ΣΥΓΧΡΟΝΕΣ ΕΞΕΛΙΞΕΙΣ ΣΤΗΝ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ ΤΟΥ ΒΕΝΖΙΝΟΚΙΝΗΤΗΡΑ

Transcript

1 Τμήμα Μηχανολόγων Μηχανικών Βιομηχανίας Σχοαη Τεχνολογικών Επιστήμων ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΙΑΣ ΣΥΓΧΡΟΝΕΣ ΕΞΕΛΙΞΕΙΣ ΣΤΗΝ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ ΤΟΥ ΒΕΝΖΙΝΟΚΙΝΗΤΗΡΑ Διπλωματική εργασία Γ.Α. ΣΤΡΑΤΑΚΗΣ ΒΟΛΟΣ 1997

2 ΣΥΓΧΡΟΝΕΣ ΕΞΕΛΙΞΕΙΣ ΣΤΗΝ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ ΤΟΥ ΒΕΝΖΙΝΟΚΙΝΗΤΗΡΑ ΔΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ Σύνταξη εργασίας: Γ.Α. Στρατάκης Επίβλεψη: Α.Μ. Σταματέλλος ΒΟΛΟΣ, ΣΕΠΤΕΜΒΡΙΟΣ 1997

3 αρ. eta. «anniilmf nnst«

4 Πανεπιστήμιο Θεσσαλίας ΥΠΗΡΕΣΙΑ ΒΙΒΛΙΟΘΗΚΗΣ & ΠΛΗΡΟΦΟΡΗΣΗΣ Ειδική Συλλογή «Γκρίζα Βιβλιογραφία» Αριθ. Εισ.: 2096/1 Ημερ. Εισ.: Δωρεά: Ταξιθετικός Κωδικός: ΠΤ - ΜΜΒ 1997 ΣΤΡ Αφιερώνεται στους γονείς μου

5 ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ Πρόλογος - Πιστώσεις... i Περίληψη... iii Στόχοι - Πρωτοτυπία της εργασίας... ίν Δομή της εργασία... ν 1. ΕΙΣΑΓΩΓΗ 1.1 ΒΑΣΙΚΕΣ ΑΡΧΕΣ ΤΟΥ 4-ΧΡΟΝΟΥ ΒΕΝΖΙΝΟΚΙΝΗΤΗΡΑ Προπαρασκευή μίγματος Έναυση Καύση στον βενζινοκινητήρα Επίδραση χαρακτηριστικών λειτουργίας βενζινοκινητήρα στην ροπή και την κατανάλωση καυσίμου Προπορεία έναυσης Σύσταση μίγματος Βαθμός πλήρωσης Προβλήματα και όρια της καύσης στον βενζινοκινητήρα Η ΕΞΕΛΙΞΗ ΤΗΣ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΤΟΥ ΒΕΝΖΙΝΟΚΙΝΗΤΗΡΑ ΣΤΗΝ ΠΡΟΣΠΑΘΕΙΑ ΑΝΑΠΤΥΞΗΣ ΚΑΘΑΡΟΤΕΡΩΝ ΚΙΝΗΤΗΡΩΝ Συμμετοχή των επιβατικών οχημάτων στη ρύπανση του περιβάλλοντος Εξέλιξη της νομοθεσίας για τις εκπομπές ρύπων στο καυσαέριο των επιβατικών οχημάτων Εξέλιξη των τεχνολογιών αντιρρύπανσης στον βενζινοκινητήρα Απαιτήσεις από το σύστημα προετοιμασίας μίγματος των βενζινοκινητήρων με τριοδικό ρυθμιζόμενο καταλυτικό μετατροπέα Απατήσεις από το σύστημα έναυσης των βενζινοκινητήρων με τριοδικό ρυθμιζόμενο καταλυτικό μετατροπέα ΑΙΣΘΗΤΗΡΕΣ 2.1 ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΚΑΘΟΡΙΣΜΟΣ ΦΟΡΤΙΟΥ ΚΙΝΗΤΗΡΑ Μέτρηση απόλυτης πίεσης στην πολλαπλή εισαγωγής Χωρητικός αισθητής πίεσης Πιεζοαντιστατικός αισθη τής πίεσης Μέτρηση παροχής όγκου αέρα εισαγωγής Μέτρηση παροχής μάζας αέρα εισαγωγής Μέτρηση γωνίας πεταλούδας επιταχυντή Αναγνώριση καταστάσεων λειτουργίας ρελαντί, πλήρους φορτίου ΑΙΣΘΗΤΕΣ ΜΕΤΡΗΣΗΣ ΑΡΙΘΜΟΥ ΣΤΡΟΦΩΝ, ΓΩΝΙΑΣ ΣΤΡΟΦΑΛΟΥ, ΧΡΟΝΟΥ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ ΚΙΝΗΤΗΡΑ Επαγωγικός αισθητής Μαγνητοαντιστατικός αισθητής Αισθητής τύπου Hall ΜΕΤΡΗΣΗ ΘΕΡΜΟΚΡΑΣΙΑΣ ΚΙΝΗΤΗΡΑ - ΑΕΡΑ ΕΙΣΑΓΩΓΗΣ

6 ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ Πρόλογος - Πιστώσεις i Περίληψη... iii Στόχοι - Πρωτοτυπία της εργασίας... ϊν Δομή της εργασία... ν 1. ΕΙΣΑΓΩΓΗ 1.1 ΒΑΣΙΚΕΣ ΑΡΧΕΣ ΤΟΥ 4-ΧΡΟΝΟΥ ΒΕΝΖΙΝΟΚΙΝΗΤΗΡΑ Προπαρασκευή μίγματος Έναυση Καύση στον βενζινοκινητήρα Επίδραση χαρακτηριστικών λειτουργίας βενζινοκινητήρα στην ροπή και την κατανάλωση καυσίμου Προπορεία έναυσης Σύσταση μίγματος Βαθμός πλήρωσης Προβλήματα και όρια της καύσης στον βενζινοκινητήρα Η ΕΞΕΛΙΞΗ ΤΗΣ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΤΟΥ ΒΕΝΖΙΝΟΚΙΝΗΤΗΡΑ ΣΤΗΝ ΠΡΟΣΠΑΘΕΙΑ ΑΝΑΠΤΥΞΗΣ ΚΑΘΑΡΟΤΕΡΩΝ ΚΙΝΗΤΗΡΩΝ Συμμετοχή των επιβατικών οχημάτων στη ρύπανση του περιβάλλοντος Εξέλιξη της νομοθεσίας για τις εκπομπές ρύπων στο καυσαέριο των επιβατικών οχημάτων Εξέλιξη των τεχνολογιών αντιρρύπανσης στον βενζινοκινητήρα Απαιτήσεις από το σύστημα προετοιμασίας μίγματος των βενζινοκινητήρων με τριοδικό ρυθμιζόμενο καταλυτικό μετατροπέα Απατήσεις από το σύστημα έναυσης των βενζινοκινητήρων με τριοδικό ρυθμιζόμενο καταλυτικό μετατροπέα ΑΙΣΘΗΤΗΡΕΣ 2.1 ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΚΑΘΟΡΙΣΜΟΣ ΦΟΡΤΙΟΥ ΚΙΝΗΤΗΡΑ Μέτρηση απόλυτης πίεσης στην πολλαπλή εισαγωγής Χωρητικός αισθητής πίεσης Πιεζοαντιστατικός αισθητής πίεσης Μέτρηση παροχής όγκου αέρα εισαγωγής Μέτρηση παροχής μάζας αέρα εισαγωγής Μέτρηση γωνίας πεταλούδας επιταχυντή Αναγνώριση καταστάσεων λειτουργίας ρελαντί, πλήρους φορτίου ΑΙΣΘΗΤΕΣ ΜΕΤΡΗΣΗΣ ΑΡΙΘΜΟΥ ΣΤΡΟΦΩΝ, ΓΩΝΙΑΣ ΣΤΡΟΦΑΛΟΥ, ΧΡΟΝΟΥ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ ΚΙΝΗΤΗΡΑ Επαγωγικός αισθητής Μαγνητοαντιστατικός αισθητής Αισθητής τύπου Hall ΜΕΤΡΗΣΗ ΘΕΡΜΟΚΡΑΣΙΑΣ ΚΙΝΗΤΗΡΑ - ΑΕΡΑ ΕΙΣΑΓΩΓΗΣ

7 2.5 ΜΕΤΡΗΣΗ ΠΕΡΙΕΚΤΙΚΟΤΗΤΑΣ ΚΑΥΣΑΕΡΙΟΥ ΣΕ ΟΞΥΓΟΝΟ Αισθητήρας λ Αισθητής UEGO (Universal -Exhaust-Gas-Oxygen-Sensor) Αισθητής κτυπήματος ΕΝΕΡΓΟΠΟΙΗΤΕΣ 3.1 ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΕΝΕΡΓΟΠΟΙΗΤΕΣ ΈΓΧΥΣΗΣ ΕΝΕΡΓΟΠΟΙΗΤΕΣ ΈΝΑΥΣΗΣ Συστήματα με διανομέα Συστήματα χωρίς διανομέα Σπινθηριστές (μπουζί) ΕΝΕΡΓΟΠΟΙΗΤΕΣ ΡΥΘΜΙΣΗΣ ΣΤΡΟΦΩΝ ΡΕΛΑΝΤΙ ΟΛΟΚΛΗΡΩΜΕΝΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΔΙΑΧΕΙΡΙΣΗΣ ΒΕΝΖΙΝΟΚΙΝΗΤΗΡΑ 4.1 ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΨΕΚΑΣΜΟΥ ΠΟΛΛΑΠΛΩΝ ΣΗΜΕΙΩΝ Υποσύστημα έναυσης Σύστημα ρύθμισης προπορείας έναυσης Ηλεκτρονική ρύθμιση γωνίας dwell Μέτρηση αριθμού στροφών και γωνίας στροφάλου κινητήρα Βρόγχος ελέγχου κτυπήματος Υποσύστημα έγχυσης Σύστημα παροχής καυσίμου Προετοιμασία μίγματος Σύστημα ρύθμισης έγχυσης Α Μέτρηση φορτίου κινητήρα Προσαρμογή στις διάφορες φάσεις λειτουργίας του κινητήρα Φάση ψυχρής εκκίνησης Φάση προθέρμανσης Φάση ρελαντί Φάση πλήρους φορτίου Μεταβατικές φάσεις λειτουργίας Περιορισμός μέγιστου αριθμού στροφών Διόρθωση διάρκειας έγχυσης συναρτήσει της τάσης της μπαταρίας ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΨΕΚΑΣΜΟΥ ΜΟΝΟΥ ΣΗΜΕΙΟΥ Υποσύστημα έγχυσης Σύστημα παροχής καυσίμου Προετοιμασία μίγματος Σύστημα ρύθμισης έγχυσης Προσαρμογή στις διάφορες φάσεις λειτουργίας του κινητήρα Μεταβατικές φάσεις λειτουργίας Φάση ρελαντί ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΗ ΜΟΝΑΔΑ ΕΛΕΓΧΟΥ Βασικές αρχές μικροϋπολογιστών

8 7.2.2 Παράγοντες που επιδρούν οτην αξιοπιστία των ηλεκτρονικών συστημάτων Κατανομή βλαβών στα επιμέρους τμήματα ενός ηλεκτρονικού συστήματα και μέτρα για την αύξηση της αξιοπιστίας ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΑΥΤΟΔΙΑΓΝΩΣΗΣ Αυτοδιάγνωση καταλυτικού μετατροπέα Χρήση διπλών αισθητών λ Χρήση αισθητών συγκέντρωσης υδρογονανθράκων Χρήση αισθητών θερμοκρασίας καυσαερίου Αυτοδιάγνωση συστήματος κατακράτησης αναθυμιάσεων ρεζερβουάρ Αυτοδιάγνωση συστήματος ανακύκλωσης καυσαερίου (EGR) ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ 9. ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ Παράρτημα: Πίνακας μεταβλητών

9 1 ΠΡΟΛΟΓΟΣ - ΠΙΣΤΩΣΕΙΣ Η τεχνολογική ανάπτυξη του βενζινοκινητήρα στην εποχή μας είναι εντυπωσιακή και σηματοδοτείται από την διαρκώς πληρέστερη αξιοποίηση των δυνατοτήτων της τεχνολογίας των μικροϋπολογιστών στη διαχείριση του κινητήρα. Η έλευση της νομοθετημένης καταλυτικής αντιρρύπανσης του καυσαερίου, έχει υποχρεώσει όλους του μεγάλους κατασκευαστές (ΗΠΑ-ΕΕ-Ιαπωνία-Ν.Κορέα), να αναπτύξουν και να κατασκευάσουν κινητήρες υψηλής τεχνολογίας. Εδώ, ο ισχυρός ανταγωνισμός λειτουργεί ήδη στην κατεύθυνση της επικράτησης συγκεκριμένων τεχνολογικών λύσεων για τα υποσυστήματα ψεκασμού, έναυσης και επεξεργασίας καυσαερίου (για πρώτη φορά στην εκατονταετή ιστορία του αυτοκινήτου). Στην περιοχή αυτή εντάσσεται και η παρούσα διπλωματική εργασία στην οποία διερευνώνται διεξοδικά οι σύγχρονες τεχνολογίες των υποσυστημάτων του βενζινοκινητήρα τόσο σε επίπεδο αρχών λειτουργίας των αισθητών-ενεργοποιητών όσο και της φιλοσοφίας ελέγχου των μόνιμων και μεταβατικών σημείων λειτουργίας. Πρόκειται για μια σύνθετη βιβλιογραφική εργασία, που οδήγησε τελικά στη συγγραφή ενός εντελώς σύγχρονου συγγράμματος (ενημέρωση 1997), που, μεταξύ άλλων, μπορεί να χρησιμεύσει ως εγχειρίδιο κατάρτισης του Έλληνα Μηχανολόγου Μηχανικού στα συγκεκριμένα αντικείμενα καλύπτοντας ένα σημαντικό κενό στην ελληνική βιβλιογραφία. Συγχρόνως συμβάλει στην επιστημονικά ορθή υποστήριξη οποιοσδήποτε εθνικής πολιτικής αντιρρύπανσης από το αυτοκίνητο (θεσμός κάρτας ελέγχου καυσαερίων κλπ). Για να επιτύχει στο συγκεκριμένο στόχο η εργασία, εξετάστηκαν συγκριτικά και αναλύθηκαν όλες οι υπάρχουσες παραλλαγές συστημάτων τόσο της Ευρωπαϊκής, όσο και της Αμερικανικής και Ασιατικής Αυτοκινητοβιομηχανίας, με στόχο να εντοπιστούν οι βασικές αρχές και τεχνολογίες υποστήριξης κάθε συστήματος. Το αποτέλεσμα της δραστηριότητας αυτής ήταν ο εντοπισμός εντυπωσιακά μικρού αριθμού τεχνολογιών που υποστηρίζουν τα συγκεκριμένα υποσυστήματα, που η παρουσίαση τους με οργανωμένο τρόπο (κάτι που είναι διεθνώς πρωτότυπο απ όσο γνωρίζουμε τουλάχιστον), έχει ως αποτέλεσμα ένα συνοπτικό, δομημένο, και, πιστεύω, με σαφήνεια γραμμένο σύγγραμμα. Όμως η συνεισφορά της εργασίας δεν σταματά εδώ. Ανάμεσα στις θεμελιώδεις τεχνολογίες που υποστηρίζουν τη λειτουργία των συγκεκριμένων υποσυστημάτων του αυτοκινήτου, εντοπίστηκε ένας μικρός αριθμός τεχνολογιών αιχμής, που η έρευνα πάνω σ αυτές έχει στρατηγική σημασία για την παραπέρα εξέλιξη των υποσυστημάτων αυτών, με συνέπεια να υπάρχει σημαντικό ενδιαφέρον από την αυτοκινητοβιομηχανία και άλλες συναφείς βιομηχανίες. Εντοπίστηκαν δηλαδή πιθανές περιοχές μελλοντικής ερευνητικής δραστηριότητας του εργαστηρίου ΜΕΚ σε συνεργασία με άλλα εργαστήρια του τμήματος, που μπορεί να ξεκινήσουν από τα στοιχεία της παρούσης εργασίας. Στην κατεύθυνση αυτή εγκαινιάζεται μια νέα σειρά διπλωματικών εργασιών που αφορούν την εκπόνηση μελετών, που διερευνούν ολόκληρες υποπεριοχές των ΜΕΚ, και καταδεικνύουν συγκεκριμένες γόνιμες κατευθύνσεις πιθανής μελλοντικής ερευνητικής δραστηριοποίησης με βιομηχανική χρηματοδότηση, όχι μόνο για το συγκεκριμένο, αλλά και για άλλα συναφή εργαστήρια του Τμήματος.

10 11 Για την ανάθεση και επίβλεψη της εργασίας αυτής θα ήθελα να εκφράσω τις θερμές ευχαριστίες μου στον Δρα Μηχανολόγο Μηχανικό Α. Μ. Σταματέλλο. Του είμαι ευγνώμων για την ανεκτίμητη επιστημονική καθοδήγηση που μου προσέφερε στις διάφορες περιοχές που καλύπτει η εργασία αυτή, αλλά πολύ περισσότερο για την εμπιστοσύνη που μου έδειξε από τα πρώτα φοιτητικά μου χρόνια. Επιπλέον θα ήθελα να ευχαριστήσω για τη συνεισφορά τους: Τον Δρα Ηλεκτρολόγο Μηχανικό Φ. Κουμπουλή υπεύθυνο του εργαστηρίου Βιομηχανικών Αυτοματισμών και Ρομποτικής για την επιστημονική καθοδήγηση στην περιοχή των συστημάτων αυτομάτου ελέγχου και των μικροϋπολογιστών. Τον Δρα Χημικό Μηχανικό Β. Μποντόζογλου υπεύθυνο του εργαστηρίου Φυσικών και Χημικών Διεργασιών για την επιστημονική καθοδήγηση στην περιοχή των δκρασικών ροών σε σωλήνα, και την ευγενική προσφορά του να είναι μέλος της τριμελούς εξεταστικής επιτροπής. Τον Δρα Χημικό Μηχανικό Π. Τσιακάρα υπεύθυνο του εργαστηρίου θερμοδυναμικής για την υποστήριξη που παρείχε στην διεξαγωγή των εργαστηριακών μετρήσεων που απαιτήθηκαν και την ευγενική προσφορά του να είναι μέλος της τριμελούς συμβουλευτικής επιτροπής. Τον Δρα Μηχανολόγο Μηχανικό I. Λεκάκη επιστημονικό συνεργάτη του εργαστηρίου Ρευστομηχανικής και Στροβιλομηχανών για την ευγενική παραχώρηση εξειδικευμένων στοιχείων στην περιοχή της ανεμομετρίας θερμού σύρματος. Ευχαριστώ, τέλος, την οικογένεια μου για την ηθική συμπαράσταση που μου προσέφερε και όλους όσους συνέβαλλαν με τον δικό τους τρόπο στην περαίωση της εργασίας αυτής.

11 Ill ΠΕΡΙΛΗΨΗ Τα τελευταία χρόνια η έλευση της νομοθετημένης αντιρρύπανσης στο αυτοκίνητο οδήγησε τους κατασκευαστές αυτοκινήτων στην ανάπτυξη καθαρότερων κινητήρων. Συνέπεια του γεγονότος αυτού ήταν η ραγδαία εξέλιξη των τεχνολογιών που υποστηρίζουν τα υποσυστήματα που επηρεάζουν άμεσα ή έμμεσα τις εκπομπές του οχήματος (υποσυστήματα: επεξεργασίας καυσαερίου, έγχυσης καυσίμου και έναυσης). Στην παρούσα εργασία γίνεται παρουσίαση των σύγχρονων εξελίξεων στην τεχνολογία των υποσυστημάτων αυτών τόσο σε επίπεδο αισθητών - ενεργοποιητών όσο και της φιλοσοφίας ελέγχου των μόνιμων και μεταβατικών σημείων λειτουργίας του κινητήρα. Η παρουσίαση αφορά όλο το εύρος τεχνολογιών που χρησιμοποιούνται σήμερα από την παγκόσμια αυτοκινητοβιομηχανία (Ευρώπη, Αμερική, Ιαπωνία και Ν. Κορέα). Στην κατεύθυνση αυτή μέσω της ανάλυσης των απαιτήσεων των σύγχρονων τεχνολογιών και των επιπτώσεων (θετικών και αρνητικών) της εφαρμογής τους στο βενζινοκινητήρα επιδιώκεται η ανάδειξη των προβληματισμών της σύγχρονης αυτοκινητοβιομηχανίας με στόχο να διαφανούν οι μελλοντικές τάσεις. Σημαντική θέση στην εργασία αυτή κατέχουν τα ολοκληρωμένα συστήματα διαχείρισης τα οποία είναι αποτέλεσμα της εισαγωγής των μικροϋπολογιστών στον έλεγχο των λειτουργιών του κινητήρα. Στο μέρος αυτό γίνεται συνδυασμένη παρουσίαση των υποσυστημάτων έναυσης και ψεκασμού καυσίμου (ενός και πολλαπλών σημείων). Επιπλέον αναλύεται η επίδραση των φαινομένων που λαμβάνουν χώρα στο σύστημα εισαγωγής του κινητήρα κατά την προετοιμασία του καυσίμου μίγματος. Η παρουσίαση της φιλοσοφίας ρύθμισης - ελέγχου κατά τις διάφορες φάσεις λειτουργίας του κινητήρα αναδεικνύει τα οφέλη από την εφαρμογή της σύγχρονης τεχνολογίας σε ότι αφορά τις εκπομπές ρύπων, την κατανάλωση καυσίμου και την οδηγησιμότητα του οχήματος. Στην περιοχή της επεξεργασίας καυσαερίου αναλύεται η λειτουργία του τριοδικού ρυθμιζόμενου καταλύτη ως η βέλτιστη τεχνολογία αντιρρύπανσης που εφαρμόζεται σήμερα στο αυτοκίνητο. Η αξιολόγηση της τεχνολογίας αυτής γίνεται μέσα από την παρουσίαση των σημαντικότερων φαινομένων που επηρεάζουν την απόδοση του καταλύτη κατά τις διάφορες φάσεις λειτουργίας του κινητήρα (ιδιαίτερη βαρύτητα δίνεται στα φαινόμενα που επηρεάζουν τη θερμική απόκριση του μετατροπέα). Η αποτελεσματική εφαρμογή των μέτρων αντιρρύπανσης στα βενζινοκίνητα οχήματα προϋποθέτει την αξιόπιστη λειτουργία των υποσυστημάτων που διαχειρίζονται τη λειτουργία του κινητήρα. Στα πλαίσια της εργασίας αυτής αναλύονται οι παράμετροι που επηρεάζουν την αξιοπιστία των σύγχρονων ηλεκτρονικών συστημάτων και παρουσιάζονται στατιστικά στοιχεία σχετικά με την κατανομή των βλαβών στα επιμέρους τμήματα του συστήματος. Επιπλέον στο μέρος αυτό παρουσιάζονται οι σύγχρονες τεχνολογίες αυτοδιάγνωσης του καταλυτικού μετατροπέα, του συστήματος κατακράτησης αναθυμιάσεων ρεζερβουάρ και του συστήματος ανακύκλωσης καυσαερίου με στόχο την ανάδειξη του ρόλου τους στην βελτίωση της αξιοπιστίας.

12 IV ΣΤΟΧΟΙ ΚΑΙ ΠΡΩΤΟΤΥΠΙΑ ΤΗΣ ΕΡΓΑΣΙΑΣ Ο βασικός στόχος της εργασίας αυτής είναι η κάλυψη του σημαντικού κενού που υπάρχει στην Ελληνική βιβλιογραφία σχετικά με τις σύγχρονες τεχνολογίες αντιρρύπανσης στο αυτοκίνητο. Πρόκειται για θέμα μεγάλης σημασίας καθώς η αποτελεσματική εφαρμογή μιας εθνικής πολιτικής για τον έλεγχο της ατμοσφαιρικής ρύπανσης στις μεγάλες πόλεις, προβλέπει την δημιουργία προγραμμάτων ρύθμισης - συντήρησης του Ελληνικού στόλου οχημάτων τα οποία πρέπει να υποστηρίζονται από μηχανικούς και άλλα στελέχη με την απαιτούμενη τεχνογνωσία. Επιπλέον η εργασία αυτή στοχεύει μέσα από την παρουσίαση των προβληματισμών της αυτοκινητοβιομηχανίας στην εφαρμογή της σύγχρονης τεχνολογίας να αναδείξει το ρόλο της έρευνας και της ανάπτυξης σε πλειάδα επιστημών του Μηχανολόγου Μηχανικού. Με τον τρόπο αυτό παρουσιάζεται μια ευκαιρία διεπιστημονικής προσέγγισης στο θέμα, με εμπλοκή σημαντικού αριθμού ερευνητών από το τμήμα Μηχανολόγων Μηχανικών Βιομηχανίας και αναδεικνύονται κατευθύνσεις ερευνητικής και τεχνολογικής συνεργασίας σε ένα τομέα όπου υπάρχουν υψηλά ερευνητικά κονδύλια. Τα βασικά στοιχεία που κάνουν την εργασία αυτή να θεωρείται πρωτότυπη στην περιοχή των ΜΕΚ μπορούν να συνοψιστούν στα παρακάτω: Συνδυασμένη παρουσίαση των υποσυστημάτων έγχυσης, έναυσης και επεξεργασίας καυσαερίου έτσι ώστε να γίνεται αντιληπτή η αλληλεξάρτηση των λειτουργιών τους στην επίτευξη των στόχων της μειωμένης εκπομπής ρύπων, της αυξημένης οικονομίας καυσίμου και της βελτίωσης των χαρακτηριστικών της οδήγησης. Συγκριτική μελέτη των σύγχρονων τεχνολογιών που χρησιμοποιούνται σήμερα από τη διεθνή αυτοκινητοβιομηχανία για την υποστήριξη των παραπάνω υποσυστημάτων με στόχο την ανάδειξη των τάσεων που θα επικρατήσουν στο μέλλον. Παρουσίαση τεκμηριωμένων στοιχείων σχετικά με την αξιοπιστία των ηλεκτρονικών συστημάτων διαχείρισης του βενζινοκινητήρα με στόχο την ανάδειξη των αδυναμιών της σύγχρονης τεχνολογίας και των περιοχών της που χρίζουν περαιτέρω βελτίωσης.

13 V ΔΟΜΗ ΤΗΣ ΕΡΓΑΣΙΑΣ Η δομή της παρούσας εργασίας υπαγορεύεται από τους στόχους της. Περιλαμβάνει τα παρακάτω κεφάλαια: ΐ). Στην εισαγωγή γίνεται αρχικά παρουσίαση των παραμέτρων που επηρεάζουν άμεσα ή έμμεσα την εξέλιξη του φαινομένου της καύσης στον βενζινοκινητήρα (σύσταση μίγματος, προπορεία έναυσης και βαθμός πλήρωσης). Στη συνέχεια παρουσιάζονται αναλυτικά οι απαιτήσεις που οδήγησαν στο σημερινό επίπεδο τεχνολογίας (μείωση εκπομπών-κατανάλωσης καυσίμου, βελτίωση οδικής συμπεριφοράς, αύξηση αξιοπιστίας, μείωση κόστους κατασκευής). ϋ). Στο κεφάλαιο 2 γίνεται συγκριτική παρουσίαση των τεχνολογιών που υποστηρίζουν τους διάφορους τύπους αισθητών που χρησιμοποιούνται σήμερα από τη διεθνή αυτοκινητοβιομηχανία για τη μέτρηση των χαρακτηριστικών μεγεθών λειτουργίας του κινητήρα (στροφές, ροπή, θερμοκρασία κλπ). in). Στο κεφάλαιο 3 παρουσιάζονται οι βασικές αρχές στις οποίες στηρίζεται η λειτουργία των ενεργοποιητών που εκτελούν τις επιθυμητές ρυθμίσεις στα υποσυστήματα έγχυσης και έναυσης. ΐν). Στο κεφάλαιο 4 γίνεται παρουσίαση των ολοκληρωμένων συστημάτων διαχείρισης (συνδυασμένα συστήματα έγχυσης-έναυσης). Αναλυτικά παρουσιάζονται και συγκρίνονται οι τεχνολογίες ψεκασμού ενός και πολλαπλών σημείων. Επιπλέον αναπτύσσονται οι προβληματισμοί της σύγχρονης αυτοκινητοβιομηχανίας στην εφαρμογή της τεχνολογίας του ψεκασμού (παρουσίαση τεχνολογιών για την αποφυγή του φαινομένου σχηματισμού στρώματος καυσίμου στα τοιχώματα του συστήματος εισαγωγής, και την αύξηση του στροβιλισμού του μίγματος). Τέλος γίνεται εκτενής παρουσίαση της φιλοσοφίας ρύθμισης της έναυσης και της έγχυσης κατά τις διάφορες φάσεις λειτουργίας του κινητήρα. ν). Στο κεφάλαιο 5 παρουσιάζονται οι διάφορες παραλλαγές στη φιλοσοφία των ολοκληρωμένων συστημάτων διαχείρισης. Στην περιοχή αυτή εντάσσεται η τεχνολογία του κινητήρα φτωχής καύσης. Επιπλέον αναφέρονται οι πρόσθετες λειτουργίες των ηλεκτρονικών συστημάτων στο αυτοκίνητο (διαχείριση αυτόματου κιβώτιου, διαχείριση συστημάτων μεταβλητού χρονισμού βαλβίδων-αυλών εισαγωγής). νϊ). Στο κεφάλαιο 6 στο πρώτο μέρος αναπτύσσονται οι μηχανισμοί σχηματισμού ρύπων στο βενζινοκινητήρα και αναλύονται διεξοδικά οι παράγοντες που επιδρούν στο σχηματισμό κάθε ρύπου. Στο δεύτερο μέρος παρουσιάζονται οι διάφορες τεχνολογίες αντιρρύπανσης στο βενζινοκινητήρα με κεντρική αυτή του τριοδικού ρυθμιζόμενου καταλυτικού μετατρροπέα.

14 VI νϋ). Στο κεφάλαιο 7 αναλύεται η έννοια της αξιοπιστίας για τα ηλεκτρονικά συστήματα διαχείρισης και παρουσιάζονται στατιστικά στοιχεία σχετικά με την κατανομή των βλαβών. Επιπλέον παρουσιάζονται οι σύγχρονες τεχνολογίες αυτοδιάγνωσης των συστημάτων που επηρεάζουν άμεσα τις εκπομπές του οχήματος. viii). Στο κεφάλαιο 8 αναφέρονται τα συμπεράσματα της παρούσας εργασίας και αναλύεται ο ρόλος του Έλληνα Μηχανολόγου Μηχανικού στις σύγχρονες τεχνολογίες αντιρρύπανσης στο αυτοκίνητο.

15 Κεφάλαιο 1 Εισαγωγή 1.1 ΒΑΣΙΚΕΣ ΑΡΧΕΣ ΤΟΥ 4-ΧΡΟΝΟΥ ΒΕΝΖΙΝΟΚΙΝΗΤΗΡΑ Γ ενικά Ο βενζινοκινητήρας ή κινητήρας Otto ανήκει στην κατηγορία των εμβολοφόρων μηχανών εσωτερικής καύσης (κινητήρες στους οποίους η χημική ενέργεια του καυσίμου μετατρέπεται σε μηχανικό έργο στην επιφάνεια ενός εμβόλου). Κύριο χαρακτηριστικό του κινητήρα Otto είναι η καύση ομογενούς μίγματος αέρακαυσίμου με εξωτερική έναυση. Το ομογενοποιημένο μίγμα συμπιέζεται στο χρόνο της συμπίεσης, σε πίεση bar (βαθμός συμπίεσης ε = 7-10). Η θερμοκρασία στο τέλος της συμπίεσης, τάξης C, είναι κάτω από τα επίπεδα αυταναφλεξιμότητας του καυσίμου. Έτσι είναι δυνατή η ανάφλεξη του μίγματος στην επιθυμητή χρονική στιγμή μέσω σπινθήρα ο οποίος προκαλείται από τον σπινθηριστή (μπουζί) λίγο πριν το έμβολο φτάσει στο άνω νεκρό σημείο. Ακολουθεί η διεργασία καύσης του μίγματος κατά την οποία η ταχύτητα διάδοσης του μετώπου της φλόγας εξαρτάται σημαντικά από τις συνθήκες που επικρατούν στον κύλινδρο. Η εξέλιξη της καύσης καθορίζει σε σημαντικό βαθμό την κατανάλωση καυσίμου και την αναπτυσσόμενη ισχύ στο συγκεκριμένο σημείο λειτουργίας του κινητήρα. Στον τετράχρονο βενζινοκινητήρα ένας πλήρης κύκλος λειτουργίας ολοκληρώνεται σε 720 (δύο περιστροφές του στροφαλοφόρου). Στο σχήμα παρουσιάζεται ο 4-χρονος κύκλος σε διάγραμμα p-v. Οι διεργασίες εναλλαγής αερίων στη διάρκεια του κύκλου (φάσεις εισαγωγής και εξαγωγής) ρυθμίζονται από τους χρόνους ανοίγματος και κλεισίματος των βαλβίδων. Όπως φαίνεται στο σχήμα λίγο πριν το ΚΝΣ (κάτω νεκρό σημείο) ανοίγει η βαλβίδα εξαγωγής και μέχρι το ΚΝΣ έχει ήδη διαφύγει το 50% των καυσαερίων του κυλίνδρου, με υπερκρίσιμο λόγο πιέσεων πριν και μετά την βαλβίδα. Στη συνέχεια το έμβολο κινούμενο προς το ΑΝΣ ολοκληρώνει την απαγωγή του καυσαερίου από τον θάλαμο καύσης. Η βαλβίδα εισαγωγής ανοίγει λίγο πριν το ΑΝΣ ενώ ακόμη είναι σε εξέλιξη η φάση της εξαγωγής (περιοχή επικάλυψης βαλβίδων). Με τον τρόπο αυτό επιτυγχάνεται η καλύτερη απόπλυση του θαλάμου καύσης. Ο χρόνος της εισαγωγής διαρκεί μέχρι λίγο μετά το ΚΝΣ και από κει και πέρα ακολουθούν οι φάσεις της συμπίεσης και της καύσης-εκτόνωσης οπότε ολοκληρώνεται ο τετράχρονος κύκλος. Η τεχνολογία του 4-χρονου βενζινοκινητήρα παρουσιάζει τα τελευταία χρόνια ιδιαίτερο ενδιαφέρον λόγω της υψηλής περιβαλλοντικής και εμπορικής σημασίας του. Κινητήριο μοχλό στην πορεία ανάπτυξης του αποτελεί η ανάγκη επίτευξης των συνεχώς αυστηρότερων ορίων εκπομπής ρύπων που τίθονται από τις κυβερνήσεις σε Ευρώπη Αμερική και Ιαπωνία. Στο σχήμα παρουσιάζεται η τομή ενός σύγχρονου βενζινοκινητήρα.

16 1-2 2 Συ, 1,1.1 Διάγραμμα πίεσης - όγκου (p-v) ενός τετράχρονου βενζινοκινητήρα rc=8.4, n=3500 rpm, ρ,=0.4 atm, pe=1 atm, imep=2.9 atm. ΑΝΣ : Άνω Νεκρό Σημείο ΚΝΣ : Κάτω Νεκρό Σημείο ΣΑ : Σημείο Ανάφλεξης ΑΕ : Άνοιγμα Εισαγωγής ΚΕ : Κλείσιμο Εισαγωγής ΑΕξ : Άνοιγμα Εξαγωγής ΚΕξ : Κλείσιμο Εξαγωγής Σγ Διεργασίες εναλλαγής αερίων στον τετράχρονο βενζινοκινητήρα

17 1-3 3 Σχ Τομή ενός σύγχρονου βενζινοκινητήρα (Mercedes, V6, 2.4lt. ΜΤΖ )

18 Προπαρασκευή μίγματος Στόχος του υποσυστήματος προπαρασκευής καυσίμου μίγματος του βενζινοκινητήρα, είναι η παρασκευή ομογενούς μίγματος αέρα-καυσίμου στην επιθυμητή, κατά περίπτωση, αναλογία. Επειδή μόνο μίγμα ατμών-αέρα μπορεί να είναι ομογενές (ίδια φάση), το καύσιμο θα πρέπει να έχει εξατμιστεί πριν την ανάφλεξη. Εάν το καύσιμο δεν έχει εξατμιστεί όλο π.χ λόγω πρόσκρουσης του στα ψυχρά τοιχώματα του συστήματος εισαγωγής κατά την ψυχρή εκκίνηση θα πρέπει να προσδοθεί περισσότερο καύσιμο έτσι ώστε το τμήμα που θα εξατμιστεί να επαρκεί για τη δημιουργία μίγματος με σωστό λόγο αέρα. Το υποσύστημα προπαρασκευής μίγματος εκτός από την παρασκευή ομογενούς μίγματος θα πρέπει επίσης να μπορεί να ρυθμίζει τη ροπή του κινητήρα. Επειδή τα όρια της ποιότητα μίγματος λ, μέσα στα οποία είναι αναφλέξιμο το μίγμα αέραβενζίνης είναι πολύ στενά, (0.8<λ<1.2), η ρύθμισης της ροπής στον βενζινοκινητήρα επιτυγχάνεται με αυξομειώσεις της ποσότητας γόμωσης που εισέρχεται στους κυλίνδρους με κατάλληλο στραγγαλισμό του ρεύματος εισαγωγής μέσω της πεταλούδας του επιταχυντή (γκάζι). Επιπλέον το ίδιο υποσύστημα θα πρέπει να φροντίζει για την ομοιόμορφη διανομή του μίγματος στους κυλίνδρους, και την αποφυγή σημαντικών αποκλίσεων στην ποιότητα μίγματος λ μεταξύ διαφορετικών κυλίνδρων. Στην κατεύθυνση αυτή ένα σύστημα ψεκασμού πολλαπλών σημείων υπερτερεί σημαντικά σε σχέση με ένα σύστημα με εξαεριωτή (καρμπυρατέρ) ή ψεκασμό μονού σημείου καθώς η θέση ψεκασμού (μπροστά από τη βαλβίδα εισαγωγής κάθε κυλίνδρου) παρέχει τη δυνατότητα βελτιστοποίησης του σχεδιασμού της πολλαπλής εισαγωγής (σχ ) Έναυση Στο βενζινοκινητήρα η απαιτούμενη ενέργεια για την ανάφλεξη του μίγματος παρέχεται από σπινθήρα ο οποίος παράγεται μεταξύ των ηλεκτροδίων του σπινθηριστή (μπουζί). Η πρόκληση σπινθήρα συμβαίνει όταν η παρεχόμενη από το υποσύστημα έναυσης υψηλή τάση προς τον σπινθηριστή γίνει τέτοια ώστε μεταξύ των ηλεκτροδίων του να προκληθεί διηλεκτρική κατάρρευση. Η μεταβολή της τάσης και της έντασης του ρεύματος μεταξύ των ηλεκτροδίων του σπινθηριστή σ ένα συμβατικό σύστημα ανάφλεξης παρουσιάζεται στο σχήμα Όπως φαίνεται η έναυση μπορεί να χωριστεί στις ακόλουθες φάσεις (Heywood 1988): Φάση διηλεκτρικής κατάρρευσης. Κατά τη φάση αυτή η υπέρβαση από την τιμή της παρεχόμενης τάσης ενός συγκεκριμένου ορίου (περίπου 15kV) προκαλεί τη δημιουργία γραμμών ιονισμένου αερίου οι οποίες διαδίδονται αστραπιαία από το ένα στο άλλο ηλεκτρόδιο. Συνέπεια αυτού είναι η απότομη πτώση της τάσης (~10kV) και η ταυτόχρονη αύξηση του ρεύματος (-200 Α) μεταξύ των ηλεκτροδίων του σπινθηριστή. Χαρακτηριστικό της φάσης αυτής είναι η σύντομη διάρκεια της (-10 ns) με αποτέλεσμα την παραγωγή μεγάλης ισχύος (-1 MW) παρά το γεγονός ότι η εκλυόμενη ενέργεια είναι σχετικά χαμηλή (τάξης 0.3 έως lmj).

19 1-5 Σχετική μέση ενδεικνύμενη πίεση Pme / Pme.max Ο min'1 Αριθμός στροφών η (α) Χ Μεταβολές της ποιότητα μίγματος λ στους επιμέρους κυλίνδρους : (α) ενός βενζινοκινητήρα με καρμπυρατέρ, και (β) ενός με ψεκασμό πολλαπλών σημείων. Σχ.11.5 Χρονική εξέλιξη της τάσεως και του ρεύματος μεταξύ των ηλεκτροδίων του σπινθηριστή σ ένα συμβατικό σύστημα ανάφλεξης κατά την έναυση.

20 1-6 Φάση σχηματισμού τόξου. Η συνένωση των γραμμών ιονισμένου αερίου οδηγεί στον σχηματισμό ενός στενού κυλινδρικού καναλιού (~40 μπι) μεταξύ των ηλεκτροδίων (ηλεκτρικό τόξο). Λόγω των χημικών διεργασιών που συμβαίνουν εντός του καναλιού (εξώθερμες αντιδράσεις οξείδωσης) η θερμοκρασία και η πίεση αυξάνονται με γρήγορο ρυθμό. Συνέπεια αυτού είναι η δημιουργία ενός σφαιρικού εκρηκτικού κύματος το οποίο διαδίδεται πέρα από το κανάλι και μεταφέρει περίπου το 30% του ενεργειακού του περιεχομένου προς τα γειτονικά μόρια του μίγματος προκαλώντας την ανάφλεξη τους. Με τον τρόπο αυτό εκκινεί η διαδικασία καύσης του μίγματος. Φάση εκκένωσης πυράκτωσης. Κατά τη φάση αυτή απελευθερώνεται το μεγαλύτερο τμήμα της ενέργειας που είναι αποθηκευμένη στο κύκλωμα υψηλής τάσης του συστήματος έναυσης (ενέργεια ηλεκτρικού πεδίου). Για το λόγο αυτό η φάσης της εκκένωσης πυράκτωσης χαρακτηρίζεται από υψηλό ενεργειακό περιεχόμενο (~30mJ). Παρολαυτά η υψηλή χρονική της διάρκεια έχει σαν αποτέλεσμα την παραγωγή χαμηλής ισχύος (~10 W). Το απαιτούμενο ποσό ενέργειας ανάφλεξης εξαρτάται από τις εξής παραμέτρους: Ποιότητα μίγματος λ. Η απόκλιση της σύστασης του μίγματος από τη στοιχειομετρική σχέση (λ=1) οδηγεί σε αύξηση της απαιτούμενης ενέργειας ανάφλεξης (σχ ). Η αύξηση αυτή είναι εντονότερη για λειτουργία κινητήρα σε περιοχή φτωχού μίγματος (λ>1) καθώς η μείωση του ρυθμού διάδοσης του μετώπου της φλόγας (μείωση ρυθμού αντίδρασης) προκαλεί αύξηση των απωλειών θερμότητας από την ζώνη ανάφλεξης (Heywood 1988). Συνθήκες ροής στον κύλινδρο στο συγκεκριμένο σημείο λειτουργίας του κινητήρα. Οι συνθήκες ροής στον κύλινδρο (βαθμός στροβιλισμού, ταχύτητα ροής) μπορούν να επηρεάσουν σημαντικά την απαιτούμενη ενέργεια ανάφλεξης μέσω της επίδρασης που ασκούν στη μορφή του σχηματιζόμενού τόξου μεταξύ των ηλεκτροδίων του σπινθηριστή. Όπως φαίνεται στο σχήμα αύξηση στην ταχύτητα ροής της γόμωσης έως 15 m/sec προκαλεί αύξηση στο ποσό της απαιτούμενης ενέργειας ανάφλεξης και μείωση στο εύρος της περιοχής όπου τα φτωχά μίγματα είναι αναφλέξιμα (Heywood 1988). Με βάση τα παραπάνω οι θεμελιώδεις απαιτήσεις από το υποσύστημα έναυσης του βενζινοκινητήρα μπορούν να συνοψιστούν στις ακόλουθες : Παροχή ικανοποιητικής τάσης στα άκρα των ηλεκτροδίων του σπινθηριστή ώστε να προκληθεί διηλεκτρική κατάρρευση. Ικανότητα γρήγορης επίτευξης της απαιτούμενης τιμής υψηλής τάσης. Ικανότητα αποθήκευσης υψηλού ποσού ενέργειας ηλεκτρικού πεδίου στο κύκλωμα υψηλής τάσης, έτσι ώστε ο σπινθήρας που προκαλείται να έχει ενεργειακό περιεχόμενο αρκετό να οδηγήσει στην ανάφλεξη του μίγματος, ακόμη και κάτω από ισχυρά μεταβατικές συνθήκες ροής και λόγου αέρα. Παραγωγή παλμών έναυσης σταθερής διάρκειας ανεξάρτητα από το σημείο λειτουργίας του κινητήρα..

21 1-7 Iy Επίδραση της ποιότητας μίγματος λ και της ταχύτητας ροής της γόμωσης στην τιμή της απαιτούμενης ενέργειας ανάφλεξης για ένα μίγμα προπανίου-αέρα σε πίεση 0.17 atm.

22 Καύση στον βενζινοκινητήρα Στον βενζινοκινητήρα το καύσιμο και ο'αέρας αναμιγνύονται στο σύστημα εισαγωγής και αναρροφώνται στον κύλινδρο από τις βαλβίδες εισαγωγής όπου αναμιγνύονται με το παραμένον καυσαέριο και στη συνέχεια συμπιέζονται. Υπό κανονικές συνθήκες λειτουργίας του κινητήρα, η καύση ξεκινά κοντά στο τέλος του εμβολισμού συμπίεσης με έναν ηλεκτρικό σπινθήρα ο οποίος προκαλείται μεταξύ των ηλεκτροδίων του σπινθηριστή. Ο σπινθήρας που παράγεται ιονίζει το μίγμα γύρω από την περιοχή των ηλεκτροδίων δημιουργώντας τα λεγάμενα ενεργά κέντρα, όπου τα μόρια του καυσίμου αναφλέγονται. Λόγω του εξώθερμου της αντίδρασης το ποσό της θερμότητας που εκλύεται ανεβάζει τη θερμοκρασία στη γειτονιά των ενεργών κέντρων με συνέπεια τη διάδοση της καύσης. Μετά την πρώτη αυτή φάση (φάση έναυσης) αναπτύσσεται μια τυρβώδης φλόγα, η οποία προωθείται μέσα στο ομογενές μίγμα αέρα-καυσίμου και παραμένοντος καυσαερίου, μέχρι την άφιξη της στα τοιχώματα του θαλάμου καύσης, οπότε και σβήνει. Η διεργασία καύσης στο βενζινοκινητήρα λαμβάνει χώρα σε ένα ροϊκό πεδίο υψηλής τύρβης που δημιουργείται στη διάρκεια του εμβολισμού εισαγωγής. Η ταχύτητα διάδοσης της καύσης ρυθμίζεται από διεργασίες διάχυσης στο μέτωπο της φλόγας, καθώς και από την ένταση της τύρβης και τα επίπεδα θερμοκρασίας στο άκαυστο τμήμα του μίγματος. Η δομή και η ταχύτητα διάδοσης της φλόγας είναι άμεση συνάρτηση των ακόλουθων παραμέτρων: Γεωμετρική διαμόρφωση θαλάμου καύσης Θεσησπινθηριστή Ροή γόμωσης Σύσταση γόμωσης (ποιότητα μίγματος λ) Σχεδόν σε όλες τις γεωμετρίες κινητήρων, η φλόγα αναπτύσσεται σφαιρικά ξεκινώντας από το σημείο του σπινθήρα μέχρι που να συναντήσει τα τοιχώματα του θαλάμου καύσης. Μόνο σε περιπτώσεις με ασυνήθιστα μεγάλο στροβιλισμό της γόμωσης και αεροδυναμική σταθεροποίηση της φλόγας στη θέση του σπινθηριστή, μπορεί να παρατηρηθεί σημαντική παραμόρφωση της φλόγας από τη ροή. Στο σχήμα παρουσιάζεται η εξέλιξη της διεργασίας καύσης στον βενζινοκινητήρα με βάση στοιχεία από 5 διαδοχικούς κύκλους λειτουργίας. Στο σχήμα αυτό παριστάνονται η πίεση στον κύλινδρο (σε σύγκριση με αυτήν που αναπτύσσεται σ ένα ρυμουλκούμενο κινητήρα), το κλάσμα της μάζας της γόμωσης που έχει καεί (υπολογισμένο από το δυναμοδεικτικό διάγραμμα), καθώς και το κλάσμα όγκου του κυλίνδρου που έχει διαπεράσει η φλόγα σαν συνάρτηση της γωνίας στροφάλου. Όπως φαίνεται από το διάγραμμα της πίεσης, μετά την έναρξη του σπινθηρισμού υπάρχει μια περίοδος κατά την οποία η εκλυόμενη ενέργεια από τη φλόγα που αναπτύσσεται δεν επαρκεί για να προκαλέσει σημαντική αύξηση στην πίεση του κυλίνδρου. Καθώς όμως η φλόγα συνεχίζει να αυξάνει σε μέγεθος και να προωθείται στο θάλαμο καύσης, η πίεση αρχίζει να αυξάνει με γρήγορο ρυθμό μέχρι τη μέγιστη της τιμή η οποία εμφανίζεται μετά το ΑΝΣ. Στη συνέχεια η πίεση μειώνεται πάρα το γεγονός ότι η καύση συνεχίζεται, αφού πλέον η αύξηση του όγκου του κυλίνδρου γίνεται σημαντική.

23 1-9 Spark Σχ Πίεση του κυλίνδρου (ρ), κλάσμα μάζας που έχει καεί (xb) και κλάσμα όγκου που έχει διαπεράσει η φλόγα (Vf/V) σαν συνάρτηση της γωνίας στροφάλου για 5 διαδοχικούς κύκλους ενός βενζινοκινητήρα. ( προπορεία έναυσης 30 πριν το ΑΝΣ, λ=1.02, n=1044rpm, πλήρες φορτίο)

24 1-10 Από το σχήμα γίνεται επίσης αντιληπτό ότι η ανάπτυξη και διάδοση της φλόγας διαφέρει μεταξύ διαδοχικών κύκλων (Beretta 1983). Σημειώνεται ότι οι καμπύλες μεταβολής του κλάσματος όγκου που έχει καεί είναι ποιο απότομες από τις αντίστοιχες για το κλάσμα μάζας. Αυτό οφείλεται κυρίως στο γεγονός ότι η πυκνότητα του άκαυστου μίγματος εμπρός από τη φλόγα είναι περίπου τετραπλάσια από αυτήν των καυσαερίων που αφήνει πίσω η φλόγα. Επιπλέον η φλόγα αφήνει πίσω της σημαντικό ποσό άκαυστου μίγματος (ακόμα και όταν η φλόγα έχει εξαπλωθεί σε όλο το θάλαμο καύσης, το ποσό του καυσίμου που παραμένει άκαυστο ανέχεται στο 25% της συνολικής μάζας του καυσίμου). Από την παραπάνω περιγραφή προκύπτει ότι η διεργασία της καύσης μπορεί να θεωρηθεί ότι συνθέτεται από τις εξής 4 διακεκριμένες φάσεις: 1. Σπινθηρισμός - έναυση 2. Αρχικό στάδιο ανάπτυξης της φλόγας 3. Διάδοση της φλόγας 4. Σβήσιμο της φλόγας Ο ρυθμός καύσης εξαρτάται σημαντικά από τις στροφές του κινητήρα (Hires, SAE 1978). Όπως φαίνεται στο σχήμα η διάρκεια καύσης αυξάνει με αύξηση των στροφών του κινητήρα. Για το λόγο αυτό είναι σημαντικός ο χρονισμός της έναρξης της καύσης (προπορεία έναυσης) έτσι ώστε αυτή να ολοκληρώνεται περίπου 40 μετά το ΑΝΣ ανεξάρτητα από το σημείο λειτουργίας του κινητήρα (βλέπε σχετικά στην ενότητα 1.1.4).

25 Επίδραση χαρακτηριστικών λειτουργίας βενζινοκινητήρα στην ροπή και την κατανάλωση καυσίμου 1,1.4.1 Προπορεία έναυσης Στο βενζινοκινητήρα είναι πολύ σημαντικό να χρονιστεί η χρονική στιγμή έναρξης της καύσης σε σχέση με το ΑΝΣ, έτσι ώστε να επιτευχθεί η μέγιστη δυνατή ροπή. Στο βενζινοκινητήρα η συνολική διάρκεια καύσης κυμαίνεται μεταξύ 30 και 90 μοιρών. Στο σχήμα παρουσιάζεται η επίδραση της προπορείας~εναυσης, στην πίεση του κυλίνδρου και στην αναπτυσσόμενη ροπή (Amman, SAE 1985). Όπως φαίνεται για πολύ μεγάλες τιμές προπορείας (50 KW), η μέγιστη τιμή της πίεσης εμφανίζεται πριν το άνω νεκρό σημείο με αποτέλεσμα την αύξηση του έργου συμπίεσης και την μείωση επομένως της μέγιστης επιτυγχανόμενης ροπής κατά τη φάση της εκτόνωσης. Για πολύ μικρές τιμές προπορείας (10 KW) η μέγιστη πίεση εμφανίζεται αρκετά μετά το ΑΝΣ. Εδώ η εκλυόμενη από την καύση ενέργεια δεν μπορεί να αυξήσει σημαντικά την πίεση λόγω της αύξησης στον όγκο του κυλίνδρου (φάση εκτόνωσης). Έτσι και στην περίπτωση αυτή οδηγούμαστε σε μείωση της μέγιστης επιτυγχανόμενης ροπής. Υπάρχουν διάφοροι εμπειρικοί κανόνες που συσχετίζουν το προφίλ της καύσης και τη μέγιστη αναπτυσσόμενη πίεση στον κύλινδρο, με τη γωνία στροφάλου όταν έχουμε τη βέλτιστη γωνία προπορείας. Για παράδειγμα όταν ο χρονισμός της έναυσης είναι βέλτιστος τότε: η μέγιστη πίεση παρατηρείται 16 μετά το ΑΝΣ το μισό μίγμα θα πρέπει να έχει καεί περίπου 10 μετά το ΑΝΣ Η λήψη της ορθής τιμής προπορείας έναυσης για κάθε σημείο λειτουργίας του κινητήρα είναι άμεση συνάρτηση των ακόλουθων παραμέτρων (Heywood 1988): ρυθμός ανάπτυξης και διάδοσης φλόγας (χρονική σταθερά διεργασίας καύσης) διάστημα που πρέπει να διανυθεί από τη φλόγα μέχρι να φτάσει στα τοιχώματα του θαλάμου καύσης. διαδικασία σβησίματος της φλόγας μετά την άφιξη της στα τοιχώματα του θαλάμου καύσης. Οι παράμετροι αυτοί εξαρτώνται από την σύσταση του μίγματος τη γεωμετρία του θαλάμου καύσης και τις φυσικές και χημικές ιδιότητες του καυσίμου. Ειδικότερα σ ότι αφορά την σύσταση του μίγματος η αύξηση του λόγου αέρα λ απαιτεί την μετατόπιση της έναυσης νωρίτερα, έτσι ώστε να δοθεί επαρκής χρόνος για την ολοκλήρωση της καύσης του μίγματος (λόγω της μείωσης στην ταχύτητα διάδοσης του μετώπου της καύσης). Η γωνία προπορείας έναυσης επηρεάζει σημαντικά την ειδική κατανάλωση καυσίμου. Όπως φαίνεται στο σχήμα η βέλτιστη γωνία προπορείας εξασφαλίζει εκτός από μεγιστοποίηση της ροπής και ελαχιστοποίηση της κατανάλωσης καυσίμου.

26 1-12 Γωνία στροφάλου KW (α) Προπορεία έναυσης deg (β) Σγ (α) Μεταβολή της πίεσης στον κύλινδρο σαν συνάρτηση της γωνίας στροφάλου για διαφορετικές τιμές της προπορείας έναυσης (υπερβολική προπορεία : 50, βέλτιστη προπορεία : 30, και αργοπορημένη προπορεία : 10 ). (β) Επίδραση προπορείας έναυσης στη αναπτυσσόμενη ροπή, σε σταθερές στροφές και λόγο αέρα στην κατάσταση του πλήρους φορτίου. Σγ Επίδραση προπορείας έναυσης στην ειδική κατανάλωση καυσίμου για διαφορετικές συνθήκες λειτουργίας κινητήρα στην κατάσταση του μερικού φορτίου.

27 1-13 Επιπλέον η προπορεία έναυσης μέσω της επίδρασης που ασκεί στις συνθήκες πίεσης και θερμοκρασίας του θαλάμου καύσης επηρεάζει τις εκπομπές ρύπων στο καυσαέριο. Η επίδραση της προπορείας στο σχηματισμό κάθε ρύπου αναλύεται διεξοδικά στο κεφάλαιο 6 της παρούσας εργασίας. Η βέλτιστη ρύθμιση της προπορείας έναυσης κατά τις διάφορες φάσεις λειτουργίας του κινητήρα (εκκίνηση-προθέρμανση, μεταβατικές φάσεις, ρελαντί, πλήρες φορτίο) έτσι ώστε να ικανοποιούνται οι απαιτήσεις για βέλτιστη ροπή, οικονομία καυσίμου, και μειωμένες εκπομπές ρύπων αποτελεί στρατηγικό στόχο των σύγχρονων συστημάτων διαχείρισης της έναυσης (βλέπε κεφ.4) ,2 Σύσταση μίγιιατος Οι επιδράσεις των μεταβολών της σύστασης του καυσίμου μίγματος στην απόδοση του βενζινοκινητήρα μελετώνται με εισαγωγή του όρου της ποιότητας μίγματος λ. Ορίζεται ως εξής: λ_ ( a/mf) όπου: ma/τη/, λόγος αέρα / καυσίμου του εισερχόμενου στον κύλινδρο μίγματος (ma/ m/) st: λόγος αέρα / καυσίμου για στοιχείο μετρική καύση μίγματος (για τον βενζινοκινητήρα (mj /w/)st «14,7) Η επίδραση της ποιότητας μίγματος λ στην μέση ενδεικνύμενη πίεση (αδιάστατη ροπή), την ενδεικνύμενη ειδική κατανάλωση και τον θερμικό βαθμό απόδοσης ενός 6-κύλινδρου κινητήρα παρουσιάζεται στο σχήμα Όπως φαίνεται η επιτυγχανόμενη ροπή αυξάνει για λειτουργία κινητήρα με ελαφρά πλούσιο μίγμα (λ=0,9). Η συμπεριφορά αυτή μπορεί να εξηγηθεί με βάση τις αντιδράσεις διάσπασης που λαμβάνουν χώρα στα υψηλής θερμοκρασίας προϊόντα της καύσης και έχουν σαν αποτέλεσμα την παραγωγή μοριακού οξυγόνου το οποίο μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την οξείδωση πρόσθετου ποσού καυσίμου. Με τον τρόπο αυτό αυξάνονται η θερμοκρασία και το ποσό των μορίων του καμένου αερίου στον κύλινδρο γεγονός που οδηγεί σε μεγιστοποίηση της πίεσης και άρα της επιτυγχανόμενης ροπής. Σ ότι αφορά το θερμικό βαθμό απόδοσης αυτός αυξάνει γραμμικά για λειτουργία κινητήρα σε περιοχή φτωχού μίγματος (λ>1). Η καύση μίγματος με φτωχή σύσταση οδηγεί σε μείωση των μέγιστων θερμοκρασιών που αναπτύσσονται κατά την καύση με αποτέλεσμα τη μείωση του ρυθμού διάσπασης των προϊόντων στο καυσαέριο. Έτσι το κλάσμα της χημικής ενέργειας του καυσίμου που απελευθερώνεται υπό μορφή αισθητής ενέργειας κοντά στο ΑΝΣ είναι μεγαλύτερο (αύξηση χημικής ενέργειας που μετατρέπεται σε μηχανικό έργο στην επιφάνεια του εμβόλου). Επιπλέον θερμοδυναμικώς είναι επιθυμητό η καύση να γίνεται με το μέγιστο δυνατό λόγο αέρα έτσι ώστε να μειώνεται ο στραγγαλισμός της πεταλούδας για τη ρύθμιση της ροπής (μείωση απωλειών άντλησης). Η αύξηση του θερμικού βαθμού απόδοσης για λειτουργία κινητήρα με φτωχό μίγμα οδηγεί σε μείωση της ειδικής κατανάλωσης καυσίμου. Στους σύγχρονους κινητήρες με τριοδικό καταλυτικό μετατροπέα η επίτευξη υψηλού βαθμού μετατροπής για κάθε ρύπο απαιτεί τη λειτουργία του κινητήρα σε μια στενή περιοχή γύρω από τη στοιχειομετρική σχέση (λ=1 ± 5%) (βλ.κεφ.6).

28 1-14 Αντίστροφος λόγος αέρα-καυσίμου 1/λ (α) (β) Σγ (α) Επίδραση της ποιότητας μίγματος λ στη μέση ενδεικνύμενη πίεση (imep) την ενδεικνύμενη ειδική κατανάλωση (isfc) και το θερμικό βαθμό απόδοσης (nf/) ενός 6-κύλινδρου βενζινοκινητήρα στις 1200rpm στην κατάσταση του πλήρους φορτίου. (β) Συνδυασμένη επίδραση της ποιότητας μίγματος λ και της προπορείας έναυσης στην ειδική κατανάλωση ενός βενζινοκινητήρα.

29 1-15 Οι κινητήρες φτωχής καύσης (καύση με λόγο αέρα έως και λ = 1,7) λόγω του πλεονεκτήματος της χαμηλής κατανάλωσης που προσφέρουν αποτελούν σήμερα εναλλακτική τεχνολογία αντιρρύπανσης. Δυστυχώς η αδυναμία μετατροπής των εκπομπών ΝΟΧ λόγω του οξειδωτικού περιβάλλοντος αποκλείει την τεχνολογία αυτή από τις χώρες με αυστηρές προδιαγραφές ορίων εκπομπής ρύπων. 1,1.4,3 Βαθμός πλήρωσης Ο βαθμός πλήρωσης χρησιμοποιείται σαν μέτρο αξιολόγησης των διεργασιών πλήρωσης των κυλίνδρων με αέρα κατά τη φάση της εισαγωγής. Ορίζεται από τη σχέση: 2 ma = 9a,oVdN όπου: ma: ροή μάζας αέρα εισαγωγής ανά κύλινδρο και κύκλο λειτουργίας κινητήρα (kg/min) ρι0: πυκνότητα ατμοσφαιρικού αέρα (kg/m') Vd : όγκος κυλίνδρου (m3) Ν : αριθμός στροφών κινητήρα (rpm) Οι παράμετροι που επηρεάζουν τον βαθμό πλήρωσης του βενζινοκινητήρα μπορούν να ταξινομηθούν στις παρακάτω (Heywood 1988): α) Οιονεί στατικές μεταβλητές Τύπος καυσίμου, λόγος αέρα, ποσοστό καυσίμου που εξαερώνεται στο σύστημα εισαγωγής, ενθαλπία εξάτμισης καυσίμου Θερμοκρασία μίγματος (μετάδοση θερμότητας στο σύστημα εισαγωγής μέσω των τοιχωμάτων του κυλίνδρου). Σχέση πιέσεων στην πολλαπλή εισαγωγής και εξαγωγής Σχέση συμπίεσης β) Συνδυασμός οιονεί στατικών και δυναμικών μεταβλητών Στροφές κινητήρα Χαρακτηριστικά σχεδιασμού πολλαπλής και καναλιών εισαγωγής, εξαγωγής Γεωμετρία, μέγεθος, μέγιστο άνοιγμα και χρονισμός βαλβίδων εισαγωγής και εξαγωγής. Οι δυναμικές μεταβλητές σχετίζονται με φαινόμενα, η επίδραση των οποίων στην εξέλιξη των διεργασιών πλήρωσης και εκκένωσης του κυλίνδρου, παρουσιάζει διακυμάνσεις σε σχέση με το σημείο λειτουργίας του κινητήρα. Τέτοια φαινόμενα είναι τα παρακάτω (Heywood 1988): Αδράνεια αερίων στην πολλαπλή εισαγωγής σε υψηλές στροφές. Σε υψηλές στροφές λόγω αδράνειας των αερίων μαζών η πίεση στο κανάλι εισαγωγής παραμένει υψηλή ακόμη και μετά το τέλος του εμβολισμού εισαγωγής.

30 1-16 Έτσι παρέχεται η δυνατότητα παράτασης της διαδικασίας εισαγωγής με το αργότερο κλείσιμο της βαλβίδας μέχρις ότου η συνεχώς αυξανόμενη πίεση στον κύλινδρο (φάση συμπίεσης) να υπερβεί αυτήν του καναλιού εισαγωγής. Με τον τρόπο αυτό δύναται να αυξηθεί ο βαθμός πλήρωσης και άρα η ροπή του κινητήρα. Ωστόσο η ευνοϊκή επίδραση του φαινομένου αυτού περιορίζεται από ένα ελάχιστο όριο στροφών κάτω από το οποίο λειτουργεί αντίστροφα λόγω του φαινομένου της ανάστροφης ροής που περιγράφεται παρακάτω (σχ ). Ανάστροφη ροή από τον κύλινδρο προς την πολλαπλή εισαγωγής σε χαμηλές στροφές. Στο τέλος του εμβολισμού εισαγωγής η απότομη μείωση της ταχύτητας του εμβόλου οδηγεί στην επιβράδυνση του εισερχόμενου μίγματος με συνέπεια την αύξηση της πίεσης του. Έτσι είναι δυνατόν η πίεση να υπερβεί αυτήν της πολλαπλής και μέρος του μίγματος να σπρωχθεί από τον κύλινδρο προς τα έξω (εφόσον η βαλβίδα εισαγωγής είναι ακόμη ανοιχτή). Το φαινόμενο αυτό είναι ανεπιθύμητο καθώς προκαλεί μείωση του βαθμού πλήρωσης στις χαμηλές στροφές. Φαινόμενα συντονισμού των αερίων μαζών (ταλαντώσεις πίεσης) στην πολλαπλή εισαγωγής και εξαγωγής. Η χρονικά μεταβαλλόμενη ροή του μίγματος εισαγωγής στον κύλινδρο προκαλεί τη δημιουργία κυμάτων εκτόνωσης (expansion waves) τα οποία διαδίδονται με την ταχύτητα του ήχου στην πολλαπλή και τον αγωγό εισαγωγής. Τα κύματα αυτά κατά την άφιξη τους στο άκρο του συστήματος εισαγωγής (χώρος φίλτρου αέρα) μετατρέπονται σε θετικά κύματα πίεσης και ανακλώνται προς τον κύλινδρο. Όπως γίνεται φανερό η άφιξη θετικών κυμάτων στην βαλβίδα εισαγωγής μπορεί να βελτιώσει την διεργασία εισαγωγής με συνέπεια την αύξηση της επιτυγχανόμενης ροπής. Ανάλογα φαινόμενα λαμβάνουν χώρα στην πολλαπλή εξαγωγής. Η εκμετάλλευση των φαινομένων συντονισμού επιτυγχάνεται με τον κατάλληλο σχεδίασμά των συστημάτων εισαγωγής και εξαγωγής (επιλογή κατάλληλου μήκους και γεωμετρικής διαμόρφωσης). Βέβαια και εδώ η ευνοϊκή επίδραση των φαινομένων είναι άμεση συνάρτηση της περιοχής λειτουργίας του κινητήρα (σχΐ.1.13). Στα σύγχρονα συστήματα διαχείρισης παρέχεται η δυνατότητα βελτιστοποίησης της επίδρασης των προηγούμενων φαινομένων σε σχέση με την περιοχή λειτουργίας του κινητήρα. Τέτοια συστήματα είναι τα συστήματα μεταβλητού χρονισμού βαλβίδων (βελτιστοποίηση επίδρασης φαινομένων αδράνειας σε υψηλές στροφές με ταυτόχρονο περιορισμό της επίδρασης του φαινομένου της ανάστροφής ροής σε χαμηλές στροφές) και τα συστήματα μεταβλητού μήκους αυλών εισαγωγής (εκμετάλλευση φαινομένων συντονισμού). Η λειτουργία των συστημάτων αυτών παρουσιάζεται στο κεφάλαιο 5 της παρούσας εργασίας.

31 1-17 Ο Αριθμός στροφών rpm (α) Αριθμός στροφών rpm Σγ Επίδραση (α) χρονισμού και (β) μεγίστου ανοίγματος βαλβίδων στην καμπύλη μεταβολής του βαθμού πλήρωσης συναρτήσει του αριθμού στροφών σε ένα 4-χρονο βενζινοκινητήρα. (V=1.6 It, A/F=13, βέλτιστη προπορεία έναυσης) (β) Σγ Επίδραση του μήκους των αυλών εισαγωγής στην καμπύλη μεταβολής του βαθμού πλήρωσης συναρτήσει του αριθμού στροφών σε ένα 4-χρονο βενζινοκινητήρα 2.3 It.

32 Προβλήματα και όρια της καύσης στον βενζινοκινητήρα Κατά τη λειτουργία του βενζινοκινητήρα είναι δυνατόν να παρουσιαστούν ανωμαλίες στην ομαλή εξέλιξη της διεργασίας καύσης, οι οποίες συνήθως εκδηλώνονται με τις παρακάτω δύο μορφές (Heywood 1988): 1. Καύση με κτύπημα (πειράκια). Το κτύπημα παρατηρείται συνήθως στο τέλος της καύσης όταν το εναπομείναν άκαυστο μίγμα εμπρός από το μέτωπο της φλόγας συμπιεστεί σε τέτοιο βαθμό ώστε η θερμοκρασία του να υπερβεί τα όρια της αυτανάφλεξης. Συνέπεια του γεγονότος αυτού είναι η ςκλυση ενέργειας με ρυθμό πολλαπλάσιο από αυτόν της κανονικής καύσης και η πρόκληση ταλαντώσεων πίεσης οι οποίες διαδίδονται με την ταχύτητα του ήχου στον κύλινδρο δημιουργώντας το χαρακτηριστικό κτύπημα του κινητήρα. Στο σχήμα παρουσιάζεται η μεταβολή της πίεσης στον κύλινδρο στην περίπτωση κανονικής και με κτύπημα καύσης. Η τάση του κινητήρα για κτύπημα εξαρτάται ισχυρά από την τιμή της προπορείας έναυσης και τον αριθμό οκτανίου του καυσίμου σε συνδυασμό με τη σχέση συμπίεσης (σχ ). Γενικά στους σύγχρονους κινητήρες με καταλυτική τεχνολογία η αναγκαστική χρήση αμόλυβδης βενζίνης περιορίζει τη σχέση συμπίεσης στο Επιφανειακή αυτανάφλεξη. Εμφανίζεται στην περιοχή του σπινθηριστή ή άλλου προεξέχοντος τμήματος του θαλάμου καύσης που έχει υποστεί υπερθέρμανση και μπορεί να οδηγήσει σε χαρακτηριστικό κτύπημα ακόμη και πριν από" το σπινθηρισμό. Συνήθης αιτία υπερθέρμανσης του θαλάμου καύσης είναι η ύπαρξη στερεών επικαθήσεων οι οποίες λόγω της μονωτικής τους δράσης εμποδίζουν την απαγωγή θερμότητας διαμέσου των τοιχωμάτων της κυλινδροκεφαλής. Επιπλέον εξαιτίας της πυράκτωσης που υφίστανται κατά την έναρξη της καύσης είναι δυνατόν να λειτουργήσουν σαν εστίες εκκίνησης κρουστικής καύσης. Οι παραπάνω περιπτώσεις ανώμαλης καύσης είναι ιδιαίτερα ανεπιθύμητες, καθώς εκτός από μείωση στην ισχύ του κινητήρα, είναι δυνατόν να οδηγήσουν στην πρόωρη φθορά και αχρήστευση του λόγω της θερμικής και μηχανικής καταπόνησης στην οποία υποβάλλονται τα στοιχεία του (έμβολα ελατήρια και κυλινδροκεφαλή). Στα σύγχρονα συστήματα με ηλεκτρονική ρύθμιση της προπορείας, η γωνία έναυσης για κάθε σημείο λειτουργίας του κινητήρα, καθορίζεται έτσι ώστε πάντα να υπάρχει ένα περιθώριο ασφαλείας από το κτύπήμα. Επιπλέον μέσω ρύθμισης της προπορείας σε κύκλωμα κλειστού βρόγχου, παρέχεται η δυνατότητα αναπροσαρμογής της τιμής της, στην περίπτωση που η ποιότητα καυσίμου ή η κατάσταση του κινητήρα προκαλούν την εμφάνιση κτυπήματος (βλέπε κεφ.4).

33 1-19 <ς (α) Κανονική καύση (β) Καύση με ελαφρύ κτύπημα (γ) Καύση με έντονο κτύπημα Προπορεία έναυσης:28 πριν το ΑΝΣ Προπορεία έναυσης:28 πριν το ΑΝΣ Προπορεία έναυσης:32 πριν το ΑΝΣ Σχ Καμπύλες μεταβολής της πίεσης στον κύλινδρο συναρτήσει της γωνίας στροφάλου στην περίπτωση (α) κανονικής καύσης (β) καύσης με ελαφρύ κτύπημα και (γ) καύσης με έντονο κτύπημα. (κινητήρας μονοκύλινδρος με χωρητικότητα V=381ari3, n=4000 rpm, κατάσταση πλήρους φορτίου).

34 Η ΕΞΕΛΙΞΗ ΤΗΣ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΤΟΥ ΒΕΝΖΙΝΟΚΙΝΗΤΗΡΑ ΣΤΗΝ ΠΡΟΣΠΑΘΕΙΑ ΑΝΑΠΤΥΞΗΣ ΚΑΘΑΡΟΤΕΡΩΝ ΚΙΝΗΤΗΡΩΝ Συμμετοχή των επιβατικών οχημάτων στη ρύπανση του περιβάλλοντος Στον αιώνα που διανύουμε η τεχνολογική ανάπτυξη σφραγίζεται από την μετατροπή της χημικής ενέργειας των ορυκτών καυσίμων σε άλλες χρήσιμες για τον άνθρωπο μορφές ενέργειας. Τα τελευταία όμως χρόνια η ραγδαία αύξηση της κατανάλωσης ορυκτών καυσίμων (παραγωγή ενέργειας, μεταφορές, βιομηχανική παραγωγή κλπ) οδήγησε στην αύξηση των συγκεντρώσεων στην ατμόσφαιρα των διαφόρων ρύπων που εκπέμπονται κατά την καύση (SOx, ΝΟΧ, CO, CO2, HC, Ν2Ο). Συνέπεια του γεγονότος αυτού ήταν η εμφάνιση φαινομένων με δυσμενείς επιπτώσεις στην ισορροπία του περιβάλλοντος, στο κλίμα και την υγεία του ιδίου του ανθρώπου. Τα φαινόμενα αυτά επιγραμματικά συνοψίζονται στα παρακάτω: Φωτοχημική καπνομίχλη (νέφος). Όξινη βροχή Φαινόμενο θερμοκηπίου Καταστροφή στοιβάδας όζοντος Οι εκπομπές SO2-SO3 κύρια υπεύθυνες για την όξινη βροχή ελέγχονται με την αποθείοση του πετρελαίου. To CO είναι ιδιαίτερα τοξικό καθώς εισβάλει στο αίμα των ζωντανών οργανισμών όπου αντικαθιστά το οξυγόνο που είναι δεσμευμένο από την οξυαιμογλοβίνη (Hb02) και σχηματίζει καρβοξυαιμογλοβίνη (HbCO) εμποδίζοντας με τον τρόπο αυτό την μεταφορά του από τους πνεύμονες στους ιστούς. Έτσι το CO είναι υπεύθυνο για την μειωμένη ευεξία και την πρόκληση πονοκεφάλων στους ανθρώπους που εργάζονται στο κέντρο της πόλης ενώ σε μεγάλες συγκεντρώσεις μπορεί να προκαλέσει το θάνατο (κλειστούς χώρους). Τα ΝΟΧ σε συνέργια με τους υδρογονάνθρακες είναι υπεύθυνα για το νέφος τύπου Αθήνας. Επιπλέον συνεισφέρουν στο φαινόμενο της όξινης βροχής. To CO2 χωρίς να είναι δηλητηριώδες, είναι κύρια υπεύθυνο όπως φαίνεται στο σχήμα για το φαινόμενο του θερμοκηπίου (πρόκληση μακροπρόθεσμων αλλαγών στην κλιματική ισορροπία του πλανήτη). Ο τομέας των οδικών μεταφορών φέρει σημαντική ευθύνη για τη διαμόρφωση της κατάστασης αυτής. Όπως φαίνεται στον πίνακα του σχήματος οι οδικές μεταφορές στην Ελλάδα ευθύνονται για το 62% των συνολικών εκπομπών CO ενώ ανταγωνίζονται τις μονάδες παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας στις εκπομπές ΝΟΧ με 21 έναντι 20%. Η αναγνώριση από την πολιτεία σε παγκόσμιο επίπεδο της διαρκής επιδείνωσης των οικολογικών κινδύνων από την υπέρμετρη αύξηση της κυκλοφορίας οχημάτων οδήγησαν στην θέσπιση νομοθεσίας για τον έλεγχο των εκπομπών ρύπων. Επιπλέον η συνειδητοποίηση ότι οι μεταφορές είναι ίσως ο τομέας εκείνος που θα εξακολουθήσει για δεκάδες χρόνια ακόμη να βασίζεται στη χρήση ορυκτών καυσίμων εξαιτίας των πολύ σημαντικών πλεονεκτημάτων τους σ ότι αφορά τη σχέση θερμογόνου δύναμης - μάζας, όγκου οδήγησε στη λήψη πρόσθετων μέτρων τα οποία συμπληρώνουν την προσπάθεια προστασίας του περιβάλλοντος από το αυτοκίνητο.

35 1-21 Τέτοια μέτρα είναι τα παρακάτω: Περιορισμός των εκπομπών CO2 με βελτίωση του εξεργειακού βαθμού απόδοσης των κινητήρων που χρησιμοποιούν συμβατικά καύσιμα. Οργάνωση ενός αποτελεσματικού συστήματος ελέγχου των κυκλοφορούντων οχημάτων, για την υποστήριξη των προγραμμάτων ρύθμισης-συντήρησης. Ενίσχυση προγραμμάτων έρευνας και ανάπτυξης εναλλακτικών τύπων κινητήρων ή εξέλιξη συμβατικών κινητήρων ώστε να κινούνται με εναλλακτικά καύσιμα. Ενίσχυση της προσπάθειας διάδοσης των νέων τεχνολογιών με παροχή κινήτρων οικονομικής φύσεως στους πολίτες (δημιουργία προγραμμάτων για την επιτάχυνση του ρυθμού απόσυρσης των παλαιών οχημάτων). C02 ch4 * CFC Ν20 ο3 Ετήσια αύξηση [%] Διάρκεια ζωής [έτη] ανανεώνεται Σχετικό αποτέλεσμα αναφορικά με C , ,000 Συνεισφορά στο φαινόμενο του θερμοκηπίου [%] Πηγές εκπομπής Καύση ορυκτών καυσίμων και βιομάζας Δράση βακτηριδίων σε βιομάζα, διαρροές φυσικού αερίου Ψυκτικά μέσα προωθητικά αεροζόλ, διαλύτες κλπ Λιπάσματα, καύση καυσίμων και βιομάζας, εκπομπές οχημάτων Φωτοχημικές αντιδράσεις μεταξύ ΝΟΧ και VOC από εκπομπές οχημάτων * Τα CFC ήδη έχουν τεθεί υπό διωγμό εξαιτίας της καταστροφικής τους δράσης στο προστατευτικό για τη γή στρώμα του όζοντος (1987 Πρωτόκολλο Montreal). Σχ Συνεισφορά των παραγόμενων από την ανθρώπινη δραστηριότητα ρύπων στο φαινόμενο του θερμοκηπίου.