ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ ΠΟΛΥΤΕΧΝΙΚΗ ΣΧΟΛΗ ΤΜΗΜΑ ΜΗΧΑΝΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΕΦΑΡΜΟΣΜΕΝΗΣ ΘΕΡΜΟΔΥΝΑΜΙΚΗΣ ΔΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ

Transcript

1 ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ ΠΟΛΥΤΕΧΝΙΚΗ ΣΧΟΛΗ ΤΜΗΜΑ ΜΗΧΑΝΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΕΦΑΡΜΟΣΜΕΝΗΣ ΘΕΡΜΟΔΥΝΑΜΙΚΗΣ ΔΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ ΕΠΙΔΡΑΣΗ ΤΩΝ ΙΔΙΟΤΗΤΩΝ ΤΟΥ ΠΕΤΡΕΛΑΙΟΥ ΣΤΗΝ ΚΑΤΑΝΑΛΩΣΗ ΚΑΥΣΙΜΟΥ ΚΑΙ ΣΤΙΣ ΕΚΠΟΜΠΕΣ ΡΥΠΩΝ ΕΠΙΒΑΤΗΓΟΥ ΑΥΤΟΚΙΝΗΤΟΥ EURO 4 ΓΕΩΡΓΙΟΣ Ν. ΚΥΡΟΥ Α.Ε.Μ.: 5264 ΕΠΙΒΛΕΠΩΝ ΚΑΘΗΓΗΤΗΣ: ΖΗΣΗΣ ΣΑΜΑΡΑΣ ΑΡΜΟΔΙΟΣ ΠΑΡΑΚΟΛΟΥΘΗΣΗΣ: ΑΘΑΝΑΣΙΟΣ ΔΗΜΑΡΑΤΟΣ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗ, ΜΑΡΤΙΟΣ 2016

2 1

3 1. 2. ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΤΜΗΜΑ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΜΗΧΑΝΟΛΟΓΩΝ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ 5. Υπεύθυνος: Καθ. Ζήσης Σαμαράς 3. ΕΝΕΡΓΕΙΑΚΟΣ ΤΟΜΕΑΣ Αρμόδιος Παρακολούθησης: Αθανάσιος Δημάρατος ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΕΦΑΡΜΟΣΜΕΝΗΣ ΘΕΡΜΟΔΥΝΑΜΙΚΗΣ 7. Τίτλος εργασίας: ΕΠΙΔΡΑΣΗ ΤΩΝ ΙΔΙΟΤΗΤΩΝ ΤΟΥ ΠΕΤΡΕΛΑΙΟΥ ΣΤΗΝ ΚΑΤΑΝΑΛΩΣΗ ΚΑΥΣΙΜΟΥ ΚΑΙ ΣΤΙΣ ΕΚΠΟΜΠΕΣ ΡΥΠΩΝ ΕΠΙΒΑΤΗΓΟΥ ΑΥΤΟΚΙΝΗΤΟΥ EURO 4 8. Ονοματεπώνυμο φοιτητή: ΓΕΩΡΓΙΟΣ ΚΥΡΟΥ 10. Θεματική περιοχή: Κινητήρες - Καύσιμα 14. Περίληψη: 11. Ημερομηνία έναρξης: Σεπτέμβριος Αριθμός μητρώου: Ημερομηνία παράδοσης: Μάρτιος 2016 Στόχος της εργασίας είναι η διερεύνηση της επίδρασης των ιδιοτήτων του καυσίμου diesel στην κατανάλωση καυσίμου και στις εκπομπές ρύπων επιβατηγού οχήματος ευρωπαϊκού προτύπου EURO 4. Για τον σκοπό αυτό πραγματοποιήθηκε δοκιμή 13 καυσίμων και ενός καυσίμου αναφοράς. Η μέτρηση πραγματοποιήθηκε στο Εργαστήριο Εφαρμοσμένης Θερμοδυναμικής του Αριστοτελείου Πανεπιστημίου Θεσσαλονίκης από τον Σεπτέμβριο του 2014 έως τον Ιανουάριο του Οι ιδιότητες που εξετάστηκαν ήταν η περιεκτικότητα σε FAME, ο αριθμός κετανίου, η πυκνότητα και η περιεκτικότητα σε PAH. Αρχικά, πραγματοποιείται μία εισαγωγή στη λειτουργία των κινητήρων diesel και στους μηχανισμούς που αφορούν στην παραγωγή των ελεγχόμενων ρύπων (CO 2, CO, HC, NO x, PM). Επιπλέον, παρουσιάζεται η Ευρωπαϊκή Νομοθεσία που αφορά στα πρότυπα EURO και οι κύκλοι οδήγησης NEDC και WLTC. Στο 2 ο Κεφάλαιο πραγματοποιείται μια συνοπτική βιβλιογραφική αναφορά για τα χαρακτηριστικά των βιοκαυσίμων και κυρίως του biodiesel FAME, και για τον τρόπο που επιδρά κάθε εξεταζόμενη ιδιότητα στην κατανάλωση καυσίμου και στις εκπομπές ρύπων. Στο 3 ο κεφάλαιο περιγράφεται η πειραματική εγκατάσταση και ο εξοπλισμός που χρησιμοποιήθηκε για τη μέτρηση. Επιπλέον, παρουσιάζονται τα καύσιμα που χρησιμοποιήθηκαν, το αυτοκίνητο, το πρωτόκολλο που ακολουθήθηκε καθ όλη τη διάρκεια των μετρήσεων και ο τρόπος επεξεργασίας των αποτελεσμάτων. Στο 4 ο Κεφάλαιο παρουσιάζονται τα αποτελέσματα της πειραματικής διερεύνησης για κάθε καύσιμο, καθώς και η επίδραση της περιεκτικότητας σε FAME, του αριθμού κετανίου, της πυκνότητας και της περιεκτικότητας σε PAH στην κατανάλωση καυσίμου και στις εκπομπές ρύπων κατά τους κύκλους NEDC και WLTC. Τέλος, παρουσιάζεται μια στατιστική ανάλυση των αποτελεσμάτων και σύγκριση των αποτελεσμάτων με αυτά προηγούμενης μελέτης αυτοκινήτου EURO 5. Στο 5 ο Κεφάλαιο παρουσιάζονται τα συμπεράσματα της πειραματικής διερεύνησης και προτάσεις για μελλοντική έρευνα. 12. Αριθμός εργασίας: 16.DI.0079.V1 15. Στοιχεία εργασίας: Αρ. Σελίδων: 117 Αρ. Εικόνων: 10 Αρ. Διαγραμμάτων: 91 Αρ. Πινάκων: 30 Αρ. Παραρτημάτων: 1 Αρ. Παραπομπών: Λέξεις κλειδιά: Βιοντήζελ, Εκπομπές ρύπων, Κατανάλωση Καυσίμου, Κύκλοι Οδήγησης, Ιδιότητες Καυσίμου, Στατιστική Ανάλυση, Diesel, Biodiesel, FAME, Bootsrap, NEDC, WLTC, EURO Σχόλια: 18. Συμπληρωματικές παρατηρήσεις: 19. Βαθμός: 2

4 ΠΡΟΛΟΓΟΣ Η παρούσα διπλωματική εργασία με τίτλο «Επίδραση των ιδιοτήτων του πετρελαίου στην κατανάλωση καυσίμου και στις εκπομπές ρύπων επιβατηγού αυτοκινήτου EURO 4», εκπονήθηκε στο Εργαστήριο Εφαρμοσμένης Θερμοδυναμικής του Αριστοτελείου Πανεπιστημίου Θεσσαλονίκης, κατά την περίοδο Σεπτεμβρίου 2014 Ιανουαρίου Σε αυτό το σημείο θα ήθελα να ευχαριστήσω τον Καθηγητή Ζήση Σαμαρά για την ευκαιρία που μου έδωσε να εργαστώ σε ερευνητικό επίπεδο στο απαιτητικό και επαγγελματικό περιβάλλον του εργαστηρίου, το οποίο απαρτίζουν έμπειροι και καταρτισμένοι επιστήμονες. Οι συμβουλές κάθε μέλους του εργαστηρίου με το οποίο συνεργάστηκα, ήταν εξαιρετικά χρήσιμες και με βοήθησαν να ολοκληρώσω την εργασία που μου ανατέθηκε με τον καλύτερο τρόπο. Θα ήθελα να ευχαριστήσω, επίσης, τον Θανάση Δημάρατο, που ως αρμόδιος παρακολούθησης, ήταν αρωγός στην επιτυχή ολοκλήρωση της εργασίας, και παρά το φόρτο εργασίας του, δεν αρνήθηκε ποτέ να μου λύσει όποιες απορίες είχα και να με συμβουλεύσει κατά την επεξεργασία και ανάλυση των δεδομένων. Ακόμη, θα ήθελα να ευχαριστήσω τον Παναγιώτη Πιστικόπουλο που ήταν υπεύθυνος για τα τεχνικό μέρος της πειραματικής μέτρησης, η οποία ολοκληρώθηκε χωρίς προβλήματα, και τον Δημήτρη Μερτζή για τη συμβολή του στη στατιστική ανάλυση των αποτελεσμάτων. Τέλος, δε θα είχα καταφέρει τίποτα, χωρίς τη συνεχή υποστήριξη των γονιών και των φίλων μου, οι οποίοι με βοήθησαν να ξεπεράσω κάθε εμπόδιο και να ανταπεξέλθω στις απαιτήσεις των σπουδών μου. Γιώργος Ν. Κύρου Μάρτιος

5 ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ ΚΕΦΑΛΑΙΟ Εισαγωγή Στόχος της Διπλωματικής Εργασίας Γενικά για τον Κινητήρα Diesel Καύση σε Κινητήρα Diesel Σχηματισμός Ρύπων κατά την Καύση σε Κινητήρα Diesel Σχηματισμός Μονοξειδίου του Άνθρακα (CO) Εκπομπές Άκαυστων Υδρογονανθράκων (HC) Σχηματισμός Οξειδίων του Αζώτου (NO x) Σχηματισμός Σωματιδίων (PM) Ευρωπαϊκά Πρότυπα Εκπομπών Ρύπων Κύκλοι Οδήγησης Νέος Ευρωπαϊκός Κύκλος Οδήγησης Παγκόσμιος Κύκλος Οδήγησης Ελαφρών Οχημάτων...16 ΚΕΦΑΛΑΙΟ Επίδραση των Ιδιοτήτων των Καυσίμων στις Εκπομπές Ρύπων και στην Κατανάλωση Γενικά Βιοκαύσιμα Βιοντήζελ - FAME Επίδραση των Ιδιοτήτων των Καυσίμων τις Εκπομπές Ρύπων και στην Κατανάλωση Περιεκτικότητα σε Βιοντήζελ (FAME) Αριθμός Κετανίου Πυκνότητα Περιεχόμενο σε Πολυκυκλικούς Αρωματικούς Υδρογονάνθρακες (PAH)...37 ΚΕΦΑΛΑΙΟ Διεξαγωγή και Επεξεργασία των Μετρήσεων Εισαγωγή Πειραματική διάταξη Ανάλυση καυσαερίων Όχημα πειραματικής μέτρησης Καύσιμα υπό εξέταση

6 3.6 Πρωτόκολλο Μέτρησης Επεξεργασία Μετρήσεων - Υπολογισμός Αέριων Ρύπων...50 ΚΕΦΑΛΑΙΟ Αποτελέσματα Πειραματικής Διερεύνησης Εισαγωγή Αποτελέσματα Αποτελέσματα για κάθε καύσιμο Επίδραση των Ιδιοτήτων των Καυσίμων στις Εκπομπές και στην Κατανάλωση Καυσίμου Περιεκτικότητα σε FAME Αριθμός Κετανίου Πυκνότητα Περιεκτικότητα σε PAH Στατιστική Ανάλυση Σύγκριση με την Κατανάλωση Καυσίμου και τις Εκπομπές του Οχήματος EURO ΚΕΦΑΛΑΙΟ Συμπεράσματα και Προτάσεις για Έρευνα Συμπεράσματα Προτάσεις για Έρευνα ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ

7 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 Εισαγωγή 1.1 Στόχος της Διπλωματικής Εργασίας Αντικείμενο της διπλωματικής εργασίας είναι η διερεύνηση της επίδρασης των ιδιοτήτων του καυσίμου diesel στις εκπομπές ρύπων (CO2, CO, HC, NOx, PM) και στην κατανάλωση καυσίμου επιβατηγού αυτοκινήτου ευρωπαϊκού προτύπου εκπομπών ρύπων EURO 4. Η πειραματική διερεύνηση διενεργήθηκε την περίοδο Σεπτεμβρίου 2014 Ιανουαρίου 2015 στο Εργαστήριο Εφαρμοσμένης Θερμοδυναμικής του Αριστοτελείου Πανεπιστημίου Θεσσαλονίκης με την υποστήριξη της CONCAWE. Η πειραματική μέτρηση περιελάμβανε δοκιμή του αυτοκινήτου στον Νέο Ευρωπαϊκό Κύκλο Οδήγησης (NEDC), στον Παγκόσμιο Κύκλο Οδήγησης Ελαφρών Οχημάτων (WLTC) και σε σταθερό σημείο λειτουργίας. Το αυτοκίνητο που χρησιμοποιήθηκε ήταν Honda Accord 2.2l CTDi, με κινητήρα diesel EURO 4. Μελετήθηκαν 13 διαφορετικά καύσιμα και ένα καύσιμο αναφοράς. Τα καύσιμα διαφέρουν μεταξύ τους ως προς την περιεκτικότητα σε βιοντήζελ (FAME), τον αριθμό κετανίου, την πυκνότητα και την περιεκτικότητα σε πολυαρωματικούς υδρογονάνθρακες (PAH). Κάθε μετρητική ημέρα χαρακτηριζόταν από ένα αυστηρό πειραματικό πρωτόκολλο, η τήρηση του οποίου ήταν σημαντική στην εξαγωγή ορθών αποτελεσμάτων. Στόχος είναι η διερεύνηση της επίδρασης των τεσσάρων ιδιοτήτων που αναφέρθηκαν στις εκπομπές ρύπων και στην κατανάλωση καυσίμου. Η μελέτη αφορά τόσο βιβλιογραφικά δεδομένα, όσο και πειραματικές μετρήσεις. Χρησιμοποιήθηκαν όλα τα δυνατά εργαλεία που επιτρέπουν τη διεξαγωγή, όσο το δυνατόν, ασφαλέστερων συμπερασμάτων, όπως η μέτρηση των εκπομπών και της κατανάλωσης καυσίμου με βάση τον ευρωπαϊκό νόμο, καθώς και στατιστική ανάλυση. Τέλος, η μελέτη που πραγματοποιήθηκε, αφορά το επίκαιρο και σημαντικό θέμα των εκπομπών ρύπων των αυτοκινήτων. Η μόλυνση του πλανήτη και το φαινόμενο του θερμοκηπίου σε συνδυασμό με την εξάντληση ορυκτών πόρων, όπως το αργό πετρέλαιο, επιβάλουν την ανάγκη για ανάπτυξη νέων τεχνολογιών που θα βελτιώσουν την ενεργειακή απόδοση των μελλοντικών μηχανών εσωτερικής καύσης και θα ελαχιστοποιήσουν τις περιβαλλοντικές επιπτώσεις. 6

8 1.2 Γενικά για τον Κινητήρα Diesel Ο κινητήρας diesel εντάσσεται στην κατηγορία των Μηχανών Εσωτερικής Καύσης (Μ.Ε.Κ.) καθώς το εργαζόμενο μέσο που παράγει την μηχανική ενέργεια είναι τα προϊόντα της καύσης του καυσίμου. Η χημική ενέργεια του καυσίμου μετατρέπεται, μέσω της καύσης, σε θερμότητα και στη συνέχεια σε μηχανικό έργο [1,2]. Ο κινητήρας βασίζεται στη μηχανή που ανέπτυξε ο Rudolph Diesel ( ) το 1897, η οποία ήταν σχεδιασμένη για απευθείας έγχυση του υγρού καυσίμου στον θάλαμο καύσης. Επίσης, ο κινητήρας είναι γνωστός και ως «μηχανή ανάφλεξης με συμπίεση» (Compression ignition CI), για τον λόγο ότι το καύσιμο αυταναφλέγεται αφού εισέλθει στο θάλαμο καύσης. Ο κύκλος Diesel εφαρμόζεται σε κινητήρες με δίχρονο ή τετράχρονο κύκλο λειτουργίας [1]. Η εξέλιξη του κινητήρα diesel συνεχίζει ακόμα και σήμερα να είναι σημαντική, ενώ χρησιμοποιούνται τεχνολογικά προηγμένες λύσεις, ώστε να αυξηθεί η απόδοση του κινητήρα, ενώ ταυτόχρονα, να διατηρούνται χαμηλές οι εκπομπές των ρύπων, όπως τα οξείδια αζώτου (NOx) και τα σωματίδια αιθάλης (PM). Οι σημαντικότερες από αυτές τις τεχνολογίες είναι η χρήση του συστήματος κοινού αυλού (Common rail), το οποίο επιτυγχάνει άμεση έγχυση καυσίμου στο κύλινδρο σε πιέσεις της τάξης των bar, η χρήση παγίδων αιθάλης και καταλυτών τύπου SCR και LNT για τη μείωση των εκπομπών NOx [2]. Η χρήση του κινητήρα diesel χαρακτηρίζεται από μεγάλο εύρος, καθώς προτιμάται σε εφαρμογές μεσαίας και μεγάλης κλίμακας, όπως φορτηγά, ναυτική πρόωση και ηλεκτροπαραγωγή. Επιπλέον, κερδίζει συνεχώς μερίδιο της αγοράς αυτοκινήτων, ενώ το ποσοστό του είναι πλέον συγκρίσιμο με αυτό του βενζινοκινητήρα. Το πλεονέκτημα του είναι ο αυξημένος βαθμός απόδοσης που ξεπερνά το 40% σε εφαρμογές οχημάτων και μπορεί να φτάσει και πάνω από 50% σε μεγάλους κινητήρες που χρησιμοποιούνται σε εφαρμογές ναυτικής πρόωσης ή ηλεκτροπαραγωγής [2]. 1.3 Καύση σε Κινητήρα Diesel Η καύση στους κινητήρες diesel αποτελεί ένα πολύπλοκο και σύνθετο φαινόμενο, κατά το οποίο λαμβάνουν χώρα φυσικές και χημικές διεργασίες που επηρεάζονται τόσο από τα σχεδιαστικά, όσο και από το λειτουργικά χαρακτηριστικά του κινητήρα [2]. Σημαντικό ρόλο για τον μηχανισμό της καύσης κατέχουν τα χαρακτηριστικά του καυσίμου, ο σχεδιασμός του θαλάμου καύσης και η διαδικασία της έγχυσης [3]. 7

9 Η διαδικασία της καύσης σε ένα κινητήρα diesel μπορεί να περιγραφεί, συνοπτικά, ως εξής [2,3]: Καύσιμο εγχέεται εντός του κυλίνδρου και σε υψηλή πίεση, προς το τέλος της φάσης συμπίεσης, όταν το έμβολο βρίσκεται γύρω από το άνω νεκρό σημείο (ΑΝΣ). Ανάπτυξη δέσμης καυσίμου με ακτινική συστροφή η όχι, ανάλογα με τη σχεδίαση του θαλάμου καύσης (Εικόνα 1.1). Διάσπαση του καυσίμου σε σταγονίδια, τα οποία έπειτα ατμοποιούνται και αναμιγνύονται με τον αέρα που βρίσκεται μέσα στον κύλινδρο, ο οποίος χαρακτηρίζεται από υψηλή θερμοκρασία και πίεση. Εφόσον οι τιμές της θερμοκρασίας και της πίεσης είναι υψηλότερες του σημείου ανάφλεξης του μίγματος αέρα καυσίμου, μέρος του μίγματος ξεκινά να αυταναφλέγεται, έπειτα από κάποια καθυστέρηση, ορισμένων μοιρών γωνίας στροφάλου (Καθυστέρηση Ανάφλεξης ignition delay). Λόγω της έναρξης της καύσης, η θερμοκρασία και η πίεση εντός του κυλίνδρου αυξάνονται με αποτέλεσμα την μείωση του απαιτούμενου χρόνου της ατμοποίησης και την ραγδαία καύση του μίγματος που δεν έχει καεί. Η έγχυση συνεχίζεται, έως ότου εισέλθει στον κύλινδρο όλη η απαιτούμενη ποσότητα καυσίμου. Εικόνα 1.1: Απεικόνιση της έγχυσης και της ανάπτυξης των δεσμών του καυσίμου εντός του κυλίνδρου κινητήρα diesel Όπως προαναφέρθηκε, έπειτα από την καθυστέρηση ανάφλεξης» ακολουθεί η καύση, η οποία επηρεάζεται από τις συνθήκες θερμοκρασίας και πίεσης εντός του κυλίνδρου και διακρίνεται σε δύο φάσεις, την καύση προανάμιξης (premixed combustion) και την καύση διάχυσης (mixing controlled combustion) [1]. Στο Σχήμα 1.1 παρουσιάζεται τυπικό διάγραμμα του ρυθμού έκλυσης θερμότητας, της πίεσης του κυλίνδρου και της ανύψωσης της βελόνας του εγχυτήρα, στα διάφορα στάδια της καύσης [2]. 8

10 Σχήμα 1.1: Τυπικό διάγραμμα του ρυθμού έκλυσης θερμότητας, της πίεσης του κυλίνδρου και της ανύψωσης της βελόνας, στα διάφορα στάδια της καύσης. (ASOI: μετά την έναρξη της έγχυσης). Κατά την καύση προανάμιξης, ποσότητα του καυσίμου που έχει προετοιμαστεί φυσικά και χημικά, κατά την καθυστέρηση ανάφλεξης, καίγεται. Λόγω των χημικών αντιδράσεων, ο ρυθμός έκλυσης θερμότητας αυξάνεται ραγδαία, με αποτέλεσμα την απότομη αύξηση της πίεσης κυλίνδρου που προκαλεί το χαρακτηριστικό θόρυβο («κροτάλισμα») των κινητήρων diesel. Το στάδιο της καύσης προανάμιξης επηρεάζεται άμεσα από την καθυστέρηση ανάφλεξης, η οποία με τη σειρά της, καθορίζεται από τα χαρακτηριστικά της έγχυσης, όπως η πίεση έγχυσης, ο χρονισμός έγχυσης και ο ρυθμός έγχυσης και τις ιδιότητες του καυσίμου [2]. Κατά την καύση διάχυσης, ο ρυθμός έκλυσης της θερμότητας ομαλοποιείται και ελέγχεται από το ρυθμό ανάμιξης του καυσίμου με τον αέρα. Ο ρυθμός αυτός είναι δυνατό να ελεγχθεί μέσω του ρυθμού έγχυσης και γι αυτό η καύση χαρακτηρίζεται ως ελεγχόμενη [2]. Τέλος, η καύση στους κινητήρες diesel χαρακτηρίζεται ως ετερογενής, κάτι που σημαίνει ότι η ανάμιξη καυσίμου αέρα είναι ιδιαίτερα σημαντική κατά την ομαλή διεξαγωγή του φαινομένου. Επιπλέον, η καύση γίνεται σε συνθήκες φτωχού μίγματος αέρα καυσίμου, σε αντίθεση με τους βενζινοκινητήρες, στους οποίους η καύση γίνεται συνήθως, σε στοιχειομετρικές συνθήκες μίγματος. Εξαίρεση αποτελεί η μεταβατική λειτουργία στροβιλο-υπερπληρούμενων κινητήρων diesel, κυρίως κατά τη φάση υστέρησης του υπερπληρωτή (turbocharger lag), όπου υπάρχει πιθανότητα να καταστεί το μίγμα πλούσιο [2]. 9

11 1.4 Σχηματισμός Ρύπων κατά την Καύση σε Κινητήρα Diesel Σχηματισμός Μονοξειδίου του Άνθρακα (CO) Το μονοξείδιο του άνθρακα εμφανίζεται ως ενδιάμεσο προϊόν στην οξείδωση κάθε υδρογονάνθρακα. Σε στοιχειομετρικά μίγματα, λόγω των υψηλών θερμοκρασιών που αναπτύσσονται, πραγματοποιείται διάσπαση του CO2, με αποτέλεσμα η συγκέντρωση ισορροπίας του CO να εμφανίζεται υψηλή. Σε πλούσια μίγματα, η συγκέντρωση του CO εμφανίζεται υψηλή λόγω απουσίας O2 για την οξείδωση του CO, ενώ και στην περίπτωση της φτωχής προαναμεμιγμένης φλόγας η συγκέντρωση του CO μπορεί να εμφανιστεί υψηλή λόγω των χαμηλών θερμοκρασιών και του «παγώματος» της αντίδρασης υδραερίου [4]. Αντίδραση υδραερίου αντίδραση καταστροφής του CO: CO + OH CO 2 + H Ο σχηματισμός CO εμφανίζεται κυρίως σε καυσαέρια κινητήρων που λειτουργούν σε πλούσιο μίγμα. Η σημαντικότερη παράμετρος που επηρεάζει τις εκπομπές CO είναι ο λόγος ισοδυναμίας φ. Άρα, είναι σημαντικό να ελαχιστοποιηθεί το χρονικό διάστημα που ο κινητήρας πρέπει να λειτουργήσει με πλούσιο μίγμα. Οι κινητήρες diesel λειτουργούν εξ ολοκλήρου σε φτωχό μίγμα, άρα οι εκπομπές μονοξειδίου του άνθρακα είναι χαμηλές και δεν αποτελούν σημαντικό πρόβλημα. Φαίνεται όμως, ότι οι εκπομπές CO είναι αυξημένες στους κινητήρες άμεσου ψεκασμού, σε σχέση με τους αντίστοιχους έμμεσου ψεκασμού. Στους κινητήρες που λειτουργούν με φτωχό μίγμα υπάρχει μία ακόμα πηγή σχηματισμού CO που οφείλεται στην αλληλεπίδραση της φλόγας με τα τοιχώματα, τον υμένα λαδιού και τις εναποθέσεις. Σε κάθε περίπτωση, στις φτωχές αυτές συνθήκες οι συγκεντρώσεις CO είναι χαμηλές και δεν αποτελούν πρακτικά πρόβλημα [1] Εκπομπές Άκαυστων Υδρογονανθράκων (HC) Η εμφάνιση άκαυστων υδρογονανθράκων στο καυσαέριο ενός κινητήρα, οφείλεται στην ατελή καύση του καυσίμου. Η συγκέντρωση των άκαυστων υδρογονανθράκων στα καυσαέρια των κινητήρων diesel είναι χαμηλή, άρα η εκπομπή HC δεν αποτελεί ιδιαίτερα σημαντικό ρύπο [3]. Οι άκαυστοι υδρογονάνθρακες που εκπέμπονται από κινητήρες diesel προέρχονται από [1]: Παγιδευμένο καύσιμο στον εγχυτήρα στο τέλος της έγχυσης που στη συνέχεια διαχέεται προς τα έξω Υπερβολικά φτωχή ανάμιξη του καυσίμου με τον αέρα που περιβάλλει το σπρέι με αποτέλεσμα την αδυναμία καύσης και 10

12 Παγιδευμένο καύσιμο στα τοιχώματα, στις χαραμάδες, στις αποθέσεις ή στο λάδι λόγω της σύγκρουσης από τη δέσμη του καυσίμου Η καύση σε κινητήρα diesel εξαρτάται σημαντικά από την σωστή ανάμιξη του καυσίμου με τον αέρα και απαιτείται ένας χαρακτηριστικός χρόνος, ώστε να σχηματιστούν τα πρόδρομα αυτανάφλεξης. Ο χρόνος αυτός είναι συνάρτηση του λόγου ισοδυναμίας φ και είναι ελάχιστος σε στοιχειομετρικές συνθήκες. Σε συνθήκες «υπεραναμιξημότητας», το ποσοστό του καυσίμου που αναμιγνύεται περισσότερο φτωχά, από το όριο φτωχής καύσης (φl~0.3), αυξάνεται ραγδαία, με αποτέλεσμα να είναι αδύνατο να αυταναφλεγεί [1,3]. Το ποσοστό αυτό του καυσίμου βρίσκεται στα όρια του σπρέι (Εικόνα 1.2) και είναι δυνατόν να οξειδωθεί μόνο με αργές και ατελείς χημικές αντιδράσεις. Η συγκέντρωση των άκαυστων HC που προκύπτει είναι συνάρτηση του ποσού του καυσίμου που εγχέεται κατά την περίοδο της καθυστέρησης της ανάφλεξης και του ρυθμού ανάμιξης του καυσίμου με τον αέρα. Άρα, προκύπτει αυξημένη συγκέντρωση HC, λόγω της υπεραναμιξημότητας, όταν η καθυστέρηση ανάφλεξης είναι μεγάλη [1,3]. Καύσιμο που εγχέεται από το ακροφύσιο του εγχυτήρα με μικρή ταχύτητα, κυρίως αργά κατά τη διεργασία της καύσης, ή περίσσιο καύσιμο που εγχέεται σε συνθήκες υπερχείλισης καυσίμου, μπορούν να οδηγήσουν στην εμφάνιση άκαυστων HC, λόγω υποαναμιξημότητας [3]. Στο τέλος της έγχυσης, μέρος καυσίμου μπορεί να μείνει στον εγχυτήρα, κατά την καύση να ατμοποιηθεί, να εισέλθει στον κύλινδρο με μικρή ταχύτητα και να αναμιχθεί αργά με αέρα, χωρίς να καεί [3]. Επίσης, σε συνθήκες υψηλού φορτίου, μπορεί να εμφανιστεί το φαινόμενο υπερχείλισης καυσίμου, με αποτέλεσμα να εμφανιστούν, τοπικά, περιοχές πλούσιου μίγματος. Για φ μεγαλύτερο του 0.9 η συγκέντρωση των HC αυξάνεται δραματικά (Σχήμα 1.2). Γενικά, λόγω υποαναμιξημότητας παρατηρείται χαμηλότερη συγκέντρωση HC, σε σχέση με τους HC που παρατηρούνται λόγω υπεραναμιξημότητας [3]. Πρέπει να αναφερθεί, ότι οι κινητήρες άμεσου ψεκασμού εκπέμπουν περισσότερους υδρογονάνθρακες από τους αντίστοιχους έμμεσου. Αυτό οφείλεται στην αυξημένη ποσότητα υδρογονανθράκων σε χαμηλό φορτίο [1]. Εικόνα 1.2: Μορφή του σπρέι καυσίμου και λόγος φ ανά περιοχή Σχήμα 1.2: Εκπομπές HC ανάλογα με αύξηση του φορτίου και του φ 11

13 1.4.3 Σχηματισμός Οξειδίων του Αζώτου (NOx) Ο σχηματισμός των οξειδίων του αζώτου, δηλαδή των NO και NO2, μελετάται διότι οι ρύποι αυτοί συμμετέχουν στον μηχανισμό σχηματισμού του φωτοχημικού νέφους, αλλά και λόγω της τοξικότητας του NO2 [4]. Τα οξείδια του αζώτου σχηματίζονται στο θάλαμο καύσης κατά τη διάρκεια της καύσης, λόγω της αντίδρασης του αζώτου με το ατομικό οξυγόνο. Οι μηχανισμοί αντίδρασης που παράγουν ΝΟ είναι ο θερμικός μηχανισμός ή μηχανισμός Zeldovich, ο άμεσος μηχανισμός ή μηχανισμός Fenimore, ο μηχανισμός με ενδιάμεσο στάδιο N2O και ο μηχανισμός οξείδωσης του αζώτου στο καύσιμο [4]. Ο κυριότερος μηχανισμός είναι ο μηχανισμός Zeldovich, κατά τον οποίο σχηματίζεται ΝΟ στα καυσαέρια υψηλής θερμοκρασίας πίσω από το μέτωπο της φλόγας. Ο εκτεταμένος μηχανισμός Zeldovich περιλαμβάνει τις παρακάτω τρεις χημικές αντιδράσεις: Ο + Ν 2 ΝΟ + Ν (1) Ν + Ο 2 ΝΟ + Ο (2) Ν + ΟΗ ΝΟ + Η (3) Όπως προκύπτει, η κινητική σχηματισμού του ΝΟ είναι άμεσα συνδεδεμένη με τις συγκεντρώσεις των Ο2, Ο και ΟΗ, καθώς και με τη θερμοκρασία της καύσης. Ο θερμικός μηχανισμός σχηματισμού ΝΟ αναφέρεται σε θερμοκρασίες άνω των 1800 Κ, αφού σε χαμηλότερες θερμοκρασίες η παραγωγή μονοξειδίου του αζώτου είναι αμελητέα [4]. Σημαντικό ρόλο έχει και ο λόγος αέρα λ. Τα οξείδια του αζώτου σχηματίζονται σε υψηλές θερμοκρασίες, ενώ η θερμοκρασία των καμένων αερίων μεγιστοποιείται σε μίγματα ελαφρώς πλούσια. Αντίθετα, στα πλούσια μίγματα δεν υπάρχει περίσσεια οξυγόνου προς διάσπαση κι έπειτα προς αντίδραση με άτομα αζώτου, ώστε να σχηματιστεί οξείδιο του αζώτου. Ο συνδυασμός των δύο αυτών επιδράσεων, έχει ως αποτέλεσμα τον σχηματισμό μέγιστης ποσότητας οξειδίων του αζώτου σε συνθήκες ελαφρώς φτωχού μίγματος [4] Σχηματισμός Σωματιδίων (PM) Ένας από τους σημαντικότερους ρύπους στους κινητήρες diesel είναι τα σωματίδια (Particulate Matter, PM). Σε αρκετά υψηλές συγκεντρώσεις, η εκπομπή σωματιδίων γίνεται αντιληπτή ως ορατός καπνός, ενώ αποτελεί κίνδυνο για την ανθρώπινη υγεία, αφού μπορεί να προκαλέσει προβλήματα στο αναπνευστικό σύστημα. Σύμφωνα με την U.S Environmental Protection Agency [1], σωματίδιο ορίζεται οποιαδήποτε ουσία μπορεί να συλλεχθεί φιλτράροντας το αραιωμένο καυσαέριο σε θερμοκρασία 325 Κ ή χαμηλότερη. Τα σωματίδια κατηγοριοποιούνται σε δύο μέρη, στον στερεό άνθρακα ή αιθάλη και στο οργανικό κλάσμα που αποτελείται από υδρογονάνθρακες και τα προϊόντα 12

14 οξείδωσής τους που έχουν συμπυκνωθεί στο φίλτρο ή έχουν προσροφηθεί στο στερεό μέρος της αιθάλης. Τα συσσωρευμένα σφαιρικά σωματίδια αιθάλης έχουν διάμετρο της τάξης των 200 Å, ενώ οι χαρακτηριστικές διαστάσεις των συσσωματώσεων της αιθάλης είναι της τάξης των 0.1 μm. Στις διαστάσεις αυτές, αποτελούν υψηλό κίνδυνο για την ανθρώπινη υγεία [1]. Η καύση στους κινητήρες diesel είναι ετερογενής, κάτι που οδηγεί σε σχηματισμό αιθάλης σε συνθήκες έλλειψης οξυγόνου. Η ποσότητα των σωματιδίων εξαρτάται άμεσα από τον λόγο ισοδυναμίας. Διπλασιασμός του λόγου ισοδυναμίας σημαίνει αύξηση των σωματιδίων κατά μία τάξη μεγέθους [1]. Τα σωματίδια αποτελούν μεγάλο πρόβλημα για τους μηχανικούς κινητήρων, αφού είναι και ο κυριότερος περιορισμός για την αύξηση της απόδοσης των κινητήρων diesel σε πλήρες φορτίο. Επίσης, μείωση των εκπομπών NOx, συνήθως σημαίνει αύξηση της αιθάλης. Αυτό οφείλεται στην μείωση της θερμοκρασίας της φλόγας διάχυσης για μείωση των εκπομπών οξειδίων του αζώτου, που προκαλεί αύξηση της ποσότητας αιθάλης που οξειδώνεται. Έτσι, δημιουργείται μία ανταγωνιστική σχέση (tradeoff) ανάμεσα στα οξείδια του αζώτου και τα σωματίδια [1]. 1.5 Ευρωπαϊκά Πρότυπα Εκπομπών Ρύπων Για τον περιορισμό των ρύπων που παράγουν οι μηχανές εσωτερικής καύσης των οχημάτων, έχουν θεσπιστεί από την Ευρωπαϊκή Ένωση ορισμένα πρότυπα, τα επονομαζόμενα European emissions standards. Τα πρότυπα αυτά αφορούν οχήματα βαρέoς και ελαφρού τύπου και έχουν ως στόχο τον έλεγχο και τη μείωση των εκπομπών των ρύπων που παράγονται από τις μηχανές εσωτερικής καύσης. Το αυτοκίνητο υπό εξέταση αποτελεί όχημα προδιαγραφών EURO-4 (κοινοτική οδηγία 98/69/EC & 2002/80/EC), ενώ έχουν ήδη θεσμοθετηθεί τα πρότυπα EURO-5 και EURO-6 (κοινοτική οδηγία 715/2007/EC). Το πρότυπο EURO-6 έχει τεθεί σε ισχύ από τον Σεπτέμβριο του 2014 [5]. Τα ολοένα και αυστηρότερα όρια εκπομπών αποτελούν μεγάλη πρόκληση για τους κατασκευαστές κινητήρων, οι οποίοι είναι υποχρεωμένοι να αναζητήσουν νέες τεχνολογίες που θα ανταποκρίνονται στις αυξανόμενες απαιτήσεις. Υπάρχουν τρεις βασικές μέθοδοι για τον περιορισμό των εκπομπών ρύπων του κινητήρα [1]: Βελτίωση της διεργασίας της καύσης Βελτιστοποίηση της επιλογής των λειτουργικών παραμέτρων Χρήση συσκευών μετεπεξεργασίας του καυσαερίου στο σύστημα εξαγωγής Για την επίτευξη των παραπάνω, γίνεται χρήση εξελιγμένων διατάξεων, οι οποίες έχουν βελτιώσει την συμπεριφορά των κινητήρων diesel, όσον αφορά στις εκπομπές ρύπων. 13

15 Τέτοιες διατάξεις είναι τα συστήματα έγχυσης κοινού αυλού (common rail), το σύστημα ανακυκλοφορίας καυσαερίου (EGR) και ο στρόβιλος μεταβλητής γεωμετρίας. Επιπλέον, κάποιες από τις διατάξεις μετεπεξεργασίας καυσαερίου σε κινητήρες diesel αποτελούν ο οξειδωτικός καταλύτης, οι καταλύτες SCR και οι παγίδες αιθάλης. Η εξέλιξη των διατάξεων μετεπεξεργασίας συνδέεται άμεσα με την εφαρμογή των ευρωπαϊκών προτύπων εκπομπών ρύπων και αποτελούν αναπόσπαστο κομμάτι τους [7]. Στο Σχήμα 1.3 και στον Πίνακα 1.1 παρουσιάζεται η εξέλιξη των ορίων εκπομπών NOx και PM σε γραμμάρια ανά χιλιόμετρο, βάσει των ευρωπαϊκών προτύπων. Το σχήμα και ο πίνακας αναφέρονται σε εκπομπές κινητήρα diesel, επιβατηγών οχημάτων. Σχήμα 1.3: Εκπομπές PM και NOx κινητήρων diesel ανάλογα με τα ευρωπαϊκά πρότυπα [6] Πρότυπο Ημερομηνία CO NO x HC+NO x PM EURO 1 Ιούλιος (3,16) (1.13) 0.14 (0.18) EURO 2 Ιανουάριος EURO 3 Ιανουάριος EURO 4 Ιανουάριος EURO 5a Σεπτέμβριος EURO 5b Σεπτέμβριος EURO 6 Σεπτέμβριος Πίνακας 1.1: Εκπομπές CO, HC, PM και NOx κινητήρων diesel ανάλογα με τα ευρωπαϊκά πρότυπα [6] 14

16 1.6 Κύκλοι Οδήγησης Νέος Ευρωπαϊκός Κύκλος Οδήγησης (NEDC: New European Driving Cycle) Ο Νέος Ευρωπαϊκός Κύκλος Οδήγησης (NEDC) είναι κύκλος οδήγησης, ο οποίος διαμορφώθηκε στη σημερινή του μορφή το 1997, με σκοπό την αξιολόγηση των επιπέδων εκπομπών ρύπων και κατανάλωσης καυσίμου των κινητήρων αυτοκινήτων. Επίσης, αναφέρεται ως κύκλος MVEG (Motor Vehicle Emissions Group) [8,9]. Ο κινητήρας και η δειγματοληψία των εκπομπών τίθενται σε λειτουργία ταυτόχρονα. Αυτή η τροποποιημένη διαδικασία εκκίνησης εν ψυχρώ αναφέρεται ως ο Νέος Ευρωπαϊκός Κύκλος Οδήγησης (NEDC), ή κύκλος δοκιμών MVEG-Β [8,9]. Η δοκιμή ξεκινά με τέσσερις επαναλήψεις του κύκλου ECE 15. Οι τέσσερις αυτές επαναλήψεις του ECE 15 είναι γνωστές ως UDC (Urban Driving Cycle), δηλαδή ως αστικός κύκλος οδήγησης. Επινοήθηκε για να ικανοποιεί οδηγικές συνθήκες πόλης, π.χ. συνθήκες κυκλοφορίας στο Παρίσι ή τη Ρώμη. Χαρακτηρίζεται από χαμηλή ταχύτητα οχήματος, χαμηλό φορτίο κινητήρα, και χαμηλή θερμοκρασία καυσαερίων [8,9]. Το υπεραστικό κομμάτι του κύκλου NEDC είναι ο κύκλος EUDC (Extra Urban Driving Cycle), κατά τον οποίο προσομοιώνονται συνθήκες οδήγησης υψηλής ταχύτητας. Η μέγιστη ταχύτητα του κύκλου EUDC είναι 120 km/h. Οι εκπομπές των ρύπων καταγράφονται κατά τη διάρκεια του κύκλου, σύμφωνα με την δειγματοληψία σταθερού όγκου (CVS), αναλύονται, και εκφράζονται σε g/km [8,9]. Ο Πίνακας 1.2 περιγράφει συνοπτικά επιλεγμένες παραμέτρους των ECE 15, EUDC και NEDC κύκλων [9]. Characteristics Unit ECE 15 EUDC NEDC Distance km Total time s Idle (standing) time s Average speed (incl. stops) km/h Average driving speed (excl. stops) km/h Maximum speed km/h Average acceleration 1 m/s Maximum acceleration 1 m/s Four repetitions of ECE 15 followed by one EUDC 1 Calculated using central difference method Πίνακας 1.2: Παράμετροι των ECE 15, EUDC και NEDC κύκλων 15

17 Στο Σχήμα 1.4 παρουσιάζεται ο κύκλος NEDC. Σχήμα 1.4: Κύκλος NEDC Παγκόσμιος Κύκλος Οδήγησης Ελαφρών Οχημάτων (WLTP: Worldwide harmonized Light vehicles Test Procedures) Ο Παγκόσμιος Κύκλος Οδήγησης Ελαφρών Οχημάτων (WLTP) είναι κύκλος δοκιμών οχήματος σε δυναμόμετρο και αναπτύσσεται ώστε να καθοριστεί ένα συνολικά εναρμονισμένο πρότυπο για τον έλεγχο των επιπέδων των εκπομπών ρύπων, των 16

18 εκπομπών CO2, της κατανάλωσης καυσίμου και της ηλεκτρικής αυτονομίας ελαφρών οχημάτων (επιβατηγά αυτοκίνητα και ελαφρά εμπορικά φορτηγά). Αναπτύσσεται από εμπειρογνώμονες της Ευρωπαϊκής Ένωσης, της Ιαπωνίας, της Ινδίας και σύμφωνα με τις κατευθυντήριες γραμμές του Παγκόσμιου Φόρουμ της UNECE για την εναρμόνιση των κανονισμών οχημάτων, με την τελική διαμόρφωση του κύκλου να αναμένεται για τον Οκτώβριο του Στην ανάπτυξη του Παγκόσμιου Κύκλου Οδήγησης συμμετέχει το Εργαστήριο Εφαρμοσμένης Θερμοδυναμικής. Όταν ολοκληρωθεί, ο κύκλος WLTP αναμένεται να αντικαταστήσει τον Νέο Ευρωπαϊκό Κύκλο Οδήγησης NEDC, για τη δοκιμή έγκρισης τύπου των οχημάτων [10,11]. Η διαδικασία εκπόνησης του WLTP περιλαμβάνει τρεις κύκλους δοκιμών, που ισχύουν για κατηγορίες οχημάτων διαφορετικής αναλογίας ισχύος προς μάζα (PMR), όπως φαίνεται στον Πίνακα 1.3. Η παράμετρος PMR ορίζεται ως ο λόγος της ονομαστικής ισχύος (W) προς τη μάζα (kg). Το απόβαρο ή μάζα, νοείται ως η «μάζα άνευ φορτίου», όπως ορίζεται στο ECE R83. Ο ορισμός του εκάστοτε κύκλου μπορεί να εξαρτάται από τη μέγιστη ταχύτητα (v_max), η οποία είναι η μέγιστη ταχύτητα του οχήματος όπως δηλώνεται από τον κατασκευαστή (ECE R68) και όχι οποιοσδήποτε περιορισμός χρήσης ή ασφάλειας [11]. Category PMR Speed Phases Comments Class 3 PMR > 34 Low, Middle, High, Extra-High If v_max < 135 km/h, phase extra-high is replaced by a repetition of phase low. Class 2 34 PMR > 22 Low, Middle, High If v_max < 90 km/h, phase high is replaced by a repetition of phase low. Class 1 PMR 22 Low, Middle If v_max 70 km/h, phase low is repeated after phase middle. If v_max < 70 km/h, phase middle is replaced by a repetition of phase low. Πίνακας 1.3: Κατηγορίες WLTP κύκλων Η κατηγορία 3 είναι αντιπροσωπευτική για οχήματα που κινούνται στην Ευρώπη και την Ιαπωνία. Είναι η κατηγορία με την υψηλότερη αναλογία ισχύος προς μάζα. Οι παράμετροι της τρίτης κατηγορίας δίνονται στον Πίνακα 1.4. Στο Σχήμα 1.5 περιγράφεται η ταχύτητα και η επιτάχυνση που ακολουθεί το όχημα κατά τη διάρκεια του κύκλου WLTP [11]. Διακρίνονται τα τέσσερα μέρη του κύκλου Low, Middle, High και Extra High και οι μεταβολές στην ταχύτητα και στην επιτάχυνση για κάθε μέρος. 17

19 Phase Duration Stop Duration Distance p_stop v_max v_ave stops v_ave stops a_min a_max s s m km/h km/h km/h m/s² m/s² Low % Middle % High % Extra- High % Total Πίνακας 1.4: Επιλεγμένες παράμετροι τρίτης κατηγορίας κύκλου WLTP Σχήμα 1.5: Κύκλος WLTP (Class 3) 18

20 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 Επίδραση των Ιδιοτήτων των Καυσίμων στις Εκπομπές Ρύπων και στην Κατανάλωση 2.1 Γενικά Η ανησυχία που έχει προκληθεί παγκοσμίως, λόγω της επιβάρυνσης του πλανήτη από τους αέριους ρύπους, την όξυνση του φαινομένου του θερμοκηπίου και της ραγδαίας ελάττωσης των αποθεμάτων αργού πετρελαίου, έχει οδηγήσει στην ανάγκη για μείωση της κατανάλωσης παράγωγων του αργού πετρελαίου, των εκπομπών διοξειδίου του άνθρακα (CO2) και αέριων ρύπων, όπως τα οξείδια του αζώτου (NOx). Για την επίτευξη αυτού του στόχου, εκτός από τις σχεδιαστικές λύσεις των Μ.Ε.Κ. που εισάγονται από τους μηχανικούς, εξελίσσονται και νέα καύσιμα, ή βιοκαύσιμα, με διαφορετικές ιδιότητες, οι οποίες αξιολογούνται και στην παρούσα εργασία. Μεγάλο μέρος της ενέργειας, παγκοσμίως, καταναλώνεται στον τομέα των μεταφορών, όπου χρησιμοποιούνται σε μεγάλο βαθμό κινητήρες diesel [12]. Συνεπώς τα καύσιμα παίζουν σημαντικό ρόλο στην ανάπτυξη του τομέα των μεταφορών, της βιομηχανίας, της αγροτικής παραγωγής και στην βελτίωση του βιοτικού επιπέδου του ανθρώπου [12]. Παρόλο που οι τεχνολογίες ανάπτυξης εναλλακτικών καυσίμων είναι φιλικές προς το περιβάλλον, δεν έχουν πετύχει την αναμενόμενη αποδοχή λόγω οικονομικών περιορισμών, ελλιπούς διαθεσιμότητας κτλ. [12]. Ως εναλλακτικό καύσιμο, το βιοντήζελ παράγεται από φυτικά έλαια και ζωικά λίπη, τα οποία είναι μη τοξικά, βιοδιασπώμενα, φιλικά στο περιβάλλον και αξιόπιστα [12]. Σε σχέση με τα ορυκτά καύσιμα, το βιοντήζελ παράγει λιγότερη αιθάλη, όμως λόγω του αυξημένου μοριακού βάρους, πυκνότητας και ιξώδους, δημιουργούνται προβλήματα, όπως δυσκολία στον ψεκασμό του καυσίμου, επικαθίσεις στου εγχυτήρες και κόλλημα του δακτυλίου του εμβόλου, που οδηγούν σε ατελή καύση [12]. Τα καύσιμα που χρησιμοποιήθηκαν στις μετρήσεις αφορούν καύσιμα είναι είτε αμιγές πετρέλαιο, είτε πετρέλαιο με συγκέντρωση 10% κ.ό. βιοντήζελ. Ιδιότητες προς εξέταση αποτελούν ο αριθμός κετανίου, η πυκνότητα, η κατά βάρος περιεκτικότητα σε πολυκυκλικούς αρωματικούς υδρογονάνθρακες (PAH) και η κατά όγκο περιεκτικότητα σε μεθυλεστέρες λιπαρών οξέων (FAME). Οι ιδιότητες προς εξέταση παρουσιάζονται στο Σχήμα

21 Αριθμός Κετανίου Ιδιότητες καυσίμου PAH FAME Πυκνότητα Σχήμα 2.1: Ιδιότητες που εξετάστηκε η επίδραση τους στην παρούσα μελέτη 2.2 Βιοκαύσιμα Τα βιοκαύσιμα, όπως και τα ορυκτά καύσιμα, παρουσιάζονται σε διάφορες μορφές και πληρούν μια σειρά από διαφορετικές ενεργειακές ανάγκες. Η κατηγορία των βιοκαυσίμων υποδιαιρείται σε τρεις γενεές [13]. - Βιοκαύσιμα 1 ης γενιάς: Τα βιοκαύσιμα πρώτης γενιάς παράγονται απευθείας από καλλιέργειες τροφίμων και προέρχονται από άμυλο, ζάχαρη, ζωικά λίπη και φυτικά έλαια. Είναι σημαντικό να σημειωθεί ότι η χημική σύσταση μεταξύ των γενεών διαφέρει, αλλά είναι πιθανό να αλλάζει η πηγή από την οποία προέρχεται το καύσιμο. Επίσης, τα βιοκαύσιμα 1 ης γενιάς παράγονται με τη μέθοδο μετεστεροποίησης. Το καλαμπόκι, το σιτάρι, και το ζαχαροκάλαμο είναι η πιο συχνά χρησιμοποιούμενη πρώτη ύλη παραγωγής βιοκαυσίμων [12,13]. - Βιοκαύσιμα 2 ης γενιάς: Τα βιοκαύσιμα δεύτερης γενιάς είναι επίσης γνωστά και ως προηγμένα βιοκαύσιμα. Αυτό που τα διαφοροποιεί από την πρώτη γενιά βιοκαυσίμων είναι η μέθοδος παραγωγής τους, η οποία πραγματοποιείται με υδρογονοεπεξεργασία. Τα βιοκαύσιμα δεύτερης γενιάς είναι 20

22 περισσότερο "πράσινα" με την έννοια ότι είναι κατασκευασμένα από βιώσιμη πρώτη ύλη. Ο όρος «βιώσιμη» ορίζεται από τη διαθεσιμότητα των πρώτων υλών, τις επιπτώσεις της χρήσης του καυσίμου στις εκπομπές αερίων του θερμοκηπίου, τις επιπτώσεις στη βιοποικιλότητα και στο αντίκτυπό στη χρήση της γης (νερό, προμήθεια τροφίμων κλπ). Προς το παρόν, τα περισσότερα βιοκαύσιμα δεύτερης γενιάς είναι υπό ανάπτυξη και δεν είναι ευρέως διαθέσιμα προς χρήση [13]. - Βιοκαύσιμα 3 ης γενιάς Ο όρος «βιοκαύσιμα τρίτης γενιάς» έχει εισαχθεί πρόσφατα και αναφέρεται σε βιοκαύσιμα που προέρχονται από φύκια. Προηγουμένως, τα φύκια θεωρούνταν βιοκαύσιμα δεύτερης γενιάς. Ωστόσο, όταν αποδείχτηκε ότι τα φύκια διακρίνονται από πολύ υψηλές αποδόσεις, με χαμηλότερες απαιτήσεις πόρων από άλλες πρώτες ύλες, κρίθηκε σκόπιμο να δημιουργηθεί ξεχωριστή κατηγορία για αυτά. Τα φύκια προσφέρουν μια σειρά από πλεονεκτήματα, όπως το ότι μπορούν να απορροφήσουν ένα ευρύ φάσμα πηγών άνθρακα, όμως χαρακτηρίζονται και από ένα σημαντικό μειονέκτημα. Απαιτούν μεγάλες ποσότητες νερού, αζώτου και φωσφόρου για να αναπτυχθούν. Έτσι, η παραγωγή των λιπασμάτων για την κάλυψη των αναγκών των φυκιών που χρησιμοποιούνται για την παραγωγή βιοκαυσίμων, παράγουν αυξημένες εκπομπές αερίων του θερμοκηπίου. Επίσης, το κόστος είναι πολύ υψηλότερο σε σχέση με καύσιμα από άλλες πηγές [13]. 2.3 Βιοντήζελ - FAME Τα φυσικά χαρακτηριστικά των εστέρων λιπαρών οξέων (FAME - Μεθυλεστέρες λιπαρών οξέων) είναι πιο κοντά σε εκείνα των ορυκτών καυσίμων diesel παρά σε εκείνα των αγνών φυτικών ελαίων. Οι ιδιότητες τους εξαρτώνται από τον τύπο του φυτικού ελαίου. Ένα μίγμα διαφόρων μεθυλεστέρων λιπαρών οξέων αναφέρεται κοινώς ως biodiesel - FAME και έχει φυσικές ιδιότητες παρόμοιες με εκείνες του συμβατικού diesel [14]. Η μετεστεροποίηση είναι η συνήθης πρακτική παραγωγής βιοντήζελ FAME και αποτελεί αντίδραση ενός λίπους ή ελαίου με μία αλκοόλη (με ή χωρίς καταλύτη) για το σχηματισμό εστέρων και γλυκερόλης. Επειδή η αντίδραση είναι αντιστρεπτή, περίσσεια αλκοόλης χρησιμοποιείται για να μετατοπιστεί η ισορροπία προς την πλευρά των προϊόντων [15,16,17]. Σύμφωνα με την αντίδραση της μετεστεροποίησης με αλκοόλη, το πρώτο βήμα είναι η μετατροπή των τριγλυκεριδίων σε διγλυκερίδια, ακολουθεί μετατροπή των ανώτερων γλυκεριδίων σε κατώτερα και τέλος μετατροπή σε γλυκερόλη, αποδίδοντας ένα μόριο μεθυλεστέρα σε κάθε στάδιο. Η αντίδραση μετεστεροποίησης μπορεί να πραγματοποιηθεί από ομογενείς (αλκάλια και οξέα) και ετερογενείς καταλύτες. Οι συνηθέστεροι χρησιμοποιούμενοι καταλύτες αλκαλίων είναι ΝαΟΗ, CH3ONa, και ΚΟΗ 21

23 [16]. Για συστήματα όπου χρησιμοποιούνται οξέα ως καταλύτες, χρησιμοποιούνται συχνά θειικό οξύ, HCl, BF3, Η3ΡΟ4, και οργανικά σουλφονικά οξέα [16]. Παρακάτω παρουσιάζεται ο μηχανισμός μετεστεροποίησης [17]. Σχήμα 2.2: Μηχανισμός μετεστεροποίησης Η διαδικασία μετεστεροποίησης επιφέρει δραστική αλλαγή στο ιξώδες του φυτικού ελαίου. Το βιοντήζελ που παράγεται από την παρούσα διαδικασία, είναι εντελώς αναμείξιμο με ορυκτό diesel σε οποιαδήποτε αναλογία. Το ιξώδες του βιοντήζελ έρχεται πολύ κοντά σε εκείνο του ορυκτού diesel, ως εκ τούτου δεν υπάρχουν προβλήματα στο υφιστάμενο σύστημα χειρισμού του καυσίμου. Μετά από μετεστεροποίηση, το σημείο ανάφλεξης του βιοντήζελ μειώνεται και ο αριθμός κετανίου βελτιώνεται. Ακόμη και χαμηλότερες συγκεντρώσεις σε βιοντήζελ ενεργούν θετικά στον αριθμό κετανίου του μίγματος. Επίσης, η θερμογόνος δύναμη του βιοντήζελ βρέθηκε να είναι πολύ κοντά στην αντίστοιχη του ορυκτού diesel [18]. Οι κινητήρες diesel μπορούν να λειτουργούν ικανοποιητικά με βιοντήζελ χωρίς τροποποιήσεις. Βραχυπρόθεσμες δοκιμές εμφανίζουν θετικά αποτελέσματα, ενώ μακροχρόνια χρήση των φυτικών ελαίων οδηγεί σε διάφορα προβλήματα στον κινητήρα, όπως δυσλειτουργία στα μπεκ λόγω αποθέσεων και κόλλημα του δακτυλίου του εμβόλου [18]. Οι πιο σημαντικές μεταβλητές που επηρεάζουν την απόδοση του βιοντήζελ από μετεστεροποίηση είναι: Η θερμοκρασία της αντίδρασης Η μοριακή αναλογία αλκοόλης και ελαίου Ο καταλύτης Ο χρόνος αντίδρασης Η παρουσία υγρασίας και τα ελεύθερα λιπαρά οξέα (FFA). 2.4 Επίδραση των Ιδιοτήτων των Καυσίμων τις Εκπομπές Ρύπων και στην Κατανάλωση Στο παρόν υποκεφάλαιο θα γίνει μια βιβλιογραφική ανασκόπηση και συνοπτική παρουσίαση των αποτελεσμάτων αντίστοιχων μελετών, αντικείμενο των οποίων αποτελεί 22

24 η επίδραση των διάφορων ιδιοτήτων του diesel στην κατανάλωση καυσίμου και στις εκπομπές ρύπων (CO, HC, NOx, PM). Θα παρουσιαστούν αποτελέσματα τα οποία πραγματοποιήθηκαν από δημόσιους και ιδιωτικούς οργανισμούς χωρών και ερευνητικά εργαστήρια, όπως ο Οργανισμός Προστασίας του Περιβάλλοντος των Η.Π.Α. (EPA: Environmental Protection Agency) και το Εργαστήριο Εφαρμοσμένης Θερμοδυναμικής του Αριστοτελείου Πανεπιστημίου της Θεσσαλονίκης Περιεκτικότητα σε Βιοντήζελ (FAME) Λόγω του αυξανόμενου ενδιαφέροντος για τη χρήση του βιοντήζελ, η EPA (United States Environmental Protection Agency) πραγματοποίησε μια ολοκληρωμένη ανάλυση των επιπτώσεων της χρήσης βιοντήζελ στις εκπομπές ρύπων. Κατά την έρευνα έγινε χρήση στατιστικών αναλύσεων, για την συσχέτιση της συγκέντρωσης βιοντήζελ στα συμβατικά καύσιμα, με την παραγωγή ρύπων. Η πλειονότητα των διαθέσιμων δεδομένων συλλέχθηκε από κινητήρες βαρέων οχημάτων [19]. Οι μέσες επιπτώσεις της συγκέντρωσης βιοντήζελ στα καύσιμα περιγράφονται στο Σχήμα 2.3. Σχήμα 2.3: Μέσες επιπτώσεις της συγκέντρωσης του βιοντήζελ στις εκπομπές ρύπων, για κινητήρες βαρέως τύπου Ένα από τα πιο συνηθισμένα μείγματα βιοντήζελ περιέχει 20% κ.ό. βιοντήζελ και 80% κ.ό. συμβατικό diesel. Για βιοντήζελ που παράγεται από σόγια, οι εκτιμώμενες επιπτώσεις στις εκπομπές παρουσιάζονται στον Πίνακα 2.1 [19]. 23

25 Πίνακας 2.1: Επιπτώσεις της συγκέντρωσης 20% βιοντήζελ σόγιας στις εκπομπές ρύπων [7] Επίσης, η χρήση βιοντήζελ περιεκτικότητας 20% κ.ό. αναμένεται να αυξήσει την κατανάλωση καυσίμου κατά 1-2% [19]. Δεν ήταν εφικτό να προσδιοριστεί μια σαφής διαφορά στην παραγωγή των εκπομπών CO2 μεταξύ του βιοντήζελ και του συμβατικού diesel. Ωστόσο, πρέπει να σημειωθεί ότι τα οφέλη του CO2, αποδίδονται στην φυτική ή ζωική προέλευση του βιοντήζελ, που το καθιστούν ανανεώσιμη πηγή ενέργειας [19]. Όσον αφορά τις εκπομπές CO2, σύμφωνα με τη μελέτη της EPA η χρήση μείγματος βιοντήζελ φυτικής προέλευσης σε ένα «μέσο» καύσιμο, δεν έχει σχεδόν καμία επίδραση στις εκπομπές του διοξειδίου του άνθρακα. Επιπλέον, η προσθήκη βιοντήζελ σε ένα «καθαρό» καύσιμο προκαλεί μια μέτρια αύξηση των εκπομπών διοξειδίου του άνθρακα, ενώ η χρήση βιοντήζελ με βάση ζωικά λίπη σε «μέσο» καύσιμο αναμένεται να παράγει μια ελαφρά μείωση. Οι σχέσεις αυτές περιγράφονται στο Σχήμα 2.4. Σχήμα 2.4: Επίδραση διάφορων τύπων μειγμάτων βιοντήζελ στις εκπομπές CO2 24

26 Πρέπει να αναφερθεί, ότι στην εν λόγω μελέτη, η βάση δεδομένων δεν περιείχε κινητήρες με τεχνολογία ανακυκλοφορίας καυσαερίων (EGR), παγίδες NOx ή παγίδες αιθάλης. Επιπλέον, περίπου το 98% των δεδομένων που συλλέχθηκαν αντιστοιχούν σε κινητήρες παραγωγής έως το 1997 [19]. Σύμφωνα με την έκθεση της EPA [19], και όπως περιγράφεται και στο Σχήμα 2.3, oι εκπομπές όλων των ρύπων, εκτός από αυτές των NOx, φαίνεται να μειώνονται με χρήση βιοντήζελ. Έτσι, κρίθηκε σκόπιμο να εξεταστούν οι προϋποθέσεις υπό τις οποίες τα NOx θα μπορούσαν, πράγματι, να μειωθούν με την αύξηση της συγκέντρωσης του βιοντήζελ. Ένας αριθμός παρατηρήσεων πράγματι εμφανίζουν μία μείωση στα ΝΟx, όταν προστίθεται βιοντήζελ στο συμβατικό καύσιμο diesel. Τέτοια αποτελέσματα ενδέχεται να εμφανίζονται λόγω της μεταβλητότητας της μέτρησης [19]. Παρόλα αυτά, μπορεί να υπάρχουν και άλλοι λόγοι που θα μπορούσαν να προκαλέσουν μείωση στις εκπομπές των NOx, και κυρίως το είδος του βιοντήζελ, με αυξανόμενη συγκέντρωση βιοντήζελ [19]. Όσον αφορά την κατανάλωση καυσίμου, η χρήση βιοντήζελ θα μειώσει γενικά την αυτονομία, άρα τον αριθμό των χιλιομέτρων ανά λίτρο καυσίμου που μπορεί ένα όχημα να οδηγηθεί, λόγω του χαμηλότερου ενεργειακού περιεχομένου του, σε σύγκριση με τα συμβατικά καύσιμα diesel [19]. Χρησιμοποιήθηκαν δύο διαφορετικές προσεγγίσεις για τον ποσοτικό προσδιορισμό της μείωσης αυτής στην οικονομία καυσίμου [19]: Διαφορές στο ενεργειακό περιεχόμενο των καυσίμων με βιοντήζελ και μη. Συσχετίσεις μεταξύ συγκέντρωσης βιοντήζελ και ειδικής κατανάλωσης καυσίμου (bsfc). Δεδομένου ότι το ενεργειακό περιεχόμενο είναι ένας εξαιρετικός προγνωστικός δείκτης, η σχετική οικονομία καυσίμου και το ογκομετρικό ενεργειακό περιεχόμενο αναμένεται να εμφανίσουν μια γραμμική συσχέτιση [19]. Έτσι, ένα 20% κατ 'όγκο μείγμα βιοντήζελ, που παρήχθη από ζωικά λίπη αναμένεται να παρουσιάσει μία μείωση 2.1% στην οικονομία καυσίμου σε σχέση με το βασικό καύσιμο, και μείωση 1.6% στην οικονομία καυσίμου αν το βιοντήζελ παρήχθη από σόγια ή ελαιοκράμβη [19]. Σε μία άλλη μελέτη των G. Fontaras et al., πραγματοποιήθηκε σύγκριση των επιπτώσεων των ιδιοτήτων ενός αμιγούς καυσίμου diesel (B0) και τριών μειγμάτων βιοντήζελ (FAME), που προέρχονται από κραμβέλαιο, με περιεκτικότητες 10%, 30% και 50% κ.ό.. Χρησιμοποιήθηκαν τρία οχήματα τεχνολογίας Euro 4+, ένα εξοπλισμένο με οξειδωτικό καταλύτη και δύο εξοπλισμένα με διαφορετικού τύπου φίλτρα σωματιδίων (DPF). Το πρωτόκολλο δοκιμής περιλάμβανε κύκλους NEDC, περισσότερο μεταβατικούς κύκλους Artemis και δύο σταθερά σημεία λειτουργίας [20]. Με αύξηση της περιεκτικότητας του βιοντήζελ βρέθηκε συστηματική αύξηση της κατανάλωσης καυσίμου, αλλά περιορισμένες μόνο διαφορές στις εκπομπές CO2 (±2-3%). Όσον αφορά τις εκπομπές CO2, οι διαφοροποιήσεις αντικατοπτρίζουν μεταβολές της 25

27 ενεργειακής απόδοσης του κινητήρα. Κατά αυτή την έννοια, τα αποτελέσματα των εκπομπών CO2 συνδέονται με βελτίωση ή επιδείνωση της απόδοσης της καύσης [20]. Η παρουσία του βιοντήζελ οδήγησε σε αυξημένες εκπομπές CO έως και 200% και HC έως 170%, κατά την ψυχρή εκκίνηση. Αυτή η παρατήρηση έρχεται σε αντίθεση με τη γενική αντίληψη ότι το βιοντήζελ μειώνει τις εκπομπές CO και HC. Η χρήση βιοντήζελ μπορεί να μειώσει τις εκπομπές του κινητήρα, όμως εμφανίζει αρνητική επίδραση στην απόδοση του οξειδωτικού καταλύτη ιδιαίτερα κατά την ψυχρή εκκίνηση [20]. Οι εκπομπές των NOx, σε μερικές περιπτώσεις, αυξήθηκαν και έως 20% με χρήση του Β50 με πιο συχνές διαφοροποιήσεις εύρους 1-10%, ανάλογα με το μείγμα και το όχημα. Οι εκπομπές NO εμφάνισαν παρόμοια συμπεριφορά. Χρήση μειγμάτων βιοντήζελ οδήγησε σε μείωση των εκπομπών PM, ιδιαίτερα για το όχημα χωρίς DPF. Με χρήση του Β50 παρουσιάστηκε μείωση ως και 50% στις εκπομπές των PM, σε ορισμένες περιπτώσεις. Δεν προέκυψαν ασφαλή συμπεράσματα σχετικά με την επίδραση του βιοντήζελ στις εκπομπές των σωματιδίων στα εξοπλισμένα με DPF οχήματα [20]. Στη μελέτη τους, οι Pullen και Saeed [21] συμπέραναν ότι με χρήση μιγμάτων βιοντήζελ, συνήθως μειώνεται η μέγιστη ισχύς του κινητήρα λόγω του μειωμένου ενεργειακού περιεχομένου του καυσίμου, ενώ η κατανάλωση αναμένεται να αυξηθεί περίπου 14%. Οι επιπτώσεις στις εκπομπές των ρύπων είναι δύσκολο να καθοριστούν, κάτι που οφείλεται κατά κανόνα σε αντικρουόμενα αποτελέσματα των εκθέσεων που μελέτησαν. Ωστόσο, στις περισσότερες περιπτώσεις καταγράφεται μια αυξητική τάση στα NOx, και μειώσεις στο CO, στα PM, στους HC και στις αρωματικές ενώσεις [21]. Πειράματα που διεξήχθησαν από τους Pulagala et al. [21,22], έδειξαν ότι λόγω της αύξησης του φορτίου του κινητήρα εμφανίστηκαν αυξημένα επίπεδα NOx, τα οποία οφείλονται στις υψηλότερες θερμοκρασίες καύσης, σύμφωνα με τον θερμικό μηχανισμό Zeldovich. Σε κάθε φορτίο που επιβαλλόταν στον κινητήρα, τα μείγματα βιοντήζελ παρήγαγαν περισσότερα NOx από το συμβατικό diesel, κάτι που αποδίδεται στην πρώιμη έγχυση καυσίμου και έναρξη της καύσης, που οδηγεί σε υψηλότερη μέγιστη πίεση και θερμοκρασία [21,22]. Οι βασικοί παράγοντες που καθορίζουν τη μέγιστη θερμοκρασία καύσης είναι ο χρονισμός της καύσης (έναρξη της καύσης), ο ρυθμός καύσης (ρυθμός έκλυσης θερμότητας) και ο χρονισμός έγχυσης. Η καθυστέρηση ανάφλεξης, μεταξύ της έναρξης της έγχυσης και την έναρξη της καύσης, ελαττώνεται με καύσιμα υψηλότερου αριθμού κετανίου (CN). Αν το καύσιμο βιοντήζελ εμφανίζει υψηλότερο αριθμό κετανίου, η καθυστέρηση ανάφλεξης είναι μικρότερη και η έναρξη της καύσης είναι νωρίτερη. Όσο νωρίτερα γίνεται η έναρξη της καύσης, πριν το ΑΝΣ, αυξάνεται η μέγιστη πίεση και θερμοκρασία στον κύλινδρο, με αποτέλεσμα να αυξάνονται οι εκπομπές NOx. Ωστόσο, μικρότερη καθυστέρηση ανάφλεξης σημαίνει μείωση της ποσότητας του καυσίμου που καίγεται στην καύση προανάμιξης, άρα ο αρχικός ρυθμός έκλυσης θερμότητας είναι 26

28 χαμηλότερος, κάτι που μειώνει τα NOx [21,22]. Επίσης, ένας άλλος λόγος για την εμφάνιση υψηλών εκπομπών NOx με χρήση μειγμάτων βιοντήζελ σε σύγκριση με συμβατικό diesel, είναι η αυξημένη περιεκτικότητα σε οξυγόνο, το οποίο οδηγεί σε περισσότερο πλήρη καύση. Τα χαμηλότερα επίπεδα μονοξειδίου του άνθρακα υποδεικνύουν πληρέστερη καύση [21,22,27]. Μελέτη των McCormick et al. [21,23], πραγματοποιήθηκε με δοκιμή μείγματος βιοντήζελ Β20 και συμβατικού diesel, η οποία διερεύνησε τις εκπομπές ρύπων οκτώ βαρέoς τύπου πετρελαιοκίνητων οχημάτων (λεωφορεία και φορτηγά) σε διάφορους κύκλους. Κατά μέσο όρο, το Β20 προκάλεσε μείωση 16-17% σε PM και CO, και 12% μείωση των εκπομπών HC. Οι μεταβολές στις εκπομπές των NOx κυμαινόταν μεταξύ -5.8% και +6.2%, αν και κατά μέσο όρο τα NOx αυξήθηκαν κατά +0.6 % [21,23]. Το σημείο κορεσμού του βιοντήζελ, η θερμογόνος δύναμη και τα επίπεδα των αρωματικών υδρογονανθράκων μπορούν, επίσης, να είναι παράγοντες που επηρεάζουν τη θερμοκρασία της φλόγας [21,27]. Περισσότερο κορεσμένοι εστέρες, μεγαλύτερου μήκους αλυσίδας αυξάνουν τον αριθμό κετανίου του καυσίμου και τείνουν να μειώσουν τα NOx [21]. Παρατηρήθηκε ότι τα μόρια μικρότερης αλυσίδας καίγονται με μεγαλύτερη καθυστέρηση ανάφλεξης, και με μεγαλύτερα ανώτατα ποσοστά έκλυσης θερμότητας, τα οποία με τη σειρά τους θέτουν ανώτερα όρια στη μέγιστη πίεση του κυλίνδρου, με αποτέλεσμα υψηλότερη παραγωγή NOx [21,24]. Μελέτες αναφέρουν συνήθως μείωση των εκπομπών CO με χρήση μιγμάτων βιοντήζελ, αν και τα επίπεδα κυμαίνονται, ευρέως, ανάλογα με τις συνθήκες λειτουργίας [21]. Μελέτη των Xue et al. [21,25], αναφέρει ότι χρήση μείγματος βιοντήζελ θα οδηγήσει σε μείωση των εκπομπών CO μεταξύ 4% και 94%. Παράγοντες που εξηγούν τη μείωση των εκπομπών CO με χρήση βιοντήζελ είναι [21]: Η αυξημένη περιεκτικότητα σε οξυγόνο, το οποίο συμβάλει σε μια πιο ολοκληρωμένη καύση, άρα και σε μείωση των εκπομπών CO στα καυσαέρια. Αυξημένος αριθμός κετανίου, ο οποίος μειώνει την πιθανότητα σχηματισμού ζωνών πλούσιων σε καύσιμο. Πρώιμη έγχυση καυσίμου και χρόνος καύσης, που οδηγούν σε αύξηση του χρόνου ολοκλήρωσης της καύσης. Όσον αφορά τις εκπομπές των σωματιδίων (PM), oι περισσότερες μελέτες [21,24,25,26] αναφέρουν ότι η χρήση βιοντήζελ μπορεί να οδηγήσει σε μείωση των εκπομπών PM σε σύγκριση με το συμβατικό diesel, της τάξης του 50 με 70% για καθαρό βιοντήζελ, αν και υπήρξαν κάποιες αναφορές για ακόμα μεγαλύτερες μειώσεις. Παράγοντες που εξηγούν τη μείωση των PM είναι [21,24,25,26,27]: Η αυξημένη περιεκτικότητα σε οξυγόνο, επιτρέπει την πληρέστερη καύση και προάγει την οξείδωση της αιθάλης. Καθώς το οξυγόνο των καυσίμων αυξάνει, μεγαλύτερο κλάσμα άνθρακα του καυσίμου μετατρέπεται σε CO, στις περιοχές 27

29 όπου η καύση είναι πλούσια. Το περιεχόμενο σε οξυγόνο του βιοντήζελ μπορεί να είναι πιο αποτελεσματικό στη μείωση των σωματιδίων, τα οποία σχηματίζονται κυρίως κατά την καύση διάχυσης. Η χαμηλότερη στοιχειομετρική αναλογία αέρα - καυσίμου, σημαίνει μία σχετικά μεγαλύτερη ποσότητα περίσσειας οξυγόνου, διαθέσιμη στο θάλαμο καύσης, με αποτέλεσμα μειωμένη πιθανότητα εμφάνισης περιοχών πλούσιων σε καύσιμο στο μη ομοιόμορφο μείγμα αέρα καυσίμου. Η απουσία αρωματικών ενώσεων, οι οποίες θεωρούνται πρόδρομοι αιθάλης. Πρώιμη καύση λόγω των ιδιοτήτων του βιοντήζελ, που σημαίνει ότι αυξάνει ο χρόνος παραμονής της αιθάλης στην καύση και προωθείται η οξείδωση των σωματιδίων αιθάλης. Η περιεκτικότητα σε θείο των περισσότερων καυσίμων βιοντήζελ είναι μηδέν, άρα αποφεύγεται ο θειικός σχηματισμός, ο οποίος θεωρείται πρόδρομο εμφάνισης των PM. Το χαμηλότερο σημείο βρασμού του βιοντήζελ σε σχέση με το συμβατικό diesel, σημαίνει μικρότερη πιθανότητα σχηματισμού αιθάλης ή πίσσας από βαριά κλάσματα υδρογονανθράκων που δεν μπορούν να εξατμιστούν. Το βιοντήζελ έχει χαμηλότερο σημείο ζέσεως παρά τις υψηλότερες μέσες θερμοκρασίες απόσταξής του. Η μειωμένη παρουσία των HC στα καυσαέρια αποτελεί ένδειξη πληρέστερης καύσης. Οι περισσότερες μελέτες αναφέρουν μείωση των εκπομπών HC με χρήση βιοντήζελ, σε σύγκριση με συμβατικό diesel. Οι μειώσεις κυμαίνονται μεταξύ 20% και 70% [19,21,25,26]. Οι παράγοντες που αναφέρονται στην βιβλιογραφία για να εξηγήσουν τη μείωση των άκαυστων HC με χρήση βιοντήζελ περιλαμβάνουν: Η αυξημένη περιεκτικότητα οξυγόνου στο βιοντήζελ, οδηγεί σε πληρέστερη καύση. Το υψηλότερο σημείο ζέσεως των πετροχημικών diesel, σημαίνει ότι το κλάσμα βαρέων υδρογονανθράκων δεν μπορεί να εξατμιστεί και να καεί πλήρως. O υψηλότερος αριθμός κετανίου προωθεί τη μείωση της καθυστέρησης ανάφλεξης και την αύξηση της διάρκειας καύσης. Σχεδόν όλες οι σχετικές μελέτες που εξετάστηκαν από τους Xue et al. [25] ανέφεραν αύξηση της κατανάλωσης καυσίμου με χρήση βιοντήζελ, εξαιτίας του μειωμένου ενεργειακού περιεχομένου και της μεγαλύτερης πυκνότητας. Η ειδική κατανάλωση καυσίμου (BSFC) αναμένεται να αυξηθεί σύμφωνα με τη σχετική μείωση στην θερμογόνο δύναμη του βιοντήζελ, δηλαδή η απώλεια στη θερμογόνο δύναμη του βιοντήζελ πρέπει να αντισταθμιστεί με υψηλότερη κατανάλωση καυσίμου. Ένας δείκτης της απώλειας της θερμογόνου δύναμης και της αύξησης της κατανάλωσης καυσίμου είναι η περιεκτικότητα του οξυγόνου στο καύσιμο. Μεγάλη πλειοψηφία μελετών των Lapuerta et al. [26] επιβεβαιώνει αυξήσεις στη BSFC, για καθαρό βιοντήζελ, της τάξης του 13-18%. Ο θερμικός βαθμός απόδοσης ορίζεται ως ο λόγος της αποδιδόμενης ισχύος του κινητήρα 28

30 προς το ρυθμό απόδοσης ενέργειας από το καύσιμο. Στις περισσότερες μελέτες [26] βρέθηκε παρόμοια θερμική απόδοση των μειγμάτων βιοντήζελ και συμβατικού diesel. Έτσι, οι ερευνητές κατέληξαν στο συμπέρασμα ότι η αυξημένη κατανάλωση καυσίμου δεν προκλήθηκε από οποιαδήποτε θερμική απώλεια αλλά από τη μειωμένη θερμογόνο δύναμη του βιοντήζελ Αριθμός Κετανίου Ο αριθμός κετανίου αποτελεί μέτρο της ευκολίας έναυσης, ως εκ τούτου, όσο υψηλότερος είναι ο αριθμός κετανίου τόσο χαμηλότερη είναι η θερμοκρασία αυτανάφλεξης [27]. Το καύσιμο με τον υψηλότερο αριθμό κετανίου θα είναι περισσότερο κορεσμένος υδρογονάνθρακας. Ο αριθμός κετανίου αυξάνει με αύξηση του βαθμού κορεσμού [27]. Επίσης, για μία δεδομένη κατηγορία υδρογονάνθρακα, ο αριθμός κετανίου αυξάνει με την αύξηση του μοριακού βάρους [27]. Ο αριθμός κετανίου επηρεάζει σε μεγάλο βαθμό την καθυστέρηση ανάφλεξης και τα επί μέρους στάδια της καύσης. Καύσιμα με χαμηλότερο αριθμό κετανίου εμφανίζουν υψηλότερη καθυστέρηση ανάφλεξης και ισχυρότερη καύση προανάμιξης. Καθώς ο αριθμός κετανίου αυξάνει, η καθυστέρηση ανάφλεξης μειώνεται μαζί με τη διάρκεια της φάσης της προαναμεμειγμένης καύσης [27,30,31,33,35,36]. Ανεξάρτητα από τον χρονισμό της έναρξης της έγχυσης, οι εκπομπές NOx αυξάνονται με την αύξηση του αριθμού κετανίου, ενώ εμφανίζεται πτώση στις εκπομπές των HC. Καύσιμα χαμηλού αριθμού κετανίου, προκαλούν μεγαλύτερες καθυστερήσεις ανάφλεξης, ισχυρότερη καύση προανάμιξης και περιορισμένο ρυθμό καύσης, οδηγώντας σε χαμηλές εκπομπές NOx [27,30,31,33]. Κατά την καύση προανάμιξης, παρουσιάζεται συντομότερη καύση, η οποία χαρακτηρίζεται από υψηλότερο ρυθμό απελευθέρωσης θερμότητας και υψηλή θερμοκρασία. Παρόλα αυτά η παρουσία περίσσειας αέρα λειτουργεί ως καταβόθρα θερμότητας και μειώνει τη συνολική θερμοκρασία καύσης. Συνεπώς, μειώνεται η συνολική θερμοκρασία καύσης και, ταυτόχρονα ελαχιστοποιείται η αξιοποίηση του οξυγόνου, κάτι που μετριάζει τη συνολική παραγωγή NOx. Αντίθετα, παρατηρείται αύξηση των HC [27,30,31]. Ο υψηλότερος αριθμός κετανίου προκαλεί μικρότερη καθυστέρηση ανάφλεξης, ενώ, επίσης, αυξάνεται η ετερογενής καύση, κάτι που αυξάνει τις εκπομπές αιθάλης. Ο συντομότερος χρόνος για την ανάμειξη καυσίμου - αέρα αυξάνει την πλούσια καύση, με αποτέλεσμα αυξημένες εκπομπές καπνού. Τα υψηλότερα επίπεδα εκπομπών NOx εμφανίζονται λόγω της μεγαλύτερης διάρκειας της καύσης, που διατηρεί αυξημένη θερμοκρασία προς σχηματισμό ΝΟx, υπό συνθήκες φτωχής καύσης. Παρόλα αυτά, ενδέχεται με αύξηση του αριθμού κετανίου να προκύψουν χαμηλότερες εκπομπές NOx. Aυτό οφείλεται στο γεγονός ότι ο υψηλότερος αριθμός κετανίου μπορεί να προκαλέσει 29

31 σημαντική μείωση της καθυστέρησης ανάφλεξης που χαρακτηρίζεται από υψηλότερη απόδοση [27,30,31,33,35]. Mείωση στην πίεση του συστήματος κοινού αυλού οδηγεί σε μείωση των εκπομπών NOx για τα περισσότερα καύσιμα. Η μείωση της πίεσης κοινού αυλού μειώνει τον ρυθμό έγχυσης καυσίμου, και συνεπώς αυξάνει η διάρκεια της έγχυσης για έναν επιθυμητό όγκο καυσίμου. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα να μειώνεται η ποσότητα του καυσίμου που καίγεται, μειώνοντας έτσι τη θερμοκρασία καύσης, που οδηγεί σε μείωση των εκπομπών NOx [27]. Καθώς η πίεση του συστήματος του κοινού αυλού μειώνεται, αυξάνεται η διάρκεια της έγχυσης του καυσίμου. Αυτό οδηγεί σε αυξημένη έγχυση δημιουργώντας ζώνες πλούσιας καύσης, παράγοντας έτσι υψηλότερες εκπομπές αιθάλης [27]. Τα καύσιμα υψηλού αριθμού κετανίου δείχνουν μια ενισχυμένη ευαισθησία στη μειωμένη πίεση του συστήματος κοινού αυλού, όσον αφορά τις εκπομπές αιθάλης, οι οποίες εμφανίζονται αυξημένες. Ο υψηλότερος αριθμός κετανίου, χαρακτηρίζεται από αυξημένη διάρκεια έγχυσης καυσίμου και βραδύτερο ρυθμό περιορισμένης καύσης. Έτσι, λόγω της χαμηλής πίεσης κοινού αυλού, αυξάνει η ποσότητα της σύγκρουσης του ψεκαζόμενου καυσίμου με το καύσιμο που καίγεται, κάτι που αυξάνει τις πλούσιες ζώνες καύσης που προκαλούν υψηλές εκπομπές αιθάλης [27]. Στο Σχήμα 2.5 περιγράφεται η επίδραση της έναρξης της έγχυσης στα NOx, στους HC και στην αιθάλη, για 2 καύσιμα διαφορετικού αριθμού κετανίου και σε δύο διαφορετικά φορτία λειτουργίας κινητήρα [27]. Σχήμα 2.5: Επίδραση της έναρξης της έγχυσης σε καύσιμα διαφορετικού αριθμού κετανίου και σε διαφορετικά φορτία λειτουργίας κινητήρα 30

32 Στο Σχήμα 2.6 παρουσιάζεται η επίδραση της πίεσης του συστήματος κοινού αυλού στις εκπομπές NOx, αιθάλης, HC και στην bsfc, για τέσσερα καύσιμα διαφορετικού αριθμού κετανίου [27]. Σχήμα 2.6: Επίδραση της πίεσης του κοινού αυλού σε καύσιμα διαφορετικού αριθμού κετανίου Τα καύσιμα υψηλού αριθμού κετανίου χαρακτηρίζονται από περιορισμένο ρυθμό καύσης και υψηλότερη πτώση στα NOx με την αύξηση του φορτίου [27]. Καθώς το φορτίο αυξάνεται, το λ μειώνεται και αυξάνεται η αποδοτικότητα. Μείωση στο λ δείχνει μειωμένη περίσσεια αέρα στο θάλαμο καύσης, κάτι που ελαχιστοποιεί την απαγωγή της θερμότητας και οδηγεί σε αυξημένη συνολική θερμοκρασία καύσης. Η υψηλότερη θερμοκρασία καύσης βελτιώνει την αποδοτικότητα της καύσης [27]. Τα καύσιμα χαμηλού αριθμού κετανίου χαρακτηρίζονται από μία κυρίαρχη καύση προανάμιξης και από μικρότερου μεγέθους πτώση των εκπομπών ΝΟx, με αύξηση του φορτίου [27]. Μόλις η καύση εκκινεί, η διάρκεια της καύσης προανάμιξης παραμένει σταθερή, ανεξάρτητα από το φορτίο και επηρεάζεται ελάχιστα η παραγωγή NOx. Σε υψηλότερα φορτία με μειωμένο λ και υψηλότερες θερμοκρασίες καύσης, τα καύσιμα χαμηλού αριθμού κετανίου εμφανίζουν βελτιωμένη συνολική απόδοση καύσης. Ο συνδυασμός αυτός έχει ως αποτέλεσμα μια οριακή διαφορά στις ειδικές εκπομπές NOx ανάλογα με το φορτίο [27]. 31

33 Από τη βιβλιογραφία φαίνεται ότι καύσιμα υψηλού αριθμού κετανίου παρουσιάζουν αυξημένη αποδοτικότητα, κάτω από τις περισσότερες συνθήκες, λόγω της μικρής καθυστέρησης ανάφλεξης τους. Σε συνθήκες υψηλού φορτίου, παρουσιάζουν χαμηλότερη κατανάλωση και μειωμένες εκπομπές NOx [27,30,31]. Σε συνθήκες χαμηλού φορτίου, αυξάνοντας τον αριθμό κετανίου των καυσίμων αυξάνονται οι εκπομπές των NOx, λόγω της αυξημένης διάρκειας της καύσης [27]. Σε μια μελέτη των Ahmed και Chaichan, οι εκπομπές NOx μειώθηκαν, με καύσιμα diesel υψηλότερου αριθμού κετανίου. Η μέγιστη μείωση ήταν 6% για πετρέλαιο κίνησης με CN=55 [33]. Σε μία έκθεση της EPA, παρουσιάζεται μια τεχνική ανάλυση των επιπτώσεων στις εκπομπές NOx, με αύξηση του αριθμού κετανίου που επιτυγχάνεται με χρήση ορισμένων προσθέτων καυσίμων diesel [28]. Σύμφωνα με την έκθεση, από τις διάφορες ιδιότητες του καυσίμου diesel που θα μπορούσαν να ελέγχονται με σκοπό την μείωση των εκπομπών NOx, ο αριθμός κετανίου κατέχει το μεγαλύτερο ενδιαφέρον [28]. Με βάση τις προηγούμενες μελέτες, υπήρξαν κάποιες ενδείξεις, ότι αυξήσεις στον αριθμό κετανίου με τη χρήση των προσθέτων, επέφεραν μείωση των NOx. Επίσης, αύξηση στον αριθμό κετανίου από 45 έως 50 αναμένεται να παράγει μεγαλύτερες επιπτώσεις στη μείωση των NOx από μια αύξηση του αριθμού κετανίου από 50 έως 55 (Σχήμα 2.7) [28]. Σχήμα 2.7: Επίδραση της αύξησης του αριθμού κετανίου (για αριθμούς κετανίου 40, 45, 50) λόγω προσθέτων στο καύσιμο Για αυτό το λόγο χρησιμοποιούνται βελτιωτικά πρόσθετα σε καύσιμα που έχουν φυσικό αριθμό κετανίου στην περιοχή του 40-50, ώστε να αυξηθεί ο συνολικός αριθμός κετανίου 32

34 5-10 αριθμούς. Υποθέτοντας έναν φυσικό αριθμό κετανίου 45, το Σχήμα 2.7 δείχνει ότι τα οφέλη στις εκπομπές των NOx με πρόσθετα βελτιώσεως, δεν μπορούν να υπερβούν το 4%, ακόμη και για μεγάλες συγκεντρώσεις προσθέτου. Κατά μέσο όρο, τα πρόσθετα κετανίου ευθύνονται για περίπου το ένα τρίτο της μείωσης των εκπομπών ΝΟx στην Καλιφόρνια των Η.Π.Α., ενώ περαιτέρω μείωση παρατηρείται λόγω της αύξησης του φυσικού αριθμού κετανίου, της μείωσης των αρωματικών ενώσεων, και της χαμηλότερης πυκνότητας [28]. Όσον αφορά τις εκπομπές CO του κινητήρα, αυτές μειώνονται με αύξηση του αριθμού κετανίου [30,33,35]. Καύσιμα με υψηλό αριθμό κετανίου έχουν μικρότερη περίοδο καθυστέρησης ανάφλεξης, εμφανίζοντας βελτιωμένη απόδοση καύσης, με αποτέλεσμα περισσότερο CO να μετατρέπεται σε CO2 με συνέπεια να μειώνονται οι εκπομπές CO [30,32,33]. Στο Σχήμα 2.8 περιγράφεται η επίδραση του αριθμού κετανίου τεσσάρων διαφορετικών καυσίμων στις εκπομπές CO για διάφορα φορτία [33]. Στη μελέτη των Ahmed και Chaichan, η μέγιστη μείωση ήταν 30.7 % για το καύσιμο με CN=55 [33]. Σχήμα 2.8: Επίδραση του αριθμού κετανίου στις εκπομπές CO Οι διακυμάνσεις των άκαυτων υδρογονανθράκων στα καυσαέρια εμφανίζουν παρόμοια τάση με αυτή που παρατηρήθηκε για τις συγκεντρώσεις του μονοξειδίου του άνθρακα, όπως δείχνει το Σχήμα 2.9 [33]. Το Σχήμα 2.9 δείχνει ότι σε χαμηλά φορτία ένα σημαντικό ποσοστό των υδρογονανθράκων, που αντιπροσωπεύουν σημαντικές ποσότητες του καυσίμου, μπορεί να περάσει μέσα από τον κύλινδρο και να καεί μερικώς. Όταν ο κινητήρας λειτουργεί σε πολύ χαμηλά φορτία, η κακή ατμοποίηση του καυσίμου diesel, η αυξημένη καθυστέρηση της ανάφλεξης και η χαμηλή θερμοκρασία, οδηγούν σε χαμηλό επίπεδο χρησιμοποίησης αέριου καυσίμου [33]. Σε υψηλότερα φορτία, η συγκέντρωση των άκαυτων HC τείνει να μειωθεί. Το καύσιμο με CN = 55 βελτίωσε τις εκπομπές HC μέχρι 20%, στη μελέτη των Ahmed και Chaichan [33]. Σε μελέτη των Cataluna και Silva, διαπιστώθηκε ότι η αύξηση του CN με πέντε αριθμούς οδηγεί σε μείωση περίπου 20% των εκπομπών HC [34]. 33

35 Σχήμα 2.9: Επίδραση του αριθμού κετανίου στις εκπομπές άκαυτων υδρογονανθράκων Στην μελέτη των Ahmed και Chaichan, η συγκέντρωση του CO2 αυξήθηκε με την αύξηση του CN από 48.5 έως 55 [33]. Οι αυξήσεις CO2 οφείλονται στη μείωση των συγκεντρώσεων του CO και των άκαυτων HC, που σημαίνει πληρέστερη καύση [33]. Το Σχήμα 2.10 περιγράφει τη μεταβολή της bsfc για διάφορους αριθμούς κετανίου για τέσσερα διαφορετικά καύσιμα. Η bsfc μειώνεται με αύξηση του αριθμού κετανίου, αν και εξακολουθεί να είναι υψηλή σε χαμηλά φορτία. Η αύξηση του αριθμού κετανίου βελτιώνει την καύση και αυξάνει την θερμοκρασία στο θάλαμο καύσης. Η αύξηση της θερμοκρασίας καύσης προκαλεί μικρότερη περίοδο καθυστέρησης έναυσης και καλύτερη ανάφλεξη [33,34]. Η μείωση της bsfc ήταν της τάξης του % στη μελέτη των Ahmed και Chaichan [33]. Σχήμα 2.10: Επίδραση του αριθμού κετανίου στη bsfc 34

36 Καθώς αυξάνει o αριθμός κετανίου, μειώνεται ο χρόνος καθυστέρησης της ανάφλεξης, αυξάνοντας τις εκπομπές PM. O αριθμός κετανίου μεταβάλλει σημαντικά τη μέγιστη θερμοκρασία στην θάλαμο καύσης, τροποποιώντας τις αντιδράσεις διάσπασης των κλασμάτων υψηλού μοριακού βάρους. Αυτές οι υψηλού μοριακού βάρους ενώσεις είναι δύσκολο να εξατμιστούν, παραμένοντας στην υγρή κατάσταση κατά τη διάρκεια της διαδικασίας καύσης. Έτσι, υποβάλλονται σε υψηλές θερμοκρασίες και πιέσεις, συμβάλλοντας στο σχηματισμό προδρόμων ειδών για το σχηματισμό ΡΜ [34]. Σε μελέτη των Cataluna και Silva, διαπιστώθηκε ότι η αύξηση πέντε μονάδων CN οδηγεί σε αύξηση της τάξεως του 40% στις εκπομπές σωματιδίων [34]. Σε μία έκθεση της EPA, όπου εξετάζονταν τρεις μελέτες (EPEFE, Lange et al., Bertoli Study), βρέθηκε ότι αύξηση του αριθμού κετανίου από 50 σε 58, οδήγησε σε [32]: υψηλότερες εκπομπές σωματιδίων της τάξης του 5%. υψηλότερες εκπομπές NOx της τάξης του 1%. μειωμένες εκπομπές HC της τάξης του -26%. μειωμένες εκπομπές CO της τάξης του -25%. Επίσης, σε μελέτη των Lange et al., για αύξηση του αριθμού κετανίου από 54 σε 70, δεν βρέθηκε μεταβολή στις εκπομπές των PM [32]. Άλλο ένα παράδειγμα αποτελεσμάτων μέτρησης εκπομπών NOx, CO και HC, για διάφορους αριθμούς κετανίου, σε Ιαπωνικό κύκλο οδήγησης και για τρία οχήματα, από τα οποία το ένα είναι εξοπλισμένο με στροβιλοσυμπιεστή, περιγράφεται στο Σχήμα 2.11 [35]. Σχήμα 2.11: Επίδραση του αριθμού κετανίου στις εκπομπές ρύπων 35

37 2.4.3 Πυκνότητα Η πυκνότητα του καυσίμου αυξάνεται με αυξημένη περιεκτικότητα σε άνθρακα και, επομένως, είναι ανάλογη προς το μοριακό βάρος. Ωστόσο, για δεδομένη περιεκτικότητα σε άνθρακα, οι αρωματικές ενώσεις έχουν την υψηλότερη πυκνότητα και οι παραφίνες έχουν τη χαμηλότερη πυκνότητα [27]. Το ενεργειακό περιεχόμενο ανά μονάδα όγκου αυξάνεται με αύξηση της πυκνότητας [35]. Υψηλότερη πυκνότητα καυσίμου σημαίνει ότι για σταθερό όγκο εγχυμένου καυσίμου, εγχέεται μεγαλύτερη μάζα καυσίμου μέσα στο θάλαμο καύσης, με αποτέλεσμα να καεί λιγότερο καύσιμο για την παραγωγή της απαιτούμενης ισχύος, άρα μειώνεται η κατανάλωση του καυσίμου [27]. Είναι ζωτικής σημασίας η αποδιδόμενη ισχύς του κινητήρα να διατηρείται σταθερή κατά την αξιολόγηση της επίδρασης της πυκνότητας των καυσίμων στις εκπομπές. Εάν οι συγκρίσεις γίνονται χωρίς προσαρμογή για σταθερή απόδοση ισχύος, τα καύσιμα χαμηλότερης πυκνότητας θα παράγουν χαμηλότερη μέγιστη ισχύ και, κατά συνέπεια, μειωμένες εκπομπές ρύπων. Σε τέτοιες περιπτώσεις, παρατηρούνται χαμηλότερες εκπομπές NOx που οφείλονται στην χαμηλότερη μέγιστη πίεση και θερμοκρασία, καθώς και χαμηλότερες εκπομπές PM λόγω του φτωχού μίγματος αέρα/καυσίμου [35,36]. Στην περίπτωση των εκπομπών HC και CO, παρατηρείται μια αυξανόμενη τάση στις εκπομπές, όταν χρησιμοποιούνται καύσιμα με μεγαλύτερη πυκνότητα [35,36]. Η αύξηση των HC είναι ιδιαίτερα έντονη και στις μηχανές που έχουν ήδη υψηλά επίπεδα εκπομπών (PM > 0.15 [g / KWh]) [35]. Μείωση της πυκνότητας από περίπου 0.86 έως 0.81 [g/cm 3 ] έχει ευεργετική επίδραση στις εκπομπές PM [35]. Το ποσοστό μείωσης των PM μπορεί να είναι ως 20% σε παλαιές ρυπογόνες μηχανές (PM > 0.25 [g/kwh]). Γίνεται χαμηλότερο, λόγω της μείωσης των εκπομπών αιωρούμενων σωματιδίων στην έξοδο του κινητήρα σε πιο σύγχρονες μηχανές. Οι σύγχρονοι κινητήρες (PM < 0.1 [g/kwh]), δείχνουν πολύ μικρή ή καμία αλλαγή στις εκπομπές PM, ανάλογα με τις αλλαγές στην πυκνότητα του καυσίμου [35]. Σε μία εργαστηριακή μελέτη των A. Bello et al., παρατηρήθηκαν μειώσεις στις εκπομπές των σωματιδίων αιθάλης (PM) με μείωση της πυκνότητας [29]. Η μείωση της πυκνότητας προκλήθηκε με προσθήκη κηροζίνης στο καύσιμο diesel. Η προσθήκη της κηροζίνης δεν αποτελεί καθοριστικό παράγοντα στην βελτίωση των εκπομπών σωματιδίων αιθάλης. Υπάρχει μια μικρή μείωση στις εκπομπές, όταν η πυκνότητα μειώνεται, διατηρώντας σταθερό το τελικό σημείο βρασμού, όμως είναι πολύ χαμηλή σε σύγκριση με τα επιτευχθέντα αποτελέσματα μεταβάλλοντας το τελικό σημείο βρασμού. Η μείωση της πυκνότητας με προσθήκη κηροζίνης εμφάνισε μέγιστη μείωση στις εκπομπές PM ως 15%, ενώ στις περισσότερες περιπτώσεις δεν αποτέλεσε καθοριστικό παράγοντα μείωσης των εκπομπών. Μείωση του τελικού σημείου βρασμού, εκτός της μείωσης της πυκνότητας, προκαλεί και μείωση της περιεκτικότητας του καυσίμου σε θείο, που αποτελεί ακόμα έναν 36

38 καθοριστικό παράγοντα μείωσης των εκπομπών PM. Έτσι, εμφανίστηκαν μειώσεις στις εκπομπές των PM της τάξης του 20 24% [29]. Στην έκθεση της EPA, όπου εξετάζονταν τρεις μελέτες (EPEFE, Lange et al., Bertoli Study), βρέθηκε ότι αύξηση της πυκνότητας από 827 σε 855 [kg/m 3 ], οδήγησε σε [32,35]: υψηλότερες εκπομπές σωματιδίων της τάξης του 19%. μειωμένες εκπομπές NOx της τάξης του 2%. υψηλότερες εκπομπές HC της τάξης του 18%. υψηλότερες εκπομπές CO της τάξης του 17%. Επίσης, σε μελέτη των Lange et al., για αύξηση της πυκνότητας από 814 σε 834 [kg/m 3 ], βρέθηκε αύξηση στις εκπομπές των PM της τάξης του 15% [32]. Η επίδραση της πυκνότητας στις εκπομπές σχετίζεται με τις φυσικές αλληλεπιδράσεις του συστήματος ψεκασμού καυσίμου, που μπορεί να οδηγήσει σε αλλαγές στον δυναμικό χρονισμό έγχυσης και στο ρυθμό παροχής της εγχεόμενης μάζας [35] Περιεχόμενο σε Πολυκυκλικούς Αρωματικούς Υδρογονάνθρακες (PAH) To περιεχόμενο σε αρωματικούς υδρογονάνθρακες δεν εμφανίζει σημαντικές αλλαγές στο σύνολο των χαρακτηριστικών καύσης [31]. Η κατανάλωση καυσίμου δεν επηρεάζεται από το περιεχόμενο του καυσίμου σε αρωματικές ενώσεις [31]. Παρόλα αυτά, οι εκπομπές NOx και ο καπνός αυξάνονται με αύξηση των αρωματικών ενώσεων [30,31]. Προτείνεται ότι οι τοπικές κατανομές του καύσιμου και της θερμοκρασίας επηρεάζουν την εκπομπή και τον σχηματισμό των ρύπων [31]. Οι εκπομπές NOx μειώνονται με καύσιμο χαμηλότερου αρωματικού περιεχομένου [30,31,35,36]. Εάν η περιεκτικότητα του καυσίμου σε αρωματικούς υδρογονάνθρακες είναι χαμηλή, η απελευθέρωση θερμότητας θα είναι μικρότερη, άρα και η μέγιστη θερμοκρασία, με αποτέλεσμα να μειώνονται οι εκπομπές ΝΟx [30]. Καύσιμα με χημικές ενώσεις με δομή δακτυλίου, τείνουν να έχουν υψηλότερη αδιαβατική θερμοκρασία καύσης [31,35]. Τα ΝΟx παράγoνται στην τοπική περιοχή υψηλής θερμοκρασίας [31]. Ένας άλλος πιθανός μηχανισμός σχηματισμού NOx σχετίζεται με τις υψηλές αναλογίες C/H των πολυ-αρωματικών ενώσεων [35]. Υψηλός λόγος C/H οδηγεί σε υψηλότερες εκπομπές CO2 σε σχέση με το H2O κατά την καύση. Δεδομένου ότι το CO2 έχει μια μεγαλύτερη τάση να διασπαστεί σε υψηλές θερμοκρασίες, υψηλή συγκέντρωση πολυ αρωματικών ενώσεων στα καύσιμα, θα παράγει υψηλότερες συγκεντρώσεις ριζών οξυγόνου, οι οποίες με τη σειρά τους, θα ενωθούν με τα μόρια του αζώτου οδηγώντας σε υψηλότερους ρυθμούς παραγωγής ΝΟ [35,36]. Στην έκθεση της EPA και συγκεκριμένα στην μελέτη της EPEFE, βρέθηκε ότι αύξηση του αρωματικού περιεχομένου από 1 ως 8% κ.β., οδήγησε σε αύξηση 3% στις εκπομπές των NOx [32]. 37

39 Οι εκπομπές CO μειώνονται με καύσιμο χαμηλότερης περιεκτικότητας σε αρωματικούς υδρογονάνθρακες [30,36]. Υψηλή περιεκτικότητα σε αρωματικές ενώσεις οδηγεί σε επιμήκυνση της περιόδου καθυστέρησης ανάφλεξης, με αποτέλεσμα να αυξάνονται οι εκπομπές άκαυστων υδρογονανθράκων. Επιπλέον, καύσιμα υψηλής περιεκτικότητας σε αρωματικές ενώσεις εμφανίζουν υψηλότερη αναλογία μάζας C/H και η ανάφλεξη και καύση του βενζολίου γίνεται δυσκολότερη, κάτι που στη συνέχεια οδηγεί σε μεγαλύτερη διάρκεια καύσης. Παρόλα αυτά δεν υπάρχει κάποια ισχυρή ένδειξη συσχέτισης του αρωματικού περιεχομένου και των εκπομπών CO [30,31,32,35,36]. Στην έκθεση της EPA και συγκεκριμένα στην μελέτη της EPEFE, βρέθηκε ότι αύξηση του αρωματικού περιεχομένου από 1 ως 8% κ.β., οδήγησε σε μείωση 4% στις εκπομπές των CO [32]. Οι εκπομπές HC μειώνονται με μείωση του αρωματικού περιεχομένου των καυσίμων [30,35,36]. Με καύσιμο χαμηλότερης περιεκτικότητας σε αρωματικούς υδρογονάνθρακες, η περίοδος καθυστέρησης της ανάφλεξης του κινητήρα μειώνεται, ενώ μειώνονται και οι εκπομπές άκαυστων υδρογονανθράκων κατά την περίοδο της καθυστέρησης της ανάφλεξης, κάτι που βοηθά στην μείωση των εκπομπών HC [30,36]. Παρόλα αυτά δεν έχει επικρατήσει κάποια ισχυρή ένδειξη για συσχέτιση του αρωματικού περιεχομένου σε σχέση με τις εκπομπές HC [32,35]. Στην έκθεση της EPA και συγκεκριμένα στην μελέτη της EPEFE, βρέθηκε ότι αύξηση του αρωματικού περιεχομένου από 1 ως 8% κ.β., οδήγησε σε μείωση 5.5% στις εκπομπές των HC [32]. Χαμηλή περιεκτικότητα σε αρωματικούς υδρογονάνθρακες, οδηγεί σε σημαντική μείωση των αιωρούμενων σωματιδίων (PM) και του καπνού [30,31,32,35]. Αυτό οφείλεται στο γεγονός ότι η αναλογία μάζας C/H του αρωματικού υδρογονάνθρακα είναι μεγαλύτερη από αυτή των παραφινών [30]. Ο αρωματικός υδρογονάνθρακας αποσυντίθεται και οξειδώνεται δύσκολα κατά τη διαδικασία της καύσης. Με αύξηση του περιεχομένου των αρωματικών υδρογονανθράκων, το περιεχόμενο των κορεσμένων υδρογονανθράκων γίνεται μεγαλύτερο. Η χημική δομή των κορεσμένων υδρογονανθράκων είναι σταθερή και δεν είναι εύκολο να καίγεται, οπότε είναι εύκολο να σχηματίσουν σωματίδια αιθάλης, τα οποία προκαλούν αύξηση της αιθάλης των καυσαερίων [30,31]. Στην έκθεση της EPA, όπου εξετάζονταν τρεις μελέτες (EPEFE, Lange et al., Bertoli Study), βρέθηκε και στις τρεις μελέτες ότι αύξηση του πολυ- (ή δι- ή τρι-) αρωματικού περιεχομένου, κατέληξε σε υψηλότερες εκπομπές σωματιδίων της τάξης του 5% με 10% για αύξηση της περιεκτικότητας των αρωματικών ενώσεων από 1 ως 8% και από 3.3 ως 5.7% κ.β. αντίστοιχα [32]. 38

40 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 Διεξαγωγή και Επεξεργασία των Μετρήσεων 3.1 Εισαγωγή Σε αυτό το κεφάλαιο γίνεται παρουσίαση της πειραματικής διάταξης, της πειραματικής διαδικασίας και της επεξεργασίας των δεδομένων. Συγκεκριμένα, περιγράφεται συνοπτικά η εγκατάσταση μέτρησης ρύπων του Εργαστηρίου Εφαρμοσμένης Θερμοδυναμικής του Αριστοτελείου Πανεπιστημίου Θεσσαλονίκης. Επιπλέον, παρουσιάζεται το πρωτόκολλο μέτρησης που ακολουθήθηκε κατά την μετρητική διαδικασία και όλα τα μέτρα που λήφθηκαν, ώστε η μέτρηση να συμβαδίζει με την Ευρωπαϊκή νομοθεσία. Στο τέλος, παρουσιάζεται η μεθοδολογία υπολογισμού των υπό εξέταση ρύπων και της κατανάλωσης καυσίμου. Η μελέτη αυτή χρηματοδοτήθηκε από την CONCAWE (European Association for Environment, Health and Safety) και επικεντρώνεται στην επίδραση των ιδιοτήτων του καυσίμου diesel (περιεχόμενο σε FAME, αριθμός κετανίου, πυκνότητα, περιεχόμενο σε PAH) στις εκπομπές ρύπων (CO2, CO, HC, NOx, PM) και στην κατανάλωση καυσίμου ενός επιβατηγού αυτοκινήτου ευρωπαϊκού προτύπου EURO Πειραματική διάταξη Όλες οι μετρήσεις πραγματοποιήθηκαν σε εγκατάσταση του Εργαστηρίου Εφαρμοσμένης Θερμοδυναμικής. Η πειραματική διάταξη η οποία χρησιμοποιήθηκε κατά την εκπόνηση των μετρήσεων, είναι κατάλληλη για τη μέτρηση τόσο των αέριων ρύπων (CO2, CO, HC, NOx), όσο και των εκπομπών των σωματιδίων αιθάλης (ΡΜ). Στο Σχήμα 3.1 απεικονίζεται περιγραφικά η διάταξη. Το δυναμόμετρο ήταν τύπου Ward-Leonard, με μέγιστο βάρος οχήματος 2.5 τόνους, και δυνατότητα εκπόνησης του νομοθετημένου κύκλου (NEDC) και κύκλων οδήγησης πραγματικών συνθηκών (Artemis). Οι κινητήριοι τροχοί του οχήματος εφάπτονται στην κυλινδρική διάταξη της πέδης (rollers), η οποία ασκεί το φορτίο στους τροχούς του οχήματος. Το όχημα είναι προσεκτικά ασφαλισμένο με κατάλληλους ιμάντες, ώστε να αποφευχθεί ανεξέλεγκτη και ανεπιθύμητη μετατόπιση του οχήματος, η οποία θα ήταν ιδιαίτερα επικίνδυνη. Μπροστά από το όχημα υπάρχει ανεμιστήρας, ο οποίος παρέχει τον 39

41 απαιτούμενο αέρα για την σωστή λειτουργία και την επαρκή ψύξη του κινητήρα του οχήματος (Εικόνα 3.1). Στην Εικόνα 3.2 εκτός του ανεμιστήρα απεικονίζεται και η δεξαμενή καυσίμου, η οποία βρίσκεται εξωτερικά του οχήματος για λόγους ευκολίας στην προσθήκη και αφαίρεση καυσίμου από αυτή. Συνδέεται με ελαστικούς σωλήνες καυσίμου στο σύστημα κυκλοφορίας καυσίμου του αυτοκινήτου. Επίσης, δίπλα από το παράθυρο του οδηγού υπάρχει οθόνη που δείχνει την στιγμιαία ταχύτητα του οχήματος και τη σχέση μετάδοσης του κιβωτίου. Σχήμα 3.1: Πειραματική διάταξη 40

42 Εικόνα 3.1: Όχημα στην πέδη της πειραματικής εγκατάστασης και ανεμιστήρας Εικόνα 3.2: Ανεμιστήρας και δεξαμενή καυσίμου της διάταξης 41

43 Στην εξάτμιση του οχήματος είναι τοποθετημένος μονωμένος αγωγός (Εικόνα 3.3), μέσω του οποίου τα καυσαέρια οδηγούνται στο κανάλι σταθερού όγκου δειγματοληψίας (CVS Constant Volume Sampling), με τη βοήθεια αντλιών. Στο κανάλι που αναγράφεται στο Σχήμα 3.1 ως CVS (Εικόνα 3.4) πραγματοποιείται ανάμιξη και αραίωση του καυσαερίου με φιλτραρισμένο αέρα περιβάλλοντος, ώστε να αποφευχθεί τυχόν συμπύκνωση του νερού των καυσαερίων. Έπειτα, μέρος του καυσαερίου οδηγείται στο φίλτρο συλλογής των σωματιδίων (PM) και άλλο μέρος οδηγείται στους σάκους, οι οποίοι συνδέονται με τους αναλυτές των υπό εξέταση αέριων ρύπων. Ο ένας σάκος γεμίζει με αέρα περιβάλλοντος και ο άλλος με το αραιωμένο καυσαέριο, ώστε να υπολογιστεί σωστά, η συγκέντρωση κάθε ρύπου στην «εξάτμιση». Με την ανάλυση σάκων παίρνουμε μία αθροιστική τιμή της μάζας κάθε ρύπου, οι οποίοι έχουν παραχθεί κατά τη διάρκεια ενός κύκλου οδήγησης. Ξεχωριστοί σάκοι χρησιμοποιήθηκαν για τη δειγματοληψία των υποκύκλων του NEDC (UDC, EUDC). Για τον κύκλο WLTP, κάθε σάκος γέμιζε με καυσαέριο που λαμβάνονταν από ένα από τα τέσσερα μέρη του (Low, Medium, High Extra High). Για αυτό το λόγο γινόταν μέτρηση του αέρα περιβάλλοντος πριν και μετά τον κύκλο. Στις Εικόνες 3.5 και 3.6 απεικονίζεται ο ζυγός ακριβείας που χρησιμοποιήθηκε για την μέτρηση του βάρους των φίλτρων για την καταγραφή των PM. Τα φίλτρα ήταν 47 mm (PTFE-coated glass fiber filters). Ζυγίζονταν και αποθηκεύονταν σε δωμάτιο ελεγχόμενων συνθηκών θερμοκρασίας και υγρασίας, ώστε να γίνει ορθά η μετρητική διαδικασία. Εικόνα 3.3: Διάταξη συλλογής καυσαερίου στην εξάτμιση του οχήματος 42

44 Εικόνα 3.4: Εγκατάσταση CVS στο Εργαστήριο Εφαρμοσμένης Θερμοδυναμικής Εικόνα 3.5: Ζυγός μέτρησης μάζας φίλτρου 43

45 Εικόνα 3.6: Μέτρηση μάζας «γεμάτου» φίλτρου 3.3 Ανάλυση καυσαερίων Για τη μέτρηση των ελεγχόμενων ρύπων των καυσαερίων, όπως το CO2, το CO, τα NOx και τα PM, χρησιμοποιήθηκαν αναλυτές καυσαερίων όπως προβλέπει η Ευρωπαϊκή νομοθεσία, των οποίων η λειτουργία επεξηγείται συνοπτικά παρακάτω. Διοξείδιο του άνθρακα και μονοξείδιο του άνθρακα (CO2, CO) Για τη μέτρηση του διοξειδίου του άνθρακα (CO2) και του μονοξειδίου του άνθρακα, χρησιμοποιήθηκε αναλυτής επιλεκτικής απορροφήσεως υπέρυθρης ακτινοβολίας τύπου NDIR (Nondispersive, Infrared). Η αρχή λειτουργίας του συγκεκριμένου αναλυτή, βασίζεται στην απορρόφηση του φάσματος των αερίων στην υπέρυθρη περιοχή [1]. Σύμφωνα με την αρχή της επιλεκτικής απορρόφησης κάθε αέριο, εκτός των μονοατομικών και των συμμετρικών (μορίων) όπως τα Ν2, Ο2 και H2, χαρακτηρίζεται από ένα φάσμα απορροφήσεως που απαρτίζεται από ζώνες απορρόφησης, οι οποίες είναι χαρακτηριστικές για κάθε αέριο [37]. Στο μεγαλύτερο μέρος του φάσματος τα αέρια είναι διαφανή στην ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία, ωστόσο, σε συγκεκριμένες συχνότητες του υπέρυθρου φάσματος, η ενέργεια του φωτονίου είναι ίση με αυτή που απαιτείται για την αλλαγή ενός μορίου από ένα κβαντικό πεδίο σε ένα άλλο [1]. Σε αυτή την περίπτωση, στις συγκεκριμένες συχνότητες, το αέριο θα απορροφήσει ακτινοβολία. Έτσι, είναι δυνατός ο καθορισμός της συγκέντρωσης ενός συστατικού από τα χαρακτηριστικά της απορρόφησης [1]. Έχει βρεθεί ότι το διοξείδιο του άνθρακα απορροφά στα 4.2 μm, ενώ 44

46 το μονοξείδιο του άνθρακα στα 4.6 μm [1, 37]. Είναι δυνατή η ανίχνευση του διοξειδίου του άνθρακα σε ένα δείγμα ακόμα και αν υπάρχει ταυτόχρονα μονοξείδιο του άνθρακα[1]. Υδρογονάνθρακες (HC) Η μέτρηση των υδρογονανθράκων έγινε με ανιχνευτή ιονισμού φλόγας (FID). Σύμφωνα με την αρχή λειτουργίας τέτοιου είδους ανιχνευτών, μόρια υδρογονανθράκων εισάγονται σε φλόγα υδρογόνου αέρα με αποτέλεσμα την παραγωγή ηλεκτρονίων και θετικών ιόντων, μέσω χημικών διεργασιών[1,37]. Συνεπώς, τα θετικά ιόντα που παράγονται είναι ανάλογα με τον αριθμό των ατόμων που εισάγονται στη φλόγα [1]. Οξείδια του αζώτου (ΝΟx) Τα οξείδια του αζώτου μετρήθηκαν με ανιχνευτή χημειοφωταύγειας (CLD). Χημειοφωταύγεια ονομάζεται το φαινόμενο εκπομπής φωτονίων κατά τη διάρκεια μιας χημικής αντίδρασης. Συγκεκριμένα, όταν μονοξείδιο του αζώτου (ΝΟ) αντιδρά με όζον (Ο3), παράγεται ως ενδιάμεσο προϊόν διοξείδιο του αζώτου (ΝΟ2), το οποίο παράγει φωτόνια. Ο αριθμός των φωτονίων που παράγονται είναι ανάλογος της ποσότητας του οξειδίου του αζώτου [1]. Σωματίδια Κατά την πειραματική μέτρηση πραγματοποιήθηκε μέτρηση του αριθμού των σωματιδίων και της κατανομής των σωματιδίων με ειδικούς ανιχνευτές που είναι τοποθετημένοι στη διάταξη του Ε.Ε.Θ. (APC, SMPS). Στην παρούσα εργασία γίνεται παρουσίαση των αποτελεσμάτων της μέτρησης της μάζας των σωματιδίων από φίλτρα τύπου Teflon. Η συνολική μάζα των παγιδευμένων στα φίλτρα σωματιδίων προέκυψε από υπολογισμό της αύξησης του βάρους των σωματιδίων. Στον Πίνακα 3.1 αναφέρονται οι τύποι των αναλυτών που χρησιμοποιήθηκαν για κάθε ρύπο. Ρύπος Αναλυτής Ακρίβεια CO 2 H&B +/ % CO Horiba VIA510 +/-0.5 ppm HC Signal 3000HM +/- 0.3 ppm NO/NO x Signal /- 0.1 ppm Πίνακας 3.1: Αναλυτές καυσαερίων 45

47 3.4 Όχημα πειραματικής μέτρησης Το αυτοκίνητο που χρησιμοποιήθηκε κατά την πειραματική μέτρηση, ήταν ένα Honda Accord 2.2l CTDi, με κινητήρα diesel προτύπου EURO 4. Στον Πίνακα 3.2 αναγράφονται τα κυριότερα χαρακτηριστικά του αυτοκινήτου. Κινητήρας Diesel, 4-κύλινδρος, υπερπληρωμένος, άμεσης έγχυσης Όγκος εμβολισμού κινητήρα 2200 κ.εκ. Σύστημα έγχυσης καυσίμου Κοινού αυλού (common-rail) Ισχύς rpm Ροπή rpm Κιβώτιο ταχυτήτων Χειροκίνητο, 5-τάχυτο Κλάση εκπομπών ρύπων Euro 4 Σύστημα επεξεργασίας καυσαερίων Οξειδωτικός καταλύτης (DOC) Πίνακας 3.2: Χαρακτηριστικά Honda Accord 2.2l CTDi Στην Εικόνα 3.7 απεικονίζεται ο κινητήρας του οχήματος, ενώ στην Εικόνα 3.8 απεικονίζεται το όχημα τοποθετημένο στο δυναμόμετρο. Εικόνα 3.7: Κινητήρας Honda Accord 2.2l CTDi 46

48 Εικόνα 3.8: Γενική άποψη αυτοκινήτου, τοποθετημένο στο δυναμόμετρο 3.5 Καύσιμα υπό εξέταση Κατά την πειραματική μέτρηση χρησιμοποιήθηκαν 13 καύσιμα diesel και ένα καύσιμο diesel αναφοράς. Από τα 13 καύσιμα, 6 είχαν 10% κ.ό. περιεχόμενο σε FAME. Τα καύσιμα που χρησιμοποιήθηκαν ικανοποιούν το πρότυπο EN 590, εκτός ορισμένων εξαιρέσεων σε μεμονωμένες ιδιότητές τους. Έτσι, τα καύσιμα που περιέχουν 10% κ.ό. FAME δεν ικανοποιούν το πρότυπο EN 590 λόγω αυξημένης περιεκτικότητας FAME (>7% κ.ό.). Τα καύσιμα D1, D2, D5 και D6 χαρακτηρίζονται από αριθμό κετανίου χαμηλότερο του ορίου του προτύπου EN 590 (<51). Τα καύσιμα D2, D3, D5, D8 και D9 βρίσκονται άνω του ορίου που ορίζει το πρότυπο για την πυκνότητα (min 820 [kg/m 3 ], max 845 [kg/m 3 ]). Τέλος, το καύσιμο αναφοράς ικανοποιεί όλες τις απαιτήσεις του προτύπου EN 590 [38,39]. Παρακάτω, παρουσιάζονται συνοπτικά οι ελεγχόμενες ιδιότητες των καυσίμων. Περιεχόμενο FAME [% κ.ό.] 0 10 Αριθμός Κετανίου Πυκνότητα [kg/l] Περιεχόμενο PAH [% κ.β.] 2 8 Σχήμα 3.2: Ιδιότητες καυσίμων υπό εξέταση 47

49 Στον Πίνακα 3.3 καταγράφονται αναλυτικά οι ιδιότητες των καυσίμων. Στον Πίνακα 1 του Παραρτήματος περιγράφονται λεπτομερώς οι ιδιότητες των εξεταζόμενων καυσίμων. Fuel Cetane Number [-] 15 C [kg/m 3 ] Polycyclic Aromatics [% m/m] FAME [% v/v] D <0.1 D D <0.1 D D <0.1 D D <0.1 D D <0.1 D <0.1 D D <0.1 D D14-ref Πίνακας 3.3: Ιδιότητες καυσίμων πειραματικής μέτρησης 3.6 Πρωτόκολλο Μέτρησης Ο σκοπός της πειραματικής διερεύνησης ήταν η μελέτη της επίδρασης των ιδιοτήτων του καυσίμου diesel στην κατανάλωση και στις εκπομπές ρύπων. Για τον σκοπό αυτό, μελετήθηκε επιβατηγό όχημα ευρωπαϊκού προτύπου EURO 4 σε κύκλο NEDC και WLTC. Επειδή οι αναμενόμενες διαφορές ήταν πολύ μικρές, ήταν απαραίτητο να εφαρμοστεί ένα αυστηρό πειραματικό πρωτόκολλο, σχετικά με την ακολουθία των δοκιμών, την αλλαγή του καυσίμου και τη φάση της προετοιμασίας του κινητήρα. Η λεπτομερής περιγραφή του πρωτοκόλλου περιγράφεται στο Παράρτημα. Εκτός από τους κύκλους NEDC και WLTC, επελέγη μια φάση σταθερής λειτουργίας για τη μέτρηση της κατανομής του μεγέθους των σωματιδίων και του αριθμού των σωματιδίων (PN). Tο σημείο σταθερής λειτουργίας ήταν 90 [km/h]. Η ανάλυση των χαρακτηριστικών των σωματιδίων (κατανομή μεγέθους) είναι εκτός του σκοπού αυτής της εργασίας. Η εκπόνηση του πρωτοκόλλου μέτρησης έπρεπε να ολοκληρωθεί την ίδια μέρα, λόγω του περιορισμού της νομοθεσίας [40] να παραμένει ο κινητήρας σβηστός για περισσότερο από 12 ώρες πριν τον ψυχρό κύκλο NEDC. Προκειμένου να επιτευχθεί η επιθυμητή στατιστική ευρωστία, η δοκιμή κάθε καυσίμου πραγματοποιήθηκε τρεις φορές. Κάθε επανάληψη, ξεκινούσε με το καύσιμο αναφοράς D14. Έτσι, το αρχικό σχέδιο ήταν να δοκιμαστεί κάθε καύσιμο τρεις φορές, εκτός του καυσίμου αναφοράς που έπρεπε να ελεγχθεί εννέα φορές. 48

50 Οι καθημερινές μετρήσεις με διαφορετικό καύσιμο σημαίνει ότι το καύσιμο έπρεπε να αλλάξει στο τέλος της κάθε ημέρας δοκιμής. Λαμβάνοντας όλα τα παραπάνω υπόψη, ήταν απαραίτητη η χρήση μιας εύκολης διαδικασίας αλλαγής καυσίμου μεταξύ των μετρήσεων. Στόχος ήταν να ελαχιστοποιηθεί κάθε πιθανή διασταυρούμενη επιμόλυνση των καυσίμων και να διασφαλιστεί η βέλτιστη πλύση του συστήματος τροφοδοσίας καυσίμου του οχήματος. Για να επιτευχθεί αυτό, αποφασίστηκε να χρησιμοποιείται μια εξωτερική δεξαμενή καυσίμων για τις μετρήσεις. Κατευθυντήριες γραμμές ελήφθησαν από τους κατασκευαστές, προκειμένου να εξασφαλιστεί σωστή παροχή καυσίμου στον κινητήρα. Για κάθε νέο καύσιμο, η δεξαμενή εκκενώνονταν και πλενόταν με το νέο καύσιμο. Για να βεβαιωθεί ότι δεν έμεινε καθόλου καύσιμο προηγούμενης δοκιμής και για να αποφεύγεται η μόλυνση, το όχημα λειτουργούσε για λίγα λεπτά μόνο για να ξεπλύνει τον κινητήρα από το προηγούμενο καύσιμο. Η επιστροφή του καυσίμου συλλεγόταν και απορριπτόταν για λόγους αποφυγής της επιμόλυνσης του καυσίμου. Το ημερήσιο πρωτόκολλο μέτρησης ξεκινούσε με «ψυχρό» κύκλο NEDC, ενώ ακολουθούσαν δύο κύκλοι EUDC για την προετοιμασία του κινητήρα για τον «θερμό» κύκλο WLTC. Η ημέρα μέτρησης ολοκληρωνόταν με σταθερό σημείο λειτουργίας 90 [km/h]. Στο Σχήμα 3.3 περιγράφεται συνοπτικά το πρωτόκολλο μέτρησης. Επίσης, στο Σχήμα 1 του Παραρτήματος περιγράφεται λεπτομερώς το πρωτόκολλο μέτρησης. cold NEDC bag analysis 2 x EUDC hot WLTC bag analysis 5min at 90km/h 15 min steady-state mode (90 km/h) PM analysis and exhaust gases from CVS sampling new fuel 3 x EUDC Σχήμα 3.3: Συνοπτική παρουσίαση πρωτοκόλλου μέτρησης 49

51 3.7 Επεξεργασία Μετρήσεων - Υπολογισμός Αέριων Ρύπων Ο υπολογισμός των μαζών των αέριων ρύπων των καυσαερίων έγινε με βάση την Ευρωπαϊκή Νομοθεσία [41]. Υπολογισμός του όγκου υπό κανονικές συνθήκες Ο όγκος των αραιωμένων καυσαερίων ανάγεται στις κανονικές συνθήκες με τον ακόλουθο τύπο: Όπου: Vmix = V K i P B P 1 T p (1) K i = 273.2/ = [K kpa 1 ] (2) PΒ : Η βαρομετρική πίεση στον θάλαμο δοκιμής σε kpa, P1 : Η υποπίεση στην είσοδο της αντλίας θετικού εκτοπίσματος σε kpa, σε σχέση με τη βαρομετρική πίεση του περιβάλλοντος, Tp : Η μέση θερμοκρασία των αραιωμένων καυσαερίων που εισέρχονται στην αντλία θετικού εκτοπίσματος κατά τη διάρκεια της δοκιμής (K). Mάζα εκπεμπόμενων αέριων ρύπων Οι εκπεμπόμενες μάζες των αερίων ρύπων υπολογίζονται με την ακόλουθη εξίσωση: Mi = V mix Q i k H C i 10 6 d (3) Όπου: Mi : H εκπεμπόμενη μάζα του ρύπου i σε γραμμάρια ανά χιλιόμετρο, Vmix : O όγκος του αραιωμένου καυσαερίου, εκφραζόμενος σε λίτρα/δοκιμή και διορθωμένος ώστε να ανταποκρίνεται στις κανονικές συνθήκες (273,2 K και 101,33 kpa), Qi : H πυκνότητα του ρύπου i σε γραμμάρια/λίτρο υπό κανονική θερμοκρασία και πίεση (273,2 K και 101,33 kpa), (Qi [g/l] = για το CO2, για το CO, για το NO, για τα NOx) kh : O συντελεστής διόρθωσης της υγρασίας, που χρησιμοποιείται για τον υπολογισμό της εκπεμπόμενης μάζας των οξειδίων του αζώτου. Για HC και CO δεν γίνεται διόρθωση υγρασίας, 50

52 Ci : H συγκέντρωση του ρύπου i στο αραιωμένο καυσαέριο, εκφραζόμενη σε ppm και διορθωμένη βάσει της ποσότητας του ρύπου i που περιέχει ο αέρας αραίωσης, d : H απόσταση που αντιστοιχεί στον κύκλο λειτουργίας σε χιλιόμετρα. Υπολογισμός του συντελεστή διόρθωσης υγρασίας για τα οξείδια του αζώτου (NO) Για τη διόρθωση των επιδράσεων της υγρασίας στα αποτελέσματα που λαμβάνονται για τα οξείδια του αζώτου, εφαρμόζονται οι ακόλουθες εξισώσεις: με k h = 1 1 0,0329 (H 10,71) (4) H = 6,211 R a P d (5) P B P d R a 10 2 Όπου: H : Η απόλυτη υγρασία, εκφραζόμενη σε g νερού ανά kg ξηρού αέρα, Ra : Η σχετική υγρασία της ατμόσφαιρας, εκφραζόμενη σε ποσοστό (%), Pd : Η πίεση κορεσμένων ατμών στη θερμοκρασία του περιβάλλοντος, εκφραζόμενη σε kpa, (Pd [kpa] =10-6 * T 4 * * 10-5 * T 3 * * T 2 * * * T ], T[ o C]) PB : Η ατμοσφαιρική πίεση στον θάλαμο δοκιμής, εκφραζόμενη σε kpa. Pd =10-6 * T 4 * * 10-5 * T 3 * * T 2 * * T ], T[ o C], σε kpa Διόρθωση για τη συγκέντρωση του αέρα αραίωσης (Συντελεστής αραίωσης) Μετά την αραίωση των καυσαερίων με τον ατμοσφαιρικό αέρα, ο ένας σάκος γεμίζει με το αραιωμένο καυσαέριο και ο άλλος σάκος δειγματοληψίας γεμίζει με τον αέρα. Έτσι, με τη μέτρηση της συγκέντρωσης κάθε ρύπου (CO2, CO, HC, NOx) και στους δύο σάκους δειγματοληψίας είναι δυνατόν να υπολογιστεί η διορθωμένη συγκέντρωση κάθε ρύπου με την εφαρμογή του συντελεστή αραίωσης. Η συγκέντρωση του εκάστοτε ρύπου στα αραιωμένα καυσαέρια διορθώνεται κατά την ποσότητα του ρύπου αυτού που περιέχεται στον αέρα αραίωσης, ως εξής: Ci = Ce Cd (1 1 DF ) (6) 51

53 Όπου: Ci : συγκέντρωση του ρύπου i στο αραιωμένο καυσαέριο, εκφραζόμενη σε ppm και διορθωμένη βάσει της ποσότητας του i που περιέχει ο αέρας αραίωσης, Ce : μετρούμενη συγκέντρωση του ρύπου i μετρημένη στο αραιωμένο καυσαέριο, σε ppm, Cd : συγκέντρωση του ρύπου i στον αέρα που χρησιμοποιήθηκε για την αραίωση, σε ppm, DF : συντελεστής αραίωσης. Ο συντελεστής αραίωσης υπολογίζεται ως εξής: DF = Fs (C CO2 +(C HC +C CO ) 10 4 ) (7) Όπου: CCO2 : συγκέντρωση του CO 2 στα αραιωμένα καυσαέρια που περιέχονται στον σάκο δειγματοληψίας, εκφραζόμενη σε % κατ όγκο, CHC : συγκέντρωση των HC στα αραιωμένα καυσαέρια που περιέχονται στον σάκο δειγματοληψίας, εκφραζόμενη σε ppm ισοδύναμου άνθρακα, CCO : συγκέντρωση του CO στα αραιωμένα καυσαέρια που περιέχονται στον σάκο δειγματοληψίας, εκφραζόμενη σε ppm. Επίσης, για καύσιμο με χημικό τύπο CHαOβNγ, ο στοιχειομετρικός συντελεστής Fs είναι: Fs = (1+ α (1+ α 4 β 2 ) γ 2 ) (8) Όπου: α : λόγος υδρογόνου - άνθρακα (H/C) β : λόγος οξυγόνου άνθρακα (O/C) γ : λόγος αζώτου άνθρακα (N/C) Ο υπολογισμός των λόγων H/C και O/C για κάθε καύσιμο περιγράφεται παρακάτω. Στα καύσιμα που χρησιμοποιήθηκαν στη μέτρηση δεν υπάρχει άζωτο. Επίσης, στον Πίνακα 3.4 αναφέρονται τα χαρακτηριστικά των καυσίμων. 52

54 H C m Hydrogen content [% = m ] Carbon content [% m m ] O C m Oxygen content [% = m ] Carbon content [% m m Atomic weight of Carbon [ g mol ] Atomic weight of Hydrogen [ g mol ] (9) g Atomic weight of Carbon [ mol ] ] Atomic weight of Oxygen [ g mol ] (10) Παρακάτω αναφέρονται τα ατομικά βάρη του άνθρακα (C), του υδρογόνου (Η) και του οξυγόνου (Ο): ArC = 12,011 [ g mol ] ArH = 1,008 [ g mol ] ArO = 15,999 [ g mol ] Fuel Carbon Content [% m/m] Hydrogen Content [% m/m] Oxygen Content [% m/m] Πίνακας 3.4: Χαρακτηριστικά μεγέθη των καυσίμων 53 H/C O/C Fs Density D D D D D D D D D D D D D Ref-D [g/l] AHC AFuel

55 Επίσης, σύμφωνα με την Ευρωπαϊκή Νομοθεσία [UNECE] ο συντελεστής αραίωσης για τα παρακάτω καύσιμα υπολογίζεται ως εξής: DF = 13.4 (C CO2 +(C HC +C CO ) 10 4 ), petrol (E5) DF = 13.5 (C CO2 +(C HC +C CO ) 10 4 ), diesel (B5) DF = 11.9 (C CO2 +(C HC +C CO ) 10 4 ), LPG DF = 9.5 (C CO2 +(C HC +C CO ) 10 4 ), NG/biomethane DF = 12.5 (C CO2 +(C HC +C CO ) 10 4 ), Ethanol (E85) Υπολογισμός κατανάλωσης καυσίμου (FC) Η κατανάλωση καυσίμου υπολογίζεται σύμφωνα με την παρακάτω σχέση: l FC [ 100km ] = A fuel D (A L HC HC + A CO CO + A CO2 CO 2 ) [ 100 Km ] (11) Όπου: HC, CO, CO2 σε g/km D [kg/l], πυκνότητα καυσίμου Α fuel = 10 Α HC = Α CO = Α CO2 = %C (H/C)

56 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 Αποτελέσματα Πειραματικής Διερεύνησης 4.1 Εισαγωγή Σε αυτό το κεφάλαιο παρουσιάζονται τα αποτελέσματα της πειραματικής διερεύνησης, τα οποία αφορούν στις εκπομπές ρύπων για κάθε καύσιμο, την κατανάλωση καυσίμου και τις εκπομπές CO2, στους κύκλους NEDC και WLTC. Επίσης, παρουσιάζεται η επίδραση των ιδιοτήτων των καυσίμων, που περιγράφηκαν στο 2 ο κεφάλαιο, στις εκπομπές ρύπων και την κατανάλωση καυσίμου του οχήματος. Αναφέρονται κάποιες απρόβλεπτες καταστάσεις που αντιμετωπίστηκαν κατά τη διάρκεια του πειράματος, και ο τρόπος αντιμετώπισης ακραίων τιμών που κατεγράφησαν. Τέλος, παρουσιάζεται στατιστική ανάλυση των αποτελεσμάτων, η οποία αποδεικνύει εάν υπάρχει πραγματική επίδραση των ιδιοτήτων στις εκπομπές και την κατανάλωση καυσίμου, ή αν η μεταβολή οφείλεται σε τυχαίο σφάλμα. 4.2 Αποτελέσματα Το πείραμα διαχωρίζεται σε τρεις επαναλήψεις. Κάθε καύσιμο δοκιμάστηκε τρεις φορές (μία δοκιμή σε κάθε επανάληψη), εκτός από το καύσιμο αναφοράς (Ref-D14) που δοκιμάστηκε εννέα φορές (τρεις δοκιμές σε κάθε επανάληψη). Οι μετρήσεις πραγματοποιήθηκαν χωρίς ιδιαίτερα προβλήματα, κάτι που φαίνεται και από τα αποτελέσματα, αφού δεν εμφανίσθηκαν ακραίες τιμές μέτρησης ώστε να είναι αναγκαία η επανάληψη της δοκιμής κάποιου καυσίμου. Πρέπει να τονιστεί ότι το εξεταζόμενο όχημα ήταν εξοπλισμένο με οξειδωτικό καταλύτη (DOC), κάτι που καθιστά δύσκολη την διεξαγωγή έγκυρων συμπερασμάτων, όσον αφορά τις εκπομπές των CO και HC. Στον Πίνακα 4.1 παρουσιάζεται το πρόγραμμα των μετρήσεων. Το πρόγραμμα των μετρήσεων τηρήθηκε αυστηρά, ενώ η σειρά της δοκιμής κάθε καυσίμου, καθορίστηκε έτσι, ώστε να να μην επηρεάζονται τα αποτελέσματα από μη τυχαία σφάλματα που οφείλονται στην χρονική ακολουθία των δοκιμών κάθε καυσίμου. Επίσης, παρακάτω παρουσιάζονται τα αποτελέσματα κάθε μετρητικής ημέρας με βάση την χρονολογική σειρά των δοκιμών. Τα διαγράμματα αυτά, βοηθούν στον εντοπισμό τυχόν περιοδικών φαινομένων, τα οποία μπορεί να οφείλονται σε μη τυχαίο σφάλμα, το οποίο θα επηρέαζε την αξιοπιστία των αποτελεσμάτων. 55

57 Honda Accord 2.2 EU4 1st repetition 2nd repetition 3rd repetition Date Test Day Fuel Date Test Day Fuel Date Test Day Fuel Τετάρτη, 17-Σεπ-14 1 Ref (14) Πέμπτη, 20-Νοεμ Ref (14) Πέμπτη, 11-Δεκ Ref (14) Πέμπτη, 18-Σεπ Παρασκευή, 21-Νοεμ Παρασκευή, 12-Δεκ Παρασκευή, 19-Σεπ Δευτέρα, 24-Νοεμ Δευτέρα, 15-Δεκ Δευτέρα, 22-Σεπ Τρίτη, 25-Νοεμ Τρίτη, 16-Δεκ Τρίτη, 23-Σεπ Τετάρτη, 26-Νοεμ Τετάρτη,17-Δεκ Τετάρτη, 24-Σεπ Πέμπτη, 27-Νοεμ Πέμπτη, 18-Δεκ Πέμπτη, 25-Σεπ Παρασκευή, 28-Νοεμ Ref (14) Παρασκευή, 19-Δεκ Παρασκευή, 26-Σεπ-14 8 Ref (14) Δευτέρα, 1-Δεκ Δευτέρα, 22-Δεκ Τρίτη, 30-Σεπ Τρίτη, 2-Δεκ Τρίτη, 23-Δεκ Ref (14) Τετάρτη, 1-Οκτ Τετάρτη, 3-Δεκ Πέμπτη, 8-Ιαν Ref (14) Πέμπτη, 2-Οκτ Πέμπτη, 4-Δεκ Παρασκευή, 9-Ιαν Παρασκευή, 3-Οκτ Παρασκευή, 5-Δεκ Δευτέρα, 12-Ιαν Δευτέρα,6-Οκτ Δευτέρα, 8-Δεκ Τρίτη, 13-Ιαν Τρίτη, 7-Οκτ Τρίτη, 9-Δεκ Τετάρτη, 14-Ιαν Τετάρτη, 8-Οκτ Τετάρτη, 10-Δεκ Πέμπτη, 15-Ιαν Πέμπτη, 9-Οκτ Ref (14) Παρασκευή, 16-Ιαν Δευτέρα, 19-Ιαν Ref (14) Πίνακας 4.1: Πρόγραμμα μετρήσεων 56

58 Σχήμα 4.1: Κατανάλωση καυσίμου και εκπομπές CO2 για κάθε καύσιμο και κάθε μετρητική ημέρα Σχήμα 4.2: Εκπομπές CO και HC για κάθε καύσιμο και κάθε μετρητική ημέρα 57

59 Σχήμα 4.3: Εκπομπές NOx και PM για κάθε καύσιμο και κάθε μετρητική ημέρα Σχήμα 4.4: Εκπομπές NOx και PM για κάθε καύσιμο και κάθε μετρητική ημέρα 58

60 Στο Σχήμα 4.1 παρουσιάζονται με χρονολογική σειρά τα αποτελέσματα των πειραματικών δοκιμών για την κατανάλωση καυσίμου και τις εκπομπές CO2, κατά τον ψυχρό κύκλο NEDC. Φαίνεται ότι δεν υπάρχει κάποιο περιοδικό φαινόμενο που να επηρεάζει τις τιμές. Επίσης, δεν παρατηρούνται ακραίες τιμές που να καθιστούν αναγκαία την επανάληψη της δοκιμής κάποιου καυσίμου. Φαίνεται ότι η επαναληψιμότητα είναι ικανοποιητική, παρόλα αυτά για την επαναληψιμότητα θα γίνει αναφορά και παρακάτω. Στο Σχήμα 4.2 παρουσιάζονται με χρονολογική σειρά τα αποτελέσματα των δοκιμών για τις εκπομπές CO και HC σε ψυχρό κύκλο NEDC. Αρχικά φαίνεται ότι τα αποτελέσματα για τους δύο ρύπους ακολουθούν παρόμοια τάση. Αυτό οφείλεται στην ύπαρξη οξειδωτικού καταλύτη στο σύστημα εξαγωγής καυσαερίου του οχήματος, κάτι που επηρεάζει σημαντικά τη συγκέντρωση των δύο ελεγχόμενων ρύπων στο καυσαέριο. Συνεπώς, είναι αδύνατο να προκύψουν σαφή συμπεράσματα για την επίδραση των ελεγχόμενων ιδιοτήτων στους δύο αυτούς ρύπους. Η παρόμοια τάση σημαίνει ότι η συγκέντρωση των δύο ρύπων εξαρτάται από την απόδοση του καταλύτη, η οποία επηρεάζεται από την αναπτυσσόμενη θερμοκρασία. Αξίζει να σημειωθεί ότι στο Σχήμα 4.2 φαίνεται τα καύσιμα D2 και D5 (κυκλωμένα) παρουσιάζουν αυξημένη τιμή σε κάθε επανάληψη της δοκιμής τους σε σχέση με τα υπόλοιπα υπό εξέταση καύσιμα. Τα δύο αυτά καύσιμα χαρακτηρίζονται από χαμηλό αριθμό κετανίου (46) και υψηλή πυκνότητα (0.86 [kg/l]). Οι αυξημένες αυτές τιμές παρουσιάζονται σε κάθε επανάληψη της δοκιμής των δύο καυσίμων, άρα δεν αποτελούν ακραία τιμή (outlier). Στο Σχήμα 4.3 παρουσιάζονται με χρονολογική σειρά οι τιμές που λήφθηκαν για τις εκπομπές NOx και PM σε ψυχρό κύκλο NEDC. Όσον αφορά τα NOx, παρατηρείται μικρή διακύμανση των τιμών και απουσία κάποιου περιοδικού φαινομένου που πιθανόν να οφειλόταν σε μη τυχαίο σφάλμα. Η επαναληψιμότητα φαίνεται να είναι ικανοποιητική. Για τις τιμές των PM, φαίνεται να υπάρχει μεγαλύτερη μεταβλητότητα στις τιμές. Παρόλα αυτά, το καύσιμο D6 (κυκλωμένο μπλε) εμφανίζει σε κάθε επανάληψη χαμηλότερη τιμή σε σχέση με τα υπόλοιπα καύσιμα. Το καύσιμο αυτό χαρακτηρίζεται από περιεκτικότητα σε βιοντήζελ 10% κ.ό., χαμηλό αριθμό κετανίου (46), χαμηλή πυκνότητα (0.82 [kg/l]) και περιεκτικότητα σε PAH 8% κ.β.. Αντίθετα, το καύσιμο D9 (κυκλωμένο πράσινο) εμφανίζει σε κάθε επανάληψη υψηλή τιμή και χαρακτηρίζεται από υψηλό αριθμό κετανίου (53), υψηλή πυκνότητα (0.86 [kg/l]), 8% κ.β. περιεκτικότητα σε PAH και δεν περιέχει βιοντήζελ. Τέλος, στο Σχήμα 4.4 παρουσιάζονται οι τιμές του EGR για κάθε μετρητική μέρα στους κύκλους NEDC και WLTC. Παρατηρείται ελάχιστη μεταβλητότητα των τιμών του EGR με μέση τιμή 47.2% για τον ψυχρό NEDC και 55.4% για τον θερμό WLTC. Το EGR αποτελεί μία διαδεδομένη τεχνική μείωσης των εκπεμπόμενων ρύπων και ιδιαίτερα των NOx, όμως λόγω της μικρής μεταβλητότητας που παρουσιάζουν οι τιμές του, δε φαίνεται να επηρεάζονται οι εξεταζόμενοι ρύποι. 59

61 Όσον αφορά τον κύκλο WLTC, παρουσιάζονται παρόμοιες τάσεις στις τιμές των εξεταζόμενων ρύπων και στην κατανάλωση καυσίμου με αυτές του NEDC. Δεν παρατηρούνται περιοδικά φαινόμενα, ή ακραίες τιμές που να κάνουν αναγκαία την επανάληψη κάποιας δοκιμής καυσίμου. Οι εκπομπές CO και HC δεν εξετάζονται γιατί παρουσιάζουν πολύ χαμηλές τιμές που οφείλονται στην υψηλή απόδοση του οξειδωτικού καταλύτη, λόγω των υψηλότερων θερμοκρασιών που αναπτύσσονται κατά τον κύκλο WLTC. Στα Σχήματα 2 και 3 του Παραρτήματος παρουσιάζονται οι τιμές για την κατανάλωση καυσίμου και για τις εκπομπές CO2, NOx και PM. Επιπλέον, στους Πίνακες 2, 3, 4 και 5 του Παραρτήματος παρουσιάζονται συγκεντρωτικά οι τιμές κάθε καυσίμου για κάθε ρύπο και για την κατανάλωση καυσίμου σε κάθε επανάληψη, ενώ οι Πίνακες 6 και 7 περιέχουν τις μέσες τιμές και τις τυπικές αποκλίσεις για κάθε καύσιμο και για κάθε εξεταζόμενο ρύπο ή κατανάλωση καυσίμου. Πραγματοποιήθηκε έλεγχος τυχόν ακραίων τιμών (outliers), με σκοπό την απόρριψή τους. Ελέγχθηκε η μεταβολή της κλίσης της γραμμής που προέκυψε από τα διαγράμματα διασποράς των τιμών για κάθε ρύπο και για την κατανάλωση καυσίμου σε συνάρτηση με κάθε ελεγχόμενη ιδιότητα. Ενδεικτικά, παρουσιάζονται δύο περιπτώσεις ακραίων τιμών στα παρακάτω Σχήματα. Σχήμα 4.5: Εκπομπές CO2 σε συνάρτηση με την περιεκτικότητα σε FAME Εντοπισμός πιθανού outlier Στο Σχήμα 4.5 παρατηρούμε μεταβολή στην κλίση της γραμμής με αφαίρεση της πιθανής ακραίας τιμής. Το ελάχιστο ποσοστό μεταβολής της κλίσης που ελέγχθηκε ήταν 10%. Η συγκεκριμένη τιμή που αφαιρέθηκε αφορά στην 1 η επανάληψη του καυσίμου D9 στον θερμό κύκλο WLTC που πραγματοποιήθηκε στις 1/10/2014. Στο Σχήμα 4.6 παρουσιάζεται ακόμα ένα παράδειγμα εντοπισμού πιθανού outlier. 60

62 Σχήμα 4.6: Εκπομπές NOx σε συνάρτηση με τον αριθμό κετανίου Εντοπισμός πιθανών outlier Στο Σχήμα 4.6 παρατηρούμε μεταβολή 38.4% στην κλίση της γραμμής του διαγράμματος διασποράς με αφαίρεση των ακραίων τιμών. Οι τιμές αυτές αφορούν την τρίτη επανάληψη του καυσίμου D5 που πραγματοποιήθηκε στις 16/1/2015. Παρακάτω παρατίθενται οι μετρητικές μέρες που απορρίφθηκαν λόγω πιθανών ακραίων τιμών. Για τον κύκλο NEDC: 3 η επανάληψη καυσίμου D2, 22/12/ η επανάληψη καυσίμου D12, 15/1/ η επανάληψη καυσίμου D5, 16/1/2015 Για τον κύκλο WLTC: 1 η επανάληψη καυσίμου D13, 30/9/ η επανάληψη καυσίμου D9, 1/10/ η επανάληψη καυσίμου D11, 8/10/ η επανάληψη καυσίμου D5, 16/1/ η επανάληψη καυσίμου D14, 8/1/ Αποτελέσματα για κάθε καύσιμο Στο παρόν υποκεφάλαιο παρουσιάζονται τα αποτελέσματα των εκπομπών ρύπων και της κατανάλωσης για κάθε καύσιμο στους κύκλους NEDC και WLTC. Στα παρακάτω διαγράμματα καταγράφονται οι μέσες τιμές των μετρήσεων από τις τρεις επαναλήψεις, καθώς και οι τυπικές αποκλίσεις της κάθε μέτρησης. Στο Παράρτημα παρουσιάζονται αναλυτικά οι τιμές των μέσων τιμών και των τυπικών αποκλίσεων. 61

63 Κατανάλωση καυσίμου (FC) Σχήμα 4.7: Μέση τιμή κατανάλωσης καυσίμου (FC) για τους κύκλους NEDC Σχήμα 4.8: Μέση τιμή κατανάλωσης καυσίμου (FC) για τους κύκλους WLTC 62

64 Για να είμαστε σε θέση να κρίνουμε εάν η επαναληψιμότητα των αποτελεσμάτων για τα καύσιμα δοκιμής είναι ικανοποιητική ή όχι, χρησιμοποιήθηκε ο συντελεστής μεταβλητότητας (CV). Ο συντελεστής μεταβλητότητας συχνά εκφράζεται ως ποσοστό, και ορίζεται ως ο λόγος της τυπικής απόκλισης σ προς τη μέση τιμή μ. CV = σ μ Η κατανάλωση καυσίμου φαίνεται να ακολουθεί πολύ καλή επαναληψιμότητα για όλα τα καύσιμα. Ο υψηλότερος συντελεστής μεταβλητότητας για τον NEDC και WLTC είναι 1.28% και 1.69% αντίστοιχα. Όπως μπορεί να φανεί στα Σχήματα 4.7 και 4.8, η κατανάλωση καυσίμου είναι υψηλότερη για κάθε καύσιμο δοκιμής στον κύκλο NEDC σε σύγκριση με τον WLTC. Αυτό, ενδέχεται να οφείλεται στο γεγονός ότι, όταν η μηχανή είναι κρύα, οι απώλειες τριβής είναι υψηλότερες σε σύγκριση με ένα ζεστό κινητήρα, αφού το ιξώδες του λαδιού λίπανσης είναι υψηλό και δεν επιτρέπει τη σωστή διαμόρφωση του φιλμ λαδιού μεταξύ των επιφανειών ολίσθησης. Τέλος, αύξηση της κατανάλωσης θα μπορούσε να εμφανιστεί λόγω των υψηλών συγκεντρώσεων άκαυστων υδρογονανθράκων και CO στα πρώτα στάδια της λειτουργίας του κινητήρα, όπου η θερμοκρασία μέσα στον κύλινδρο είναι χαμηλή και ως εκ τούτου, η οξείδωση των HC και CO είναι ατελής, πράγμα που σημαίνει ότι μέρος της ενέργειας του καυσίμου σπαταλάται στο καυσαέριο, κάτι που μεταφράζεται και πάλι σε μεγαλύτερη κατανάλωση καυσίμου. CO2 Σχήμα 4.8: Μέση τιμή CO2 για τους κύκλους NEDC 63

65 Σχήμα 4.9: Μέση τιμή CO2 για τους κύκλους WLTC Οι τιμές για τα CO2 εμφανίζουν καλή επαναληψιμότητα, με μέγιστο CV 1.27% για τον NEDC και 1.68% για τον WLTC κύκλο. Όπως και στην περίπτωση της κατανάλωσης καυσίμου, η οποία συσχετίζεται άμεσα με τις εκπομπές CO2, οι τιμές των εκπομπών CO2 εμφανίζονται αυξημένες στον ψυχρό κύκλο NEDC. NOx Σχήμα 4.10: Μέση τιμή NOx για τους κύκλους NEDC 64

66 Σχήμα 4.11: Μέση τιμή NOx για τους κύκλους WLTC Ο σχηματισμός των ΝΟx ευνοείται κυρίως σε συνθήκες υψηλής θερμοκρασίας στον κύλινδρο. Συγκρίνοντας τις δύο κύκλους, ο WLTC είναι ζεστός κύκλος και ο κινητήρας λειτουργεί υπό υψηλότερα φορτία σε σύγκριση με τον NEDC. Αυτός φαίνεται να είναι ο λόγος για τις υψηλότερες εκπομπές ΝΟx στον κύκλο WLTC σε σύγκριση με τον ψυχρό κύκλο NEDC. Παρατηρώντας το Σχήμα 4.10 πολλά καύσιμα εκπέμπουν υψηλότερες τιμές του 0.25 [g/km], που είναι το όριο για το πρότυπο Euro 4 σε κύκλο NEDC. CO EURO 4 LIMIT Σχήμα 4.12: Μέση τιμή CO για τους κύκλους NEDC 65

67 Σχήμα 4.13: Μέση τιμή CO για τους κύκλους WLTC Όσον αφορά τις εκπομπές CO είναι υψηλότερες στην περίπτωση του ψυχρού NEDC, λόγω της χαμηλής απόδοσης του καταλύτη στη μετατροπή του CO σε χαμηλότερες θερμοκρασίες. Στην περίπτωση του θερμού WLTC, ο καταλύτης έχει ήδη φθάσει σε κατάλληλη θερμοκρασία και, έτσι, η απόδοση μετατροπής του CO είναι πολύ υψηλότερη. Ως συνέπεια, οι μετρούμενες τιμές του ρύπου αυτού διατηρούνται σε πολύ χαμηλά επίπεδα. Επιπλέον, σε κάθε δοκιμή καυσίμου για τις εκπομπές CO σε κύκλο NEDC, οι τιμές είναι χαμηλότερες από το όριο του προτύπου Euro 4 που είναι 0.5 [g/km]. HC Σχήμα 4.14: Μέση τιμή HC για τους κύκλους NEDC 66

68 Σχήμα 4.15: Μέση τιμή HC για τους κύκλους WLTC Όπως οι εκπομπές CO, έτσι και οι εκπομπές HC είναι υψηλότερες στην περίπτωση του ψυχρού NEDC σε σύγκριση με το θερμό WLTC. Στον κύκλο WLTC, οι εκπομπές HC είναι αμελητέες, λόγω της υψηλής απόδοσης μετατροπής του καταλύτη οξείδωσης, όταν λειτουργεί υπό υψηλές θερμοκρασίες. Σε κάθε δοκιμή καυσίμου για τις εκπομπές HC σε κύκλο NEDC, οι τιμές είναι χαμηλότερες από το όριο του προτύπου Euro 4 που είναι 0.05 [g/km]. PM Σχήμα 4.16: Μέση τιμή PM για τους κύκλους NEDC 67