ΠΤΥΧΙΑΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ ΘΕΜΑ: ΝΕΕΣ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΕΣ ΑΝΤΙΡΡΥΠΑΝΣΗΣ ΟΧΗΜΑΤΩΝ

Transcript

1 T.E.I. ANATOΛΙΚΗΣ ΜΑΚΕΔΟΝΙΑΣ & ΘΡΑΚΗΣ ΣΧΟΛΗ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΚΩΝ ΕΦΑΡΜΟΓΩΝ ΤΜΗΜΑ: ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΠΕΤΡΕΛΑΙΟΥ ΚΑΙ ΦYΣΙΚΟΥ ΑΕΡΙΟΥ Τ.Ε. ΜΗΧΑΝΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ Τ.Ε. ΚΑΤΕΥΘΥΝΣΗ: ΜΗΧΑΝΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ Τ.Ε. ΠΤΥΧΙΑΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ ΘΕΜΑ: ΝΕΕΣ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΕΣ ΑΝΤΙΡΡΥΠΑΝΣΗΣ ΟΧΗΜΑΤΩΝ ΣΠΟΥΔΑΣΤΗΣ: ΕΠΙΒΛΕΠΩΝ ΚΑΘΗΓΗΤΗΣ: ΙΩΑΝΝΗΣ Θ. ΑΡΑΜΠΑΤΖΗΣ ΚΑΒΑΛΑ ΙΟΥΝΙΟΣ 2014

2 Κ α β ά λ α / 5 / 2014 E Γ Κ Ρ Ι Ν Ε Τ Α Ι - Ο - Κ Α Θ Η Γ Η Τ Η Σ ΙΩΑΝΝΗΣ Θ. ΑΡΑΜΠΑΤΖΗΣ Η Εξεταστική Επιτροπή 1. ΑΡΑΜΠΑΤΖΗΣ ΙΩΑΝΝΗΣ 2. ΠΑΝΑΓΙΩΤΙΔΗΣ ΘΕΟΛΟΓΟΣ 3. ΛΑΖΑΡΙΔΗΣ ΤΡΙΑΝΤΑΦΥΛΛΟΣ Κ α β ά λ α / 5 / 2014 Ο ΠΡΟΪΣΤΑΜΕΝΟΣ ΧΡΙΣΤΟΦΟΡΙΔΗΣ ΑΧΙΛΛΕΑΣ ΚΑΘΗΓΗΤΗΣ 1

3 ΠΡΟΛΟΓΟΣ Η Τεχνολογία σήμερα δεν έχει ουδέτερη ηθική αξία σχετικά με την Οικολογία. Οι δυο πλευρές, άλλοτε ισχυρά, άλλοτε πιο ήπια, είναι αντιμαχόμενες. Η Τεχνολογία απαιτεί και καταναλώνει φυσικούς πόρους για να επιτύχει τους σκοπούς της και ταυτόχρονα επιβαρύνει το φυσικό περιβάλλον με απόθεση ουσιών που δεν χρειάζεται. Περισσότερο από το 90% της ενέργειας που χρησιμοποιείται σήμερα προέρχεται από την καύση των υδρογονανθράκων (πετρέλαιο, γαιάνθρακες, φυσικό αέριο), μ ένα σχετικά μικρό ποσοστό από την καύση της βιομάζας (ξύλα, κλπ.). Αυτή η ενεργειακή μετατροπή έχει σημαντικές επιπτώσεις στο περιβάλλον: αέρια ρύπανση κοντά στο έδαφος, όξινη βροχή, αλλαγή κλίματος και μείωση του στρατοσφαιρικού όζοντος. Στόχος της παρούσας πτυχιακής είναι η παρουσίαση νέων αντιρρυπαντικών τεχνολογιών οχημάτων. Τα οχήματα αποτελούν μια από τις μεγαλύτερες πηγές μόλυνσης του περιβάλλοντος και η εισαγωγή κι εφαρμογή νέων τεχνολογιών θα μειώσει την επιβάρυνση του περιβάλλοντος. Η φύση και η τεχνολογία βέβαια θα παραμείνουν πάντα δύο αντιμαχόμενες πλευρές. Ο άνθρωπος δεν γίνεται να μετατρέπει πάντα την έννοια της τεχνολογίας σε περιβαλλοντικά θετική. Αυτό που μπορεί όμως είναι να διαιτητεύσει τον αγώνα μεταξύ τεχνολογίας και φύσης (φυσικών πόρων), ώστε να βρεθεί μια χρυσή τομή που θα εξασφαλίσει ένα ευοίωνο μέλλον για τη φύση και τον πολιτισμό γενικά. Αυτό είναι και ο σκοπός των νέων αντιρρυπαντικών τεχνολογιών. Η μείωση των ρύπων και η χρήση φιλικών προς το περιβάλλον τεχνολογιών αποτελούν πλέον βασική προτεραιότητα των κρατών, που, θεσπίζοντας σχετικά νομοθετικά άρθρα, προσπαθούν να οριοθετήσουν τη σχέση μεταξύ τεχνολογίας και περιβάλλοντος. Στο σημείο αυτό και απ αυτή τη θέση αισθάνομαι υποχρεωμένος να απευθύνω θερμές ευχαριστίες στον καθηγητή μου κ. Ιωάννη Θ. Αραμπατζή τόσο για την πολύτιμη προσφορά του, τις σημαντικές παρατηρήσεις και διορθώσεις του, όσο και για τις αμέριστες προσπάθειές του, ώστε να προκύψει το καλύτερο δυνατό αποτέλεσμα. Γούλας Δημήτρης 2

4 ΠΙΝΑΚΑΣ ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΩΝ ΠΕΡΙΛΗΨΗ ΕΙΣΑΓΩΓΗ Ε.1 Αέριες εκπομπές οχημάτων Ε.1.1 Εκπομπές επιβατικών οχημάτων ιδιωτικής χρήσης Ε.1.2 Εκπομπές βαρέων οχημάτων και λεωφορείων Ε.1.3 Εκπομπές δίκυκλων Ε.2 Συμβατικά καύσιμα Ε.2.1 Πετρέλαιο Ε.2.2 Βενζίνη ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1ο ΑΝΑΛΥΣΗ ΑΕΡΙΩΝ ΕΚΠΟΜΠΩΝ ΣΥΜΒΑΤΙΚΩΝ ΚΑΥΣΙΜΩΝ Γενικά Επιβλαβείς χημικές ενώσεις Άκαυστοι υδρογονάνθρακες Σωματίδια Μονοξείδιο του άνθρακα Οξείδια του αζώτου Αρχή λειτουργίας του Celcat Ρύποι που εκπέμπονται στο περιβάλλον από το αυτοκίνητο Καυσαέρια από την καύση στη ΜΕΚ και επιβάρυνση του περιβάλλοντος ανά μετακινούμενο επιβάτη

5 1.5.1 Επιβάρυνση του περιβάλλοντος ανά μετακινούμενο επιβάτη Ηχορύπανση (μια άλλη μορφή ρύπανσης) Το αυτοκίνητο ως σύστημα που παράγει θορύβους Μελέτη του προβλήματος της ηχορύπανσης από το αυτοκίνητο και τεχνικές ελάττωσής της Τα μέσα μετάδοσης και αντίληψη Μελέτες για την αντιμετώπιση της ηχορύπανσης Μελέτη πάνω σε οχήματα Μελέτη πάνω σε κινητήρες Μέθοδοι μέτρησης Στάθμη θορύβου στα αυτοκίνητα (κλίμακα Decibel) Προδιαγραφές Συνέπειες Ηχορύπανσης ΚΕΦΑΛΑΙΟ ΙΣΧΥΟΥΣΑ ΝΟΜΟΘΕΣΙΑ ΓΙΑ ΤΗΝ ΠΡΟΣΤΑΣΙΑ ΤΟΥ ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝΤΟΣ ΚΑΙ ΣΤΑΤΙΣΤΙΚΑ ΣΤΟΙΧΕΙΑ ΓΙΑ ΤΙΣ ΡΥΠΟΓΟΝΕΣ ΟΥΣΙΕΣ Περιοδικός προαιρετικός έλεγχος και ρύθμιση καυσαερίων Εξοπλισμός Δοκιμές προσδιορισμού επιτρεπόμενης ποσότητας ρυπαντών που εκπέμπει ένας κινητήρας Προδιαγραφές εκπομπών καυσαερίων Όρια εκπομπών καυσαερίων Ευρωπαϊκής Ένωσης Όρια εκπομπών καυσαερίων κατά την ελληνική νομοθεσία Ισχύουσα νομοθεσία περί ατμοσφαιρικής ρύπανσης και οχημάτων αντιρρυπαντικής τεχνολογίας

6 Υπουργική Απόφαση /2915/ ΦΕΚ 798/Β'/ ΚΕΦΑΛΑΙΟ Η ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ ΤΩΝ ΚΑΤΑΛΥΤΙΚΩΝ ΜΕΤΑΤΡΟΠΕΩΝ Έλεγχος των ρύπων των καυσαερίων σε συμβατικά οχήματα Οι πρώτοι καταλυτικοί μετατροπείς και η εξέλιξή τους μέχρι σήμερα Μόλυβδος και καταλύτης Χημεία των καταλυτικών μετατροπέων Ευγενή μέταλλα που χρησιμοποιούνται στους καταλύτες Λευκόχρυσος (Pt) Παλλάδιο (Pd) Ρόδιο (Rh) Δομή του καταλυτικού μετατροπέα Ασπίδες θερμότητας Περίβλημα Θερμομονωτικό Υλικό Διαστελλόμενος Τάπητας Επικάλυψης του Πυρήνα Φορέας Λαιμοί Εισόδου - Εξόδου των Καυσαερίων Μεταλλική Ετικέτα Σωλήνας Προσαγωγής Πρόσθετου Αέρα (αν διατίθεται) Εταιρίες κατασκευής καταλυτικών μετατροπέων Είδη καταλυτικών μετατροπέων Δομή του κεραμικού καταλυτικού μετατροπέα Μεταλλικό Προστατευτικό Περίβλημα

7 3.9.2 Διαστελλόμενος τάπητας Φορέας Κεραμικός μονόλιθος SiC Ενδιάμεσο Στρώμα Wash-Coat Ασπίδες θερμότητας Πώμα Πολλαπλή Εξαγωγής Σωλήνας Προσαγωγής Πρόσθετου Αέρα Δομή του μεταλλικού καταλυτικού μετατροπέα Περίβλημα Φορέας Υλικό κατασκευής του Φορέα Τύπου Foil Άλλοι Τύποι Μεταλλικών Φορέων. Φορέας με Πλεγμένο Σύρμα Νέοι Σχεδιασμοί Μεταλλικών Φορέων Ενδιάμεσο Στρώμα-(Wasch Coat) Ασπίδες θερμότητας Δομή καταλυτών με αντικαθιστώμενα μεταλλικά σφαιρίδια Περίβλημα Φορέας και Ενδιάμεσο στρώμα Αντικατάσταση των σφαιριδίων Αναγωγικός καταλυτικός μετατροπέας Οξειδωτικός καταλυτικός μετατροπέας Διπλής Κλίνης Καταλύτης Διπλής κλίνης καταλύτης με προσαγωγή αέρα Τετραπλής Κλίνης Καταλύτης με Προσαγωγή Αέρα Τριοδικός καταλυτικός μετατροπέας Τριοδικός σε συνδυασμό με οξειδωτικό (και αέρα προσαγωγής) Μη ρυθμιζόμενος τριοδικός καταλύτης Ρυθμιζόμενος τριοδικός καταλύτης

8 3.15 Εναλλακτικά συστήματα καταλυτικών μετατροπέων Προκαταλύτες Καταλύτες στον πετρελαιοκινητήρα Καταλύτες στον υγραεριοκινητήρα Καταλυτικός μετατροπέας AdBlue Συστήματα επιλεκτικής κατάλυσης EGR και SCR SCR (Selective Catalytic Reduction) EGR (Exhaust Gas Recirculation) Πλεονεκτήματα τεχνολογίας SCR (AdBlue) έναντι ΕGR ΚΕΦΑΛΑΙΟ ΝΕΕΣ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΕΣ ΦΙΛΙΚΕΣ ΠΡΟΣ ΤΟ ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝ Εξελίσσοντας τους βενζινοκινητήρες Βενζινοκινητήρες άμεσου ψεκασμού Θεωρητική προσέγγιση Από τη θεωρία στην πράξη Τελικά συμπεράσματα Τεχνολογία "Ατμοπαραγωγής" Γενικά Περιγραφή συστήματος Περιγραφή λειτουργίας κινητήρα ατμού Καύση με ατμοποιημένη βενζίνη Οι έρευνες της TOYOTA Ψεκασμός και φορτίο Εφαρμογή άμεσου ψεκασμού και τεχνολογίας ατμοποιημένου καυσίμου από συγκεκριμένες αυτοκινητοβιομηχανίες

9 4.5 Εξέλιξη στους πετρελαιοκινητήρες Common Rail Καινοτομία common rail από τους Ιταλούς κατασκευαστές -Multijet Common rail τρίτης γενιάς Κινητήρες ντίζελ άμεσου ψεκασμού Κοινά σημεία βενζινοκινητήρων και πετρελαιοκινητήρων ΕΝΑΛΛΑΚΤΙΚΑ ΚΑΥΣΙΜΑ ΑΕΡΙΩΝ Η λύση τον υγραερίου (LPG) Γενικά Χρήση του υγραερίου στην αυτοκίνηση Κίνδυνοι και ρύπανση από χρήση υγραερίου και φυσικού αερίου ως καύσιμα Η λύση του φυσικού αερίου Μεθανόλη, Αιθανόλη (Βιοκαύσιμα) Διμεθυλαιθέρας (D.M.E) Σπορέλαια (Μεθυλεστέρας - RME) Εναλλακτικές Λύσεις Πλεονεκτήματα εναλλακτικών καυσίμων Ασφάλεια των εναλλακτικών καυσίμων ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ

10 ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ ΕΙΚΟΝΩΝ ΕΙΣΑΓΩΓΗ Εικόνα Ε.1: Κινητήρας συμβατικού αυτοκινήτου 14 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 ο ΑΝΑΛΥΣΗ ΑΕΡΙΩΝ ΕΚΠΟΜΠΩΝ ΣΥΜΒΑΤΙΚΩΝ ΟΧΗΜΑΤΩΝ Εικόνα 1.1: Celcat 28 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 ΙΣΧΥΟΥΣΑ ΝΟΜΟΘΕΣΙΑ ΓΙΑ ΤΗΝ ΠΡΟΣΤΑΣΙΑ ΤΟΥ ΠΕΡΙΒΑΛΛΟ- ΝΤΟΣ ΚΑΙ ΣΤΑΤΙΣΤΙΚΑ ΣΤΟΙΧΕΙΑ ΓΙΑ ΤΙΣ ΡΥΠΟΓΟΝΕΣ ΟΥΣΙΕΣ Εικόνα 2.1: Κάρτα ελέγχου καυσαερίων 50 Εικόνα 2.2: Δυναμόμετρο 51 Εικόνα 2.3: Εγκέφαλος αυτοκινήτου 52 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 Η ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ ΤΩΝ ΚΑΤΑΛΥΤΙΚΩΝ ΜΕΤΑΤΡΟΠΕΩΝ Εικόνα 3.1: Καταλυτικός μετατροπέας με κεραμικό μονόλιθο 74 Εικόνα 3.2: Καταλυτικός μετατροπέας με αντικαθιστώμενα σφαιρίδια 75 Εικόνα 3.3: Μεταλλικός καταλυτικός μετατροπέας 76 Εικόνα 3.4. Χαρακτηριστικά μέρη ενός καταλύτη 81 Εικόνα 3.5 : Ασπίδες θερμότητας 82 Εικόνα 3.6: Μέρη του καταλυτικού μετατροπέα 83 Εικόνα 3.7: Λαιμοί εισόδου εξόδου των καυσαερίων στον καταλύτη 85 Εικόνα 3.8 Σωλήνα προσαγωγής πρόσθετου αέρα 86 Εικόνα 3.9: Κεραμικός καταλυτικός μετατροπέας αυτοκινήτων 90 9

11 Εικόνα 3.10: Φορέας 92 Εικόνα 3.11: Κεραμικά bricks πάχος 1 93 Εικόνα 3.12 : Καρβίδιο πυριτίου (Sic) 96 Εικόνα 3.13: Υπόστρωμα wash coat 96 Εικόνα 3.14 Ασπίδες θερμότητας 98 Εικόνα 3.15: Πολλαπλή εξαγωγή καυσαερίων 99 Εικόνα 3.16: Προκαταλύτης 116 Εικόνα 3.17: Οφέλη SCR έναντι EGR 122 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 ΝΕΕΣ ΠΡΟΤΥΠΕΣ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΕΣ ΦΙΛΙΚΕΣ ΠΡΟΣ ΤΟ ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝ Εικόνα 4.1: Κινητήρας άμεσου ψεκασμού 124 Εικόνα 4.2: Μπέκ ψεκασμού βενζίνης 125 Εικόνα 4.3: Διάταξη παραγωγής μίγματος αέρα ατμών 130 Εικόνα 4.4: Έμβολο 137 Εικόνα 4.5. Κινητήρας D4 139 Εικόνα 4.6 Κινητήρας GDI 141 Εικόνα 4.7: 2.0 FSI στο Audi Εικόνα 4.8: Κινητήρας Diesel Common Rail 145 Εικόνα 4.9: Κινητήρας multijet

12 ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ ΠΙΝΑΚΩΝ ΕΙΣΑΓΩΓΗ Πίνακας Ε.1: Πρότυπα Εκπομπών Ευρωπαϊκής Ένωσης για Επιβατικά Οχήματα (Κατηγορία Μ 1. )g/km 13 Πίνακας Ε.2: Πρότυπα εκπομπών Ευρωπαϊκής Ένωσης για Κινητήρες Diesel Βαρέος τύπου, g/kwh (αιθάλη σε m -1 ) 15 Πίνακας Ε.3: Πρότυπα εκπομπών για κινητήρες Diesel και Αερίου, δοκιμή ETC g/kwh 16 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 Ο ΑΝΑΛΥΣΗ ΑΕΡΙΩΝ ΕΚΠΟΜΠΩΝ ΣΥΜΒΑΤΙΚΩΝ ΟΧΗΜΑΤΩΝ Πίνακας 1.1: Μετρήσεις ρύπων HC, CO, NOx 30 Πίνακας 1.2: Συνολικές εκπομπές ρύπων βάση των κύριων πηγών 31 Πίνακας 1.3: Συνολική κατανάλωση καυσίμων των τελευταίων ετών 33 Πίνακας 1.4: Συνολικές ποσότητες ρύπων κατά το έτος Πίνακας 1.5: Αντιστοιχία σε ισοδύναμα επιβατικά. 34 Πίνακας 1.6: Ποσοστιαία σύσταση ρύπων ανά lt καυσίμου 35 Πίνακας 1.7: Επιβάρυνση του περιβάλλοντος ανά επιβάτη 39 Πίνακας 1.8: Παραγόμενη ηχητική στάθμη από ηχητικές πηγές 46 Πίνακας 1.9: Μέγιστα όρια θορύβου για νέα οχήματα 47 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 ΙΣΧΥΟΥΣΑ ΝΟΜΟΘΕΣΙΑ ΓΙΑ ΤΗΝ ΠΡΟΣΤΑΣΙΑ ΤΟΥ ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝΤΟΣ ΚΑΙ ΣΤΑΤΙΣΤΙΚΑ ΣΤΟΙΧΕΙΑ ΓΙΑ ΤΙΣ ΡΥΠΟΓΟΝΕΣ ΟΥΣΙΕΣ Πίνακας 2.1: Μέγιστες επιτρεπόμενες τιμές καυσαερίων 52 Πίνακας 2.2: Οδηγία 94/12/ΕΚ 53 Πίνακας 2.3: Οδηγία 96/164/ΕΚ από 2000 έως Πίνακας 2.4: Οδηγία 96/164/ΕΚ από 2005 έως σήμερα 55 11

13 Πίνακας 2.5: Όρια ρύπων 57 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 Η ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ ΤΩΝ ΚΑΤΑΛΥΤΙΚΩΝ ΜΕΤΑΤΡΟΠΕΩΝ Πίνακας 3.1: Πίνακας Κατάταξης αυτοκινήτων ανάλογα με τον κυβισμό τους 73 Πίνακας 3.2: Τιμή παλλαδίου και πλατίνας 78 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 ΝΕΕΣ ΠΡΟΤΥΠΕΣ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΕΣ ΦΙΛΙΚΕΣ ΠΡΟΣ ΤΟ ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝ Πίνακας 4.1: Σύγκριση φυσικού αερίου με πετρέλαιο και βενζίνη

14 ΠΕΡΙΛΗΨΗ Η παρούσα πτυχιακή εργασία εστιάζεται στη μελέτη αντιρρυπαντικών τεχνολογιών αυτοκινήτων και χωρίζεται σε τέσσερα κεφάλαια. Στο πρώτο κεφάλαιο γίνεται αναφορά στις επιβλαβείς χημικές ενώσεις που εκπέμπουν τα αυτοκίνητα. Γίνεται αναφορά στην αρχή της λειτουργίας του Celcat και στην επιβάρυνση του περιβάλλοντος από τα καυσαέρια. Επιπλέον περιγράφεται και μία άλλη μορφή ρύπανσης η ηχορύπανση. Στο δεύτερο κεφάλαιο παρατίθεται η ισχύουσα νομοθεσία για την προστασία του περιβάλλοντος καθώς και στατιστικά στοιχεία για τις ρυπογόνες ουσίες. Η μελέτη της τεχνολογίας των καταλυτικών μετατροπέων αποτελεί το αντικείμενο του 3 ου κεφαλαίου. Υπάρχει αναφορά στην εξέλιξη των καταλυτών μέσα στο χρόνο καθώς και στα μέταλλα που χρησιμοποιούν. Ακολουθεί λεπτομερής περιγραφή της δομής του καταλυτικού μετατροπέα, τόσο για τους μεταλλικούς όσο και τους κεραμικούς καταλύτες. Στο 4 ο κεφάλαιο παρατίθενται στοιχεία για νέες τεχνολογίες φιλικές προς το περιβάλλον με ιδιαίτερη έμφαση στον κινητήρα D4, στον κινητήρα GDI καθώς και στον κινητήρα Diesel Common Rail. Η πτυχιακή εργασία ολοκληρώνεται με την παράθεση των συμπερασμάτων και των βιβλιογραφικών αναφορών. 13

15 ΕΙΣΑΓΩΓΗ Ε.1 Αέριες εκπομπές οχημάτων Ε.1.1 Εκπομπές επιβατικών οχημάτων ιδιωτικής χρήσης Στην Ελλάδα σήμερα κυκλοφορούν ακόμη πλέον του συμβατικά οχήματα ενώ λίγο μεγαλύτερος είναι ο αριθμός των κυκλοφορούντων καταλυτικών οχημάτων. Η ηλικία των συμβατικών οχημάτων κατά μέσο όρο υπερβαίνει τη 15ετία. Πίνακας E.1: Πρότυπα Εκπομπών Ευρωπαϊκής Ένωσης για Επιβατικά Οχήματα (Κατηγορία M 1.), g/km 14

16 Μέσα στα πλαίσια της προώθησης μιας ενιαίας αντιρρυπαντικής τεχνολογίας και μιας ολοκληρωμένης πρόληψης και ελέγχου της ρύπανσης, η Ευρωπαϊκή Ένωση έχει θεσπίσει οδηγίες και κανονισμούς για τα όρια εκπομπών καυσαερίων των αυτοκινήτων. Οι Κανονισμοί αυτοί έχουν καθιερωθεί με την ονομασία Euro. Στον πίνακα Ε1 παρουσιάζονται τα πρότυπα εκπομπών Ευρωπαϊκής Ένωσης για Επιβατικά Οχήματα για: ένα τελευταίου τύπου συμβατικό Ε.Ι.Χ. (κυκλοφορίας EURO I) και καταλυτικά οχήματα που κυκλοφορούν στην Ελλάδα από το 1996 (EURO II), 2000 (EURO III), 2005 (EURO IV), 2009 (EURO V) καθώς και για ένα καταλυτικό όχημα που θα κυκλοφορήσει από το 2014 (EURO VΙ). Η μείωση των εκπομπών για τα νέας τεχνολογίας οχήματα είναι πραγματικά εντυπωσιακή και κυμαίνεται για ένα όχημα τύπου EURO IV από 89% για το CΟ έως 96.8% για τα ΝΟ Χ και 99.6% για τα Volatile Organic Compound (Πτητικές Οργανικές Ενώσεις). Αξίζει να σημειωθεί ότι η σύγκριση με παλαιότερης τεχνολογίας συμβατικά οχήματα θα οδηγούσε σε ακόμη πιο θεαματικά αποτελέσματα. Με βάση τις παραπάνω εκπομπές και τη συντηρητική παραδοχή ότι στο σύνολό τους τα συμβατικά οχήματα δεν είναι παλαιότερα του τύπου ΕΟΕ κι επίσης ότι τα συμβατικά οχήματα διανύουν ετήσια κατά πολύ λιγότερα χιλιόμετρα (περίπου χλμ.) από ένα αντίστοιχο καταλυτικό (το οποίο υπολογίζεται ότι διανύει περί τα χλμ.). Εικόνα Ε.1: Κινητήρας συμβατικού αυτοκινήτου Προκύπτει ότι τα συμβατικά ευθύνονται για το 66% των ετήσιων εκπομπών μονοξειδίου του άνθρακα από τα EURO Ι.Χ. οχήματα, το 80% των εκπομπών οξειδίων του αζώτου και το 90% των εκπομπών υδρογονανθράκων. Με άλλα λόγια, εάν το σύνολο του στόλου των EURO Ι.Χ. οχημάτων αποτελούσαν σήμερα μόνο καταλυ- 15

17 τικά οχήματα, οι συνολικές εκπομπές από τα EURO Ι.Χ. θα παρουσίαζαν μείωση περίπου 45% στο CO, 65% στα ΝΟ Χ και 85% στις πτητικές οργανικές ενώσεις. Ε.1.2 Εκπομπές βαρέων οχημάτων και λεωφορείων Στους πίνακες Ε2 και Ε3 παρουσιάζονται τα πρότυπα εκπομπών για βαρέως τύπου οχήματα. Πίνακας Ε.2: Πρότυπα εκπομπών Ευρωπαϊκής Ένωσης για Κινητήρες Diesel Βαρέος τύπου, g/kwh (αιθάλη σε m -1 ) Είναι πραγματικά εντυπωσιακή η μείωση των εκπομπών με την εξέλιξη της τεχνολογίας, η οποία για όλους τους ρύπους υπερβαίνει σημαντικά το ποσοστό του 50% για τα νεότερης τεχνολογίας οχήματα (2000 και μεταγενέστερα). Ιδιαίτερη επισήμανση αξίζει η θεαματική μείωση των σωματιδιακών εκπομπών. 16

18 Πίνακας Ε.3: Πρότυπα εκπομπών για κινητήρες Diesel και Αερίου, δοκιμή ETC g/kwh Βάσει των παραπάνω συνάγεται ότι αναμένεται σημαντική βελτίωση στα επίπεδα τόσο των εκπομπών οξειδίων του αζώτου όσο και των σωματιδίων, με την προϋπόθεση ότι τα παλαιότερης τεχνολογίας οχήματα θ αντικατασταθούν με νεότερα αντιρρυπαντικής τεχνολογίας. Πιο συγκεκριμένα, υπολογίστηκαν οι εκπομπές στην περίπτωση που το 75% των συμβατικών οχημάτων αντικαθίσταται με νεότερης τεχνολογίας οχήματα (EURO II, III, IV, V ). Γενικά, οι μειώσεις για όλους τους ρύπους, όσον αφορά τα βαρέα οχήματα, υπερβαίνουν το 30%, με σημαντικότερη μέση μείωση αυτή στις εκπομπές σωματιδίων (άνω του 50%). Ανάλογες είναι οι μειώσεις και στα λεωφορεία. Ε.1.3 Εκπομπές δίκυκλων Η συνεισφορά των δικύκλων είναι σημαντική στις εκπομπές πτητικών οργανικών ενώσεων, ενώ υπάρχουν βάσιμες ενδείξεις για σημαντικές εκπομπές σωματιδίων από τα δίχρονα δίκυκλα. Ως προς τα σωματίδια δεν υπάρχουν ακόμη στοιχεία 17

19 προκειμένου να εκτιμηθούν ποσοτικά οι εκπομπές τους. Ως προς τις εκπομπές VOC, εκτιμάται ότι με την ανανέωση του στόλου των συμβατικών δίκυκλων με άλλα νέας τεχνολογίας αναμένεται σημαντικότατη μείωση στις εκπομπές υδρογονανθράκων, η οποία μπορεί να φτάσει το 63% εφόσον αντικατασταθεί το σύνολο του στόλου. Μια πιο ρεαλιστική προσέγγιση αντικατάστασης του 30% του στόλου, θα οδηγήσει σε μείωση 20% επί των εκπομπών. Αυτό σημαίνει ότι το σύνολο των εκπομπών υδρογονανθράκων από τις οδικές μεταφορές θα μειωθεί κατά 7% περίπου. Ε.2 Συμβατικά καύσιμα Ε.2.1 Πετρέλαιο Το πετρέλαιο είναι υγρό ορυκτό που σχηματίστηκε στο στερεό φλοιό της γης πριν από εκατομμύρια χρόνια από την αποσύνθεση φυτικών και ζωικών οργανισμών, που εγκλωβίστηκαν μέσα σε υπόγειες κοιλότητες, υπερθερμάνθηκαν και συμπιέστηκαν. Ο εντοπισμός κοιτασμάτων πετρελαίου σε υπόγεια ή υποθαλάσσια στρώματα της γης γίνεται με επιστημονικές μεθόδους. Το υγρό αντλείται με γεώτρηση. Το ακατέργαστο πετρέλαιο που αντλείται λέγεται αργό ή ακάθαρτο. Έχει χρώμα σχεδόν μαύρο και είναι παχύρρευστο. Το ακάθαρτο πετρέλαιο υπόκειται σε απόσταξη, οπότε λαμβάνουμε τα προϊόντα της απόσταξης που είναι τα εξής: Πετρελαϊκός αιθέρας ή γκαζολίνη Ελαφρά βενζίνη, που χρησιμοποιείται σαν καύσιμη ύλη Λιγραίνη Βαρεία βενζίνη Ελαφρό πετρέλαιο Φωτιστικό πετρέλαιο Νάφθα ή ακάθαρτο πετρέλαιο Ορυκτέλαιο Κυλινδρέλαιο 18

20 Μαζούτ Τα πετρέλαια ανάλογα με τη προέλευση τους διακρίνονται σε Ευρωπαϊκά, Αμερικανικά και Ασιατικά. Παράγωγα του πετρελαίου χρησιμοποιούνται στη βιομηχανία για τη παραγωγή τεχνητών λιπασμάτων, φαρμάκων, χρωμάτων, πλαστικών, απορρυπαντικών, ζωοτροφών, καλλυντικών κλπ. Το πετρέλαιο χρησιμοποιείται στη θέρμανση, στο φωτισμό και στη κίνηση των οχημάτων. Στη χώρα μας έχουν εντοπισθεί κοιτάσματα πετρελαίου στη θαλάσσια περιοχή της Θάσου. Ακόμα, ας σημειώσουμε, πως από την συνολική ετήσια παγκόσμια παραγωγή πετρελαίου: Το 50% καταναλώνεται για την παραγωγή ηλεκτρικού ρεύματος. Το 25% καταναλώνεται απ τη βιομηχανία, κυρίως για την παραγωγή θερμότητας. Το 15% καταναλώνεται για θέρμανση κυρίως στις βόρειες χώρες. Το 10% καταναλώνεται για την κίνηση των οχημάτων. Επίσης, να αναφέρουμε, πως τα κυριότερα χαρακτηριστικά του πετρελαίου είναι: θερμαντική του ικανότητα που πρέπει να είναι kcal/kg. Το ειδικό του βάρος που πρέπει να είναι μέχρι 0.88 kg/dm 3 Το ιξώδες του κατά Saybol που πρέπει να είναι βαθμοί Η περιεκτικότητα του σε θείου (S) που πρέπει να είναι μέχρι 0.75%. Το σημείο ανάφλεξής του πρέπει να είναι πάνω από 70 C. Το σημείο πήξης του που πρέπει να είναι κάτω των - 10 C. Τέλος, ας έχουμε υπόψη μας πως η περιεκτικότητα του αργού πετρελαίου σε βενζίνη, φωτιστικό πετρέλαιο και ορυκτέλαια ποικίλει από παραγωγό χώρα σε παραγωγό χώρα και από πηγή σε πηγή της ίδιας περιοχής. Γενικά τα ορυκτά πετρέλαια τα διακρίνουμε σε ασφαλτούχα, απ τα οποία εξάγεται άσφαλτος και σε παραφινούχα απ τα οποία εξάγονται τα διάφορα προϊόντα της απόσταξης που αναφέραμε παραπάνω. Όταν εξαχθεί το αργό πετρέλαιο περιέχει μεγάλες ποσότητες νερού, μέχρι 19

21 80%. Για το λόγο αυτό, είτε με φυγοκεντρικά μηχανήματα, είτε με απλή ροή, καθαρίζεται απ το νερό κι απ τις υπόλοιπες γαιώδεις ουσίες. Ε.2.2 Βενζίνη Η βενζίνη είναι μίγμα διάφορων πτητικών υδρογονανθράκων. Λαμβάνεται: α) Με απόσταξη και πυρόλυση του πετρελαίου και β) Με τις συνθετικές μεθόδους Fischer Trops ή Bergius Pier. Με τη μέθοδο Fischer Trops θερμαίνονται άνθρακας και υδρατμοί και σχηματίζεται υδραέριο, δηλ. CO και Η 2. Το υδραέριο στη συνέχεια αποβάλλεται σε υ- δρογόνωση παρουσία καταλύτη (κοβαλτίου και νικελίου ή σιδήρου). Έτσι σχηματίζεται η βενζίνη. Με τη μέθοδο Bergius Pier αλέθεται άνθρακας ή πίσσα και υγροποιούνται (χυλός). Κατόπιν ο χυλός αυτός υποβάλλεται σε υδρογόνωση παρουσία καταλύτη σε κατάλληλη πίεση και θερμοκρασία (200 at και 450 C). Το μίγμα αυτό έρχεται στον αποστακτήρα, όπου διαχωρίζεται η βενζίνη από τους περιεχόμενους υδρογονάνθρακες και το έλαιο. Στη συνέχεια, είτε η βενζίνη που λαμβάνεται από το πετρέλαιο, είτε η βενζίνη που λαμβάνεται συνθετικά, υποβάλλεται σε κάθαρση με κλασματική απόσταξη, οπότε λαμβάνονται τα παρακάτω προϊόντα, ανάλογα με τη θερμοκρασία που βράζουν: Πετρελαϊκός αιθέρας (40-60 C) Ελαφρά βενζίνη ή γκαζολίνη (30-80 C) Βενζίνη πετρελαίου (50-75 C) Κανονική βενζίνη (65-95 C) Βαρεία βενζίνη. Η βενζίνη είναι άριστος διαλύτης και για το λόγο αυτό χρησιμοποιείται σε καθαριστήρια σαν εκχυλιστικό μέσο. Την κυριότερη όμως εφαρμογή της η βενζίνη βρίσκει στην κίνηση των αυτοκινήτων, αεροπλάνων κλπ. Και τούτο γιατί μίγμα βενζίνης και αέρα είναι εκρηκτικό. Τέλος, ας σημειώσουμε, πως τα κυριότερα χαρακτηριστικά της βενζίνης είναι: 20

22 Πρέπει να είναι άχρωμη και διαυγής. Δεν πρέπει να έχει δυνατή οσμή (το αντίθετο συμβαίνει αν είναι νοθευμένη με βενζόλη). Δεν πρέπει να έχει ιζήματα. Να μην περιέχει νερό. Η βενζίνη πρέπει να είναι ουδέτερη, δηλαδή να μην παρουσιάζει ούτε όξινη, ούτε αλκαλική αντίδραση. Να μην περιέχει οποιαδήποτε μορφής ενώσεις μολύβδου και σιδήρου. Να μην περιέχει θείο (S) περισσότερο από 0.1% Η θερμαντική της ικανότητα να κυμαίνεται από kcal/kg. 21

23 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1ο ΑΝΑΛΥΣΗ ΑΕΡΙΩΝ ΕΚΠΟΜΠΩΝ ΣΥΜΒΑΤΙΚΩΝ ΚΑΥΣΙΜΩΝ 1.1 Γενικά Σύντομα, αμέσως μετά το δεύτερο Παγκόσμιο Πόλεμο αναγνωρίσθηκε ότι τα αέρια εκπομπής των οχημάτων ήταν η κύρια αιτία μόλυνσης του περιβάλλοντος και της δημιουργίας του φωτοχημικού νέφους στις πόλεις. Οι αιτίες και ο έλεγχος αυτών των αερίων έχουν απασχολήσει πολλούς ερευνητές για πολλά χρόνια και ακόμα μελετώνται. Τέσσερις είναι οι χημικές ενώσεις που θεωρούνται επιβλαβείς και χρειάζονται διαρκή παρακολούθηση και έλεγχο: οι άκαυστοι υδρογονάνθρακες (HC), το μονοξείδιο του άνθρακα (CO), τα οξείδια του αζώτου (ΝΟ Χ ), τα ανθρακούχα στερεά σωματίδια (καπνός) και τα ανθρακούχα ημιστερεά σωματίδια. Το ποσοστό αυτών των ενώσεων που βρίσκονται στα αέρια εκπομπής διαφέρουν και με τον τύπο και με το μοντέλο αλλά και με τη λειτουργία του κινητήρα. 1.2 Επιβλαβείς χημικές ενώσεις Άκαυστοι υδρογονάνθρακες Με τον όρο «άκαυστοι υδρογονάνθρακες» συνήθως εννοείται άκαυστο καύσιμο. Το καύσιμο αποτελείται από 10 ως 20 κύριες ενώσεις υδρογονανθράκων και από περίπου 100 ως 200 δευτερεύουσες ενώσεις. Οι περισσότερες από αυτές τις ενώσεις είναι παρούσες στα καυσαέρια. Όμως ορισμένες ενώσεις που βρίσκονται στα καυσαέρια δεν ανήκουν στο αρχικό καύσιμο και πρέπει αλλού ν αναζητηθεί η προέλευση τους. Αυτές οι εκπομπές προέρχονται απ τους υδρογονάνθρακες του αρχικού καυσίμου αλλά η χημική δομή τους άλλαξε, γιατί οι χημικές αντιδράσεις δεν είχαν τον 22

24 απαιτούμενο χρόνο να ολοκληρωθούν. Σαν ποσοστό του συνόλου των εκπομπών αποτελούν το 20 ως 80%. Τρεις είναι οι κύριοι μηχανισμοί της δημιουργίας υδρογονανθράκων στα καυσαέρια: Αφλογιστία. Η ποσότητα των υδρογονανθράκων στα καυσαέρια είναι της τάξης του 1 g/kg καυσίμου αν υπάρξει μια αφλογιστία σε χίλιους κύκλους. Η αφλογιστία μπορεί να είναι είτε ολοκληρωτική έλλειψη καύσης ή μερική καύση και συμβαίνει σε κινητήρες που λειτουργούν με φτωχό μίγμα ή με EGR (ανακυκλοφορία καυσαερίων) που βρίσκονται κοντά στο όριο ανάφλεξης. Αποθήκευση και απελευθέρωση καυσίμου στις εναποθέσεις ή σε στρώματα λαδιού μέσα στο θάλαμο καύσης. Οι ερευνητές έχουν ανακαλύψει ότι στρώματα λαδιού μέσα στο χώρο του κυλίνδρου παγιδεύουν μέρος του καυσίμου κατά τη φάση της συμπίεσης και το απελευθερώνουν κατά τη φάση της εκτόνωσης. Μετρήσεις έγιναν προσθέτοντας λάδι στον κύλινδρο και με καύσιμο το ισοοκτάνιο. Αυξημένοι υδρογονάνθρακες μετρήθηκαν στα καυσαέρια, οι οποίοι προέρχονταν από άκαυστο καύσιμο και όχι από άκαυστο λάδι. Όταν όμως έγιναν οι ίδιες μετρήσεις αλλά με καύσιμο το προπάνιο, παρατηρήθηκε ότι δεν υπήρξε αύξηση υδρογονανθράκων στα καυσαέρια. Αυτό οφείλεται στο ότι το προπάνιο δεν είναι διαλυτό στο λάδι, ενώ το ισοοκτάνιο είναι. Ψύξη της φλόγας μέσα σ εσοχές. Έχει αποδειχτεί ότι η φλόγα σβήνει σε μικρή απόσταση απ τα τοιχώματα, οπότε το μίγμα που εφάπτεται με τα τοιχώματα δεν καίγεται. Ένα μέρος όμως απ αυτό το άκαυστο μίγμα καίγεται αργότερα, όταν αναμιγνύεται με τα θερμά καυσαέρια κατά την εξαγωγή. Επίσης άκαυστοι υδρογονάνθρακες μπορούν να καούν μέσα στην πολλαπλή εξαγωγής. Μια τεχνική μείωσης των ρύπων είναι η εισαγωγή φρέσκου αέρα στην πολλαπλή εξαγωγής για να οξειδώσει το μεγαλύτερο μέρος των ά- καυστων υδρογονανθράκων. Στους πετρελαιοκινητήρες άκαυστοι υδρογονάνθρακες στα καυσαέρια προέρχονται κυρίως απ το καύσιμο που έχει παγιδευτεί μέσα στον εγχυτήρα στο τέλος της έγχυσης και που αργότερα διαρρέει, απ το καύσιμο που έχει αναμιχθεί με αέρα αλλά 23

25 βρίσκεται σε πολύ φτωχή αναλογία και από καύσιμο που έχει παγιδευτεί μέσα σ ε- σοχές, στους πόρους των εναποθέσεων ή σε στρώματα του λιπαντικού λαδιού. Οι άκαυστοι υδρογονάνθρακες διακρίνονται σε: Κορεσμένους Ακόρεστους: Συμμετέχουν σε φωτοχημικές αντιδράσεις και ευνοούν την ανάπτυξη του φωτοχημικού νέφους Αρωματικούς: Είναι πιο επικίνδυνοι υδρογονάνθρακες (βενζόλιο, τολουόλιο) οι οποίοι είναι καρκινογόνοι ακόμη και σε μικρές συγκεντρώσεις και για μικρή χρονική διάρκεια έκθεσης του οργανισμού σε αυτούς. Με την καθιέρωση της αμόλυβδης βενζίνης χρησιμοποιούνται σε αντικατάσταση των ενώσεων του μολύβδου. Γι' αυτό είναι επιτακτική η χρήση του καταλυτικού μετατροπέα στους κινητήρες που καίνε α- μόλυβδη βενζίνη καθώς λόγω κακής καύσης εξάγονται από την εξάτμιση του αυτοκινήτου και συμβάλουν σημαντικά στην δημιουργία του γνωστού νέφους Σωματίδια Τα αιωρούμενα σωματίδια μπορούν να αποτελούν πρωτογενείς ή δευτερογενείς ρύπους. Εκλύονται από φυσικές ή ανθρωπογενείς πηγές, όπως είναι η καύση ορυκτών καυσίμων. Ιδιαίτερα βλαβερά είναι τα σωματίδια με διάμετρο μικρότερη από 1μ (1 χιλιοστό του χιλιοστού), τα οποία ονομάζονται νανοσωματίδια. Αυτά μπορούν εύκολα να φτάσουν στα απώτερα σημεία των πνευμόνων και να εισέλθουν από εκεί στην κυκλοφορία του αίματος. Επιπρόσθετα δρουν ως όχημα για την μεταφορά στους πνεύμονες τοξικών προϊόντων. Οι κυριότερες πηγές αυτών των ρύπων είναι τα καυσαέρια των κινητήρων των αυτοκινήτων (ιδίως των πετρελαιοκινητήρων), η σκόνη του δρόμου και άλλες ανθρωπογενείς πηγές. Συγκεκριμένα είναι οποιαδήποτε ουσία εκτός απ το νερό που μπορεί να συλλεχθεί με το φιλτράρισμα των καυσαερίων του κινητήρα. Πρόβλημα εκπομπής σωματιδίων δεν υπάρχει με τη χρήση της αμόλυβδης βενζίνης. Το φαινόμενο εμφανίζεται έντονα στους πετρελαιοκινητήρες. Το υλικό που συλλέγεται σ' ένα φίλτρο μπορεί να είναι στερεά σωματίδια άνθρακα ή μια οργανική 24

26 ουσία που είναι υδρογονάνθρακας μαζί με τα μερικώς οξειδωμένα προϊόντα τους που έχουν υγροποιηθεί. Οι πετρελαιοκινητήρες αποτελούν την κυριότερη πηγή εκπομπής σωματιδίων στις περισσότερες μεγαλουπόλεις, καθώς εκπέμπουν έως και φορές περισσότερα σωματίδια σε σχέση με τους βενζινοκινητήρες. Επιπρόσθετα ο αριθμός των αυτοκινήτων με πετρελαιοκινητήρα έχει αυξηθεί σημαντικά σε όλες τις Ευρωπαϊκές χώρες, φθάνοντας σε μερικές από αυτές ακόμη και το 50% των συνολικών πωλήσεων αυτοκινήτων. Αυτό συμβαίνει επειδή τα πετρελαιοκίνητα αυτοκίνητα καταναλώνουν λιγότερο καύσιμο και προωθούνται ως «πράσινα», λόγω των χαμηλότερων εκπομπών αερίων του θερμοκηπίου (μονοξείδιου του άνθρακα και διοξειδίου του θείου), αν και αυτό το «οικολογικό» πλεονέκτημα αμβλύνεται κατά πολύ από τη μεγάλη ποσότητα αιωρούμενων σωματιδίων που παράγουν. Πιστεύεται ότι τα στερεά σωματίδια του άνθρακα δημιουργούνται σ' εκείνες τις περιοχές της δέσμης του πετρελαίου, όπου το μίγμα είναι πιο πλούσιο. Οι ενήλικες που εκτίθενται σε αυξημένα επίπεδα σωματιδίων παρουσιάζουν αυξημένη συχνότητα χρόνιου βήχα, παραγωγής πτυέλων και δύσπνοιας, συμπτώματα που συνδυάζονται με την ανάπτυξη βρογχικού άσθματος, χρόνιας αποφρακτικής πνευμονοπάθειας, αλλεργικής ρινίτιδας και λοιμώξεων του κατώτερου αναπνευστικού συστήματος. Μάλιστα έχει υπολογιστεί ότι ακόμη και οι αλλεργικές αντιδράσεις στο αναπνευστικό σύστημα αυξάνουν στα άτομα που βρίσκονται σε μολυσμένο περιβάλλον. Επίσης έχει βρεθεί αυξημένη συχνότητα πνευμονιών, ιδιαίτερα σε άτομα τρίτης ηλικίας, τα οποία αναπνέουν μολυσμένο αέρα. Αλλά οι αρνητικές επιπτώσεις του μολυσμένου αέρα στους ενήλικες δεν περιορίζονται μόνο στο αναπνευστικό. Επεκτείνονται στο καρδιαγγειακό σύστημα προκαλώντας νοσήματα όπως είναι η στεφανιαία νόσος και το οξύ έμφραγμα του μυοκαρδίου Μονοξείδιο του άνθρακα Το μονοξείδιο του άνθρακα είναι χημική ένωση με τύπο CO. Είναι άχρωμο, άοσμο, άγευστο και πολύ τοξικό αέριο. Τα μόριά του αποτελούνται από ένα άτομο άνθρακα και ένα άτομο οξυγόνου το καθένα, που σχηματίζουν δυο ομοιοπολικούς 25

27 και έναν ημιπολικό δεσμό μεταξύ τους. Είναι ο απλούστερος των οξανθράκων. Μπορεί να θεωρηθεί ως ανυδρίτης του μεθανικού οξέος. Το μονοξείδιο του άνθρακα είναι επικίνδυνος ρύπος καθώς απορροφάται απ το αίμα. Οι υψηλές συγκεντρώσεις του διαταράσσουν τη μεταφορά οξυγόνου, ενώ σε κλειστούς χώρους μ ατελή καύση προκαλούν λιποθυμία που μπορεί να οδηγήσει σε θάνατο από ασφυξία. Είναι προφανής η αιτία που το μονοξείδιο του άνθρακα εμφανίζεται στα καυσαέρια, όταν το μίγμα του κινητήρα είναι πλούσιο: δεν επαρκεί το οξυγόνο για να μετατρέψει όλον τον άνθρακα του καυσίμου σε διοξείδιο του άνθρακα. Σε κινητήρες με φτωχό μίγμα υπάρχει μια πρόσθετη αιτία για αυξημένο CO. Παρατηρούνται μικρές αυξημένες ποσότητες λόγω της επαφής που έχει το μίγμα και η φλόγα με τα πιο ψυχρά τοιχώματα του κυλίνδρου, με το λιπαντικό λάδι και τις εναποθέσεις στα τοιχώματα. Η πιο σπουδαία παράμετρος που επιδρά στις εκπομπές του CO είναι ο λόγος καυσίμου - αέρα. Όλες οι άλλες παράμετροι έχουν δευτερεύουσα σημασία. Ο καλύτερος τρόπος για να μειωθούν οι εκπομπές του CO είναι να ελαχιστοποιηθούν οι φορές που ο κινητήρας λειτουργεί με πλούσιο μίγμα και να σχεδιαστεί κατάλληλα η πολλαπλή εισαγωγής ώστε να ελαχιστοποιηθεί η διαφορά της τιμής του λόγου καυσίμου - αέρα από κύλινδρο σε κύλινδρο. Στις πετρελαιομηχανές το πρόβλημα εκπομπών CO είναι πολύ μικρό μια και λειτουργούν με φτωχό μίγμα Οξείδια του αζώτου Με το γενικό όρο οξείδια του αζώτου ορίζονται γενικά οι ενώσεις αζώτου με οξυγόνο σε διάφορες αναλογίες. Οι κυριότερες και συνηθέστερες ενώσεις από αυτές είναι το μονοξείδιο NO και το διοξείδιο του αζώτου NO 2. Οι μηχανισμοί που παράγουν τα οξείδια του αζώτου είναι γνωστοί. Οι ακόλουθες χημικές αντιδράσεις είναι οι πιο σημαντικές: N + NO N 2 + O N + O 2 NO + O N + OH NO + H 26

28 Τα περισσότερα από αυτά είναι άχρωμα και άοσμα. Ωστόσο το διοξείδιο του αζώτου σε συνδυασμό με τα αιωρούμενα σωματίδια σκόνης της ατμόσφαιρα διακρίνεται ως ένα κόκκινο-καφέ στρώμα πάνω από πολλές αστικές περιοχές. Παράγονται κατά την ανάφλεξη των καυσίμων, δηλαδή κατά την καύση τους σε πολύ υψηλές θερμοκρασίες. Κατά συνέπεια πηγές έκλυσης οξειδίων του αζώτου είναι κυρίως τα αυτοκίνητα, οι σταθμοί παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας και γενικότερα οι βιομηχανίες. Ευθύνονται για τη μόλυνση της ατμόσφαιρας και με έμμεσους τρόπους, αφού όλα τα οξείδια του αζώτου είναι αέρια πολύ δραστικά και κάνουν εύκολα αντιδράσεις μέσα στην ατμόσφαιρα επηρεάζοντας τη χημεία της και κατά συνέπεια τη σύσταση της με τη δευτερογενή δημιουργία νέων ρύπων. Συνεισφέρουν έτσι στην δημιουργία του όζοντος, διαφόρων τοξικών ενώσεων στην ατμόσφαιρα, στη δημιουργία τοξικής βροχής με όλες τις συνέπειες στον υδροφόρο ορίζοντα, στην αύξηση των αιωρούμενων σωματιδίων της ατμόσφαιρας που μειώνουν την ορατότητά της. Τέλος ευθύνονται ως μία από τις βασικές συνιστώσες της αλλοίωσης τους κλίματος και του φαινομένου του θερμοκηπίου στον πλανήτη. Κύριο χαρακτηριστικό των οξειδίων του αζώτου και των παραγώγων τους ρύπων είναι ότι μεταφέρονται ακόμα και σε μεγάλες αποστάσεις ακολουθώντας την πορεία των ανέμων που επικρατούν στην περιοχή. Γεγονός που κάνει τις δυσμενείς επιπτώσεις τους να εμφανίζονται σε ευρύτερες περιοχές από την εστία παραγωγής τους. Όπως φαίνεται από τα παραπάνω οι επιπτώσεις τους στη σύνθεση της ατμόσφαιρας και κατά συνέπεια στη δημόσια υγεία είναι πολλαπλές. Ειδικά το διοξείδιο του αζώτου δημιουργεί αναπνευστικά προβλήματα. Έκθεση μικρής διάρκειας (π.χ. για λιγότερο από 3 ώρες) σε τρέχοντα επίπεδα NO 2, πιθανόν να οδηγήσει σε δυσλειτουργίες της αναπνευστικής ανταπόκρισης και αύξηση των ποσοστών εμφάνισης αναπνευστικών νόσων, όπως το παιδικό άσθμα. Παρατεταμένη έκθεση προκαλεί ευαισθησία του αναπνευστικού συστήματος και δύναται να οδηγήσει σε σοβαρές, μόνιμες αλλοιώσεις των πνευμόνων. Τελικά μπορούν να εξαχθούν τα ακόλουθα συμπεράσματα ως προς την παραγωγή των ΝΟx: Βενζινοκινητήρες 27

29 Υπάρχει μεγάλη εξάρτηση του χρονισμού της ανάφλεξης και της πίεσης στη πολλαπλή εισαγωγής για φτωχά μίγματα και μικρή εξάρτηση για πλούσια μίγματα. Ο σχηματισμός των ΝΟ Χ είναι μέγιστος για λίγο φτωχά μίγματα. Η εξάρτηση από την ταχύτητα της μηχανής δε μπορεί να περιγραφεί απλά. Παράγοντες που επιδρούν είναι η διάρκεια της καύσης και οι θερμικές απώλειες. Η αυξημένη θερμοκρασία του ψυκτικού μέσου ή η παρουσία εναποθέσεων μειώνουν τις θερμικές απώλειες και αυξάνουν τη παραγωγή των ΝΟ Χ. Μειώνεται η παραγωγή των ΝΟ Χ με την ανακυκλοφορία των καυσαερίων και ανάμιξη τους με τον εισαγόμενο αέρα ή με την παρουσία υγρασίας στον εισαγόμενο αέρα. Πετρελαιοκινητήρες Ισχύουν τα τελευταία τέσσερα συμπεράσματα μαζί με τα παρακάτω: Ο χρονισμός της έγχυσης επηρεάζει σημαντικά την παραγωγή των ΝΟ Χ. Η παραγωγή των ΝΟ Χ αυξάνει με το φορτίο για κινητήρες χωρίς προθάλαμο. Η παραγωγή των ΝΟ Χ είναι μέγιστη σε φορτίο λίγο μικρότερου του μεγίστου για κινητήρες με προθάλαμο. 1.3 Αρχή λειτουργίας του Celcat Το CELCAT είναι συσκευή για μηχανές εσωτερικής καύσης που εξοικονομεί καύσιμα μειώνοντας ταυτόχρονα του ρύπους. Το CELCAT είναι ουσιαστικά ένα δοχείο με οξείδια του Δημητρίου (DeO2) που τοποθετείται στο σύστημα εισαγωγής του αέρα σε οποιονδήποτε κινητήρα εσωτερικής καύσης. Το Δημήτριο είναι ένα υλικό που μοιάζει πολύ με την ψιλοτριμμένη ζάχαρη. Ουσιαστικά είναι ένα αβλαβές καταλυτικό υλικό για τον άνθρωπο και το περιβάλλον και επιτρέπεται να χρησιμοποιείται ακόμα και σε συσκευασίες τροφίμων. Χρησιμοποιείται επίσης στις τσακμακόπετρες, στη βιομηχανία χάλυβα και σε άλλες εφαρμογές. Σ ό,τι αφορά το δοχείο CELCAT, ο αέρας που περνά κατά την διαδικασία εισόδου του στον θάλαμο καύσης, μεταφέρει σωματίδια απ την πούδρα του οξειδίου 28

30 Δημητρίου και τα οδηγεί στο θάλαμο καύσης. Η ποσότητα του οξειδίου Δημητρίου που μεταφέρεται στο θάλαμο καύσης είναι ιδανικά υπολογισμένη, έτσι ώστε να προκαλέσει πληρέστερη καύση του καυσίμου, άρα καθαρότερη και αποδοτικότερη καύση. Εικόνα 1.1: Celcat Συγκεκριμένα το Δημήτριο απελευθερώνει περισσότερο οξυγόνο και ταυτόχρονα γίνεται η καύση σε χαμηλότερη θερμοκρασία (περίπου 425 βαθμούς Κελσίου), επιτρέποντας έτσι τις ψυχρότερες περιοχές του θαλάμου καύσης ν αναφλέγονται, ενώ κανονικά δεν θα μπορούσαν. Το αποτέλεσμα είναι πληρέστερη καύση και κατά συνέπεια οικονομία καυσίμου και μειωμένες εκπομπές ρυπαντών στο περιβάλλον. Πρόσθετα, το σύστημα CELCAT καθαρίζει σταδιακά το χώρο καύσης απ τα σκληρά κατάλοιπα του άνθρακα και λιπαίνει τα κινούμενα μέρη του κινητήρα, τις βαλβίδες και τα έδρανα. Χωρίς το Δημήτριο, μέσα σ' ένα θάλαμο καύσης η διαδικασία της καύσης «παγώνει» (σταματά) κοντά στα τοιχώματα του κυλίνδρου. Ο λόγος που παγώνει η καύση είναι η αρνητική επίδραση των τοιχωμάτων που έχουν χαμηλότερη θερμοκρασία στη θερμοκρασία της φλόγας. Σαν αποτέλεσμα δημιουργούνται κάποια λεπτά στρώματα απ το μίγμα κοντά στα τοιχώματα που δεν καίγονται κι έτσι δημιουργούνται οι άκαυστοι υδρογονάνθρακες. Υπάρχουν βέβαια και άλλοι μηχανισμοί δημιουργίας άκαυστων ΗC. Αυτοί παρασύρονται με τα καυσαέρια κι εξάγονται στο περιβάλλον κατά τη φάση της εξαγωγής των καυσαερίων. Η παρουσία όμως του Δημητρίου, ύστερα από μετρήσεις που έγιναν στο Πανεπιστήμιο της Βασιλείας στην Ελβετία συμβάλλει: 29

31 Στη μείωση καρά 20% περίπου της θερμοκρασίας του μίγματος κατά την καύση. Π.χ. σε έναν πετρελαιοκινητήρα με λόγο συμπίεσης από 17 ως 24 : 1 η θερμοκρασία αυτανάφλεξης του μίγματος φτάνει στους 700 C ως 900 C. Η παρουσία του Δημητρίου προκαλεί τη μείωση της θερμοκρασίας αυτανάφλεξης στους 560 C ως 720 ο C. Άλλες μετρήσεις που έγιναν σε μίγμα βενζίνης και αέρα απέδειξαν ότι η θερμοκρασία ανάφλεξης μειώθηκε στους 425 C. Η μειωμένη αυτή θερμοκρασία ανάφλεξης σε μίγμα βενζίνης/αέρα ή αυτανάφλεξης σε μίγμα πετρελαίου/αέρα επιτρέπει την καύση μεγαλύτερης ποσότητας της μάζας του μίγματος, επομένως η ποσότητα των άκαυστων υδρογονανθράκων μειώνεται. Οι καλύτερες συνθήκες καύσης μέσα στον κύλινδρο επιτρέπουν πληρέστερη καύση και των άλλων καυσαερίων, όπως του CO, άρα και μείωσή τους. Επίσης οι ρύποι ΝΟ Χ μειώνονται γιατί η μείωση της θερμοκρασίας δεν ευνοεί την παραγωγή τους. Η επίτευξη καλύτερης και πληρέστερης καύσης προκαλεί και τη μείωση της απαιτούμενης ποσότητας βενζίνης ή πετρελαίου, άρα έχουμε οικονομία καυσίμου. Επίσης, αυξάνεται και η ισχύς λόγω της καλύτερης καύσης. Μετρήσεις στο τμήμα Μηχανολόγων του Α.Π.Θ. απ τους καθηγητές Κ. Πάττα, Ν. Κυριακή και Ζ. Σαμαρά έδειξαν ότι η παρουσία του Δημητρίου αυξάνει την αντικρουστικότητα της αμόλυβδης βενζίνης, μειώνοντας τις απαιτήσεις του κινητήρα σε οκτάνια. Είναι προφανές ότι η χρήση του Δημητρίου, εφ' όσον βελτιώνει την καύση και μειώνονται οι ποσότητες ρύπων, θα επιμηκύνει και τον ωφέλιμο χρόνο ζωής ενός καταλυτικού μετατροπέα στα καταλυτικά αυτοκίνητα. Ο λόγος είναι ότι ο καταλυτικός μετατροπέας θα χειρίζεται τις μισές περίπου ποσότητες καυσαερίων. Απ την πληθώρα μετρήσεων από διεθνείς οργανισμούς θ αναφερθούμε στη μέτρηση που έγινε στο εργαστήριο Air Care Testing Facilities που ανήκει στο τμήμα οχημάτων του Υπουργείου Μεταφορών στη Βρετανική Κολομβία του Καναδά. Στις 24 Σεπτεμβρίου 1996 μετρήθηκε ένα 1991 GMC όχημα του κρατικού ταχυδρομείου του Καναδά με 4,3 λίτρα κινητήρα injection. To καύσιμο ήταν αμόλυβδη βενζίνη. Μετρήθηκαν οι ρύποι των HC, CO και ΝΟ Χ χωρίς την παρουσία του Δημητρίου. Μετά από οδήγημα 1800 χλμ. ξαναμετρήθηκαν οι ρύποι. Οι μετρήσεις έγιναν με φορτίο και στο ρελαντί. Ακολουθούν τα αποτελέσματα των μετρήσεων στον πίνακα 1.1: 30

32 HC HC CO CO ΝΟ Χ Με φορτίο Ρελαντί Με φορτίο Ρελαντί Με φορτίο Χωρίς Δημήτριο 81,00 74,00 0,22 0,13 156,00 Με Δημήτριο (Celcat AP-20) 60,00 50,00 0,10 0,09 78,00 Μείωση ρύπων -25,93% -32,43% -54,55% -30,77% -50,00 Πίνακας 1.1: Μετρήσεις ρύπων HC, CO, NOx 1.4 Ρύποι που εκπέμπονται στο περιβάλλον από το αυτοκίνητο. Οι συνολικές ετήσιες εκπομπές ρύπων στη χώρα μας από τις τρεις βασικές κατηγορίες πηγών δηλ. την κυκλοφορία, τη θέρμανση και τη βιομηχανία παρουσιάζονται στον πίνακα 1.2: Πηγές/ Ρύποι Αυτοκίνητο % Κεντρική θέρμανση Βιομηχανία Καπνός Σωματίδια 1 99 Διοξ. Θείου (SO 2 ) Οξειδ. Αζώτου Μονοξ. Άνθρακα (CO) 100 Υδρογονάνθρακες (HC) Πίνακας 1.2: Συνολικές εκπομπές ρύπων βάση των κύριων πηγών. Απ τον πίνακα 1.2 φαίνεται ότι η συμμετοχή των οχημάτων είναι ιδιαίτερα σημαντική σε τέσσερις απ τους έξι ρύπους. Μάλιστα σ έναν από τους ρύπους αυτούς, το μονοξείδιο του άνθρακα, η συμμετοχή της κυκλοφορίας φτάνει το 100%. 31

33 φείλονται: Τα στερεά σωματίδια που εκπέμπονται στο περιβάλλον απ το αυτοκίνητο ο- Στα καυσαέρια απ τη καύση που γίνεται στον κινητήρα. Στις αναθυμιάσεις απ το ρεζερβουάρ, την τροφοδοσία καυσίμου και το κάρτερ. Στην εξάτμιση των διαλυτών απ το χρώμα και την ταπετσαρία. Στη σκόνη που δημιουργείται απ την κίνηση του οχήματος. Στο σχεδιασμό του κινητήρα (δίχρονος ή τετράχρονος). Στη μηχανολογική κατάσταση του κινητήρα. Στα καύσιμα (απλή - σούπερ - αμόλυβδη) που χρησιμοποιεί. Στις φθορές των ελαστικών τροχών κατά τη διάρκεια της πέδησης ή κατά τη διάρκεια της εκκίνησης. Στις φθορές των τακακιών ή των φερμουίτ των λεωφορείων ή των φορτηγών. Εδώ πρέπει να σημειώσουμε ότι τα φερμουίτ πρέπει να είναι απαλλαγμένα αμιάντου, που αποδείχθηκε καρκινογόνος. Η ρύπανση όμως της ατμόσφαιρας που οφείλεται στο αυτοκίνητο επιτείνεται από δύο ακόμα παράγοντες. το πλάτος των δρόμων και τη στάθμευση σ αυτούς. Όταν λέμε πλάτος δρόμου εννοούμε το ωφέλιμο πλάτος του οδοστρώματος που προκύπτει από το γεωμετρικό του πλάτος όταν αφαιρεθούν τα πλάτη των λωρίδων στάθμευσης. Όπως είναι επόμενο, η στάθμευση των αυτοκινήτων στο δρόμο, μειώνει το πλάτος του δρόμου με αποτέλεσμα τα αυτοκίνητα που χρησιμοποιούν το δρόμο αυτό να ελαττώνουν την ταχύτητα τους και να χρησιμοποιούν όλο και περισσότερο τις μικρές ταχύτητες. Η χρήση όμως συνεχώς της 1 ης - 2 ης ταχύτητας, λόγω των δυσχερειών που προκαλεί στην ομαλή ροή της κυκλοφορίας η σμίκρυνση του πλάτους της οδού έχει σαν αποτέλεσμα την τοπική αύξηση της ατμοσφαιρικής ρύπανσης. Η διάχυση των ρύπων είναι ευκολότερη εκεί όπου η οδός είναι πλατύτερη. Βέβαια εξαρτάται και από άλλους παράγοντες, όπως: Απ τη διεύθυνση του ανέμου. Ευκολότερη διάχυση γίνεται όταν φυσά βόρειος άνεμος παρά νότιος. Απ την ταχύτητα του ανέμου. 32

34 Απ τη θερμοκρασία των καυσαερίων. Όσο μεγαλύτερη είναι η θερμοκρασία τους, τόσο μικρότερη είναι η πυκνότητά τους και άρα σαν ελαφρότερα του αέρα, τόσο πιο εύκολα ανέρχονται κατακόρυφα στην ατμόσφαιρα και διαχέονται. Απ το ύψος της εξάτμισης από το έδαφος. Όσο πιο ψηλά είναι η εξάτμιση τόσο ευκολότερα τα καυσαέρια διαχέονται στην ατμόσφαιρα. Έτσι για παράδειγμα, βλέπουμε σχεδόν όλα τα απορριμματοφόρα να έχουν την εξάτμιση τους ψηλότερα από την καμπίνα του οδηγού. Βέβαια η τοποθέτηση της εξάτμισης όσο το δυνατόν πιο ψηλά δεν λύνει το γενικότερο πρόβλημα, που είναι η ατμοσφαιρική ρύπανση. Τονίζουμε πως η τοποθέτηση της εξάτμισης όσο το δυνατόν ψηλότερα, βοηθά στην καλύτερη διάχυση των καυσαερίων και σε τίποτα άλλο. Τα καυσαέρια που παράγονται, εξακολουθούν να ρυπαίνουν το περιβάλλον, είτε βρίσκεται ψηλά η εξάτμιση, είτε χαμηλά. 1.5 Καυσαέρια από την καύση στη ΜΕΚ και επιβάρυνση του περιβάλλοντος ανά μετακινούμενο επιβάτη Η συνολική κατανάλωση καυσίμων κατά την κυκλοφορία των οχημάτων, σε χιλιάδες τόνους στην Ελλάδα τα τελευταία χρόνια παρουσιάζει την παρακάτω εικόνα, όπως φαίνεται στο πίνακα 1.3 : Καύσιμο Βενζίνη Ντήζελ Πίνακας 1.3: Συνολική κατανάλωση καυσίμων των τελευταίων ετών Με βάση τα στατιστικά στοιχεία της συνολικής κατανάλωσης καυσίμου του παραπάνω πίνακα και με χρήση μέσων συντελεστών εκπομπής για κάθε κατηγορία καυσίμου και ρυπαντικού, υπολογίστηκαν στον παρακάτω πίνακα 1.4 οι συνολικές ποσότητες των ρυπαντικών που παρήχθησαν στη διάρκεια του έτους 1995 απ τα οχήματα στην Ελλάδα: 33

35 Πηγή Κατανάλωση Διοξ. Σωματίδια Οξείδια Μονοξείδιο Υδρογο- Θείου (tn) αζώτου CO (tn) νάνθρακες Καυσίμων SO 2 NO X HC (tn) (tn) (tn) Βενζινοκίνητα οχήματα Ντιζελοκίνητα οχήματα Σύνολο Πίνακας 1.4: Συνολικές ποσότητες ρύπων κατά το έτος 1995 σε τόνους. Αθροίζοντας τους επιμέρους ρυπαντές του παραπάνω πίνακα καταλήγουμε στο συμπέρασμα ότι το έτος 1995 παράχθηκαν συνολικά απ τα οχήματα της Ελλάδας περίπου τόνοι ρυπαντικών, με τεράστια φυσικά επίπτωση στο περιβάλλον. Όπως φαίνεται επίσης απ τον πίνακα 1.4 τα βενζινοκίνητα οχήματα υπερτερούν κατά πολύ στην εκπομπή του μονοξειδίου του άνθρακα και των υδρογονανθράκων, ενώ τα πετρελαιοκίνητα στην εκπομπή διοξειδίου του θείου και οξειδίων του αζώτου. Προκειμένου να βρούμε τα ποσοστά συμμετοχής των διάφορων κατηγοριών οχημάτων στην εκπομπή ρυπαντικών που προέρχονται απ την κυκλοφορία στο κέντρο μιας πόλης πρέπει να γνωρίζουμε δύο παράγοντες: Το ποσοστό % της σύνθεσης των οχημάτων Την αντιστοιχία τους σε ισοδύναμα επιβατικά. Έτσι για το κέντρο της Αθήνας τα στοιχεία αυτά έχουν ως εξής (πίνακας 1.5): Κατηγορία οχημά- Σύνθεση % Αντιστοιχία σε ισοδύ- Χ- % στο σύνολο των ναμα επιβατικά των ισοδύναμων Επιβατηγά Ταξί

36 Λεωφορεία Φορτηγά 0,4 2 2 Μοτοσικλέτες 0,6 - - Σύνολο Πίνακας 1.5 : Αντιστοιχία σε ισοδύναμα επιβατικά. Απ τον παραπάνω πίνακα 1.5 βλέπουμε π.χ. ότι 5 λεωφορεία αντιστοιχούν με 20 επιβατηγά ή 1 λεωφορείο με 4 επιβατηγά. Απ την κίνηση μιας κατηγορίας οχημάτων παράγεται ρύπανση ίση με Π % = Χ/ β/α για βενζινοκίνητα και Π% = Χ/81 α/β + 19 για πετρελαιοκίνητα. Όπου Χ το ποσοστό της κατηγορίας αυτής στο σύνολο των ισοδύναμων αυτοκινήτων και α,β οι συντελεστές εκπομπής σε gr/lt καυσίμου. Οι συντελεστές α, β δίνονται απ τον παρακάτω πίνακα 1.6. Δευτερογενείς ρυπαντές Καύσιμο Συντελ. SΟ 2 ΝΟ Χ CO HC (Σωματίδια-σκόνη - καπνός) Βενζίνη Α 3,00 13, ,7 1,4 Πετρέλαιο Β 11,75 26,6 7,2 16,3 13,1 Πίνακας 1.6: Ποσοστιαία σύσταση ρύπων ανά lt καυσίμου Έτσι π.χ. από βενζινοκίνητα οχήματα η ρύπανση που παράγεται στο κέντρο της Αθήνας (σε % ποσοστό της ολικής ρύπανσης) και οφείλεται σε SO 2, θα είναι: Χ=47 από τον προηγούμενο πίνακα (α) Για SO2 απ τον πίνακα (β) έχουμε α= 3, β =11,75 άρα: Π%= Χ/ β/α = 47/ *11,75/3= 0,3 ή 30% 35

37 Αυτό σημαίνει πως το SO2 προερχόμενο απ τα επιβατηγά αυτοκίνητα συμμετέχει κατά 30% στη ρύπανση στο κέντρο της Αθήνας Επιβάρυνση του περιβάλλοντος ανά μετακινούμενο επιβάτη Με τον όρο «Επιβάρυνση του περιβάλλοντος ανά μετακινούμενο επιβάτη» εννοούμε την ποσότητα των ρύπων που παράγονται για τη μετακίνηση ενός επιβάτη σε απόσταση ενός χιλιομέτρου από κάποιο μεταφορικό μέσο. Το μέγεθος αυτό είναι καταπληκτικό όπως εύκολα διαπιστώνει κανείς απ τον παρακάτω πίνακα (1.7): Κατηγορία ο- χήματος Μονοξείδιο του άνθρακα CO (g/km) Εκπομπές ανά μεταφερόμενο επιβάτη Υδρογονάνθρακες HC (g/km) Οξείδια του αζώτου ΝΟ Χ (g/km) (καπνός) Σωματίδια (g/km) Βενζινοκίνητα 30,7 2,7 1 0 Δίκυκλα 15,3 2,4 0,3 0 Ταξί A. LPG Β. DIESEL 8,8 1,0 2,7 1,3 1,4 0,5 0 0,2 Αστικά και τουριστικά λεωφορεία 0,8 0,2 0,4 0,1 Πίνακας 1.7.: Επιβάρυνση του περιβάλλοντος ανά επιβάτη Έτσι αν κάποιος επιβάτης κινείται με το βενζινοκίνητο ιδιωτικό του αυτοκίνητο για παράδειγμα, επιβαρύνει με 30,7 gr/km μονοξείδιο του άνθρακα (CO) το περιβάλλον, ενώ αντίθετα, αν κινείται με αστικό λεωφορείο επιβαρύνει το περιβάλλον μόνο με 0,8 gr/km μονοξείδιο του άνθρακα. Τα αποτελέσματα του προηγούμενου πίνακα θα μπορούσαν να χαρακτηριστούν σαν συγκλονιστικά, απ την άποψη ότι δείχνουν σε όλο το μέγεθός του το πρόβλημα των ιδιωτικής χρήσης βενζινοκίνητων οχημάτων και τη διαφορά τους από τα μαζικά μέσα μεταφοράς. Ο επιβάτης που κινείται με ιδιωτικής χρήσης αυτοκίνητο 36

38 παράγει σήμερα τις μεγαλύτερες ποσότητες σε όλους τους ρύπους, μ εξαίρεση τον καπνό και μάλιστα πολλαπλάσιες απ τις ποσότητες που παράγει ο επιβάτης που κινείται με τα δημόσια μέσα μεταφοράς. Ο επιβάτης που κινείται με δίκυκλα ή ταξί συμμετέχει λιγότερο αλλά επίσης ενεργά στην παραγωγή μονοξειδίου του άνθρακα (CO), υδρογονανθράκων (HC) και οξειδίων του αζώτου (ΝΟ Χ ). Ειδικά ο επιβάτης που κινείται με πετρελαιοκίνητα (DIESEL) ταξί συμμετέχει στην παραγωγή καπνού και μάλιστα σε ποσότητες διπλάσιες απ αυτές με τις οποίες θα συμμετείχε αν χρησιμοποιούσε τα αστικά λεωφορεία. Σαν συμπέρασμα μπορούμε να πούμε ότι ο επιβάτης που μετακινείται με ιδιωτικής χρήσης βενζινοκίνητο αυτοκίνητο δημιουργεί την μεγαλύτερη επιβάρυνση στο περιβάλλον για δύο κυρίως λόγους: Έχει το μεγαλύτερο συναλλαγματικό κόστος μετακίνησης και Είναι υπεύθυνος για την παραγωγή του μεγαλύτερου μέρους της ατμοσφαιρικής ρύπανσης. 1.6 Ηχορύπανση (μια άλλη μορφή ρύπανσης) Όπως είναι γνωστό από τη φυσική ο ήχος είναι το αίτιο που ερεθίζει το αισθητήριο της ακοής και μας κάνει ν ακούμε. Ήχους μπορούν να παράγουν σχεδόν όλα τα σώματα. Τα σώματα αυτά τα λέμε ηχητικές πηγές ή ηχογόνα. Ο ήχος παράγεται απ τις παλμικές κινήσεις των σωμάτων και σταματά όταν σταματήσουν οι παλμικές κινήσεις. Ο ήχος διαδίδεται μέσα απ τα στερεά, τα υγρά και τα αέρια σώματα. Μάλιστα, στα υγρά διαδίδεται καλύτερα από ό,τι στον αέρα και στα στερεά διαδίδεται καλύτερα απ' ότι στα υγρά και στον αέρα. Αντίθετα ο ήχος δεν διαδίδεται στο κενό. Το ανθρώπινο αυτί μπορεί να συλλάβει ήχους που έχουν συχνότητα μεταξύ 16 και παλμούς ανά δευτερόλεπτο. Διαταραχές δηλαδή με συχνότητα μικρότερη των 16 (υπόηχοι) ή μεγαλύτερη των (υπέρηχοι) παλμών που προσβάλλουν το όργανο της ακοής, δεν προκαλούν κανένα αίσθημα ήχου. 37

39 Στο ευρύ πεδίο των επικοινωνιών, το αυτοκίνητο ανταποκρίνεται σε μια βασική ανάγκη της σύγχρονης κοινωνίας. Υπάρχει, όμως, και η αρνητική πλευρά, που την εκπροσωπούν πολυάριθμα γεγονότα που υποχρεώνουν τους κατασκευαστές ν αναζητούν ένα συμβιβασμό ανάμεσα σε διάφορες απαιτήσεις όπως ασφάλεια, αξιοπιστία, οικονομία, άνεση, δυνατότητα μεταφοράς φορτίων, εκπομπές ρύπων, εξωτερικός κι εσωτερικός θόρυβος. Στο κεφάλαιο αυτό θα ασχοληθούμε με το θόρυβο, που τόσο επηρεάζει τη σωματική και ψυχολογική άνεση τόσο των επιβαινόντων, όσο και των πεζών ή περιοίκων. Επιστημονικά πειράματα που έγιναν σε άτομα διαφόρων ηλικιών, έχουν αποδείξει ότι ο ανθρώπινος οργανισμός αντέχει ακόμη και για μεγάλα χρονικά διαστήματα θόρυβο 50dB (ντεσιμπέλ) χωρίς κανένα πρόβλημα. Οι πρώτες αισθήσεις ενόχλησης γίνονται αντιληπτές αμέσως μόλις ξεπεραστεί αυτό το όριο και μετά τα 90dB η ενόχληση μετατρέπεται σε αίσθηση πόνου που μεγαλώνει ώσπου να μετατραπεί σε καθ' εαυτό σωματικό πόνο μετά τα 130dB. Το εσωτερικό ενός αυτοκινήτου απέχει πολύ απ αυτά τα μεγέθη, χάρη στις προσπάθειες των κατασκευαστών να περιορίσουν το θόρυβο και να καταστήσουν έτσι το αυτοκίνητο πιο άνετο Το αυτοκίνητο ως σύστημα που παράγει θορύβους Στο αυτοκίνητο υπάρχουν οι εξής πηγές θορύβου: ο κινητήρας και τα αξεσουάρ, οι οπές εισαγωγής κι εξαγωγής, η κύλιση των ελαστικών, η κυκλοφορία του αέρα. Κάθε μια απ τις πηγές αυτές μπορεί ν αναλυθεί σε στοιχειώδεις και δευτερεύουσες πηγές. Αυτό ισχύει κυρίως με το συγκρότημα του κινητήρα. Έχουν γίνει και συνεχίζονται πολλά υποσχόμενες εργασίες πάνω στους κινητήρες, καθώς το στοιχείο αυτό αντιμετωπίζεται ως πηγή θορύβου ήδη απ το στάδιο του σχεδιασμού, οπότε γίνεται προσπάθεια να σχεδιαστούν καλά ισορροπημένοι κινητήρες, επιφάνειες χαμηλής εκπομπής, δηλαδή με λίγους κραδασμούς, σφικτές συζεύξεις, αναρτήσεις μαλακές και με καλή απόσβεση καθώς και αντηχήσεις περιορισμένες τόσο σε αριθμό όσο και σ εύρος. 38

40 Ο θόρυβος των οπών εισαγωγής κι εξαγωγής μπορεί να μειωθεί αποτελεσματικά αν είναι διαθέσιμος αρκετός όγκος για σιγαστήρες. Αντίθετα, μειώνεται δυσκολότερα ο θόρυβος που οφείλεται στην κύλιση των ελαστικών χωρίς να υποβαθμιστεί η λειτουργικότητά τους. Ο θόρυβος που οφείλεται στο στροβιλισμό του αέρα μπορεί να περιοριστεί με φροντίδα σε κατασκευαστικές λεπτομέρειες του αμαξώματος. Στο εσωτερικό μια καλή κατανομή των θυρίδων εξόδου του συστήματος αερισμού και θέρμανσης, περιορίζει το χαρακτηριστικό βόμβο που προκαλούν οι ηλεκτρικοί ανεμιστήρες και καθιστά πιο άνετη τη μετακίνηση Μελέτη του προβλήματος της ηχορύπανσης από το αυτοκίνητο και τεχνικές ελάττωσής της. Το 1963, στο Λονδίνο, είχε συσταθεί μια επιτροπή, η επιτροπή Wilson, όπως λεγόταν, για να μελετήσει το πρόβλημα της ηχορύπανσης. Η επιτροπή αυτή κατέληξε στο συμπέρασμα ότι η κυκλοφορία στους δρόμους είναι η επικρατέστερη πηγή όχλησης και καμιά άλλη πηγή δεν είναι συγκριτικά ισότιμη μ αυτή. Σήμερα, ο θόρυβος της κυκλοφορίας εξακολουθεί ν αυξάνεται σε επίπεδα και να επεκτείνεται σε προηγουμένως ήσυχες περιοχές. Αυτό οφείλεται στην αύξηση των αυτοκινήτων, στη μετάβαση των ανθρώπων με τα αυτοκίνητα τους στην ύπαιθρο για ψυχαγωγία και διακοπές, στην αυξανόμενη χρήση μοτοσικλετών και μοτοποδηλάτων κλπ. Υπολογίζεται πως αν ένας μοτοσικλετιστής περάσει από μια πυκνοκατοικημένη οδό μιας μεγαλούπολης στις 03:00 π.μ., ξυπνά περίπου ανθρώπους. Από έρευνα σχετικά με την ηχορύπανση που προκαλούν οι μοτοσικλέτες και τα μοτοποδήλατα, αποδείχτηκε ότι το 23% προκαλούν θόρυβο απ τον κινητήρα που φτάνει περίπου τα 95 db, το 25% προκαλούν θόρυβο απ την εξάτμιση που φτάνει τα 88 db κλπ. Επίσης, το 23% των αυτοκινήτων ιδιωτικής χρήσης προκαλούν θορύβους που φτάνουν τα 90 db περίπου. Έτσι για τον έλεγχο της ηχορύπανσης το πιο πρόσφορο μέσο είναι ο έλεγχος στη πηγή. Σε πολλές όμως περιπτώσεις μπορεί να είναι πολύ δαπανηρός ή ανέφικτος. Η πρόοδος όμως της τεχνολογίας επιτρέπει πολλές φορές την ανάπτυξη πιο αθόρυβων μηχανημάτων και μεθόδων παραγωγής, η οποία όμως εξαρτάται ουσια- 39

41 στικά από οικονομικούς παράγοντες και την υπάρχουσα νομοθεσία. Η όλο και περισσότερο αυστηρή νομοθεσία σχετικά με την προστασία του περιβάλλοντος και των εργαζομένων θα δημιουργήσει τελικά την ανάγκη για έρευνα και σχεδιασμό βελτιωμένων μηχανών. Επίσης, μπορούν να παρθούν και διάφορα άλλα τεχνικά μέτρα, τα οποία ποικίλλουν ανάλογα με το είδος της ηχορύπανσης, που βασικά διακρίνεται σε: δόνηση, κρούση, παλινδρομική κίνηση, τριβή, στροβιλισμό και ροή αερίου. Ενδεικτικά αναφέρουμε τη χρήση αντιδονητικού υλικού σε μεταλλικούς αγωγούς ή δονούμενα πλαίσια κινητήρων και τη τοποθέτηση των μηχανημάτων σε κατάλληλες ελαστικές βάσεις για την απόσβεση των δονήσεων, καθώς και την επένδυση των αγωγών με απορροφητικό υλικό και τη μελετημένη τοποθέτηση της εξόδου τους για τη μείωση του θορύβου που δημιουργείται από τη ροή των αερίων. Πέρα όμως απ' αυτά, οι στρατηγικές μείωσης της ηχορύπανσης και τελικά ο έλεγχος της είναι συνοπτικά οι παρακάτω: Αντικατάσταση των θορυβωδών στοιχείων των μηχανών. Το πλεονέκτημα αυτής της μεθόδου είναι ότι το κόστος ελέγχου της ηχορύπανσης μεταφέρεται άμεσα σ αυτούς που ευθύνονται για την πρόκληση του θορύβου και αυτούς που με οποιοδήποτε τρόπο χρησιμοποιούν ή ωφελούνται απ τη λειτουργία των κινητήρων αυτών. Μόνωση της πηγής του θορύβου. Είναι αποτελεσματικός τρόπος, που όμως συχνά καταλήγει σε δυσάρεστα αποτελέσματα από αισθητικής πλευράς. Μείωση της διάδοσης του θορύβου. Ένας τρόπος είναι η τοποθέτηση φραγμάτων μεταξύ πηγής και αποδέκτη. Τέτοια φράγματα μπορεί να είναι, για παράδειγμα, τα αναχώματα που είναι ιδιαίτερα αποτελεσματικά αν καλυφθούν από δένδρα και γενικά από βλάστηση. Μόνωση του αποδέκτη. Αυτό μπορεί να γίνει με τη χρήση ηχομονωτικών υλικών. Το μειονέκτημα της μεθόδου είναι ότι το κόστος μεταφέρεται μάλλον σε αυτούς που ενοχλούνται παρά σε αυτούς που δημιουργούν το πρόβλημα Τα μέσα μετάδοσης και αντίληψη 40

42 Τα μέσα μετάδοσης του θορύβου είναι διαφορετικά για τον επιβάτη και για τον πεζό. Για τον επιβάτη, η μετάδοση χωρίζεται σε δυο μέρη: συμβατικά ως πρώτο μέρος αντιμετωπίζεται η μετάδοση μέσω στερεών και αέρα, απ τις πηγές θορύβου ως το θάλαμο επιβατών. Το δεύτερο μέρος, είναι το τμήμα απ την επιφάνεια του θαλάμου επιβατών ως τα αισθητήρια όργανα του επιβάτη. Ο πεζός, αντίθετα, βρίσκεται στο εξωτερικό και αντιλαμβάνεται άμεσα το θόρυβο που προέρχεται απ τις λιγότερο ή περισσότερο μονωμένες πηγές. Στην περίπτωση αυτή όλη η μετάδοση γίνεται μέσω του αέρα. οι περισσότερες επεμβάσεις για τη μείωση του θορύβου γίνονται στα μέσα μετάδοσής του. Απλά ή διπλά διαχωριστικά τοιχώματα παρεμβάλλονται για την ηχομόνωση ή ως θωράκιση, ηχοαπορροφητικές επενδύσεις εφαρμόζονται στις επιφάνειες που περιβάλλουν μερικώς ή πλήρως τις πηγές θορύβου ή το θάλαμο επιβατών (μερικές φορές και τα δυο), για ν αποφευχθεί η αύξηση της ηχητικής πίεσης που οφείλεται στις πολλαπλές ανακλάσεις. Η μόνωση των κραδασμών επιτυγχάνεται προκαλώντας ασυνέχειες στα στοιχεία που μεταδίδουν την παλμική ενέργεια. Οι αντηχήσεις των πινάκων αποσβένονται ή μειώνεται το εύρος τους, με την εφαρμογή αποσβεστικών βαφών ή στοιχείων ή με τη δημιουργία επιφανειών από διπλό έλασμα, με την παρεμβολή λεπτών στρωμάτων κολλητικού υλικού. Ο άνθρωπος αντιλαμβάνεται τα ηχητικά και δονητικά ερεθίσματα με την ακοή, την όραση και την αφή. Όλες αυτές οι αισθήσεις λειτουργούν στην περίπτωση του χρήστη ενός αυτοκινήτου, ενώ για τον πεζό σημασία έχει μόνο η ακοή. Θα εξετάσουμε, πρώτα, το χρήστη ενός αυτοκινήτου. Τα ερεθίσματα που μπορούν να εξαλειφθούν πιο εύκολα είναι οι κραδασμοί που γίνονται αντιληπτοί με την όραση και θεωρητικά δεν θα έπρεπε να υπάρχουν στην πραγματικότητα. Υπάρχουν μερικοί και είναι αρκετά ενοχλητικοί οι ορατοί κραδασμοί. Για παράδειγμα, του μπροστινού καπό και του καθρέπτη ή του λεβιέ ταχυτήτων, θεωρούνται πολύ δυσάρεστοι και συμπτώματα μιας απρόσεκτης κατασκευής. Οι κραδασμοί που γίνονται αντιληπτοί με την αφή, όπως του τιμονιού, των πεντάλ, του δαπέδου και των χειρολαβών, δείχνουν ο καθένας διάφορες ανωμαλίες που ποικίλλουν απ την ελλιπή ασφάλεια (τιμόνι) ως την ανεπαρκή αντοχή (βλάβες). Δεν υπάρχει κανονισμός για τους κραδασμούς αυτούς. Πράγματι, η μέγιστη επιτρεπτή τιμή τους καθορίζεται, κατά κανόνα, με υποκειμενικές δοκιμές που εκτελούνται απ τους κατασκευαστές κι επιβεβαιώνονται έπειτα βάσει των αντιδράσεων 41

43 των πελατών. Αντίθετα έχει επιχειρηθεί η σύνταξη σχεδίων κανονισμού για τους κραδασμούς των καθισμάτων και το θόρυβο στο θάλαμο επιβατών. Για τον εξωτερικό θόρυβο υπάρχουν, αντίθετα, βασικοί κανονισμοί που αφορούν στον τρόπο μέτρησης και στα μέγιστα όρια ηχητικού επιπέδου, οι οποίοι πρέπει να εφαρμόζονται στα χρονικά πλαίσια που καθορίζουν διεθνείς νόμοι. Αυτά τα μέγιστα αποδεκτά όρια μειώνονται κάθε χρόνο. Έτσι, οι κατασκευαστές αναγκάζονται να καταβάλλουν έντονες προσπάθειες για να μην εισάγουν στην αγορά αυτοκίνητα εκτός κανονισμών. Ο κεντρικός άξονας των μεθόδων μέτρησης των θορύβων που μεταδίδονται στο εξωτερικό περιβάλλον (εξωτερικός θόρυβος) δεν είναι πάντα πολύ σαφής Υ- πάρχουν δυο αντιλήψεις: οι μεν θέλουν να μετρήσουν και να καθορίσουν ένα μέγιστο όριο στο θόρυβο που το αυτοκίνητο μπορεί να προκαλεί υπό τις βαρύτερες συνθήκες λειτουργίας, ενώ οι δε θα ήθελαν να γίνεται η μέτρηση σε συνθήκες μέσης λειτουργίας. Εκτός απ αυτή τη διαφωνία αυστηρά εξειδικευμένου και κανονιστικού χαρακτήρα, είναι γεγονός ότι τα τελευταία χρόνια οι κατασκευαστές αυτοκινήτων ευαισθητοποιήθηκαν ιδιαίτερα γύρω απ το πρόβλημα της μείωσης τόσο του εσωτερικού όσο και του εξωτερικού θορύβου Μελέτες για την αντιμετώπιση της ηχορύπανσης Σκοπός μιας μελέτης του εξωτερικού θορύβου ενός αυτοκινήτου, είναι η διαπίστωση των κατευθύνσεων και των μέσων που πρέπει να εφαρμοσθούν για τον περιορισμό του ηχητικού επιπέδου ενός συγκεκριμένου οχήματος σε τιμές που καθορίζονται απ τις σημερινές ή μελλοντικές ρυθμίσεις, κάτι που μεταφράζεται σε μείωση, κατά κάποιο ποσοστό, της αρχικής ακουστικής έντασης. Οι εργασίες που πρέπει να γίνουν στα πλαίσια αυτά έχουν μια ακριβή χρονολογική σειρά, καθώς πρέπει: να διαπιστωθούν οι διάφορες πηγές, να καθοριστεί η επίδραση της κάθε μιας και να μελετηθούν οι καταλληλότεροι τρόποι για τη μείωση του ηχητικού επιπέδου. Για τη διαπίστωση των πηγών θορύβου, χρησιμοποιείται κατά προτίμηση η λεγόμενη αφαιρετική μέθοδος: μονώνονται ταυτόχρονα όλες οι πηγές (κορμός, κιβώτιο ταχυτήτων, κάρτερ, αλτερνέιτορ κλπ.) κι έπειτα, για να καθοριστεί η ένταση της κάθε μιας, αφαιρούνται ένα-ένα τα στοιχεία πειραματικής επένδυσης που είχαν ε- 42

44 φαρμοστεί (περιβλήματα από ηχοαπορροφητικό υλικό). Για να μονωθούν οι πηγές και να εφαρμοστεί έπειτα η αφαιρετική μέθοδος χρησιμοποιούνται τα ακόλουθα μέσα: εξάλειψη της πηγής (όταν αυτό είναι δυνατόν) περιβολή ή μόνωση κατά του θορύβου που μεταδίδεται με τον αέρα. μηχανική ή αντικραδασμική μόνωση κατά των θορύβων που μεταδίδονται μέσω στερεών. εγκατάσταση πειραματικών σιγαστήρων εξατμίσεων Μελέτη πάνω σε οχήματα Για τη μελέτη του θορύβου στο πλήρες όχημα, αυτό πρέπει να τεθεί σε λειτουργία σ' ένα περιβάλλον, όπου η μέτρηση δεν θα επηρεάζεται από θορύβους διαφορετικής φύσης ή ανακλάσεις ήχου σε τοιχώματα και εμπόδια. Για το σκοπό αυτό, το όχημα τίθεται σε λειτουργία πάνω σε δυναμομετρικούς κυλίνδρους, τοποθετημένους σε ειδικούς αντίστοιχους θαλάμους (χωρίς ηχώ), που τα τοιχώματά τους καλύπτονται με ιδιαίτερα απορροφητικό υλικό (κώνοι υαλοβάμβακα). Ο κινητήρας μπορεί να είναι τελείως περίκλειστος. Όμως, η μέθοδος αυτή είναι πολύ δύσκολο να εφαρμοσθεί πάνω στο αυτοκίνητο, γι' αυτό συχνά προτιμάται η μελέτη του θορύβου του κινητήρα και των μερών του στην αίθουσα δυναμομέτρησης Μελέτη πάνω σε κινητήρες Έχει σημασία η ακουστική συμπεριφορά των κινητήρων να μελετάται υπό διάφορες συνθήκες φορτίου. Για το σκοπό αυτό, χρειάζεται μεγάλη φροντίδα για να περιοριστεί ο θόρυβος απ τη μηχανική μετάδοση της διάταξης πέδησης και ψύξης του κινητήρα, ώστε να επηρεάζουν κατά το δυνατό λιγότερο το ακουστικό πεδίο. 43

45 Οι θάλαμοι που προορίζονται για τη μελέτη των κινητήρων μπορούν να είναι είτε ηχοαπορροφητικοί είτε ηχοανακλαστικοί, δηλαδή με τοιχώματα λειασμένα και ανακλαστικά (κεραμικά πλακάκια). Σ' έναν ηχοαπορροφητικό θάλαμο, γίνεται προσπάθεια για τη μεγαλύτερη δυνατή προσέγγιση των συνθηκών εξάπλωσης που υπάρχουν σ ελεύθερο χώρο (δηλαδή στην ύπαιθρο, σ' έναν ευρύ χώρο χωρίς ανακλαστικά εμπόδια). Η μέθοδος αυτή έχει το κύριο πλεονέκτημα ότι μπορεί να καθορίσει την κατεύθυνση των πηγών υπό μελέτη, αλλά και το μειονέκτημα ότι απαιτεί ένα μεγάλο αριθμό σημείων μικροφωνικής μέτρησης για να καθοριστεί με ακρίβεια η συνολική εκπεμπόμενη ακουστική ισχύς. Σ' έναν ανακλαστικό θάλαμο, αντίθετα, επιδιώκεται η δημιουργία του πιο εκτεταμένου ακουστικού πεδίου, ώστε η εκπεμπόμενη ακουστική ισχύς να μπορεί να καθοριστεί απλά και γρήγορα, με λίγα μικροφωνικά σημεία μέτρησης. Με αυτή τη μέθοδο όμως, δεν μπορεί να μελετηθεί η κατεύθυνση των πηγών. Ο περικλεισμός του κινητήρα, για τον οποίο έχουμε ήδη μιλήσει, αποδεικνύεται πολύ χρήσιμος στη μελέτη της ακουστικής εκπομπής των κινητήρων. Όταν εφαρμόζεται, πρέπει να εξαλειφθεί ο θόρυβος της εξάτμισης, της εισαγωγής αέρα(φίλτρο αέρα), καθώς και των βοηθητικών διατάξεων, όπως η φτερωτή και το αλτερνέιτορ, που πρέπει να μετρούνται χωριστά. Τα τελευταία χρόνια, πολλές αυτοκινητοβιομηχανίες έχουν περικλείσει κυρίως κινητήρες ντίζελ, που είναι πολύ πιο θορυβώδεις απ τους βενζινοκινητήρες Μέθοδοι μέτρησης Όταν πρέπει να μελετηθεί ένας κινητήρας, καθορίζεται κατά κανόνα πρώτα η συμμετοχή κάθε στοιχειώδους πηγής στη συνολική εκπεμπόμενη ισχύ, κάτι που επιτρέπει, στη συνέχεια, την κατάταξη των πηγών κατά σειρά σημασίας. Για να γίνει αυτό, η ακουστική ένταση μετράται σε τουλάχιστον δεκατέσσερα σημεία που βρίσκονται σε μια νοητή σφαίρα με κέντρο τον κινητήρα, αν πρόκειται για μετρήσεις που γίνονται σε ηχοαπορροφητικό θάλαμο και σε τουλάχιστον τέσσερα σημεία του ανακλώμενου πεδίου, αν πρόκειται για μετρήσεις σε θάλαμο ανάκλασης. Οι μετρήσεις γίνονται αποκαλύπτοντας κάθε φορά τις πηγές εκπομπής και ηχογραφώντας σε μαγνητοταινία το αντίστοιχο ηχητικό επίπεδο, για να αναλυθούν 44

46 στη συνέχεια τα διάφορα σήματα ως προς τη συχνότητά τους. Μπορούν έτσι να καταστρωθούν γραφήματα που παριστούν το ηχητικό επίπεδο των διαφόρων πηγών ανάλογα με τη συχνότητα και την αποτελεσματικότητα των ηχομονωτικών που χρησιμοποιούνται. Με την αφαιρετική μέθοδο μπορούν να μετρηθούν, με τη σειρά, οι θόρυβοι του κινητήρα με κλειστό καπό, του κελύφους, του συμπλέκτη, του κάρτερ λαδιού, του καπακιού του μηχανισμού κίνησης των βαλβίδων και, τέλος, του κινητήρα τελείως ελεύθερου Στάθμη θορύβου στα αυτοκίνητα (κλίμακα Decibel) Επειδή η πίεση των ηχητικών, κυμάτων που επιδρούν στο ανθρώπινο αυτί κυμαίνεται σε ένα πολύ μεγάλο πεδίο, η πίεση αυτή εκφράζεται από μια λογαριθμική συνάρτηση του λόγου p/p o όπου p o είναι μια πίεση αναφοράς: Ηχητική στάθμη Lp = 20 log p/p o σε db. Η ηχητική στάθμη είναι ένα αδιάστατο φυσικό μέγεθος. Μονάδα μέτρησης της είναι το Ντεσιμπέλ από το όνομα του Graham Bell ( ). Η κλίμακα Ντεσιμπέλ εκτείνεται λοιπόν από το κατώφλι ακουστικότητας Lp = Ο μέχρι του ορίου του πόνου που είναι Lp=120dB. Στο παρακάτω πίνακα 1.8 δίνουμε την ηχητική στάθμη, δηλαδή τα ντεσιμπέλ (db) που παράγουν μερικές ηχητικές πηγές, για να σχηματίσουμε μια πιο ολοκληρωμένη άποψη για το ευρύ φάσμα των θορύβων και τα ηχητικά του αποτελέσματα: Ηχητική πηγή Ηχητική στάθμη (db) Μόλις αρχίζει να διεγείρεται η ακοή 0 Ήχος που μόλις ακούγεται 10 Ελαφρό θρόισμα φύλλων Ψίθυρος Ήσυχες κατοικίες Σιγανή ομιλία, ήσυχο γραφείο Γραφομηχανή, κανονική συνομιλία

47 Ηλεκτρική σκούπα Γραφείο με πολύ θόρυβο, κατάστημα Κουδούνι τηλεφώνου Κουπέ σιδηροδρομικού βαγονιού Δρόμος μεγάλης κυκλοφορίας Υπόγειος σιδηρόδρομος, αυτοκίνητο Δυνατή φωνή, κραυγή Φορτηγό αυτοκίνητο, μηχανουργείο Υφαντήριο, ταχεία αμαξοστοιχία Λεβητοποιείο, δυνατή βροντή Αεροπλάνο Αεροπλάνο αεριωθούμενο Πίνακας 1.8: Παραγόμενη ηχητική στάθμη από ηχητικές πηγές Προδιαγραφές Τα επιτρεπόμενα ανώτατα όρια στάθμης θορύβου για κάθε κατηγορία νέων αυτοκινήτων, μοτοσικλετών και μοτοποδηλάτων είναι τα εξής: Μοτοποδήλατα μέχρι 50 cc 80 db Μοτοσικλέτα μέχρι 125 cc 82 db Μοτοσικλέτα μεταξύ 125 και 350 cc 84 db Μοτοσικλέτα μεταξύ 350 και 500 cc 85 db Μοτοσικλέτα πάνω των 500 cc 86 db Τρίτροχο μοτοποδήλατο μέχρι 50 cc 86 db Τρίτροχη μοτοσικλέτα πάνω από 50 cc 86 Db Αυτοκίνητα επιβατικά 80 db Φορτηγά ή λεωφορεία με μέγιστο επιτρεπόμενο βάρος μέχρι kg 81dB, με μέγιστο επιτρεπόμενο βάρος πάνω από kg 86 db Λεωφορεία με κινητήρα ισχύος ίσης ή μεγαλύτερης των 200 HP 85 db Φορτηγά με κινητήρα ισχύος ίσης ή μεγαλύτερης των 200 HP 88 db. 46

48 Τα παραπάνω στοιχεία ισχύουν για νέα οχήματα. Τα κυκλοφορούντα οχήματα επιτρέπεται να υπερβαίνουν τις τιμές αυτές κατά 5 db. Ειδικά για νέα οχήματα η Ε.Ε. προτείνει ως μέγιστα όρια θορύβου τα παρακάτω: Κατηγορία οχήματος Μέγιστα επιτρεπόμενα θορύβου db όρια Μέχρι και 50 cc 80 Από cc 82 Από cc 84 Από cc 85 Πάνω από 500 cc 86 Πίνακας 1.9.: Μέγιστα όρια θορύβου για νέα οχήματα 1.8. Συνέπειες Ηχορύπανσης Ένας απ τους μεγαλύτερους εχθρούς του σημερινού ανθρώπου είναι η ηχορύπανση που προέρχεται απ τους διάφορους θορύβους. Εκτός απ τα τροχοφόρα, υπεύθυνα για τους θορύβους είναι ακόμα: τα αεροπλάνα, τα κέντρα διασκέδασης, οι οικοδομές και τα έργα στους δρόμους, οι οικιακές συσκευές, τα ηλεκτρονικά μηχανήματα (τηλεοράσεις κλπ.). Η ασφυκτική συγκέντρωση πληθυσμού στα αστικά κέντρα είχε σαν αποτέλεσμα ο θόρυβος να ξεπεράσει τα ανεκτά όρια και να γίνει πραγματική απειλή για τη σωματική και ψυχική υγεία των κατοίκων. Ωστόσο, ποτέ άλλοτε ο άνθρωπος δεν είχε περισσότερη ανάγκη από ησυχία, όσο στη εποχή μας, που οι συνθήκες εργασίας και διαβίωσης τον αναγκάζουν να α- ντιμετωπίζει καθημερινά υπαρξιακά προβλήματα. Στο χώρο της εργασίας προσπαθεί να συγκεντρωθεί, στο σπίτι προσπαθεί να ηρεμήσει και ν ανασυντάξει τις δυνάμεις του. Κι αντί γι' αυτό, προσβάλλεται αναγκαστικά από τη ρύπανση του περιβάλλο- 47

49 ντος, που προκαλεί ο θόρυβος, και του επιτείνει το άγχος και καταδυναστεύει τη σωματικά και ψυχική του ισορροπία. Οι επιπτώσεις του θορύβου στον άνθρωπο μπορούν να συνοψιστούν στα ε- ξής: εκνευρισμός, λάθη, ελάττωση της δεκτικότητας και παραγωγικότητας, επιθετικότητα, κόπωση, άγχος, αϋπνία ή ανήσυχος ύπνος, υπερένταση, μελαγχολία, πονοκέφαλος, θα μπορούσαμε να προσθέσουμε ακόμα σοβαρές βλάβες του οργανισμού και κυρίως της ακοής, που μπορεί να φτάσει μέχρι την μόνιμη κώφωση. Πρέπει λοιπόν οι ίδιοι οι πολίτες, δέκτες και πομποί θορύβων, να ευαισθητοποιηθούν απέναντι στο θέμα της ηχορύπανσης, σε ένα θέμα δηλαδή που τους αφορά άμεσα. Μια παθητική στάση για το θέμα που προκαλούν οι άλλοι δεν αρκεί. Πρέπει να βοηθήσουμε όλοι για μια καλύτερη (και πιο αθόρυβη) ζωή στην περιοχή μας, στο χωριό μας, στην πόλη μας. 48

50 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 ΙΣΧΥΟΥΣΑ ΝΟΜΟΘΕΣΙΑ ΓΙΑ ΤΗΝ ΠΡΟΣΤΑΣΙΑ ΤΟΥ ΠΕΡΙΒΑΛΛΟ- ΝΤΟΣ ΚΑΙ ΣΤΑΤΙΣΤΙΚΑ ΣΤΟΙΧΕΙΑ ΓΙΑ ΤΙΣ ΡΥΠΟΓΟΝΕΣ ΟΥΣΙΕΣ 2.1. Περιοδικός προαιρετικός έλεγχος και ρύθμιση καυσαερίων Οι κάτοχοι οχημάτων οφείλουν, συμβάλλοντας στο να έχουμε καθαρότερο περιβάλλον, να προβαίνουν σε προαιρετικό περιοδικό έλεγχο του οχήματός τους και να ρυθμίζουν τα καυσαέριά τους. Ο έλεγχος αυτός μπορεί να γίνει σε συνεργείο δικής τους επιλογής ή στις διάφορες εταιρείες οδικής βοήθειας, εφόσον ασφαλίζουν τα οχήματά τους σ' αυτές κι εφόσον διαθέτουν τον κατάλληλο εξοπλισμό. Παρ' όλα αυτά με την κοινή υπουργική απόφαση 97321/3341/ των Υπουργείων ΠΕΧΩΔΕ και Μεταφορών και Επικοινωνιών που δημοσιεύτηκε στο ΦΕΚ 640Β/ καθιερώθηκε η λεγόμενη Κάρτα Ελέγχου Καυσαερίων (Κ.Ε.Κ.) Το έντυπο της Κ.Ε.Κ χορηγείται σε όλα τα κυκλοφορούντα οχήματα εφόσον: Α. Προκειμένου περί βενζινοκίνητων ή υγραεριοκίνητων αυτοκινήτων αυτά έ- χουν μετρηθεί σύμφωνα με τη διαδικασία των παραγράφων 2 και 11 του άρθρου 3 του Νόμου 2052/92. Β. Προκειμένου περί πετρελαιοκίνητων αυτοκινήτων αυτά έχουν μετρηθεί σύμφωνα με όσα καθορίζονται στην υπ' αριθμό 36790/1985 Κοινή απόφαση των Υπουργών ΠΕΧΩΔΕ και Μεταφορών και Επικοινωνιών. Έτσι, τα επιβατηγά ιδιωτικής χρήσης και φορτηγά αυτοκίνητα μικρού βάρους μέχρι 3,5 τόνους υποχρεούνται σε έλεγχο καυσαερίων μια φορά το χρόνο. Τα επιβατηγά δημόσιας χρήσης, φορτηγά με μικτό βάρος πάνω από 3,5 τόνους και λεωφορεία υποχρεούνται σε έλεγχο καυσαερίων μία φορά κάθε εξάμηνο. Η απόκτηση νέας κάρτας ελέγχου καυσαερίων πρέπει να γίνει κατά την διάρκεια της χρονικής περιόδου ισχύος της προηγούμενης κάρτας ελέγχου καυσαερίων. Το έντυπο της Κ.Ε.Κ. είναι μονόφυλλο. Έχει διαστάσεις 148 x 106 mm, είναι ανθεκτικό και έχει χρώμα μπεζ. Σε βενζινοκίνητα ή υγραεριοκίνητα αυτοκίνητα χρησιμοποιείται αναλυτής ελέγχου καυσαερίων τεσσάρων τουλάχιστον παραμέτρων, μονοξειδίου 49

51 του άνθρακα (CO), διοξειδίου του άνθρακα (CO2), ακαύστων υδρογονανθράκων (HC) και Οξυγόνου (Ο2) καθώς και του συντελεστή (λ). και συνδεδεμένη με δυναμόμετρο. Κατά τη διάρκεια ενός προδιαγεγραμμένου κύμονοξείδιο του άνθρακα (CO) διοξείδιο του άνθρακα (CO2) άκαυστοι υδρογονάνθρακες (ΗC) οξυγόνο (O2) Εικόνα 2.1: Κάρτα ελέγχου καυσαερίων Μετά τον έλεγχο στην Κ.Ε.Κ. καταχωρούνται τα εξής στοιχεία. Ο αριθμός μητρώου και η υπογραφή του εξουσιοδοτημένου να διενεργήσει τον έλεγχο. Η ημερομηνία διενέργειας του ελέγχου. Η ημερομηνία του επόμενου ελέγχου, εφόσον διαπιστωθεί ότι οι εκπομπές καυσαερίων είναι μέσα στα προβλεπόμενα από τις κείμενες διατάξεις όρια. Οι μετρούμενες τιμές ρύπων. Ο κάτοχος του οχήματος, του οποίου διαπιστώθηκε ότι οι τιμές εκπομπών καυσαερίων είναι εκτός των προβλεπόμενων ορίων, έχει υποχρέωση εντός δέκα η- μερολογιακών ημερών να προσκομίσει το όχημα του για επανέλεγχο, οπότε και του χορηγείται νέα Κάρτα Ελέγχου Καυσαερίων. 2.2 Εξοπλισμός Δοκιμές προσδιορισμού επιτρεπόμενης ποσότητας ρυπαντών που εκπέμπει ένας κινητήρας Η δοκιμή που εκτελείται για να προσδιοριστούν οι παραπάνω ρυπαντές, που εκπέμπει ένας κινητήρας, γίνεται με τον κινητήρα τοποθετημένο σε πάγκο δοκιμών 50

52 κλου δοκιμής προσδιορίζονται συνεχώς οι ποσότητες των ρυπαντών. Ο κύκλος δοκιμής αποτελείται από έναν αριθμό περιόδων λειτουργίας υπό συγκεκριμένο αριθμό στροφών και ισχύ που καλύπτουν το τυπικό φάσμα συνθηκών λειτουργίας των κινητήρων. Κατά τη διάρκεια του κάθε επιμέρους ελέγχου προσδιορίζεται η συγκέντρωση του κάθε αερίου ρυπαντή, η ροή των καυσαερίων και η αποδιδόμενη ισχύς και λαμβάνονται οι μετρούμενες τιμές, που πρέπει να είναι το πολύ ίσες με τις τιμές του παραπάνω πίνακα. Για τα σωματίδια λαμβάνεται ένα δείγμα κατά τον πλήρη κύκλο δοκιμών. Εικόνα 2.2: Δυναμόμετρο Ο εξοπλισμός για να εκτελεστούν οι δοκιμές για τον προσδιορισμό των εκπομπών σωματιδιακών ρυπαντών από το δοκιμαζόμενο κινητήρα, ο οποίος όπως είπαμε και παραπάνω πρέπει να είναι συνδεδεμένος με δυναμόμετρο, είναι ο εξής: Πέδη κινητήρων Όργανα μέτρησης της ταχύτητας, της ροπής της κατανάλωσης του καυσίμου, της κατανάλωσης αέρα, της θερμοκρασίας λαδιού και νερού κλπ. Ένα σύστημα ψύξης του κινητήρα ικανό να τον διατηρεί σε κανονικές θερμοκρασίες κατά τη διάρκεια των δοκιμών. Σύστημα εξαγωγής (εξάτμιση) μη μονωμένο, μη ψυχόμενο. Σύστημα εισαγωγής αέρα στον κινητήρα. Εξοπλισμό ανάλυσης και δειγματοληψίας για CO, HC, ΝΟ Χ και ΡΤ. 51

53 Εικόνα 2.3: Εγκέφαλος αυτοκινήτου 2.3 Προδιαγραφές εκπομπών καυσαερίων Σύμφωνα με τις οδηγίες 88/77/ΕΟΚ και 91/542/ΕΟΚ προδιαγράφονται τα μέτρα για τον περιορισμό της εκπομπής αερίων και σωματιδιακών ρύπων από ΜΕΚ. Η μάζα του μονοξειδίου του άνθρακα (CO), η μάζα των υδρογονανθράκων (HC), η μάζα των οξειδίων του αζώτου (ΝΟ Χ ) και η μάζα των σωματιδίων (ΡΤ) δεν πρέπει να υπερβαίνουν τις ποσότητες που δείχνει ο παρακάτω πίνακα 2.1: Τύπος Κινητήρα CO HC NO X PT g/kwh g/kwh g/kwh g/kwh Α από ,5 1,1 8,0 0,36 Β από ,0 1,1 7,0 0,15 Πίνακας 2.1: Μέγιστες επιτρεπόμενες τιμές καυσαερίων 52

54 Όρια εκπομπών καυσαερίων Ευρωπαϊκής Ένωσης Η οδηγία όμως 94/12/ΕΚ του Ευρωπαϊκού κοινοβουλίου προδιαγράφει τα ό- ρια που αναφέρονται στον παρακάτω πίνακα 2.2. και τα οποία ισχύουν ήδη στην Ευρωπαϊκή Ένωση για κινητήρες βενζίνης και ντίζελ αντίστοιχα. Η οδηγία 94/12/ΕΚ είναι νεότερη των οδηγιών 88/77/ΕΟΚ και 91/542/ΕΟΚ και συνεπώς τις καταργεί και αναφέρει τις μέγιστες επιτρεπόμενες τιμές των ρύπων που μπορεί να εκπέμπει ένας βενζινοκινητήρας σε γραμμάρια ανά χιλιόμετρο. Η οδηγία 94/12/ΕΚ ίσχυσε μέχρι το έτος 2000 (πίνακας 2.2). Καύσιμο: Βενζίνη Ρύπος Μέγιστες επιτρεπόμενες τιμές (gr/km) Μονοξείδιο του άνθρακα (CO) 2.7 Μονοξείδιο του άνθρακα (CO) Και οξείδια του αζώτου (ΝΌ Χ ) (αθροιστικά) Υδρογονάνθρακες (HC) Οξείδια του αζώτου (ΝΟ Χ ) Σωματίδια = σκόνη - καπνός κλπ Καύσιμο: Πετρέλαιο (Ντίζελ) Ρύπος Μέγιστες επιτρεπόμενες gr/km τιμές Μονοξείδιο του άνθρακα (CO) 1.06 Μονοξείδιο του άνθρακα (CO) Και οξείδια 0.71/0.91* του αζώτου (ΝΟ Χ ) αθροιστικά) Υδρογονάνθρακες (HC) 0.63/0.81* Οξείδια του αζώτου (ΝΟ Χ ) 0.08/0.10* Σωματίδια - σκόνη - καπνός κλπ Πίνακας 2.2: Οδηγία 94/12/ΕΚ Σημείωση: Οι τιμές που έχουν δίπλα αστερίσκο (*) ισχύουν για πετρελαιοκινητήρες απευθείας έγχυσης του καυσίμου. 53

55 Το Ευρωπαϊκό κοινοβούλιο δεν περιορίσθηκε όμως μόνο στην οδηγία 94/12/ΕΚ. Με την οδηγία 96/164/ΕΚ πρότεινε όρια για το 2000 τις τιμές του πίνακα 2.3 που θα ισχύουν μέχρι το 2005 (πίνακας 2.3) Καύσιμο: Βενζίνη Ρύπος Μέγιστες επιτρεπόμενες (gr/km) τιμές Μονοξείδια του άνθρακα (CO) 2.3 Μονοξείδια του άνθρακα (CO) Και ο- ξείδια του αζώτου (ΝΟ Χ ) (αθροιστικά) 0.5 Υδρογονάνθρακες (HC) 0.20 Οξείδια του αζώτου (ΝΟ Χ ) 0.15 Καύσιμο: Πετρέλαιο (Ντίζελ) Ρύπος Μέγιστες επιτρεπόμενες (gr/km) τιμές Μονοξείδιο του άνθρακα (CO) 0.64 Μονοξείδιο του άνθρακα (CO) Και ο- ξείδια του αζώτου (ΝΟ Χ ) (αθροιστικά) 0.56 Υδρογονάνθρακες (HC) 0.50 Οξείδια του αζώτου (ΝΟ Χ ) 0.05 Πίνακας 2.3: Οδηγία 96/164/ΕΚ από 2000 έως 2005 Τέλος η ίδια οδηγία 96/164/ΕΚ προτείνει όρια για το έτος 2005 και πέρα τις τιμές του πίνακα

56 Καύσιμο: Βενζίνη Ρύπος Μέγιστες επιτρεπόμενες (gr/km) τιμές Μονοξείδιο του άνθρακα (CO) 1.00 Μονοξείδιο του άνθρακα (CO). Και ο- ξείδια του αζώτου (ΝΟ Χ ) (αθροιστικά) 0.30 Υδρογονάνθρακες (HC) 0.10 Οξείδια του αζώτου (ΝΟ Χ ) Καύσιμο: Πετρέλαιο (Ντίζελ) Ρύπος Μέγιστες επιτρεπόμενες (gr/km) τιμές Μονοξείδιο του άνθρακα (CO) 0.50 Μονοξείδιο του άνθρακα (CO) Και ο- ξείδια του αζώτου (ΝΟ Χ ) (αθροιστικά) 0.30 Υδρογονάνθρακες (HC) 0.25 Οξείδια του αζώτου (ΝΟ Χ ) Πίνακας 2.4: Οδηγία 96/164/ΕΚ από 2005 έως σήμερα 55

57 Όρια εκπομπών καυσαερίων κατά την ελληνική νομοθεσία Η Ελληνική βουλή έχει ήδη επικυρώσει και δεσμεύσει τη χώρα στους στόχους που απορρέουν από τη Σύμβαση - Πλαίσιο των Ηνωμένων Εθνών και έχει προσαρμόσει τη νομοθεσία που αφορά τα όρια εκπομπών καυσαερίων, σύμφωνα με την οδηγία 94/1 2ΕΚ της Ευρωπαϊκής Ένωσης, ήδη από τον Απρίλιο του '94. Τα παραπάνω (σύμβαση πλαίσιο και οδηγία της Ε. Ε.) αφορούν στη σταθεροποίηση των εκπομπών του διοξειδίου του άνθρακα (CO 2 ), του διοξειδίου του θείου (SO 2 ), του μεθανίου (CH 4 ), των χλωριοφθοριωμένων υδρογονανθράκων (CFS), αλλά και των άλλων εκπομπών που συνδέονται με το φαινόμενο του θερμοκηπίου και υποβιβάζουν την ποιότητα της ατμόσφαιρας και σε τελική ανάλυση διαταράσσουν την οικολογική ισορροπία. Με βάση την υποχρέωση αυτή εκπονήθηκε το Ελληνικό Πρόγραμμα υπό την ευθύνη και εποπτεία του ΥΠΕΧΩΔΕ, σε συνεργασία κυρίως με το Υπουργείο Ανάπτυξης και τη συμμετοχή συναρμοδίων υπουργείων και επιστημόνων, λαμβάνοντας υπόψη: Τις γενικές δεσμεύσεις της Σύμβασης - Πλαίσιο των Ηνωμένων Εθνών για τον έλεγχο και περιορισμό των εκπομπών αερίων του θερμοκηπίου. Τις ειδικότερες δεσμεύσεις για τις αναπτυγμένες χώρες. Την κοινοτική πολιτική και την υποχρέωση που έχει αναλάβει η κοινότητα, ήδη από το 1990 να σταθεροποιήσει τις εκπομπές διοξειδίου του άνθρακα (CO 2 ), μέχρι το 2000, στο επίπεδο του 1990, αλλά και τη συμφωνία για δίκαιη κατανομή ευθυνών και βαρών. Η μείωση των εκπομπών διοξειδίου του άνθρακα και των άλλων θερμοκηπιακών αερίων επιτυγχάνεται: Με δραστική πολιτική εξοικονόμησης ενέργειας σε όλους τους τομείς της τελικής κατανάλωσης (κατοικία εμπόριο υπηρεσίες - βιομηχανία - μεταφορές) και με στόχο τη λογική κατανάλωση ενέργειας, χωρίς να θιγεί το βιοτικό επίπεδο του πληθυσμού. 56

58 Με γενναία πολιτική επενδύσεων για την προώθηση των νέων τρόπων παραγωγής ενέργειας με στόχο την υποκατάσταση συμβατικών καυσίμων, χωρίς ουσιώδεις επιπτώσεις σε βασικά χαρακτηριστικά του ενεργειακού συστήματος (ασφάλεια, σταθερότητα και λογικό κόστος λειτουργίας). Πίνακας 2.5: Όρια ρύπων Στα πλαίσια του προγράμματος, οι ανανεώσιμες πηγές ενέργειας θα έχουν πολύ σημαντική συμβολή στον περιορισμό του διοξειδίου του άνθρακα (CO2). Με τα προτεινόμενα μέτρα, η μείωση των εκπομπών προκύπτει από την αντικατάσταση των συμβατικών καυσίμων (με τον εκσυγχρονισμό των παλαιών και με την ανάπτυξη νέων χρήσεων των ήπιων μορφών ενέργειας) καθώς και από την αύξηση της ετήσιας ικανότητας των χερσαίων οικοσυστημάτων (δάση κλπ.) να δεσμεύουν διοξείδιο του άνθρακα (CΟ 2 ). Η εφαρμογή του Ελληνικού προγράμματος φιλοδοξούσε να ανατρέψει μέχρι το έτος 2000, την επικίνδυνη τάση εξέλιξης των εκπομπών του διοξειδίου του άνθρακα (CΟ 2 ) και στη συνέχεια μέχρι το έτος 2005 και μετά, να μειώσει ακόμη περισσότερο τόσο το διοξείδιο του άνθρακα (CO 2 ) όσο και τα άλλα θερμοπτητικά αέρια, σύμφωνα με τη σχετική οδηγία της Ε.Ε. Είναι δε αυτονόητο ότι η επίτευξη καλύτερων αποτελεσμάτων σε ό,τι αφορά τις εκπομπές CO 2 θα είχε ακόμη πιο θετικές επιπτώσεις στην ενεργειακή ένταση της Ελληνικής οικονομίας. Το γεγονός αυτό συνδέεται επίσης με: 57

59 Την ποιότητα ζωής των Ελλήνων πολιτών και Το κόστος λειτουργίας και την ανταγωνιστικότητα της ελληνικής οικονομίας. Συμπερασματικά να σημειώσουμε πως η Ελληνική νομοθεσία που αφορά τα όρια εκπομπών καυσαερίων είναι πλήρως εναρμονισμένη με τις αντίστοιχες προδιαγραφές της Ευρωπαϊκής Ένωσης και μάλιστα σε αρκετές περιπτώσεις είμαστε πρωτοπόροι. Έτσι σήμερα ισχύει ο αναπτυξιακός νόμος 1892/90 όπως τροποποιήθηκε με τον 2234/94 και τον 2324/95. Οι δύο τελευταίες τροποποιήσεις εισήγαγαν αξιόλογες καινοτομίες σε ότι αφορά την προστασία του περιβάλλοντος και τη στήριξη της περιβαλλοντικής τεχνολογίας και μάλιστα της τεχνολογίας εκείνης που έχει να κάνει με την εγκατάσταση μονάδων ανανεώσιμων πηγών ενέργειας όπως για παράδειγμα αιολικών, ηλιακών, μικρών υδροηλεκτρικών κλπ. Έτσι π.χ. ο νόμος 2234/94 παρέχει οικονομικά κίνητρα, δηλαδή επιδότηση 40% ενώ στη περιοχή της Θράκης η επιδότηση μπορεί να φτάσει μέχρι 55%, για ε- πενδύσεις που έχουν να κάνουν με τη προστασία του περιβάλλοντος (περιορισμού ρύπανσης του εδάφους, του υπεδάφους, των υδάτων, της ατμόσφαιρας, της αποκατάστασης του φυσικού περιβάλλοντος, της ανακύκλωσης του νερού κλπ.) και με την ενέργεια (αξιοποίηση ανανεώσιμων πηγών ενέργειας, υποκατάσταση υγρών καυσίμων ή ηλεκτρικής ενέργειας, εξοικονόμηση ενέργειας κλπ.). Εξάλλου ο νόμος 2346/95 προβλέπει φορολογικές απαλλαγές μέχρι 75% για την αγορά και εγκατάσταση οικιακών συσκευών και συστημάτων ανανεώσιμων πηγών ενέργειας Ισχύουσα νομοθεσία περί ατμοσφαιρικής ρύπανσης και οχημάτων αντιρρυπαντικής τεχνολογίας Ακολούθως εκτίθεται ένας περιληπτικός κατάλογος µε την ισχύουσα νομοθεσία για την ατμοσφαιρική ρύπανση. - 99/30/ΕΚ Πρώτη θυγατρική της 96/62/ΕΚ «Οριακές τιμές διοξειδίου του θείου, διοξειδίου και οξειδίων του αζώτου, σωματιδίων και μολύβδου στον αέρα του 58

60 περιβάλλοντος». έχει ενσωματωθεί στο Ελληνικό Δίκαιο με απόφαση ΦΕΚ/Β/125/ /69/ΕΚ Δεύτερη θυγατρική της 96/62/ΕΚ «Οριακές τιμές βενζολίου και μονοξειδίου του άνθρακα στον αέρα του περιβάλλοντος» ΦΕΚ/Β/405/ /3/ΕΚ Τρίτη θυγατρική της 96/62/ΕΚ σχετικά με το όζον στον αέρα του περιβάλλοντος. ΦΕΚ/Β/1334/ Τέταρτη θυγατρική της 96/62/ΕΚ σχετικά με τα μέταλλα και τους πολυκυκλικούς αρωματικούς υδρογονάνθρακες. - ΥΑ Γ5//2001 (ΦΕΚ Β 614/2001) «Έλεγχοι εκπομπών καυσαερίων ο- χημάτων στη χώρα, προστιµα κλπ.» - ΥΑ 355/2001 (ΦΕΚ Β 410/2001) «Προδιαγραφές μέθοδοι ελέγχου πετρελαίου κίνησης» - ΥΑ 354/2001 «Προδιαγραφές µέθοδοι ελέγχου αµόλυβδης βενζίνης» - Ν. 2824/2000 «Σύµβαση ασφαλείας από καύσιµα ραδιενεργά απόβλητα» - ΥΑ ΔΜΕ/2000 «Μέτρα περιορισµού κυκλοφοράς οχηµάτων στο εµπορικό τρίγωνο της Αθήνας» - ΥΑ 500/2000 «Μέτρα κατά εκποµπών αερίων από κινητήρες ανάφλεξης κλπ.» εναρµόνιση µε οδηγία ΕΟΚ 1999/96. - ΥΑ 377/2000 «Κατανάλωση καυσίµων µηχανοκίνητων οχηµάτων» σε συµµόρφωση µε οδηγία ΕΟΚ 99/ ΥΑ 521/2001 «Προδιαγραφές χηµικών διασκορπιστηκών ουσιών» - ΥΑ 553/99 «Καταπολέµηση ατµοσφαιρικής ρύπανσης από µηχανοκίνητα οχήµατα» σε συµµόρφωση µε οδηγία ΕΟΚ 98/77. - ΥΑ οικ//1999 (ΦΕΚ Β 338/99) «Χαρακτηρισµός επιβατικών αυτοκινήτων ως αντιρρυπαντικής τεχνολογίας-φορτηγά». - ΠΥΣ 11/1997 «Μέτρα αντιµετώπισης ατµοσφαιρικής ρύπανσης από το Οζον». - ΥΑ 985/1997 «Προδιαγραφές µέθοδοι ελέγχου αµόλυβδης βενζίνης 98 RON». - ΥΑ 102/1997 «Ελεγχος πτητικών ουσιών από αποθήκευση βενζίνης» σε συµµόρφωση µε οδηγία ΕΟΚ 94/63. - ΥΑ 383/1997 «Περιορισµός εκποµπών αερίων ρύπων οχηµάτων» σε συµµόρφωση µε οδηγία ΕΟΚ 96/69. 59

61 - ΥΑ 186/1996 «Μέτρα κατά εκποµπών ρύπων πετρελαιοκινητήρων» σε συµµόρφωση µε οδηγία ΕΟΚ 96/1. - ΥΑ 874/1994 «ιοξείδιο Ανθρακα Κατανάλωση καυσίµων σε συµµόρφωση µε οδηγία ΕΟΚ 80/1268». Στις επόμενες σελίδες παραθέτουμε αυτούσια την υπουργική απόφαση σχετικά με τα επιβατικά αυτοκίνητα και φορτηγά οχήματα αντιρρυπαντικής τεχνολογίας Υπουργική Απόφαση /2915/ ΦΕΚ 798/Β'/ Διαδικασίες και δικαιολογητικά χαρακτηρισμού των ειδικών περιπτώσεων ε- πιβατικών αυτοκινήτων και φορτηγών οχημάτων ως αντιρρυπαντικής τεχνολογίας και διαπίστωσης της Οδηγίας αντιρρυπαντικής τεχνολογίας τις προδιαγραφές της οποίας πληρούν εκ κατασκευής. ΟΙ ΥΠΟΥΡΓΟΙ ΟΙΚΟΝΟΜΙΑΣ ΚΑΙ ΟΙΚΟΝΟΜΙΚΩΝ -ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝΤΟΣ, ΧΩ- ΡΟΤΑΞΙΑΣ ΚΑΙ ΔΗΜΟΣΙΩΝ ΕΡΓΩΝ -ΜΕΤΑΦΟΡΩΝ ΚΑΙ ΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΩΝ Έχοντας υπόψη: 1. Τις διατάξεις του άρθρου 84 του ν. 2696/1999 (ΦΕΚ 57/Α') «Περί κυρώσεως του Κ.Ο.Κ.». 2. Τις διατάξεις της παρ. 8 του άρθρου 121 του ν. 2960/2001, όπως αυτό τροποποιήθηκε με τις διατάξεις της περίπτωσης γ' της παρ. 37 του άρθρου 1 του ν. 3583/2007 (ΦΕΚ 142 Α') «Αναμόρφωση του Εθνικού Τελωνειακού Κώδικα και άλλες διατάξεις» και της παρ. 8 του άρθρου 123 του ν. 2960/2001 (ΦΕΚ 265 Α') «Εθνικός Τελωνειακός Κώδικας». 3. Τις διατάξεις του ν. 1650/1986 (ΦΕΚ 160/Α') «Για την προστασία του Περιβάλλοντος». 4. Τις διατάξεις των άρθρων 37 και 38 του ν. 1882/1990 (ΦΕΚ 43/Α'), όπως αντικαταστάθηκε από τις διατάξεις του άρθρου 1 του ν. 2052/1992 (ΦΕΚ 94/Α') που αφορά «Μέτρα για την αντιμετώπιση του νέφους και πολεοδομικές ρυθμίσεις». 60

62 5. Τις διατάξεις του δευτέρου εδαφίου της παρ. 2 του άρθρου 39 του ν.1882/1990 (ΦΕΚ 43/Α'), όπως αντικαταστάθηκε με την παράγραφο 2 του άρθρου 11 του ν.2443/1996 (ΦΕΚ 265/Α'). 6. Τις διατάξεις του άρθρου 90 του π.δ. 63/2005 (ΦΕΚ 98/Α') «Κωδικοποίηση της νομοθεσίας για την Κυβέρνηση και τα Κυβερνητικά όργανα». 7. Την υπ' αριθμ. 1666/ΔΙΟΕ89/ (ΦΕΚ 40/Β'/ ) κοινή α- πόφαση του Πρωθυπουργού και του Υπουργού Οικονομίας και Οικονομικών περί «Καθορισμού αρμοδιοτήτων των Υφυπουργών Οικονομίας και Οικονομικών». 8. Την υπ' αριθμ. Υ300/ (ΦΕΚ 2210/Β'/ ) κοινή απόφαση του Πρωθυπουργού και του Υπουργού Περιβάλλοντος, Χωροταξίας και Δημοσίων Έργων περί «Ανάθεσης αρμοδιοτήτων του Υπουργού Περιβάλλοντος Χωροταξίας και Δημοσίων Έργων στους Υφυπουργούς». 9. Το γεγονός ότι από τις διατάξεις της παρούσας απόφασης δεν προκαλείται δαπάνη σε βάρος του κρατικού προϋπολογισμού, αποφασίζουμε: Άρθρο 1 Αυτοκίνητα οχήματα αντιρρυπαντικής τεχνολογίας Ορισμός Για τις ανάγκες της παρούσας απόφασης, ως αυτοκίνητα οχήματα αντιρρυπαντικής τεχνολογίας νοούνται εκείνα, τα οποία πληρούν εκ κατασκευής τις προδιαγραφές των παραρτημάτων των παρακάτω Οδηγιών: α) 88/76 Ε.Ο.Κ., 89/458 Ε.Ο.Κ., 91/441 Ε.Ο.Κ., 94/12 Ε.Κ., 98/69 Ε.Κ. φάση Α' ή μεταγενέστερης Οδηγίας φάση Α', 98/69 Ε.Κ. φάση Β' ή μεταγενέστερης Οδηγίας φάση Β', οι οποίες αφορούν κυρίως επιβατικά οχήματα, β) 88/77 Ε.Ο.Κ., 91/542 Ε.Ο.Κ. φάση Α', 91/542 Ε.Ο.Κ. φάση Β', 96/69 Ε.Κ., 99/96 Ε.Κ. φάση Α', 99/96 Ε.Κ. φάση Β' ή μεταγενέστερων αυτών και 2005/55 Ε.Κ. ή μεταγενέστερης αυτής, οι οποίες αφορούν κυρίως φορτηγά οχήματα. Η υπαγωγή στον αντίστοιχο συντελεστή τέλους ταξινόμησης της παρ. 2 του άρθρου 121 του ν. 2960/2001, όπως έχει τροποποιηθεί και ισχύει, αυτοκινήτων οχημάτων που κατατάσσονται στη δασμολογική κλάση της Συνδυασμένης Ονοματολογίας (Σ.Ο.) των επιβατικών αυτοκινήτων, όπως ασθενοφόρα, αυτοκινούμενα τροχόσπιτα και οχήματα πολλαπλών χρήσεων (διπλοκάμπινα) και τα οποία πληρούν εκ κατασκευής τις προδιαγραφές Οδηγίας αντιρρυπαντικής τεχνολογίας της περίπτωσης (β), θα γίνεται με αντιστοίχηση προς τις Οδηγίες της περίπτωσης (α) ως 61

63 ακολούθως: 88/76 <- 88/77, 91/441 <- 91/542 Λ', 94/12 <- 91/542 Β', 98/69 Α' <- 99/96 Α', 98/69 Β' <- 99/96 Β' και 98/69 Β' <- 2005/55 Β'. Η αντιστοίχηση, σε περίπτωση έναρξης ισχύος νέων προδιαγραφών αντιρρυπαντικής τεχνολογίας, γνωστοποιείται από την αρμόδια Διεύθυνση του Υπουργείου Μεταφορών και Επικοινωνιών. Για τους σκοπούς της παρούσας απόφασης, αρμόδια Υπηρεσία Μεταφορών και Επικοινωνιών της Νομαρχιακής Αυτοδιοίκησης είναι: α) η υπηρεσία της Νομαρχιακής Αυτοδιοίκησης στην οποία ανήκει η Τελωνειακή Αρχή η οποία εκδίδει το πιστοποιητικό ταξινόμησης του οχήματος ή β) η υπηρεσία της Νομαρχιακής Αυτοδιοίκησης στην οποία έχει έδρα ο εισαγωγέας ή ο κάτοχος του οχήματος. Άρθρο 2 Δικαιολογητικά Έγγραφα Η Οδηγία αντιρρυπαντικής τεχνολογίας, τις προδιαγραφές της οποίας πληροί εκ κατασκευής ένα όχημα, προκύπτει από τα παρακάτω, κατά περίπτωση, σύμφωνα με τα οριζόμενα στο άρθρο 4 της παρούσας, δικαιολογητικά έγγραφα: α) Πιστοποιητικό Συμμόρφωσης οχήματος, β) Έγκριση Τύπου (Εθνική) οχήματος, γ) Δελτίο Κοινοποίησης Έγκρισης Τύπου (Ε.Κ.) οχήματος, δ) Πιστοποιητικό Καυσαερίων από το Τμήμα Ελέγχων της Διεύθυνσης Οδικής Ασφάλειας και Περιβάλλοντος (Δ.Ο.Α.Π.) του Υπουργείου Μεταφορών και Επικοινωνιών, αν υπάρχει τεχνική δυνατότητα μέτρησης, το οποίο εκδίδεται εφόσον: αα) από το εργοστάσιο κατασκευής ή από την επίσημη αντιπροσωπεία του εσωτερικού ή της χώρας αγοράς του οχήματος βεβαιώνεται η Οδηγία αντιρρυπαντικής τεχνολογίας που ικανοποιεί το όχημα. Η προϋπόθεση αυτή δεν είναι υποχρεωτική στις περιπτώσεις οχημάτων που προέρχονται από τρίτες προς την Ευρωπαϊκή Ένωση χώρες και ββ) από την άδεια κυκλοφορίας του οχήματος προκύπτει ότι δεν έχει υπάρξει διασκευή του οχήματος ή αντικατάσταση του κινητήρα του και επομένως, η Οδηγία αντιρρυπαντικής τεχνολογίας, τις προδιαγραφές της οποίας πληροί το όχημα, είναι η «εκ κατασκευής». 62

64 Για τα οχήματα που εισάγονται από τρίτες, προς την Ευρωπαϊκή Ένωση, χώρες που δε φέρουν το δικαιολογητικό (αα), η μέτρηση καυσαερίων από το Τμήμα Ελέγχων της Δ.Ο.Α.Π. γίνεται για την επιβεβαίωση: ότι το αυτοκίνητο ικανοποιεί τις απαιτήσεις της τελευταίας ισχύουσας Οδηγίας καυσαερίων Ε.Κ., εφόσον ταξινομήθηκε ως καινούργιο, μετά την ημερομηνία εφαρμογής της παραπάνω Οδηγίας, αναφορικά με την έγκριση τύπου ή ότι ικανοποιεί τις απαιτήσεις της Οδηγίας καυσαερίων που ίσχυε, κατά την πρώτη ταξινόμηση του οχήματος, εφόσον η εισαγωγή γίνεται με τη διαδικασία της μετοικεσίας. ε) Βεβαίωση από τις αρμόδιες Υπηρεσίες Μεταφορών και Επικοινωνιών των Νομαρχιακών Αυτοδιοικήσεων, για την έκδοση της οποίας απαιτείται: αα) Βεβαίωση, είτε από το εργοστάσιο κατασκευής, είτε από την επίσημη α- ντιπροσωπεία του εσωτερικού ή της χώρας αγοράς του οχήματος, είτε από την Κρατική Αρχή που είχε εκδώσει την άδεια κυκλοφορίας του οχήματος στη ξένη χώρα, προκειμένου για μεταχειρισμένο όχημα, για την Οδηγία αντιρρυπαντικής τεχνολογίας τις προδιαγραφές της οποίας πληροί εκ κατασκευής και ββ) Πιστοποιητικό Έγκρισης Τύπου (καυσαερίων) οχήματος, που εκδίδεται σύμφωνα με τις προϋποθέσεις των αντιστοίχων Οδηγιών. Εναλλακτικά των ανωτέρω δικαιολογητικών (αα) και (ββ): πρακτικό δοκιμής καυσαερίων για το συγκεκριμένο όχημα από κοινοποιημένα εργαστήρια των αρμόδιων για εγκρίσεις τύπου αρχών των κρατών - μελών της Ευρωπαϊκής Ένωσης. Για την έκδοση της βεβαίωσης, ο κάτοχος του οχήματος προσκομίζει στην αρμόδια Υπηρεσία Μεταφορών και Επικοινωνιών της Νομαρχιακής Αυτοδιοίκησης την πρωτότυπη άδεια κυκλοφορίας της ξένης χώρας. Η βεβαίωση εκδίδεται σε δύο αντίτυπα εκ των οποίων, το πρώτο προορίζεται για την αρμόδια τελωνειακή αρχή, το δε δεύτερο για την αρμόδια Υπηρεσία Μεταφορών και Επικοινωνιών της Νομαρχιακής Αυτοδιοίκησης για την ταξινόμηση του οχήματος. Η υπηρεσία που εκδίδει τη βεβαίωση επικυρώνει επίσης δύο αντίγραφα της άδειας κυκλοφορίας, το πρώτο εκ των οποίων επισυνάπτεται στη βεβαίωση που προορίζεται προς την τελωνειακή αρχή το δε δεύτερο παραμένει στο αρχείο της. Ειδικά στις περιπτώσεις οχημάτων που εισάγονται από τρίτες, προς την Ευρωπαϊκή Ένωση, χώρες που για τεχνικούς λόγους (διαστάσεις κ.λ.π.) δεν μπορούν να ελεγχθούν από το εργαστήριο ελέγχου καυσαερίων του Τμήματος Ελέγχων της Δ.Ο.Α.Π. στο Ελληνικό, για την έκδοση της βεβαίωσης προσκομίζονται τα παρακάτω δικαιολογητικά: 63

65 α) Βεβαίωση του εργαστηρίου του Τμήματος Ελέγχων της Δ.Ο.Α.Π. στο Ελληνικό, ότι για τεχνικούς λόγους δεν είναι δυνατό να ελεγχθεί το συγκεκριμένο όχημα και β) Βεβαίωση του εργοστασίου κατασκευής ή του επισήμου αντιπροσώπου στη χώρα αγοράς, επικυρωμένη από το αρμόδιο Προξενείο μας στη χώρα του εργοστασίου κατασκευής ή από τον επίσημο αντιπρόσωπο του εργοστασίου κατασκευής στη χώρα μας, ότι το εν λόγω όχημα (θα αναφέρεται ο αριθμός πλαισίου και κινητήρα του οχήματος), σε ό,τι αφορά τις εκπομπές καυσαερίων, πληροί την «Οδηγία...». Στην περίπτωση που απαιτείται η μετακίνηση του οχήματος για τεχνικό έλεγχο, παρέχεται έγκριση της αρμόδιας τελωνειακής αρχής, στην οποία έχει κατατεθεί το σχετικό δηλωτικό εισαγωγής ή η δήλωση άφιξης οχήματος. Η έγκριση παρέχεται μετά από αίτηση του ιδιοκτήτη του οχήματος, αφού προηγούμενα έχουν ληφθεί τα αναγκαία, κατά την κρίση της αρμόδιας τελωνειακής αρχής, διασφαλιστικά των συμφερόντων του Δημοσίου, μέτρα (εξασφάλιση ταυτότητας του αυτοκινήτου, λεπτομερής καταγραφή του προαιρετικού εξοπλισμού κ.λ.π.). στ) Άδεια κυκλοφορίας στην οποία αναγράφεται η Οδηγία αντιρρυπαντικής τεχνολογίας που πληροί το όχημα. Άρθρο 3 Ειδικές περιπτώσεις Στις ειδικές περιπτώσεις επιβατικών οχημάτων, καινούργιων και μεταχειρισμένων, που δεν διαθέτουν τα οριζόμενα από το πρώτο εδάφιο της παρ. 8 του άρθρου 121 του ν. 2960/2001 δικαιολογητικά με τα οποία διαπιστώνεται η Οδηγία α- ντιρρυπαντικής τεχνολογίας τις προδιαγραφές της οποίας πληρούν εκ κατασκευής τα οχήματα, ήτοι: πιστοποιητικό συμμόρφωσης, έγκριση τύπου ή δελτίο κοινοποίησης έγκρισης τύπου οχημάτων ή εφόσον τα δικαιολογητικά αυτά που αφορούν μεταχειρισμένα οχήματα άλλων κρατών - μελών της Ευρωπαϊκής Ένωσης, δεν μπορούν να προσκομισθούν για λόγους σχετικής νομοθεσίας που ισχύει στα κράτη -μέλη αυτά, εμπίπτουν οι παρακάτω κατηγορίες: α) οχήματα παραγόμενα σε μικρές σειρές, όπως αυτές ορίζονται στο Παράρτημα XII της Οδηγίας 70/156 Ε.Ο.Κ., ως κάθε φορά ισχύει, 64

66 β) καινούργια οχήματα που εισάγονται μεμονωμένα από τρίτες, προς την Ευρωπαϊκή Ένωση, χώρες, γ) μεταχειρισμένα οχήματα που εισέρχονται στην ημεδαπή, ανεξαρτήτως χώρας προέλευσης, δ) τροχόσπιτα και ασθενοφόρα που προέρχονται από διασκευή φορτηγών οχημάτων, για τα οποία δεν έχουν εκδοθεί τα απαιτούμενα δικαιολογητικά, ε) οχήματα πολλαπλών χρήσεων (διπλοκάμπινα) της περίπτωσης (ε) της παρ. 1 του άρθρου 123 του ν. 2960/2001, που κατατάσσονται στη δασμολογική κλάση της Συνδυασμένης Ονοματολογίας, για τα οποία δεν έχουν εκδοθεί τα απαιτούμενα δικαιολογητικά, στ) μεταχειρισμένα οχήματα πρώτης ταξινόμησης στην Ευρωπαϊκή Ένωση, πριν από το 2000 και ζ) κάθε άλλη περίπτωση οχημάτων για τα οποία δεν έχουν εκδοθεί τα δικαιολογητικά ως (α), (β), (γ) του άρθρου 2 της παρούσας και αυτό βεβαιώνεται, είτε από το εργοστάσιο κατασκευής, είτε από την επίσημη αντιπροσωπεία του εξωτερικού ή εσωτερικού, είτε από την Κρατική Αρχή που είχε εκδώσει την άδεια κυκλοφορίας του οχήματος στη ξένη χώρα και υπάρχει αδυναμία έκδοσης του δικαιολογητικού (δ), του άρθρου 2 της παρούσας. Άρθρο 4 Πιστοποίηση Η πιστοποίηση της Οδηγίας αντιρρυπαντικής τεχνολογίας, τις προδιαγραφές της οποίας πληρούν εκ κατασκευής τα επιβατικά και φορτηγά οχήματα και η επιλογή του αντίστοιχου συντελεστή τέλους ταξινόμησης, πραγματοποιείται από την αρμόδια τελωνειακή αρχή, πριν από την καταβολή των οφειλομένων φορολογικών επιβαρύνσεων. 1. Για τα επιβατικά οχήματα, απαιτείται η προσκόμιση των αναφερόμενων στο πρώτο εδάφιο της παρ. 8 του άρθρου 121 του ν. 2960/2001, δικαιολογητικών. 2. Για τα επιβατικά οχήματα των ειδικών περιπτώσεων του προηγούμενου άρθρου 3 της παρούσας, για την πιστοποίηση της Οδηγίας αντιρρυπαντικής τεχνολογίας, απαιτείται, κατά περίπτωση, η προσκόμιση στην αρμόδια τελωνειακή αρχή των παρακάτω δικαιολογητικών: 65

67 α) Για τα οχήματα της περίπτωσης (α), πιστοποιητικό συμμόρφωσης και πιστοποιητικό καυσαερίων οχήματος. β) Για τα οχήματα της περίπτωσης (β), πιστοποιητικό καυσαερίων οχήματος ή βεβαίωση ως περίπτωση (ε) του άρθρου 2 της παρούσας. γ) Για τα οχήματα της περίπτωσης (γ): αα) άδεια κυκλοφορίας του οχήματος, ως περίπτωση (στ) του άρθρου 2 της παρούσας για τα μεταφερόμενα ή αποστελλόμενα οχήματα από άλλα κράτη - μέλη της Ευρωπαϊκής Ένωσης και χώρες του Ευρωπαϊκού Οικονομικού Χώρου ή ββ) πιστοποιητικό καυσαερίων οχήματος ή βεβαίωση ως περίπτωση (ε) του άρθρου 2 της παρούσας, για τα προερχόμενα οχήματα από τρίτη προς την Ευρωπαϊκή Ένωση χώρα, καθώς και για τα μεταφερόμενα ή αποστελλόμενα οχήματα από άλλα κράτη - μέλη της Ευρωπαϊκής Ένωσης και χώρες του Ευρωπαϊκού Οικονομικού Χώρου στην άδεια κυκλοφορίας των οποίων δεν αναγράφεται Οδηγία αντιρρυπαντικής τεχνολογίας. δ) Για τα οχήματα των περιπτώσεων (δ) και (ε), όπως τροχόσπιτα, ασθενοφόρα και οχήματα πολλαπλών χρήσεων (διπλοκάμπινα) αντίστοιχα, ανεξαρτήτως χώρας προέλευσης: αα) έγκριση τύπου οχήματος ή ββ) πιστοποιητικό καυσαερίων οχήματος, εφόσον αυτό μπορεί να εκδοθεί ή γγ) βεβαίωση ως περίπτωση (ε) του άρθρου 2 της παρούσας, που εκδίδεται από την αρμόδια Υπηρεσία Μεταφορών και Επικοινωνιών της Νομαρχιακής Αυτοδιοίκησης, επί της οποίας εκτός της Οδηγίας αντιρρυπαντικής τεχνολογίας θα αναγράφεται, εντός παρενθέσεως, η αντίστοιχη Οδηγία σύμφωνα με τα οριζόμενα στο άρθρο 1 της παρούσας. ε) Για τα οχήματα της περίπτωσης (στ), ανάλογα με τα δικαιολογητικά που διαθέτουν, ήτοι: αα) έγκριση τύπου οχήματος ή ββ) πιστοποιητικό καυσαερίων οχήματος ή γγ) βεβαίωση ως περίπτωση (ε) του άρθρου 2 της παρούσας. στ) Για τα οχήματα της περίπτωσης (ζ), βεβαίωση ως περίπτωση (ε) του άρθρου 2 της παρούσας. 3. Η πιστοποίηση ότι ένα φορτηγό όχημα της δασμολογικής κλάσης της Συνδυασμένης Ονοματολογίας, πληροί τις προδιαγραφές των Οδηγιών 91/542 Ε.Ο.Κ. φάση Β' ή 96/69 Ε.Κ. ή μεταγενέστερων, πραγματοποιείται με την υποβολή των παρακάτω δικαιολογητικών: 66

68 α) έγκριση τύπου οχήματος ή β) πιστοποιητικό καυσαερίων οχήματος ή γ) βεβαίωση ως περίπτωση (ε) του άρθρου 2 της παρούσας ή δ) άδεια κυκλοφορίας, στην οποία αναγράφεται η Οδηγία αντιρρυπαντικής τεχνολογίας που πληροί το όχημα. Για τα φορτηγά οχήματα άνω των 3,5 τόνων που δε διαθέτουν τα παραπάνω (α) ή (β) δικαιολογητικά, για την έκδοση της βεβαίωσης από την αρμόδια Υπηρεσία Μεταφορών και Επικοινωνιών της Νομαρχιακής Αυτοδιοίκησης απαιτείται βεβαίωση, είτε από το εργοστάσιο κατασκευής, είτε από την επίσημη αντιπροσωπεία του εσωτερικού ή της χώρας αγοράς του οχήματος, είτε από την Κρατική Αρχή που είχε εκδώσει την άδεια κυκλοφορίας του οχήματος στη ξένη χώρα, για την Οδηγία αντιρρυπαντικής τεχνολογίας, τις προδιαγραφές της οποίας πληροί εκ κατασκευής το όχημα. 4. Προκειμένου για επιβατικά ή φορτηγά οχήματα που χαρακτηρίζονται ως συμβατικής τεχνολογίας, για τα οποία δεν ζητείται η πιστοποίηση ότι πληρούν τις προδιαγραφές των ανωτέρω Οδηγιών, παρέλκει η υποβολή των ανωτέρω κατά περίπτωση δικαιολογητικών. 5. Για τα μεταχειρισμένα επιβατικά ή φορτηγά οχήματα απαιτείται υποχρεωτικά επιπλέον η προσκόμιση στην τελωνειακή αρχή: α) Πρωτότυπης άδειας κυκλοφορίας του οχήματος της ξένης χώρας και β) Υπεύθυνης Δήλωσης του ν. 1599/1986 του εισαγωγέα του οχήματος, στην οποία θα δηλώνει, ότι τα δικαιολογητικά που υπέβαλε είναι αληθή. Άρθρο 5 Ταξινόμηση - περιορισμοί - ειδικές περιπτώσεις 1. Προκειμένου να ταξινομηθεί ένα αυτοκίνητο όχημα, o κάτοχός του υποβάλλει στην αρμόδια Υπηρεσία Μεταφορών και Επικοινωνιών της Νομαρχιακής Αυτοδιοίκησης το Πιστοποιητικό Ταξινόμησης Οχήματος, που εκδίδεται από την αρμόδια τελωνειακή αρχή στην οποία τηρήθηκαν οι διατυπώσεις θέσης σε ανάλωση του ο- χήματος. Στο πιστοποιητικό ταξινόμησης αναφέρεται η Οδηγία αντιρρυπαντικής τεχνολογίας και προκειμένου για μεταχειρισμένα αυτοκίνητα, επισυνάπτεται από την αρμόδια τελωνειακή αρχή: α) η πρωτότυπη άδεια κυκλοφορίας του οχήματος και β) κατά περίπτωση, το δεύτερο αντίτυπο της βεβαίωσης ως περίπτωση (ε) του άρθρου 2 της παρούσας. 67

69 Η πρωτότυπη άδεια κυκλοφορίας, βάσει της Οδηγίας 1999/37 Ε.Κ., επιστρέφεται στην υπηρεσία της χώρας έκδοσης. Η αρμόδια τελωνειακή αρχή επισυνάπτει ακριβές αντίγραφο της πρωτότυπης άδειας κυκλοφορίας στο παραστατικό ανάλωσης του οχήματος. 2. Τα πιστοποιητικά ταξινόμησης οχημάτων, μετά τη διασύνδεση των Μηχανογραφικών Συστημάτων των Υπουργείων Οικονομίας και Οικονομικών και Μεταφορών και Επικοινωνιών, δύνανται να διαβιβάζονται και ηλεκτρονικά. 3. Κατά την ταξινόμηση του οχήματος πρέπει να συντρέχουν οι παρακάτω προϋποθέσεις: α) Κατά το χρόνο ταξινόμησης ενός καινούργιου οχήματος, η έγκριση τύπου αυτού πρέπει να υπάρχει και να είναι σε ισχύ. β) Για τα μεταχειρισμένα οχήματα που κυκλοφορούσαν προηγούμενα σε χώρα μη μέλος της Ευρωπαϊκής Ένωσης, απαιτείται οι εκπομπές καυσαερίων αυτών να ικανοποιούν εκ κατασκευής τις προδιαγραφές του παραρτήματος της τελευταίας ισχύουσας για την ταξινόμηση Οδηγίας καυσαερίων της Ευρωπαϊκής Ένωσης. γ) Μεταχειρισμένα επιβατικά οχήματα με προηγούμενη ταξινόμηση σε χώρα μη μέλος της Ευρωπαϊκής Ένωσης που παραλαμβάνονται από πρόσωπα του κεφαλαίου Β' της υπ' αριθμ. Δ.245/1988 Α.Υ.Ο.Ο. ταξινομούνται, μόνο εφόσον ικανοποιούν τις απαιτήσεις της Οδηγίας που αφορά τις εκπομπές ρύπων που ίσχυε στην Ευρωπαϊκή Ένωση κατά τον χρόνο της ταξινόμησης αυτών, ως καινούργια. δ) Μεταχειρισμένα οχήματα, ανεξαρτήτως χώρας προηγούμενης κυκλοφορίας που παραλαμβάνονται από διπλωματικούς υπαλλήλους και φέρουν πινακίδες Διπλωματικού Σώματος, ταξινομούνται, εφόσον ικανοποιούν τις απαιτήσεις της Οδηγίας που αφορά τις εκπομπές ρύπων που ίσχυε στην Ευρωπαϊκή Ένωση κατά το χρόνο πρώτης κυκλοφορίας τους. ε) Για την ταξινόμηση καινούργιων μεμονωμένων επιβατικών αυτοκινήτων, στις περιπτώσεις που δεν υφίσταται πιστοποιητικό έγκρισης τύπου Ε.Κ., σύμφωνα με την Οδηγία 1999/100 Ε.Κ. ή πιστοποιητικό συμμόρφωσης, από το οποίο να προκύπτει ότι το όχημα ικανοποιεί τις απαιτήσεις της παραπάνω Οδηγίας ή εισάγονται με τη διαδικασία της μετοικεσίας από τους επαναπατριζόμενους, γίνεται δεκτό πιστοποιητικό μεμονωμένου οχήματος, που εκδίδεται από το Τμήμα Ελέγχων της Δ.Ο.Α.Π του Υπουργείου Μεταφορών και Επικοινωνιών, του οποίου οι προδιαγραφές, όσον αφορά την μέτρηση του CO 2 και της κατανάλωσης καυσίμου ικανοποιούν τους όρους της Οδηγίας 1999/100 Ε.Κ.. 68

70 στ) Τα οχήματα πολλαπλών χρήσεων (διπλοκάμπινα) της δασμολογικής κλάσης της Σ.Ο. των επιβατικών αυτοκινήτων, τα τρίκυκλα ή τετράκυκλα αυτοκίνητα οχήματα της ίδιας δασμολογικής κλάσης της περίπτωσης ε' της παρ. 2 του άρθρου 121 του ν. 2960/2001, καθώς και τα όμοια οχήματα της δασμολογικής κλάσης της Σ.Ο. της περίπτωσης ζ' της παρ. 1 του άρθρου 123 του ν. 2960/2001, ταξινομούνται, όπως αυτά περιγράφονται στα δικαιολογητικά του άρθρου 2 της παρούσας (εκτός του δ'). υγραέριο Άρθρο 6 Ταξινόμηση οχημάτων που διασκευάζονται για να λειτουργούν και με 1. Η ταξινόμηση αυτοκινήτων οχημάτων αντιρρυπαντικής τεχνολογίας, τα ο- ποία διασκευάζονται για να χρησιμοποιούν ως καύσιμο και υγραέριο (LPG) επιτρέπεται, εφόσον πληρούνται οι πιο κάτω προϋποθέσεις: α) Οι εκπομπές καυσαερίων με χρήση υγραερίου να είναι ίσες ή μικρότερες από τα όρια που ίσχυαν κατά τον χαρακτηρισμό του οχήματος ως νέας τεχνολογίας. β) Η διασκευή του κινητήρα για την τοποθέτηση συσκευής υγραερίου πρέπει να γίνεται σύμφωνα με την υπ' αριθμ /698/2000 (411/Β'/ ) απόφαση, όπως αυτή κάθε φορά ισχύει. γ) Δεν υφίσταται σχετική απαγόρευση από τον κατασκευαστή του οχήματος. 2. Για την έκδοση ή ανανέωση της άδειας κυκλοφορίας του οχήματος, λόγω προσθήκης της συσκευής υγραερίου (LPG) ως εναλλακτικού καυσίμου, υποβάλλεται στην αρμόδια Υπηρεσία Μεταφορών και Επικοινωνιών της Νομαρχιακής Αυτοδιοίκησης, επιπλέον των λοιπών απαιτούμενων δικαιολογητικών και: α) Πιστοποιητικό του εργοστασίου κατασκευής του οχήματος ή της συσκευής υγραερίου, από το οποίο να προκύπτει ότι με τη χρήση υγραερίου (LPG), η περιεκτικότητα των καυσαερίων του εν λόγω τύπου οχήματος με το συγκεκριμένο τύπο κινητήρα, σε ουσίες που ρυπαίνουν την ατμόσφαιρα, είναι μικρότερες ή ίσες από εκείνες που ίσχυαν κατά το χαρακτηρισμό του οχήματος ως νέας τεχνολογίας. Το πιστοποιητικό αυτό μπορεί να εκδίδεται, εναλλακτικά, από το Τμήμα Ελέγχων της Δ.Ο.Α.Π. του Υπουργείου Μεταφορών και Επικοινωνιών. 69

71 β) Με το προηγούμενο δικαιολογητικό θα υποβάλλεται από τον ενδιαφερόμενο και βεβαίωση του εργοστασίου κατασκευής του οχήματος ή του εργοστασίου κατασκευής της συσκευής υγραερίου, από την οποία θα προκύπτουν: αα) ότι είναι επιτρεπτή η διασκευή του συγκεκριμένου τύπου κινητήρα και η τοποθέτηση συσκευής χρησιμοποίησης ως καυσίμου του υγραερίου στο συγκεκριμένο τύπο οχήματος και ββ) η τεχνική περιγραφή της συσκευής του υγραερίου και της εγκατάστασής της και θα καθορίζονται οι τύποι της συσκευής που είναι δυνατόν να χρησιμοποιηθούν στο συγκεκριμένο (ή τους συγκεκριμένους) τύπο (ή τύπους) οχημάτων. Επίσης, στην περίπτωση που το όχημα είναι εφοδιασμένο με ρυθμιζόμενο καταλύτη, θα πρέπει να επιβεβαιώνεται η δυνατότητα λειτουργίας της συσκευής υ- γραερίου σε συνδυασμό με τον αισθητήρα οξυγόνου (λ-sensor). Τα πιστοποιητικά αυτά θα πρέπει να είναι αρμοδίως επικυρωμένα και μεταφρασμένα στην ελληνική γλώσσα. Άρθρο 7 Καταργούμενες διατάξεις Από την έναρξη εφαρμογής της παρούσας απόφασης καταργούνται οι παρακάτω κοινές υπουργικές αποφάσεις, όπως ισχύουν: α) η υπ' αριθμ. Οικ /2725/ (ΦΕΚ 338/Β'/ ), β) η υπ' αριθμ. Οικ /3639/ (ΦΕΚ 2140/Β'/ ), γ) η υπ' αριθμ. Οικ /748/ (ΦΕΚ 439/Β'/ ), δ) η υπ' αριθμ /2146/ (ΦΕΚ 973/Β'/ ) και ε) η υπ' αριθμ /1385/ (ΦΕΚ 498/Β'/ ). Άρθρο 8 Έναρξη διατάξεων Η ισχύς της απόφασης αυτής αρχίζει από την ημερομηνία δημοσίευσής της στην Εφημερίδα της Κυβερνήσεως. Η απόφαση αυτή να δημοσιευθεί στην Εφημερίδα της Κυβερνήσεως. 70

72 71

73 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 Η ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ ΤΩΝ ΚΑΤΑΛΥΤΙΚΩΝ ΜΕΤΑΤΡΟΠΕΩΝ 3.1 Έλεγχος των ρύπων των καυσαερίων σε συμβατικά οχήματα Από το 1956 οι Αμερικανοί τεχνικοί καθιέρωσαν το πρόγραμμα ελέγχου των ρύπων των καυσαερίων "eleven mode test". Από το πρόγραμμα αυτό προήλθε το "seven mode test" που είναι πλέον σήμερα διεθνώς γνωστό. To seven mode test βελτιώθηκε και επιβλήθηκε από το νόμο το Αναφερόμενοι πάντα στην Αμερική, από το 1966 δεν επιτρεπόταν η κυκλοφορία κανενός αυτοκινήτου το οποίο δεν εκπληρούσε τις προδιαγραφές του seven mode test. Σύντομα όμως απαιτήθηκε να μειωθούν ακόμη τα όρια των ρύπων των καυσαερίων και τα όρια ελέγχου να φτάσουν σε αρκετά χαμηλά επίπεδα. Τώρα έπρεπε οι Ευρωπαίοι κατασκευαστές αυτοκινήτων να προσαρμόσουν τα όρια των εκπεμπόμενων ρύπων των αυτοκινήτων που κατασκεύαζαν και να προσαρμοστούν με την Αμερικάνικη νομοθεσία γιατί τα αυτοκίνητα που έκαναν εξαγωγή στις ΗΠΑ δεν θα επιτρεπόταν να κυκλοφορήσουν, αφού θα ήταν "ρυπογόνα". Λίγο αργότερα, το 1970, η Ευρωπαϊκή Κοινότητα θέσπισε δικά της όρια εκπομπών ρύπων από τα καυσαέρια των αυτοκινήτων. Αρχικά, καθιερώθηκαν όρια εκπομπών περιορισμού μόνο για τους δύο από τους τρεις ρύπους, τους άκαυστους υδρογονάνθρακες (HC) και το μονοξείδιο του άνθρακα (CO). Το 1972 θεσπίστηκε νομικό πλαίσιο για τη μείωση των ορίων των ρύπων σε όλα τα καινούργια αυτοκίνητα που κατασκευάζονται ή κυκλοφορούν στις χώρες μέλη της ΕΟΚ και συμφωνήθηκε ότι από τα όρια για το μονοξείδιο του άνθρακα (CO) θα είναι 20%, ενώ για τους υδρογονάνθρακες (HC) 15%. Το 1979, τα όρια έγιναν ακόμη αυστηρότερα για τις χώρες-μέλη της Ευρωπαϊκής Κοινότητας, οπότε για το μονοξείδιο του άνθρακα (CO) καθιερώθηκε μείωση του προηγούμενου ορίου (του 1975) κατά 35% και για τους υδρογονάνθρακες (HC) κατά 25%. Το 1977 αρχίσαμε για πρώτη φορά στην ιστορία ελέγχου των ρύπων του αυτοκινήτου να ασχολούμαστε και με τα επιβλαβή οξείδια του αζώτου (ΝΟ Χ ) τα οποία περιορίστηκαν και αυτά με νομικό πλαίσιο. Μάλιστα από το 1982 αποφασίστηκε οι 72

74 εκπομπές των οξειδίων του αζώτου να αναφέρονται μαζί με τις εκπομπές των υδρογονανθράκων. Με τον καινούργιο αυτό τρόπο αναφοράς, επιτεύχθηκε η σημαντικότατη μείωση των ποσοστών των εκπεμπόμενων οξειδίων του αζώτου κατά 40%, αν κάνουμε σύγκριση με τα προηγούμενα χρόνια. Για να έρθουμε στην ΕΟΚ, το 1985, οι υπουργοί περιβάλλοντος και ενέργειας αυτής, υπέγραψαν κοινή απόφαση που προέβλεπε κατάταξη των αυτοκινήτων σε τρεις γενικές κατηγορίες ορίων εκπομπής ρύπων ανάλογα με τον κυβισμό τους (πίνακας 3.1). Αυτοκίνητα με κινητήρες μέχρι 1,4 λίτρα: CO 19% HC+ΝΟχ 5% Αυτοκίνητα με κινητήρες από 1,4-2,0 λίτρα: CO 30% HC+ΝΟχ 8% Αυτοκίνητα με κινητήρες μεγαλύτερους από 2 λίτρα: CO 25% HC+ΝΟχ 6.5% Πίνακας 3.1: Πίνακας Κατάταξης αυτοκινήτων ανάλογα με τον κυβισμό τους 3.2 Οι πρώτοι καταλυτικοί μετατροπείς και η εξέλιξή τους μέχρι σήμερα Στις αρχές της δεκαετίας του 1920 έκαναν την εμφάνισή τους οι πρώτοι καταλυτικοί μετατροπείς. Κύριος σκοπός αυτών ήταν η μείωση της εκπομπής μόνο του μονοξειδίου του άνθρακα. Η ανάγκη της τοποθέτησης αυτών των "πρωτόγονων" καταλυτικών μετατροπέων ήταν για τη μείωση του εκπεμπόμενου μονοξειδίου του άνθρακα από κάποιους κινητήρες που λειτουργούσαν σε κλειστούς χώρους όπως ήταν τα ορυχεία. Αν συγκρίνουμε τους πρώτους αυτούς καταλυτικούς μετατροπείς με τους σημερινούς θα οδηγηθούμε στο συμπέρασμα της πρωτόγονης τεχνολογικά μορφής και δομής που διέθεταν. Οι πρώτοι αυτοί καταλυτικοί μετατροπείς δεν ήταν όπως οι σημερινοί που φέρουν φορέα από κεραμικό ή μεταλλικό υλικό και πάνω σε αυτόν έχει γίνει η επίστρωση των ευγενών μετάλλων που εκτελούν χρέη καταλύτη στις αντιδράσεις που λαμβάνουν χώρα. 73

75 Ήταν κατασκευασμένοι σε ένα αρκετά μεγάλο χαλύβδινο περίβλημα που το εσωτερικό του περιείχε ρινίσματα οξειδίων του νικελίου, του χαλκού και του χρωμίου. Είχε παρατηρηθεί ότι αυτά τα υλικά μπορούσαν να επιταχύνουν τις χημικές αντιδράσεις των καυσαερίων για πιο φιλικά αέρια προς το περιβάλλον. Το πρόβλημα ήταν ότι οι καταλύτες αυτοί απαιτούσαν υψηλότερη θερμοκρασία λειτουργίας απ ό,τι οι σημερινοί και η τοποθέτησή τους γινόταν πολύ κοντά στις βαλβίδες εξαγωγής, όπου τα καυσαέρια μετέφεραν πολύ μεγάλα ποσά θερμότητας από την καύση. Η θερμική μόνωση τους από το εξωτερικό περιβάλλον εξασφάλιζε την ανάπτυξη πολύ υψηλών θερμοκρασιών λειτουργίας. Τα συνεχώς αυστηρότερα όρια εκπομπής ρύπων από τα αυτοκίνητα ανάγκασε τους μελετητές, να στραφούν σε πιο αποδοτικές και πρόσφορες λύσεις, καταλήγοντας έτσι στο γνωστό κεραμικό υλικό κεραμικό μονόλιθο. Το υλικό αυτό επέτρεπε την κατασκευή ενός φορέα με τη μορφή κυψέλης όπου πάνω της θα μπορούσε να ψεκαστούν τα ευγενή μέταλλα. Οι πρώτοι αυτοί "κεραμικοί καταλύτες" είχαν αγωγούς διέλευσης των καυσαερίων τριγωνικής μορφής (εικόνα 3.1.). Εικόνα 3.1: Καταλυτικός μετατροπέας με κεραμικό μονόλιθο Μετέπειτα διαπιστώθηκε ότι τα καυσαέρια διέρχονται ευκολότερα μέσα από αγωγούς τετραγωνικής μορφής και καθιερώθηκε η κατασκευή τετραγωνικής μορφής αγωγών ροής μέσα από το κεραμικό αυτό υλικό. Το ενδιάμεσο στρώμα "wash coat" (υπόστρωμα), που μπορούσε να επιστρωθεί πάνω στο κεραμικό υλικό και κάτω από τα ευγενή μέταλλα αύξανε πολλαπλάσια την επιφάνεια του καταλυτικού μετατροπέα. Η κατασκευή αυτή δίνει τη δυνατότητα στα καυσαέρια να έρθουν σε επαφή με μεγαλύτερες επιφάνειες καταλυτικών στοιχείων, κι έτσι επιταχύνονται οι χημικές αντιδράσεις για τη μετατροπή των ρύπων. Το πλεονέκτημα λοιπόν είναι ότι μειώνεται σημαντικά η εξωτερική διάμετρος του καταλυτικού μετατροπέα σε σχέση πάντα με 74

76 τους καταλύτες πρώτης γενιάς. Δεν μειώνεται όμως μόνο ο όγκος του μετατροπέα αλλά και το βάρος του. Δεν θα πρέπει να ξεχάσουμε άλλο ένα σημαντικό πλεονέκτημα, τη μείωση της θερμοκρασίας λειτουργίας. Για όλους αυτούς τους λόγους χρησιμοποιούνται ως φορείς οι κεραμικοί μονόλιθοι στα Ευρωπαϊκά αυτοκίνητα. Τη δεκαετία του 70 κατασκευάστηκαν οι πρώτοι καταλυτικοί μετατροπείς που έφεραν στο εσωτερικό τους μεταλλικά σφαιρίδια (εικόνα 3.2) μ επικάλυψη από ευγενή μέταλλα. Τα καυσαέρια περνούσαν μέσα από τα σφαιρίδια και έτσι γινόταν η μετατροπή των ρύπων. Διέθεταν δύο τάπες, μία για την εισαγωγή των σφαιριδίων και μία για την αφαίρεση αυτών. Τα σφαιρίδια κάθε km έπρεπε να αντικατασταθούν με καινούργια ενώ τα παλαιά πήγαιναν για ανακύκλωση- αναζωογόνηση. Ο τύπος αυτός του καταλύτη δεν "έπιασε" λόγω των μειονεκτημάτων που παρουσίαζε, όπως για παράδειγμα, η σχετικά μεγάλη φραγή που δημιουργούσαν τα σφαιρίδια στην έξοδο των καυσαερίων. Εικόνα 3.2: Καταλυτικός μετατροπέας με αντικαθιστώμενα σφαιρίδια Το 1978 ήρθε η ανακάλυψη του πρώτου μεταλλικού καταλύτη (εικόνα 3.). Σε αυτού του είδους τον καταλυτικό μετατροπέα, ο φορέας κατασκευάζεται από λεπτό φύλο μετάλλου (foil) κατάλληλα διαμορφωμένο, διαμορφώνεται δε κάτω από ειδικές συνθήκες και διαδικασία. Η επίστρωση των ευγενών μετάλλων στον μεταλλικό μετατροπέα είναι η ίδια όπως και στους "κεραμικούς μονόλιθους". Το πλεονέκτημα του μεταλλικού καταλυτικού μετατροπέα είναι οι μικρότερες εξωτερικές διαστάσεις του. Ως μειονέκτημα μπορούμε να αναφέρουμε το σημαντικά μεγαλύτερο κόστος κατασκευής. 75

77 Εικόνα 3.3: Μεταλλικός καταλυτικός μετατροπέας 3.3 Μόλυβδος και καταλύτης Ο μόλυβδος όμως που υπήρχε στη βενζίνη απενεργοποιούσε-δηλητηρίαζε τα ευγενή μέταλλα του "καταλύτη" και δεν ήταν δυνατή η χρήση καταλυτών σε αυτοκίνητα που έκαιγαν βενζίνη με μόλυβδο. Ο μόλυβδος ήταν σε υγρή μορφή (τετρααιθυλιούχος μόλυβδος) και η προσθήκη του γινόταν αμέσως μετά την απόσταξη του αργού πετρελαίου. Ο σκοπός της προσθήκης μολύβδου στη βενζίνη ήταν να αυξηθούν τα οκτάνια, ώστε να υπάρχει μικρό κόστος παρασκευής καυσίμου αλλά και να λιπαίνει τις έδρες των βαλβίδων. Λόγω λοιπόν του προβλήματος της απενεργοποίησης του καταλύτη από το μόλυβδο δημιουργήθηκε η αμόλυβδη βενζίνη (unleaded) που πωλείται σήμερα και αντί για μόλυβδο περιέχει αρωματικούς υδρογονάνθρακες (βενζόλιο). Πάλι την πρωτοπορία την έχουν οι Αμερικάνοι και στη συνέχεια ήρθε στην Ευρώπη και στις άλλες χώρες. Έτσι έγινε εφικτή η ευρεία χρήση καταλυτικών μετατροπέων σε όλα τα αυτοκίνητα παραγωγής: Στη Μεγάλη Βρετανία το 1987, μόνο το 5% της βενζίνης που πωλείτο ήταν αμόλυβδη, μέχρι όμως το 1992 αυξήθηκε το ποσοστό σε 45%. Μελέτη έ- δειξε ότι το 1980 η εκπομπή του μολύβδου ήταν τόνοι ετησίως ενώ το 1996 μειώθηκε σε 1000 τόνους. Ο μόλυβδος θεωρείται πολύ επικίνδυνο υλικό για τον άνθρωπο, όμως και το βενζόλιο που χρησιμοποιείται σήμερα δεν είναι αθώο υλικό για την υγεία μας. 76

78 Οι κατασκευαστές αυτοκινήτων της Μεγάλης Βρετανίας άρχισαν να τοποθετούν καταλυτικούς μετατροπείς στα αυτοκίνητα τους από το 1989, αν και δεν ήταν υποχρεωτικό από τη νομοθεσία. Την έγινε υποχρεωτικό με τη ψήφιση νόμου. Τα τελευταία χρόνια έχουν μάλιστα ληφθεί και μέτρα για την Προστασία του καταναλωτή που στην προκειμένη περίπτωση είναι όλοι οι κάτοχοι αυτοκινήτων. Τα μέτρα αυτά καθιερώθηκαν αρχικά στην Καλιφορνία το 1995 και υποχρεώνουν τους κατασκευαστές καταλυτικών μετατροπέων να παρέχουν 5έτη εγγύηση για τους μετατροπείς που διαθέτουν στο εμπόριο. Την ίδια χρονιά όμως το όριο αυτό αυξήθηκε σε 8ετή εγγύηση. Αποφασίστηκε μάλιστα η αντικατάσταση του καταλύτη να συνοδεύεται από βεβαίωση καλής τοποθέτησης και λειτουργίας. 3.4 Χημεία των καταλυτικών μετατροπέων Γνωρίζουμε από τη χημεία ότι καταλύτης είναι κάποιο στοιχείο που με την παρουσία του επιταχύνει ή επιβραδύνει κάποιες χημικές αντιδράσεις, κάτω από ορισμένες συνθήκες. Αν υποθέσουμε ότι η χημική αντίδραση γίνει χωρίς την παρουσία αυτού του στοιχείου(καταλύτη), τότε ο χρόνος που θα απαιτηθεί για την περάτωση της θα είναι πολύ μεγαλύτερος ή πολύ μικρότερος. Το φαινόμενο αυτό είναι γνωστό εδώ και πάρα πολλά χρόνια. Ο καταλυτικός μετατροπέας που τοποθετείται στο σύστημα εξαγωγής των καυσαερίων χρησιμοποιεί τους καταλύτες για να επιταχυνθούν οι χημικές αντιδράσεις που γίνονται μέσα σ' αυτόν. Για να επιτευχθεί η μετατροπή των ρύπων των καυσαερίων σε άλλα αβλαβή αέρια πρέπει η θερμοκρασία του καταλύτη να αυξηθεί αρκετά. Όσο αυτός είναι κρύος δεν μπορεί να διευκολύνει τις χημικές αντιδράσεις. Στο εσωτερικό του καταλυτικού μετατροπέα συναντάμε ένα από τα παρακάτω ευγενή μέταλλα: Πλατίνα (Pt), Παλλάδιο (Pd) και Ρόδιο (Rh) σε οξείδια. Αυτά είναι πολύ ακριβά μέταλλα γιατί δεν είναι ευρέως διαδεδομένα στη φύση. Παρακάτω αναφέρονται αρκετές χρήσιμες πληροφορίες για αυτά. Σήμερα γίνονται εκτεταμένες μελέτες και έρευνες, όχι μόνο για το συγκεκριμένο υλικό άλλα και για άλλα υλικά που θα αντικαταστήσουν τα ευγενή μέταλλα που αναφέραμε, αφού κάποια στιγμή τ αποθέματά τους χρόνο με το χρόνο μειώνονται 77

79 σημαντικά. Η πλατίνα, για παράδειγμα, έχει ετήσια παραγωγή (εξόρυξη από τη γη) 100 τόνους, βρίσκεται σε 1600 μέτρα βάθος και υπολογίζεται ότι με το σημερινό ρυθμό εξόρυξης θα υπάρχει μέχρι το Στο πίνακα 3.2 αναγράφονται οι τιμές του παλλαδίου και της πλατίνας. Οι τιμές της πλατίνας και του παλλάδιου είναι εκφρασμένες σε δολάρια ανά ουγγιά. Τα διαγράμματα αναφέρονται σε ώρα Νέας Υόρκης. Πίνακας 3.2: Τιμή παλλαδίου και πλατίνας 3.5 Ευγενή μέταλλα που χρησιμοποιούνται στους καταλύτες Η ομάδα του λευκόχρυσου στην χημεία αποτελείται από δύο υποομάδες με ελαφρά και βαρέα μέταλλα, όπως το ρουθήνιο(ruι), το ρόδιο (Rh), το παλλάδιο (Pd) για την πρώτη ομάδα και όσμιο (Os), ιρίδιο και λευκόχρυσο (Pt) για τη δεύτερη αντίστοιχα. Εμείς θ αναφερθούμε στην συνέχεια στις χημικές ιδιότητες μόνον αυτών που μας ενδιαφέρουν λόγω της χρησιμότητας τους στους καταλύτες των οχημάτων. 78

80 3.5.1 Λευκόχρυσος (Pt) [Ατομικό βάρος 195,1 - Ατομικός αριθμός 21,45 Ειδικό βάρος ]. Αναφέρεται και ως πλατίνα, έχει χρώμα με ζωηρή μεταλλική λάμψη και όπως έχουμε ήδη αναφέρει είναι ευγενές μέταλλο και δεν οξειδώνεται από τα οξέα. Λιώνει στους 1772 C και ατμοποιείται στους 3800 C περίπου. Με το οξυγόνο δεν ενώνεται σε οποιεσδήποτε συνθήκες. Όταν ερυθρωπυρωθεί προσβάλλεται απ τον άνθρακα των υδρογονανθράκων και το φωσφόρο των λιπαντικών με αποτέλεσμα να γίνεται εύθραυστος και να παρασύρεται απ τη ροή των καυσαερίων. Τα σύγχρονα λιπαντικά έχουν ασήμαντες ποσότητες τέτοιων στοιχείων, αφού η μελέτη έδειξε ότι με την πάροδο του χρόνου μειώνεται η απόδοση του καταλυτικού μετατροπέα. Γίνεται όμως προσπάθεια αντικατάστασή του με άλλα στοιχεία που δεν επηρεάζουν μεν την δράση του καταλύτη και το περιβάλλον, αλλά να διατηρούν τις ιδιότητες που παρέχουν τα στοιχεία αυτά στα λιπαντικά. Με το μόλυβδο (που περιείχε η βενζίνη) ενώνεται πολύ εύκολα στις θερμοκρασίες λειτουργίας του καταλύτη και σχηματίζει εύτηκτα κράματα. Όταν ο λευκόχρυσος λιώσει, έρχεται σε επαφή με το οξυγόνο του ατμοσφαιρικού αέρα και απορροφάει αρκετή ποσότητα από αυτό, το οποίο και αποδίδει τελικά με την πήξη του. Έτσι χρησιμοποιείται ως καταλύτης για την επιτάχυνση των οξειδωτικών αντιδράσεων. Ο λευκόχρυσος σε λεπτό διαμερισμό και σε υψηλές θερμοκρασίες έχει την ικανότητα απορρόφησης του υδρογόνου το οποίο ενώνει με το οξυγόνο προς σχηματισμό υδρατμών Παλλάδιο (Pd) [Ατομικό βάρος Ατομικός αριθμός 46 Ειδικό βάρος 12]. Είναι μέταλλο αργυρόλευκο, με πολύ μεγάλη στιλπνότητα, αρκετά όλκιμο κι ελατό. Λιώνει στους 1552 C και ατμοποιείται στους 3000 C περίπου. Το παλλάδιο, όταν θερμανθεί, σχηματίζει επιφανειακά ένα στρώμα οξειδίου του παλλαδίου που έχει χρώμα μπλε. Όπως ο λευκόχρυσος (πλατίνα) έτσι και το παλλάδιο σε υψηλές 79

81 θερμοκρασίες και σε λεπτό διαμερισμό έχει την ικανότητα απορρόφησης του υδρογόνου το οποίο ενώνεται με το οξυγόνο προς σχηματισμό υδρατμών Ρόδιο (Rh) [Ατομικό βάρος Ατομικός αριθμός 45 Ειδικό βάρος 12,4]. Είναι μέταλλο σκληρό, πολύ στιλπνό και το χρώμα του είναι αργυρόλευκο. Δεν προσβάλλεται από τα οξέα όταν είναι σε συμπαγή κατάσταση. Η επιφάνεια του μπορεί να καλυφθεί από ένα στρώμα οξειδίου χρώματος μπλε όταν θερμανθεί σε υψηλή σχετικά θερμοκρασία. Λιώνει στους 1965 C και ατμοποιείται στους 3700 C περίπου. 3.6 Δομή του καταλυτικού μετατροπέα Η εσωτερική κατασκευή του καταλυτικού μετατροπέα εξαρτάται από τον τύπο και το είδος του. Η εξωτερική του μορφή όμως δέχεται επηρεασμούς από την εσωτερική δομή και το χώρο που θα τοποθετηθεί. Ξεκινώντας λοιπόν την ανάλυση από τα έξω προς τα μέσα, μπορούμε ν αναφέρουμε ότι ένας καταλυτικός μετατροπέας αποτελείται από (εικόνα 3.4): Την ασπίδα θερμότητας. Το μεταλλικό προστατευτικό εξωτερικό περίβλημα. Τον τάπητα επικάλυψης του καταλυτικού φορέα. Τον καταλυτικό φορέα. Τους λαιμούς εισόδου-εξόδου των καυσαερίων. Την μεταλλική ετικέτα. Το σωλήνα προσαγωγής αέρα (εφόσον υπάρχει). 80

82 Εικόνα 3.4. Χαρακτηριστικά μέρη ενός καταλύτη 1. Εσωτερικό περίβλημα 2. Ανοξείδωτη πυρίμαχη συγκόλληση 3. Σωλήνας εισόδου καυσαερίων 4. Κεραμική κυψέλη (κεραμικός μονόλιθος) 5. Εξωτερική συγκόλληση σώματος 6. Εσωτερική ραφή σώματος 7. Είσοδος οξυγόνου 8. Εξωτερικό περίβλημα 81

83 3.6.1 Ασπίδες θερμότητας Κατασκευάζονται συνήθως από αλουμίνιο ή ανοξείδωτο χαλυβδοέλασμα με ενισχύσεις που προσφέρουν πρόσθετη μηχανική αντοχή και διευκόλυνση στη διαστολή της ασπίδας λόγω των υψηλών θερμοκρασιών. Οι ασπίδες θερμότητας (εικόνα 3.5) τοποθετούνται συνήθως στο επάνω μέρος και εξωτερικά του μετατροπέα για να αποκόπτουν την μετάδοση θερμότητας με ακτινοβολία προς το δάπεδο του οχήματος. Λόγω των υψηλών θερμοκρασιών που επικρατούν στο περίβλημα του μετατροπέα υπάρχει κίνδυνος υπερθέρμανσης του δαπέδου του οχήματος και ανάφλεξης των υλικών που βρίσκονται εσωτερικά αυτού. Σε μερικές περιπτώσεις μπορεί να συναντήσουμε ασπίδα προς το οδόστρωμα, ώστε η τοποθέτηση της να έχει σαν απώτερους σκοπούς: Την προστασία του καταλυτικού μετατροπέα από μηχανικές καταπονήσεις (χτυπήματα από πέτρες). Την προστασία του καταλυτικού μετατροπέα, ώστε να μην ψύχεται από τα νερά που πετάγονται από τους τροχούς του οχήματος όταν βρέχει ή όταν το όχημα βρίσκεται σε βρεγμένο οδόστρωμα. Την ελάττωση της πιθανότητας ανάφλεξης εύφλεκτων υλικών όπως για παράδειγμα ξηρά χόρτα, σκουπίδια, κ.α. όταν το όχημα σταθμεύσει πάνω από αυτά. Εικόνα 3.5 : Ασπίδες θερμότητας 82

84 Η ασπίδα τοποθετείται σε συγκεκριμένη απόσταση από το περίβλημα του καταλυτικού μετατροπέα. Μεταξύ της ασπίδας και του εξωτερικού περιβλήματος του μετατροπέα υπάρχει κενός χώρος-αέρας Περίβλημα Ο καταλυτικός μετατροπέας φέρει προστατευτικό περίβλημα το οποίο είναι κατασκευασμένο από ανοξείδωτο χάλυβα (εικόνα 3.6). Το τμήμα μελετών και σχεδίασης των κατασκευαστριών εταιρειών μελετάει και σχεδιάζει τη μορφή του περιβλήματος. Στο σχεδιασμό αυτού λαμβάνονται διάφοροι παράγοντες υπ' όψη, όπως: Η θέση που θα τοποθετηθεί ο μετατροπέας ανάλογα με το μοντέλο του οχήματος η ροή των καυσαερίων (παροχή) το εσωτερικό του καταλυτικού μετατροπέα (τύπος και είδος)το είδος του οχήματος που θα τοποθετηθεί. Εικόνα 3.6: Μέρη του καταλυτικού μετατροπέα 83

85 3.6.3 Θερμομονωτικό Υλικό Το θερμομονωτικό υλικό βρίσκεται ενδιάμεσα στα δύο μεταλλικά περιβλήματα και έχει πάχος 15mm, μειώνει στο ελάχιστο την μετάδοση της θερμότητας προς το περιβάλλον. Για να λειτουργήσει σωστά ο καταλύτης θα πρέπει η θερμοκρασία του να φτάσει σε μια ελάχιστη θερμοκρασία από 250 έως 300 C. Έτσι τα πρώτα λεπτά λειτουργίας, κατά την προθέρμανση του κινητήρα, εκπέμπονται στην ατμόσφαιρα περισσότερο από το 80% των ρύπων. Με την "επικάλυψη" του καταλύτη με μονωτικό υλικό επιτυγχάνεται η άμεση θέρμανση του αλλά και η διατήρηση μιας σταθερής θερμοκρασίας μετά τη φάση της προθέρμανσης. Ο Αγγλικός όρος "light off που χρησιμοποιείται εκτεταμένα στα τεχνικά χαρακτηριστικά αναφέρεται σ αυτόν ακριβώς το χρόνο προθέρμανσης του μετατροπέα για ν αρχίσει η διεργασία των αντιδράσεων μετατροπής των ρύπων Διαστελλόμενος Τάπητας Επικάλυψης του Πυρήνα Αρχικά, με τον όρο "φορέας" αναφερόμαστε στην καρδιά του καταλύτη στο κεραμικό ή μεταλλικό υλικό που πάνω σε αυτό επιστρώνεται το ενδιάμεσο στρώμα (wash coat) και τα ευγενή μέταλλα. Ο τάπητας επικαλύπτει το φορέα και τον προστατεύει απ τους κραδασμούς. Με τη βοήθεια του τάπητα στηρίζεται σταθερά μέσα στο περίβλημα κι αποφεύγεται η μετατόπισή του από κραδασμούς. Το κεραμικό υλικό είναι εύθραυστο και στην περίπτωση που εκτεθεί σε κραδασμούς θα σπάσει, με συνέπεια να εμποδίζεται η ροή των καυσαερίων Φορέας Φορέας είναι το υλικό που προσφέρει σχετικά μεγάλη επιφάνεια στα καυσαέρια. Τα υλικά που χρησιμοποιούνται σ αυτήν την περίπτωση είναι μεταλλικό λεπτό φύλο κατάλληλα διαμορφωμένο ή κεραμικός μονόλιθος. Πάνω στο φορέα αυτό επι- 84

86 στρώνεται κάποιο άλλο υλικό για την αύξηση της επιφάνειάς του και αυτό αναφέρεται ως ενδιάμεσο στρώμα ή wash coat. Τέλος, πάνω από το wash coat επιστρώνονται τα ευγενή μέταλλα τα οποία παρέχουν καταλυτική δράση στη μετατροπή των ρύπων Λαιμοί Εισόδου - Εξόδου των Καυσαερίων Είναι τα σημεία που τυγχάνουν προσεκτικής μελέτης γιατί από αυτά εισέρχονται και εξέρχονται τα καυσαέρια στον καταλύτη (εικόνα 3.7). Εικόνα 3.7: Λαιμοί εισόδου εξόδου των καυσαερίων στον καταλύτη Μεταλλική Ετικέτα Η ετικέτα αυτή που φαίνεται και στο αναφέρει τον αριθμό σειράς, τον τύπο του καταλύτη, την ημερομηνία κατασκευής και το μοντέλο αυτοκινήτου για το οποίο προορίζεται. Με την ευκαιρία αναφέρουμε ότι πάνω στο περίβλημα του μετατροπέα υ- πάρχει βέλος που δείχνει τη ροή των καυσαερίων. Στην περίπτωση που τοποθετηθεί ανάποδα ο "καταλύτης" δεν υπάρχει καταλυτική δράση και δεν μειώνονται οι ρύποι. 85

87 3.6.8 Σωλήνας Προσαγωγής Πρόσθετου Αέρα (αν διατίθεται) Ο σωλήνας αυτός (εικόνα 3.8) υπάρχει προς το παρόν μόνο σε "καταλύτες" του εξωτερικού αφού η τεχνολογία προσαγωγής αέρα στον καταλύτη δεν έχει έρθει στην Ελλάδα ακόμη. Με τη βοήθεια μιας αντλίας πρόσθετου αέρα προσάγεται ατμοσφαιρικός αέρας στον καταλύτη και ελαττώνονται και άλλο τα επίπεδα των ρύπων. Εικόνα 3.8 Σωλήνα προσαγωγής πρόσθετου αέρα 3.7 Εταιρίες κατασκευής καταλυτικών μετατροπέων Σ αυτό το σημείο θα πρέπει να αναφερθεί πως η δομή που περιγράφηκε παραπάνω δεν είναι κανόνας κατασκευής για όλους τους καταλυτικούς μετατροπείς. Ο κάθε κατασκευαστής χρησιμοποιεί λίγο διαφορετικά υλικά και διαφοροποιεί το σχεδιασμό του ανάλογα με τις μελέτες που έχει κάνει. Έτσι λοιπόν καθώς στην Ελλάδα δεν υπάρχει κατασκευάστρια εταιρία, υπάρχουν εταιρίες εισαγωγής από διάφορα κράτη που διακινούν τους καταλυτικούς μετατροπείς σε συνεργεία επισκευής του συστήματος εξαγωγής ή ακόμη και σε συνεργεία αυτοκινήτων είτε αυτά είναι εξουσιοδοτημένα είτε όχι. Οι κατασκευαστές αυτοκι- 86

88 νήτων προμηθεύονται μεγάλες ποσότητες καταλυτικών μετατροπέων ανάλογα με το μοντέλο στο οποίο θα τους τοποθετήσουν, απ' ευθείας από την πηγή. Υπάρχουν εταιρίες που κατασκευάζουν καταλυτικούς μετατροπείς μόνο για μικρές ή μεγάλες αυτοκινητοβιομηχανίες και άλλες που διαθέτουν τα προϊόντα τους στο σαν ανταλλακτικά ή για Retrofit. Οι μεγαλύτερες εταιρίες κατασκευής καταλυτικών μετατροπέων είναι: η γερμανική Emitec, η φιλανδική Kemira, η γερμανική Walker, η επίσης γερμανική HJS, καθώς και πολλές άλλες αμερικάνικες και γερμανικές εταιρίες όπως: Tri-d, Car sound, Clean air system, Blackthorn Auto Catalysts, Random Technology, Multimetco, Engelhard, Ceryx, Applied Diesel Technology inc., Ultramet, Miratech, Gat, Uni-fit, Oberland Mangold, Delphi, Degussa-DMC 2, Air-tek που αντιπροσωπεύεται στην Ελλάδα απ' την Catco HELLAS, Environmental Products-Johnson Matthey. Τέλος να αναφέρουμε και τις κυριότερες εταιρίες που εισαγάγουν καταλυτικούς μετατροπείς στην Ελλάδα όπως : Walker, Americat, BEDA και HJS που αντιπροσωπεύεται από την εταιρία Merit Hellas στην Αττική. 3.8 Είδη καταλυτικών μετατροπέων Οι καταλυτικοί μετατροπείς είναι διατάξεις που τοποθετούνται μετά την πολλαπλή εξαγωγή καυσαερίων των κινητήρων εσωτερικής καύσης κι έχουν σαν σκοπό τη μετατροπή των ρύπων σε αέρια μη επιβλαβή στον άνθρωπο και το περιβάλλον. Οι καταλυτικοί μετατροπείς χρησιμοποιούνται σ όλες τις μηχανές εσωτερικής καύσης, απ τις πολύ μικρές (αλυσοπρίονα, μοτοποδήλατα) μέχρι τις πολύ μεγάλες (φορτηγά, λεωφορεία, γεννήτριες κ.α.). Η τοποθέτησή τους μπορεί να μας επιβαρύνει οικονομικά αλλά εξασφαλίζει καθαρότερο περιβάλλον για όλους χωρίς επιβλαβή αέρια. Οι κατασκευάστριες εταιρίες δαπανούν τεράστια ποσά σε μελέτες και έρευνες κάθε χρόνο που έχουν σα στόχους: Τη βελτίωση της απόδοσης του μετατροπέα για καθαρότερα καυσαέρια. Την αντικατάσταση κάποιων πολύ ακριβών υλικών που χρησιμοποιούνται σήμερα. 87

89 Τη μικρότερη δυνατή μείωση της ισχύος του κινητήρα. Οι εταιρίες κατασκευής καταλυτικών μετατροπέων έχουν επενδύσει πολλά χρήματα στη μελέτη και στο μηχανολογικό εξοπλισμό. Ειδικοί επιστήμονες επανδρώνουν τις ομάδες έρευνας και μελέτης των κατασκευαστριών εταιριών. Λόγω των ευαίσθητων υλικών που χρησιμοποιούνται μέσα στους μετατροπείς αλλά και των μεγάλων θερμοκρασιών που αναπτύσσονται θα πρέπει ο μετατροπέας να είναι κατασκευασμένος προσεκτικά και με άρτια μηχανολογική υποστήριξη. Έτσι ο μηχανολογικός εξοπλισμός είναι ο πρώτος και ο τελευταίος παράγοντας στον ο- ποίο οφείλεται η επιτυχία της κατασκευής, πράγμα που επηρεάζει άμεσα την ποιότητα και τη διάρκεια ζωής των μετατροπέων. Οι βασικοί τύποι καταλυτικών μετατροπέων που μπορούμε να αναφέρουμε σύμφωνα με τα υλικά από τα οποία είναι κατασκευασμένοι οι φορείς τους είναι οι ε- ξής: Ο καταλυτικός μετατροπέας με φορέα (υπόστρωμα) κεραμικού μονόλιθου, monolith catalytic converter Ο καταλυτικός μετατροπέας με μεταλλικό φορέα, metal catalyst converter Ο καταλυτικός μετατροπέας με μεταλλικά αντικαθιστώ μένα σφαιρίδια, pellet type catalytic converter ad blue Μπορούμε όμως να κατατάξουμε τους καταλυτικούς μετατροπείς και ανάλογα με το είδος των αντιδράσεων που ευνοούν. Αυτό έχει να κάνει με το είδος του ευγενούς μετάλλου που έχει χρησιμοποιηθεί πάνω από το ενδιάμεσο στρώμα (wash coat). Αρκεί λοιπόν να αναφέρουμε ότι για παράδειγμα το ρόδιο έχει την ικανότητα να αναγάγει τα οξείδια του αζώτου, ενώ το παλλάδιο και η πλατίνα παρουσιάζουν μια ιδιαίτερη ικανότητα στο να οξειδώνουν τους υδρογονάνθρακες και το μονοξείδιο του άνθρακα. Η κατάταξη αυτή έχει ως εξής: Αναγωγικός καταλυτικός μετατροπέας Οξειδωτικός καταλυτικός μετατροπέας o Διπλής κλίνης o Διπλής κλίνης με προσαγωγή πρόσθετου αέρα 88

90 o Τετραπλής κλίνης με προσαγωγή πρόσθετου αέρα Τριοδικός καταλυτικός μετατροπέας Τριοδικός ρυθμιζόμενος Τριοδικός μη ρυθμιζόμενος Για τα παραπάνω θα γίνει πλήρη αναφορά στις επόμενες ενότητες. 3.9 Δομή του κεραμικού καταλυτικού μετατροπέα Μεταλλικό Προστατευτικό Περίβλημα Το περίβλημα του καταλυτικού μετατροπέα έχει σαν σκοπό την προστασία και τη συγκράτηση των ευαίσθητων υλικών που υπάρχουν εσωτερικά του (εικόνα 3.9). Κατασκευάζεται από ανοξείδωτο χάλυβα 409 του οποίου η σύσταση είναι : Fe 45%, Νϊ ως και 36%, Cr ως και 27%. Η συνήθης εγγύηση που παρέχεται από τις εταιρίες κατασκευής καταλυτών για οξείδωση είναι 4χρόνια ή km. Λόγω των οξειδίων που δημιουργούνται από την καύση και την συμπύκνωση των υδρατμών που παράγονται από αυτήν και τις αντιδράσεις που λαμβάνουν χώρα στο εσωτερικό του μετατροπέα, χρησιμοποιείται ο ανοξείδωτος χάλυβας για την κατασκευή του περιβλήματος. Έτσι επιτυγχάνεται μεγαλύτερη διάρκεια ζωής αυτού. Αν δεν ήταν ανοξείδωτος ο χάλυβας του περιβλήματος τότε τα τεμάχια σκουριάς θα έφραζαν τους αγωγούς ροής του μονόλιθου και δεν θα ήταν εύκολη η έξοδος των καυσαερίων με τελικό αποτέλεσμα την πτώση της ισχύος του κινητήρα στο ελάχιστο. Ανάλογα με την κατασκευάστρια εταιρία συναντούμε στο περίβλημα πτυχώσεις-νεύρα που έχουν δημιουργηθεί για τέσσερις λόγους: Προσφέρουν μια ισχυρότερη κατασκευή στο περίβλημα Συγκρατούν σταθερά στη θέση του τον κεραμικό μονόλιθο για να αποφεύγεται η μετατόπιση του από τις ανωμαλίες του οδοστρώματος 89

91 Τα νεύρα αυτά δημιουργούν έναν ιδανικό χώρο για την τοποθέτηση του διαστελλόμενού τάπητα Με τον τάπητα τοποθετημένο μέσα σε αυτήν την «φωλιά» δεν εμποδίζεται η ροή των καυσαερίων, αφού βρίσκεται έξω από αυτήν. Εικόνα 3.9: Κεραμικός καταλυτικός μετατροπέας αυτοκινήτων 90

92 3.9.2 Διαστελλόμενος τάπητας Ο διαστελλόμενος τάπητας ή απλά τάπητας, βρίσκεται στο εσωτερικό του περιβλήματος και καλύπτει τον κεραμικό φορέα εξασφαλίζοντας: Την προστασία από θραύση του ευαίσθητου τεμαχίου του κεραμικού μονόλιθου λόγω των κραδασμών που προέρχονται από τις ανωμαλίες του οδοστρώματος. Θερμoμονώνει τον καταλύτη προκειμένου να επιτυγχάνεται η σωστή θερμοκρασία λειτουργίας συντομότερα. Aναλαμβάνει να απορροφήσει τις διαστολές του κεραμικού τεμαχίου που βρίσκεται εσωτερικά του. Tέλος ηχομονώνει από τους θορύβους που προκαλούνται από τη ροή των καυσαερίων. Οι τύποι του διαστελλόμενου τάπητα που χρησιμοποιούνται για την επικάλυψη του κεραμικού μονόλιθου μέσα στο μεταλλικό περίβλημα είναι δύο: Ο πρώτος είναι από ημιελαστικό υλικό και ο δεύτερος από ανοξείδωτο μεταλλικό πλέγμα. Ο πρώτος τύπος, είναι ένα ημιελαστικό συνθετικό υλικό και χρησιμοποιείται, όπως είπαμε, για να "καλύψει" εξωτερικά το τεμάχιο του κεραμικού μονόλιθου. Ε- φαρμόζει πολύ καλά γύρω απ αυτό για να το προστατέψει απ τις μηχανικές καταπονήσεις (κρούσεις, κραδασμούς), λειτουργεί όμως και σαν θερμομόνωση. Κατασκευάζεται από κεραμικές ίνες για να έχει μεγάλη θερμική αντοχή και από ρητίνη για να διαθέτει ελαστικότητα (διαστέλλεται), απ τη θερμοκρασία των 300 C και πάνω. Οι ίνες του τάπητα διατηρούν τις ελαστικές τους ιδιότητες και πέρα απ τους 1000 C. Μια άλλη σημαντική προσφορά του τάπητα είναι η εξασφάλιση ηχομόνωσης της ροής των καυσαερίων μέσα από τους αγωγούς ροής του κεραμικού υλικού. Μπορεί να συνενωθεί και δεύτερο εξωτερικό περίβλημα που ανάμεσα στα δύο αυτά να υπάρχει θερμομονωτικό υλικό γιο να θερμομονώνει καλύτερα το μετατροπέα και να επιτυγχάνεται συντομότερα η θερμοκρασία λειτουργίας κατά την εκκίνηση του κρύου κινητήρα. Όταν ο καταλύτης είναι κρύος δεν γίνεται καμία αντίδραση μετατροπής των ρύπων. Θα πρέπει να επιτευχθεί η θερμοκρασία λειτουργίας και να αρχίσει η διαδικασία μετατροπής αυτών. 91

93 Ο δεύτερος τύπος είναι από διογκωμένο μεταλλικό πλέγμα, σε αυτήν την περίπτωση το πλέγμα προστατεύει, σαν είδος "ανάρτησης", τον κεραμικό μονόλιθο αλλά δεν τον θερμομονώνει. Αν υπάρχει μεταλλικό πλέγμα για την προστασία του κεραμικού μονόλιθου, τότε θα περιμένουμε να συναντήσουμε ίσως διπλό μεταλλικό περίβλημα που στον ενδιάμεσο χώρο θα υπάρχει θερμομονωτικό υλικό. Το μεταλλικό πλέγμα δεν χρησιμεύει μόνο για τη σταθεροποίηση του κεραμικού μονόλιθου, αλλά και για την απορρόφηση της θερμικής διαστολής του λόγω των υψηλών θερμοκρασιών λειτουργίας. Το μεταλλικό προστατευτικό πλέγμα κατασκευάζεται από κράμα ανοξείδωτου χάλυβα με χρώμιο και είναι σε δύο κομμάτια, τα οποία συγκολλούνται προσεκτικά με ηλεκτροπόντα μετά την τοποθέτηση του κεραμικού μονόλιθου μέσα σ αυτά Φορέας Με τον όρο «φορέας» (εικόνα 3.10) αναφερόμαστε στο βασικό υλικό πάνω στο οποίο επιστρώνονται το ενδιάμεσο στρώμα (wash coat) και τα ευγενή μέταλλα. Μερικές φορές μπορεί να συναντήσουμε σε βιβλία ή σε άρθρα, αντί του όρου φορέα, τον όρο υπόστρωμα. Αναφέρεται έτσι, επειδή βρίσκεται κάτω απ το ενδιάμεσο στρώμα, αλλά και από τα ευγενή μέταλλα. Τα κεραμικά υλικά που χρησιμοποιούνται αυτήν την εποχή θα μπορούσαμε να πούμε ότι είναι δύο: Εικόνα 3.10: Φορέας 92

94 Κεραμικός μονόλιθος Εσωτερικά του περιβλήματος υπάρχουν δύο τεμάχια (bricks) κεραμικού φορέα (εικόνα 3.11) που το βασικό τους υλικό είναι ο τεχνητός κεραμικός μονόλιθος (κορδιερίτης = Mg 2 AI 4 Si 5 O 18 ) και σαν κεραμικό υλικό έχει αρκετά υψηλό σημείο τήξεως(1400 C) και πολύ μικρή θερμική διαστολή. Είναι πορώδες υλικό με μέγεθος πόρων της τάξεως μερικών χιλιάδων Amstrongs. Είναι επίσης υλικό ιδιαίτερης θερμικής αντοχής αλλά σπάει πολύ εύκολα με την κρούση. Σαν μονής κλίνης αναφέρεται ο μετατροπέας που εσωτερικά του συναντάμε ένα μόνο τεμάχιο "brick" κεραμικού φορέα. Διπλής κλίνης ονομάζεται ο μετατροπέας που εσωτερικά του υπάρχουν τοποθετημένα δύο τεμάχια κεραμικού φορέα μ ενδιάμεσο κενό χώρο. Όταν το αυτοκίνητο διαθέτει σύστημα προσαγωγής δευτερεύοντος αέρα στην εξαγωγή καυσαερίων, τότε ανάμεσα στις δύο κλίνες (τεμάχια) προσάγεται φρέσκος αέρας απ την ατμόσφαιρα με τη βοήθεια αντλίας για περαιτέρω μείωση των ρύπων. Το σύστημα όμως αυτό προς το παρόν χρησιμοποιείται εκτεταμένα στην Αμερική. Λόγω των πολύ λεπτών αγωγών ροής που έχουν δημιουργηθεί μέσα στη μάζα του κεραμικού υλικού, έχει επιτευχθεί η αύξηση της επιφάνειάς του, που έρχεται σ επαφή με τα καυσαέρια. Οι αγωγοί αυτοί επιτρέπουν τη διέλευση των καυσαερίων χωρίς να υπάρχει μείωση της ροής λόγω φραγμού. Σαν σύνολο οι αγωγοί ροής μοιάζουν πολύ με κυψέλες. Ξεκινούν απ το ένα άκρο του κεραμικού φορέα (brick) και καταλήγουν στο άλλο. Εικόνα 3.11: Κεραμικά bricks πάχος 1 93

95 Το πάχος των τοιχωμάτων των αγωγών κυμαίνεται από 0,15mm ως και 0,3mm ανάλογα με τον κατασκευαστή. Σε κάθε τετραγωνικό εκατοστό επιφάνειας υπάρχουν περίπου 60 αγωγοί ροής (κυψέλες). Παλαιότερα ο αριθμός των αγωγών δεν ξεπερνούσε τους 30 ανά τετραγωνικό εκατοστό επιφάνειας όμως με την ελάττωση του πάχους των τοιχωμάτων αυξήθηκε στο διπλάσιο ο αριθμός των αγωγών. Αυτό όχι μόνο δεν δημιούργησε πρόβλημα στην ροή των καυσαερίων αντίθετα την βελτίωσε και μείωσε την αντίθλιψη, δηλαδή την διαφορά πίεσης εισόδου εξόδου του μετατροπέα. Το εξωτερικό σχήμα των τεμαχίων του κεραμικού μονόλιθου (bricks) που είναι τοποθετημένα μέσα στο περίβλημα του καταλυτικού μετατροπέα μπορεί να είναι στρογγυλό ή ωοειδές. Αυτό ξεχωρίζει εύκολα απ την εξωτερική μορφή του μετατροπέα. Όσον αφορά τη μορφή της διατομής των αγωγών ροής των καυσαερίων που διασχίζουν τη μάζα του μονόλιθου απ το ένα άκρο στο άλλο ποικίλει, μπορεί να τη συναντήσετε με τριγωνική μορφή, τετραγωνική, εξαγωνική ή ακόμα και κυκλική. Αν μπορούσαμε να απλώσουμε "ξεδιπλώσουμε" ολόκληρη την επιφάνεια των αγωγών ροής ενός μεσαίου μεγέθους μονόλιθου και να τοποθετήσουμε τον έναν αγωγό δίπλα στον άλλο, τότε θα καλύπταμε μια επιφάνεια 4 τετραγωνικών μέτρων περίπου. Έτσι λοιπόν, καταλήξαμε στον κεραμικό μονόλιθο σαν βάση πυρήνα του καταλυτικού μετατροπέα γιατί αν τον συγκρίνουμε με ίδιους όγκους προηγούμενων τύπων καταλυτών θα διαπιστώσουμε ότι έχει 2-3 φορές μεγαλύτερη επιφάνεια στη ροή των καυσαερίων. Αυτό είναι το επιθυμητό, γιατί όσο πιο μεγάλη επιφάνεια έχει η καταλυτική ουσία (ευγενή μέταλλα) τόσο καλύτερα επιταχύνονται οι αντιδράσεις μετατροπής των επιβλαβών αερίων σε καθαρότερα. Όμως δεν πρέπει σε καμία περίπτωση η αύξηση της επιφάνειας με την προσθήκη περισσότερων αγωγών ροής ν αποτελέσει εμπόδιο για την έξοδο των καυσαερίων απ τον κινητήρα. Η χρήση του κεραμικού μονόλιθου έφερε τη σημαντική μείωση των εξωτερικών διαστάσεων των καταλυτικών μετατροπέων. Ξοδεύονται πολλά χρήματα κάθε χρόνο απ τις εταιρείες κατασκευής καταλυτικών μετατροπέων για να μειωθεί στο ελάχιστο η διαφορά πίεσης μεταξύ της εισόδου και της εξόδου του καταλυτικού μετατροπέα. Αυτή η διαφορά πίεσης αναφέρεται σαν πίεση αντιστάθμισης ή αντίθλιψης. Όσο μεγαλύτερη είναι η αντίθλιψη τόσο μεγαλύτερη φραγή υπάρχει στη ροή των καυσαερίων από το σώμα του κεραμικού μο- 94

96 νόλιθου. Υπάρχουν μόνο τρία εργοστάσια στον κόσμο που κατασκευάζουν το κεραμικό σώμα-βάση του καταλυτικού μετατροπέα. Αυτά προμηθεύουν τις εταιρείες κατασκευής-συναρμολόγησης που αναφέραμε πιο πριν. Οι κεραμικοί καταλυτικοί μετατροπείς που κατασκευάζονται σήμερα φέρουν συνήθως δύο τεμάχια κεραμικού μονόλιθου με ενδιάμεσο κενό χώρο και αναφέρονται ως διπλής κλίνης. Το κάθε ένα από τα τεμάχια αυτά έχει μήκος όχι πάνω από 10cm. Αυτός ο τρόπος κατασκευής επιτρέπει ελαφρύτερο ενδιάμεσο στρώμα και προσαγωγή του δευτερεύοντος αέρα στον ενδιάμεσο χώρο των κεραμικών τεμαχίων. Ο αέρας αυτός βοηθάει στην οξείδωση των ρύπων (HC, CO) στο δεύτερο τεμάχιο του μονόλιθου. Στην περίπτωση αυτή θα πρέπει να προσέξουμε τη φορά τοποθέτησης του μετατροπέα. Πάνω στο περίβλημα αυτού είναι τυπωμένο ένα βέλος με τη λέξη flow (ροή) που δείχνουν τη φορά της ορθής τοποθέτησης. Υπάρχουν όμως εταιρείες όπως είναι η Random που το μήκος των κεραμικών τεμαχίων του μετατροπέα δεν ξεπερνούν τα 6cm. To ενδιάμεσο όμως στρώμα είναι πολύ πλουσιότερο από αυτά που έχουν μεγαλύτερο μήκος. Έχει μετρηθεί ότι όσο μεγαλύτερο είναι το τεμάχιο του μονόλιθου τόσο μεγαλύτερη αντίσταση παρουσιάζεται στη ροή των καυσαερίων με αποτέλεσμα τον καλό περιορισμό των ρύπων αλλά και την πολύ μικρή ελάττωση της ιπποδύναμης του κινητήρα. Η πτώση της ισχύος οφείλεται στη φραγή που δημιουργείται στην έξοδο των καυσαερίων από τον κεραμικό φορέα, αποτέλεσμα αυτής είναι η αύξηση της κατανάλωσης καυσίμου. Παρατήρηση: Η τήξη του κεραμικού μονόλιθου του καταλυτικού μετατροπέα εμφανίζεται στους 1000 C SiC Τελευταία η Αμερικανική εταιρεία Ultramet έχει κατασκευάσει ένα νέο τύπο φορέα (υπόστρωμα) από SiC (καρβίδιο του πυριτίου), το οποίο και θεωρείται ως κεραμικό υλικό (εικόνα 3.12). Ο φορέας αυτός προσφέρει αρκετά πλεονεκτήματα σε σχέση με τον κορδιερίτη. Μερικά από αυτά είναι: μικρή θερμοχωρητικότητα, μικρή αντίθλιψη, μεγάλη θερμική αντοχή, μικρή μάζα, μεγάλη απορρόφηση του ήχου, συνεχή λειτουργία στους 1400 C. 95

97 Εικόνα 3.12 : Καρβίδιο πυριτίου (Sic) Ενδιάμεσο Στρώμα Wash-Coat Αφού λοιπόν κατασκευαστεί το κεραμικό σώμα-βάση του καταλυτικού μετατροπέα, στη συνέχεια μεταφέρεται σε άλλο τμήμα ή ακόμη και σε άλλο εργοστάσιο για χημική επεξεργασία. Με τη μέθοδο της εμβύθισης, γίνεται η επίστρωση ολόκληρης της επιφάνειας του κεραμικού μονόλιθου με οξείδια του αλουμινίου (AL 2 O 3 ) (γνωστή σαν γαλουμίνα που παράγεται και εξάγεται από την Ελλάδα) και τριοξείδιο του Δημητρίου (Ce 2 O 3 ), η θερμοκρασία στην οποία γίνεται η διαδικασία αυτή είναι περίπου οι 450 C. Η αλουμίνα χρησιμοποιείται για την καλύτερη πρόσφυση του υ- ποστρώματος washcoat πάνω στον κορδιερίτη. Εικόνα 3.13: Υπόστρωμα wash coat Μετά την επίστρωση του ενδιάμεσου αυτού στρώματος των οξειδίων του α- λουμινίου (washcoat) (εικόνα 3.13) η επιφάνεια αυξάνεται εκπληκτικά λόγω των α- 96

98 νωμαλιών που προστίθενται. Μετά λοιπόν απ αυτήν την επεξεργασία ένα κυβικό ε- κατοστό μονόλιθου διαθέτει συνολική επιφάνεια μερικών ποδοσφαιρικών γηπέδων (μερικών χιλιάδων τετραγωνικών μέτρων). Πριν την επεξεργασία δεν ξεπερνούσε μερικές τετραγωνικές παλάμες. Το πλεονέκτημα της τρομακτικής αυτής αύξησης της επιφάνειας του μονόλιθου, που παρέχει το washcoat είναι ότι περιορίζονται σημαντικά οι εξωτερικές διαστάσεις του μετατροπέα. Ο συντελεστής αύξησης της επιφάνειας του μετατροπέα ξεπερνά τις φορές. Για παράδειγμα αναφέρουμε ότι το ένα τετραγωνικό μέτρο της καθαρής κεραμικής βάσης (μονόλιθου) μετατρέπεται σε τετραγωνικά μέτρα μετά την επίστρωση του ενδιάμεσου στρώματος. Πρέπει να σημειωθεί ότι στο ενδιάμεσο στρώμα υπάρχουν και άλλα ανόργανα υλικά σε πολύ μικρές ποσότητες. Μεταξύ αυτών μπορούμε να αναφέρουμε το θόριο, πυρίτιο, το τιτάνιο, το βάριο και το ζιρκόνιο. Η χρήση αυτών σταθεροποιεί το ενδιάμεσο στρώμα και αυξάνει το σημείο τήξεως αυτού σε επίπεδα πάνω από τους 1200 C Ασπίδες θερμότητας Ο μετατροπέας τώρα είναι έτοιμος να δεχτεί τις ασπίδες θερμότητας (εικόνα 3.14) αν αυτές τοποθετούνται πάνω του. Το υλικό κατασκευής τους είναι κράμα α- λουμινίου, ή λεπτό χαλυβδοέλασμα για την ελάττωση του βάρους του μετατροπέα. Οποιοδήποτε και αν είναι το υλικό κατασκευής, υπάρχουν πάνω στην ασπίδα διαμορφωμένες ενισχύσεις-νεύρα για την αύξηση της μηχανικής αντοχής. Ο αέρας κυκλοφορεί ελεύθερα μεταξύ του μετατροπέα και της ασπίδας αλλά και εξωτερικά αυτής. Οι ασπίδες προσφέρουν προστασία από το νερά του δρόμου. Αποτρέπεται η ψύξη του περιβλήματος του μετατροπέα και η θερμοκρασία λειτουργίας του διατηρείται στα προβλεπόμενα επίπεδα. Αν η θερμοκρασία του πέσει κάτω από τους 300 C παύουν να γίνονται οι αντιδράσεις μετατροπής των ρύπων και τότε είναι να σαν μην υπάρχει ο μετατροπέας. Το ίδιο συμβαίνει και κατά την εκκίνηση του κινητήρα μέχρι να ζεσταθεί ο καταλύτης 97

99 Εικόνα 3.14 Ασπίδες θερμότητας Πώμα Πολλές φορές χρειάζεται να γίνει κάποια μέτρηση των καυσαερίων πριν το μετατροπέα για να καθοριστεί η λειτουργία του κινητήρα ή να γίνει κάποια σημαντική ρύθμιση σ αυτόν. Στο λαιμό προσαρμογής του μετατροπέα, με την πολλαπλή εξαγωγή υπάρχει ένα πώμα το οποίο είναι βιδωμένο πάνω σ ένα ακροφύσιο με σπείρωμα. Το συγκεκριμένο σημείο αναφέρεται σα σημείο μέτρησης των καυσαερίων ή σαν πώμα-τάπα. Στην οπή αυτή μπορεί να τοποθετηθεί το κατάλληλο δειγματοληπτικό στέλεχος (με προσαρμογέα) του αναλυτή καυσαερίων και να μετρηθούν οι ρύποι των καυσαερίων πριν υποστούν μετατροπή από τον καταλύτη. Βασικός σκοπός ύπαρξής του θα μπορούσαμε να πούμε ότι είναι η μέτρηση του μονοξειδίου του άνθρακα Πολλαπλή Εξαγωγής 98

100 Πολλές φορές ο μετατροπέας είναι ένα ενιαίο τμήμα με την πολλαπλή εξαγωγή. Όταν απαιτηθεί ν αντικαταστήσουμε αυτόν θα πρέπει να αναζητήσουμε τον ίδιο τύπο ανταλλακτικού. Οι εταιρείες εισαγωγής καταλυτών στην Ελλάδα διαθέτουν τέτοιου είδους καταλύτες για τα μοντέλα αυτοκινήτων που χρειάζεται. Ο κατάλογος αυτών των εταιρειών παρέχει τη δυνατότητα εύκολης αναζήτησης της μορφής και του τύπου για κάθε αυτοκίνητο. Ο κατάλογος ενημερώνεται κάθε χρόνο με τα καινούργια μοντέλα αυτοκινήτων και ο αγώνας δρόμου του ανταγωνισμού αναγκάζει αυτές να. κατασκευάζουν με ακρίβεια τους τύπους καταλυτικών μετατροπέων που θα ζητηθούν από την κατανάλωση. Εικόνα 3.15: Πολλαπλή εξαγωγή καυσαερίων Η πολλαπλή εξαγωγή κατασκευάζεται από ανοξείδωτο χάλυβα (ευγενή) για να προστατεύεται ο καταλύτης απ τις οξειδώσεις που θα σχηματίζονται μέσα, στην περίπτωση που δεν υπήρχε η αντιοξειδωτική προστασία. Οι σκουριές φράζουν το μετατροπέα και δεν εξέρχονται τα καυσαέρια εύκολα με αποτέλεσμα να πέσει η ι- σχύς του κινητήρα. 99

101 Σωλήνας Προσαγωγής Πρόσθετου Αέρα Στα αυτοκίνητα που υπάρχει το σύστημα προσαγωγής πρόσθετου αέρα στον μετατροπέα, θα συναντήσετε στο μέσον αυτού ένα σωληνάκι (λυγισμένο) που σχηματίζει γωνία 90. Σ αυτό συνδέεται η αντλία πρόσθετου αέρα, το οξυγόνο του ατμοσφαιρικού αέρα βοηθάει τις αντιδράσεις οξείδωσης μετατροπής των ρύπων που γίνονται στο δεύτερο τεμάχιο του κεραμικού μονόλιθου. Το σωληνάκι λοιπόν καταλήγει στο χώρο ανάμεσα στα δύο τεμάχια του κεραμικού υλικού. Όταν αγοράζουμε σαν ανταλλακτικό τέτοιο μετατροπέα (με προσαγωγή πρόσθετου αέρα) το ελεύθερο άκρο του είναι ταπωμένο με μεταλλική τάπα που φέρει σπείρωμα. Έτσι λοιπόν, ο ίδιος "καταλύτης" μπορεί να χρησιμοποιηθεί και σε αυτοκίνητα που δεν έχουν το σύστημα προσαγωγής πρόσθετου αέρα στον μετατροπέα αρκεί να μην αφαιρεθεί η μεταλλική τάπα από το σωληνάκι Δομή του μεταλλικού καταλυτικού μετατροπέα Περίβλημα Είναι ακριβώς το ίδιο με αυτό που χρησιμοποιείται στους κεραμικούς καταλύτες Φορέας Σήμερα συναντάμε τους εξής μεταλλικούς φορείς: "Spiral Super Foil". Ο μεταλλικός αυτός φορέας κατασκευάζεται από εξαιρετικά λεπτό ανοξείδωτο φύλλο μετάλλου (super foil) του οποίου η επιφάνεια είναι τελείως λεία. Το πάχος του είναι όσο το 1/3 του πάχους ενός χαρτιού φωτοτυπίας, γύρω στα 40 μικρά περίπου. Ο αριθμός των αγωγών ροής που δημιουργούνται μέσα από τη διαμόρφωση του φύλλου (foil) αναφέρεται σαν πυκνότητα αγωγών ροής και παίζει σημαντικό ρόλο στη μείωση των ρύπων. Για παράδειγμα αναφέρουμε ότι ένας καταλύτης με όγκο 1,3 100

102 λίτρα και πυκνότητα 62 αγωγούς ροής ανά cm 2 είναι λιγότερο αποδοτικός στη μετατροπή των υδρογονανθράκων από έναν άλλο, ο οποίος έχει πυκνότητα 155 αγωγούς ανά cm 2 (METAL1T) και όγκο μόνο 0,47 λίτρα. "Super Foil με Κυμάτωση" Αρχικά το super foil ήταν επίπεδο (λείο), όμως τα τελευταία χρόνια έχει δοθεί σε αυτό μια κυματοειδής μορφή για ακόμη μεγαλύτερη αύξηση της επιφανείας του υποστρώματος (φορέα). Πρέπει να σημειωθεί, ότι ο όγκος του μετατροπέα έχει ελαττωθεί σημαντικά μετά απ αυτές τις εσωτερικές βελτιώσεις. Η καταλυτική δράση αυξάνεται στο μέγιστο δυνατό γι' αυτήν την εποχή και αυτό εξηγείται με την παρακάτω ανάλυση της ροής των καυσαερίων που περιγράφουμε. Αν μελετήσουμε λοιπόν τη ροή των καυσαερίων μέσα από τους αγωγούς του super foil, θα παρατηρήσουμε ότι οι εγκάρσιες ραβδώσεις-κυμάτωση που έχει δημιουργηθεί πάνω σε αυτό, δημιουργούν μια δυναμική ανάμιξης στα καυσαέρια. Τα καυσαέρια που έχουν έρθει ήδη σε επαφή με τα τοιχώματα (καταλυτική ουσία-ευγενή μέταλλα) και των οποίων οι ρύποι έχουν μετατραπεί, αναμιγνύονται με αυτά που βρίσκονται στο κέντρο του αγωγού ροής και που δεν έχουν έρθει ακόμη σε επαφή με τα ευγενή μέταλλα. Αυτή η κυμάτωση εξαναγκάζει όσο το δυνατόν μεγαλύτερη ποσότητα καυσαερίων να έρχεται σε επαφή με τα τοιχώματα. Έχει υπολογιστεί ότι με την κυματοειδή μορφή του λεπτού φύλλου μετάλλου επέρχεται μια αύξηση της απόδοσης γύρω στο 15% σε σχέση πάντα με το λείο super foil που χρησιμοποιούσαν μέχρι πρότινος οι εταιρείες κατασκευής καταλυτικών μετατροπέων. Πρέπει να τονιστεί σε αυτό το σημείο ότι και η επίτευξη της διαμόρφωσης του foil σε κυματοειδή μορφή ανήκει στην Emitec Υλικό κατασκευής του Φορέα Τύπου Foil Το υλικό κατασκευής του φορέα και η συμπεριφορά του στην παραγωγική διαδικασία είναι σημαντικοί παράγοντες για την ανθεκτικότητά του. Τα μεταλλικά υποστρώματα(φορείς) κατασκευάζονται από πολύ λεπτό μεταλλικό φύλλο. Το πάχος του δεν ξεπερνά τα 40 μικρά. To Foil (λεπτό φύλλο μετάλλου) πρέπει να είναι μεγάλης μηχανικής αντοχής και σταθερότητας αλλά να είναι ανθεκτικό στις οξειδώσεις και διαβρώσεις που προέρχονται από τα καυσαέρια, θα πρέπει επίσης να έχει μεγάλη διάρκεια ζωής για να αποφεύγεται η τακτική αντικατάσταση του μετατροπέα. 101

103 Το υλικό που χρησιμοποιείται σήμερα για το σκοπό αυτό είναι κράμα σιδήρου-χρωμίου-αλουμινίου. Το κράμα αυτό δίνει επιφάνεια με εξαιρετικά καλή συμπεριφορά στην επιμετάλλωση για την αντιοξειδωτική προστασία του. Το στρώμα επιμετάλλωσης πρέπει να παρουσιάζει καλές ιδιότητες συνάφειας (προσκόλλησης) με το ενδιάμεσο στρώμα. Έχει αποδειχτεί ότι ο βαθμός συνάφειας (προσκόλλησης) του ενδιάμεσου στρώματος με το foil είναι ίδιος με αυτόν του ενδιάμεσου στρώματος και του κορδιερίτη στον "κεραμικό καταλύτη Άλλοι Τύποι Μεταλλικών Φορέων. Φορέας με Πλεγμένο Σύρμα Πολλές εταιρείες έχουν κατασκευάσει μεταλλικό φορέα από πολύ λεπτό σύρμα κατάλληλα πλεγμένο. Η κατασκευή αυτή είναι οικονομικότερη από το foil αλλά δεν έχει την απόδοση αυτών. Οι φορείς αυτοί χρησιμοποιούνται σ εφαρμογές όπου επιζητούμε χαμηλό κόστος και υπάρχει μικρός διαθέσιμος χώρος. Η απόδοση τους, προς το παρόν, δεν μας ενδιαφέρει ιδιαίτερα. Η μορφή του φορέα μπορεί να είναι κυλινδρική ή και ωοειδής, ανάλογα το χώρο που θα τοποθετηθεί. Ο φορέας αυτός παρέχει πολύ καλή μηχανική αντοχή, υψηλή αντοχή στη θερμότητα, μικρή αντίθλιψη, ανταγωνιστική τιμή, μικρό βάρος και μέγεθος. Πολλές λεπτές πλάκες παράλληλα τοποθετημένες μεταξύ τους. Οι πλάκες φέρουν πολλές οπές και σχηματίζουν το φορέα του μετατροπέα που χρησιμοποιείται στους πολύ μικρούς κινητήρες. Για παράδειγμα θα μπορούσαμε να αναφέρουμε τα αλυσοπρίονα. Οι λεπτές αυτές πλάκες είναι τοποθετημένες στην εξάτμιση πολύ κοντά στην εξαγωγή. Το υλικό κατασκευής τους είναι ανοξείδωτος χάλυβας που πάνω του φέρει ενδιάμεσο στρώμα και ευγενή μέταλλα. Οι φορείς αυτοί βρίσκουν εφαρμογή επίσης, σε μοτοποδήλατα και μοτοσικλέτες Νέοι Σχεδιασμοί Μεταλλικών Φορέων Για ν αντεπεξέλθουν οι κατασκευάστριες εταιρείες στα συνεχώς ελαττωμένα όρια των επιπέδων των ρύπων που θέτει η διεθνής κοινότητα, οι κατασκευάστριες εταιρείες μελετούν και δημιουργούν συνεχώς νέα προϊόντα. Για να γίνει κατανοητή η 102

104 βαρύτητα που δίνουν οι κατασκευάστριες στη μελέτη και στο σχεδιασμό για τη βελτίωση των μετατροπέων, παραθέτουμε τρία χαρακτηριστικά παραδείγματα μελετών που έγιναν τελευταία. Οι μετατροπείς αυτοί που προέκυψαν απ τις μελέτες αυτές έχουν τεθεί σε μαζική παραγωγή: "Upstream" To πρώτο παράδειγμα, είναι ο καταλυτικός μετατροπέας "upstream". Ο όρος αυτός αναφέρεται στο μετατροπέα ο οποίος έχει τοποθετηθεί πολύ κοντά στον κινητήρα. Οι ορολογίες "upstream" και "close coupled catalyst (CCC) έχουν καθιερωθεί στο εξωτερικό για την ονομασία αυτού του τύπου μετατροπέα. Το πλεονέκτημα της πολύ κοντινής τοποθέτησης του μετατροπέα στον κινητήρα είναι ότι οι απώλειες θερμότητας από τα καυσαέρια είναι πολύ μικρότερες από ότι σε μια θέση πιο μακριά από τον κινητήρα. Αποτελέσματα αυτού είναι η θερμοκρασία λειτουργίας του καταλύτη να είναι πολύ υψηλότερη και η έναρξη λειτουργίας του να γίνεται σε πολύ μικρότερο χρονικό διάστημα. Μετρήσεις απέδειξαν ότι οι ρύποι κατά την κρύα εκκίνηση μειώθηκαν κατά 50% λόγω της συντόμευσης του χρόνου έναρξης λειτουργίας του καταλύτη. Ο καταλύτης δεν αρχίζει τη δράση του (αντιδράσεις μετατροπής των ρύπων), αν δεν "πιάσει" τη θερμοκρασία λειτουργίας που είναι πάνω από 300 C. Στα τεστ ελέγχου των ρύπων που έχουν γίνει, έχει διαπιστωθεί ότι ο καθαρισμός των καυσαερίων, κάτω απ αυτές της συνθήκες, ξεπερνά το 98%. "Κωνικός Φορέας" Το δεύτερο παράδειγμα αναφέρεται στον κωνικό καταλυτικό μετατροπέα που παρουσιάστηκε για πρώτη φορά το 1997 στη διεθνή έκθεση κινητήρων της Φρανκφούρτης απ την εταιρεία Emitec. Ο τύπος αυτός έφερε το όνομα ConiCat (από το Conical Catalytic), και φαίνεται να είναι το πιο βελτιωμένο σύστημα παθητικής κατάλυσης μέχρι σήμερα. Ο μικρός κωνικός αυτός μετατροπέας (φορέας) τοποθετείται μέσα στο λαιμό του κυρίως καταλυτικού μετατροπέα, λίγο πριν απ τον κυρίως καταλύτη και μέσα στο ίδιο περίβλημα μ αυτόν. Η τοποθέτηση του κωνικού φορέα στο συγκεκριμένο σημείο έχει σαν σκοπό, όχι μόνο την πλήρη εκμετάλλευση του χώρου του λαιμού του μετατροπέα, αλλά και το διασκορπισμό των καυσαερίων μέσα στον κυρίως καταλύτη. Σε συνδυασμό και με την τοποθέτηση ενός καταλυτικού μετατροπέα "upstream", 103

105 η θερμοκρασία λειτουργίας του κυρίως καταλυτικού μετατροπέα θα φτάνει πολύ γρήγορα στα επιθυμητά επίπεδα λειτουργίας κατά την κρύα εκκίνηση. Αυτό εξηγείται απ το ότι η θερμοκρασία των καυσαερίων μετά τον μετατροπέα upstream αυξάνεται λόγω των χημικών αντιδράσεων μετατροπής των ρύπων που γίνονται μέσα σ αυτόν. Οι αντιδράσεις με τις οποίες μετατρέπονται οι ρύποι έ- χουμε αναφέρει ότι είναι αντιδράσεις εξώθερμες, (παράγεται θερμότητα με τη χημική αντίδραση). Έτσι τα καυσαέρια εισέρχονται ακόμη πιο θερμά μέσα στον κυρίως καταλύτη και η επιπλέον αυτή θερμική ενέργεια τον θερμαίνει πολύ γρήγορα. Σαν αποτελέσματα μπορούμε να θεωρήσουμε τη συντόμευση του χρόνου έ- ναρξης της λειτουργίας του μετατροπέα κατά την εκκίνηση και την αποδεδειγμένη αύξηση της απόδοσης κατά 15%. "Ηλεκτρικά θερμαινόμενος Φορέας" Το 1994 παρουσιάστηκε απ την Emitec ο ηλεκτρικά θερμαινόμενος μεταλλικός καταλύτης. Αναφέρεται σαν Emicat απ τους δημιουργούς του και το πρόβλημα της προθέρμανσης του καταλύτη κατά την κρύα εκκίνηση επιλύθηκε με τη δημιουργία αυτού του μεταλλικού φορέα που μπορούσε να θερμανθεί πολύ γρήγορα με τη βοήθεια ηλεκτρικού ρεύματος, απ το συσσωρευτή του οχήματος. Έτσι ο χρόνος α- ναμονής έναρξης της λειτουργίας του μετατροπέα μειώθηκε στο ελάχιστο μ αυτήν την ανακάλυψη που είναι ένα σύστημα ενεργητικής κατάλυσης. Όταν ρεύμα διαρρεύσει μέσα στη μικρή ηλεκτρική αντίσταση του μεταλλικού φορέα, τον αναγκάζει να θερμανθεί πολύ σύντομα. Είναι απαραίτητη όμως η ύπαρξη μιας επιπρόσθετης ηλεκτρονικής μονάδας για τον έλεγχο της φάσης προθέρμανσης του μετατροπέα Ενδιάμεσο Στρώμα-(Wasch Coat) Είναι ακριβώς το ίδιο με αυτό που χρησιμοποιείται στους κεραμικούς καταλύτες Ασπίδες θερμότητας 104

106 Ό,τι είχε αναφερθεί για τις ασπίδες θερμότητας στην ενότητα της δομής των κεραμικών καταλυτικών μετατροπέων ισχύουν επακριβώς και στους μεταλλικούς καταλύτες Δομή καταλυτών με αντικαθιστώμενα μεταλλικά σφαιρίδια Περίβλημα Το περίβλημα έχει σχήμα επίπεδο (πλατύ) και οι διαστάσεις του ποικίλουν από 35 έως 50cm και το μήκος του κυμαίνεται από 25 έως 35cm. Είναι κατασκευασμένο από ανοξείδωτο χάλυβα και φέρει πώμα ή πώματα για την πλήρωση και την αφαίρεση του περιβλήματος με τα σφαιρίδια. Το πώμα συνήθως είναι κοχλωτό και κλείνει ερμητικά. Ανάλογα με το μέγεθος και τον αριθμό των πωμάτων που φέρει χαρακτηρίζεται και η ονομασία του στο εξωτερικό. Έτσι λοιπόν αν φέρει : ένα μεγάλο πώμα, αναφέρεται ως large single plug (απλού μεγάλου πώματος). ένα μικρό πώμα, αναφέρεται ως Small Single plug (απλού μικρού πώματος). δύο πώματα, αναφέρεται ως Double Plug / 3 Way (διπλού πώματος τριοδικός καταλύτης) Φορέας και Ενδιάμεσο στρώμα Τα μεταλλικά σφαιρίδια τα οποία είναι κατασκευασμένα από χάλυβα με ανοξείδωτη προστασία φέρουν εξωτερικά τους πορώδη επιφάνεια κατασκευασμένη και σε αυτή την περίπτωση από οξείδιο του αλουμινίου αλουμίνα (ΑΙ 2 Ο 3 ). Βέβαια και σε αυτήν την περίπτωση προστίθεται Δημήτριο (De) για τη διευκόλυνση των αντιδράσεων αλλά και για την καλύτερη πρόσφυση του ενδιάμεσου στρώματος πάνω στη λεία επιφάνεια των σφαιριδίων. Η υψηλή πορώδης υφή επιτυγχάνεται με την 105

107 προσεκτική καύση οργανικών πρόσθετων και την ατελή συμπύκνωση των προϊόντων της. Η πορώδης επιφάνεια είναι το ενδιάμεσο στρώμα που το έχουμε αναφέρει σαν wash coat. To κάθε σφαιρίδιο έχει διάμετρο 3mm. Η επιφάνεια του σφαιριδίου χωρίς βέβαια το ενδιάμεσο στρώμα δεν ξεπερνά τα 10 τετραγωνικά χιλιοστά. Ένα λίτρο από τέτοια σφαιρίδια παρουσιάζει συνολική εξωτερική επιφάνεια τετραγωνικών μέτρων. Τα μεταλλικά σφαιρίδια σαν φορέας έχουν μικρότερο κόστος απ αυτό του κεραμικού μονόλιθου και είναι πιο φθηνά από το φορέα του μεταλλικού καταλύτη. Το πλήθος των σφαιριδίων κυμαίνεται από έως ανάλογα με το μέγεθος του μετατροπέα. Το δε μέγεθος του μετατροπέα εξαρτάται από τον κυβισμό της μηχανής Αντικατάσταση των σφαιριδίων Είπαμε ότι τα σφαιρίδια είναι αντικαθιστώ μένα και η διαδικασία αντικατάστασης είναι σχετικά απλή. Μια τάπα (πώμα) στον πυθμένα του μετατροπέα επιτρέπει με τη βοήθεια των κατάλληλων εργαλείων την αφαίρεση των παλαιών και την προσθήκη νέων σφαιριδίων. Στη θέση της τάπας εφαρμόζεται ένα ειδικό εργαλείο που προκαλεί δονήσεις. Η διάταξη αυτή προκαλεί δονήσεις στο εσωτερικό του μετατροπέα και κινεί τα σφαιρίδια, τα οποία με τη βοήθεια μιας αντλίας συγκεντρώνονται σ ένα δοχείο, μέσα σε ειδικό αποθηκευτικό χώρο του δονητή. Μετά την αφαίρεση των παλαιών σφαιριδίων, τοποθετούμε στο αποθηκευτικό δοχείο του δονητή τα καινούργια σφαιρίδια. Kαι πάλι με τη βοήθεια της αντλίας, με ανάστροφη όμως λειτουργία, τοποθετούνται τα σφαιρίδια στον καταλύτη. Στην περίπτωση που θ αρχίσουν να εξέρχονται σφαιρίδια απ την εξάτμιση θα πρέπει ν αντικατασταθεί ο καταλυτικός μετατροπέας. Η οξείδωση θα έχει διαβρώσει τα εσωτερικά τοιχώματα του με αποτέλεσμα να εξέρχονται απ αυτόν τα σφαιρίδια Αναγωγικός καταλυτικός μετατροπέας Ο αναγωγικός καταλυτικός μετατροπέας είναι ένας συνήθης φορέας κεραμικού μονόλιθου ή και μεταλλικού foil που σαν επίστρωση ευγενών μετάλλων φέρει 106

108 μόνο ρόδιο. Το είδος αυτού του καταλύτη επειδή δεν χρησιμοποιείται σε καμία εφαρμογή μόνος του, δεν διατίθεται στο εμπόριο σαν μονής κλίνης αναγωγικός μετατροπέας. Πάνω εγκαθίσταται σε συνδυασμό με έναν οξειδωτικό καταλύτη μέσα στο ίδιο περίβλημα. Έτσι σχηματίζεται ένας μετατροπέας διπλής κλίνης (dual bed). Αν ανατρέξουμε στη χημεία θα θυμηθούμε ότι αναγωγή είναι η αφαίρεση του οξυγόνου από το μόριο του οξειδίου του αζώτου. Έτσι η ονομασία του αναγωγικού καταλύτη είναι εύστοχη αφού γίνεται ο διαχωρισμός των δύο αυτών στοιχείων. Οι α- ντιδράσεις που γίνονται για την διάσπαση των οξειδίων του αζώτου είναι: NO + CO => 1 / 2 N 2 + CO 2 HC + NO => N 2 + H 2 O + CO 2 Τα προϊόντα μετά τις αντιδράσεις, (άζωτο, διοξείδιο του άνθρακα και υδρατμοί) είναι αβλαβή για τον άνθρωπο σε σχέση με αυτά που υπήρχαν πριν τις χημικές αντιδράσεις. Οι χημικές αντιδράσεις αναγωγής δεν θα μπορούσαν να γίνουν αν το ρόδιο δεν είχε την ικανότητα να εγκλωβίζει με ευκολία το οξυγόνο κάτω από την επιφάνεια του. Το οξυγόνο αυτό δεσμεύεται από τα οξείδια του αζώτου και παρέχεται με ευκολία στο μονοξείδιο του άνθρακα που μετατρέπεται σε διοξείδιο. Σ έναν συνήθη καταλυτικό μετατροπέα, το υδρογόνο που απελευθερώνεται απ τους υδρογονάνθρακες, ενώνεται με το οξυγόνο και σχηματίζονται υδρατμοί. Το ρόδιο που υπάρχει σ ένα μεσαίου μεγέθους καταλύτη μπορεί να δεσμεύσει μέχρι και ένα λίτρο οξυγόνου κάτω από την επιφάνεια του. Πάνω απ τους 600 C, το ρόδιο (Rh) μετατρέπεται σε Rh 2 O 2 και χάνει σταδιακά την ικανότητα αναγωγής των οξειδίων του αζώτου. Αυτό αποτρέπεται απ τους κατασκευαστές με την κατάλληλη διασπορά του μετάλλου πάνω στο ενδιάμεσο στρώμα αλλά και με κάποια άλλα πρόσθετα που αναμιγνύουν στη μάζα του ροδίου. Έτσι η διασπορά και η ποσότητα του ροδίου δεν γίνεται τυχαία αλλά κάτω από ελεγχόμενες συνθήκες. Ας αναφερθούμε πρακτικά σε ένα παράδειγμα για να καταλάβουμε πόσο ε- πηρεάζεται η απόδοση του μετατροπέα από την πολύ μικρή αύξηση του ροδίου. Αν τα 0,25 γραμμάρια ροδίου που έχουν ψεκαστεί πάνω στο ενδιάμεσο στρώμα ενός μετατροπέα γίνουν 0,5 γραμμάρια, τότε η απόδοση του μετατροπέα αυξάνεται κατά 22%. Αυτό όμως δεν σημαίνει ότι μπορούμε ν αυξήσουμε πέρα από κάποιο όριο την 107

109 ποσότητα του πολύτιμου μετάλλου, γιατί επέρχεται κορεσμός της επιφάνειας του ενδιάμεσου στρώματος και κλείνουν οι μικροπόροι και ίσως και οι μακροπόροι. Η ποσότητα του ροδίου που θα χρησιμοποιηθεί σε συγκεκριμένο όγκο καταλύτη έχει καθοριστεί σύμφωνα με διεθνείς προδιαγραφές που έχουν βγει κατόπιν μελετών για την καλύτερη δυνατή μετατροπή των ρύπων. Μια ενδεικτική τιμή, για την ποσότητα του ροδίου που μπορεί να περιέχεται σε ένα καταλύτη που έχει όγκο ένα κυβικό πόδι (28 λίτρα) είναι 14 γραμμάρια. Ο μετατροπέας αυτός του ενός κυβικού ποδιού είναι πολύ μεγάλος, αν σκεφτούμε ότι οι συνήθης καταλύτες έχουν όγκο αρκετά μικρότερο του λίτρου. Όμως οι τιμές διεθνώς έχουν δοθεί ανά κυβικό πόδι, γι' αυτό είμαστε υποχρεωμένοι ν αναφερθούμε στα 28 λίτρα που είναι ένα κυβικό πόδι. Αν κάνουμε μια αναγωγή θα παρατηρήσουμε ότι για ένα μεσαίου μεγέθους μετατροπέα αυτοκινήτου απαιτείται μια ποσότητα ροδίου λίγο μικρότερη του γραμμαρίου Οξειδωτικός καταλυτικός μετατροπέας Ο οξειδωτικός καταλύτης, όπως έχουμε ήδη αναφέρει, χρησιμοποιεί την πλατίνα ή το παλλάδιο για την οξείδωση του CO και των HC. Λόγω του ότι με αυτό το είδος μετατροπέα επιτυγχάνεται μετατροπή των δυο από τους τρεις ρύπους ο οξειδωτικός καταλύτης αναφέρεται σε μερικά βιβλία και σαν διοδικός. Ο μηχανισμός των χημικών αντιδράσεων έχει εξηγηθεί λίγο πριν και οι αντιδράσεις που λαμβάνουν χώρα είναι: CO+ ½ O 2 => CO 2 HC + O 2 => H 2 Ο + CO 2 Αν παρατηρήσουμε τις αντιδράσεις που γίνονται στον οξειδωτικό καταλύτη θα διαπιστώσουμε ότι το δηλητηριώδες μονοξείδιο του άνθρακα μετατρέπεται σε διοξείδιο και οι επιβλαβής υδρογονάνθρακες σε υδρατμούς και διοξείδιο του άνθρακα. Στο παρελθόν είχε γίνει συνδυασμός οξειδωτικού καταλύτη με προσαγωγή φρέσκου αέρα απ το περιβάλλον. Μια αντλία, ηλεκτρική ή μηχανική, έκανε προσαγωγή αέρα 108

110 πριν τον οξειδωτικό καταλύτη και αυτό βοηθούσε σημαντικά στην περαιτέρω μείωση των ρύπων. Μετρήσεις έδειξαν αύξηση της απόδοσης κατά 45%. Θα πρέπει στο σημείο αυτό να διευκρινίσουμε ότι στον οξειδωτικό καταλύτη γίνεται άλλη μια αντίδραση με προϊόντα τα οποία αποδίδουν μια δυσάρεστη οσμή. Η αντίδραση αυτή ενώνει τα ίχνη του θείου (S) που περιέχονται στην βενζίνη με το ο- ξυγόνο και παράγονται οξείδια του θείου (SO X ). Αυτό που υπερέχει σε ποσότητα μεταξύ των άλλων οξειδίων του θείου είναι το διοξείδιο του (SO 2 ). Αυτά αναδύουν την χαρακτηριστική οσμή. Όμως το κακό με το διοξείδιο του θείου δεν σταματάει στη σχετικά δυσάρεστη οσμή. Υπάρχει και πιο δυσάρεστη συνέχεια. Ενώνεται με τους υδρατμούς και σχηματίζονται μικροποσότητες θειικού οξέως. Το θειικό οξύ διαβρώνει το εσωτερικό της εξάτμισης, αν διαφύγει στην ατμόσφαιρα ενώνεται με τους υδρατμούς της ατμόσφαιρας και σχηματίζει μικροποσότητες αραιωμένου θειικού οξέως μέσα στα σύννεφα. Αυτό πέφτει σαν όξινη βροχή και διαβρώνει τα πάντα με την πάροδο του χρόνου (αρχαιολογικά μνημεία, πανίδα, χλωρίδα). Στους οξειδωτικούς καταλύτες η πλατίνα (Pt) είναι το ευγενές μέταλλο που χρησιμοποιούσαν και χρησιμοποιούν ακόμη και σήμερα κάποιοι από τους κατασκευαστές. Άλλοι πάλι χρησιμοποιούν το οξείδιο του παλλαδίου γιατί είναι φθηνότερο από την πλατίνα και υποστηρίζουν ότι έχει καλύτερα τεχνικά χαρακτηριστικά. Παρουσιάζει ικανοποιητική σταθερότητα σε υψηλές θερμοκρασίες και καλή απόδοση στην κρύα εκκίνηση. Όμως η δραματική αύξηση της ζήτησης παλλαδίου από τους κατασκευαστές καταλυτικών μετατροπέων είχε σαν αποτέλεσμα την αύξηση της τιμής του. Τα τελευταία τρία χρόνια η τιμή του παλλαδίου έχει τριπλασιαστεί. Η μεγαλύτερη παραγωγή παλλαδίου γίνεται από τη Ρωσία. Η ποσότητα της πλατίνας που χρησιμοποιείται για την επίστρωση ενός οξειδωτικού μετατροπέα που έχει όγκο ένα κυβικό πόδι (28 λίτρα), δεν ξεπερνά τα 20 γραμμάρια. Συγκρίνοντας την ποσότητα της με αυτήν του ροδίου στον αναγωγικό καταλύτη μπορούμε να παρατηρήσουμε ότι είναι λίγο περισσότερη. Μεγαλύτερη α- κόμη ποσότητα δεν σημαίνει αύξηση της απόδοσης, αλλά αντίθετα μείωση της απόδοσης λόγω επικάλυψης των μικροπόρων και παράλληλα αύξηση του κόστους κατασκευής Διπλής Κλίνης Καταλύτης 109

111 Ο καταλύτης διπλής κλίνης αποτελείται από δύο "τεμάχια" φορέα που ανάμεσα τους υπάρχει κενός χώρος και φυσικά περιβάλλονται από το ίδιο περίβλημα. Το πρώτο "τεμάχιο" είναι ο αναγωγικός καταλύτης, ενώ το δεύτερο ο οξειδωτικός. Σ αυτήν την περίπτωση και οι τρεις ρύποι μετατρέπονται σε φιλικότερα αέρια για το περιβάλλον και τον άνθρωπο. Ο καταλύτης αυτός θεωρείται τριοδικός αφού μπορεί και μετατρέπει και τους τρεις ρύπους Διπλής κλίνης καταλύτης με προσαγωγή αέρα Η σκοπιμότητα που τοποθετήθηκε σωληνάκι το οποίο καταλήγει στον κενό χώρο ανάμεσα στον αναγωγικό και στον οξειδωτικό καταλύτη, είναι να προσάγεται φιλτραρισμένος αέρας από το περιβάλλον και να αναμιγνύεται με τα καυσαέρια μετά τον αναγωγικό καταλύτη για να διευκολύνονται οι αντιδράσεις με το οξυγόνο που περιέχει ο αέρας. Έτσι οι αντιδράσεις οξείδωσης που αναφέραμε πιο πριν έχουν περίσσεια οξυγόνου και η απόδοση του οξειδωτικού τμήματος του μετατροπέα αυξάνεται κατά 35%. Ιδιαίτερη προσοχή απαιτείται κατά την τοποθέτηση του μετατροπέα, ώστε το αναγωγικό τμήμα να είναι κοντά στην πολλαπλή εξαγωγή και να ακολουθεί το οξειδωτικό. Πρώτος πρέπει να δέχεται τα καυσαέρια ο αναγωγικός καταλύτης στη συνέχεια να γίνεται ανάμιξη των καυσαερίων στον ενδιάμεσο χώρο και να περνούν μέσα από τον οξειδωτικό. Αν τοποθετηθεί ανάποδα και η ροή των καυσαερίων συναντά πρώτιστα τον οξειδωτικό και ακολουθεί ο αναγωγικός, τότε ο αέρας του περιβάλλοντος που θα εισέλθει μέσα στον αναγωγικό καταλύτη θα προκαλέσει τρομακτική αύξηση της θερμοκρασίας και ανάφλεξη του φορέα του αναγωγικού τμήματος. Από λάθος λοιπόν τοποθέτηση μπορεί να καταστραφεί ο μετατροπέας. Στην Αμερική συναντάμε οξειδωτικούς καταλυτικούς μετατροπείς με δύο σωληνάκια. Ένα στην κάθε μια από τις πλευρές του καταλύτη. Αυτό συμβαίνει για να κατανέμεται καλύτερα ο αέρας μέσα στον κενό χώρο των φορέων. Στην περίπτωση που δεν χρειάζονται, γιατί δεν διατίθεται αέρας προσαγωγής στο αυτοκίνητο, τότε μπορούν να κοπούν πολύ κοντά στο σώμα του μετατροπέα και να ταπωθούν στεγα- 110

112 νά. Αν όμως παρέχονται πώματα μαζί με το κιτ του καταλύτη τότε μπορούν να τοποθετηθούν αυτά στα άκρα των σωλήνων προσαγωγής αέρα. Αυτού του είδους οι μετατροπείς με προσαγωγή πρόσθετου αέρα μέσω ηλεκτρικής ή μηχανικής αντλίας έχουν χρησιμοποιηθεί πολύ στα Αμερικάνικα αυτοκίνητα. Σε αντίθεση όμως στην Ευρώπη δεν είχαν την ίδια τύχη. Στην Αμερική επίσης συνηθίζουν, να προσάγουν μέρος των καυσαερίων στην πολλαπλή εισαγωγή ώστε ο κύλινδρος να βρίσκεται πάντα σε αρκετά υψηλή θερμοκρασία (1700 C) ώστε να α- ποτρέπεται ο σχηματισμός των οξειδίων του αζώτου Τετραπλής Κλίνης Καταλύτης με Προσαγωγή Αέρα Ο καταλύτης τετραπλής κλίνης με προσαγωγή αέρα φέρει στο εσωτερικό του τέσσερα "τεμάχια" (bricks), δύο ζευγάρια φορέων. Το ένα ζευγάρι είναι αναγωγής και το άλλο οξείδωσης. Στον ενδιάμεσο χώρο των ζευγαριών προσάγεται αέρας για την ανάμιξη του με τα καυσαέρια και την αποδοτικότερη οξείδωση Τριοδικός καταλυτικός μετατροπέας Είναι ο μετατροπέας που έχει καθιερωθεί τα τελευταία χρόνια λόγω της καλής συμπεριφοράς του και της υψηλής απόδοσης του. Είναι συνήθως μονής κλίνης και φέρει συνδυασμό ευγενών μετάλλων πάνω στο ενδιάμεσο στρώμα. Ο φορέας μπορεί να είναι είτε κεραμικός είτε μεταλλικός. Στον τριοδικό καταλύτη επενδύουν οι κατασκευαστές τεχνογνωσία κι έρευνα. Φαίνεται ότι στο προσεχές μέλλον θα κυριαρχήσει με άλλες μορφές και άλλα υλικά. Ήδη έχουμε αναφέρει ότι ο τριοδικός καταλύτης μετατρέπει και τους τρεις ρύπους. Τα ευγενή μέταλλα που χρησιμοποιούνται είναι συνήθως δύο ή τρία. Το ένα από αυτά είναι το ρόδιο για τις αντιδράσεις αναγωγής. Οι συνδυασμοί που γίνονται από τους κατασκευαστές είναι: Rh+Pt+Pd Rh+Pt Rh+Pd 111

113 Ο τελευταίος συνδυασμός είναι και ο επικρατέστερος τα τελευταία χρόνια. Αν παρατηρήσουμε την πληροφορία που μας δίνει η εταιρεία Degussa (εταιρεία ανακύκλωσης πολυτίμων μετάλλων από καταλύτες): Ι. η πλατίνα είναι το 0,15-0,2% του συνολικού βάρους ενός τριοδικού κεραμικού φορέα, II. το Rh είναι το 0,03-0,04 % του συνολικού βάρους ενός τριοδικού κεραμικού φορέα. Από τα παραπάνω αναφερόμενα συμπεραίνουμε ότι η μάζα των περιεχομένων πολυτίμων μετάλλων σε έναν τριοδικό κεραμικό καταλύτη είναι πάρα πολύ μικρή. Η συνήθης αναλογία μαζών των ευγενών μετάλλων που χρησιμοποιούνται στους τριοδικούς καταλύτες είναι Pt:Rh = 5:1,η συνολική μάζα των δύο μετάλλων ανά όγκο φορέα είναι 40 gr/ft 3. Τα στοιχεία βέβαια αυτά ποικίλουν από κατασκευαστή σε κατασκευαστή. Για το παλλάδιο, η Degussa δεν είναι σε θέση να μας δώσει πληροφορίες αφού είναι ένα πολύ καινούργιο υλικό στην τεχνολογία κατασκευής καταλυτών. Είναι πολύ μικρό το χρονικό διάστημα για να φτάσουν καταλύτες με παλλάδιο στην φάση της ανακύκλωσης. Η αναλογία μαζών Pd:Rh είναι 14:1. Η συνολική μάζα των δύο αυτών μετάλλων ανά όγκο φορέα είναι 100 gr/ft 3. Με την ευκαιρία ας αναφέρουμε ότι το βάρος κεραμικού μονόλιθου που φέρει ο φορέας κυμαίνεται από 400gr ως 4500gr ανάλογα με το μοντέλο του αυτοκινήτου, θα μπορούσαμε να δώσουμε (σύμφωνα με στοιχεία της Degussa) και το μέσο όρο βάρους του κεραμικού μονόλιθου που περιέχεται ανά αυτοκίνητο για τα Ευρωπαϊκά αυτοκίνητα αν λέγαμε ότι είναι περίπου 0,9 Kgr. Αναφέραμε ότι ο τριοδικός καταλύτης είναι συνήθως μονής κλίνης και τα ευγενή μέταλλα που φέρει στο εσωτερικό του βρίσκονται αναμεμιγμένα στον ίδιο φορέα Ο φορέας μπορεί να είναι κεραμικός, είτε μεταλλικός. Οι χημικές αντιδράσεις που λαμβάνουν χώρα πάνω από τα ευγενή μέταλλα (Pt+Rh) ή (Pd+Rh) έχουν ως εξής: CO + ½ Ο 2 => CΟ 2 HC + O 2 => H 2 O +CO 2 NO + CO => ½ N 2 + CO 2 HC + NO => N 2 +H 2 O +CO 2 112

114 Οι αντιδράσεις επηρεάζονται σημαντικά από τη θερμοκρασία λειτουργίας η οποία πρέπει να κυμαίνεται από 250 έως 400 C για μέγιστη απόδοση. Αυξανομένης της θερμοκρασίας πέρα από τους 400 C δεν επιτυγχάνεται μεγαλύτερη απόδοση αλλά θερμική γήρανση του μετατροπέα. Ανάλογα λοιπόν με τη θερμοκρασία λειτουργίας επιτυγχάνουμε και την αντίστοιχη απόδοση κατάλυσης. Η μετατροπή των ρύπων μέσα στον τριοδικό καταλύτη επηρεάζεται και από την ποιότητα του καυσίμου μίγματος που καίγεται μέσα στο θάλαμο καύσεως. Τέλος ένα θέμα που απασχολεί πολύ τους τεχνίτες αλλά και αυτοκινητιστές είναι το πόση ισχύ κόβει ο τριοδικός μετατροπέας, που έχει επικρατήσει τα τελευταία χρόνια να τοποθετείται σ όλα σχεδόν τα αυτοκίνητα. Η απάντηση των κατασκευαστών στο ερώτημα αυτό είναι κατηγορηματική και δεν αφήνει περιθώρια για συζήτηση. Οι σημερινοί καταλύτες είτε πρόκειται για κεραμικούς είτε για μεταλλικούς (και πολύ περισσότερο οι μεταλλικοί) δεν "κόβουν" καθόλου ισχύ. Αυτό όσο και αν μας φαίνεται περίεργο οι μετρήσεις στο δυναμόμετρο το αποδεικνύουν. Αν συγκρίνουμε τα διαγράμματα ενός κινητήρα χωρίς καταλύτη και του ιδίου κινητήρα με κεραμικό καταλύτη, θα παρατηρήσουμε ότι δεν υπάρχει αξιοσημείωτη διαφορά μεταξύ τους. Οι τελευταίας τεχνολογίας καταλύτες έχουν πολύ λεπτά τοιχώματα στους α- γωγούς ροής και η αντίθλιψη που παρουσιάζουν είναι ελάχιστη. Έτσι η ισχύς που "κόβεται" θεωρείται αμελητέα. Για να επανέλθουμε στο θέμα της δυσάρεστης οσμής που θίξαμε στον οξειδωτικό καταλύτη και για να είμαστε πιο ακριβής, στο τριοδικό τα πράγματα είναι λίγο διαφορετικά. Κατά τη διάρκεια οδήγησης με πλούσιο καύσιμο μίγμα (επιταχύνσεις ή και επιβραδύνσεις) παράγεται υδρογόνο αέριο από την αναγωγή των υδρατμών. Το ενδιάμεσο στρώμα (wash coat) περιέχει εκτός των άλλων στοιχείων και τριοξείδιο του Δημητρίου το οποίο αποθηκεύει στα μόρια του το θείο που απελευθερώνεται από τη βενζίνη την ώρα της καύσης. Έτσι σχηματίζεται μια ασταθής ένωση θειούχου Δημητρίου. Η αναγωγή της όμως από το υδρογόνο που υπάρχει σε περίσσεια στις φάσεις οδήγησης που αναφέραμε έχει σαν αποτέλεσμα τη διάσπαση του θείου από το Δημήτριο και την ένωση του με το υδρογόνο. Το τελικό προϊόν είναι το υδρόθειο το οποίο αναδύει τη χαρακτηριστική οσμή που έχουμε όλοι αισθανθεί. Μια πολύ καλή κίνηση για την αποφυγή σχηματισμού του υδρόθειου είναι η προσθήκη νικελίου μέσα στον καταλυτικό μετατροπέα. Το νικέλιο έχει ιδιαίτερη προτίμηση στην ένωση του με το υδρογόνο έτσι διασπά το υδρόθειο σε υδρογόνο και θείο. 113

115 Τριοδικός σε συνδυασμό με οξειδωτικό (και αέρα προσαγωγής) Στις Ηνωμένες Πολιτείες τον τελευταίο καιρό χρησιμοποιείται από μερικές ε- ταιρείες ο συνδυασμός τριοδικού και οξειδωτικού καταλύτη. Προηγείται ο τριοδικός που βρίσκεται κοντά στην πολλαπλή εξαγωγή και ακολουθεί ο οξειδωτικός. Αυτό γίνεται γιατί στον ενδιάμεσο κενό χώρο γίνεται προσαγωγή φρέσκου αέρα από το περιβάλλον. Έτσι μειώνονται περαιτέρω οι ρύποι, όμως απαιτείται ιδιαίτερη προσοχή στην τοποθέτηση του συστήματος. Αν τοποθετηθεί ανάποδα στη ροή των καυσαερίων, τότε θα καταστραφεί το τριοδικό τμήμα του μετατροπέα Μη ρυθμιζόμενος τριοδικός καταλύτης Ο τριοδικός καταλυτικός μετατροπέας ο οποίος θα τοποθετηθεί σε κινητήρα που δεν υπάρχει εγκέφαλος άρα και ηλεκτρονικός έλεγχος του συστήματος τροφοδοσίας, αναφέρεται σαν μη ρυθμιζόμενος. Τέτοια περίπτωση είναι η μετατροπή ενός συμβατικού αυτοκινήτου σε καταλυτικό. Τα παλαιά αυτοκίνητα δεν διέθεταν σύστημα ψεκασμού ελεγχόμενο από εγκέφαλο, ήταν εφοδιασμένα με εξαερωτήρα (καρμπυρατέρ) και στην καλύτερη περίπτωση ίσως από κάποιο μηχανικό σύστημα ψεκασμού χωρίς λήπτη λάμδα. Ο μη ρυθμιζόμενος τριοδικός καταλύτης συναντάται μόνο σε συμβατικά αυτοκίνητα και σύμφωνα με στοιχεία της HJS η απόδοση κατάλυσης αυτού φτάνει το 67% Ρυθμιζόμενος τριοδικός καταλύτης Ο ρυθμιζόμενος τριοδικός καταλύτης συνεργάζεται με εγκέφαλο και λήπτη λάμδα. Ο λήπτης λάμδα ή αισθητήρας οξυγόνου είναι ένα εξάρτημα που τοποθετείται στην πολλαπλή εξαγωγή πριν τον καταλύτη και μετράει την ποσότητα του οξυγόνου που υπάρχει μέσα στα καυσαέρια. 114

116 Ο εγκέφαλος λαμβάνει υπ' όψη του το στοιχείο αυτό και ελέγχει τα μπεκ ώστε αυτά να ψεκάζουν λίγο παραπάνω ή λιγότερο ώστε το μίγμα να είναι το κανονικό για στοιχείο μετρική καύση (14,7:1 κατά βάρος). Η καταλυτική απόδοση του ρυθμιζόμενου τριοδικού μετατροπέα ξεπερνά το 94 % Εναλλακτικά συστήματα καταλυτικών μετατροπέων Προκαταλύτες Ο προκαταλύτης (εικόνα 3.15) είναι ένας μικρός καταλύτης που είναι τοποθετημένος στην πολλαπλή πολύ κοντά στις βαλβίδες εξαγωγής, πριν τον κύριο καταλυτικό μετατροπέα. Είναι κατασκευασμένος από κεραμικό μονόλιθο ή από μεταλλικό Foil και χρησιμοποιεί τα ευγενή μέταλλα πλατίνα ή παλλάδιο σαν ενεργά υλικά. Ό- πως καταλαβαίνουμε πρόκειται για έναν απλό οξειδωτικό καταλύτη. Εικόνα 3.16: Προκαταλύτης Κατά τη φάση της προθέρμανσης του κινητήρα και μέχρι να ζεσταθεί ο κυρίως καταλύτης, έχει επιτευχθεί η άμεση προθέρμανση του προκαταλύτη επειδή ακριβώς έχει μικρό όγκο και βρίσκεται πολύ κοντά στις βαλβίδες εξαγωγής. Έτσι έχουν αρχίσει σχεδόν ταυτόχρονα με την εκκίνηση του κινητήρα και οι αντιδράσεις μετατροπής 115

117 των ρύπων. Όμως δεν περιμένουμε η μετατροπή των ρύπων να είναι ίδια μ αυτήν που θα συμβεί μετά την προθέρμανση του κυρίως καταλύτη. Πρέπει να σημειωθεί ότι ο προκαταλύτης προθερμαίνει πολύ πιο γρήγορα τον κυρίως καταλύτη και ο χρόνος αναμονής προθέρμανσης αυτού ελαχιστοποιείται με την τοποθέτηση ενός οξειδωτικού προκαταλύτη πολύ κοντά στην πολλαπλή εξαγωγή. Αυτό οφείλεται στο ότι τα καυσαέρια εξερχόμενα απ τον προκαταλύτη έχουν α- κόμη μεγαλύτερη θερμοκρασία απ αυτήν της εισόδου τους σ αυτόν. Επομένως διευκολύνει τον κυρίως καταλύτη στο έργο του και μάλιστα τον αναγκάζει να προθερμανθεί συντομότερα, αφού τα καυσαέρια διαφεύγουν πιο θερμά απ αυτόν κατά τη φάση της προθέρμανσης Καταλύτες στον πετρελαιοκινητήρα Τα τελευταία χρόνια σε πολλές χώρες της Ευρωπαϊκής Ένωσης έχει αρχίσει το retrofit και στους πετρελαιοκινητήρες με νόμους και παροχές από το κράτος. Οι κατασκευαστές αυτοκινήτων με πετρελαιοκινητήρα έχουν αρχίσει να εφοδιάζουν τα καινούργια αυτοκίνητα με καταλύτη. Πολλοί δε απ αυτούς τοποθετούν επιπλέον και αιθαλοπαγίδες για τη συγκράτηση της εκπεμπόμενης αιθάλης. Ο καταλυτικός μετατροπέας που χρησιμοποιείται στους πετρελαιοκινητήρες είναι ένας απλός οξειδωτικός καταλύτης με λίγο μεγαλύτερες διαστάσεις ίσως από τον οξειδωτικό του βενζινοκινητήρα που μελετήσαμε μέχρι τώρα. Αυτό συμβαίνει επειδή ο κυβισμός των πετρελαιοκινητήρων είναι κατά πολύ μεγαλύτερος από αυτόν των βενζινοκινητήρων και η παροχή των καυσαερίων αρκετά μεγαλύτερη. Το ευγενές μέταλλο που χρησιμοποιείται σε αυτού του τύπου καταλύτες είναι η πλατίνα (Ρι). Η ποσότητα είναι ίδια με αυτήν που επιστρώνεται στους οξειδωτικούς καταλύτες για βενζινοκινητήρες. Ακριβώς μετά τον οξειδωτικό καταλύτη τοποθετείται ένα ειδικό φίλτρο για τη συγκράτηση της αιθάλης το οποίο είναι κατασκευασμένο από διάφορα υλικά ανάλογα τον κατασκευαστή. Στην επιφάνεια του επικάθονται τα μικροσωματίδια της αιθάλης. Ο συνδυασμός οξειδωτικού καταλύτη και φίλτρου μέσα στο ίδιο περίβλημα αναφέρεται ως CRT. Αρχικά τα καυσαέρια του πετρελαιοκινητήρα εισέρχονται στον οξειδωτικό καταλύτη όπου και μετατρέπονται οι HC και το CO, σε θερμοκρασία περίπου 200 C. Τα μικροσωματίδια της αιθάλης συλλέγονται από το δεύτερο σώμα (κλίνη) που λει- 116

118 τουργεί σαν ένα φίλτρο. Όμως σε αυτό το τμήμα συνεχίζεται και η οξείδωση σε θερμοκρασία C. Έχει μετρηθεί ότι η συγκράτηση των μικροσωματίδίων που γίνεται έχει απόδοση 90% και συγκρατούνται μικροσωματίδια διαμέτρου 40mm Καταλύτες στον υγραεριοκινητήρα. Το ενδιαφέρον για τα εναλλακτικά καύσιμα όπως είναι το συμπιεσμένο φυσικό αέριο (CNG από το Compressed Natural Gas), το υγροποιημένο φυσικό αέριο (LNG από το Liquefied Natural Gas) ή το υγροποιημένο τεχνητό αέριο (LPG από το Liquefied Petroleum Gas) έχει αυξηθεί κατά τα τελευταία χρόνια. Λάβετε υπ' όψη και το ότι η καύση τους είναι πολύ πιο καθαρή από αυτή των υγρών καυσίμων. Οι υδρογονάνθρακες που εκπέμπονται σε πολύ περιορισμένο αριθμό από τους υγραεριοκινητήρες φυσικού αερίου στο μεγαλύτερο τους ποσοστό (90-95%) είναι άκαυστο μεθάνιο. Έχει αποδειχθεί ότι το μεθάνιο (CH 4 ) δεν σχηματίζει ενώσεις με το Όζον (Ο 3 ). Όμως είναι μια από τις πιο δύσκολες ενώσεις στην οξείδωση και διάσπασή της. Στους υγραεριοκινητήρες που καταναλώνουν τεχνητό αέριο (LPG) δεν υπάρχει το ίδιο πρόβλημα αφού το τεχνητό αέριο είναι μίγμα αιθανίου και προπανίου. Σ όλες αυτές τις περιπτώσεις οποιουδήποτε εναλλακτικού καυσίμου χρησιμοποιούμε σχεδόν τον ίδιο τριοδικό καταλύτη με αυτόν του βενζινοκινητήρα, αφού η πλατίνα και το ρόδιο είναι πολύ αποδοτικά στη μετατροπή του CO και των ΝΟχ σε συνθήκες στοιχείο μετρικής καύσης. Πρέπει όμως να τονιστεί ότι οι τριοδικοί καταλύτες που χρησιμοποιούνται στα βενζινοκίνητα αυτοκίνητα έχουν πολύ φτωχή από απόδοση στη μετατροπή του μεθανίου. Η λύση ήρθε μετά από έρευνα και δοκιμές. Με την αύξηση του ποσοστού του παλλαδίου η κατάσταση βελτιώνεται και η απόδοση κατάλυσης αυξάνεται Καταλυτικός μετατροπέας AdBlue 117

119 To AdBlue είναι ένα μη τοξικό διάλυμα ουρίας σκοπός του οποίου είναι η μείωση της εκπομπής καυσαερίων από βαρέα οχήματα που φέρουν πετρελαιοκινητήρες. Δεν είναι ούτε επικύνδινο στη χρήση του (εκρηκτικό ή εύφλεκτο), αλλά ούτε και βλαβερό προς το περιβάλλον. Παρόλα αυτά, είναι διαβρωτικό εάν έρθει σε επαφή με ορισμένα υλικά και για αυτό το λόγο θα πρέπει να χρησιμοποιούνται συγκεκριμένα υλικά τόσο για την παραγωγή όσο και για την αποθήκευση του. Η χρήση του γίνεται μέσω ενός συστήματος που ονομάζεται SCR Selective Catalytic Reduction - Σύστημα Επιλεκτικής Κατάλυσης. Ιδιαιτέρα σημαντικό για την εύρυθμη λειτουργία του οχήματος είναι το να χρησιμοποιείται AdBlue υψηλής ποιότητας. Για το λόγο αυτό έχουν δημιουργηθεί πρότυπα που θα πρέπει να ακολουθούνται κατά την παρασκευή του. Αυτά είναι το DIN V και το ΙSO όπως και οι κανονισμοί του CEFIC αναφορικά με την μεταφορά και την αποθήκευση του. Τα χαρακτηριστικά του AdBlue είναι τα κάτωθι: Το ΑdBlue δεν είναι τοξικό και εφόσον χρησιμοποιείται σύμφωνα με τις οδηγίες δεν εμπερικλείει κίνδυνο για το περιβάλλον ή τον άνθρωπο. Είναι ελαφρώς αλκαλικό διάλυμα με ph 9. Το ΑdBlue δεν είναι εύφλεκτο ή εκρηκτικό αλλά είναι οξειδωτικό. Εάν κάποια ποσότητα εκχυθεί έξω από το δοχείο δημιουργείται αρχικά ολισθηρότητα και κατόπιν κρυσταλλοποιείται. Γι' αυτό θα πρέπει: Να αποφεύγεται αυστηρά οποιαδήποτε επαφή του προϊοντος με υλικά άλλα εκτός από ανοξείδωτο - πλαστικό πολυπροπυλένιο - βιτόν ή τιτάνιο. Να αποφεύγεται η επαφή με το δέρμα και τα μάτια προς αποφυγή ερεθισμού. Σε περίπτωση επαφής ξεπλύνετε με άφθονο νερό. Να μην εκτίθεται το προϊόν σε θερμοκρασία κάτω από -11C (δημιουργείτε κρυσταλοποίηση) και πάνω από 30C (δημιουργείτε σταδιακή αλλοίωση του μορίου) Η ψύξη και απόψυξη δεν επηρεάζει το διάλυμα. 118

120 Οποιαδήποτε έκχυση έξω από το ρεζερβουάρ ΑdBlue καθαρίζεται με νερό. Βασικό πλεονέκτημα της χρήσης AdBlue είναι η μείωση των εκπομπών Οξειδίου του Αζώτου NOx κατά 90%, ενώ ταυτόχρονα μειώνει τους ρύπους των Υδρογονανθράκων HC και του Μονοξειδίου του Άνθρακα CO κατά 50-90%,καθώς και των μικροσωματιδίων ΡΜ κατά 30-50%. Μελλοντικές αυστηρότερες οδηγίες σχετικά με τη μείωση των ρύπων θα μπορούν να καλυφθούν με την εφαρμογή του ίδιου συστήματος. Πέραν αυτού το σύστημα το οποίο χρησιμοποιεί ΑdBlue απαιτεί λίγη μόνο και χαμηλού κόστους συντήρηση ενώ δεν επηρεάζεται από το χαμηλής ποιότητας καύσιμο. Επίσης οι κατασκευαστές φρόντισαν ώστε οι κινητήρες των οχημάτων που φέρουν το σύστημα SCR AdBlue να έχουν υψηλό βαθμό απόδοσης. Με αυτό τον τόπο γίνεται εξοικονόμηση καυσίμου περίπου 5 % Συστήματα επιλεκτικής κατάλυσης EGR και SCR SCR (Selective Catalytic Reduction) Είναι το σύστημα που χρησιμοποιεί AdBlue (χημικά, είναι ένα διάλυμα ουρίας). Ψεκάζει τα καυσαέρια πριν αυτά περάσουν σ έναν καταλύτη. Φτάνοντας στον καταλύτη το AdBlue μετατρέπεται σε αμμωνία η οποία προκαλεί χημική αντίδραση με τα οξείδια του αζώτου, τα διασπά και τελικά στην ατμόσφαιρα βγαίνουν σκέτο ά- ζωτο (εντελώς αβλαβές) και νερό με τη μορφή υδρατμών. Πλεονεκτήματα: Δεν επηρεάζει καθόλου τη λειτουργία του κινητήρα. Το AdBlue είναι εντελώς αβλαβές για τον άνθρωπο (μη τοξικό, άκαυστο). Χρησιμοποιείται με τα ίδια αποτελέσματα σε κινητήρες μικρού ή μεγάλου κυβισμού. Μειονεκτήματα: Απαιτείται ποσότητα περίπου 4-5% αυτής του πετρελαίου. Έχει διάρκεια ζωής μήνες και αποσυντίθεται είτε σε χαμηλές θερμοκρασίες κάτω από τους -5 ºC, είτε σε υψηλές θερμοκρασίες πάνω από +40 ºC EGR (Exhaust Gas Recirculation) 119

121 Το σύστημα αυτό ανακυκλώνει τα καυσαέρια, δηλαδή τα εισάγει και πάλι στους κυλίνδρους, αφού προηγουμένως τα ψύχει. Τα χαμηλής πλέον θερμοκρασίας καυσαέρια μπαίνοντας στον κινητήρα διαφοροποιούν προς τα κάτω την θερμοκρασία αυξάνοντας και την χωρητικότητα. Επειδή το διοξείδιο του αζώτου αναπτύσσεται σε υψηλότερες θερμοκρασίες, αυτό δεν προλαβαίνει να συμβεί, οπότε τα εξαγόμενα καυσαέρια προς ένα καυσαέρια είναι απαλλαγμένα από το διοξείδιο του αζώτου. Πλεονεκτήματα: Δεν απαιτείται κανένα πρόσθετο, δηλαδή καμία επιπλέον δαπάνη για τον αυτοκινητιστή. Μειονεκτήματα: Το σύστημα δεν καλύπτει κινητήρες μεγάλης ισχύος, αν και πρόσφατα, η Scania ανακοίνωσε την εφαρμογή του συστήματος EGR και στους 16λιτρους κινητήρες της. Βασικό, ωστόσο μειονέκτημα, είναι η ανάγκη ύπαρξης ι- σχυρού συστήματος ψύξης ικανού να ψύχει και τα καυσαέρια πριν αυτά ξαναμπούν στον κινητήρα. Και, όσο το αυτοκίνητου δουλεύει σε χώρες με υψηλές θερμοκρασίες, τόσο πιο δυνατό και αποτελεσματικό πρέπει να είναι το σύστημα ψύξης Πλεονεκτήματα τεχνολογίας SCR (AdBlue) έναντι ΕGR 1. Το σύστημα SCR δεν επηρεάζει την συχνότητα και το κόστος των service, σε αντίθεση με το EGR το οποίο έχει επιπρόσθετα κόστη συντήρησης,πιο συχνές αλλαγές λαδιών και φίλτρων, ενώ το λάδι που απαιτείται να τοποθετείται σε ένα κινητήρα εφοδιασμένο με EGR πρέπει να είναι ιδιαίτερα υψηλής ποιότητας,άρα και ακριβότερο από αυτό που απαιτείται σε ένα κινητήρα με σύστημα SCR. 2. Μειωμένη κατανάλωση καυσίμου. Ένα όχημα με σύστημα SCR και με εκπομπές ρύπων Εuro 4 έχει κατανάλωση 2-3 % λιγότερη από ότι σε ένα αντίστοιχο όχημα με προδιαγραφές Euro 3 και 4-8 % σε σχέση με το EGR. 3. Mε το σύστημα SCR o κινητήρας δουλεύει ελεύθερος χωρίς διατάξεις στραγγαλισμού σε αντίθεση με το EGR ενώ δεν κινδυνεύει από φθορά ο κινητήρας λόγω επανακυκλοφορίας κρύων καυσαερίων κάτι που είναι πιθανό με το EGR. 4. Είναι εφικτή η μετατροπή σε Euro 2 για εξαγωγή ως μεταχειρισμένο. 120

122 Εικόνα 3.17: Οφέλη SCR έναντι EGR ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 ΝΕΕΣ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΕΣ ΦΙΛΙΚΕΣ ΠΡΟΣ ΤΟ ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝ 4.1 Εξελίσσοντας τους βενζινοκινητήρες Παρά τις ομολογουμένως εντυπωσιακές εξελίξεις στον τομέα των εναλλακτικών μορφών ενέργειας, οι παραδοσιακοί κινητήρες εσωτερικής καύσης παραμένουν έως και σήμερα η καρδιά του σύγχρονου αυτοκινήτου. Η εμπειρία των τελευταίων είκοσι χρόνων έχει αποδείξει ότι η μείωση της κατανάλωσης τους, και επομένως των εκπεμπόμενων καυσαερίων τους, έχει ουσιαστικά επέλθει με τη χρήση νέων τεχνολογιών, οι οποίες βελτίωσαν συγχρόνως και τη συνολική λειτουργία και απόδοση του αυτοκινήτου. Ξεκινώντας, λοιπόν, με την αύξηση της μέγιστης ισχύος των κινητήρων εσωτερικής καύσης, και συνεχίζοντας με τη μείωση του συνολικού βάρους των αυτοκινήτων, την καλύτερη αεροδυναμική σχεδίαση τους, την εφαρμογή του ηλεκτρονικού ψεκασμού καυσίμου και τη χρήση καλύτερων λιπαντικών, οι μηχανικοί των αυτοκινη- 121

123 τοβιομηχανιών πήραν το μέσο αυτοκίνητο του 1975 με κατανάλωση 14,8 λίτρα/100 χλμ. και το έφτασαν το 1985 στα 8,8 λίτρα/100 χλμ. Στην πράξη, όμως, η εμφανής αυτή πρόοδος απλά συνέβαλε στην επιβράδυνση της συσσώρευσης καυσαερίων στην ατμόσφαιρα, αποδεικνύοντας έτσι την ανάγκη για ακόμα μεγαλύτερη εκμετάλλευση των νέων τεχνολογιών με την άμεση εφαρμογή τους στην πράξη. Πράγματι τα τελευταία χρόνια οι αυτοκινητοβιομηχανίες παρουσίασαν νέες μορφές θερμικών κινητήρων, ξεπερνώντας πολλές από τις σημαντικότερες τεχνικές δυσκολίες του παρελθόντος. Παράλληλα, όμως, αυξήθηκαν σημαντικά και οι απαιτήσεις όλων για χαμηλότερες εκπομπές ρύπων και περιορισμένη κατανάλωση καυσίμου. Για να ανταποκριθούν επομένως σε αυτές, οι επιστήμονες των εταιρειών αναγκάστηκαν τελικά να ακολουθήσουν τις πλέον ριζοσπαστικές μεθόδους. Παρακάτω μπορούμε να δούμε κάποιες από τις σημαντικότερες: 4.2 Βενζινοκινητήρες άμεσου ψεκασμού Λίγο πριν το τέλος του 20ού αιώνα, την εμφάνισή τους κάνουν οι πρώτες περιοριστικές νομοθεσίες που αφορούσαν στην περαιτέρω μείωση των εκπομπών του διοξειδίου του άνθρακα των αυτοκινήτων, πράγμα που όσον αφορά τους κινητήρες εσωτερικής καύσης μπορεί να επιτευχθεί μόνο μέσω μιας πραγματικής μείωσης της κατανάλωσης τους. Απέναντι στην παραπάνω απαίτηση, μια άμεσα εφαρμόσιμη κι εφικτή λύση που προτάθηκε για τους κινητήρες εσωτερικής καύσης ήταν ο άμεσος ψεκασμός του καυσίμου. 122

124 Εικόνα 4.1: Κινητήρας άμεσου ψεκασμού Βασισμένοι στην αρχή της στρωματικής καύσης, οι κινητήρες του συγκεκριμένου τύπου ανέκαθεν αποτελούσαν μια πρόκληση για τους μηχανικούς των αυτοκινητοβιομηχανιών, ήδη από τα μέσα της δεκαετίας του Οι μόνες όμως εφαρμογές τους τότε ήταν σε αεροπορικούς κινητήρες και σε ελάχιστα μοντέλα αυτοκινήτων, όπως για παράδειγμα στη Mercedes 300 SLR. Επομένως, όπως γίνεται αντιληπτό, η λύση αυτή είναι ήδη γνωστή στις εταιρείες αυτοκινήτων εδώ και αρκετά χρόνια. Σήμερα, σύμφωνα πάντα με τους ίδιους τους κατασκευαστές που προωθούν αυτή την τεχνολογία, οι κινητήρες άμεσου ψεκασμού βενζίνης πλεονεκτούν όχι μόνο έναντι των συμβατικών κινητήρων, αλλά και έναντι άλλων, νέων και πιο εξωτικών ίσως τεχνολογιών. Ο λόγος είναι ότι, σε σχέση με τους συμβατικούς, οι κινητήρες φτωχού μίγματος εκπέμπουν λιγότερο διοξείδιο του άνθρακα κατά τη λειτουργία τους. 123

125 Εικόνα 4.2: Μπεκ ψεκασμού βενζίνης Κατά τα άλλα, οι μέθοδοι παραγωγής και ανακύκλωσης τους είναι ακριβώς οι ίδιες με τις μέχρι σήμερα γνωστές, οπότε, από αυτή την άποψη, δεν υπάρχει διαφοροποίηση από τις ικανοποιητικές, σε αυτούς τους τομείς, επιδόσεις. Βέβαια, σε σύγκριση με τις άλλες νέες τεχνολογίες (ηλεκτρικά αυτοκίνητα, ενεργειακές κυψέλες κτλ.) που συζητούνται πολύ αυτό τον καιρό, οι κινητήρες άμεσου ψεκασμού εκπέμπουν περισσότερο διοξείδιο του άνθρακα κατά τη λειτουργία τους. Από την άλλη πλευρά, όμως, οι νέες τεχνολογίες επιβαρύνουν πολύ περισσότερο το περιβάλλον κατά τη φάση παραγωγής τους και ανακύκλωσης στο τέλος της ζωής τους (οι μπαταρίες και οι ενεργειακές κυψέλες κατασκευάζονται από εξεζητημένα κράματα μετάλλων, όχι και τόσο φιλικά προς το περιβάλλον). Έτσι, συνολικά και από μακροσκοπική θεώρηση, πάντα σύμφωνα με τους κατασκευαστές κινητήρων εσωτερικής καύσης, επιβαρύνουν τελικά και αυτές σημαντικά το περιβάλλον. Επιπρόσθετα, η τιμή ενός αυτοκινήτου με κινητήρα άμεσου ψεκασμού βρίσκεται σήμερα στα ίδια επίπεδα με την τιμή ενός συμβατικού, ενώ ίδιες είναι και οι απαιτήσεις όσον αφορά τη χρήση και τη συντήρηση. Επομένως, ο μέσος καταναλωτής, που είναι ιδιαίτερα εξοικειωμένος με την τρέχουσα τεχνολογία, δεν έχει κανένα εμπόδιο να το αγοράσει Θεωρητική προσέγγιση 124

126 Προσεγγίζοντας το θέμα καθαρά από τεχνική σκοπιά, οι εκπομπές του διοξειδίου του άνθρακα σε ένα συμβατικό κινητήρα εσωτερικής καύσης είναι ευθέως ανάλογες με την κατανάλωση καυσίμου. Και αυτή ακριβώς η μείωση είναι που επιτυγχάνεται με την τεχνολογία άμεσου ψεκασμού. Λόγω της μεγαλύτερης θερμοδυναμικής απόδοσης. Πιο αναλυτικά, στην περίπτωση αυτή η πραγματική μείωση της κατανάλωσης γίνεται εφικτή χάρη στην ευελιξία του συνδυασμού των σύγχρονων ηλεκτρονικών συστημάτων ελέγχου της λειτουργίας των κινητήρων με την τεχνολογία του άμεσου ψεκασμού. Αυτή η ευελιξία δίνει τη δυνατότητα στον κινητήρα να λειτουργεί με δύο διαφορετικά προγράμματα ψεκασμού, ανάλογα με τις συνθήκες οδήγησης. Στο ρελαντί, για παράδειγμα, και σε συνηθισμένες συνθήκες οδήγησης, ο κινητήρας λειτουργεί με το «Πρόγραμμα Φτωχού Μίγματος». Εδώ, η λειτουργία του κινητήρα γίνεται με πολύ φτωχό (σε βενζίνη) μίγμα επιτυγχάνοντας πολύ υψηλή θερμοδυναμική απόδοση. Το άλλο πρόγραμμα λειτουργίας του κινητήρα άμεσου ψεκασμού είναι το «Πρόγραμμα Υψηλής Απόδοσης». Χρησιμοποιείται δε κατά την επιτάχυνση και σε συνθήκες πλήρους φορτίου (π.χ. ανάβαση σε ανηφόρα με φορτωμένο αυτοκίνητο η οδήγηση με τέρμα γκάζι και ταχύτητα που πλησιάζει την τελική). Το τελικό, πάντως, αποτέλεσμα των δύο προγραμμάτων λειτουργίας ενός κινητήρα με σύστημα άμεσου ψεκασμού είναι η μείωση της κατανάλωσης καυσίμου, που ξεκινάει συνήθως από το 20% και φτάνει έως και το 33%, ανάλογα με τις συνθήκες λειτουργίας. Και αυτό μεταφράζεται σε ίσα ποσοστά μείωσης των εκπομπών διοξειδίου του άνθρακα. Εκτός από τη μείωση της κατανάλωσης και των εκπομπών του διοξειδίου του άνθρακα, η τεχνολογία άμεσου ψεκασμού βενζίνης επιτρέπει την παραπέρα μείωση και των υπόλοιπων ρύπων. Επίσης, οι κινητήρες αυτοί παρουσιάζουν ορισμένα ακόμα μικρά πλεονεκτήματα, όπως είναι η ευκολότερη εκκίνηση ακόμα και σε πολύ χαμηλές θερμοκρασίες. Επιπλέον, τόσο θεωρητικά όσο και πρακτικά, μόλις το 25%του καυσίμου ψεκάζεται κατά το χρόνο εισαγωγής, ενώ το υπόλοιπο στα τελευταία στάδια του χρόνου συμπίεσης. Έτσι, το μίγμα στην αρχή της συμπίεσης είναι πολύ φτωχό και στο τέλος πλούσιο. Με αυτό τον τρόπο αποφεύγεται το φαινόμενο της προανάφλεξης (πιράκια), που συνήθως κάνει την εμφάνιση του σε συνθήκες πλήρους φορτίου. Επιπλέον, ο ψεκασμός σε δύο στάδια μειώνει την εκπομπή των άκαυστων υδρογονανθράκων. 125

127 4.2.2 Από τη θεωρία στην πράξη Οι κινητήρες άμεσου ψεκασμού (εικόνα 4.1) συγκεντρώνουν πληθώρα εξελιγμένων τεχνολογικών λύσεων. Πιο συγκεκριμένα, το μπέκ ψεκασμού μεταφέρθηκε από την πολλαπλή εισαγωγής στο εσωτερικό του κυλίνδρου. Σε αντίθεση με τα συμβατικά μπέκ, τα συγκεκριμένα ψεκάζουν το καύσιμο με ιδιαίτερα υψηλή πίεση, η οποία παίρνει τιμές από 80 έως 120 bar. Οι τιμές αυτές είναι μέχρι και 40 φορές υψηλότερες σε σχέση με τις αντίστοιχες των συμβατικών μπέκ ψεκασμού. Το αποτέλεσμα στην περίπτωση αυτή είναι η μετατροπή του καυσίμου σε νέφος μικρών σταγονιδίων. Στόχος είναι η δημιουργία στρωμάτων καυσίμου, τα οποία είναι πυκνότερα γύρω από το μπουζί και αραιότερα όσο πλησιάζουν προς τα τοιχώματα του κυλίνδρου. Έτσι η ανάφλεξη του μίγματος επιτυγχάνεται με ευχέρεια, ενώ και η φλόγα μεταδίδεται ευκολότερα προς τα πιο αραιά στρώματα, επιτυγχάνοντας την πλήρη καύση της βενζίνης. Ιδιαίτερη διαμόρφωση έχουν υποστεί και οι διπλοί αυλοί εισαγωγής. Ο ένας από αυτούς περιλαμβάνει μια πεταλούδα η οποία κλείνει στα χαμηλά φορτία, με α- ποτέλεσμα όλος ο απαραίτητος αέρας να περνάει από το δεύτερο αυλό και να στροβιλίζεται έντονα, επιτυγχάνοντας την καλύτερη ανάμιξη του μίγματος. Στα υψηλά φορτία τώρα, η πεταλούδα ανοίγει και η αναρρόφηση γίνεται και από τους δύο αυλούς, ώστε να αυξάνεται σημαντικά η ποσότητα του αέρα που εισάγεται στους κυλίνδρους. Ιδιαίτερα αποτελεσματικός είναι και ο σχεδιασμός των εμβόλων, τα οποία είναι σκαμμένα πάνω στην επιφάνεια του κυλίνδρου. Με αυτόν τον τρόπο επιτυγχάνεται η συγκέντρωση του καύσιμου μίγματος γύρω από το μπουζί και η ομοιόμορφη διάδοση της φλόγας προς τα τοιχώματα των κυλίνδρων Τελικά συμπεράσματα Παρά το γεγονός ότι η τεχνογνωσία στο θέμα των κινητήρων άμεσου ψεκασμού έχει αναπτυχθεί ιδιαίτερα τα τελευταία χρόνια, οι τελευταίοι είναι δύσκολο να βρουν ευρύ πεδίο εφαρμογής, αν δεν ξεπεραστούν προηγουμένως ορισμένα σημαντικά εμπόδια. Το κυριότερο είναι αυτό της επεξεργασίας των οξειδίων του αζώτου, 126

128 τομέας στον οποίο οι καταλύτες κατακράτησης των ρύπων αυτών είναι η μόνη λύση. Στα μείον τους συγκαταλέγεται τόσο η λειτουργικότητα όσο και η μακροζωία τους, οι οποίες επηρεάζονται αρνητικά από το θείο που περιέχεται στα καύσιμα. Σήμερα, το μέγιστο επιτρεπόμενο όριο είναι τα 30 ppm, κάτι όμως που δυσκολεύονται να επιτύχουν οι εταιρείες πετρελαιοειδών. Επιπλέον, υπάρχουν σοβαρά ερωτήματα για την αξιοπιστία και τη μακροβιότητα των συστημάτων τροφοδοσίας, τα οποία χαρακτηρίζονται από πολυπλοκότητα και μεγάλες απαιτήσεις ηλεκτρικής ι- σχύος στα μπέκ και στην αντλία. Τέλος, η αυξημένη ισχύς που αποδίδουν ενδεχομένως θα επιφέρει και μεγαλύτερη φθορά στους κινητήρες, κάτι όμως που ακόμα δεν μπορεί να εκτιμηθεί με α- κρίβεια. 4.3 Τεχνολογία "Ατμοπαραγωγής" Γενικά Ο πειραματικός ατμοβενζινοκινητήρας της TOYOTA είναι, στην ουσία, ένας κινητήρας άμεσου ψεκασμού με υποδομή δημιουργίας στρωματικής καύσης. Η ουσιαστική διαφορά του από τους συμβατικούς βρίσκεται στην ικανότητά του, αντί για καθαρό αέρα από την ατμόσφαιρα, να αναρροφά ένα μίγμα από καθαρό αέρα, ανακυκλωμένα καυσαέρια και ατμούς βενζίνης. Όχι όμως ένα τυχαίο μίγμα αλλά ένα προσεκτικά -κατά περίπτωση- σχεδιασμένο μίγμα με αυστηρές αναλογίες, οι οποίες προκύπτουν από τους υπολογισμούς της ψηφιακής κεντρικής μονάδας που τον ε- λέγχει. 127

129 4.3.2 Περιγραφή συστήματος Ολόκληρο το κύκλωμα της εγκατάστασης τροφοδοσίας του κινητήρα αυτού, μπορούμε να δούμε στην εικόνα 4.3 Η καρδιά του συστήματος είναι ο θάλαμος ανάμιξης (13) μέσα στον οποίο δημιουργείται ένα μίγμα αποτελούμενο από: 1. αέρα που εισέρχεται από το φίλτρο (15) και του οποίου η ποσότητα ελέγχεται από την πεταλούδα (17). Η πεταλούδα αυτή δεν ελέγχεται απ' ευθείας από το πεντάλ του γκαζιού αλλά από ένα βηματικό ηλεκτροκινητήρα (16) που παίρνει εντολές από την κεντρική μονάδα της τροφοδοσίας (σύστημα drive by wire). 2. καυσαέρια τα οποία ανακυκλώνονται από την πολλαπλή εξαγωγή μέσω του σωλήνα (19). Η ποσότητα των καυσαερίων που θα ανακυκλωθεί καθορίζεται από την βαλβίδα EGR (20) που ελέγχεται, και αυτή, από την κεντρική μονάδα. 3. μίγμα ατμών βενζίνης και αέρα το οποίο παράγεται μέσα στο θάλαμο ατμοποίησης (22). Η ποσότητα μίγματος που θα διοχετευθεί προς το θάλαμο ανάμιξης, καθορίζεται από τη βαλβίδα ροής μίγματος ατμών (28) που αποτελεί το τρίτο μέρος που ελέγχεται από την κεντρική μονάδα. Το τέταρτο και τελευταίο, είναι το μπέκ άμεσου ψεκασμού που θα δούμε παρακάτω. Ο αισθητήρας πίεσης (30) πληροφορεί την κεντρική μονάδα για την απόλυτη πίεση που επικρατεί στον θάλαμο ανάμιξης ενώ ο αισθητήρας μίγματος (32) μετρά την περιεκτικότητα σε ατμούς βενζίνης του μίγματος που απελευθερώνεται από την βαλβίδα (28). Ας δούμε τώρα τα επιμέρους υποσυστήματα που αποτελούν και τις ιδιαιτερότητες αυτού του κινητήρα, απέναντι σε οποιονδήποτε άλλο. 128

130 Εικόνα 4.3 Διάταξη παραγωγής μίγματος αέρα ατμών Περιγραφή λειτουργίας κινητήρα ατμού Διάταξη παραγωγής μίγματος αέρα-ατμών. Οι εξαεριφμένοι υδρογονάνθρακες που εκλύονται από την επιφάνεια της βενζίνης του ντεπόζιτου (26) οδηγούνται, μέσω του αγωγού (25) στο θάλαμο ατμοποίησης (22) όπου, κατά το μεγαλύτερο μέρος τους, απορροφώνται από τη μάζα ενεργού άνθρακα (21) που βρίσκεται μέσα σε ένα ειδικό κάνιστρο. Όταν ανοίγει η πεταλούδα ελέγχου της ροής μίγματος ατμών (28), η υποπίεση που δημιουργείται στον αγωγό (27) εξαναγκάζει τον ατμοσφαιρικό αέρα να εισχωρή- 129

131 σει στο διαμέρισμα αέρα (24) του θαλάμου ατμοποίησης (22). Καθώς ο αέρας περνά μέσα από το στρώμα ενεργού άνθρακα (21), απελευθερώνει τους ατμούς που έχουν δεσμευτεί και σχηματίζει μαζί τους το αέριο μίγμα το οποίο, μέσω της βαλβίδας (28), προωθείται προς το θάλαμο ανάμιξης (εικόνα 4.7). Ο θάλαμος καύσης Το μίγμα αέρα-ατμών του θαλάμου ανάμιξης (13) αναρροφάται από την εισαγωγή (9,12) και εισχωρεί στο θάλαμο (5) του κινητήρα, όπως ακριβώς και στους συμβατικούς βενζινοκινητήρες. Το σχήμα της κορώνας του εμβόλου (4) είναι τέτοιο ώστε ο θάλαμος καύσης (5) να έχει ένα εξαιρετικά συγκεντρωμένο σχήμα που να ευνοεί την ανάπτυξη στρωματικής καύσης, όποτε απαιτηθεί κάτι τέτοιο. (εικόνα 4.7) Ο αριθμός των ψεκασμών ανά κύκλο αλλά και ο χρονισμός έναρξης και πέρατος καθενός από αυτούς, εξαρτάται από τις εντολές της κεντρικής μονάδας και από την πληθώρα μιγμάτων και τρόπου δημιουργίας τους, ανάλογα με το φορτίο του κινητήρα. Ο αισθητήρας θερμοκρασίας νερού (31) πληροφορεί την κεντρική μονάδα να κρατήσει τον κινητήρα σε συμβατική λειτουργία μέχρις ότου η θερμοκρασία του ψυκτικού φτάσει τους 80 C, έτσι ώστε να μην υπάρξουν συμπτώματα δυσλειτουργίας εξαιτίας της συνύπαρξης ιδιόμορφων μιγμάτων με κρύα τοιχώματα του θαλάμου καύσης. Διαχείριση καυσαερίων Το σύστημα εξαγωγής αποτελείται από την πολλαπλή (18), τον αγωγό ανακύκλωσης καυσαερίων (19), τον αισθητήρα λάμδα (37), τον προκαταλύτη (29a) και τον τελικό καταλύτη (29b). Υπάρχει, φυσικά, και μια διάταξη ανακύκλωσης των καυσαερίων (EGR) μέσω του αγωγού (19) έτσι ώστε να είναι δυνατός ο περιορισμός της δημιουργίας οξειδίων του αζώτου όταν, για την καύση, χρησιμοποιούνται πολύ φτωχά μίγματα (εικόνα 4.7). Ο προκαταλύτης (29a), όπως έχει αναφερθεί σε προηγούμενο κεφάλαιο, είναι ένας τυπικός τριοδικός καταλύτης ο οποίος διαχειρίζεται ένα μέρος των καυσαερίων, μέσω της συμβατικής μεθόδου η οποία ισχύει για όλους τους γνωστούς καταλυτικούς μετατροπείς. Τα πράγματα όμως αλλάζουν, όταν αναφερόμαστε στα περιεχόμενα του κυρίως καταλύτη (29b), μέσα στον οποίο συνυπάρχουν ένας οξειδωτικός καταλύτης, ένας τριοδικός καταλύτης και τέλος ένας ειδικός καταλύτης ο οποίος 130

132 έχει την ιδιότητα να απορροφά τα 37 οξείδια του αζώτου (ΝΟχ) όταν ο κινητήρας λειτουργεί με φτωχά μίγματα και να τα αποδίδει ξανά, όταν ο κινητήρας λειτουργεί με μίγματα στοιχειομετρικά ή πλούσια. Στην περίπτωση αυτή, οι συνοδευτικοί καταλύτες μπορούν να ανάγουν τα οξείδια του αζώτου, μέσω της οξείδωσης των άκαυστων οργανικών εκπομπών και του μονοξειδίου του άνθρακα (εικόνα 4.7). Εναλλακτικά, αυτός ο καταλύτης μπορεί να αντικατασταθεί από έναν α- πλούστερο ο οποίος θα έχει την δυνατότητα αναγωγής των οξειδίων του αζώτου ό- ταν, στα καυσαέρια συνυπάρχει η περίσσεια οξυγόνου με άκαυτους υδρογονάνθρακες (π.χ. καθεστώς ρεταρίσματος εξαιτίας, κυρίως, φτωχού μίγματος. Εναλλακτικές εκδοχές Η διάταξη της εικόνας 4.3 δεν είναι η μόνη που θα μπορούσε να επιτρέψει τη λειτουργία ενός κινητήρα άμεσου ψεκασμού σε περιβάλλον μίγματος ατμών και καυσαερίων. Απλώς αυτή η διάταξη είναι η πιο λογική στην κατανόηση της, όσον αφορά στον τρόπο που η κεντρική μονάδα αντιλαμβάνεται την περιεκτικότητα σε ατμούς βενζίνης του αέρα που κατευθύνεται προς το θάλαμο καύσης. Παρακάτω μπορούμε να δούμε εναλλακτικές διατάξεις αισθητήρων μέσω των οποίων μπορεί να γίνει υπολογισμός, και όχι απ' ευθείας μέτρηση, του ποσοστού ατμών στον όγκο αέρα του κινητήρα Καύση με ατμοποιημένη βενζίνη Πώς ελέγχουμε την ισχύ που αποδίδει, σε συγκεκριμένες στροφές, ένας βενζινοκινητήρας; Απλούστατα, στραγγαλίζοντάς τον. Μην πατώντας το γκάζι ως το τέρμα, αυτό που κάνουμε είναι να παρεμβάλλουμε στη ροή του αέρα ένα εμπόδιο, τη μισόκλειστη πεταλούδα, έτσι ώστε οι κύλινδροι να μην μπορούν να αναρροφήσουν ολόκληρη τη μάζα του αέρα που τους αναλογεί. (Εξακολουθούν, βέβαια, να αναρροφούν ων ίδιο όγκο, αλλά σε πίεση μικρότερη από την ατμοσφαιρική). Με μισόκλειστη την πεταλούδα όμως, η επιθυμητή μείωση της ισχύος των βενζινοκινητήρων προκύπτει από δύο αιτίες εκ των οποίων μόνον η μια είναι υγιής και αυτή δεν είναι άλλη από τη μείωση της μάζας του εισερχόμενου αέρα, άρα και 131

133 της βενζίνης που αντιστοιχεί σε αυτή τη μάζα αέρα ώστε να επιτευχθεί ένα στοιχειομετρικό μίγμα. Η άλλη αιτία, η μη-υγιής, δεν αφορά σε περιορισμό της ισχύος αλλά σε δαπάνη ενός μέρους της για την υπερνίκηση μίας μεγάλης, παρασιτικής τριβής. Κι η τριβή αυτή δεν είναι άλλη από την προσπάθεια που εξαναγκάζεται να κάνει ο κινητήρας για να αναρροφήσει τον αέρα που χρειάζεται, όταν αυτός στραγγαλίζεται από το περιορισμένης διατομής στόμιο που σχηματίζει η μισόκλειστη πεταλούδα. Αν το καλοεξετάσει κανείς, εδώ πια μιλάμε για σκάνδαλο, αν σκεφτούμε πόση βενζίνη καταναλώνουμε άσκοπα, προκειμένου να κινηθούμε με ισχύ μικρότερη από τη μέγιστη που αντιστοιχεί στις συγκεκριμένες στροφές. Τέτοιου είδους πρόβλημα δεν αντιμετωπίζουν οι κινητήρες ντίζελ κι αυτός είναι ένας από τους δύο λόγους στους οποίους οφείλεται η σημαντικά μικρότερη κατανάλωση που εμφανίζουν, σε σύγκριση με τους βενζινοκινητήρες. Ο άλλος είναι η πολύ υψηλότερη συμπίεση με την οποία μπορούν να λειτουργούν. Στους κινητήρες ντίζελ, δεν υπάρχει πρόβλημα εναύσιμου μίγματος, αφού η αυτανάφλεξη θα συμβεί μέσα στον κύλινδρο, ανεξάρτητα από το μέγεθος περίσσειας αέρα. Έτσι, οι ντίζελ δεν διαθέτουν μια πεταλούδα που θα φρενάρει τον κινητήρα η ρύθμιση της ισχύος γίνεται με τον αυλό εισαγωγής ορθάνοικτο και το μόνο που μεταβάλλεται είναι η ποσότητα καυσίμου, σε κάθε κύκλο, ανάλογα με την επιθυμητή ισχύ που θέλουμε να έχουμε. Αυτός όμως είναι κι ο λόγος που δεν μπορούμε να έχουμε σοβαρό φρενάρισμα σε κινητήρα ντίζελ αν απλώς αφήσουμε το γκάζι «Αντιγράφοντας» τον ντίζελ. Οι βενζινοκινητήρες πτωχού μίγματος δεν κάνουν τίποτε άλλο από το να αντιγράφουν, ως ένα βαθμό, τον τρόπο ελέγχου της ισχύος ενός ντίζελ. Το ζητούμενο, εδώ, σε σύγκριση με ένα στοιχειομετρικό κινητήρα, είναι να έχουμε την ίδια ισχύ αλλά με πολύ πιο ανοικτή πεταλούδα πόσο ανάποδο μας φαίνεται αυτό, όταν έχουμε συνηθίσει, τόσα χρόνια, να μιλάμε για απόκριση στο γκάζι, έτσι ώστε να υπάρχουν λιγότερες παρασιτικές απώλειες από την προσπάθεια του κινητήρα να εισπνεύσει. Η λύση είναι να δώσουμε περίσσεια αέρα στο μίγμα έτσι ώστε, για την ίδια ποσότητα βενζίνης που καταναλώνεται σε κάθε κύκλο, ο οδηγός να είναι υποχρεωμένος να έχει πατημένο το γκάζι σε μεγαλύτερο βαθμό, μειώνοντας έτσι το βαθμό στραγγαλισμού του κινητήρα. Το κακό, όμως, με αυτού του είδους τα πτωχά μίγματα, είναι η ασυνέπεια ως προς την έναυσή τους και η ασυνέπεια αυτή οφείλεται στο ότι τα μόρια της βενζίνης βρίσκονται, τώρα, σε μεγαλύτερη αραίωση μέσα στον όγκο του αέρα του θαλάμου καύσης, γεγονός που μειώνει τις πιθανότητες ύπαρξης επαρκούς 132

134 αριθμού μορίων γύρω από το μπουζί ώστε να ξεκινήσει η καύση αμέσως μετά την εμφάνιση του σπινθήρα στο μπουζί. Τρεις λύσεις υπάρχουν για την αντιμετώπιση αυτού του προβλήματος: Η δημιουργία έντονου στροβιλισμού του μίγματος λίγο πριν από την έναυσή του. Με τον τρόπο αυτό, αυξάνονται οι πιθανότητες ισοκαταμερισμού των μορίων βενζίνης μέσα στον αέρα του θαλάμου καύσης, άρα και μείωσης της πιθανότητας να βρεθεί ο σπινθήρας του μπουζί εν μέσω ξηρού αέρα κι η καύση, στο συγκεκριμένο κύκλο, να μην ξεκινήσει ποτέ. Η ισχυρή εξαέρωση της βενζίνης, πριν ή μετά την είσοδο της στο θάλαμο καύσης. Με τον τρόπο αυτό, οι σταγόνες βενζίνης απελευθερώνουν μόρια υδρογονανθράκων τα οποία καλύπτουν τα κενά ανάμεσα τους, γεγονός που λειτουργεί θετικά για την πιθανότητα έναρξης της καύσης, όπως ακριβώς και στην προηγούμενη περίπτωση. Η συγκέντρωση όλης της ποσότητας της βενζίνης σε μια πολύ μικρή περιοχή του θαλάμου καύσης, γύρω από το μπουζί, κάνοντάς το να νομίζει ότι το μίγμα είναι πλούσιο (στρωματοποιημένη καύση). Για να επιτευχθεί όμως κάτι τέτοιο, απαιτείται ένα σύστημα τροφοδοσίας που θα ψεκάζει τη βενζίνη απευθείας στο θάλαμο καύσης, έτσι ώστε αυτή να σχηματίζει ένα επικεντρωμένο νέφος γύρω από το μπουζί. Το μειονέκτημα αυτής της διάταξης είναι ότι δεν μπορεί να συνυπάρξει με ταχύστροφους κινητήρες εξαιτίας του χρόνου που χρειάζονται τα σταγονίδια της βενζίνης ώστε να εξαερωθούν, κατά το μεγαλύτερο μέρος τους. Αυτός είναι και ο λόγος που ο άμεσος ψεκασμός (με ή χωρίς στρωματοποιημένη καύση) δεν μπορεί, προς το παρόν, να χρησιμοποιηθεί σε πραγματικά γρήγορους κινητήρες όπως αυτοί της F1. Το ανώτερο αγωνιστικό επίπεδο στο οποίο έχει χρησιμοποιηθεί ο άμεσος ψεκασμός, είναι το 24ωρο Le Mans του 2002, όπου τα Audi R8 που τον χρησιμοποίησαν, παρουσίασαν μείωση της κατανάλωσης έως και 10%, επιλέγοντας ανάμεσα σε ομογενοποιημένη καύση όταν πήγαιναν με τέρμα γκάζι και σε στρωματοποιημένη όταν οι απαιτήσεις ισχύος ήταν μικρότερες από το μέγιστο. 133

135 4.3.5 Οι έρευνες της TOYOTA Πολλοί είναι αυτοί που έχουν ασχοληθεί με την ατμοποιημένη βενζίνη προκειμένου να βελτιώσουν την οικονομία βενζίνης. Και πολλές είναι οι μαγικές συσκευές που βασίζονται σε αυτή την αρχή και που, κατά καιρούς, έχουν υποσχεθεί στο παρελθόν τουλάχιστον, πολλά πράγματα. Δυστυχώς, οι περισσότεροι οικονομητές αυτού του τύπου είχαν δύο μειονεκτήματα. Το πρώτο ήταν η μη-πρόβλεψη για τα οξείδια του αζώτου που μπορεί να παράγει ένας κινητήρας υπέρ-πτωχού μίγματος. Το δεύτερο ήταν η αστάθεια των μιγμάτων που δημιουργούσαν οι περισσότεροι από αυτούς τους οικονομητές. Όταν η Toyota αποφάσισε να ασχοληθεί με την εξαερωμένη βενζίνη ως καύσιμο, δεν ενδιαφερόταν μόνο για τη μείωση της κατανάλωσης. Η απολύτως ομαλή λειτουργία του κινητήρα ήταν μία από τις προτεραιότητες όπως και ο απόλυτος έλεγχος των καυσαερίων. Αυτός είναι και ο λόγος που ειδικοί αισθητήρες υπολογίζουν, ανά 30 την ομαλότητα περιστροφής του στροφαλοφόρου, έτσι ώστε το σύστημα ψεκασμού να φροντίσει αμέσως για τον εμπλουτισμό του μίγματος, σε περίπτωση που κάποια πτωχή καύση δεν έχει αίσια έκβαση. Αυτός είναι κι ο λόγος της υιοθέτησης μιας εξελιγμένης τεχνολογίας EGR και καταλυτών, έτσι ώστε να εκμηδενιστούν οι εκπομπές οξειδίων του αζώτου οι οποίες, έτσι κι αλλιώς, είναι «ταυτισμένες» με την ύπαρξη των κινητήρων πτωχού μίγματος. Μέχρι τώρα, πολλοί ήταν οι ερευνητές μεγάλων εργοστασίων που έχουν α- σχοληθεί με την αξιοποίηση των ατμών βενζίνης που παράγονται μέσα στο ντεπόζιτο. Όλοι τους, όμως, είχαν επικεντρωθεί σε τεχνολογίες διόρθωσης του μίγματος, διατηρώντας σταθερή την παροχή ατμών στον κινητήρα. Η καινοτομία της Toyota βασίζεται στο ότι οι αλγόριθμοι ελέγχου του κινητήρα μπορούν να μεταβάλλουν συνεχώς την παροχή ατμών, κάνοντας, στη συνέχεια, τη διόρθωση του μίγματος με α- πευθείας έγχυση καυσίμου στο θάλαμο καύσης. Μέχρι στιγμής, ο κινητήρας αυτός έχει λειτουργήσει με περιεκτικότητα ατμών βενζίνης έως και ίση με το 20% της συνολικής μάζας καυσίμου που καταναλώνει ο κινητήρας, και όταν μιλάμε για μια τόσο μεγάλη περιεκτικότητα σε αέριο, αυτό μεταφράζεται σε πιο σταθερή καύση από κύκλο σε κύκλο, άρα και σε μεγαλύτερη απόδοση και οικονομία, όταν ο κινητήρας δεν λειτουργεί με το γκάζι πατημένο ως το τέρμα. 134

136 Όπως είπαμε και στην αρχή, το ζητούμενο για να έχουμε έναν οικονομικό κινητήρα, είναι η διατήρηση της πεταλούδας του γκαζιού όσο γίνεται περισσότερο α- νοικτή, όταν έχουμε χαμηλές απαιτήσεις ισχύος. Το κακό με τους κινητήρες πτωχού μίγματος είναι η ψυχολογική δυσαρέσκεια του οδηγού όταν αναγκάζεται να πατά βαθιά το γκάζι, παρ' όλο που οι απαιτήσεις ισχύος που έχει από τον κινητήρα του είναι μικρές. Το πρόβλημα αυτό που ταλάνισε, στο παρελθόν, τους χρήστες των Carina- Lean Burn λύθηκε με την αποσύνδεση της πεταλούδας του γκαζιού από το πεντάλ και την αντικατάσταση του συρματόσχοινου με ένα σύστημα drive-by-wire, μέσω της κεντρικής μονάδας και ενός σερβοκινητήρα. Ο οδηγός πατάει το γκάζι ελαφρά, όπως ακριβώς έχει συνηθίσει στα συμβατικά συστήματα, όταν χρειάζεται μικρή ισχύ. Το πόσο θα ανοίξει, στην πραγματικότητα, η πεταλούδα, είναι κάτι που δεν τον αφορά Ψεκασμός και φορτίο Η σωστή λειτουργία του κινητήρα ατμών βενζίνης της Toyota, βασίζεται στο γεγονός ότι, μέσα στο θάλαμο καύσης, υπάρχει ένα ακροφύσιο άμεσου ψεκασμού το οποίο φροντίζει για το συμπλήρωμα του μίγματος με πρόσθετη βενζίνη. Ανάλογα με τις στιγμιαίες ανάγκες του κινητήρα, υπάρχουν δύο χρονικές στιγμές κατά τις οποίες γίνεται αυτός ο πρόσθετος ψεκασμός. Και σε κάθε μια από αυτές τις χρονικές στιγμές, αντιστοιχεί, όχι μόνο διαφορετική ποσότητα βενζίνης αλλά και διαφορετική στρατηγική της καύσης που επακολουθήσει. Η πρώτη χρονική στιγμή κατά την οποία γίνεται έκχυση καυσίμου (ποσότητας ΠΙ) στον κύλινδρο, είναι κατά τη στιγμή του χρόνου έναρξης της εισαγωγής, αμέσως μόλις το έμβολο αφήσει πίσω του το ΑΝΣ και αρχίσει να κινείται προς το ΚΝΣ. Η δεύτερη στιγμή είναι κατά την ολοκλήρωση του χρόνου της συμπίεσης και λίγο πριν το έμβολο φτάσει στο ΑΝΣ για να γίνει η έναυση. Στην περίπτωση αυτή, η ποσότητα βενζίνης που ψεκάζεται είναι Π2. 135

137 Εικόνα 4.4 : Έμβολο Όπως είναι εμφανές, η ποσότητα ΠΙ ψεκάζεται μέσα στο κινούμενο ρεύμα αέρα το οποίο, εισερχόμενο στον κύλινδρο από την ανοικτή βαλβίδα, περνά μπροστά από το μπέκ του άμεσου ψεκασμού. Στη συνέχεια, μέχρι να γίνει η έναυσή του από το μπουζί, παραμένει μέσα στον κύλινδρο για διάστημα ίσο, σχεδόν, με μια ολόκληρη περιστροφή του κινητήρα, γεγονός που δίνει την δυνατότητα διασποράς της βενζίνης σε ολόκληρο τον όγκο του αέρα. Το αποτέλεσμα είναι ένα ομογενοποιημένο μίγμα, ή για να το πούμε πιο απλά, ένα μίγμα αποτελούμενο από ίσο κατανεμημένα μόρια βενζίνης μέσα στη μάζα του αέρα που έχει συμπιεστεί στο θάλαμο καύσης. Αντίθετα στην περίπτωση ψεκασμού της μικροποσότητας Π2, ο απειροελάχιστος χρόνος της παραμονής της βενζίνης μέσα στο θάλαμο καύσης (από τον ψεκασμό μέχρι την έναυσή της) έχει ως αποτέλεσμα την επιλεκτική συγκέντρωση του συνόλου της μάζας της γύρω από το μπουζί, με την βοήθεια και του ειδικού σχήματος που έχει η κορώνα του εμβόλου. Έτσι παρά το γεγονός ότι η συνολική αναλογία της βενζίνης μέσα στον αέρα αντιστοιχεί σε αυτή ενός φτωχού μίγματος, το μίγμα αυτό έχει τις ίδιες πιθανότητες έναυσης και καύσης με αυτές ενός πλούσιου μίγματος. Αυτό οφείλεται στο γεγονός ότι η κύρια παράμετρος δυνατότητας πρόκλησης έναυσης από το μπουζί (αλλά και η εξέλιξη έναυσης σε καύση), είναι η περιεκτικότητα σε βενζίνη της περιοχής του μπουζί. Η τεχνική της διαμόρφωσης ενός φτωχού μίγματος σε «τοπικά πλούσιο» γύρω από το μπουζί και πολύ φτωχό στα άκρα του 136

138 θαλάμου καύσης, αποκαλείται «στρωματική ή καλύτερα στρωματοποιημένη καύση» (stratified combustion), εκφράζοντας επακριβώς τον τρόπο που ποικίλει η συγκέντρωση μορίων βενζίνης από το μπουζί μέχρι τις παρυφές του θαλάμου καύσης. 4.4 Εφαρμογή άμεσου ψεκασμού και τεχνολογίας ατμοποιημένου καυσίμου από συγκεκριμένες αυτοκινητοβιομηχανίες. TOYOTA Οι μηχανικοί της Toyota εφάρμοσαν τεχνολογικές λύσεις δοκιμασμένες με επιτυχία και σε άλλους κινητήρες παραγωγής. Έτσι, ο D4 (εικόνα 4.5) περιλαμβάνει και σύστημα μεταβλητού χρονισμού των βαλβίδων εισαγωγής, στοιχείο που βελτιώνει την απόδοση του κινητήρα σε όλο το φάσμα των στροφών λειτουργίας του. Ένα από τα πιο σημαντικά μειονεκτήματα των κινητήρων φτωχού μίγματος, που έπρεπε να αντιμετωπίσουν οι τεχνικοί της εταιρείας, ήταν τα υψηλά επίπεδα εκπομπών οξειδίων του αζώτου. Το πρόβλημα αντιμετωπίστηκε με δύο τρόπους: Καταρχήν, σχεδιάστηκε καλύτερα ο μηχανισμός ανακύκλωσης των καυσαερίων EGR, ώστε να μειωθούν οι υψηλές θερμοκρασίες που αναπτύσσονται μέσα στον κύλινδρο κατά την καύση και, συνακόλουθα, η δημιουργία των οξειδίων του αζώτου. Έτσι, στον D4, το 40% των καυσαερίων ανακυκλώνεται και καταλήγει εκ νέου στον κύλινδρο. Εικόνα 4.5: Κινητήρας D4 137

139 Η λύση όμως της ανακύκλωσης των καυσαερίων δεν μπορούσε από μόνη της να εξαλείψει το πρόβλημα, γι' αυτό χρησιμοποιήθηκε παράλληλα και ειδικός καταλύτης κατακράτησης των οξειδίων του αζώτου. Ο καταλύτης αυτός κατακρατεί και καίει τα οξείδια του αζώτου, παρουσιάζει όμως ευαισθησία στο θείο που περιέχει η βενζίνη, το οποίο μειώνει τον ωφέλιμο χρόνο ζωής του. Αυτό είναι ένα σημείο στο οποίο οι τεχνικοί της εταιρείας περιμένουν τη συνδρομή των εταιρειών πετρελαιοειδών. Ο συνδυασμός πάντως του μηχανισμού ανακύκλωσης των καυσαερίων με τον καταλύτη κατακράτησης οξειδίων έχει σαν αποτέλεσμα τη συνολική μείωση των οξειδίων του αζώτου κατά 95% και την κάλυψη των πιο αυστηρών περιορισμών εκπομπής καυσαερίων που ισχύουν στην Ιαπωνία. Αξίζει στο σημείο αυτό να προσθέσουμε πως η χρήση της συγκεκριμένης τεχνολογίας σε αυτοκίνητα παραγωγής της Toyota έχει σαν αποτέλεσμα τη μείωση της κατανάλωσης κατά 30% (5,7 λίτρα / 100χλμ.), στοιχείο που συνοδεύεται με ταυτόχρονη βελτίωση των επιδόσεων κατά 10%. Ιδιαίτερο τεχνολογικό ενδιαφέρον παρουσιάζει επίσης και ο νεότευκτος 2λιτρος κινητήρας άμεσου ψεκασμού του Ιάπωνα κατασκευαστή (143 ίπποι). Κι αυτό, γιατί η πίεση ψεκασμού του καυσίμου κυμαίνεται από 79 έως και 128 atm, τιμές που είναι οι υψηλότερες σε σχέση με τις αντίστοιχες που χρησιμοποιεί σήμερα οποιοσδήποτε άλλος κατασκευαστής. Παράλληλα, εκτός από την υψηλή αυτή πίεση, στην προσπάθεια τους να ε- ναρμονίσουν τον κινητήρα τους με τις προδιαγραφές ρύπων EURO IV, οι μηχανικοί της Toyota χρησιμοποίησαν ένα νέο τύπο αισθητήρα για την καταμέτρηση της ροής του αέρα, ο οποίος ανιχνεύει με ακρίβεια τον όγκο του, επιτρέποντας στην κεντρική μονάδα ελέγχου του κινητήρα να ελέγχει καλύτερα την αναλογία μίγματος αέραβενζίνης. Για να επιτευχθούν όλα αυτά, κρίθηκε αναγκαία η επανασχεδίαση του ηλεκτρονικού συστήματος ψεκασμού, το οποίο είναι σε θέση τώρα να ελέγχει ταυτόχρονα τον όγκο του μίγματος και τη στιγμή του ψεκασμού. MITSUBISHI Μια από τις πρώτες χρονικά εταιρείες που εφοδίασαν με κινητήρες άμεσου ψεκασμού αυτοκίνητο παραγωγής, στα μοντέλα Galant στην Ιαπωνία και Carisma στην ευρωπαϊκή αγορά, ήταν η Mitsubishi. Με χωρητικότητα 1,8 λίτρα, ο G.D.I. (Gazoline Direct Injection) (εικόνα 4.6) κινητήρας απέδιδε ισχύ 150 ίππων και ροπή 18,2 χλγμ. Σε σχέση με τον αντίστοιχο συμβατικό βενζινοκινητήρα της εποχής πα- 138

140 ρουσίαζε κατά 35% χαμηλότερη κατανάλωση, προσδίδοντας στο αυτοκίνητο και 5 % χαμηλότερο χρόνο για την επιτάχυνση από τα Ο έως τα 100 χλμ./ ώρα. Η κατανάλωση καυσίμου ήταν χαμηλή ακόμα και σε σύγκριση με τον κλασικό 2λιτρο, υπερτροφοδοτούμενο 4κύλινδρο ντίζελ, τον οποίο ο Ιάπωνας κατασκευαστής κατάργησε στη συνέχεια. Η επίτευξη του στόχου απαίτησε σημαντικές διαφοροποιήσεις σε βασικά σημεία του κινητήρα, με πρώτο τους ευθείς αυλούς εισαγωγής, οι οποίοι επιτρέπουν καλύτερο έλεγχο του αέρα κατά την εισαγωγή του. Ο θάλαμος καύσης είναι πλέον σκαμμένος πάνω στην επιφάνεια του εμβόλου με τέτοιο τρόπο, ώστε να κατευθύνει τη φλόγα προς τις πλευρές των κυλίνδρων, με αποτέλεσμα να εξασφαλίζεται η πλήρης καύση του καυσίμου. Εικόνα 4.6 Κινητήρας GDI Όσον αφορά την τροφοδοσία του καυσίμου, εδώ έχουμε μια ιδιαίτερα ισχυρή αντλία βενζίνης και τα ειδικά διαμορφωμένα μπέκ, τα οποία φροντίζουν για τη διασπορά του καυσίμου και την ατμοποίηση του. Η πίεση του καυσίμου στα μπέκ φτάνει τα 50 bar (γύρω στις 15 φορές μεγαλύτερη απ' ό,τι στα συμβατικά μπέκ ψεκασμού), με αποτέλεσμα να απαιτείται πολύ καλή μόνωση κάτω από το πλαστικό καπάκι που καλύπτει τον κινητήρα. Χαρακτηριστικό του κινητήρα είναι και η υψηλή συμπίεση του, που φτάνει το 12:1, απαιτώντας τη χρήση βενζίνης υψηλών οκτανίων, προσδίδοντας έτσι και την υψηλή ροπή του κινητήρα. Όσον αφορά τα εκπεμπόμενα οξείδια του αζώτου, ο κινητήρας χρησιμοποιεί έναν καταλύτη επιλεκτικής οξείδωσης με τον ο- ποία, σύμφωνα με την εταιρεία, η μείωση των ρύπων αυτών φτάνει το 97%. 139