km] Πίνακας 3,10: Συνθήκες λειτουργίας πέδης για VW Polo (Φεβρουάριος 2014, WLTP-High Settings). Ισοδύναμη αδράνεια [kg] 1360 Ρύθμιση πέδης οχήματος WLTP-High Settings Θερμοστάτηση λιπαντικού πέδης οχήματος [ o C] 70 Πίεση αέρα κινητήριων τροχών οχήματος [bar] 2.7 Αυτόματη ρύθμιση ταχύτητας ανεμιστήρα ψύξης οχήματος ΝΑΙ Στην Εικόνα 3,32 παρουσιάζεται ο αριθμός των εκπεμπόμενων σωματιδίων ανά χιλιόμετρο για κρύα εκκίνηση και για τις δύο ρυθμίσεις λειτουργίας της πέδης δυναμομέτρησης. Τα αποτελέσματα για τους NEDC και WLTC κύκλους οδήγησης, υπό τις νομοθετημένες ρυθμίσεις NEDC Settings, κυμαίνονται στα ίδια επίπεδα. Υπό τις ρυθμίσεις της διαδικασίας WLTP-High Settings, πραγματοποιήθηκαν δοκιμές μόνο για τον WLTC κύκλο οδήγησης και τα αποτελέσματα των μετρήσεων είναι ελάχιστα αυξημένες από τις προηγούμενες ρυθμίσεις. Όπως χαρακτηριστικά φαίνεται στην Εικόνα 3.32, ο αριθμός εκπεμπόμενων σωματιδίων είναι πολύ κάτω από το ισχύον επιτρεπόμενο όριο (Euro 5), αλλά για την ικανοποίηση του επερχόμενου, αυστηρότερου προτύπου Euro 6, πρόσθετα μέτρα για την δέσμευση των σωματιδίων θα πρέπει να ληφθούν. NEDC Settings WLTP-H Settings 6.0E E E E E E E+00 NEDC Κύκλοι οδήγησης WLTC Εικόνα 3,32: Αριθμός εκπεμπόμενων σωματιδίων ανά χιλιόμετρο για ψυχρή εκκίνηση (cold start). Στην Εικόνα 3,33 παρουσιάζεται ο αριθμός των εκπομπών σωματιδίων ανά χιλιόμετρο για ζεστή εκκίνηση. Συμπεριλαμβάνονται και οι πέντε κύκλοι οδήγησης, υπό τις δύο διαφορετικές επιλογές των ρυθμίσεων λειτουργίας της πέδης δυναμομέτρησης. Ο μικρότερος αριθμός εκπεμπόμενων σωματιδίων μετρήθηκε κατά τον NEDC κύκλο οδήγησης. Για τους κύκλους οδήγησης Artemis Urban και Ermes, παρατηρούνται οι μεγαλύτερες τιμές εκλυόμενων σωματιδίων. Υπό τις ρυθμίσεις WLTP-H settings, οι μεγαλύτερες τιμές στις εκπομπές παρατηρούνται στους κύκλους οδήγησης Artemis Urban, Artemis Road και Ermes

62 Car speed [km/h] PN [#/cm 3 ] PN [#/km] NEDC Settings WLTP-H Settings 4.0E E E E E E E E E+00 NEDC WLTC Art. Urban Art. Road Ermes Κύκλοι οδήγησης Εικόνα 3,33: Αριθμός εκπεμπόμενων σωματιδίων ανά χιλιόμετρο για ζεστή εκκίνηση (hot start). Στην Εικόνα 3,34 παρουσιάζονται τα προφίλ εξέλιξης της συγκέντρωσης των εκπεμπόμενων σωματιδίων κατά τον NEDC κύκλου οδήγησης, για κρύα και ζεστή εκκίνηση. Πολύ ενδιαφέρον έχει να παρατηρήσουμε ότι τα δύο προφίλ σχεδόν ταυτίζονται, με την μόνο διαφορά στον κύκλο για κρύα εκκίνηση, μια απότομη έκλυση στα πρώτα δευτερόλεπτα. Λόγω μη ύπαρξης παγίδας αιθάλης, τα δύο προφίλ είναι άμεσα συνδεδεμένα με την εξέλιξη της ταχύτητας του οχήματος. Car speed Particle Concentration Cold Start Particle Concentration Hot Start E E E E E E E E Time [sec] Εικόνα 3,34: Προφίλ εξέλιξης συγκέντρωσης εκπεμπόμενων σωματιδίων ανά κυβικό εκατοστό και ταχύτητας οχήματος για NEDC κύκλο οδήγησης, κρύα και ζεστή εκκίνηση (NEDC Settings)

63 Car speed [km/h] PN [#/cm 3 ] Car speed [km/h] PN [#/cm 3 ] Car speed Particle Concentration Cold Start Particle Concentration Hot Start E E E E E E Time [sec] Εικόνα 3,35: Προφίλ εξέλιξης συγκέντρωσης εκπεμπόμενων σωματιδίων ανά κυβικό εκατοστό και ταχύτητας οχήματος για WLTC κύκλο οδήγησης, κρύα και ζεστή εκκίνηση (NEDC Settings). Car speed Particle Concentration Cold Start Particle Concentration Hot Start E E E E E E E E E Time [sec] Εικόνα 3,36: Προφίλ εξέλιξης συγκέντρωσης εκπεμπόμενων σωματιδίων ανά κυβικό εκατοστό και ταχύτητας οχήματος για WLTC κύκλο οδήγησης, κρύα και ζεστή εκκίνηση (WLTP-High Settings)

64 Car speed [km/h] PN [#/cm 3 ] Στην Εικόνα 3,35 Εικόνα 3.35 παρουσιάζονται τα προφίλ εξέλιξης της συγκέντρωσης των εκπεμπόμενων σωματιδίων κατά τον WLTC κύκλου οδήγησης, για κρύα και ζεστή εκκίνηση, υπό τις ρυθμίσεις: NEDC Settings. Και εδώ τα προφίλ που αντιστοιχούν στην συγκέντρωση των σωματιδίων, ταυτίζονται μεταξύ τους, με εξαίρεση την αρχή του κύκλου οδήγησης, ενώ και πάλι φαίνεται να υπάρχει άμεση σχέση στις εκπομπές και στην ταχύτητα του οχήματος. Στην Εικόνα 3,36Εικόνα 3.36 παρουσιάζονται τα προφίλ εξέλιξης της συγκέντρωσης των εκπεμπόμενων σωματιδίων κατά τον WLTC κύκλου οδήγησης, για κρύα και ζεστή εκκίνηση, υπό τις ρυθμίσεις: WLTP-High Settings. Το προφίλ για κρύα εκκίνηση, παρουσιάζει μια απότομη έκλυση σωματιδίων στα πρώτα δευτερόλεπτα του κύκλου οδήγησης, ενώ στο υπόλοιπο μέρος του, ακολουθεί σχεδόν πανομοιότυπη συμπεριφορά με το προφίλ για ζεστή εκκίνηση. Και τα δύο προφίλ φαίνονται να ακολουθούν τις μεταβολές στο προφίλ της ταχύτητας του οχήματος. Στις Εικόνα 3,37, Εικόνα 3,38 και Εικόνα 3,39 παρουσιάζονται τα προφίλ εξέλιξης της συγκέντρωσης των εκπεμπόμενων σωματιδίων κατά την διάρκεια των κύκλων οδήγησης Artemis Urban, Artemis Road και Ermes και για τις δύο ρυθμίσεις λειτουργίας της πέδης δυναμομέτρησης. Επειδή οι συγκεκριμένοι κύκλοι είναι εκ των πραγμάτων πιο έντονοι (από πλευράς διακυμάνσεων της ταχύτητας του οχήματος και απαιτούμενης επιτάχυνσής του), τα προφίλ των σωματιδίων παρουσιάζουν μεγάλες αυξομειώσεις καθ όλη την διάρκεια των εκάστοτε κύκλων. Car speed NEDC Settings WLTP-H Settings 70 6.E E+05 4.E+05 3.E+05 2.E+05 1.E E Time [sec] Εικόνα 3,37: Προφίλ εξέλιξης συγκέντρωσης εκπεμπόμενων σωματιδίων ανά κυβικό εκατοστό και ταχύτητας οχήματος για Artemis Urban κύκλο οδήγησης

65 Car speed [km/h] PN [#/cm 3 ] Car speed [km/h] PN [#/cm 3 ] Car speed NEDC Settings WLTP-H Settings E E E E E E E Time [sec] Εικόνα 3,38: Προφίλ εξέλιξης συγκέντρωσης εκπεμπόμενων σωματιδίων ανά κυβικό εκατοστό και ταχύτητας οχήματος για Artemis Road κύκλο οδήγησης. Car speed NEDC Settings WLTP-H Settings E E E E E E E E E E Time [sec] Εικόνα 3,39: Προφίλ εξέλιξης συγκέντρωσης εκπεμπόμενων σωματιδίων ανά κυβικό εκατοστό και ταχύτητας οχήματος για Ermes κύκλο οδήγησης

66 PΝ [#/km] 4. ΠΕΡΙ ΤΩΝ ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΩΝ Τα αποτελέσματα του Κεφαλαίου 3 παρουσιάζουν μεγάλο ενδιαφέρον και περιέχουν μεγάλο πλήθος πληροφορίας. Στο συγκεκριμένο Κεφάλαιο γίνεται μια πιο στοχευμένη αναφορά στα αποτελέσματα των μετρήσεων, σε μια προσπάθεια να τονιστούν τα πιο σημαντικά στοιχεία που χρήζουν ιδιαίτερη προσοχή. 4.1 Ανάλυση αποτελεσμάτων Στην Εικόνα 4,1 συγκρίνονται ενδεικτικά τα αποτελέσματα που προέκυψαν για τον αριθμό εκπεμπόμενων σωματιδίων από τα οχήματα Honda Accord Opel Astra, υπό τις συνθήκες λειτουργίας της πέδης δυναμομέτρησης LAT Settings. Ο κατακόρυφος άξονας του αριθμού των εκπομπών σωματιδίων είναι σε λογαριθμική κλίμακα, ώστε οι διαφορές να είναι ευανάγνωστες. Τα αποτελέσματα μαρτυρούν ότι η χρήση biodiesel 2 ης γενιάς αποφέρει την ίδια επιβάρυνση στις εκπομπές σωματιδίων με την χρήση συμβατικού diesel. Επιπλέον, από την σύγκριση των δύο οχημάτων προκύπτει ότι ο αριθμός των εκπομπών σωματιδίων από το όχημα Honda Accord είναι τρεις τάξεις μεγέθους μεγαλύτερος από τον αντίστοιχο αριθμό εκπομπών του οχήματος Opel Astra. Η χρήση της παγίδα αιθάλης ευθύνεται για την μεγάλη αυτή διαφορά, επιφέροντας μείωση κατά 100 % στις εκπομπές σωματιδίων. Honda Accord-Conventional Diesel Opel Astra Honda Accord-2nd Gen Biodiesel 1.E+14 1.E+12 1.E+10 1.E+08 1.E+06 1.E+04 1.E+02 1.E+00 NEDC Cold Start Artemis Urban Artemis Road Κύκλοι οδήγησης Εικόνα 4,1: Σύγκριση αριθμού εκπεμπόμενων σωματιδίων ανά χιλιόμετρο για τρεις κύκλους οδήγησης για τα οχήματα Honda Accord και Opel Astra (LAT Settings). Στην Εικόνα 4,2 συγκρίνονται τα αποτελέσματα των οχημάτων Opel Astra, Opel Mokka και VW Polo, υπό τις νομοθετημένες συνθήκες λειτουργίας της πέδης δυναμομέτρησης NEDC Settings, ενώ επιλέχθηκαν ενδεικτικά τέσσερις κύκλοι οδήγησης, δύο κρύας εκκίνησης και δύο ζεστής. Ο κατακόρυφος άξονας είναι σε λογαριθμική κλίμακα. Τα αποτελέσματα και για τους τέσσερις κύκλους οδήγησης μαρτυρούν ότι ο αριθμός εκπεμπόμενων σωματιδίων από το όχημα VW Polo με κινητήρα βενζίνης είναι τουλάχιστον μία τάξη μεγέθους μεγαλύτερος από τον αντίστοιχο αριθμό εκπομπών τον οχημάτων με κινητήρες diesel. Για τους Artemis Urban και Artemis Road κύκλους οδήγησης, η διαφορά στις εκπομπές του βενζινοκίνητου οχήματος από το όχημα κινητήρα diesel Opel Astra φτάνει τις τρείς τάξεις μεγέθους. Η διαφορά αυτή

67 PN [#/km] PΝ [#/km] είναι αντιπροσωπευτική του μεγέθους των εκπομπών των σωματιδίων -ακόμη και μικρώνβενζινοκίνητων οχημάτων έναντι των οχημάτων diesel. Πιο συγκεκριμένα το όχημα VW Polo έχει κυβισμό 1.3 litres και με βάση την κατηγοριοποίηση των οχημάτων κατατάσσεται στην κατηγορία Segment B, την στιγμή που το όχημα Opel Astra με κυβισμό 1.2 litres κατατάσσεται στην κατηγορία C. Opel Astra Opel Mokka VW Polo 1.E+14 1.E+12 1.E+10 1.E+08 1.E+06 1.E+04 1.E+02 1.E+00 NEDC Cold Start WLTC Cold Artemis Urban Artemis Road Κύκλοι οδήγησης Εικόνα 4,2: Σύγκριση αριθμού εκπεμπόμενων σωματιδίων ανά χιλιόμετρο για τέσσερις κύκλους οδήγησης για τα οχήματα Opel Astra, Opel Mokka και VW Polo (NEDC Settings). Opel Astra Opel Mokka VW Polo 1.E+14 1.E+12 1.E+10 1.E+08 1.E+06 1.E+04 1.E+02 1.E+00 WLTC Cold Artemis Urban Artemis Road Κύκλοι οδήγησης Εικόνα 4,3: Σύγκριση αριθμού εκπεμπόμενων σωματιδίων ανά χιλιόμετρο για τρεις κύκλους οδήγησης για τα οχήματα Opel Astra, Opel Mokka και VW Polo (WLTP-High Settings). Τα Opel Astra και Opel Mokka έχουν κινητήρες diesel και ικανοποιούν τις ίδιες περιβαλλοντικές προδιαγραφές (Euro 5). Παρουσιάζουν όμως διαφορές στις εκπομπές τους, δεδομένου ότι πρόκειται για διαφορετικού κυβισμού οχήματα και στο επόμενο υποκεφάλαιο γίνεται μια πιο ενδελεχής ανάλυση στα αποτελέσματα των μετρήσεων που τους αντιστοιχούν

68 Τέλος στην Εικόνα 4,3 συγκρίνονται τα αποτελέσματα των οχημάτων Opel Astra, Opel Mokka και VW Polo, υπό τις συνθήκες λειτουργίας της πέδης δυναμομέτρησης WLTP-High Settings, ενώ επιλέχθηκαν ενδεικτικά τρεις κύκλοι οδήγησης, ένας κρύας εκκίνησης και δύο ζεστής. Και εδώ το βενζινοκίνητο όχημα VW Polo παρουσιάζει τον μεγαλύτερο αριθμό εκπεμπόμενων σωματιδίων, τουλάχιστον μία τάξη μεγέθους σε σχέση με τα οχήματα κινητήρων diesel. Ειδικότερα, σε σύγκριση με το όχημα Opel Astra παρουσιάζει έως και σχεδόν τέσσερις τάξεις μεγέθους περισσότερες εκπομπές σωματιδίων (Artemis Road κύκλος οδήγησης), επαληθεύοντας τα δεδομένα της Εικόνα 4, Σύγκριση οχημάτων Opel Astra και Opel Mokka Στον συγκεντρωτικό Πίνακας 4,1 συνοψίζονται τα κύρια στοιχεία τον εξεταζόμενων οχημάτων, όπως αυτά αναγράφονται στον επίσημο ιστότοπο του κατασκευαστή τους. Και τα δύο είναι οχήματα με κινητήρα diesel, ικανοποιούν το επίπεδο εκπομπών Euro 5, αλλά έχουν διαφορετικό κυβισμό και διαφορετική ισχύ. Το όχημα Opel Mokka είναι σαφώς πιο μεγάλο από το όχημα Opel Astra, συνεπώς έχει μεγαλύτερη κατανάλωση καυσίμου και αναμένονται και αυξημένες εκπομπές σωματιδίων. Πίνακας 4,1: Στοιχεία οχημάτων Opel Astra και Opel Mokka (πηγή Όχημα Opel Astra Opel Mokka Κινητήρας A13DTE A17DTS Κυβισμός (cc) Μέγιστη Ισχύς (kw)/rpm) 70/ /4000 Μέγιστη ροπή (Nm/rpm) 10/ (221)/ Είδος καυσίμου Diesel Diesel Σύστημα Start/Stop Ναι Όχι Κατανάλωση καυσίμου, συνδυαστικός κύκλος (litres/100 km) Επίπεδο εκπομπών Euro 5 Euro 5 Segment C SUV Στην Εικόνα 4,4 παρουσιάζονται συγκεντρωτικά ο αριθμός των εκπεμπόμενων σωματιδίων για τα δύο οχήματα, αποτελέσματα για κρύας εκκίνησης κύκλους οδήγησης. Τα αποτελέσματα είναι πολύ κάτω από το επιτρεπόμενο όριο. Για τον WLTC κύκλο οδήγησης (και για τις δύο επιλογές λειτουργίας της πέδης), οι εκπομπές των οχημάτων είναι ίδιες. Το όχημα Opel Astra έχει σύστημα Start/Stop, ενώ το όχημα Opel Mokka δεν έχει. Ίσως σε αυτό να οφείλεται η ομοιότητα των αποτελεσμάτων για τον WLTC κύκλο οδήγησης. Για τον NEDC κύκλο οδήγησης (μόνο υπό τις ρυθμίσεις NEDC Settings), οι εκπομπές για το όχημα Opel Astra είναι τριπλάσιες από τις εκπομπές του οχήματος Opel Mokka

69 PN [#/km] PN [#/km] Opel Astra Opel Mokka 7.E+11 6.E+11 5.E+11 4.E+11 3.E+11 2.E+11 1.E+11 0.E+00 NEDC/NEDC Settings WLTC/NEDC Settings WLTC/WLTP-H Settings Κύκλοι οδήγησης Εικόνα 4,4: Αριθμός εκπεμπόμενων σωματιδίων ανά χιλιόμετρο για κρύα εκκίνηση. Opel Astra Opel Mokka 1.E+12 1.E+10 1.E+08 1.E+06 1.E+04 1.E+02 1.E+00 NEDC WLTC Art. Urban Art. Road Ermes Κύκλοι οδήγησης Εικόνα 4,5: Αριθμός εκπεμπόμενων σωματιδίων ανά χιλιόμετρο για ζεστή εκκίνηση, συνθήκες λειτουργίας πέδης δυναμομέτρησης NEDC Settings. Στην Εικόνα 4,5 παρουσιάζονται οι αριθμοί των εκπεμπόμενων σωματιδίων ανά χιλιόμετρο για τους κύκλους οδήγησης με ζεστή εκκίνηση, με την πέδη δυναμομέτρησης να λειτουργεί με τις ρυθμίσεις NEDC Settings. Για όλους τους κύκλους οδήγησης με ζεστή εκκίνηση το όχημα Opel Mokka έχει πολύ υψηλότερες εκπομπές σωματιδίων. Έχει επιλεχτεί λογαριθμική κλίμακα καθώς οι τιμές των εκπεμπόμενων σωματιδίων του οχήματος Opel Mokka είναι έως και δύο τάξεις μεγέθους μεγαλύτερες από τις αντίστοιχες του οχήματος Opel Astra (Artemis Road κύκλος οδήγησης). Και για τα δύο οχήματα, οι μεγαλύτερες τιμές των εκπεμπόμενων σωματιδίων παρατηρούνται στον Artemis Urban κύκλο οδήγησης

70 PN [#/km] Στην Εικόνα 4,6 παρουσιάζονται και πάλι οι αριθμοί των εκπεμπόμενων σωματιδίων ανά χιλιόμετρο για τους κύκλους οδήγησης με ζεστή εκκίνηση, με την πέδη δυναμομέτρησης να λειτουργεί αυτή την φορά με τις ρυθμίσεις WLTC-High Settings. Υπό τις συγκεκριμένες ρυθμίσεις δεν υπάρχουν μετρήσεις για τον NEDC κύκλο οδήγησης. Έχει επιλεχθεί λογαριθμική κλιμακα για τον κατακόρυφο άξονα, καθώς οι εκπομπές σωματιδίων του οχήματος Opel Mokka είναι έως και δύο τάξεις μεγέθους μεγαλύτερες. Οι μέγιστες τιμές και για δύο οχήματα παρατηρούνται στον Artemis Urban κύκλο οδήγησης. Opel Astra Opel Mokka 1.E+12 1.E+10 1.E+08 1.E+06 1.E+04 1.E+02 1.E+00 WLTC Art. Urban Art. Road Ermes Κύκλοι οδήγησης Εικόνα 4,6: Αριθμός εκπεμπόμενων σωματιδίων ανά χιλιόμετρο για ζεστή εκκίνηση, συνθήκες λειτουργίας πέδης δυναμομέτρησης WLTP-High Settings. 4.3 Αναγέννηση παγίδας κατά την μέτρηση Η παγίδα αιθάλης είναι σχεδιασμένη να συγκρατεί συγκεκριμένη ποσότητα σωματιδίωναιθάλης. Σε περίπτωση συγκέντρωσης σωματιδίων πάνω από το όριο λειτουργίας, υπάρχει σοβαρός κίνδυνος καταστροφής της παγίδας. Συνεπώς, η παγίδα αναγεννιέται ανά τακτά διαστήματα, για να αποφευχθεί η απόφραξή της (clogging). Οι παγίδες αιθάλης μπορούν να αναγεννηθούν με τρεις τρόπους με παθητική αναγέννηση (passive), ενεργητική αναγέννηση (active) και συνδυασμό των δύο (quasi-active). Η ελάχιστη θερμοκρασία παθητικής αναγέννησης είναι περίπου ο C, ενώ η ενεργητική αναγέννηση απαιτεί θερμοκρασίας περίπου της τάξης ο C. Ενεργητική ήταν η αναγέννηση που γινόταν με τεχνητό τρόπο στα οχήματα με παγίδα αιθάλης κάθε μέρα, πριν το τελευταίο conditioning της ημέρας (δες Πρωτόκολλο μέτρησης). Η χρήση παγίδων πλήρως παθητικών συστημάτων πρακτικά περιορίζεται σε αναβαθμισμένες (retrofit) εφαρμογές. Στις περισσότερες εφαρμογές οι παγίδες αιθάλης χρησιμοποιούνται με τον συνδυασμό παθητικών και ενεργητικών αναγεννήσεων, με την παγίδα να αναγεννιέται παθητικά σε υψηλά φορτία του κινητήρα. Υπό συνθήκες μερικού φορτίου, η θερμοκρασία

71 των καυσαερίων αυξάνεται για να προκαλέσει περιοδική ενεργητική αναγέννηση, κάθε φορά που η παγίδα φτάνει στο μέγιστο φορτίο αιθάλης, για το οποίο έχει σχεδιαστεί. Αυξημένες θερμοκρασίες πραγματοποιούνται με την χρήση τρόπων όπως διαχείριση κινητήρα ή έγχυση καυσίμου μέσα στα καυσαέρια. Σε αυτά τα συστήματα παγίδων, ο ρόλος του καταλύτη είναι να επιταχύνει την οξείδωση της αιθάλης με σκοπό την ελαχιστοποίηση της επιβάρυνσης στην κατανάλωση καυσίμου. Επιπλέον, οι καταλύτες ενεργητικής οξείδωσης μπορούν να ελαχιστοποιήσουν τις υψηλές εκπομπές CO, που θα μπορούσαν διαφορετικά να συμβούν κατά την διάρκεια ενεργητικής αναγέννηση, με μεγάλα ποσά αιθάλης να καίγονται σε σύντομες περιόδους Ενεργητικές αναγεννήσεις Στο υποκεφάλαιο αυτό παρουσιάζονται δύο μετρήσεις κατά τις οποίες συνέβη απρόσμενα ενεργητική αναγέννηση και γίνεται μια προσπάθεια να υπολογιστεί η επιβάρυνση στην κατανάλωση καυσίμου και στις εκπομπές σωματιδίων. Η συνολική επιβάρυνση στην κατανάλωση καυσίμου για ενεργητικές αναγεννήσεις είναι το άθροισμα των επιβαρύνσεων εξαιτίας της αναγέννησης και εξαιτίας της πτώσης πίεσης. Περίπτωση 1 η Το Opel Astra ήταν το υπό δοκιμή όχημα. Το πρωτόκολλο μέτρησης στις 15 Οκτωβρίου 2013 περιείχε έναν κύκλο οδήγησης NEDC Cold Start, έναν κύκλο WLTC Hot Start και έναν κύκλο Artemis Urban. Η αναγέννηση συνέβη προς το τέλος του WLTC κύκλου οδήγησης. Η διαδικασία της αναγέννησης είναι αυτοματοποιημένη και ο οδηγός δεν συμμετέχει στην διαδικασία και συνήθως δεν καταλαβαίνει καν την ύπαρξή της. Ένας τρόπος για ανίχνευση της αναγέννησης είναι ο έλεγχος της θερμοκρασίας των καυσαερίων. Στην Εικόνα 4,7 παρουσιάζεται το προφίλ εξέλιξης της θερμοκρασίας των καυσαερίων, μετρούμενη στην εξάτμιση του οχήματος, μαζί με το προφίλ εξέλιξης της ταχύτητας του οχήματος. Στο διάγραμμα της θερμοκρασίας που αντιστοιχεί στην μέτρηση της 15 Οκτωβρίου (15/10), παρατηρείται μια απότομη αύξηση στην τιμή της την χρονική στιγμή t=1600 sec. Η θερμοκρασία στη μέγιστη τιμή της, ξεπερνάει τους 300 ο C. Στην ίδια εικόνα, παρουσιάζεται η εξέλιξη της θερμοκρασίας των καυσαερίων στην εξάτμιση για τον ίδιο κύκλο οδήγησης, αλλά για διαφορετική ημέρα (14/10). Στη συγκεκριμένη περίπτωση, η μέγιστη τιμή της θερμοκρασίας φτάνει περίπου τους 200 ο C. Την ύπαρξη αναγέννησης στην διάρκεια του κύκλου επαληθεύουν τα στοιχεία από τον OBD (On-board diagnostics). Σε αντιδιαστολή με τις θερμοκρασίες των καυσαερίων στην εξάτμιση του οχήματος, στην Εικόνα 4,7 παρουσιάζεται η εξέλιξη της θερμοκρασίας του καταλύτη ως προς τον χρόνο. Από την χρονική στιγμή t=1400 sec και έπειτα, παρατηρείται μια απότομη άνοδος στην θερμοκρασία του καταλύτη. Πιο συγκεκριμένα, από τους 250 ο C φτάνει στους 600 ο C, όπου και διατηρείται μέχρι την ολοκλήρωση του κύκλου οδήγησης. Η υψηλή θερμοκρασία του καταλύτη αποδεικνύει την ύπαρξη ενεργητικής αναγέννησης. Η θερμοκρασία των καυσαερίων, όταν φτάνουν στην εξάτμιση, έχει μειωθεί από τους 600 ο C στους 300 ο C (υποδιπλάσια δηλαδή τιμή από τον καταλύτη)

72 Car speed [km/h] Fuel consumption [g/s] Car speed [km/h] Temperature [ o C] Car speed T tail pipe 15/10 T tail pipe 14/10 Catalyst temperature (OBD) Time [sec] Εικόνα 4,7: Εξέλιξη θερμοκρασιών καυσαερίου στην εξάτμιση του οχήματος και στον καταλύτη κατά την διάρκεια του WLTC κύκλου οδήγησης. Car speed WLTC 14/10 WLTC 15/10 WLTC 18/ Time [sec] Εικόνα 4,8: Προφίλ εξέλιξης κατανάλωσης καυσίμου για τους WLTC κύκλους οδήγησης. Στη συνέχεια, ελέγχεται η επίδραση της αναγέννησης στην κατανάλωση καυσίμου. Στην Εικόνα 4,8 παρουσιάζεται η εξέλιξη της κατανάλωσης του καυσίμου για τον WLTC (WLTC 15/10) κύκλο οδήγησης, δηλαδή για τον κύκλο στον οποίο συνέβη η αναγέννηση. Η

73 Fuel Consumption [l/100km] κατανάλωση καυσίμου [g/s] για την συγκεκριμένη μέτρηση συγκρίνεται με τις καταναλώσεις των αντίστοιχων μετρήσεων (WLTC 14/10 και WLTC 18/10), κατά τις οποίες δεν εμφανίστηκε αναγέννηση της παγίδας. Οι καταναλώσεις και στις τρεις περιπτώσεις παρουσιάζουν παρόμοια εξέλιξη, με την μόνη διαφορά να εμφανίζεται προς το τέλος του κύκλου, όπου παρατηρείται μια έντονη συμπεριφορά στην κατανάλωση εξαιτίας της αναγέννησης. Στην Εικόνα 4,9 παρουσιάζεται συγκριτικά η κατανάλωση καυσίμου για τις τρεις δοκιμές του WLTC κύκλου οδήγησης. Ιδιαίτερο ενδιαφέρον παρουσιάζει η κυκλωμένη περιοχή της Εικόνας 4.8, δηλαδή τα τελευταία 300 sec του κύκλου οδήγησης, καθώς εκεί συνέβη η αναγέννηση. Απομονώνοντας την συγκεκριμένη περιοχή μπορούμε να υπολογίσουμε με μεγαλύτερη ακρίβεια την επίδραση της αναγέννησης στην κατανάλωση καυσίμου. Συγκρίνοντας είτε την συνολική κατανάλωση σε όλη την διάρκεια του κύκλου είτε την κατανάλωση κατά την διάρκεια των τελευταίων 300 sec, η μέτρηση του WLTC κύκλου οδήγησης στις 15/10 με την αναγέννηση παρουσιάζει την μεγαλύτερη κατανάλωση καυσίμου. Total WLTC Last 300 sec of WLTC WLTC 14/10 WLTC 15/10 WLTC 18/10 Κύκλοι οδήγησης Εικόνα 4,9: Κατανάλωση καυσίμου ανά 100 km. Στην Εικόνα 4,10 παρουσιάζονται οι ποσοστιαίες μεταβολές στην κατανάλωση καυσίμου, όπως προέκυψαν από τα αποτελέσματα της Εικόνα 4,9. Συγκρίνοντας τον WLTC κύκλο οδήγησης με την αναγέννηση σε σχέση με τους άλλους δύο κύκλους οδήγησης (χωρίς αναγέννηση) ως προς τον συνολικό κύκλο οδήγησης, η αναγέννηση προκαλεί συνολική αύξηση στην κατανάλωση καυσίμου γύρω στο 8%. Ειδικότερα, συγκρίνοντας τους κύκλους οδήγησης μόνο για τα τελευταία 300 sec, η αναγέννηση επιφέρει μια επιβάρυνση γύρω στο 20% στην κατανάλωση καυσίμου

74 PN [#/km] Ποσοστιαία αυξηση κατανάλωσης καυσίμου Total WLTC Last 300 sec of WLTC 25% 20% 15% 10% 5% 0% WLTC 15/10 vs WLTC 14/10 WLTC 15/10 vs WLTC 18/10 Εικόνα 4,10: Ποσοστιαία αύξηση λόγω αναγέννησης στην κατανάλωση καυσίμου σε σχέση με τους δύο WLTC κύκλους χωρίς αναγέννηση. Τέλος, ελέγχεται η επίδραση της αναγέννησης στα εκπεμπόμενα σωματίδια. Οι συνολικά μετρούμενοι αριθμοί εκπεμπόμενων σωματιδίων για τους τρεις μετρούμενους κύκλους οδήγησης παρουσιάζονται στην Εικόνα 4,11. Παρατηρείται ότι ο μεγαλύτερος αριθμός σωματιδίων μετρήθηκε στις 14/10, με τις εκπομπές σωματιδίων των άλλων δύο ημερών να είναι κατά πολύ μικρότερες. Η ίδια συμπεριφορά παρατηρείται και εάν εστιάσουμε την προσοχή μας στα τελευταία λεπτά του κύκλου, Εικόνα 4,12. Όπως φαίνεται χαρακτηριστικά, το προφίλ του ανήκει στον WLTC 14/10 έχει μεγαλύτερες διακυμάνσεις από τα αντίστοιχα προφίλ των άλλων δύο κύκλων. Συγκρίνοντας το προφίλ για τις 15/10 με το προφίλ στις 18/10, φαίνεται να υπάρχει μια απότομη αύξηση προς το τέλος του κύκλου. WLTC Hot Start 7.0E E E E E E E E+00 WLTC 14/10 WLTC 15/10 WLTC 18/10 Κύκλοι οδήγησης Εικόνα 4,11: Αριθμός εκπεμπόμενων σωματιδίων ανά χιλιόμετρο για τους WLTC Hot Start κύκλους οδήγησης

75 Car speed [km/h] PN [#/cm 3 ] Car speed WLTC 14/10 WLTC 15/10 WLTC 18/ Time [sec] Εικόνα 4,12: Προφίλ εξέλιξης συγκέντρωσης εκπομπών σωματιδίων ανά κυβικό εκατοστό για τα τελευταία 300 sec του WLTC Hot Start κύκλου οδήγησης. Στο σημείο αυτό, θα πρέπει να σημειωθεί ότι στις 14/10 πραγματοποιήθηκε η πρώτη μέτρηση του οχήματος Opel Astra. Ο ιδιαίτερα αυξημένος αριθμός εκπομπών σωματιδίων ίσως να έχει να κάνει με την φόρτιση της παγίδας στην αρχή της πρώτης μέρας δοκιμών. Ίσως, η φόρτιση της παγίδας την πρώτη μέρα να ήταν διαφορετική από τις υπόλοιπες ημέρες, συνεπάγοντας την λειτουργία της παγίδας υπό διαφορετικές συνθήκες και τον αυξημένο μετρούμενο αριθμό εκπομπών σωματιδίων. Με άλλα λόγια, το φορτίο της παγίδας στην αρχή του κύκλου οδήγησης, φαίνεται να επηρεάζει σημαντικά τον αριθμό των εκπεμπόμενων σωματιδίων κατά την διάρκεια του κύκλου. Η εφαρμογή και η πιστή τήρηση του πρωτοκόλλου μέτρησης μπορεί να εξασφαλίσει ότι οι διαφορετικές μετρήσεις γίνονται καθημερινά υπό, αν όχι ίδιες, παρόμοιες συνθήκες φόρτισης της παγίδας, εξασφαλίζοντας με τον τρόπο αυτό την αξιοπιστία και την επαναληψιμότητα των αποτελεσμάτων. Θεωρούμε λοιπόν την μέτρηση στις 14/10 ως μη αντικειμενική και λαμβάνουμε υπόψη μόνο τις άλλες δύο μετρήσεις του WLTC κύκλου οδήγησης, με αντίστοιχη φόρτιση αναφοράς της παγίδας αιθάλης. Στην Εικόνα 4,13 παρουσιάζεται η ποσοστιαία αύξηση στον αριθμό συγκέντρωσης των εκπεμπόμενων σωματιδίων κατά την διάρκεια του κύκλου στις 15/10, συγκριτικά με τον αντίστοιχο κύκλο οδήγησης στις 18/10. Ως προς την συνολική διάρκεια του κύκλου, παρατηρείται αύξηση στον αριθμό των εκπομπών σωματιδίων περίπου 40%, ενώ συγκρίνοντας μόνο τα τελευταία 300 sec των κύκλων, η αύξηση ξεπερνάει το 60%. Ένα επιπρόσθετος έλεγχος της επίδρασης της αναγέννησης της παγίδας στις εκπομπές σωματιδίων πραγματοποιήθηκε με την σύγκριση των μετρούμενων σωματιδίων στον Artemis Urban κύκλο οδήγησης, που ακολούθησε τον κύκλο με την αναγέννηση, με τον αντίστοιχό του κύκλο. Στην Εικόνα 4,14 παρουσιάζεται ο αριθμός εκπομπών σωματιδίων ανά χιλιόμετρο για τις δύο διαθέσιμες μετρήσεις του Artemis Urban κύκλου οδήγησης (14/10 και 15/10). Ο κύκλος οδήγησης στις 15/10 παρουσιάζει 20 φορές μεγαλύτερο αριθμό εκπομπών σωματιδίων. Ποσοστιαία η αύξηση των εκπομπών σωματιδίων στον κύκλο μετά την

76 PN [#/km] Ποσοστιαία αύξηση αριθμού εκπομπών σωματιδίων αναγέννηση φτάνει το 95%. Γίνεται φανερό ότι όσο η φόρτιση της παγίδας με αιθάλη αυξάνει, αυξάνεται και η απόδοση της δέσμευσης των σωματιδίων. Πράγματι, μετά την αναγέννηση, η απόδοση της παγίδας μειώνεται και απαιτείται η λειτουργία της για κάποιο χρονικό διάστημα ώστε να αρχίσει και πάλι να δεσμεύει αποτελεσματικά τα σωματίδια. Total WLTC Hot Start Last 300 sec of WLTC 70% 60% 50% 40% 30% 20% 10% 0% WLTC 15/10 vs WLTC 18/10 Εικόνα 4,13: Ποσοστιαία αύξηση στην συγκέντρωση του αριθμό των εκπεμπόμενων σωματιδίων μεταξύ των δύο WLTC κύκλων οδήγησης. 1.6E E E E E E E E E+00 Artemis Urban 14/10 Artemis Urban 15/10 Κύκλοι οδήγησης Εικόνα 4,14: Αριθμός συγκέντρωσης εκπεμπόμενων σωματιδίων ανά χιλιόμετρο για Artemis Urban κύκλο οδήγησης. Στην Εικόνα 4,15, τέλος, παρουσιάζονται τα προφίλ εξέλιξης της συγκέντρωσης των εκπεμπόμενων σωματιδίων για τις δύο μετρήσεις του Artemis Urban κύκλου οδήγησης. Οι έντονες εκλύσεις σωματιδίων είναι ξεκάθαρες σε όλη την διάρκεια του κύκλου στις 15/10, γεγονός που επαληθεύει τα συμπεράσματα της Εικόνα 4,

77 Car speed [km/h] PN [#/cm 3 ] Car speed Art Urban 15/10 Art Urban 14/ E E E E E E E E E Time [sec] Εικόνα 4,15: Προφίλ εξέλιξης συγκέντρωσης εκπομπών σωματιδίων ανά κυβικό εκατοστό για τους Artemis Urban κύκλους οδήγησης. Περίπτωση 2 η Η BMW X1 ήταν το υπό δοκιμή όχημα. Το πρωτόκολλο μέτρησης στις 19 Δεκεμβρίου 2013 περιείχε έναν κύκλο οδήγησης WLTC Cold Start και έναν κύκλο συντήρησης conditioning. Στην συνέχεια το όχημα κρύωσε σε θερμοκρασία περιβάλλοντος για κάτι περισσότερο από 6 ώρες, όπως ορίζει η νομοθεσία, και στη συνέχεια (την ίδια ημέρα) πραγματοποιήθηκε ένας κύκλος οδήγησης NEDC Cold Start. Στο τέλος, πραγματοποιήθηκε ένας κύκλος συντήρησης conditioning (3xEUDC), κατά την διάρκεια του οποίου συνέβη η αναγέννηση. Στην Εικόνα 4,16 παρουσιάζεται το προφίλ εξέλιξης της θερμοκρασίας των καυσαερίων στην εξάτμιση για τον κύκλο συντήρησης, που πραγματοποιήθηκε στις 19/12. Στο βάθος διαγράφεται η ταχύτητα του οχήματος, με το μοτίβο να επαναλαμβάνεται τρεις φορές (3xEUDC). Η θερμοκρασία στην εξάτμιση για t= 600 sec και έπειτα, αυξάνει απότομα, φτάνει στην μέγιστη τιμή της 350 ο C και διατηρεί ιδιαίτερα υψηλές τιμές, μέχρι το τέλος του κύκλου, γεγονός που υποδεικνύει την ύπαρξη αναγέννησης κατά τον συγκεκριμένο κύκλο οδήγησης. Στην Εικόνα 4,16 παρουσιάζεται επίσης, το προφίλ εξέλιξης της συγκέντρωσης των εκπεμπόμενων σωματιδίων κατά την διάρκεια του κύκλου συντήρησης (3xEUDC). Δυστυχώς δεν υπάρχει μέτρηση αντίστοιχου κύκλου οδήγησης, συνεπώς δεν μπορεί να γίνει σύγκριση στην εξέλιξη των εκπομπών σωματιδίων. Από την Εικόνα 4,16, όμως, είναι προφανές ότι η αναγέννηση της παγίδας (όπως μαρτυράται από την θερμοκρασία των καυσαερίων στην

78 Car speed {km/h] - Temperature [ o C] PN [#/cm 3 ] εξάτμιση), επιφέρει μεγάλες εκλύσεις σωματιδίων, με την καμπύλη των εκπεμπόμενων σωματιδίων να παρουσιάζει έντονες διακυμάνσεις. Car speed T tail pipe Particle Concentration E E E E E E E E E E Time [sec] Εικόνα 4,16: Προφίλ εξέλιξης θερμοκρασίας καυσαερίων στην εξάτμιση και συγκέντρωσης αριθμού εκπεμπόμενων σωματιδίων ανά κυβικό εκατοστό για κύκλο Conditioning (3xEUDC). Κατά την διάρκεια του κύκλου συντήρησης conditioning, δεν πραγματοποιήθηκαν μετρήσεις με τον OBD (On-board Diagnostics) και συνεπώς δεν υπάρχουν στοιχεία για την παγίδα. Επίσης, δεν πραγματοποιήθηκαν μετρήσεις στα καυσαέρια του οχήματος, οπότε δεν είναι δυνατός ο υπολογισμός της αναγέννησης στην κατανάλωση καυσίμου. Ο μόνος επιπλέον έλεγχος που μπορεί να γίνει είναι να συγκριθεί ο NEDC Cold Start κύκλος οδήγησης της επόμενης ημέρας με έναν αντίστοιχό του κύκλο. Στις 20/12 πραγματοποιήθηκε NEDC κύκλος οδήγησης, κρύας εκκίνησης. Στην Εικόνα 4,17 παρουσιάζεται ο συνολικός αριθμός των εκπεμπόμενων σωματιδίων ανά χιλιόμετρο για τους NEDC κύκλους οδήγησης στις 19/12 και στις 20/12. O NEDC κύκλος οδήγησης στις 20/12 παρουσιάζει περίπου 96% αύξηση στον αριθμό εκπεμπόμενων ρύπων ανά χιλιόμετρο σε σχέση με τον αντίστοιχο κύκλο οδήγησης στις 19/12. Στην Εικόνα 4,18 παρουσιάζεται το προφίλ εξέλιξης της συγκέντρωσης των εκπομπών σωματιδίων για τους δύο κύκλους NEDC Cold Start. Κατά την διάρκεια του NEDC κύκλου οδήγησης στις 20/12 παρατηρούνται μεγάλες διακυμάνσεις, πολύ πιο έντονες από τον κύκλο στις 19/12. Η πορεία εξέλιξης των εκπομπών σωματιδίων είναι αντιπροσωπευτική της συμπεριφοράς της παγίδας αιθάλης μετά την αναγέννηση. Αρχικά η παγίδα είναι καθαρή και η δεσμευτική της απόδοση μειώνεται, αλλά σταδιακά η απόδοσή της βελτιώνεται, αναγκάζοντας το προφίλ εξέλιξης της συγκέντρωσης των σωματιδίων να μειώνεται κλιμακωτά

79 Car speed [km/h] PN [#/cm 3 ] PN [#/km] 6.E+12 5.E+12 4.E+12 3.E+12 2.E+12 1.E+12 0.E+00 NEDC Cold Start 19/12 NEDC Cold Start 20/12 Εικόνα 4,17: Αριθμός συγκέντρωσης εκπεμπόμενων σωματιδίων ανά χιλιόμετρο για NEDC Cold Start κύκλο οδήγησης. Car speed NEDC Cold Start 20/12 NEDC Cold Start 20/ E E E E E E E E E E Time [sec] Εικόνα 4,18: Προφίλ εξέλιξης συγκέντρωσης εκπομπών σωματιδίων ανά κυβικό εκατοστό για τους NEDC κύκλους οδήγησης

80 4.3.2 Παθητικές αναγεννήσεις Κατά την παρουσίαση των αποτελεσμάτων στο Κεφάλαιο 3, πολλές φορές αναφέρθηκε η εμφάνιση μια απότομης έκλυσης σωματιδίων λίγο πριν το τέλος του NEDC κύκλου οδήγησης. Το φαινόμενο αυτό εκτός από μεγάλη επαναληψιμότητα, τόσο για κρύα όσο και για ζεστή εκκίνηση, εμφανίστηκε στις μετρήσεις και των δύο οχημάτων της Opel με κινητήρα diesel (Εικόνα 3,15, Εικόνα 3,17 και Εικόνα 3,26), εξαιτίας παθητικών αναγεννήσεων της παγίδας αιθάλης. Ο κύριος σκοπός της παγίδας σε αυτές τις περιπτώσεις είναι η διευκόλυνση της παθητικής αναγέννησης, επιτρέποντας έτσι την οξείδωση των σωματιδίων σε θερμοκρασίες των καυσαερίων που συναντώνται κατά την διάρκεια τυπικών συνθηκών λειτουργίας του κινητήρα, συνήθως μεταξύ ο C. Σε υψηλότερες θερμοκρασίες ο ρυθμός οξείδωσης της αιθάλης αυξάνει, η παγίδα συγκρατεί λιγότερα σε αριθμό σωματίδια και παρουσιάζεται μικρότερη πτώση πίεσης (ενεργητική αναγέννηση). Η λειτουργία της παγίδας σε χαμηλές θερμοκρασίες και υψηλά φορτία αιθάλης αυξάνει την πιθανότητα για στοχαστικές αναγεννήσεις, που χαρακτηρίζονται από ταχεία καύση των σωματιδίων συσσωμάτωσης, εξαιτίας της εκλυόμενης θερμότητας της αντίδρασης. Η οξείδωση μεγάλων ποσοτήτων αιθάλης περιέχει μεγάλη έκλυση θερμότητας και συνεπώς οι στοχαστικές-παθητικές αυτές αναγεννήσεις είναι αυτο-διατηρούμενες, ακόμα και εάν η θερμοκρασία των καυσαερίων που εισέρχονται στην παγίδα είναι σε χαμηλό επίπεδο. Στην βιβλιογραφία συχνά συναντάμε τους όρους αναγέννηση «run-away» ή ανεξέλεγκτη αναγέννηση, όροι που χρησιμοποιούνται για να εκφράσουν τις ίδιες στοχαστικές αναγεννήσεις, τονίζοντας το τυχαίο, απροσδόκητο χαρακτήρα τους. Πιο συχνά, συμβαίνουν όταν μια υπερφορτωμένη παγίδα εκτίθεται σε υψηλές θερμοκρασίες καυσαερίων κατά την διάρκεια υψηλό φορτίο λειτουργίας του κινητήρα, μετά από μια περίοδο χαμηλής ταχύτητας και φορτίου λειτουργίας. Εάν ο ρυθμός ροής στην παγίδα δεν είναι επαρκής για να παρέχει την απαιτούμενη ψύξη της, υπάρχει σοβαρός κίνδυνος για καταστροφή του υλικού της. 4.4 Επίδραση τρόπου έγχυσης σε κινητήρες βενζίνης άμεσης έγχυσης Μειωμένες εκπομπές σωματιδίων προκύπτουν από την ελαχιστοποίηση του σχηματισμού τους, καθώς επίσης και από την βελτιστοποίηση της οξείδωσής τους στον θάλαμο καύσης και στο σύστημα εξάτμισης. Είναι σαφές ότι η διαδικασία έγχυσης επηρεάζει σε μεγάλο βαθμό τον σχηματισμό του ομογενούς μείγματος, όπως επίσης η πιθανή παρουσία μη εξατμισμένων σταγονιδίων και η ύπαρξη ταινιών καυσίμου στα τοιχώματα του κυλίνδρου. Και άλλοι παράγοντες συμβάλλουν στις εκπομπές σωματιδίων (Ogris et al., 2010). Στην Εικόνα 4,19 σκιαγραφούνται οι πιο σημαντικές λειτουργίες για την ελαχιστοποίηση των εκπεμπόμενων σωματιδίων ενός κινητήρα βενζίνης άμεσης έγχυσης. Οι λειτουργίες ελαχιστοποίησης των σχηματισμό σωματιδίων μέσα στον θάλαμο καύσης αναφέρονται στην βελτιστοποίηση του τρόπου εισαγωγής του αέρα και του καυσίμου, καθώς επίσης και στον έλεγχο των συνθηκών στις οποίες γίνεται η καύση και άλλους τρόπους. Οι λειτουργίες για την μείωση των

81 σωματιδίων στο σύστημα εξάτμισης του οχήματος αναφέρονται σε τρόπους, οι οποίοι ευνοούν την οξείδωση των σωματιδίων σε αβλαβή αέρια. Εικόνα 4,19: Λειτουργίες για την ελαχιστοποίηση των εκπομπών σωματιδίων για κινητήρες βενζίνης (πηγή Piock et al., 2011). Στο συγκεκριμένο υποκεφάλαιο γίνεται μια προσπάθεια για την κατανόηση του τρόπου έγχυσης του καυσίμου στον θάλαμο καύσης και τον τρόπο σχηματισμού του μείγματος αέρακαυσίμου. Στην Εισαγωγή αναλύθηκαν οι δύο φάσεις φόρτισης που συναντώνται στους κινητήρες GDI, στρωματοποιημένη (stratified) και ομογενής (homogeneous). Όπως φαίνεται στην Εικόνα 4,20, κατά την ομογενή φόρτιση, το καυσαέριο εγχέεται πρόωρα (early injection), με το έμβολο να κατευθύνεται καθοδικά, ενώ στην περίπτωση της στρωματοποιημένης φόρτισης το καύσιμο εγχέεται καθυστερημένα (late injection), με το έμβολο να κατευθύνεται ανοδικά. Η στρωματοποιημένη φόρτιση χρησιμοποιείται σε συνθήκες μερικού φορτίου, σε σταθερές ή χαμηλές ταχύτητες, όπου δεν απαιτείται επιτάχυνση. Το καύσιμο πρέπει να εγχυθεί λίγο πριν την ανάφλεξη, έτσι ώστε η μικρή ποσότητα του μείγματος αέρα-καυσίμου να τοποθετηθεί άριστα κοντά στο μπουζί. Η τεχνική αυτή επιτρέπει την χρήση πολύ φτωχών μειγμάτων (ultra lean) με πολύ μεγάλο λόγο αέρακαυσίμου, γεγονός που αυξάνει όμως τις εκπομπές NOx. Η χρήση του EGR σε αυτήν την περίπτωση είναι ενδεδειγμένη. Σε υψηλά φορτία, το μείγμα της στρωματοποιημένης φόρτισης μπορεί να είναι πολύ πλούσιο, κάτι που συνεπάγεται την έκλυση σωματιδίων. Σε υψηλές ταχύτητες, είναι αδύνατο να επιτευχθεί ικανοποιητική στρωματοποίηση μέσα στον κύλινδρο, εξαιτίας της υψηλής τύρβης. Επομένως, για υψηλότερα εύρη φορτίου και ταχύτητας, ο κινητήρας λειτουργεί σε ομογενή φάση φόρτισης για να πετύχει χαμηλές εκπομπές και υψηλή ροπή. Η ομογενής φάση φόρτισης χρησιμοποιείται για επιτάχυνση, το μείγμα αέρα-καυσίμου είναι ομογενές και ο λόγος είναι στοιχειομετρικός ή ελαφρώς πιο πλούσιος από τον στοιχειομετρικό. Οι εκπομπές NOx μειώνονται και το EGR είναι απενεργοποιημένο

82 Εικόνα 4,20: Ομογενής και στρωματοποιημένη φάση λειτουργίας (πηγή Celik and Ozdalyan, 2010). Στην στρωματοποιημένη φόρτιση, τρία συστήματα καύσης χρησιμοποιούνται για τον σχηματισμό του αναφλέξιμου μείγματος κοντά στο μπουζί την στιγμή της ανάφλεξης. Πρόκειται για τα συστήματα wall-guided, air-guided και spray-guided, και οι αρχές λειτουργίας του παρουσιάζονται στην Εικόνα 4,21. Οι διαφορές τους έγκεινται στον τρόπο με τον οποίο το καύσιμο μεταφέρεται στην περιοχή κοντά στο μπουζί. Εικόνα 4,21: Τρόποι καθοδήγησης μείγματος αέρα-καυσίμου σε στρωματοποιημένη φάση λειτουργίας (πηγή Celik and Ozdalyan, 2010). Wall-guided combustion system. Το καύσιμο μεταφέρεται κοντά στο μπουζί με την χρήση μιας κατάλληλα διαμορφωμένης επιφάνειας του εμβόλου. Η αποκλειστική χρήση αυτού του συστήματος δεν είναι αποδοτική, καθώς όταν το καύσιμο εγχέεται στην επιφάνεια δεν μπορεί να εξατμιστεί πλήρως. Συνεπώς οι εκπομπές HC και CO, αλλά και η κατανάλωση καυσίμου αυξάνονται

83 Air-guided combustion system. Το καύσιμο εγχέεται μέσα στην ροή του αέρα, η οποία το παρασέρνει κοντά στο μπουζί. Η ροή του αέρα επιτυγχάνεται με θυρίδες εισόδου κατάλληλα διαμορφωμένες, ενώ η ταχύτητα ελέγχεται με διαφράγματα αέρα στην πολλαπλή εισαγωγής. Με την τεχνική αυτή, το καύσιμο δεν διαβρέχει το έμβολο και τον κύλινδρο. Οι περισσότεροι κινητήρες GDI χρησιμοποιούν μια μετακίνηση αέρα μεγάλης κλίμακας, σε συνδυασμό με ένα ειδικά διαμορφωμένη επιφάνεια εμβόλου, για να διατηρούν το σπρέι καυσίμου ενιαίο και να το μεταφέρουν κοντά στο μπουζί. Στα συστήματα wall-guided και air-guided ο εγχυτήρας τοποθετείται μακριά από τα μπουζί. Spray-guided combustion system. Σε αυτή την περίπτωση το καύσιμο εγχέεται κοντά στο μπουζί, όπου και εξατμίζεται. Η τεχνική αυτή έχει θεωρητικά μεγαλύτερη απόδοση και περισσότερες δυνατότητες για μείωση της κατανάλωσης καυσίμου, αλλά εμφανίζει δυσκολίες στην υλοποίησή της. Απαιτεί προηγμένα συστήματα έγχυσης, όπως πιεζο-εγχυτήρα. Τα πλεονεκτήματα αυτής της τεχνικής είναι: μειωμένη ύγρανση τοιχωμάτων, αυξημένη περιοχή στρωματοποιημένης λειτουργίας, μικρότερη ευαισθησία στην ροή αέρα μέσα στον κύλινδρο, μικρότερη ευαισθησία στην διακύμανση από κύλινδρο σε κύλινδρο και μείωση εκπομπών πρώιμων HC. Μειονεκτήματα τα οποία έχουν αναφερθεί είναι: μη αξιοπιστία μπουζί (fouling) και υψηλή ευαισθησία στην μεταβολή στην ανάφλεξη και στον χρονισμό της έγχυσης (poor robustness). Η Mercedes-Benz ανέπτυξε ένα καινούργιο τέτοιο σύστημα., το οποίο έχει Stratified-Charged Gasoline Injection (CGI) και τεχνολογία πιεζο-έγχυσης. Με αυτόν τον τρόπο πετυχαίνεται καλύτερος σχηματισμός και καλύτερη καύση του μείγματος αέρα-καυσίμου και συνεπώς χαμηλότερη κατανάλωση καυσίμου. Ο κινητήρας Spray-Guided Gasoline Direct Injection (SGDI) με πιεζο-εγχυτήρες έχει δείξει καλές προοπτικές, σχετικά με οικονομία καυσίμου και απόδοση. Η κατανάλωση καυσίμου μειώνεται έως και 15% και η απόδοση του κινητήρα μπορεί να αυξηθεί περίπου 5% (Website). Εικόνα 4,22: Volkswagen FSI κινητήρας με συνδυαστικό σύστημα air-wall guided (πηγή Anon, 2002)

84 Το σύστημα άμεσης έγχυσης της Volkswagen είναι ένας συνδυασμός των δύο πρώτων συστημάτων (wall-guided και air-guided), με ροή στροβίλησης (tumble flow). Αυτό το σύστημα είναι λιγότερο ευαίσθητο απέναντι στις κυκλικές διακυμάνσεις της ροής του αέρα, ενώ παρουσιάζει πλεονεκτήματα τόσο για στρωματοποιημένη, όσο για ομογενή φάση λειτουργίας. Όπως φαίνεται στην Εικόνα 4,22, ο εγχυτήρας είναι τοποθετημένος στο εσωτερικό του κυλίνδρου. Το καύσιμο εγχέεται στο έμβολο υπό συγκεκριμένη γωνία. Το έμβολο έχει δύο κοιλότητες. Η κοιλότητα καυσίμου είναι προς την πλευρά εισαγωγής, ενώ η κοιλότητα του αέρα προς την πλευρά εξαγωγής. Ο στροβιλισμός της ροής επιτυγχάνεται χάρις στο ειδικά διαμορφωμένο στόμιο αναρρόφησης. Το καύσιμο οδηγείται ταυτόχρονα μέσω του αέρα και της κοιλότητας καυσίμου στο μπουζί. Σε σύγκριση με τους κινητήρες diesel χωρίς παγίδα αιθάλης (non-dpf), οι κινητήρες GDI παράγουν μικρότερα -άρα και πιο επικίνδυνα- σωματίδια σε μεγαλύτερο αριθμό. Η μείωση του αριθμού σωματιδίων στα καυσαέρια των βενζινοκίνητων κινητήρων άμεσης έγχυσης είναι ένας από τους κύριους στόχους της νέας προτεινόμενης νομοθεσίας για τις εκπομπές σε όλο τον κόσμο. Στους GDI κινητήρες, η διαδικασία της εξάτμισης του καυσίμου και η διαδικασία της ανάμιξης με τον αέρα παραμένει ατελής, ακόμα και εάν πρόωρα εγχύσεις καυσίμου χρησιμοποιούνται για να καταστήσουν δυνατή μια ομογενή λειτουργία καύσης. Αυτό οδηγεί στην δημιουργία κομματιών πολύ πλούσιων μειγμάτων, τα οποία είναι σημαντικές πηγές παραγωγής αιθάλης. Σε σταθερή ταχύτητα και φορτίο, η στρωματοποιημένη φάση λειτουργίας παράγει γενικά μέχρι και δύο τάξεις μεγέθους περισσότερα σωματίδια από ότι η ομογενής φάση. Και για τις δύο φάσεις, η πυκνότητα του αριθμού των σωματιδίων αυξάνει, καθώς η διάρκεια ανάφλεξης αυξάνεται, ενώ η κορυφή της κατανομής μεγέθους των μετρούμενων σωματιδίων μετατοπίζεται προς σωματίδια με μεγαλύτερες διαμέτρους. Κινητήρες με σύστημα Spray-guided παράγουν αιθάλη κυρίως στο εύρος της πυρήνωσης με μέση γεωμετρική διάμετρο 30 nm. Για το ίδιο εύρος λειτουργίας, οι κινητήρες με σύστημα wall-guided παράγουν κατά μέσο όρο μεγαλύτερα σωματίδια, σε πολύ μεγαλύτερη ποσότητα (μέχρι και δύο τάξεις μεγέθους) (Price et al., 2006). Παρουσιάζουν μεγαλύτερη μεταβλητότητα και παρατηρείται ύπαρξη αιθάλης ακόμα και για φτωχά μείγματα. Στις περισσότερες περιπτώσεις, οι εκπεμπόμενες συγκεντρώσεις σωματιδίων από κινητήρες με σύστημα spray-guided είναι ιδιαίτερα χαμηλές σε αντίστοιχα επίπεδα με τις εκπομπές από τους κινητήρες PFI. Αυτό ίσως να οφείλεται στο γεγονός ότι το σύστημα spray-guided είναι πιο αποτελεσματικό στην εξάτμιση του καυσίμου, κυρίως λόγω της υψηλότερης πίεσης καυσίμου που χρησιμοποιείται (150 bar έναντι 50 bar). Επιπλέον, το ποσό της ύγρανσης των τοιχωμάτων είναι μικρότερο στο spray-guided σύστημα, ενώ μπορεί να ειπωθεί ότι η προετοιμασία του μείγματος στους κινητήρες spray-guided είναι ανώτερη από αυτήν στο σύστημα wall-guided (Piock et al., 2012)

85 5. ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ Τα αποτελέσματα από τις μετρήσεις που πραγματοποιήθηκαν στα πλαίσια της συγκεκριμένης διπλωματικής εργασίας και παρουσιάστηκαν στα προηγούμενα δύο Κεφάλαια περιέχουν χρήσιμες πληροφορίες για την επίδραση των νέων τεχνολογιών αντιρρύπανσης στις εκπομπές των σωματιδίων. Τα κύρια και πιο ενδιαφέροντα συμπεράσματα που απορρέουν από τα παραπάνω αποτελέσματα παρουσιάζονται συνοπτικά παρακάτω: Η παγίδα αιθάλης στα οχήματα με κινητήρες diesel επιτυγχάνει να δεσμεύσει το μεγαλύτερο μέρος των εκπεμπόμενων σωματιδίων, με τις τιμές των τελευταίων να κυμαίνονται πολύ κάτω από τα τωρινά αλλά και από τα αναμενόμενα επιτρεπόμενα όρια που ορίζει η νομοθεσία (Euro 5/6). Χαρακτηριστικά, ο αριθμός εκπεμπόμενων σωματιδίων στο όχημα χωρίς παγίδα αιθάλης είναι τρείς τάξεις μεγέθους μεγαλύτερος από τον αντίστοιχο αριθμό του οχήματος με παγίδα αιθάλης. Οι μεγαλύτερες συγκεντρώσεις των εκπεμπόμενων σωματιδίων παρατηρήθηκαν για κύκλους οδήγησης με κρύα εκκίνηση. Το κύριο μέρος των εκπεμπόμενων σωματιδίων εκπέμπονται κατά την αρχική φάση του εκάστοτε κύκλου οδήγησης, όπου ο κινητήρας είναι κρύος και το καταλυτικό σύστημα δεν λειτουργεί πλήρως. Όλες οι μεταβολές φορτίου και οι αλλαγές της ταχύτητας προκαλούν αύξηση στις εκπομπές των σωματιδίων. Κατά την διάρκεια των κύκλων οδήγησης και με την παγίδα αιθάλης να λειτουργεί ικανοποιητικά, η εμφάνιση μιας μεμονωμένης, τυχαίας μεγάλης έκλυσης σωματιδίων προκαλεί μια αύξηση στον συνολικό αριθμό των εκπεμπόμενων σωματιδίων, ο οποίος δεν αντιπροσωπεύει το σύνολο του κύκλου οδήγησης. Όσο αυξάνεται το φορτίο της παγίδας, τόσο περισσότερο αυξάνει και η απόδοση της. Η παγίδα είναι σχεδιασμένη να αντέχει μέχρι συγκεκριμένο όριο αιθάλης και στη συνέχεια αναγεννιέται. Μετά την αναγέννηση, η δεσμευτική απόδοση της παγίδας μειώνεται δραματικά και παρατηρείται έντονη έκλυση σωματιδίων μέχρις ότου αρχίσει το φορτίο της να αυξάνεται ξανά. Η ενεργητική αναγέννηση επιφέρει μια επιβάρυνση της τάξης του 8% στην κατανάλωση καυσίμου και μια επιβάρυνση της τάξης του 40% στις εκπομπές σωματιδίων για τον συνολικό κύκλο οδήγησης. Μόνο κατά την διάρκεια της αναγέννησης, παρατηρείται μια επιβάρυνση κατά 20% στην κατανάλωση καυσίμου και κατά 60% στις εκπομπές σωματιδίων. Οι παθητικές αναγεννήσεις παρουσίασαν επαναληψιμότητα και εμφανίστηκαν προς το τέλος του NEDC κύκλου οδήγησης. Για τις μετρήσεις των οχημάτων με κινητήρες diesel υπό κρύα εκκίνηση παρατηρήθηκαν αντίστοιχα αποτελέσματα μεταξύ των κύκλων οδήγησης NEDC και WLTC. Υπό ζεστή εκκίνηση ο κύκλος NEDC φαίνεται να υποεκτιμά έναντι του WLTC κύκλου οδήγησης, τις περισσότερες φορές τον αριθμό των εκπεμπόμενων σωματιδίων. Τα πιο έντονα προφίλ εξέλιξης των εκπομπών σωματιδίων αλλά και οι μεγαλύτερες τιμές της σωματιδιακής μάζας παρατηρήθηκαν υπό τις μετρήσεις στους

86 κύκλους οδήγησης Artemis Urban και Ermes, εξαιτίας των έντονων συνθηκών οδήγησης που προσομοιώνουν. Η χρήση biodiesel 2 ης γενιάς έναντι συμβατικού diesel δεν επηρέασε ουσιαστικά τις εκπομπές σωματιδίων. Για την ακρίβεια, οι εκπομπές του οχήματος με biodiesel 2 ης γενιάς παρουσίασε ίδια αποτελέσματα με το όχημα που δεν χρησιμοποιούσε παγίδα αιθάλης. Τα οχήματα με κινητήρες βενζίνης άμεσης έγχυσης παρουσιάζουν μεγαλύτερες εκπομπές σωματιδίων έναντι των οχημάτων με κινητήρες diesel και παγίδα αιθάλης. Τα προφίλ εξέλιξης των εκπομπών είναι ανάλογο με την ταχύτητα του οχήματος και το φορτίο λειτουργίας του κινητήρα. Η εξέλιξη των εκπεμπόμενων σωματιδίων υπό κρύα και ζεστή εκκίνηση παρουσιάζουν πολλές ομοιότητες, μετά τα πρώτα λεπτά λειτουργίας του κινητήρα με το καταλυτικό σύστημα του οχήματος να υπολειτουργεί. Για τις μετρήσεις των οχημάτων με κινητήρες βενζίνης υπό κρύα εκκίνηση παρατηρήθηκαν αντίστοιχα αποτελέσματα μεταξύ των κύκλων οδήγησης NEDC και WLTC. Υπό ζεστή εκκίνηση ο κύκλος NEDC φαίνεται να υποεκτιμά έναντι του WLTC κύκλου οδήγησης τον αριθμό των εκπεμπόμενων σωματιδίων. Τα πιο έντονα προφίλ εξέλιξης των εκπομπών σωματιδίων παρατηρήθηκαν υπό τις μετρήσεις στους κύκλους οδήγησης Artemis Urban και Ermes, εξαιτίας των έντονων συνθηκών οδήγησης που προσομοιώνουν. Ο τρόπος έγχυσης του μείγματος αέρα-καυσίμου στον κυλίνδρου του κινητήρα βενζίνης είναι μία από τις παραμέτρους που επηρεάζουν την καύση του μείγματος, και συνεπώς τις εκπομπές των σωματιδίων. Επιστημονικές μελέτες αποδεικνύουν ότι τα συστήματα έγχυσης spray-guided παρουσιάζουν έως και δύο τάξεις μεγέθους μικρότερο αριθμό εκπεμπόμενων σωματιδίων έναντι των συνδυαστικών συστημάτων wall/air-guided, όπως το σύστημα που χρησιμοποιεί η Volkswagen για το οχήματά της άμεσης έγχυσης (GDI). Μερικοί τομείς με ιδιαίτερο ενδιαφέρον και ανάγκη μελλοντικής έρευνας, που ανεδείχθησαν στα πλαίσια της εκπόνησης της συγκεκριμένης διπλωματικής εργασίας είναι οι εξής: Η δεσμευτική απόδοση της παγίδας αιθάλης είναι δεδομένη και η περαιτέρω βελτίωσή της είναι κορεσμένη, δεδομένου ότι η παγίδα αιθάλης μπορεί να συγκρατεί το 90-99% του συνόλου των σωματιδίων. Ένας τομέας με έντονο επιστημονικό ενδιαφέρον είναι η χρήση του εναλλακτικού και ανανεώσιμου καυσίμου biodiesel 2 ης γενιάς. Ήδη εκπονούνται μελέτες και έρευνες για την αποδοτικότερη χρήση του biodiesel, για την βέλτιστη περιεκτικότητά του σε μείγμα με συμβατικό diesel, αλλά και για τους τρόπους δέσμευσης των εκλυόμενων εκπομπών

87 Όσον αφορά τα συστήματα έγχυσης του μείγματος αέρα-καυσίμου σε κινητήρες βενζίνης πρέπει να σημειωθεί ότι καμία από τις τεχνολογίες που μελετήθηκαν δεν είναι ικανές αν ικανοποιήσουν από μόνες τους τα προτεινόμενα νέα επιτρεπόμενα όρια εκπομπών του προτύπου Euro 6. Με άλλα λόγια, η προσπάθεια για την μείωση των εκπομπών σωματιδίων δεν θα πρέπει να περιοριστεί μόνο στον τρόπο έγχυσης και στον τρόπο σχηματισμού του μείγματος αέρα-καυσίμου, αλλά θα πρέπει να γίνει μια ευρύτερη προσπάθεια έρευνας και ανάπτυξης βελτιστοποιημένων κινητήρων βενζίνης. Η λύση της χρήσης παγίδας αιθάλης για την οξείδωση των εκπεμπόμενων σωματιδίων σε οχήματα με κινητήρες βενζίνης αυξάνουν την πολυπλοκότητα και το κόστος του συστήματος διαχείρισης του οχήματος (aftertreatment), ενώ παρουσιάζει και αρνητικές επιδράσεις στην κατανάλωση καυσίμου, στην απόδοση και στις εκπομπές CO

88 - 88 -

89 ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ

90 Κύκλοι οδήγησης Ένας κύκλος δοκιμών για εκπομπές (ή κύκλος οδήγησης) είναι ένα προκαθορισμένο προφίλ οδήγησης, το οποίο είτε το υπό δοκιμή όχημα είτε ο υπό δοκιμή κινητήρας πρέπει να ακολουθήσουν. Διαρκεί αρκετά λεπτά και συχνά συνδυάζει επιμέρους τμήματα (ή υποκύκλους), τα οποία αντιπροσωπεύουν διαφορετικές συνθήκες οδήγησης (π.χ. οδήγηση σε αστικό δρόμο ή αυτοκινητόδρομο). Οι κύκλοι οδήγησης είναι ένα αναπόσπαστο μέρος όλων των δοκιμών που πραγματοποιούνται σε πέδη δυναμομέτρησης οχημάτων και πέδη δυναμομέτρησης κινητήρα, ενώ η αντιπροσωπευτικότητά τους και η πληρότητά τους -η ικανότητά τους δηλαδή να αντιπροσωπεύουν στατιστικά τις υπό μελέτη συνθήκες οδήγησηςείναι ουσιώδη για την ποιότητα των αποτελεσμάτων των δοκιμών (Andre and Rapone, 2009)). Ο αριθμός των κύκλων οδήγησης που χρησιμοποιούνται παγκοσμίως για μετρήσεις εκπομπών και κατανάλωσης καυσίμου συνεχώς επεκτείνεται με σκοπό να καλυφθούν οι ανάγκες που προκύπτουν από τους όλο και πιο αυστηρούς κανονισμούς, ενώ ταυτόχρονα γίνεται προσπάθεια να προσομοιωθούν οι πραγματικές συνθήκες οδήγησης (Andre et al., 2006). Δύο κατηγορίες κύκλων οδήγησης μπορούν να χρησιμοποιηθούν σε δοκιμές πέδης δυναμομέτρησης οχημάτων ή πέδης δυναμομέτρησης κινητήρα, και αυτές είναι είτε κύκλοι κατηγορίας σταθερής κατάστασης (steady-state or modal) είτε κύκλοι μεταβλητής κατάστασης (transient). Οι δοκιμές steady-state κύκλων περιλαμβάνουν την λειτουργία του κινητήρα ή του οχήματος κάτω από ένα αριθμό φάσεων, η καθεμία με σταθερή ταχύτητα κινητήρα και φορτίο. Σε κάθε φάση, ο κινητήρας ή το όχημα λειτουργεί για ένα επαρκές χρονικό διάστημα με σκοπό να παραχθούν σχετικά σταθεροποιημένες τιμές εκπομπών. Όταν δύο ή περισσότερες φάσεις περιέχονται στον κύκλο οδήγησης, οι μετρήσεις των εκπομπών από κάθε φάση συνήθως συνδυάζονται, χρησιμοποιώντας ένα σύστημα σταθμισμένου μέσου όρου με συγκεκριμένους ορισμούς των κάθε φάσεων και συστήματα σταθμισμένου μέσου όρου, τα οποία διαφέρουν από ένα κύκλο σε άλλον (Artelt et al., 1999). Από την άλλη μεριά, οι transient κύκλοι οδήγησης περιέχουν μεταβολές στις συνθήκες λειτουργίας, ως μέρος της διαδικασίας της δοκιμής και θεωρούνται πιο αντιπροσωπευτικοί της λειτουργίας που συναντάται στον πραγματικό κόσμο, επειδή μπορούν να σχεδιαστούν ώστε να υπολογίζουν πραγματικές συνθήκες, όπως κατάσταση ρελαντί, επιτάχυνσης και επιβράδυνσης. Λεπτομερείς τεχνικές πληροφορίες σχετικά με τους πιο συχνά χρησιμοποιούμενους κύκλους οδήγησης μπορούν να βρεθούν στην βιβλιογραφία (CONCAWE, 2006a, 2006b; Barlow et al., 2009). Οι κύκλοι οδήγησης σε πέδη δυναμομέτρησης είναι κυρίως μεταβλητής κατάστασης (transient). Αυτή είναι η περίπτωση των κύκλων για την έγκριση τύπου οχήματος όπως οι FTP και SFTP (Federal Test Procedure και Supplemental Federal Test Procedure), οι οποίοι χρησιμοποιούνται για την πιστοποίηση εκπομπών των Light-Duty Vehicles, LDVs στις Η.Π.Α. και ο NEDC (New European Driving Cycle), ο οποίος χρησιμοποιείται για δοκιμές εκπομπών και την πιστοποίηση όλων των Euro 3 και μετέπειτα LDV μοντέλων στην Ευρώπη. Ο τελευταίος έχει συχνά επικριθεί ότι είναι πολύ ήπιος και υπoφορτισμένος για τυπική λειτουργία οχήματος, καθώς καλύπτει μια μικρή περιοχή του εύρους λειτουργίας της μηχανής (Kageson, 1998; Mellios et al., 2011; Weiss et al.,2011a). Σε γενικές γραμμές, οι κύκλοι

91 έγκρισης τύπου οχήματος υποεκτιμούν τις εκπομπές του πραγματικού κόσμου επειδή παρουσιάζουν χαμηλή δυναμική ταχύτητα, καθώς επίσης επειδή οι κατασκευαστές είναι σε θέση να βελτιστοποιήσουν την απόδοση των εκπομπών για συγκεκριμένα σημεία λειτουργίας (Ntziachristos and Samaras, 2000). Προκειμένου να αντιμετωπιστούν ορισμένες από τις ελλείψεις των υφιστάμενων κύκλων οδήγησης έγκρισης τύπου οχήματος, ένας νέος κύκλος παροδικής κατάστασης σε πέδη δυναμομέτρησης (Worldwide Harmonized Light-duty driving Test Cycle, WLTC) αναπτύσσεται στο πλαίσιο ενός ευρύτερου σχεδίου για την δημιουργία ενός τεχνικού κανονισμού με παγκόσμια ισχύ για την εναρμονισμένη δοκιμή των ελαφρώνεπαγγελματικών οχημάτων, LDVs (UNECE, 2012). Εκτός από τους τυποποιημένους κύκλους οδήγησης που χρησιμοποιούνται για νομοθετικούς σκοπούς, υπάρχουν πολλοί άλλοι που χαρακτηρίζουν την οδήγηση σε συγκεκριμένες περιοχές (Esteves-Booth et al., 2001), ή μια συγκεκριμένη τεχνολογία (Rapone et al., 2000). Οι κύκλοι οδήγησης σε πέδη δυναμομέτρησης κινητήρα είναι κατά κύριο λόγο σταθερής κατάστασης (steady-state). Ορισμένοι από τους κύκλους σταθερής κατάστασης που χρησιμοποιούνται σε όλο τον κόσμο για την έγκριση εκπομπών των υφιστάμενων τεχνολογιών των βαρέων-επαγγελματικών κινητήρων είναι ο European Stationary Cycle (ESC, εφαρμόζεται στην Ευρώπη και περιλαμβάνει 13 φάσεις) και ο Supplemental Emissions Test (Η.Π.Α., περιλαμβάνει 13 φάσεις). Μερικοί κύκλοι οδήγησης παροδικής κατάστασης είναι επίσης σε χρήση, όπως ο European Transient Cycle (ETC) και ο αμερικανικός κύκλος για βαρείς-επαγγελματικούς κινητήρες Federal Test Procedure (FTP). Για καινούργιας τεχνολογίας κινητήρες (από Euro 6 και μετέπειτα), ο World Harmonised Stationary Cycle (WHSC) και το μεταβλητής κατάστασης υπο-τμήμα του (WHTC) έχει προταθεί από την UNECE GRPE group (United Nations Economic Commission for Europe, Working Party on Pollution and Energy) σε μία προσπάθεια να δημιουργήσουν παγκόσμιους κύκλους, οι οποίοι να προσομοιώνουν τυπικές συνθήκες οδήγησης στην Ευρωπαϊκή Ένωση, στις Η.Π.Α., στην Ιαπωνία και στην Αυστραλία (Steven, 2001). Παρακάτω παρουσιάζονται διεξοδικά οι κύκλοι οδήγησης παροδικής κατάστασης που χρησιμοποιήθηκαν στην πέδη δυναμομέτρησης του Εργαστηρίου Εφαρμοσμένης Θερμοδυναμικής για τον υπολογισμό των εκπεμπόμενων σωματιδίων κατά την εκπόνηση της διπλωματικής αυτής εργασίας. ECE+EUDC Ο κύκλος αυτός, γνωστός και ως MVEG-A, χρησιμοποιείτο στην Ευρωπαϊκή Ένωση για τις δοκιμές έγκρισης τύπου των εκπομπών και της κατανάλωσης καυσίμου για τα ελαφριάεπαγγελματικά οχήματα (EEC Directive 90/C81/01). Ο συνολικός κύκλος περιέχει τέσσερα επαναλαμβανόμενα χωρίς διακοπή τμήματα ECE (Εικόνα Α,1), ακολουθούμενα από ένα τμήμα EUDC (Εικόνα Α,2). Πριν την δοκιμή, το όχημα αφήνεται να κρυώσει για τουλάχιστον 6 ώρες σε θερμοκρασία δοκιμής ο C. Στη συνέχεια το όχημα ξεκινάει και αφήνεται σε λειτουργία ρελαντί για 40 sec

92 Εικόνα Α,1: ECE 15 Cycle (πηγή DieselNet.com). Εικόνα Α,2: EUDC Cycle (πηγή DieselNet.com). New European Driving Cycle (NEDC) Πρόκειται για την τροποποιημένη μορφή του προηγούμενου συνδυαστικού κύκλου, με έτος απαρχής το Η περίοδος των 40 sec λειτουργίας σε ρελαντί έχει εξαλειφθεί, δηλαδή ο κινητήρας ξεκινά για μηδενικό χρόνο (t=0 sec) και η δειγματοληψία ξεκινάει ταυτόχρονα. Αυτή η τροποποιημένη διαδικασία ψυχρής εκκίνησης αναφέρεται ως New European Driving Cycle (NEDC) ή ως MVEG-B κύκλος δοκιμών. Η πλήρης δοκιμή ξεκινά με τέσσερις επαναλήψεις του κύκλου ECE (Εικόνα Α,1). Ο ECE κύκλος είναι ένας αστικός κύκλος οδήγησης γνωστός και ως Urban Driving Cycle - UDC. Έχει σχεδιαστεί με σκοπό να προσομοιώνει τις τυπικές συνθήκες οδήγησης στην Ευρώπη και χαρακτηρίζεται από χαμηλό φορτίο κινητήρα, χαμηλή ταχύτητα και χαμηλή θερμοκρασία καυσαερίων

93 Εικόνα Α,3: New European Driving Cycle (πηγή DieselNet.com). Το υπεραστικό κομμάτι, γνωστό και ως Extra Urban Driving Cycle EUDC (Εικόνα Α,2), προστίθεται μετά την λήξη του τέταρτου αστικού κύκλου και χαρακτηρίζεται από ένα πιο επιθετικό τρόπο οδήγησης, με μέγιστο όριο ταχύτητας στα 120 km/h. O συνολικός NEDC κύκλος φαίνεται στην Εικόνα Α,3, ενώ στην Εικόνα Α,4 φαίνεται ένας εναλλακτικός EUDC κύκλος, ο οποίος έχει οριστεί για χαμηλής ισχύος οχήματα, με την ταχύτητα του οχήματος να μην ξεπερνάει το άνω όριο των 90 km/h. Η δειγματοληψία των εκπομπών γίνεται κατά την διάρκεια του κύκλου σύμφωνα με την τεχνική της δειγματοληψίας σταθερού όγκου (CVS). Το δείγμα αναλύεται και εκφράζεται σε g/km για κάθε ρύπο. Ο Πίνακας Α,1 περιλαμβάνει μία σύνοψη των επιλεγμένων παραμέτρων για τους κύκλους ECE 15, EUDC και NEDC. Δοκιμές Τύπου Ι,ΙΙ και ΙΙΙ. Ο αστικός κύκλος οδήγησης (ECE 15, Εικόνα Α,1) αντιπροσωπεύει την Δοκιμή Τύπου Ι, όπως ορίζεται από την αρχική ECE 15 διαδικασία εκπομπών. Δοκιμή Τύπου ΙΙ είναι μία δοκιμή ρελαντί του προθερμασμένου σωλήνα εξαγωγής CO, που πραγματοποιείται αμέσως μετά τον τέταρτο κύκλο της Δοκιμής Τύπου Ι. Δοκιμή Τύπου ΙΙΙ είναι η διαδικασία δύο φάσεων σε πέδη δυναμομέτρησης (ρελαντί και 50 km/h) για τον προσδιορισμό των εκπομπών του στροφαλοθαλάμου. Εικόνα Α,4: EUDC Cycle for Low Power Vehicles (πηγή DieselNet.com)

94 Πίνακας Α,1: ECE 15, EUDC, NEDC Cycles Selected Parameters (πηγή DieselNet.com). World harmonized Light-Duty Test Procedure (WLTP) Πρόκειται για μία διαδικασία δοκιμών σε πέδη δυναμομέτρησης για τον προσδιορισμό των εκπομπών και της κατανάλωσης καυσίμου από ελαφρά-επαγγελματικά οχήματα. Αναπτύσσεται στο πλαίσιο της ευρωπαϊκής επιτροπής United Nations Economic Commission for Europe (UNECE), Working Party on Pollution and Energy και η τελική του έκδοση αναμένεται μέχρι τον Οκτώβριο του Όταν ολοκληρωθεί αναμένεται να αντικαταστήσει τον NEDC κύκλο οδήγησης. Η διαδικασία WLTP περιλαμβάνει τρεις κύκλους δοκιμών, που εφαρμόζονται για τις αντίστοιχες κατηγορίες οχημάτων ανάλογα με τον λόγο ισχύος προς μάζα (PMR), όπως φαίνεται στον Πίνακας Α,2. Η παράμετρος PMR ορίζεται ως ο λόγος της ονομαστικής ισχύος (rated engine power -W) προς τη μάζα του οχήματος (kerb weight -kg). Η μάζα curb (ή kerb) σημαίνει την "άνευ φορτίου μάζα", όπως ορίζεται στην ECE Regulation No. 83. Οι ορισμοί του κύκλου μπορεί επίσης να εξαρτώνται από τη μέγιστη ταχύτητα (Vmax), η οποία είναι η μέγιστη ταχύτητα του οχήματος όπως δηλώνεται από τον κατασκευαστή (ECE R68). Πίνακας Α,2: WLTP Test Cycles (πηγή DieselNet.com). Class 3 Cycle: Με το μεγαλύτερο λόγο ισχύος προς μάζα, η κατηγορία 3 είναι αντιπροσωπευτική για τα οχήματα που κυκλοφορούν σε Ευρώπη και Ιαπωνία. Οι επιλεγμένες παράμετροι αυτού του κύκλου (Έκδοση 5) φαίνονται στον Πίνακας Α,3, ενώ η ταχύτητα του οχήματος και η επιτάχυνσή του φαίνονται στην Εικόνα Α,

95 Πίνακας Α,3: WLTP Class 3 Cycle Selected Parameters (πηγή DieselNet.com). Εικόνα Α,5: WLTP Cycle for Class 3 Vehicles (πηγή DieselNet.com). Class 2 Cycle: Η Κατηγορία 2 είναι αντιπροσωπευτική για τα οχήματα που κυκλοφορούν στην Ινδία και για τα οχήματα χαμηλής ισχύος που κυκλοφορούν στην Ευρώπη και Ιαπωνία. Οι επιλεγμένες παράμετροι αυτού του κύκλου (Έκδοση 1.4) φαίνονται στον Πίνακας Α,4, ενώ η ταχύτητα του οχήματος και η επιτάχυνσή του φαίνονται στην Εικόνα Α,6. Πίνακας Α,4: WLTP Class 2 Cycle Selected Parameters (πηγή DieselNet.com)

96 Εικόνα Α,6: WLTP Cycle for Class 2 Vehicles (πηγή DieselNet.com). Class 1 Cycle: Με τον χαμηλότερο λόγο ισχύος προς μάζα, η Κατηγορία 1 είναι αντιπροσωπευτική για τα οχήματα που κυκλοφορούν στην Ινδία. Οι επιλεγμένες παράμετροι αυτού του κύκλου (Έκδοση 1.4) φαίνονται στον Πίνακας Α,5, ενώ η ταχύτητα του οχήματος και η επιτάχυνσή του φαίνονται στην Εικόνα Α,7. Πίνακας Α,5: WLTP Class 1 Cycle Selected Parameters (πηγή DieselNet.com). Εικόνα Α,7: WLTP Cycle for Class 1 Vehicles (πηγή DieselNet.com)

97 Common Artemis Driving Cycles (CADC) Πρόκειται για διαδικασίες δοκιμών σε πέδη δυναμομέτρησης, οι οποίες αναπτύχθηκαν στο πλαίσιο του Ευρωπαϊκού Προγράμματος Artemis (Assessment and Reliability of Transport Emission Models and Inventory Systems), βασισμένες σε στατιστικές αναλύσεις μιας μεγάλης βάσης δεδομένων των ευρωπαϊκών πραγματικών συνθηκών οδήγησης. Οι κύκλοι περιλαμβάνουν τρία προγράμματα οδήγησης: 1. Αστικό δρόμο (Urban) 2. Αγροτικό δρόμο (Rural) 3. Αυτοκινητόδρομο (Motorway): Ο κύκλος αυτός έχει δύο παραλλαγές, με μέγιστες ταχύτητες 130 km/h και 150 km/h αντίστοιχα. Η ταχύτητα του οχήματος κατά την διάρκεια των κύκλων Artemis παρουσιάζονται στις Εικόνα Α,8, Εικόνα Α,9 και Εικόνα Α,10. Ο Πίνακας Α,6 περιέχει τις επιλεγμένες παραμέτρους των παραπάνω κύκλων. Να σημειωθεί ότι από τον ορισμό τους οι κύκλοι περιλαμβάνουν στρατηγικές αλλαγής ταχυτήτων. Πίνακας Α,6: Χαρακτηριστικά των κύκλων Artemis (πηγή DieselNet.com). Εικόνα Α,8: Artemis Urban Cycle (πηγή DieselNet.com)