«Ανάπτυξη και Αξιολόγηση Συναρτήσεων Μεταφοράς που Αναπτύχθηκαν σε Πρωτότυπο Αισθητήρα Αιθάλης σε Δεδομένα Ελαφρών Οχημάτων»

Transcript

1 ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ ΠΟΛΥΤΕΧΝΙΚΗ ΣΧΟΛΗ ΤΜΗΜΑ ΜΗΧΑΝΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΕΦΑΡΜΟΣΜΕΝΗΣ ΘΕΡΜΟΔΥΝΑΜΙΚΗΣ ΔΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ «Ανάπτυξη και Αξιολόγηση Συναρτήσεων Μεταφοράς που Αναπτύχθηκαν σε Πρωτότυπο Αισθητήρα Αιθάλης σε Δεδομένα Ελαφρών Οχημάτων» Αγγελή Ιωάννης ΑΕΜ.: 4500 ΥΠΕΥΘΥΝΟΣ: Καθ. Σαμαράς Ζήσης ΑΡΜΟΔΙΟΣ ΠΑΡΑΚΟΛΟΥΘΗΣΗΣ: Υπ. Δρ. Φραγκιαδουλάκης Παύλος Θεσσαλονίκη, Μάρτιος 2014

2

3 1. ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ 5. Υπεύθυνος: Καθ. Σαμαράς Ζ. Τίτλος εργασίας: 2. ΤΜΗΜΑ ΜΗΧΑΝΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ 3. ΕΝΕΡΓΕΙΑΚΟΣ ΤΟΜΕΑΣ 4. ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΕΦΑΡΜΟΣΜΕΝΗΣ ΘΕΡΜΟΔΥΝΑΜΙΚΗΣ 6. Αρμόδιος Παρακολούθησης: Υπ. Δρ. Φραγκιαδουλάκης Παύλος. Ανάπτυξη και Αξιολόγηση Συναρτήσεων Μεταφοράς που Αναπτύχθηκαν σε Πρωτότυπο Αισθητήρα Αιθάλης σε Δεδομένα Ελαφρών Οχημάτων Ονοματεπώνυμο φοιτητή: Αριθμός μητρώου: Αγγελή Ιωάννης Θεματική περιοχή: 11. Ημερομ. έναρξης: 10/ Ημερομ παράδοσης: 03/ Αριθμός εργασίας: 14.DI.0052.V1 14. Περίληψη: Στην παρούσα διπλωματική κύριο αντικείμενο μελέτης αποτελούν οι αισθητήρες αιθάλης τύπου αντίστασης (Resistive) και συγκεκριμένα η στατιστική αξιολόγηση της ικανότητας τεσσάρων διαφορετικών αισθητήρων αιθάλης να διακρίνουν τα διάφορα επίπεδα εκπομπών σωματιδίων σε σχέση με τα επιτρεπτά όρια εκπομπών για τα συστήματα OBD με βάση τον κανονισμό της Ευρωπαϊκής Ένωσης, Euro 6. Αρχικά, παρουσιάζεται το θεωρητικό υπόβαθρο που αφορά τις εκπομπές σωματιδίων, τα πρότυπα εκπομπών της Ευρωπαϊκής νομοθεσίας, όπως επίσης και οι μεταβατικοί κύκλοι που χρησιμοποιήθηκαν κατά τη διάρκεια των μετρήσεων. Στη συνέχεια, παρουσιάζονται τα όργανα μέτρησης και συστήματα που χρησιμοποιήθηκαν κατά τις δοκιμές. Συγκεκριμένα, περιγράφεται αναλυτικά ο τρόπος λειτουργίας των παγίδων αιθάλης, των αισθητήρων αιθάλης και των διαγνωστικών συστημάτων ελέγχου του οχήματος (OBD). Κατόπιν, παρουσιάζεται η επεξεργασία και η ανάλυση των δεδομένων με τη χρήση του DoE Pro της SigmaZone στο Excel. Εν συνεχεία παρουσιάζονται τρία στάδια ανάλυσης Συναρτήσεων Μεταφοράς (ΣΜ): ΣΜ από δημιουργία υποσυνόλων, ΣΜ με εισαγωγή των παραγόντων lambda και O 2 ως 15. Στοιχεία εργασίας: Αρ. Σελίδων: 118 Αρ. Εικόνων: 115 Αρ. Διαγραμμάτων: Αρ. Πινάκων: 16 Αρ. Παραρτημάτων: Αρ. Παραπομπών: 16. Λέξεις κλειδιά: Σωματίδια αιθάλης (PM), αιθάλη (soot), διαγνωστικά συστήματα επί οχήματος (OBD), αισθητήρες σωματιδίων αιθάλης (PMSS), φίλτρα αιθάλης (DPF), πρότυπα εκπομπών, επιτρεπόμενα όριο εκπομπών για OBD, Συναρτήσεις Μεταφοράς, Υποσύνολα, Βαθμονόμηση αισθητήρα 17. Σχόλια: επιπλέον παραμέτρων εισόδου και βαθμονόμηση της ΣΜ από δεδομένα διαφορετικού αισθητήρα Τέλος, παρουσιάζονται τα συμπεράσματα που προκύπτουν από τη λειτουργία και τη σύγκριση των Συναρτήσεων Μεταφοράς των αισθητήρων. 18. Συμπληρωματικές παρατηρήσεις: 19. Βαθμός:

4

5 Πρόλογος Με την παρούσα διπλωματική εργασία φτάνει στο τέλος της η καθημερινή και πολύωρη διατριβή μου στο Εργαστήριο Εφαρμοσμένης Θερμοδυναμικής (LAT) του Αριστοτελείου Πανεπιστημίου Θεσσαλονίκης το χρονικό διάστημα Απρίλιο 2013 μέχρι το Μάρτιο του Κύριος στόχος της διερεύνησης αυτής ήταν η δημιουργία συναρτήσεων μεταφοράς (Transfer Functions) από τα δεδομένα τεσσάρων αισθητήρων αιθάλης τα οποία προέκυψαν από συνδυασμούς προεπιλεγμένων επιπέδων παραγόντων του κινητήρα Daimler OM646 στον οποίο πραγματοποιήθηκαν οι μετρήσεις εντός του εργαστηρίου. Σκοπός της παραγωγής των Συναρτήσεων Μεταφοράς είναι η βελτιστοποίηση της λειτουργίας των αισθητήρων αιθάλης, με σκοπό την πρόβλεψη της κατάστασης του φίλτρου σωματιδίων. Με την ευκαιρία που μου δίνεται, θα ήθελα να ευχαριστήσω τον διευθυντή του εργαστηρίου Εφαρμοσμένης Θερμοδυναμικής του τμήματος Μηχανολόγων Μηχανικών Καθηγητή κ. Σαμαρά Ζήση για την εμπιστοσύνη του στη ανάθεση της παρούσας διερεύνησης κατά την διάρκεια της οποίας μου δόθηκε η δυνατότητα να εμπλουτίσω τις γνώσεις μου στο τομέα της μηχανολογίας. Επίσης θα ήθελα να ευχαριστήσω τον υποψήφιο διδάκτορα Φραγκιαδουλάκη Παύλο για τα δεδομένα που μου παρείχε και την παράλληλη καθοδήγηση και συμβολή του με τις μεγάλες ικανότητες που διαθέτει στην επίλυση των δυσκολιών που αντιμετωπίστηκαν κατά την εκπόνηση της εργασίας. Θερμές ευχαριστίες σε όλα τα μέλη του εργαστηρίου για την άριστη συνεργασία και αμέριστη διάθεση προσφοράς των γνώσεων τους αλλά και οποιασδήποτε απαραίτητης βοήθειας κατά την διάρκεια της εργασίας μου στον χώρο. Ένα μεγάλο ευχαριστώ στην μητέρα μου και την αδερφή μου για την αμέριστη συμπαράσταση και στήριξη τους όλα αυτά τα χρόνια. Επίσης ειδικές ευχαριστίες στους φίλους μου Στέφανο, Θάνο, Δημήτρη, Κρίστη, Σωκράτη που με τις συμβουλές τους και τον δικό τους τρόπο κρατούσαν το ηθικό μου ακμαίο. Δεν θα μπορούσα να παραλείψω τους συμφοιτητές μου οι οποίοι μοιράστηκαν μαζί μου μεγάλο μέρος του ελεύθερου χρόνου τους για εργασίες, διάβασμα και προετοιμασία για εξετάσεις. Τέλος αυτή την διπλωματική εργασία η οποία σηματοδοτεί και την έναρξη της σταδιοδρομίας μου ως μηχανικού «Πατέρα σου την αφιερώνω».

6 i Πίνακας περιεχομένων Εισαγωγή Η αιθάλη και η σημασία της στους κινητήρες ντίζελ Η αιθάλη ως υποπροϊόν της καύσης Εννοιολογικό μοντέλο της συμβατικής καύσης σε κινητήρες ντίζελ Νομοθεσία και κανονισμοί Φίλτρα αιθάλης (DPF) Παθητικά φίλτρα Ενεργά φίλτρα Σύγκριση μεταξύ παθητικών και ενεργών φίλτρων Συστήματα αυτοδιάγνωσης (OBD) Ιστορική αναδρομή συστημάτων αυτοδιάγνωσης Το σύστημα OBD ως σύστημα ελέγχου των εκπομπών καυσαερίων Ευρωπαϊκή νομοθεσία για τα συστήματα αυτοδιάγνωσης (OBD) Αισθητήρες αιθάλης Είδη αισθητήρων και κατασκευαστές τους Παρουσίαση του εξεταζόμενου αισθητήρα αιθάλης Μετρήσεις πρωτότυπου αισθητήρα αιθάλης Μετρητικές Διατάξεις και όργανα μέτρησης Μετρητικά όργανα και υποστηρικτικές συσκευές Λογισμικό μετρήσεων Διάταξη του κινητήρα Daimler Μετρήσεις στον κινητήρα Daimler Ανάλυση και αξιολόγηση Συναρτήσεων Μεταφοράς (TF) Οδηγίες για δημιουργία Συνάρτησης Μεταφοράς Μελέτη επίδρασης επιλογής υποσυνόλων δεδομένων αισθητήρα (datasets) Μεθοδολογία... 77

7 ii Αποτελέσματα Μελέτη επίδρασης παραγόντων lambda και Ο 2 στις TF Δημιουργία των Συναρτήσεων Μεταφοράς Αποτελέσματα Μελέτη δυνατότητας βαθμονόμησης TF σε άλλους αισθητήρες Διαδικασία βαθμονόμησης TF Αποτελέσματα Συμπεράσματα Βιβλιογραφία

8 3 Εισαγωγή Η ανάγκη του άνθρωπου για μεγαλύτερη ευκολία και καλύτερες συνθήκες διαβίωσης ώθησε την τεχνολογία προς ανάπτυξη. Λόγω της συνεχόμενης ανάπτυξης οι περιβαλλοντικές επιπτώσεις γίνονται δυσμενέστερες με την πάροδο του χρόνου. Έτσι επήλθε η ανάγκη τοποθέτησης ορίων (νόμων) για την εξισορρόπηση των συνθηκών. Για τον λόγο αυτό η αυτοκινητοβιομηχανία αναγκάζεται να παράγει οχήματα με ολοένα και χαμηλότερες εκπομπές ρύπων σε σχέση με οχήματα παλαιότερης τεχνολογίας. Τα νομοθετικά πλαίσια θεσπίζουν ολοένα και πιο αυστηρά πρότυπα εκπομπών με μια σειρά από οδηγίες και κανονισμούς που αφορούν τα αποδεκτά όρια των εκπομπών ρύπων των νέων οχημάτων, τη θέσπιση προτυποποιημένων μεταβατικών κύκλων για την μέτρηση των εκπομπών και προδιαγραφές για τα διαγνωστικά που χρησιμοποιούνται στα οχήματα. Οι κατασκευαστές παρατηρώντας τα επιτρεπόμενα όρια να χαμηλώνουν (από τα νομοθετικά πλαίσια) αναγκάζονται συνεχώς να αναζητούν πιο δραστικές και αξιόπιστες λύσεις σε σχέση με τα συστήματα μετεπεξεργασίας των καυσαερίων. Τα σωματίδια αιθάλης (PM) μαζί με τα οξείδια του αζώτου (NOx) τα οποία θεωρούνται από τους πιο επιβλαβής ρύπους μηχανές εσωτερικής καύσης, βρίσκονται στο επίκεντρο, έτσι μαζί με αυτά και οι κινητήρες ντίζελ οι οποίοι παράγουν τα δύο είδη ρύπων σε υπερθετικό βαθμό. Σαν πρώτο βήμα, έχει είδη επιβληθεί στους κατασκευαστές των πετρελαιοκίνητων οχημάτων να κάνουν χρήση φίλτρων αιθάλης (DPF) για την μείωση των εκπεμπόμενων ρύπων. Έτσι οι αντίστοιχοι κανονισμοί που αφορούν τα διαγνωστικά συστήματα επί του οχήματος (OBD) τα οποία φέρουν τα νέα οχήματα και πρόκειται να εφαρμόζονται στο μέλλον στα νέας κυκλοφορίας οχήματα, περιλαμβάνουν ακόμη πιο αυστηρούς περιορισμούς καθιστώντας απαραίτητη τη συνεχή παρακολούθηση και καταγραφή των αποτελεσμάτων των DPF. Ως αποτέλεσμα των περιορισμών αυτών γίνεται απαραίτητη και επιβάλλεται η ανάπτυξη της τεχνολογίας αισθητήρων αιθάλης (PMSS). Οι αισθητήρες αιθάλης αποτελούν ένα είδος μείωσης των εκπομπών που βρίσκεται σε πρώιμο στάδιο της ανάπτυξης και έχουν ως βασική τους λειτουργία τον έλεγχο της αποτελεσματικότητας της παγίδας σωματιδίων που χρησιμοποιείται στους πετρελαιοκινητήρες. Όλα τα πιο πάνω έχουν ως αποτέλεσμα την έντονη επιστημονική κινητικότητα στον τομέα αυτό για την προσπάθεια εξεύρεσης νέων μεθόδων επίλυσης των προβλημάτων που παρουσιάζονται από τις εκπομπές. Στο πλαίσιο αυτό εντάσσεται και η παρούσα διπλωματική εργασία η οποία έχει ως στόχο τη διερεύνηση και αξιολόγηση αισθητήρων αιθάλης τύπου αντίστασης (resistive) με τους οποίους γίνεται διάγνωση της κατάστασης του φίλτρου που έχει εγκατασταθεί στον κινητήρα σε διάφορες

9 4 συνθήκες λειτουργίας και γίνεται σύγκριση με τα επιτρεπόμενα όρια που καθορίζονται από τους νομοθετικούς κανονισμούς Euro της Ευρωπαϊκής ένωσης για εφαρμογές ελαφρών οχημάτων. Στα πλαίσια της βελτιστοποίησης των αισθητήρων αιθάλης διερευνήθηκαν τρία ζητήματα που αφορούν τις Συναρτήσεις Μεταφοράς οι οποίες παράγονται από τα πειραματικά δεδομένα κάθε αισθητήρα: 1) Η επίδραση της επιλογής υποσυνόλων (Datasets) ενός ευρύτερου συνόλου δεδομένων ενός αισθητήρα στην τελική Συνάρτηση Μεταφοράς η οποία εφαρμόζεται σε σχέση με τη συνολική ΣΜ. 2) Η διερεύνηση της επίδρασης των παραγόντων Lambda και O 2 στην έξοδο της Συνάρτησης Μεταφοράς. 3) Η διερεύνηση της δυνατότητας βαθμονόμησης, δηλαδή της χρήσης και εφαρμογής μιας Συνάρτησης Μεταφοράς η οποία έχει παραχθεί από τα δεδομένα ενός αισθητήρα σε ένα άλλο αισθητήρα.

10 5 1 Η αιθάλη και η σημασία της στους κινητήρες ντίζελ Οι κινητήρες ντίζελ και οι καυστήρες πετρελαίου εκπέμπουν αέρια προϊόντα της αντίδρασης (CO 2, CO, Η 2, SO x, NO x, H 2 O), καθώς και στερεά (κυρίως αιθάλη). Η ανίχνευση αιθάλης στις εκπομπές αερίων είναι σημαντική για τη βελτιστοποίηση των διεργασιών καύσεως και την εποπτεία των νομοθετικών ορίων εκπομπών. Σε αντίθεση με τη μέτρηση των αερίων εκπομπών, η μέτρηση της συγκέντρωσης αιθάλης δεν είναι τόσο καλά ανεπτυγμένη. Οι περισσότερες από τις μεθόδους που χρησιμοποιούνται συνήθως μπορούν να καθορίσουν μόνο την οπτική εξαφάνιση της αιθάλης και άλλων μικροσωματιδίων (που παράγονται κατά την καύση) από τα καυσαέρια και όχι τη σημαντική οικολογική συγκέντρωση των σωματιδίων αιθάλης και των άλλων εκλυόμενων σωματιδίων. 1.1 Η αιθάλη ως υποπροϊόν της καύσης Οι κινητήρες ντίζελ έχουν μια εξαιρετική φήμη για την χαμηλή κατανάλωση καυσίμων, την αξιοπιστία και την χαρακτηριστική αντοχή τους. Είναι επίσης γνωστοί για τις εξαιρετικά χαμηλές εκπομπές υδρογονανθράκων και μονοξειδίου του άνθρακα. Ωστόσο, έχουν απορριφθεί από πολλούς εξ αιτίας της αυξημένης ροής καυσαερίων με χαρακτηριστική οσμή τα οποία επίσης χαρακτηρίζει η παρουσία οξειδίων του αζώτου και υψηλές εκπομπές αιωρούμενων σωματιδίων που εμπεριέχουν αιθάλη. Προκειμένου να βελτιωθεί η κατανάλωση καυσίμου και να μειωθούν οι εκπομπές ρύπων πρέπει κατ' αρχάς να γίνουν κατανοητοί οι μηχανισμοί της καύσης σε κινητήρες ντίζελ. Η καύση ντίζελ είναι σύνθετη διαδικασία και περιλαμβάνει τόσο βήματα φυσικής όσο και χημείας όπως έχει άλλωστε περιγράφει από πολλούς (Heywood, 1988) (Henein N. B., 1971) (Flynn, 1999). Η διαδικασία της καύσης συνήθως περιγράφεται με όρους τριών διακριτών φάσεων (Σχήμα 1.1) : α. Καθυστέρηση ανάφλεξης (a b) β. Προαναμεμιγμένης καύσης (b c) γ. Καύση ελεγχόμενης τιμής (c d) Σχήμα 1.1 Φάσεις καύσης στους κινητήρες ντίζελ

11 6 α. Καθυστέρηση ανάφλεξης Η καθυστέρηση ανάφλεξης στην καύση των κινητήρων ντίζελ είναι ο χρόνος μεταξύ της έναρξης έγχυσης καυσίμου και της έναρξης της ανιχνεύσιμης καύσης (a b). Τα κριτήρια που χρησιμοποιούνται για τον ποσοτικό προσδιορισμό της έναρξης της καύσης περιλαμβάνουν: απότομες αλλαγές στην πίεση του κυλίνδρου εκπομπή φωτός από τις αντιδράσεις καύσης άνοδος της θερμοκρασίας συνέπεια της καύσης καύση ορισμένης ποσότητας καυσίμων ένα σταθερό σημείο επί της καμπύλης ρυθμού απελευθέρωσης θερμότητας Ένας κοινός ορισμός για την καθυστέρηση ανάφλεξης είναι ο χρόνος μεταξύ της έναρξης της έγχυσης (SOI) και το χρόνο κατά τον οποίο το καθαρό ποσοστό θερμότητας που απελευθερώθηκε επιστρέφει στο μηδέν. Σύντομα μετά την έγχυση το καθαρό ποσοστό θερμότητας που απελευθερώνεται είναι συνήθως αρνητικό και αυτό οφείλεται στη θέρμανση του υγρού καυσίμου και την εξάτμιση αυτού. Η περίοδος ανάφλεξης θεωρείτε ότι έχει τελειώσει όταν έχει απελευθερωθεί αρκετή θερμότητα από τη διαδικασία καύσης για την παραγωγή θετικού ποσοστού θερμότητας. Αλλιώς αυτό γίνεται γνωστό και ως ο χρόνος όπου η ολοκληρωμένη ποσότητα θερμότητας που απελευθερώνεται από τις αντιδράσεις καθίσταται ίση προς εκείνη που απορροφάται από το καύσιμο που εξατμίζεται. Ανάλογα με το πώς μετράται η έναρξη έγχυσης, η καθυστέρηση ανάφλεξης μπορεί να εμπεριέχει καθυστέρηση έγχυσης η οποία εκφράζεται ως ο χρόνος που χρειάζεται μέχρι να λάβει το σήμα ο εγχυτήρας να ανοίξει και να επιτρέψει στο καύσιμο να εξέρθει από το ακροφύσιο του εντός του θαλάμου καύσης. Για παράδειγμα, σε μία μελέτη με τη χρήση ενός υδραυλικά ελεγχόμενου ηλεκτρικού εγχυτήρα (HEUI) με μέγιστη πίεση ψεκασμού 142 MPa, μετρήθηκε καθυστέρησης περίπου 1,5 ms (Cheng, 2007). Αυτή ήταν αρκετές φορές μεγαλύτερη από την πραγματική διάρκεια της καθυστέρησης ανάφλεξης, που μετράται από τη στιγμή που βγήκε από τον εγχυτήρα το καύσιμο μέχρι την έναρξη της ανιχνεύσιμης καύσης. Άλλες μετρήσεις που πραγματοποιήθηκαν για καθυστερήσεις έγχυσης σε συστήματα κοινής βάσης κυμαίνονται μεταξύ 0,30 έως 0,75 ms (Laguitton, 2002) (Kastengren, 2007). Η διάρκεια της καθυστέρησης ανάφλεξης είναι ένα σημαντικό κριτήριο. Έχει σημαντική επίδραση στη διαδικασία καύσης, στις μηχανικές καταπονήσεις, στο θόρυβο του κινητήρα και τις εκπομπές καυσαερίων. Σε αντίθεση με τους βενζινοκινητήρες, όπου η καύση ξεκινάει μέσω ενός σπινθήρα που προέρχεται από τον ηλεκτρικά ενεργό σπινθηριστή ο οποίος είναι τοποθετημένος σε μία θέση, η καύση σε κινητήρες ντίζελ ξεκινά από αυτανάφλεξης σε πολυάριθμες περιοχές στο θάλαμο καύσης. Το Σχήμα 1.2 δίνει μια περίληψη των φυσικών και χημικών βημάτων πριν και μετά την αυτανάφλεξη.

12 7 Σχήμα 1.2 Περιληπτικά βήματα πριν και μετά την αυτανάφλεξη Οι φυσικές διαδικασίες που εμπλέκονται στην περίοδο καθυστέρησης ανάφλεξης είναι: διάσπαση ψεκασμού και σχηματισμός σταγονιδίων ανάμιξη καυσίμου και αέρα θέρμανση του υγρού καυσίμου και εξάτμιση του ανάμιξη του ατμού με αέρα για να σχηματίσει ένα καύσιμο μίγμα Αυτά τα στάδια συχνά αναφέρονται ως η «προετοιμασία του μίγματος», αν και ο όρος αυτός μπορεί να περιλαμβάνει περισσότερα από τα βήματα που αναφέρονται πιο πάνω. Στο στάδιο προετοιμασίας του μίγματος επίσης συμπεριλαμβάνονται, το αποτέλεσμα από την κίνηση του αέρα που οφείλετε στον σχεδιασμό της θύρας της βαλβίδας εισαγωγής, η μεταφορά θερμότητας στη ροή του αέρα διαμέσου της θύρας εισαγωγής, η θερμοκρασία του αέρα και οποιεσδήποτε άλλες παράμετροι που μπορούν να επηρεάσουν την ποιότητα του μίγματος καυσίμου/αέρα. Τα περισσότερα, αν όχι όλα από αυτά τα βήματα, είναι φυσικές διαδικασίες οι οποίες στη φύση και γενικά ολοκληρώνονται σε εξαιρετικά σύντομο χρονικό διάστημα. Οι χημικές διεργασίες που λαμβάνουν χώρα κατά την περίοδο καθυστέρησης ανάφλεξης είναι : αντιδράσεις προανάφλεξης που διασπούν το καύσιμο που αποτελείτε από υδρογονάνθρακες με αποτέλεσμα τη δημιουργία ελεύθερων χημικών ριζών τοπική ανάφλεξη που λαμβάνει χώρα σε διάφορες περιοχές εντός του θαλάμου καύσης. Αφού έρθει σε επαφή το ατμοποιημένο καύσιμο με τον αέρα αρχίζουν οι χημικές διεργασίες. Κατά τα πρώιμα στάδια της έγχυσης η μάζα του ατμοποιημένου καυσίμου είναι πολύ μικρή για να προκαλέσει οποιαδήποτε εμφανή-ανιχνεύσιμα φαινόμενα καύσης. Κατά τα πρώιμα στάδια της προανάφλεξης μπορεί να θεωρηθεί ότι υπερέχουν οι φυσικές διεργασίες που έχουν ως

13 8 αποτέλεσμα το σχηματισμό ενός καύσιμου μίγματος και τα μεταγενέστερα στάδια από τις χημικές μεταβολές που οδηγούν σε αυτανάφλεξη (Henein, 1972). Λόγω του ότι καθίσταται δύσκολο έως αδύνατο να τραβηχτεί μια σαφής γραμμή που να διαχωρίζει τις φυσικές με τις χημικές διαδικασίες λόγω επικάλυψης τους κατά το τέλος της μιας και την αρχή της άλλης, συχνά γίνεται μια εκτίμηση του σημείου όπου η χημική διαδικασία αρχίζει να επικρατεί. Στο Σχήμα 1.3 διασπάται η περίοδος καθυστέρησης ανάφλεξης σε δύο ποσοτικές περιόδους. Το διάστημα τ 1 αντιπροσωπεύει την περίοδο που προηγείται της στιγμής πριν να έχουν μετρήσιμη επίδραση στην πίεση του κυλίνδρου οι εξώθερμες χημικές αντιδράσεις. Η γραμμική πτώση της πίεσης του κυλίνδρου διακατέχεται από παράγοντες που επηρεάζουν τη φυσική συνιστώσα της περιόδου καθυστέρησης ανάφλεξης. Η περίοδος τ 1 τελειώνει όταν η πίεση του κυλίνδρου για μια αντίδραση ψεκασμού (συνεχής γραμμή) διαχωρίζεται από εκείνη ενός πανομοιότυπου ψεκασμού όπου εγχέεται αδρανή ατμόσφαιρα αζώτου (κατώτερη διακεκομμένη γραμμή). Η περίοδος τ 2 αντιπροσωπεύει την περίοδο κατά την οποία εξώθερμες αντιδράσεις αναλαμβάνουν και επιτρέπουν την επαναφορά της πίεσης του κυλίνδρου από τη θερμότητα που απορροφάται από την εξάτμιση των καυσίμων. Ο συνδυασμός αυτών των δύο περιόδων, τ 1 + τ 2, αντιπροσωπεύει την περίοδο καθυστέρησης ανάφλεξης (Kobori, 2000). Σχήμα 1.3 Ορισμός της καθυστέρησης ανάφλεξης Πέραν από τον τύπο καυσίμου (χημική δομή), τη θερμοκρασία και τις συνθήκες πίεσης, η καθυστέρηση ανάφλεξης επίσης επηρεάζεται από την πίεση ψεκασμού και τη διάμετρο του στομίου του ακροφυσίου έγχυσης.

14 9 β. Προαναμεμιγμένη καύση Ο όρος προαναμεμιγμένη καύση αναφέρεται στην ταχεία προαναμεμιγμένη καύση ενός τμήματος του καυσίμου που εγχέεται κατά τη διάρκεια της περιόδου καθυστέρησης ανάφλεξης. Η περίοδος αυτή αναφέρεται ως b c στο Σχήμα 1.1. Αυτό το τμήμα του καυσίμου έχει υποβληθεί σε χημικές αντιδράσεις προανάφλεξης όπως σε εξαερίωση και εξάτμιση. Επίσης αναμειγνύεται με αέρα για να σχηματιστεί ένα πλούσιο μίγμα έτοιμο να αναφλεγεί μόλις επιτευχθεί η κατάλληλη θερμοκρασία (θερμοκρασία αυτανάφλεξης). Όταν προκύψει αυτανάφλεξη, το προαναμεμιγμένο καύσιμο καίγεται με ένα πολύ υψηλό ρυθμό, δημιουργώντας έτσι υψηλή θερμοκρασία και υψηλά ποσοστά αύξησης της πίεσης στην θάλαμο καύσης (Gerpen, 2001). Το ποσοστό της προαναμεμιγμένης καύσης διέπεται κυρίως από χημική κινητική. Ο χαρακτηριστικός θόρυβος των κινητήρων ντίζελ είναι επίσης συνδεδεμένος με τη φάση της προαναμεμιγμένης καύσης. Είναι γενικά αποδεκτό ότι ο ρυθμός αύξησης της πίεσης που προέρχεται από την προαναμεμιγμένη καύση, είναι ανάλογος με την ένταση του θορύβου σε κινητήρες ντίζελ. Το εναπομείναν καύσιμο που δε συμμετέχει στην προαναμεμιγμένη καύση δεν έχει εγχυθεί, εξατμιστεί, ή αναμιχθεί με τον αέρα και μπορεί να είναι πάρα πολύ φτωχό ή πολύ πλούσιο για να καεί. Οι στροφές του κινητήρα, το φορτίο και το χρονοδιάγραμμα έγχυσης μπορεί να επηρεάσουν το ποσοστό του συνόλου του καυσίμου που καίγεται κατά την προαναμεμιγμένη φάση. Με την εξέταση μερικών συσχετίσεων, διαπιστώνεται ότι η μάζα του καυσίμου που καίγεται κατά την προαναμεμιγμένη φάση αυξάνεται γραμμικά μαζί με τις στροφές του κινητήρα και το χρόνο καθυστέρησης ανάφλεξης. γ. Καύση ελεγχόμενης τιμής Το εναπομείναν καύσιμο, που δε συμμετείχε στη φάση της προαναμεμιγμένης καύσης αντιπροσωπεύει το μεγαλύτερο μέρος του καυσίμου που καταναλώνεται κατά τη διάρκεια ενός πλήρους κύκλου. Στη φάση της ελεγχόμενης καύσης, ο ρυθμός καύσης του καυσίμου αυτού ελέγχεται από τον ρυθμό της έγχυσης του και την επακόλουθη ανάμιξη του με αέρα. Αυτή η φάση χαρακτηρίζεται από μια χαμηλότερη έκλυση θερμότητας από εκείνη που επιτυγχάνεται στην προαναμεμιγμένη φάση. Η φάση της ελεγχόμενης καύσης αντιπροσωπεύεται από την καμπύλη μεταξύ του C D στο Σχήμα 1.1. Αναφορές στη φάση αυτή γίνονται επίσης με τις ονομασίες καύση ελεγχόμενης ανάμιξης ή καύση διάχυσης. Ο τελευταίος όρος δεν είναι απόλυτα σωστός, για το λόγο ότι και η προαναμεμιγμένη καύση, αποτελεί μέρος αυτής της φάσης, όπως αναφέρεται παρακάτω. Στο Σχήμα 1.4 παρουσιάζονται τα βήματα καύσης τριών τύπων μιγμάτων: πλούσιου

15 10 στοιχειομετρικού φτωχού μίγματος (Gerpen, 2001) Η καύση θεωρείται ότι είναι πλήρης όταν υπάρχει στοιχειομετρική αναλογία στα αντιδρώντα και τα προϊόντα της είναι γενικά το νερό (H 2 O) και διοξείδιο του άνθρακα (CO 2 ). Για πλούσια μίγματα, υπάρχουν δύο πιθανότητες. Κατά την πρώτη αν το μίγμα παραμένει πλούσιο, η καύση θα είναι ατελής και αυτό θα εκδηλωθεί με την παραγωγή αιθάλης. Η δεύτερη πιθανότητα είναι, το πλούσιο μίγμα να αναμιχθεί με ένα πιο φτωχό μίγμα ή επιπλέον αέρα, σχηματίζοντας έτσι ένα συνολικά στοιχειομετρικό μίγμα ώστε να προκληθεί μια πλήρες καύση. Μίγμα Πλούσιο Στοιχειομετρικό Φτωχό Αναμιγνύεται Δεν αναμιγνύεται Παραμένει Αναμιγνύεται με φτωχό μίγμα ή αέρα με πλούσιο μίγμα Αναμιγνύεται με φτωχό μίγμα ή αέρα Πλούσιο Τέλεια καύση Σχηματισμός εκπομπών UHC: Άκαυστοι υδρογονάνθρακες Σχήμα 1.4 Τα τρία βήματα από την καύση στην ανάφλεξη Το τρίτο μίγμα που παρατηρείται στο Σχήμα 1.4 είναι αρχικά φτωχό. Αυτό το μίγμα θα έχει επίσης δυο πιθανές διαδρομές. Αρχικά αν αναμιχθεί με ένα άλλο φτωχότερο μίγμα ή απλά με αέρα δεν θα καεί αποτελεσματικά και θα παράγει υδρογονάνθρακες, πιθανότατα σε αέρια μορφή. Ωστόσο, εάν το μίγμα αναμιχθεί με ένα άλλο πλουσιότερο ή με μεγαλύτερη ποσότητα και φτάσει μια στοιχειομετρική κατάσταση θα καεί πλήρως. Ενώ η διαδικασία της καύσης έχει υποστεί επεξεργασία αποτελούμενη από τις τρείς πιο πάνω διακριτές φάσεις, μπορεί να ορισθεί μια τέταρτη φάση η οποία να περιγράφει τη δραστηριότητα

16 11 στα τελικά στάδια, μετά το τέλος της έγχυσης και πριν το άνοιγμα της βαλβίδας εξαγωγής. Σε αυτή την τελική φάση το τυχόν εναπομένον καύσιμο το οποίο δεν συμμετείχε στην διαδικασία της καύσης θα συνεχίσει ίσως σε πολύ χαμηλό ρυθμό να καίγεται [Σχήμα 1.1 (D E)].Επιπλέον, το ποσό του καυσίμου το οποίο έχει καεί κατά την διάρκεια της καύσης με ελεγχόμενο ρυθμό, μπορεί να έχει συμβάλει στη δημιουργία άνθρακα ο οποίος την περίπτωση οξείδωσης του θα απελευθερώσει κάποιο ποσοστό ενέργειας. Οι συνθήκες δε, σε αυτή την φάση είναι ακόμη ανομοιόμορφες και αυτό είναι εμφανές από την κατανομή της θερμοκρασίας και από άποψη χημικής σύνθεσης. Ως εκ τούτου και εφόσον εξακολουθεί να υπάρχει κίνηση στο εσωτερικό του κυλίνδρου, οι προσμίξεις θα συνεχίσουν να λαμβάνουν χώρα και ως αποτέλεσμα αυτού οι αυξημένες πιθανότητες για το καύσιμο και τα μερικώς οξειδωμένα προϊόντα να οξειδωθούν πλήρως Εννοιολογικό μοντέλο της συμβατικής καύσης σε κινητήρες ντίζελ Στο Σχήμα 1.5 συνοψίζεται το εννοιολογικό μοντέλο της καύσης του προαναμεμιγμένου καύσιμου. Δεδομένου ότι η περιγραφή είναι για μια συγκεκριμένη μηχανή ντίζελ η οποία σχεδιάστηκε για να λειτουργεί σε καταστάσεις μέτριου φορτιού, τα ποσοτικά στοιχεία ισχύουν μόνο στην περίπτωση που εξετάζεται. Οι τιμές για άλλες μηχανές καθώς οι συνθήκες λειτουργίας τους μπορεί να είναι διαφορετικές. Σχήμα 1.5 Εννοιολογικό μοντέλο της καύσης του συμβατικού ντίζελ από την προαναμεμιγμένη καύση μέχρι και την φάση της ελεγχόμενης καύσης

17 12 Πίνακας 1.1 Εξήγηση των σταδίων στο Σχήμα 1.5 ΣΤΑΔΙΑ ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ 1 Δέσμη υγρού καυσίμου υπό μορφή πίδακα εξέρχεται από το ακροφύσιο του εγχυτήρα συμπαρασύροντας αέρα, σχηματίζοντας έτσι ένα μίγμα αέρα και σταγονιδίων καυσίμου. 2 Το μίγμα καυσίμου (ατμός/αέρας) αρχίζει να αναπτύσσεται κατά μήκος του κώνου ψεκασμού(jet). 3 Ο κώνος ψεκασμού φτάνει στο μέγιστο μέγεθος- Εξάτμιση από παρασυρόμενο θερμό αέρα. 4 Παρουσία χημειοφωταύγειας (αποτέλεσμα χημικής αντίδρασης). 5 Έναρξη ταχείας αύξησης της πίεσης από την προαναμεμιγμένη καύση. 6 Πλούσιο μίγμα ατμοποιημένου καύσιμου/αέρα (φ=2-4) αναπτύσσεται πέρα από τον κώνο ψεκασμού. Η χημειοφωταύγεια συνεχίζεται με μικρή παρουσία καυσίμου. 7 Διάσπαση του καυσίμου και δημιουργία αιθάλης(pah) στο εμπρόσθιο μέρος του κώνου ψεκασμού. Ταχεία αύξηση της πίεσης από την καύση. 8 Εμφάνιση μικρών σωματιδίων αιθάλης. Η φλόγα αρχίζει να διαχέεται και ν αναπτύσσεται στην περιφέρεια. 9 Ο κώνος ψεκασμού μικραίνει σε μήκος. 10 Η φλόγα αρχίζει να περιβάλλει κατάντη τμήμα του κώνου. Στο εσωτερικό της περιφέρειας εμφανίζονται μεγαλύτερα σωματίδια αιθάλης. 11 Ολοκλήρωση προαναμεμιγμένης καύσης. 12 Η συγκέντρωση αιθάλης παρουσιάζει μεγάλη αύξηση, με περισσότερα και μεγαλύτερα σωματίδια στην κορυφή. 13 Αμέσως μικρότερα σωματίδια από τα προαναφερόμενα παραμένουν στην περιφέρεια. 14 Επικρατεί απόλυτα η καύση ελεγχόμενης πρόσμιξης.δημιουργία δίνης στην κορυφή όπου και εμφανίζεται η μεγαλύτερη συγκέντρωση αιθάλης. 15 Απουσία αιθάλης ανάντη αυτής της περιοχής. Τα μεγαλύτερα σωματίδια βρίσκονται στην δίνη που βρίσκεται στην κορυφή, τα μικρότερα κατά μήκος της υπόλοιπης περιφέρειας και τα πιο μικρά στο κέντρο. Χημειοφωταύγεια: Σημειώνεται ως η έκκληση φωτός κατά την διάρκεια μιας χημικής αντίδρασης Μετά την έναρξη της έγχυσης του καυσίμου και καθώς η δέσμη του υγρού καυσίμου εξέρχεται από το άκρο του εγχυτήρα, συμπαρασύρει αέρα ο οποίος έχει θερμανθεί κατά την διαδικασία της συμπίεσης. Ο συμπαρασυρόμενος αέρας θερμαίνει το καύσιμο προκαλώντας έτσι την έναρξη της

18 13 εξάτμισης του. Δεδομένου ότι το μίγμα του καυσίμου υπό την μορφή σταγονιδίων συνεχίζει να διεισδύει μέσα στον θάλαμο καύσης, θα συμπαρασύρει περισσότερο θερμό αέρα με αποτέλεσμα σε μια χρονική στιγμή η ενέργεια που αποδίδει ο συμπαρασυρόμενος αέρας να ισούται με την ενέργεια που απαιτείτε για ατμοποίηση όλου του καυσίμου που εξέρχεται από τον εγχυτήρα. Στο σημείο αυτό η διείσδυση του υγρού άκρου σταθεροποιείται και φτάνει το μέγιστο εύρος της. Αυτό μπορεί να συμβεί πριν από την οποιασδήποτε παρουσία σημαντικής έκλυσης θερμότητας και αποδεικνύεται ότι η απόσταση διείσδυσης του υγρού καυσίμου δεν περιορίζεται από τη θερμότητα που περικλείεται από την καύση αλλά από τον συμπαρασυρόμενο θερμό και συμπιεσμένο αέρα που εισχωρεί μέσα στον κώνο ψεκασμού. Πριν από τη μέγιστη διείσδυση της υγρής φάσης, δημιουργείται μια περιοχή καυσίμου υπό την μορφή ατμού κατά μήκος των πλευρών του κώνου ψεκασμού η οποία είναι πάρα πολύ λεπτή ή ανύπαρκτη στον εγχυτήρα και γίνεται προοδευτικά παχύτερη στο κάτω μέρος. Η έκταση της φάσης του ατμοποιημένου καυσίμου κατά τη διάρκεια αυτής της περιόδου είναι ίδια με αυτή από την υγρή φάση. Όταν η υγρή φάση έχει είδη φτάσει την μέγιστη της έκταση, η ατμοποιημένη φάση συνεχίζει να διεισδύει κατά μήκος του θαλάμου καύσης. Το ατμοποιημένο καύσιμο αναμιγνύεται καλά με φερόμενο αέρα σε μια αναλογία καυσίμου- αέρα 2-4.Αυτό συμβαίνει στο κάτω μέρος της περιοχής του υγρού καυσίμου πριν από την έκκληση θερμότητας. Αυτό το πλούσιο και εύφλεκτο μίγμα βρίσκεται καθ όλο το μήκος της διατομής του κώνου ψεκασμού και δεν υπάρχουν καθαρές ή κάπως καθαρές περιοχές καυσίμου στο κάτω μέρος του άκρου ψεκασμού. Μια ποσότητα σχεδόν στοιχειομετρικού μίγματος εμφανίζεται σε μια πολύ μικρή περιοχή στα άκρα και περιέχει ένα πολύ μικρό τμήμα του προαναμεμιγμένου καυσίμου. Συνθήκες προανάφλεξης (χαμηλή θερμοκρασία, έκλυση θερμότητας) εμφανίζονται σε πολλές θέσεις στην περιοχή του προαναμεμιγμένου ατμού και είναι ογκομετρικά ομοιόμορφα κατανεμημένες. Αρκετά πριν την έγχυση και πριν η ατμοποιημένη φάση διεισδύσει πέραν του κώνου ψεκασμού παρουσιάζεται χημειοφωταύγεια στα άκρα του κώνου ως αποτέλεσμα των αντιδράσεων χαμηλών θερμοκρασιών. Στη συνέχεια εμφανίζεται στην περιοχή του ατμοποιημένου καυσίμου στο κάτω μέρος του κώνου ψεκασμού όπως αυτός σχηματίζεται. Η κατανομή του καυσίμου σε όλο το προαναμεμιγμένο πλούσιο μίγμα που δημιουργήθηκε, 70μs μετά την παρουσία χημειοφωταύγειας συμπίπτει με τον ταχύ ρυθμό απελευθέρωσης θερμότητας. Αυτό δείχνει ότι το αρχικό μίγμα ήταν πλούσιο. Στο σημείο αυτό αρχίζει να δημιουργείται πρόδρομος αιθάλης σχεδόν ταυτόχρονα με τη διάσπαση του καυσίμου ( 140μs αργότερα). Αυτά τα πρώτα σωματίδια είναι πολύ μικρά σε μέγεθος και ανιχνεύονται σε τμήματα καθ όλη την έκταση της διατομής της προαναμεμιγμένης περιοχής. Στη συνέχεια, περίπου 70μs αργότερα τα σωματίδια αιθάλης βρίσκονται σε όλη τη διατομή του κάτω μέρους του κώνου και μεγαλύτερα σωματίδια αιθάλης ανιχνεύονται γύρω από την περιφέρεια της προαναμεμιγμένης περιοχής. Η εμφάνιση των μεγαλύτερων σωματιδίων συμπίπτει με το σχηματισμό μιας φλόγας διάχυσης στην ίδια περιφερειακή θέση. Ο όγκος στη συγκέντρωσης αιθάλης ωστόσο παραμένει παραπλήσιος με αυτό στο κέντρο της περιοχής ο οποίος αποτελείται από μικρότερα σωματίδια. Τα σωματίδια δε

19 14 που βρίσκονται μέσα στη φλόγα διάχυσης μεγαλώνουν με ταχύτερο ρυθμό απ ότι αυτά στο κέντρο. Μέχρι το τέλος της προαναμεμιγμένης καύσης η συγκέντρωση αιθάλης σε όλες τις περιοχές του αντιδρώντος τμήματος του κώνου θα έχει αυξηθεί σημαντικά και η περιοχή μεγάλων σωματιδίων θα γίνει παχύτερη, κάτι που οφείλεται στη μεταφοράς σωματιδίων. Ωστόσο παραμένει η απουσία μεγάλων σωματιδίων στο κεντρικό τμήμα της περιοχής της αντίδρασης. Όταν οι θερμοκρασίες και οι συγκεντρώσεις γίνουν επαρκείς τότε αρχίζει να αναπτύσσεται μια φλόγα διάχυσης στην περιφέρεια του αντιδρώντος κώνου, του προαναμεμιγμένου μίγματος. Η φλόγα αυτή αναπτύσσεται όχι μονό επί του κάτω μέρους της ποσότητας του κώνου αλλά τείνει να περιβάλει μερικώς την περιοχή του ατμοποιημένου μίγματος (καύσιμου- αέρα) ακριβώς κάτω και γύρω από το υγρό καύσιμο. Η φλόγα διάχυσης τροφοδοτείτε από το μερικώς αντιδρών καύσιμο, CO και H 2 τα οποία σχηματίζονται στη ζώνη της πλούσιας και προαναμεμιγμένης καύσης από τη μια μεριά και από την άλλη,από τον περιβάλλοντα αέρα. Η διάχυση της καύσης αρχίζει λίγο μετά την ανάφλεξη, ενώ η προαναμεμιγμένη καύση βρίσκεται ακόμη σε εξέλιξη. Έτσι η προαναμεμιγμένη καύση και η καύση έγχυσης περιορισμένης ανάμειξης διενεργούνται με διαδοχικό τρόπο. Αντίθετα η καύση διάχυσης αρχίζει λίγο μετά την προαναμεμιγμένη αλλά αρκετά πριν αυτή τελειώσει. Με την παρουσία της φλόγας διάχυσης, η τοπική αύξηση της θερμοκρασίας του κώνου του υγρού καυσίμου τον αναγκάζει να μικρύνει ελαφρώς κατά μήκος. Σε όλη τη διάρκεια της προαναμεμιγμένης καύσης ο κώνος συνεχίζει να αυξάνεται μαζί αυξάνεται και η συγκέντρωση αιθάλης στο κάτω μέρος του με την μεγαλύτερη αύξηση να παρουσιάζεται στην άκρη της κορυφής του. Αυτά τα σωματίδια είναι ακόμη μεγαλύτερα από τα σωματίδια που εμφανίζονται στις πλευρές του. Αυτή η κατανομή της αιθάλης, μας παρουσιάζει τον τρόπο σχηματισμού της όπου αρχικά εμφανίζεται υπό την μορφή μικρών σωματιδίων στο πάνω μέρος της ζώνης αντίδρασης με πρόσθετο σχηματισμό και ανάπτυξη της καθώς κινείται στο κάτω μέρος του κώνου εισχωρώντας στην δίνη που έχει δημιουργηθεί στην κορυφή. Το μοτίβο αυτό επικρατεί μέχρι το τέλος της έγχυσης του καυσίμου και περίπου στη μέση της καύσης του ελεγχόμενου μίγματος. Δεδομένου ότι το μεγαλύτερο μέρος του πλούσιου προαναμεμιγμένου μίγματος καυσίμου- αέρα καταναλώνεται, η μετάβαση του κώνου του φλεγόμενου καυσίμου από τη φάση της προαναμεμιγμένης καύσης η οποία διακατέχεται από την καύση πλούσιου προαναμεμιγμένου καυσίμου, σε καύση ελεγχόμενης πρόσμιξης όπου και επικρατεί. (Σχήμα 1.1) Στο Σχήμα 1.6 παρουσιάζεται το εννοιολογικό μοντέλο της καύσης ελεγχόμενης πρόσμιξης συμβατικού κινητήρα ντίζελ και εφόσον η προαναμεμιγμένη φάση έχει είδη τελειώσει. Χρονικά η φάση αυτή διαδέχεται την τελευταία στο Σχήμα 1.5 και αντιπροσωπεύει την καύση ελεγχόμενης πρόσμιξης μέχρι και το τέλος της έγχυσης.

20 15 Σχήμα 1.6 Σχηματική απεικόνιση της δέσμης καυσίμου στο εσωτερικό του κινητήρα ντίζελ και κατανομή της συγκέντρωσης της αιθάλης Είναι σημαντικό να σημειωθεί πως προς το τέλος της προαναμεμιγμένης καύσης, εμφανίζεται με απότομο ρυθμό ένα λεπτό στρώμα αιθάλης κατά τη μετάβαση από την περιοχή του μίγματος ατμοποιημένου καυσίμου/αέρα στην περιοχή της αντίδρασης. Σε αυτή την περιοχή αναπτύσσεται μια φλόγα η οποία καταναλώνει το μίγμα καυσίμου/αέρα που έχει δημιουργηθεί από τον κώνο ψεκασμού που εξατμίζεται. Τα παράγωγα αυτής της πλούσιας φλόγας (καίγεται με περίσσεια οξυγόνου) είναι κυρίως τα εξής: H 2 CO 2 και CO Μεθάνιο Πρόδρομοι αιθάλης Λοιπά σωματίδια από την καύση του καυσίμου Η ενέργεια που απελευθερώνεται σε αυτήν τη λεπτή ζώνη φλόγας οφείλεται κυρίως στο σχηματισμό νερού και παράγει θερμοκρασίες περί τα 1600 Κ. Η λεπτή φλόγα διάχυσης που περικλείει τον κώνο ψεκασμού εκτείνεται στο άνω μέρος της υφιστάμενης προαναμεμιγμένης φλόγας. Διευκρινίζεται ότι ως μήκος ανύψωσης αναφέρεται η απόσταση μεταξύ του άνω μέρους της φλόγας και του ακροφυσίου του εγχυτήρα. Το μήκος ανύψωσης αποτελεί μια κρίσιμη παράμετρο η οποία καθορίζει την αναλογία καυσίμου/αέρα στην υφιστάμενη προαναμεμιγμένη φλόγα. Η αναλογία αυτή μπορεί να έχει σημαντικές επιπτώσεις επί του σχηματισμού εκπομπών κατά τη διάρκεια της καύσης.

21 16 Στο πάνω άκρο του μήκους ανύψωσης η θερμοκρασία του κώνου του υγρού καυσίμου αυξάνεται από την αρχική θερμοκρασία που τον χαρακτηρίζει στο σημείο έγχυσης (350 Κ) λόγω της ανάμιξής του με θερμό αέρα σε 650 Κ. Όταν εισέρχεται στην περιοχή κατάντη του μήκους ανυψώσεως που περιβάλλεται από την φλόγα διάχυσης, τα προϊόντα που παράχθηκαν από τη μερική καύση και επανακυκλοφορούν παρασύρονται εντός του κώνου και αυξάνουν περαιτέρω την θερμοκρασία στους 850 Κ. Μετά το τέλος της έγχυσης, το μεγαλύτερο μέρος της αιθάλης που σχηματίζεται νωρίτερα κατά την διαδικασία της καύσης οξειδώνεται στη περιφέρεια του κώνου από μια ρίζα OH. Κατά το κλείσιμο του εγχυτήρα η ταχύτητα της εναπομένουσας ποσότητας καυσίμου που εξέρχεται μπορεί να έχει μειωμένη ταχύτητα με αποτέλεσμα την πιθανή αντιμετώπιση προβλήματος εισχώρησης της ποσότητας αυτής εντός του κώνου καυσίμου. Έτσι ο ψεκασμός μπορεί να είναι ελλιπής με αποτέλεσμα το μίγμα να καθίσταται φτωχό κάτι το οποίο θα οδηγήσει στον σχηματισμό αιθάλης και ως απώτερο πρόβλημα την εκπομπή αυτών. Θα πρέπει να σημειωθεί πως μετά το τέλος της έγχυσης μια περιοχή καυσίμου συμπαρασύρεται. Αυτό το φαινόμενο που ονομάζεται παρασυρόμενο κύμα κινείται καθοδικά με διπλάσιο ρυθμό από αυτό της δημιουργίας του αρχικού κώνου καυσίμου. Το παρασυρόμενο κύμα αυξάνεται με την ανάμιξη του μέχρι και με τρείς παράγοντες και είναι υπεύθυνο για τα εξής: 1. Υπέρ-αναμεμιγμένες περιοχές 2. Τη στασιμότητα του μίγματος κοντά στον εγχυτήρα 3. Τη χωρική μετατόπιση της θέσης έναρξης δημιουργίας αιθάλης 4. Την αυξημένη οξείδωση της αιθάλης μετά το πέρας της έγχυσης καυσίμου 5. Μειωμένη διείσδυση του καυσίμου κατά τις μικρές εγχύσεις 6. Αποκόλληση, υποχώρηση και διάσπαση του υγρού μέρους του καυσίμου που ατμοποιείται Η ταχύτερη κάθοδος του ρυθμού έγχυσης κατά το τέλος της φάσης έγχυσης δημιουργεί ένα ισχυρότερο κύμα που παρασύρεται, σχηματίζοντας έτσι πιο γρήγορα ένα φτωχότερο μίγμα κοντά στο ακροφύσιο έγχυσης. Στο Σχήμα 1.7 παρουσιάζεται η σύγκριση μεταξύ του παλιού και του νέου μοντέλου καύσης παρουσιάζοντας αρχικά την αναλογία του μίγματος στο σημείο ανάφλεξης και ακολούθως τη συγκέντρωση αιθάλης στα διάφορα σημεία της φλόγας

22 17 Παλιό μοντέλο Νέο μοντέλο Υγρό καύσιμο Ατμός Χαμηλή Συγκέντρωση αιθάλης Υψηλή Μικρά σωματίδια αιθάλης Μεγάλα σωματίδια αιθάλης Σχήμα 1.7 Σύγκριση μεταξύ του παλιού και του νέου μοντέλου καύσης Νομοθεσία και κανονισμοί Ευρωπαϊκή νομοθεσία Τα πρότυπα Euro αποτελούν μέτρα που έχουν σχεδιαστεί για τη μείωση των εκπομπών σωματιδίων και πρόδρομων ουσιών του όζοντος, όπως οξείδια του αζώτου και υδρογονάνθρακες. Ειδικότερα, είναι απαραίτητη η σημαντική μείωση των εκπομπών οξειδίων του αζώτου και σωματιδίων αιθάλης από το πετρέλαιο κίνησης για τη βελτίωση της ποιότητας του ατμοσφαιρικού αέρα και τη συμμόρφωση με τις οριακές τιμές για τη ρύπανση. Αυτό απαιτεί την επίτευξη φιλόδοξων οριακών τιμών στο στάδιο Euro 6 χωρίς να επιβάλλει την παραίτηση από τα πλεονεκτήματα των μηχανών πετρελαίου από απόψεως κατανάλωσης καυσίμων και εκπομπών υδρογονανθράκων (π.χ. σωματίδια αιθάλης) και μονοξειδίου του άνθρακα. Ο καθορισμός, σε πρώιμο στάδιο, ενός συμπληρωματικού στόχου για τη μείωση των εκπομπών των οξειδίων του αζώτου και των σωματιδίων αιθάλης θα παρέχει μακροπρόθεσμη, σε ευρωπαϊκό επίπεδο, ασφάλεια προγραμματισμού για τους κατασκευαστές οχημάτων. Επιβατικά οχήματα και ελαφρού τύπου φορτηγά Οι κανονισμοί εκπομπών καυσαερίων της Ευρωπαϊκής Ένωσης για τα νέα, ελαφρού τύπου οχήματα (αυτοκίνητα και ελαφρά εμπορικά οχήματα) διευκρινίζονται στην οδηγία 70/220/EEC. Αυτή η οδηγία τροποποιήθηκε αρκετές φορές. Μερικές από τις σημαντικότερες τροποποιήσεις είναι οι ακόλουθες: Πρότυπο Euro 1 (επίσης γνωστό ως ΕC 93): Οδηγία 91/441/EΕC (επιβατικά αυτοκίνητα μόνο) ή 93/59/EEC (επιβατικά αυτοκίνητα και ελαφρά φορτηγά) (Comission, 1991). Πρότυπο Euro 2 πρότυπα (ΕC 96): Οδηγία 94/12/EC ή 96/69/EC.

23 18 Πρότυπα Euro 3/4 (2000/2005): Οδηγία 98/69/EC, περαιτέρω τροποποιήσεις στην οδηγία 2002/80/EC (EU Official Journal, 1998) (EU official Jurnal, 2002). Πρότυπα Euro 5/6 (2009/2014): Euro 5/6 πολιτική νομοθεσία [κανονισμός 715/2007] της 20ης Ιουνίου Καύσιμα: Τα πρότυπα του 2000/2005 συνοδεύθηκαν από εισαγωγή πιο αυστηρών κανονισμών καυσίμων που απαιτούν τον ελάχιστο αριθμό κετανίου του πετρελαίου ντίζελ να είναι 51 (έτος 2000), μέγιστη περιεκτικότητα σε θείο στο ντίζελ 350 ppm το 2000 και 50 ppm το 2005, και μέγιστη περιεκτικότητα σε θείο στη βενζίνη 150 ppm το 2000 και 50 ppm το Καύσιμα ντίζελ και βενζίνη χωρίς θείο ( 10 ppm) είναι διαθέσιμα από το 2005, και έγιναν υποχρεωτικά από το Νομοθετημένη μέτρηση εκπομπής: Οι εκπομπές ελέγχονται σύμφωνα με τη διαδικασία δυναμομέτρησης NEDC (ECE 15 και EUDC). Το έτος 2000 (Euro 3), η διαδικασία δοκιμής τροποποιήθηκε για να εξαλείψει τα 40 sec της περιόδου προθέρμανσης του κινητήρα πριν από την αρχή της δειγματοληψίας εκπομπών. Αυτή η τροποποιημένη δοκιμή ψυχρής εκκίνησης αναφέρεται ως νέος Ευρωπαϊκός Κύκλος οδήγησης (New European Drive Cycle) ή ως δοκιμή MVEG-B. Όλες οι εκπομπές εκφράζονται σε g/km. Τα πρότυπα Euro 5/6 υιοθετούν μια νέα μέθοδο μέτρησης των εκπομπών σωματιδίων (όμοια με τη διαδικασία του 2007 στις Η.Π.Α.) που αναπτύσσεται από το UN/ECE πρόγραμμα μέτρησης των σωματιδίων (Particulate Measurement Program) και ρυθμίζει το όριο εκπομπής σωματιδίων. Η νομοθεσία εισάγει επίσης όριο εκπομπής αριθμού σωματιδίων στο Euro 5/6 (PMP μέθοδος), εκτός από τα όρια που βασίζονται στη μάζα. Κατά τη διάρκεια της υιοθέτησης του κανονισμού Euro 5/6, τα όρια εκπομπής που βασίζονται στη μάζα θα μπορούσαν να καλυφθούν μόνο από φίλτρα σωματιδίων. Τα μελλοντικά φίλτρα που αναπτύσσονται ενώ θα πληρούν το όριο μάζας θα επέτρεπαν σε έναν υψηλό αριθμό εξαιρετικά λεπτών σωματιδίων να περάσουν οπότε τα όρια που βασίζονται στον αριθμό των σωματιδίων θα αποτρέψουν το γεγονός αυτό. Τα πρότυπα εκπομπών για τα επιβατικά αυτοκίνητα και τα ελαφρά εμπορικά οχήματα (κατηγορίες οχημάτων Μ1, οχήματα για τη μεταφορά επιβατών που περιλαμβάνουν μέχρι 8 θέσεις εκτός από αυτή του οδηγού, και Ν1 οχήματα που χρησιμοποιούνται για τη μεταφορά προϊόντων και έχουν μέγιστη μάζα που δεν υπερβαίνει τους 3.5 τόνους) συνοψίζονται στους ακόλουθους Πίνακες (1.2 και 1.3). Από το πρότυπο Euro 2, οι κανονισμοί της Ε.Ε. εισάγουν διαφορετικά όρια εκπομπής για τα οχήματα ντίζελ και Otto. Τα οχήματα που καταναλώνουν πετρέλαιο ντίζελ έχουν πιο αυστηρά πρότυπα εκπομπών CO αλλά επιτρέπονται υψηλότερες εκπομπές NOx. Τα οχήματα με κινητήρες Otto απαλλάσσονται των προτύπων σωματιδίων μέχρι του σταδίου Euro 4. Οι κανονισμοί Euro 5/6 εισάγουν τα πρότυπα εκπομπής σωματιδίων βασισμένα στη μάζα για τα αυτοκίνητα με κινητήρες Otto άμεσης έγχυσης (GDI), αριθμητικά ίσα με τα πρότυπα για τα οχήματα ντίζελ.

24 19 Πίνακας 1.2 Πρότυπα εκπομπών ευρωπαϊκής ένωσης για επιβατικά οχήματα (κατηγορία Μ1 * ), g/km * Στα στάδια Euro 1...4, τα επιβατικά οχήματα > 2500 kg έπαιρναν έγκριση ως οχήματα της κατηγορίας Ν1. + Οι τιμές στις παρενθέσεις είναι σύμφωνα με τα νόμιμα όρια παραγωγής (COP). a Μέχρι τις (μετά από την ημερομηνία αυτή οι κινητήρες DI πρέπει να λειτουργούν εντός των ορίων των IDI). b για όλα τα μοντέλα. c Και για τους HC χωρίς μεθάνιο g/km. d Εφαρμόσιμο μόνο για οχήματα που χρησιμοποιούν κινητήρες αμέσου εγχύσεως. e Έχει προταθεί να αλλάξει σε g/km χρησιμοποιώντας τη μέθοδο μέτρησης PMP.

25 20 Πίνακας 1.3 Πρότυπα εκπομπών ευρωπαϊκής ένωσης για ελαφρού τύπου εμπορικά οχήματα, g/km + Για τα πρότυπα Euro 1/2 της κατηγορίας N1 οι κλάσεις της μάζας αναφοράς ήταν η Κλάση I 1250 kg, η Κλάση II kg και η Κλάση III > 1700 kg. a Μέχρι τις (μετά από την ημερομηνία αυτή οι κινητήρες DI πρέπει να λειτουργούν εντός των ορίων των IDI). b για όλα τα μοντέλα. c για όλα τα μοντέλα. d Εφαρμόσιμο μόνο σε οχήματα που έχουν κινητήρες DI. e Έχει προταθεί να αλλάξει σε g/km χρησιμοποιώντας τη διαδικασία μέτρησης PMP. f Και για τους NMHC = g/km. g Και για τους NMHC = g/km. h Και για τους NMHC = g/km.

26 21 Από το πρότυπο Euro 4 στο Euro 5 παρατηρείται μια σημαντική βελτίωση στις αποδεκτές εκπομπές σωματιδίων των επιβατικών οχημάτων της τάξεως του 80%, το οποίο σημαίνει ότι απαιτείται πιθανότατα φίλτρο σωματιδίων. Αφ' ετέρου, μόνο μια μικρή μείωση (28%) των NOx έχει νομοθετηθεί από την Ευρωπαϊκή Επιτροπή. Αυτό το όριο εκπομπής έχει τεθεί έτσι ώστε οι μειώσεις να μπορούν να επιτευχθούν από τα περαιτέρω εσωτερικά μέτρα στον κινητήρα. Δεδομένου ότι τα επίπεδα του Euro 5 απαιτούν ουσιαστικά την εγκατάσταση των φίλτρων σωματιδίων στην εξαγωγή του κινητήρα, η Ευρωπαϊκή Επιτροπή προτίμησε να αποφύγει την υποχρέωση για την εγκατάσταση ενός πρόσθετου συστήματος NOx για περαιτέρω επεξεργασία στο ίδιο στάδιο. Μια επιπλέον σημαντική αλλαγή από το Euro 4 στο Euro 5 πρότυπο είναι το ότι η περίοδος διάρκειας, κατά την οποία οι κατασκευαστές πρέπει να εξασφαλίσουν τη λειτουργία των συσκευών ελέγχου της ρύπανσης, επεκτείνεται από χλμ σε χλμ. Αυτή η αλλαγή απεικονίζει πιο ρεαλιστικά την πραγματική διάρκεια ζωής των οχημάτων και εξασφαλίζει ότι τα συστήματα ελέγχου εκπομπών θα συνεχίσουν να λειτουργούν καθ' όλη τη διάρκεια ζωής των οχημάτων. Στο πλαίσιο του σχεδίου για την εφαρμογή της νομοθεσίας, το πρότυπο για την αποδεκτή συγκέντρωση του αριθμού των σωματιδίων έχει τεθεί στην τιμή /km (μέθοδος PMP, δοκιμή NEDC), εφαρμόσιμο, το αργότερο, με την έναρξη ισχύος των προδιαγραφών του Euro 6 για όλες τις κατηγορίες οχημάτων ντίζελ (Μ, Ν1, Ν2). Σχετικά με το διοξείδιο του άνθρακα, CΟ 2, η Ευρωπαϊκή Επιτροπή έχει υπογράψει «συμφωνίες κυρίων» με την Ευρωπαϊκή (ACEA), Ιαπωνική και Κορεατική ένωση κατασκευαστών αυτοκινήτων για να μειώσει τις αντίστοιχες εκπομπές. Αυτές οι συμφωνίες αναμένονται να υιοθετήσουν αρκετά φιλόδοξους στόχους εκπομπών στα επόμενα έτη (προτεινόμενη τιμή 130g CO 2 /km μέχρι το 2012). Οι κανονισμοί περιλαμβάνουν επίσης διάφορες συμπληρωματικές διατάξεις, όπως: τα κράτη μέλη της Ε.Ε. να μπορούν να εφαρμόσουν φορολογικά κίνητρα για την πρόωρη εισαγωγή των οχημάτων που συμμορφώνονται με τα μελλοντικά πρότυπα εκπομπών, τα όρια για τα αυτοκίνητα να είναι g/km για σωματίδια αιθάλης (PM), 15 g/km για το CO και 1.8 g/km για τους HC και απαίτηση για εφοδιασμό με συστήματα αυτοδιάγνωσης για τις εκπομπές (Onboard diagnostics OBD) (DieselNet). Απαιτήσεις αυτοδιάγνωσης OBD (Onboard diagnostics) για επιβατικά οχήματα και ελαφρά φορτηγά Ξεκινώντας από το πρότυπο Euro 3, τα οχήματα εξοπλίζονται με ένα διαγνωστικό σύστημα για τον έλεγχο των εκπομπών. Ο οδηγός ειδοποιείται σε περίπτωση δυσλειτουργίας ή επιδείνωσης του συστήματος εκπομπών που θα είχε ως αποτέλεσμα οι εκπομπές να υπερβούν τα υποχρεωτικά όρια, όπως παρουσιάζονται στον Πίνακα 2.3. Τα όρια είναι βασισμένα στη δοκιμή NEDC. Για να ξεχωρίζουν από τα συστήματα OBD των Η.Π.Α., τα Ευρωπαϊκά όρια αναφέρονται επίσης ως EOBD (Ευρωπαϊκό OBD).

27 22 Πίνακας 1.4 Ευρωπαϊκά όρια OBD, g/km Σημείωση: Η κατηγορία επιβατικών οχημάτων M1 > 2500 kg ή με περισσότερα από 6 καθίσματα βρίσκονται εντός των απαιτήσεων OBD για την κατηγορία N1. Βαρέως τύπου οχήματα (heavy duty) Οι Ευρωπαϊκοί κανονισμοί εκπομπών για τους κινητήρες ντίζελ βαρέως τύπου αναφέρονται συνήθως ως Euro I, ΙΙ, ΙΙΙ, IV, V, VI, ακολουθούν δηλαδή λατινική αύξουσα αρίθμηση, αντίθετα με τα πρότυπα για τα ελαφρά οχήματα, όπου χρησιμοποιούνται οι αραβικοί αριθμοί. Η πρώτη οδηγία της Ε.Ε. που ρυθμίζει τις εκπομπές από τα οχήματα βαρέως τύπου, δηλαδή οχήματα με «τεχνικά επιτρεπόμενη μέγιστη μάζα φόρτωσης» πάνω από 3500 kg, δημοσιεύθηκε το 1988 (88/77/EEC). Η οδηγία αυτή τροποποιήθηκε αρκετές φορές στη συνέχεια. Το 2005, οι κανονισμοί ανασχηματίστηκαν και παγιώθηκαν από την οδηγία 05/55/EC. Αρχίζοντας με το πρότυπο Euro VI, η νομοθεσία θα απλοποιηθεί, δεδομένου ότι οι οδηγίες που πρέπει να μετατεθούν σε όλες τις εθνικές νομοθεσίες θα αντικατασταθούν από τους κανονισμούς που ισχύουν άμεσα. Τα ακόλουθα είναι μερικά από τα σημαντικότερα κατευθυντήρια βήματα για τους κανονισμούς που αφορούν τους κινητήρες βαρέως τύπου: Τα πρότυπα Euro Ι εισήχθησαν το 1992, ακολουθούμενα από την εισαγωγή των Euro ΙΙ κανονισμών το Αυτά τα πρότυπα εφαρμόστηκαν και στους κινητήρες φορτηγών και στα αστικά λεωφορεία. Ωστόσο, τα πρότυπα για τα αστικά λεωφορεία ήταν προαιρετικά. Το 1999, η Ε.Ε. υιοθέτησε την οδηγία 1999/96/EC, η οποία εισήγαγε τα Euro ΙΙΙ πρότυπα (2000), καθώς επίσης και τα Euro IV/V (2005/2008). Αυτός ο κανονισμός έθεσε επίσης προαιρετικά αλλά και αυστηρότερα όρια εκπομπής για οχήματα με πιο χαμηλά όρια εκπομπής, γνωστά ως «οχήματα φιλικά προς το περιβάλλον». Το 2001, η Ευρωπαϊκή Επιτροπή υιοθέτησε την οδηγία 2001/27/EC που απαγορεύει τη χρήση συσκευών αντιμετώπισης των εκπομπών και «παράλογες» στρατηγικές ελέγχου εκπομπών, οι οποίες θα μείωναν την αποδοτικότητα των συστημάτων ελέγχου εκπομπών

28 23 όταν τα οχήματα λειτουργούν υπό τις κανονικές συνθήκες οδήγησης σε επίπεδα κάτω από αυτά που καθορίζονται κατά τη διάρκεια της διαδικασίας ελέγχου εκπομπών. Η οδηγία 2005/55/EC που εκδόθηκε από το Κοινοβούλιο της Ε.Ε. το 2005 εισήγαγε τις απαιτήσεις διάρκειας και OBD, καθώς επίσης και επαναδιατύπωσε τα όρια εκπομπής για το Euro IV και Euro V τα οποία δημοσιεύθηκαν αρχικά στην οδηγία 1999/96/EC. Το Δεκέμβριο του 2007, η Επιτροπή δημοσίευσε μια πρόταση για το πρότυπο Euro VI (COM (2007) 851). Τα νέα όρια εκπομπής, συγκρίσιμα σε αυστηρότητα με τα αντίστοιχα πρότυπα των Η.Π.Α. για το 2010, θα θέτονταν σε ισχύ από το 2013/2014. Η πρόταση αντιπροσωπεύει το πολιτικό μέρος του κανονισμού. Ο Πίνακας 1.5, που ακολουθεί, περιέχει τα πρότυπα εκπομπών και τις ημερομηνίες εφαρμογής τους. Οι ημερομηνίες στους πίνακες αναφέρονται στις νέες εγκρίσεις τύπων. Οι ημερομηνίες για όλες τις εγκρίσεις τύπων είναι στις περισσότερες περιπτώσεις ένα έτος αργότερα (οι εγκρίσεις τύπων της Ε.Ε. ισχύουν περισσότερο από ένα έτος). Επίσης τα επίπεδα εκπομπών για το Euro VI δεν έχουν οριστικοποιηθεί ακόμα. Από τo πρότυπο Euro ΙΙΙ (2000), η προηγούμενη δοκιμή κινητήρων ECE R-49 έχει αντικατασταθεί από δύο κύκλους: τον Ευρωπαϊκό Κύκλο μόνιμης λειτουργίας ESC (European Stationary Cycle) και τον Ευρωπαϊκό μεταβατικό Κύκλο ETC (European Transient Cycle). Η αμαυρότητα του καπνού μετριέται με τη δοκιμή ELR (European Load Response). Πίνακας 1.5 Πρότυπα Εκπομπών Ευρωπαϊκής Ένωσης για Κινητήρες ντίζελ Βαρέως Τύπου, g/kwh ( αιθάλη σε m -1 ) + Προτάθηκε στις 21/12/2007. a: Για κινητήρες με όγκο εμβολισμού μικρότερο από 0.75 dm 3 ανά κύλινδρο. b: για όλα τα μοντέλα. Τα πρότυπα εκπομπής για τους κινητήρες ντίζελ που ελέγχονται στον Κύκλο δοκιμής ETC, καθώς επίσης και για τις βαρέως τύπου αεριομηχανές, συνοψίζονται στον Πίνακας 1.6.

29 24 Πίνακας 1.6 Πρότυπα Εκπομπών για κινητήρες ντίζελ και αερίου, Δοκιμή ETC, g/kwh + Προτάθηκε στις 21/12/2007. a Μόνο για κινητήρες αερίου (Euro III-V: μόνο NG, Euro VI: NG + LPG). b Μη εφαρμόσιμο για κινητήρες με αέριο καύσιμο στα στάδια Euro III-IV. c Για κινητήρες με όγκο εμβολισμού μικρότερο από 0.75 dm 3 ανά κύλινδρο. d για όλα τα μοντέλα. e THC (ολικοί υδρογονάνθρακές) για κινητήρες ντίζελ. Όσον αφορά τα βαρέως τύπου οχήματα ντίζελ, το 2005 τα πρότυπα Euro IV εφαρμόστηκαν στην Ευρώπη με τις πολύ χαμηλές τιμές ορίων για τις εκπομπές σωματιδίων. Όταν αποφασίστηκε η σχετική νομοθεσία, υπήρχε η προσδοκία ότι οι κατασκευαστές θα πρέπει να χρησιμοποιήσουν παγίδες σωματιδίων για να συμμορφωθούν με εκείνες τις οριακές τιμές. Για τα οχήματα βαρέως τύπου, πιο αυστηρές τιμές ορίων των NOx έχουν εισαχθεί από το Προς συμμόρφωση με αυτά τα όρια οι κατασκευαστές πρέπει να χρησιμοποιήσουν κάποια συσκευή μετέπειτα επεξεργασίας (π.χ. SCR, παγίδες ΝΟx). Για την πιστοποίηση εκπομπών σύμφωνα με το Euro VI, θα εφαρμοστεί ο παγκόσμιος εναρμονισμένος μεταβατικός κύκλος WHTC (World Harmonized Transient Cycle). Τα νέα όρια θα εισαχθούν μόλις καθιερωθούν οι παράγοντες συσχετισμού με τις τρέχουσες δοκιμές ESC και ETC. Για να αποτραπεί η δυνατότητα χρήσης ανοικτών φίλτρων με όριο μάζας σωματιδίων σύμφωνα με το Euro VI, που θα επέτρεπαν σε έναν υψηλό αριθμό εξαιρετικά λεπτών σωματιδίων να περάσουν, προγραμματίζεται να εισαχθούν σε ένα μεταγενέστερο στάδιο νέα πρότυπα αριθμού σωματιδίων, εκτός από το όριο που βασίζεται στη μάζα τους. Τα πρότυπα αυτά θα εισαχθούν μόλις τα τελικά αποτελέσματα του προγράμματος μέτρησης σωματιδίων (PMP) γίνουν διαθέσιμα. Ο Πίνακας 1.7, που ακολουθεί παρουσιάζει τα όρια διάρκειας εκπομπών, σύμφωνα με τα οποία οι κατασκευαστές κινητήρων πρέπει να συμμορφώνονται, ανάλογα με την κατηγορία που ανήκει το κάθε όχημα.

30 25 Πίνακας 1.7 Περίοδοι διάρκειας εκπομπών + Η μάζα (σε τόνους) ορίζεται ως η μέγιστη τεχνικά επιτρεπόμενη μάζα. * Επιλέγεται το πιο σύντομο μέγεθος μεταξύ απόστασης σε km και έτους. 1.2 Φίλτρα αιθάλης (DPF) Ένα φίλτρο σωματιδίων ντίζελ (DPF-diesel particulate filter) είναι μια συσκευή που έχει σχεδιαστεί για την απομάκρυνση σωματιδίων ντίζελ ή αιθάλης από τα καυσαέρια ενός κινητήρα ντίζελ. Φίλτρα σωματιδίων πετρελαίου τύπου wall-flow απομακρύνουν συνήθως 85 % ή περισσότερο της αιθάλης, και υπό ορισμένες συνθήκες μπορούν να επιτύχουν αποδόσεις αφαίρεσης αιθάλης που πλησιάζει το 100%. Κάποια φίλτρα είναι μίας χρήσης, που προορίζονται για διάθεση και την αντικατάσταση όταν κάποτε γεμίσουν συσσωρευμένη τέφρα. Άλλα έχουν σχεδιαστεί για την καύση των συσσωρευμένων σωματιδίων είτε παθητικά μέσω της χρήσης ενός καταλύτη ή με ενεργό μέσο όπως ένας καυστήρας καυσίμου που θερμαίνει το φίλτρο αιθάλης σε θερμοκρασίες καύσης. Στο Σχήμα 1.8 εμφανίζεται η ταξινόμηση φίλτρων σωματιδίων ντίζελ βασισμένων στη μέθοδο της αναγέννησης. Σχήμα 1.8 Ταξινόμηση φίλτρων σωματιδίων ανάλογα με την μέθοδο αναγέννησης

31 26 Στην πλειοψηφία των αναγεννήσεων (σε αντίθεση με τα φίλτρα μίας χρήσης, Σχήμα 1.8) σε συστήματα φίλτρων ντίζελ χρησιμοποιείται θερμική αναγέννηση, κατά την οποία τα σωματίδια οξειδώνονται για την παραγωγή αέριων προϊόντων. Η θερμοκρασία στην έξοδο των κινητήρων ντίζελ είναι ωστόσο πολύ χαμηλή για να διατηρηθεί η αυτόματη αναγέννηση του φίλτρου. Αυτό το πρόβλημα μπορεί να επιλυθεί είτε μειώνοντας την απαιτούμενη θερμοκρασία οξείδωσης της αιθάλης σε ένα επίπεδο που να επιτυγχάνεται κατά τη διάρκεια της κανονικής λειτουργίας του κινητήρα με αύξηση της θερμοκρασίας στο φίλτρο στο σημείο όπου η παγιδευμένη αιθάλη ξεκινά να οξειδώνεται. Η πρώτη προσέγγιση χρησιμοποιείται σε παθητικά συστήματα φίλτρων και η δεύτερη σε συστήματα ενεργού φίλτρου Παθητικά φίλτρα Σε παθητικά συστήματα η θερμοκρασία οξείδωσης της αιθάλης μειώνεται σε ένα επίπεδο που επιτρέπει την έναρξη αυτόματης αναγέννησης κατά τη διάρκεια της κανονικής λειτουργίας του οχήματος. Μια διαδικασία που συνήθως επιτυγχάνεται με την εισαγωγή ενός καταλύτη οξειδώσεως στο σύστημα. Ο καταλύτης μπορεί να προκαλέσει την οξείδωση του άνθρακα μέσω δύο μηχανισμούς: 1. Μηχανισμός οξυγόνου -καταλυτική οξείδωση του άνθρακα από το οξυγόνο, ή Μηχανισμός διοξειδίου του αζώτου -καταλυτική οξείδωση του ΝΟ προς ΝΟ 2, ακολουθούμενη από την οξείδωση άνθρακα από το διοξείδιο του αζώτου. 2. Μέσω διαφορετικής τοποθέτησης του καταλύτη και διαφορετική διαμόρφωση του συστήματος μπορεί κανείς να χρησιμοποιήσει είτε ένα από αυτούς τους μηχανισμούς ή το συνδυασμό τους. Τρεις σημαντικές προσεγγίσεις που έχουν χρησιμοποιηθεί είναι: (α) προσθήκη ενός πρόδρομου καταλύτη στο καύσιμο ως πρόσθετου, (β) τοποθέτηση του καταλύτη απ 'ευθείας στην επιφάνεια του φίλτρου, ή (γ) με χρήση ενός καταλύτη δημιουργίας ΝΟ 2 ανάντη του φίλτρου Ενεργά φίλτρα Η δεύτερη προσέγγιση είναι να προκληθεί ενεργή αναγέννηση με αύξηση της θερμοκρασίας της αιθάλης που παγιδεύεται στο φίλτρο μέσω της χρήσης μια εξωτερικής πηγής ενέργειας. Υπάρχουν δύο προφανή πηγές ενέργειας που είναι διαθέσιμες επί του οχήματος : το καύσιμο (ντίζελ) και ηλεκτρική ενέργεια. Η ενέργεια από τη καύση του καυσίμου μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την αύξηση της θερμοκρασίας των καυσαερίων είτε (α) με μεθόδους διαχείρισης μέσα στον κύλινδρο του κινητήρα, όπως καθυστέρηση έγχυσης των συμπληρωματικών ποσοτήτων καυσίμων κατά τη διάρκεια του κύκλου ή (β) έγχυση και καύση του καυσίμου στην έξοδο των καυσαερίων. Εάν χρησιμοποιείται η μέθοδος της καύσης των καυσαερίων, τα καύσιμα μπορεί να καούν σε ένα καυστήρα ή αλλιώς να οξειδωθούν σε ένα καταλύτη οξείδωσης, σε μία διαδικασία καταλυτικής καύσης.

32 27 Ηλεκτρική θέρμανση μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε έναν αριθμό διαμορφώσεων, όπως για παράδειγμα μια τοποθέτηση ηλεκτρικής θερμάστρας ανάντη του υποστρώματος του φίλτρου, ενσωματώνοντας θερμαντήρες μέσα στο φίλτρο, ή χρησιμοποιώντας ηλεκτρικά αγώγιμα μέσα (όπως φλοιούς μετάλλου), το οποίο μπορεί να λειτουργήσει τόσο ως φίλτρο όσο και ως θερμαντήρας. Επίσης ένα ρεύμα θερμαινόμενου αέρα μπορεί να χρησιμοποιηθεί για να προκαλέσει την αναγέννηση, αντί θερμαινόμενων καυσαερίων. Η τρίτη κατηγορία των συστημάτων στο Σχήμα 1.8 χρησιμοποιεί τον συνδυασμό παθητικών και ενεργών αναγεννήσεων, όπου ένα φίλτρο με βάση καταλύτη είναι επίσης εξοπλισμένο με κάποιο είδος ενός ενεργού συστήματος αναγέννησης. Μερικές αναφορές γίνονται σε αυτή την προσέγγιση ως παθητικό - ενεργό σύστημα, άλλοι το αποκαλούν το ψευδό-ενεργό φίλτρο, ακόμα άλλοι απλά θεωρούν ότι είναι μια μορφή του ενεργού συστήματος αναγέννησης. Η χρήση του καταλύτη επιτρέπει την εκτέλεση αναγέννησης σε χαμηλότερη θερμοκρασία και να μειωθεί το χρονικό διάστημα αναγέννησης σε κάποιες περιπτώσεις, σε σύγκριση με μη-καταλυτικά ενεργά συστήματα. Σε κάθε περίπτωση, η ποινή της οικονομίας καυσίμου που συνδέεται με ενεργή αναγέννηση μπορεί να ελαχιστοποιηθεί (με ένα προστιθέμενο κόστος του καταλύτη). Αναγέννηση σε χαμηλότερη θερμοκρασία οδηγεί επίσης σε μείωση της θερμικής καταπόνησης και την αύξηση της διάρκειας ζωής των φίλτρων. Συνδυασμοί παθητικού ενεργητικού συστήματος, ανάλογα με τον τύπο και τη φόρτωση του καταλύτη, μπορεί να είναι σε θέση να στηρίξει πλήρως παθητική λειτουργία κατά τη διάρκεια των περιόδων αυξημένης θερμοκρασίας των καυσαερίων. Για παράδειγμα, ένα καταλυτικό φίλτρο σε ένα επιβατικό αυτοκίνητο μπορεί να αναγεννηθεί παθητικά κατά τη διάρκεια γρήγορης οδήγησης στον αυτοκινητόδρομο, αλλά θα εξαρτηθεί από μια ενεργή αναγέννηση, η οποία θα μπορούσε να προκληθεί από μια στρατηγική διαχείρισης του κινητήρα κατά την οδήγηση σε χαμηλές ταχύτητες πόλης. Σχήμα 1.9 Φίλτρο σωματιδίων (DPF) Σύγκριση μεταξύ παθητικών και ενεργών φίλτρων Ένα από τα πρώτα βήματα του σχεδιαστή ενός φίλτρου είναι να επιλέξει αν αυτό θα υποστηρίζει παθητική ή ενεργή αναγέννηση. Ενεργά φίλτρα είναι σαφώς πιο περίπλοκα από ότι τα παθητικά

33 28 φίλτρα. Απαιτούν διάφορα πρόσθετα εξαρτήματα (θερμαντήρες, επιπλέον εγχυτήρα, κ.α.), αισθητήρες και μια ηλεκτρονική μονάδα ελέγχου για την ενεργοποίηση και τον έλεγχο της διαδικασίας αναγέννησης. Η λειτουργία τους είναι εις βάρος της ποσότητας του καυσίμου που καταναλώνεται που συνδέεται με την επιπλέον ενέργεια που απαιτείται για την επίτευξη θερμοκρασίας αναγέννησης. Τα παθητικά φίλτρα, λόγω της απλότητάς τους, μπορεί να φαίνονται ότι είναι μια πιο ελκυστική προσέγγιση. Ωστόσο, η αναγέννηση πλήρως παθητικών συστημάτων είναι πάντοτε εξαρτημένη από τον κύκλο λειτουργίας του οχήματος. Η ελάχιστη θερμοκρασία αναγέννησης για παθητικά φίλτρα είναι περίπου C (αν υποτεθεί ότι γίνεται χρήση καυσίμων με εξαιρετικά χαμηλή περιεκτικότητα σε θείο και κινητήρες με χαμηλές εκπομπές). Με τις έρευνες που έχουν γίνει έως τώρα δεν υπάρχουν μεγάλες πιθανότητες σημαντικής βελτίωσης της παθητικής μεθόδου αναγέννησης του φίλτρου. Η απαιτούμενη θερμοκρασία αναγέννησης δε μπορεί να επιτευχθεί με λειτουργία σε χαμηλό φορτίο (π.χ., στο ρελαντί ή αργή οδήγηση πόλης) του πετρελαιοκινητήρα. Αν ο κινητήρας λειτουργεί σε χαμηλό φορτίο για ένα παρατεταμένο χρονικό διάστημα, το φίλτρο θα υπερφορτωθεί με αιθάλη και ως εκ τούτου θα υπάρξει αντιμετώπιση προβλημάτων. Συνθήκες χαμηλών θερμοκρασιών υφίστανται σίγουρα σε πετρελαιοκίνητα επιβατικά αυτοκίνητα και άλλες ελαφρού τύπου εφαρμογές. Τα υπάρχοντα φίλτρα των καινούργιων ελαφρού φόρτου επαγγελματικών οχημάτων χρησιμοποιούν την «παθητική-ενεργή» προσέγγιση και ενσωματώσουν ενεργές στρατηγικές αναγέννησης. Τα παραδείγματα περιλαμβάνουν ευρωπαϊκά πετρελαιοκίνητα επιβατικά αυτοκίνητα που κυκλοφόρησαν στις αρχές της δεκαετίας του 2000, τα οποία είναι εφοδιασμένα με φίλτρο καταλυτικού ή πρόσθετου καυσίμου αναγέννησης (Σχήμα 1.10), του οποίου η αναγέννηση υποστηρίζεται από μια περιοδική αύξηση θερμοκρασίας καυσαερίων με πρόσθετη έγχυση καυσίμου(post-injection)μέσω συστημάτων άμεσου ψεκασμού (common rail direct fuel injector ή unit injectors). Τα μελλοντικά φίλτρα είναι πιθανό να ακολουθήσουν την ίδια τάση. Σχήμα 1.10 Καταλυτικό φίλτρο

34 29 Υψηλότερες θερμοκρασίες καυσαερίων επέρχονται σε εφαρμογές βαρέων οχημάτων, ενεργοποιώντας έτσι σε πολλές περιπτώσεις την παθητική αναγέννηση ενός φίλτρου. Σε παλαιότερες, εφαρμογές σε βαρέα οχήματα, οι θερμοκρασίες των καυσαερίων συνήθως μετρώνται και αναλύονται για να εξασφαλιστεί μεγάλη πιθανότητα επιτυχούς λειτουργίας των φίλτρων σωματιδίων. Αυτό το είδος της προσέγγισης είχε αναφερθεί από την αρχή διέλευσης της Νέας Υόρκης, η οποία ήταν σε θέση να αναβαθμίσει τα λεωφορεία που κινούνταν με τετράχρονους κινητήρες της σειράς DDC 50(Detroit ντίζελ series-50), αλλά το ίδιο σύστημα παθητικού φίλτρου βρήκε απαράδεκτα υψηλό ποσοστό αποτυχίας, όταν εγκαταστάθηκε σε δίχρονους κινητήρες τύπου 6V92 DDEC (Detroit ντίζελ series-92). (Gibbs, 2001) Σχήμα 1.11 Κατανομή θερμοκρασίας καυσαερίων σε εμπορικά οχήματα βαρέως φόρτου Από την άλλη πλευρά, τα φίλτρα σωματιδίων σε νέες εφαρμογές κινητήρων, πρέπει να παρέχουν αξιόπιστη λειτουργία υπό οποιεσδήποτε συνθήκες λειτουργίας. Υπάρχουν εφαρμογές κινητήρων βαρέων επαγγελματικών οχημάτων που βιώνουν θερμοκρασίες καυσαερίων που είναι πολύ χαμηλές για να υποστηρίξουν τη συνεχή αναγέννηση του φίλτρου. Ένα παράδειγμα της κατανομής θερμοκρασίας της εξάτμισης από το διανομέα οχήματος στην κυκλοφορία της πόλης εμφανίζεται στο Σχήμα 1.11 [Moser 2001]. Ένα παθητικό φίλτρο, εγκατεστημένο σε αυτόν τον κινητήρα, πιθανότατα θα αναγεννηθεί κατά την διάρκεια της δοκιμαστικής λειτουργίας κύκλου εκπομπών (ETC), αλλά σίγουρα θα δημιουργήσει προβλήματα κατά τη λειτουργία του σε πραγματικές συνθήκες. Τα μελλοντικά φίλτρα κατακράτησης σωματιδίων για τους νέους κινητήρες θα πρέπει να προσαρμοστούν ώστε να αντιμετωπίζουν κύκλους χαμηλών φορτίων του κινητήρα, καθώς και για τη λειτουργία σε κρύα κλίματα. Τα εντελώς παθητικά φίλτρα παρουσιάζουν υψηλό κίνδυνο φραγής τους από συσσωρευμένα σωματίδια με αποτέλεσμα την ακινητοποίηση του οχήματος ή την βλάβη του φίλτρου (Σχήμα 1.12). Ως εκ τούτου, τα πρωτότυπα φίλτρα που χρησιμοποιεί ο κατασκευαστής (OEM) για βαρέα οχήματα απαιτούν κάποια μορφή στήριξης ενεργού αναγέννησης. Καταλυτικά φίλτρα με ενεργή αναγέννηση με τη μέθοδο πρόσθετης έγχυσης καυσίμου (post injection) και

35 30 καταλυτικής καύσης αποτελούν μέρος της σύνθεσης για τη λειτουργία των φορτηγών στις ΗΠΑ το Σχήμα 1.12 Κατεστραμμένο φίλτρο σωματιδίων αιθάλης Τα περισσότερα από τα οχήματα που παράγονται σήμερα είναι εξοπλισμένα με φίλτρα σωματιδίων ντίζελ (DPF- ντίζελ particulate filters) για τον έλεγχο των σωματιδίων αιθάλης που εκπέμπεται από τον κινητήρα ντίζελ. Ωστόσο το φίλτρο μπορεί να μπλοκαριστεί όσο τα σωματίδια αιθάλης συσσωρεύονται. Ενεργός έλεγχος απαιτείται για την καύση την συσσωρευμένων σωματιδίων. Εάν χρησιμοποιείται οξυγόνο ως οξειδωτικό, η θερμοκρασία πρέπει να αυξηθεί σημαντικά (π.χ., με πρόσθετη έγχυση καυσίμου). Αυτή η περιοδική διαδικασία συχνά ονομάζεται ενεργή αναγέννηση. Άλλος τύπος αναγέννησης του DPF είναι συνεχής οξείδωση αιθάλης με διοξείδιο του αζώτου. Το διοξείδιο του αζώτου (ΝΟ 2 ) σχηματίζεται από την αντίδραση μονοξειδίου του αζώτου (ΝΟ) με το οξυγόνο. Αυτή η αντίδραση είναι ταχύτερη υπό την παρουσία καταλυτών οξείδωσης και αυξάνει την αναλογία ΝΟ 2 στο ΝΟ x το οποίο είναι τυπικά σε ποσοστό 5-15% κατά την εκροή από τον θάλαμο καύσης. Η μαθηματική μοντελοποίηση των φίλτρων σωματιδίων ντίζελ έχει περιγραφεί σε διάφορα έγγραφα και πειραματικές παρατηρήσεις της διαδικασίας. Καταλυτικά συστήματα που έχουν σχεδιαστεί για παθητική αναγέννηση με μίγμα NOx και O 2 απαιτούν καταλύτη από πρόσμιξη πολύτιμων μετάλλων για να σχηματιστεί επαρκές ποσότητα ΝΟ 2 σύμφωνα με την αντίδραση ΝΟ+1/2Ο 2 ΝΟ 2 Συστήματα όπως τεχνολογία συνεχούς αναγέννησης CRT (continuously regenerating technology) χρησιμοποιούνται για το σκοπό αυτό. Το σύστημα αποτελείται από δύο μέρη, τον καταλύτη οξείδωσης ντίζελ-doc (ντίζελ oxidation catalyst) ο οποίος οξειδώνει υδρογονάνθρακες, μονοξείδια του άνθρακα και τα μονοξείδια του αζώτου (όταν τα αέρια καυσαερίων διέρχονται του μετατροπέα οξείδωσης, το περιεχόμενο σε ΝΟ 2 αυξάνεται), ακολουθούμενο από ένα μη επιχρισμένο DPF. Το DOC σε συνδυασμό με τον καταλύτη DPF (CDPF, που ονομάζεται επίσης CSF- καταλυτικό φίλτρο αιθάλης) με καταλυτικό επίστρωμα ονομάζεται καταλύτης τεχνολογίας συνεχούς αναγέννησης- CCRT. (wikipedia, 2013)

36 Συστήματα αυτοδιάγνωσης (OBD) Ιστορική αναδρομή συστημάτων αυτοδιάγνωσης Το διαγνωστικό σύστημα οχήματος γνωστό ως OBD, συνιστά ένα σύστημα αυτοδιάγνωσης και ικανότητας αναφοράς προβλημάτων μέσα σε ένα όχημα. Τα συστήματα αυτά επιτρέπουν στον κατασκευαστή, στο μηχανικό του αυτοκινήτου αλλά και στον οδηγό την πρόσβαση σε όλα τα υποσυστήματα του οχήματος. Από τις αρχές τις δεκαετίας του 80 πολλά οχήματα χρησιμοποιούσαν τόσο ηλεκτρονικά συστήματα, όσο και «ηλεκτρονικούς εγκεφάλους» επί του οχήματος ώστε να διαχειρίζονται τα διάφορα συστήματα ελέγχου του κινητήρα το καύσιμο και την ανάφλεξή του και να εντοπίζουν προβλήματα σε αυτά. Οι κατασκευαστές των αυτοκινήτων προκειμένου να βρουν τρόπους ώστε να γίνεται διάγνωση των προβλημάτων που δημιουργούνται λόγω της χρήσης των ηλεκτρονικών ανέπτυξαν τα πρώτα συστήματα OBD (1 ης γενιάς) για την αντικατάσταση των μηχανικών συστημάτων. Έτσι, η λειτουργία των πρώτων εφαρμογών αφορούσε μία φωτεινή ένδειξη συνήθως στο καντράν του αυτοκινήτου (MIL). Η λυχνία αυτή άναβε σε περίπτωση που εντοπιζόταν κάποιο πρόβλημα, χωρίς όμως να δίνει κάποια πληροφορία για τη φύση του προβλήματος. (Agency, 2009) Από τα μέσα περίπου της δεκαετίας του 90 άρχισαν να χρησιμοποιούνται τα 2 ης γενιάς συστήματα OBD τα οποία ελέγχουν σχεδόν εξολοκλήρου τον κινητήρα και παρακολουθούν τις διάφορες συσκευές που χρησιμοποιούνται στο όχημα. Με αποτέλεσμα σχεδόν όλα τα αυτοκίνητα και τα ελαφριά φορτηγά μετά το 1996 να χρησιμοποιούν το σύστημα OBD. (Georgios, 2013) Σήμερα, οι κινητήρες στα αυτοκίνητα είναι σχεδόν εξ ολοκλήρου ηλεκτρονικά ελεγχόμενοι. Οι αισθητήρες και οι ενεργοποιητές ελέγχουν την λειτουργία των διαφόρων εξαρτημάτων και τα ενεργοποιούν ώστε ο κινητήρας να λειτουργεί όσο πιο αποδοτικά γίνεται. Συνήθως, ένας υπολογιστής επί του οχήματος παρακολουθεί και καταγράφει τη λειτουργία όλων των αισθητήρων και ενεργοποιητών ώστε να ελέγχει ότι λειτουργούν με βάση τις προδιαγραφές τους. Εντοπίζει μία δυσλειτουργία ή αλλοίωση πολύ νωρίτερα από τον οδηγό, με αποτέλεσμα να μην κινδυνεύει το όχημα να παρουσιάσει προβλήματα οδηγικής συμπεριφοράς ή ανεπανόρθωτες βλάβες στο κινητήρα. Τόσο οι αισθητήρες, οι ενεργοποιητές όσο και το λογισμικό διάγνωσης αποτελούν το σύστημα διάγνωσης OBD. Το μέγεθος των πληροφοριών που είναι διαθέσιμες μέσω του διαγνωστικού συνεχώς αυξάνεται. (Agency U. S., 2013) Το σύστημα OBD ως σύστημα ελέγχου των εκπομπών καυσαερίων Τα συστήματα OBD είναι και συστήματα ελέγχου των καυσαερίων. Επειδή, τα καυσαέρια που εκπέμπουν τα οχήματα μολύνουν το περιβάλλον, τα συστήματα αυτά μπορούν να εντοπίσουν ένα πρόβλημα στο σύστημα ελέγχου των καυσαερίων έγκαιρα πριν γίνει το όχημα επικίνδυνος ρυπαντής, δίνοντας την δυνατότητα στον ιδιοκτήτη να επισκευάσει το πρόβλημα πριν διογκωθεί και αυξηθούν οι εκπομπές του αυτοκινήτου. Σε πολλές περιπτώσεις έχει τη δυνατότητα να εντοπίζει προβλήματα πριν ο οδηγός τα αντιληφθεί στην οδηγική συμπεριφορά του αμαξιού. Επίσης πολλά

37 32 προβλήματα μπορεί να μη γίνονται αντιληπτά μέσω οπτικής επιθεώρησης επειδή πολλές αστοχίες μπορεί να είναι ηλεκτρικής η χημικής φύσης Ευρωπαϊκή νομοθεσία για τα συστήματα αυτοδιάγνωσης (OBD) Η Ευρωπαϊκή Ένωση έχει θεσπίσει κανονισμούς που αφορούν τα διαγνωστικά συστήματα των οχημάτων τόσο για ταεε ελαφρά όσο και για τα βαρέα οχήματα. Οι απαιτήσεις αυτές αφορούν την λυχνία ένδειξης δυσλειτουργίας (MIL), την κωδικοποίηση προβλημάτων, την καταγραφή, τα επιτρεπόμενα όρια και την τυποποίηση στην επικοινωνία των συστημάτων OBD. Συγκεκριμένα, η λυχνία ένδειξης δυσλειτουργίας βρίσκεται στον πίνακα οργάνων του αυτοκινήτου, ώστε να μπορεί να το ελέγχει ο οδηγός. Πρέπει να γίνεται πάντα ένας αυτοέλεγχος της λειτουργίας της λυχνίας, δηλαδή να φωτίζει για ένα σύντομο χρονικό διάστημα, κατά την έναρξη της λειτουργίας του κινητήρα. Σε κάθε άλλη περίπτωση, η λυχνία ανάβει όταν το διαγνωστικό σύστημα του οχήματος έχει ανιχνεύσει και επιβεβαιώσει κάποια δυσλειτουργία, η οποία μπορεί να αυξήσει τις εκπομπές καυσαερίων. Για να ανάψει η λυχνία πρέπει να προηγηθούν μία σειρά από ενέργειες του διαγνωστικού συστήματος. Δηλαδή, όταν εντοπίζει μια βλάβη, δημιουργεί και αποθηκεύει στη μνήμη του ένα «μήνυμα σφάλματος εν αναμονή» και μια καταγραφή που περιέχει όλα τα δεδομένα του κινητήρα εκείνη τη στιγμή. Εάν το σφάλμα εντοπισθεί πάλι στον επόμενο μεταβατικό κύκλο, κατά τη διάρκεια του οποίου γίνεται συνεχής παρακολούθηση και καταγραφή της λειτουργίας των εμπλεκόμενων συστημάτων και εξαρτημάτων, τότε δημιουργείται ένα μήνυμα επιβεβαιωμένου σφάλματος, αποθηκεύεται μια επιπλέον καταγραφή που περιλαμβάνει τα πρόσφατα δεδομένα του κινητήρα και έπειτα η λυχνία ανάβει. Ακόμη, και στην περίπτωση που στους επόμενους τρεις μεταβατικούς κύκλους δεν εντοπισθεί το ίδιο πρόβλημα, η λυχνία παρ όλο που θα σβήσει, το σύστημα αποθηκεύει υποχρεωτικά τα παραπάνω σφάλματα και δεδομένα για τουλάχιστον 40 ψυχρές εκκινήσεις του κινητήρα. Η νομοθεσία επίσης ορίζει μια σειρά από συστήματα και εξαρτήματα, για τα οποία απαιτείται να γίνεται κατά το δυνατόν συνεχής παρακολούθηση και καταγραφή της εύρυθμης λειτουργίας τους, αλλά και των παραμέτρων που μπορεί να την επηρεάσουν. Τα βασικότερα συστήματα είναι το σύστημα έγχυσης καυσίμου, το σύστημα αύξησης πίεσης, το σύστημα EGR, οι καταλύτες, το σύστημα deno x, τα φίλτρα αιθάλης DPF, οι αισθητήρες καυσαερίων στην εξάτμιση, το σύστημα ψύξης καυσαερίων, το σύστημα μείωσης εκπομπών κατά την ψυχρή εκκίνηση και άλλα υποσυστήματα. Επειδή δεν είναι δυνατή η συνεχής καταγραφή της λειτουργίας όλων των παραπάνω συστημάτων, καθορίζονται οι συνθήκες υπό τις οποίες ένα σύστημα ή ένα εξάρτημα της μετεπεξεργασίας των καυσαερίων πρέπει να παρακολουθείται ως προς την εύρυθμη λειτουργία του, αρκεί να εξασφαλίζεται η καταγραφή κατά την διάρκεια του προτυποποιημένου μεταβατικού κύκλου και κατά τη διάρκεια ακραίων συνθηκών λειτουργίας στις οποίες αναμένεται σημαντική επίδραση στις εκπομπές του και στη λειτουργία του οχήματος. Τέλος, πρέπει να διασφαλίζεται η άμεση ανίχνευση δυσλειτουργιών αποφεύγοντας πιθανές ψευδείς ενδείξεις. Η καταγραφή των διαγνωστικών συστημάτων αφορά κάθε ηλεκτρονικό σύστημα ή παράμετρο λειτουργίας ή

38 33 εξάρτημα της μηχανής, ακόμη και αν δεν καλύπτεται από τον ισχύοντα κανονισμό το οποίο παρέχει πληροφορίες ή λαμβάνει εντολές από το διαγνωστικό σύστημα και μπορεί να επηρεάσει καθ οποιονδήποτε τρόπο τις εκπομπές. Επιπλέον, καθορίζονται από τους κανονισμούς τα «κριτήρια δυσλειτουργίας» για τις διάφορες δυσλειτουργίες που είναι δυνατόν εμφανιστούν και εξαρτώνται από τις παραμέτρους για τις οποίες ελέγχονται τα διάφορα συστήματα. Ειδικά, για την αξιολόγηση της απόδοσης του συστήματος μετεπεξεργασίας καυσαερίων, το διαγνωστικό σύστημα θα πρέπει να είναι σε θέση να καθορίσει αν κάποια φθορά ή άλλες αλλαγές μπορούν να προκαλέσουν εκπομπές οι οποίες υπερβαίνουν τα επιτρεπόμενα όρια της νομοθεσίας για τα συστήματα OBD. Γι αυτό, πρέπει να γίνεται συσχετισμός της απόδοσης του συστήματος επεξεργασίας, των συνθηκών λειτουργίας του οχήματος και τα χαρακτηριστικά του κινητήρα με τις εκπομπές καυσαερίων. Αυτό απαιτεί εκτεταμένες δοκιμές και βαθμονόμηση για τον κάθε τύπο κινητήρα. Συγκεκριμένα, όσον αφορά τις παραμέτρους λειτουργίας οι οποίες είναι δυνατόν να ελέγχονται όπως η πίεση, η θερμοκρασία και η ροή καυσαερίου, η ένδειξη δυσλειτουργία σημαίνει την μη λειτουργία σε προκαθορισμένα όρια. Όσον αφορά τις διατάξεις επεξεργασίας του καυσαερίου, όπως για παράδειγμα τις παγίδες αιθάλης, η ένδειξη δυσλειτουργίας σημαίνει ότι η διάταξη δεν έχει την απαιτούμενη ικανότητα φιλτραρίσματος. Επειδή, γίνεται εύκολα αντιληπτό ότι με βάση την σημερινή τεχνολογία δεν είναι δυνατό να ανιχνεύονται όλες οι δυσλειτουργίες στα προκαθορισμένα όρια εκπομπών, υπάρχει κάποια ευελιξία στην ισχύουσα νομοθεσία, ώστε τα όρια εκπομπών στα οποία γίνονται οι έλεγχοι των διαγνωστικών συστημάτων να είναι υψηλότερα από τα προτυποποιημένα όρια. Στον παρακάτω πίνακα παρουσιάζονται τα όρια εκπομπών για τα OBD συστήματα με βάση το πρότυπο της Ευρωπαϊκής Ένωσης Euro 6, που αφορά τα επιβατικά οχήματα και ελαφριά φορτηγά. (EU Comission, 2013) Πίνακας 1.8: Όρια εκπομπών για τα OBD με βάση το πρότυπο Euro 6 για τα επιβατικά οχήματα και ελαφριά φορτηγά

39 34 Τέλος, απαιτείται η τυποποίηση των συστημάτων OBD, ώστε να είναι δυνατή η διάγνωση από παγκόσμια εργαλεία ελέγχου προσβάσιμα στον καθένα και όχι μόνο στον κατασκευαστή. Περιλαμβάνει συνοπτικά τυποποίηση στα καλώδια που χρησιμοποιούνται την σύνδεση και μεταφορά των δεδομένων, τυποποιημένο πρωτόκολλο για την επικοινωνία με τα εργαλεία ελέγχου, και τέλος μια σειρά από τυποποιημένες λειτουργίες ώστε να είναι προσβάσιμες από ένα παγκόσμιο εργαλείο ελέγχου, όπως ένδειξη κατάστασης ετοιμότητας για κάθε σύστημα υπό καταγραφή, ένα πακέτο δεδομένων που περιλαμβάνει μια σειρά συγκεκριμένων σημάτων και παραμέτρων, τη λειτουργία στιγμιαίας καταγραφής σε περίπτωση σφάλματος, τα μηνύματα εκκρεμούς σφάλματος και επιβεβαιωμένου σφάλματος, την εύκολη πρόσβαση στα αποτελέσματα ελέγχων, το λογισμικό για τη βαθμονόμηση του συστήματος, τον αριθμό αναγνώρισης του οχήματος και τέλος τη λειτουργία σβησίματος από τη μνήμη πληροφοριών του διαγνωστικού με εντολή κ.α.

40 35 2 Αισθητήρες αιθάλης Με βάση τους κανονισμούς εκπομπών καυσαερίων στην Ευρώπη (Euro) όσο και στην Αμερική επιβάλλεται η χρήση φίλτρων αιθάλης (DPF) στα περισσότερα οχήματα βαρέων και ελαφρών εφαρμογών με κινητήρα ντίζελ έτσι ώστε να ικανοποιούνται τα πολύ απαιτητικά όρια στις εκπομπές σωματιδίων. Οι αντίστοιχοι κανονισμοί που αφορούν τα διαγνωστικά συστήματα OBD (on board diagnostics) που φέρουν τα νέα οχήματα και πρόκειται να εφαρμοστούν στο κοντινό μέλλον για τα νέας κυκλοφορίας οχήματα περιλαμβάνουν ακόμη πιο αυστηρούς περιορισμούς που αφορούν την συνεχή παρακολούθηση και καταγραφή της αποτελεσματικότητας των φίλτρων αιθάλης DPF. Ως αποτέλεσμα αυτού, οι αισθητήρες αιθάλης είναι πλέον απαραίτητοι. Η ανάγκη χρήσης των αισθητήρων αιθάλης σε συνδυασμό με το διαγνωστικό σύστημα του αυτοκινήτου οφείλεται στο γεγονός ότι δεν υπάρχει τρόπος στο να ενημερωθεί ο οδηγός εάν υπάρχει κάποια αστοχία ή δυσλειτουργία στο φίλτρο σωματιδίων. Οι αισθητήρες αιθάλης αποτελούν μια καινούργια τεχνολογία που βρίσκεται ακόμα σε πρώιμο στάδιο και έχουν σαν στόχο τον έλεγχο της κατάστασης του φίλτρου αιθάλης, ελέγχοντας με αυτό τον τρόπο την αποτελεσματικότητα του φιλτραρίσματος των καυσαερίων. Στο Σχήμα 2.1 γίνεται εμφανές το στάδιο στο οποίο βρίσκονται οι αισθητήρες παρατηρώντας την δραστική αλλαγή στην εξέλιξη τους στο εύρος μια πενταετίας. Σχήμα 2.1 Εξέλιξη αισθητήρα αιθάλης 2.1 Είδη αισθητήρων και κατασκευαστές τους Στο παρόν στάδιο υπάρχουν τρία είδη αισθητήρων ανίχνευσης αιθάλης που βρίσκονται σε παραγωγή από τις πολλές κατασκευαστικές εταιρίες στον τομέα αυτό. Οι πιο πολλοί κατασκευαστές επικεντρώνονται στους αισθητήρες τύπου αντίστασης (Resistive). Ένας άλλος τύπος

41 36 αισθητήρα λειτουργεί με ενεργή φόρτιση (Active Charger) και τρίτο είδος είναι οι αισθητήρες που υποστηρίζουν τη μέθοδο της άμεσης ακτινοβολίας (Field-Directed Equilibrium). Στη περίπτωση του αισθητήρα τύπου αντίστασης, ο οποίος σε κάποιες αναφορές γίνεται γνωστός και ως ωμικός, η τοποθέτηση του γίνεται μετά το φίλτρο σωματιδίων. Αποτελείται από ηλεκτρόδια πάνω στα οποία συσσωρεύεται αιθάλη κατά τη διάρκεια λειτουργίας του κινητήρα. Η συνεχής συσσώρευση σωματιδίων έχει ως αποτέλεσμα τη μείωση της αντίστασης και την αύξηση του ρεύματος μέχρι ενός σημείου όπου και αναγεννάται. Οι πιο γνωστοί κατασκευαστές είναι οι : Denso-Τύπου αντίστασης Bosch-Τύπου αντίστασης Η εταιρία Bosch παράγει ένα αισθητήρα αιθάλης (Σχήμα 2.2) εφικτό στη βιομηχανία και ιδιαίτερα λειτουργικό, χαμηλού κόστους και ανθεκτικό. Τα ηλεκτρόδια περισυλλογής σωματιδίων αποτελούνται από πολλές στρώσεις κεραμικού υλικού, τεχνολογία η οποία χρησιμοποιείται και για τον αισθητήρα λάμδα. Τα στοιχεία αίσθησης αποτελούνται από δύο ηλεκτρόδια απεριόριστης αντίστασης, εσωτερικό θερμοστοιχείο και ένα στοιχείο μέτρησης θερμοκρασίας. Σχήμα 2.2 Ο αισθητήρας της Bosch (αριστερά) Control box του αισθητήρα της Bosch (δεξιά) Delphi- Τύπου αντίστασης Σχήμα 2.3 Αισθητήρας αιθάλης εταιρίας Delphi

42 37 NGK Insulators- Τύπου αντίστασης Σχήμα 2.4 Αισθητήρας της NGK NTK Technical Ceramics- Τύπου ενεργής φόρτισης Continental- Τύπου αντίστασης Στο Σχήμα 2.5 παρουσιάζεται ο αισθητήρας της εταιρίας Continental ο οποίος μετρά τα ποσοστά αιθάλης που επικάθονται στην κεραμική του επιφάνεια. Σχήμα 2.5 Αισθητήρας αιθάλης της Continental Electricfil- Τύπου αντίστασης Ο αισθητήρας της εταιρίας Electrifil (Σχήμα 2.6)αποτελείται από κεραμικά στοιχεία τα οποία προσφέρουν αντοχή σε ψηλές θερμοκρασίες και μηχανική αντοχή στη παρουσία συμπύκνωσης, τις δονήσεις και τη θερμοκρασία.

43 38 Σχήμα 2.6 Αισθητήρας της Electrifil Stoneridge- Τύπου αντίστασης Ο αισθητήρας της εταιρίας Stoneridge (Σχήμα 2.7) αποτελείται από ένα νέου τύπου χοντρό αγωγό (thick film) αντίστασης που τον καθιστά ικανό να ξεπερνά πολλά από τα προβλήματα που αντιμετωπίζουν άλλοι τυπικοί αισθητήρες αιθάλης (Stoneridge, 2014). Σχήμα 2.7 Αισθητήρας Stoneridge Εφαρμογές του αισθητήρα Χρησιμοποιείται για βαρέες και ελαφρές εφαρμογές ντίζελ στην αυτοκινητοβιομηχανία. Έλεγχος και παρακολούθηση των φίλτρων σωματιδίων ντίζελ (DPF) Μετρήσεις μετά το φίλτρο σωματιδίων για την ανίχνευση διαρροών Επαλήθευση της αποτελεσματικότητας της παγίδας σωματιδίων (DPF) Συμμορφώνεται με τις On-Board Diagnostics απαιτήσεις του οχήματος Pegasor- Τύπου ενεργής φόρτισης Η δεύτερη κατηγορία αισθητήρων είναι βασισμένη στην λειτουργία της ενεργής φόρτισης. Σε αυτή την κατηγορία εμπίπτει ο αισθητήρας αιθάλης PPS (Pegasor Particular Sensor) της εταιρίας Pegasor

44 39 (Σχήμα 2.8). Ένα μεγάλο πλεονέκτημα στην λειτουργία του αισθητήρα είναι η συνεχής ανίχνευση, μέτρηση και απόδοση αποτελεσμάτων για την συγκέντρωση σωματιδίων αιθάλης σε πραγματικό χρόνο. Σχήμα 2.8 Αισθητήρας Pegasor Ο αισθητήρας χρησιμοποιείται σε διάφορες εφαρμογές παρακολούθησης σωματιδίων αιθάλης. Μετρήσεις και παρακολούθηση εκπομπών κινητήρα Βιομηχανική υγιεινή και παρακολούθηση αέρα εσωτερικών χώρων Περιβαλλοντική παρακολούθηση ποιότητας του αέρα Διάφορους σκοπούς έρευνας και ανάπτυξης EmiSense- Τύπου ενεργής φόρτισης Σχήμα 2.9 Αισθητήρας της εταιρίας EmiSense

45 40 Στη τρίτη κατηγορία εμπίπτει ο αισθητήρας MSS (micro soot sensor) ο οποίος αποτελεί πρότυπο μετρητικό όργανο. Η λειτουργία του βασίζεται στην λειτουργία του πεδίου (Σχήμα 2.10). Σχήμα 2.10 Μετρητικό όργανο MSS (Micro soot sensor) Με αυτή τη μέθοδο μέτρησης το δείγμα αερίου, το οποίο παρουσιάζει έντονη απορρόφηση σωματιδίων αιθάλης και αυτό καθίσταται εμφανές από το μαύρο του χρώμα, εκτίθεται σε διαμορφωμένο φως. Η περιοδική θέρμανση και ψύξη και η προκύπτουσα συστολή και διαστολή του αερίου μπορεί να γίνει αντιληπτή ως ηχητικό κύμα και ανιχνεύεται με τη βοήθεια μικροφώνων. Ο καθαρός αέρας δεν παράγει σήμα. Όταν ο αέρας είναι φορτωμένος με αιθάλη ή καυσαέριο, το σήμα αυξάνεται αναλογικά με τη συγκέντρωση αιθάλης στο μετρούμενο όγκο. Στο Σχήμα 2.11 παρουσιάζεται η αρχή της φωτοακουστικής μεθόδου. Σχήμα 2.11 Αρχή της φωτοακουστικής μεθόδου 2.2 Παρουσίαση του εξεταζόμενου αισθητήρα αιθάλης Ο αισθητήρας που χρησιμοποιήθηκε κατά τη διάρκεια των πειραμάτων είναι ένας εξελιγμένος αισθητήρας αντίστασης, αποτελούμενος από νέου τύπου αγωγό αντίστασης (thick film) ο οποίος

46 41 ξεπερνά πολλές από τις προκλήσεις που αντιμετωπίζουν οι αισθητήρες αιθάλης ίδιου τύπου. Τα επίπεδα αιθάλης που μετράει κυμαίνονται μεταξύ 0 και 25 mg/m 3. Η εξελιγμένη του μορφή και η ενιαίου στρώματος σχεδίαση του, παρέχουν μεγάλα πλεονεκτήματα όπως: α. γρήγορη και αποτελεσματική αναγέννηση σε υψηλή ροή, β. άμεσος, απλός και ισχυρός έλεγχος αυτοδιάγνωσης, γ. δυνατότητα ανίχνευσης οριακά «υγιές» φίλτρα σωματιδίων (DPF), δ. μειωμένη περιεκτικότητα σε πλατίνα, ε. αποτελεί μια στιβαρή κατασκευή που απαρτίζεται από ένα μόνο κομμάτι. FLOW Σχήμα 2.12 Κάθετη εφαρμογή του αισθητήρα στην ροή Το στοιχείο του αισθητήρα που βρίσκεται κάθετα στη ροή (Σχήμα 2.12) αποτελείται συνήθως από δύο ηλεκτρόδια τοποθετημένα στο κάτω μέρος της ροής για την μέτρηση της αντίστασης. Στην αρχή, επειδή ο αισθητήρας είναι καθαρός η αντίσταση στα ηλεκτρόδια είναι πρακτικά άπειρη, έτσι δε διέρχεται ηλεκτρικό ρεύμα. Καθώς τα σωματίδια αιθάλης επικάθονται στην μία πλευρά, η αντίσταση στα ηλεκτρόδια μεταβάλλεται και μάλιστα μικραίνει ανάλογα με το πόσο λεπτό ή παχύ είναι το στρώμα που δημιουργείται στα ηλεκτρόδια. Όταν, αυτή η αντίσταση ξεπεράσει ένα προκαθορισμένο κατώτατο όριο τότε ο αισθητήρας μπαίνει σε λειτουργία αναγέννησης, κατά την οποία καίει την επίστρωση αιθάλης πάνω στα ηλεκτρόδια ώστε να εξασφαλίσει την εύρυθμη λειτουργία του και η αντίσταση στα ηλεκτρόδια γίνεται να άπειρη. Επομένως, η αναγέννηση διαρκεί μέχρι να καθαριστεί πλήρως ο αισθητήρας. Βέβαια, επειδή οι θερμοκρασίες κατά την καύση μπορεί να είναι ιδιαίτερα υψηλές πρέπει να εξασφαλίζεται ότι δεν θα ξεπεράσουν τα όρια τήξης των υλικών του αισθητήρα προκαλώντας την καταστροφή του ή να επηρεαστούν οι μετρήσεις του. Αυτό μπορεί εύκολα να ελεγχθεί είτε περιορίζοντας τη διάρκεια της καύσης σε συγκεκριμένα χρονικά διαστήματα, μέσω ενός συστήματος ελέγχου του χρόνου αναγέννησης είτε χρησιμοποιώντας έναν αντιστάτη θερμοκρασίας για το σκοπό αυτό.

47 Dew point [-] ] - [ 42 Πίνακας 2.1: Στάδια λειτουργίας του αισθητήρα ΣΤΑΔΙΑ ΠΕΡΙΟΧΗ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑ 1 Α-Β Χρόνος ενεργοποίησης λειτουργίας 2 Γ-Δ Νεκρός χρόνος 3 Δ-Ε Περιοχή μέτρησης 4 Ε-Ζ Περιοχή αναγέννησης Όπως παρατηρείται και στον Πίνακας 2.1, τα στάδια λειτουργίας του αισθητήρα αιθάλης ανάλογα με την κατάσταση στην οποία βρίσκεται είναι τέσσερα. 1 Α Β t1 Time [s] Σχήμα 2.13 Χρόνος ενεργοποίησης λειτουργίας Χρόνος ενεργοποίησης λειτουργίας (Α ->Β): Κατά το πρώτο στάδιο (Σχήμα 2.13) ο αισθητήρας παρόλο που είναι ενεργοποιημένος δε βρίσκεται σε κατάσταση μέτρησης, ούτε μπορεί να εκτελέσει κάποια αυτοματοποιημένη ή χειροκίνητη εντολή, όπως η αναγέννηση (η λειτουργία αναγέννησης είναι απενεργοποιημένη) για την ασφάλεια του, δηλαδή βρίσκεται σε κατάσταση αναμονής μηνύματος θερμοκρασίας από το ηλεκτρονικό σύστημα του αισθητήρα, όταν η θερμοκρασία των καυσαερίων ξεπεράσει τους 125 ο C. Η ανάγκη ύπαρξης αυτής της κατάστασης οφείλεται σε δύο κυρίως λόγους. Η υγρασία που περιέχουν τα καυσαέρια σε θερμοκρασίες χαμηλότερης του σημείου δρόσου (dew point) είναι πιθανόν να οδηγήσουν σε εσφαλμένες μετρήσεις από τον αισθητήρα. Έτσι όπως παρατηρείται και στο Σχήμα 2.13 όταν το dew point πάρει τιμή ίση με την μονάδα, ο αισθητήρας είναι σε θέση να μετρήσει. Επίσης, η καύση εξαιτίας της αναγέννησης και οι υψηλές θερμοκρασίες που αναπτύσσονται στον σωλήνα εξαγωγής των καυσαερίων κατά τη λειτουργία ενός κινητήρα ντίζελ οδηγούν στην χρήση ανθεκτικών υλικών, όπως κεραμικά υλικά, με αποτέλεσμα να κρίνεται αναγκαία η προστασία του αισθητήρα από την υγρασία. Διότι, εάν μπει σε αυτή την περίοδο ο αισθητήρας σε λειτουργία καύσης, τα σταγονίδια από την καύση μπορεί να καταστρέψουν το κεραμικό υλικό στον αισθητήρα προκαλώντας ανεπανόρθωτες βλάβες. Σημειώνεται, ότι η διάρκεια αυτής της

48 Soot value [-] ] - [ 43 κατάστασης στην πράξη δεν ξεπερνά τα 5-6 λεπτά στη περίπτωση που το όχημα λειτουργεί σε συνθήκες άφορτης λειτουργία (ρελαντί). Υπάρχουν πολλοί τρόποι να ελεγχθεί αυτή η κατάσταση. Ενδεικτικά, αναφέρονται η χρήση εσωτερικού θερμομέτρου στον αισθητήρα, ή ο συνδυασμός ενός εσωτερικού χρονομέτρου για την επίτευξη της παραπάνω διάρκειας αυτής της λειτουργίας και μιας εξαναγκασμένης από το σύστημα αναγέννησης για την εξασφάλιση ότι ο αισθητήρας δεν θα έχει συγκεντρώσει πολύ υψηλά επίπεδα αιθάλης διότι το όχημα σε πραγματικές συνθήκες δεν θα βρίσκεται επί 5 λεπτά σε συνθήκες άφορτης λειτουργίας (ρελαντί). Ε Ζ Γ Δ Time [s] Σχήμα 2.14 Στάδια μέτρησης αισθητήρα αιθάλης Με το που λάβει ο αισθητήρας το μήνυμα θερμοκρασίας μπαίνει σε λειτουργία φόρτισης αιθάλης. Νεκρός χρόνος (Γ ->Δ): Κατά το στάδιο αυτό, καμία πραγματική μέτρηση δεν βρίσκεται σε λειτουργία διότι η ποσότητα αιθάλης που έχει συλλέξει δεν είναι μετρίσιμη. Η διάρκεια επομένως αυτής της κατάστασης εξαρτάται από το φορτίο της αιθάλης. Όταν η ένταση του ρεύματος ή αντίστοιχα η τάση ξεπεράσει κάποιο κατώτατο όριο ο αισθητήρας μπαίνει σε λειτουργία προετοιμασίας για μέτρηση. Η διάρκεια αυτής της φάσης καθορίζεται από την τεχνολογία και τα ηλεκτρονικά του αισθητήρα. Περιοχή μετρήσεων (Δ ->Ε): Στο τρίτο στάδιο, ο αισθητήρας μπαίνει σε λειτουργία μέτρησης της τιμής της αιθάλης. Η τιμή του σήματος εξαρτάται από τον ρυθμό συσσώρευσης της αιθάλης, είτε με βάση την εκτιμώμενη θερμοκρασία του στοιχείου. Η διάρκεια αυτής της κατάστασης εξαρτάται από το φορτίο της αιθάλης στον αισθητήρα. Στο σύνολο της η περιοχή Γ έως Ε καθορίζει τον χρόνο απόκρισης του αισθητήρα, ο οποίος χρησιμοποιείται μετέπειτα στις μετρήσεις. Περιοχή αναγέννησης (Ε ->Ζ): Σε ένα ορισμένο ποσό αιθάλης ο αισθητήρας μπαίνει σε λειτουργία αναγέννησης, δηλαδή να απομακρύνει μέσω της καύσης την αιθάλη από την επιφάνεια του. Αυτή η καύση αιθάλης ελέγχεται από τον αισθητήρα ηλεκτρονικά και ξεκινάει

49 44 αυτόματα όταν η τάση ή η ένταση του διερχόμενου ρεύματος ξεπεράσει ένα ανώτατο όριο. Σε αυτήν τη φάση δε γίνεται καμία μέτρηση. Η λειτουργία της αναγέννησης, αλλά και η χρονική διάρκεια η οποία τυπικά διαρκεί δευτερόλεπτα πρέπει να είναι συγκεκριμένες, έτσι ώστε η καύση να μην επηρεάσει την εύρυθμη λειτουργία του αισθητήρα. Κατά την λειτουργία του αισθητήρα υπάρχει η περίπτωση να εμφανιστεί σφάλμα στον αισθητήρα στην διάρκεια της οποίας αν το διαγνωστικό του αισθητήρα εντοπίσει ένα εσωτερικό σφάλμα διακόπτονται όλες οι λειτουργίες του αισθητήρα για την ασφάλεια του ιδίου. Ως πρόσθετη λειτουργία στον πρωτότυπο αυτό αισθητήρα υπάρχει η δυνατότητα της χειροκίνητης αναγέννησης μέσω εντολής ώστε ο αισθητήρας να μπει σε λειτουργία καύσης της αιθάλης που έχει συσσωρευτεί στα ηλεκτρόδια. Είναι προτεινόμενο, η χρήση αυτής της εντολής να εφαρμόζεται στην αρχή των μετρήσεων μετά το ζέσταμα του κινητήρα ώστε να καθαρίζει ο αισθητήρας από σωματίδια που παρέμειναν προσκολλημένα σε παλαιότερες μετρήσεις. Διευκρινίζεται ότι το μήνυμα αυτό δεν πρέπει να ληφθεί από τον αισθητήρα εάν δεν έχει λάβει το μήνυμα θερμοκρασίας για το σημείο δρόσου προηγουμένως. Γενικά, οι ιδανικότερες συνθήκες για τη χειροκίνητη αναγέννηση είναι είτε σε συνθήκες λειτουργίας χωρίς φορτίο (ρελαντί) είτε κατά το σβήσιμο της μηχανής, διότι σε αυτές τις περιπτώσεις επικρατούν συνθήκες υψηλής θερμοκρασίας και χαμηλής ή ελάχιστης ροής καυσαερίου.

50 45 3 Μετρήσεις πρωτότυπου αισθητήρα αιθάλης Στην παρούσα διπλωματική πραγματοποιήθηκαν μετρήσεις στον κινητήρα Daimler σε ένα αριθμό σταθερών σημείων τα οποία επιλέχθηκαν με βάση κρίσιμες παραμέτρους. Παρακάτω αναλύεται η μέθοδος με την οποία επιλέχθηκαν αυτά τα σημεία. 3.1 Μετρητικές Διατάξεις και όργανα μέτρησης Μετρητικά όργανα και υποστηρικτικές συσκευές Τα μετρητικά όργανα και οι υποστηρικτικές συσκευές που χρησιμοποιήθηκαν για τις μετρήσεις κατά την διάρκεια των πειραμάτων είναι τα: 1. VECTOR CAN interface 2. MSS (micro soot sensor) 3. ETAS ETK interface 4. ETAS Thermo and A/D Module 5. ETAS Network Module 6. National Instruments A/D Module των οποίων οι λειτουργίες περιγράφονται αναλυτικά στις πιο κάτω παραγράφους VECTOR-CAN interface Η σειρά μετρητικών οργάνων VN1600 από την οποία στη συγκεκριμένη πειραματική διάταξη χρησιμοποιήθηκε το μοντέλο VN1630 (Σχήμα 3.1) είναι μια προηγμένη μορφή του CANcaseXL το οποίο έχει επιτυχημένα χρησιμοποιηθεί στο παρελθόν σε διάφορες εφαρμογές και είναι μια ευέλικτη και οικονομικά αποδοτική λύση για δίκτυα CAN, LIN ή εφαρμογές J1708. Επίσης παρέχει μια εξαιρετική επίδοση με χαμηλούς χρόνους απόκρισης. Η δυνατότητα λειτουργίας σε πολλαπλές εφαρμογές της οικογένειας VN1600, μπορεί να υποστηρίξει ταυτόχρονη λειτουργία διαφορετικών εφαρμογών σε ένα δίκτυο (π.χ. CANoe και CANape). Μπορούν να δουλέψουν με μια ή με πολλούς διαύλους ταυτόχρονα καθώς και σε περιβάλλον προσομοίωσης αυτών. Επίσης χρησιμοποιούνται για διάγνωση, βαθμονόμηση (calibration) και προγραμματισμό όλων των συσκευών που συνδέονται στο CAN. Επιπλέον με τη χρήση της βιβλιοθήκης CAN δίνεται η δυνατότητα προγραμματισμού νέων εφαρμογών τη δεδομένη στιγμή για την κάλυψη αναγκών. (Vector Informatik, 2011) Σχήμα 3.1 CAN Interface της εταιρίας Vector

51 MSS (micro soot sensor) Η συσκευή Micro Soot Sensor (MSS) της εταιρίας AVL (Σχήμα 3.3) αποτελεί ένα σύστημα για την συνεχή μέτρηση της χαμηλότερης συγκέντρωσης αιθάλης στα καυσαέρια των κινητήρων εσωτερικής καύσης. Στην παρούσα χρονική στιγμή η τεχνολογία της φωτοακουστικής μεθόδου η οποία χρησιμοποιείται από το μετρητικό αυτό όργανο θεωρείται στα εργαστήρια της αυτοκινητοβιομηχανίας ως η καταλληλότερη μέθοδος για τη μέτρηση μέχρι και εξαιρετικά χαμηλών εκπομπών αιθάλης με προσιτό κόστος (Σχήμα 3.2). Σχήμα 3.2 Η αρχή της φωτοακουστικής μεθόδου που χρησιμοποιεί το MSS Η μέθοδος αυτή μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τη μέτρηση της αιθάλης σε κινητήρες χαμηλών εκπομπών αλλά επίσης και για τη μέτρηση άλλων των εισροών καθώς επιτρέπει ανάλυση συγκέντρωσης που προσεγγίζει τα 5 μg/m 3 ( το 1/10 του ορίου της τιμής εισροών). Η συσκευή παρουσιάζει ευαισθησία στην αιθάλη της οποίας η συγκέντρωση προσδιορίζεται άμεσα από την πρωτογενή ποσότητα μέτρησης. Με την πρόσθετη επιλογή Conditioning unit που παρέχει η συσκευή MSS είναι επίσης δυνατό να αξιολογηθούν οι μετρήσεις ανάντη του φίλτρου σωματιδίων (DPF) για την εξακρίβωση της αποτελεσματικότητας του. (AVL, 2008)

52 47 Σχήμα 3.3 Το MSS Soot Sensor της AVL ECU και ETK Το κύκλωμα ETK παρέχει εργαλεία ανάπτυξης με άμεση πρόσβαση στην μονάδα ελέγχου του κινητήρα (ECU), σε εφαρμογές, παραμέτρους ελέγχου καθώς και πλήθος μεταβλητών. Λόγω του ότι η πρόσβαση επιτυγχάνεται σε πραγματικό χρόνο, με υψηλού εύρους διεπαφή το καθιστά ανεξάρτητο από τους υπόλοιπους διαύλους επικοινωνίας του οχήματος. Για τη διευκόλυνση της μέτρησης και την παράκαμψη άλλων εφαρμογών, τα ETK νέας γενιάς έχουν τη δυνατότητα συγχρονισμένου ελέγχου εκατοντάδων μεταβλητών που μεταβάλλονται με τον χρόνο. Χάρη στη σκληρή τους μηχανολογική κατασκευή, τα ETK είναι κατ εξοχή συμβατά σε οχήματα και αδιαπέραστα στις ακραίες θερμοκρασίες που προκύπτουν κατά τη διάρκεια των καλοκαιρινών και των χειμερινών δοκιμών. Σε αντίθεση με εναλλακτικές μεθόδους οι οποίες απαιτούνται τόσο για την πρόσβαση δεδομένων, όσο και για τη μεταφορά αυτών να πραγματοποιείται από την ίδια την ECU, το κύκλωμα ETK παρέχει αυτές τις δυνατότητες ανεξάρτητα από την μονάδα ελέγχου με αμελητέα επιβάρυνση στον μικροεπεξεργαστή της. Το κοινό στοιχείο σε όλα τα ETK είναι το μικρό τους μέγεθος. Αυτό διευκολύνει την εγκατάσταση του κοντά ή μέσα στην ECU χωρίς την ανάγκη σημαντικών αλλαγών στην εργοστασιακή της λειτουργική κατασκευή. Όντας φυσικά και λειτουργικά ξεχωριστό από την μονάδα ECU, το ETK διευκολύνει την άμεση σύγκριση μεταξύ της συμπεριφοράς της λειτουργίας της μονάδας ελέγχου του κινητήρα και των αποτελεσμάτων που παράγει.

53 48 ECU ETK Σχήμα 3.4 Tο ETK εφαρμοσμένο στην ECU ETAS-ETK interface Το ES592.1 ανήκει σε μια οικογένεια μονάδων επικοινωνίας με την μονάδα ECU μέσω του ΕΤΚ. Αναλαμβάνει μέσω του δικτύου Ethernet να διαχειρίζεται μεταβλητές μέτρησης και βαθμονόμησης της ECU. Το ETAS interface είναι επίσης συμβατό και με δίχτυα CAN και LIN. (ETAS, 2009) Σχήμα 3.5 Η συσκευή μέτρησης ETAS ETK interface ETAS-Thermo and A/D Module Το ES650 (Σχήμα 3.6) έχει τη δυνατότητα να μετρά μέχρι οκτώ κανάλια αναλογικών τάσεων εισόδου και οκτώ κανάλια θερμοκρασιών. Η αναλογική τάση εισόδου είναι στο εύρος μηδέν μέχρι δέκα volt [0-10 (volt)].τα δεκαέξι κανάλια τα οποία και διαθέτει είναι ηλεκτρικά μονωμένα από τα άλλα και από την τάση τροφοδοσίας. Έτσι με τον τρόπο αυτό επιτυγχάνεται απομόνωση των καναλιών, εξασφαλίζοντας μέγιστη ακρίβεια μέτρησης ακόμη και σε εξαιρετικά χαμηλές τάσεις και σε περιπτώσεις θερμοστοιχείων άνευ δυναμικού. Ένα ξεχωριστό σημείο αναφοράς σε κάθε υποδοχή εισόδου ελαχιστοποιεί σημαντικά το σφάλμα μέτρησης, ακόμη και όταν οι θερμοκρασίες του περιβάλλοντος διακυμαίνονται. Η συσκευή αυτή υποστηρίζει θερμοστοιχεία τύπου Β, Ε, J, Κ, Ν, R, S και Τ καλύπτοντας έτσι ένα εύρος θερμοκρασιών από -210 ο C έως 1820 ο C. Η μονάδα λειτουργεί σε

54 49 ανάλυση 21 bit, το οποίο επιτρέπει ως ελάχιστη διακριτότητα τους 0,01 ο C με ακρίβεια +0,25 ο C (θερμοστοιχείο τύπου Κ). Σε πιθανή μέτρηση με ανάλυση 16 bit υπάρχουν δύο πιθανά εύρη για μετρήσεις υψηλής ακρίβειας. Για να διατηρηθεί η υψηλή ακρίβεια ακόμη και σε μεγάλες διακυμάνσεις της θερμοκρασίας περιβάλλοντος, το στοιχείο μέτρησης έχει εξαιρετικά χαμηλό συντελεστή θερμορροής (10ppm/ ο C) για το λόγο αυτό και επιτυγχάνει μετρήσεις τάσης έως 2 mv. Για την αποφυγή λήψης πληροφορίας θορύβου, το μετρητικό όργανο παρέχει τη δυνατότητα να ρυθμιστούν ξεχωριστά για κάθε κανάλι, το φίλτρο του λογισμικού και ο ρυθμός δειγματοληψίας. (ETAS, 2009) Σχήμα 3.6 Το Thermo and A/D Module της εταιρίας ETAS ETAS-Network Module Η εταιρία ETAS έχει σχεδιάσει το υποστηρικτικό όργανο Network module (Σχήμα 3.7) για τη σύνδεση διαφόρων μονάδων μέτρησης και διεπαφών με τον υπολογιστή. Το ES600.1 που χρησιμοποιείται στο συγκεκριμένο πείραμα, υποστηρίζει τη σύνδεση μέχρι και έξι συσκευών. Χρησιμοποιεί μια καινοτόμο μέθοδο για τον συγχρονισμό όλων των ενοτήτων με τα κανάλια μέτρησης τους. Έτσι οι δικτυωμένες συσκευές μπορούν να λειτουργήσουν σαν ένα μετρητικό σύστημα. Με τη βοήθεια του INCA, το σύστημα παρέχει μεγάλη σταθερότητα χρόνου, η οποία αγγίζει την τάξη των χιλιοστών του δευτερολέπτου. Αυτό αποκλείει τη δυνατότητα των μετατοπίσεων φάσης στα σήματα και διασφαλίζει ότι οι χρόνοι καταγραφής των δεδομένων θα είναι συγχρονισμένοι. Η συσκευή εμφανίζει συνεχώς τις δραστηριότητες της γραμμής σύνδεσης με τις συνδεδεμένες μονάδες μέσω ενδείξεων LED, καθιστώντας δυνατή την παρακολούθηση της λειτουργίας της

55 50 μονάδας και της ίδιας της σύνδεσης. Χρησιμοποιώντας μια ενσωματωμένη λειτουργία εξοικονόμησης ενέργειας, η συσκευή μπαίνει σε κατάσταση αναμονής σε περίπτωση που δεν έχει συνδεθεί κάποιος υπολογιστής στο δίκτυο. Τέλος το network module ενεργοποιεί τις συσκευές διαδοχικά. Αυτό συμβάλλει στην αποφυγή υπερφόρτωσης, που μπορεί να προκύψει σε περίπτωση πολλαπλής ταυτόχρονης χρήσης του δικτύου. (ETAS, 2009) Σχήμα 3.7 Network Module της εταιρίας ETAS National Instruments A/D Module Η συσκευή μετατροπής αναλογικού σήματος σε ψηφιακό της National Instruments περιλαμβάνει τα βασικά εργαλεία για τη μετατροπή σήματος με ανάλυση μέχρι και 14 bit και ρυθμό δειγματοληψίας 200 MS/s. Σε συνεργασία με μια αυθαίρετη γεννήτρια κυμματομορφών έχει την δυνατότητα να παράγει αναλογικά σήματα τα οποία στη συνέχεια μετατρέπονται σε ψηφιακά και υποστηρίζει υψηλής ταχύτητας ψηφιακό σήμα για τη παραλαβή των αναλογικών δεδομένων και τη γρήγορη δημιουργία πρωτοκόλλων (SPI, I2C, JTAG). Επίσης η συσκευή αυτή υποστηρίζει μια μονάδα στην οποία καταχωρούνται δεδομένα και μπορούν να διανεμηθούν σε διάφορα σημεία ελέγχου. (Instruments, 2012) Σχήμα 3.8 Το A/D module της εταιρίας National Instruments

56 Λογισμικό μετρήσεων Δεδομένου ότι τα μετρητικά όργανα και οι υποστηρικτικές συσκευές εξάγουν ψηφιακά δεδομένα του πειράματος υπό τη μορφή κώδικα, είναι απαραίτητη η χρήση λογισμικών για την παραλαβή των δεδομένων αυτών. Έτσι τα λογισμικά που χρησιμοποιήθηκαν κατά την διάρκεια των πειραματικών μετρήσεων είναι τα εξής: I. ETAS INCA II. VECTOR CANalyzer III. AVL Device Control Software (Java applet) IV. Πρόγραμμα LAT Η λειτουργία του κάθε λογισμικού ανεξάρτητα, αναφέρεται στις επόμενες παραγράφους με τη σειρά που προαναφέρθηκαν ETAS-INCA Το INCA είναι ένα λογισμικό μέτρησης, βαθμονόμησης και διάγνωσης το οποίο δημιουργήθηκε από την εταιρία ETAS (Σχήμα 3.9). Έχει δημιουργηθεί και αναπτυχθεί παράλληλα με την ανάπτυξη των μονάδων ελέγχου των κινητήρων (ECU) και των λογισμικών που τα συνοδεύουν για την πραγματοποίηση μετρήσεων, διαγνώσεων και προγραμματισμού. Για το λόγο αυτό βρίσκει μεγάλη εφαρμογή στην αυτοκινητοβιομηχανία. Βαθμονομώντας ένα λογισμικό της μονάδας ελέγχου (ECU) του κινητήρα με την βοήθεια του INCA επιτρέπει στους μηχανικούς να προσαρμόσουν την συμπεριφορά των λειτουργιών ελέγχου και διάγνωσης σε μια ποικιλία μοντέλων οχημάτων χωρίς να απαιτείται τροποποίηση των διαδικασιών υπολογισμού. Ως μέρος αυτής της διαδικασίας, οι χαρακτηριστικές τιμές των αλγορίθμων των λειτουργιών εγγράφονται ταυτόχρονα με τη λήψη σημάτων από την ECU,των δεδομένων του οχήματος μέσω του δίαυλου και των μετρητικών οργάνων. Κατά την διάρκεια της διαδικασίας βαθμονόμησης στο INCA τα σήματα της μονάδας ελέγχου του κινητήρα (ECU) είναι προσβάσιμα, που σημαίνει πως οποιαδήποτε αλλαγή εντός της μονάδας μπορεί να ακολουθείται από μια λεπτομερή εξέταση και ανάλυση της συμπεριφοράς του συστήματος. Αυτό το είδος βαθμονόμησης μπορεί να λάβει χώρα on board (στο όχημα), εντός του εργαστηριού, σε κελιά δοκιμών ή ακόμη και σε συνδυασμό με προσομοιώσεις λογισμικού περιβάλλοντος (Simulink). (ETAS, INCA Software, 2014)

57 52 Σχήμα 3.9 INCA VECTOR-CANalyzer Το CANalyzer που παρουσιάζεται στο Σχήμα 3.10 είναι ένα ολοκληρωμένο λογισμικό εργαλείο με έξυπνη λειτουργία για την ανάλυση της επικοινωνίας διαύλου. Χρησιμοποιείται για τον έλεγχο της επικοινωνίας των συσκευών που συνδέονται μέσα στο δίκτυο CAN για την αποστολή και λήψη δεδομένων/εντολών. (Vector, 2011) Σχήμα 3.10 CANalyzer

58 AVL Device Control Software (Java applet) Το AVL Device Control Software είναι μικρή εφαρμογή σε java η οποία τρέχει σε ένα browser (πρόγραμμα περιήγησης) και χρησιμοποιείται για την ανάγνωση των μετρήσεων του MSS και τον έλεγχο της συσκευής. Μέσω αυτής της εφαρμογής καταγράφεται σε πραγματικό χρόνο η ποσότητα αιθάλης και δίνονται εντολές στο MSS (π.χ. έναρξη ή παύση λειτουργίας). (AVL, 2008) Σχήμα 3.11 AVL Device Control Software Πρόγραμμα LAT Το πρόγραμμα LAT είναι μια εφαρμογή που δημιουργήθηκε στο Εργαστήριο Εφαρμοσμένης Θερμοδυναμικής. Διαχειρίζεται μετρήσεις από αισθητήρες θερμοκρασίας και άλλες αναλογικές εισόδους στο σύστημα του κινητήρα. Στο Σχήμα 3.12 που είναι μια εικόνα από το πρόγραμμα παρατηρούνται: i. Αισθητήρες πίεσης ii. Θερμοστοιχεία iii. Αναλυτές των οποίων οι εξόδοι διαβάζονται από το πρόγραμμα του LAT. (iii) (i) (ii) Σχήμα 3.12 Μετρούμενα μεγέθη του κινητήρα από την εφαρμογή LAT

59 Διάταξη του κινητήρα Daimler Σχήμα 3.13 Μετρητική διάταξη κινητήρα Η πειραματική διάταξη πλαισιώνεται από τα μετρητικά όργανα και τις υποστηρικτικές συσκευές που αναφέρθηκαν στα υποκεφάλαια και Στο Σχήμα 3.13 δίνεται μια εικόνα της διάταξης αυτής και παρακάτω γίνεται επεξήγηση της λειτουργίας του κάθε μετρητικού και υποστηρικτικού οργάνου στο συγκεκριμένο πείραμα. Όλη η πειραματική διαδικασία αρχίζει από τον κινητήρα ντίζελ Daimler OM646 turbo intercooler 2,2L (Mercedes) ο οποίος πρωτογενώς επικοινωνεί με τον κεντρικό υπολογιστή μέσω της κεντρικής ηλεκτρονικής μονάδας ελέγχου (ECU) στην οποία βρίσκεται προσαρμοσμένο ένα επιπρόσθετο κύκλωμα (ETK) μέσω του οποίου γίνεται δυνατή η επικοινωνία με το ETK interface (ETAS) το οποίο με την σειρά του επικοινωνεί με τον υπολογιστή μέσω του λογισμικού INCA (ETAS). Το λογισμικό αυτό αναλαμβάνει α. την καταγραφή μεγεθών του κινητήρα όπως τις στροφές του, την κατανάλωση καυσίμου, τη ροή του αέρα β. έχει τη δυνατότητα να δώσει εντολές στον κινητήρα μέσω του ETK (π.χ. για τη ρύθμιση της κλίσης του πεντάλ για έμμεσο καθορισμό του φορτίου). Το INCA επίσης καταγράφει τη θερμοκρασία στα σημεία των δύο αισθητήρων, που μετράται με θερμοστοιχεία τύπου Κ τα οποία στέλνουν δεδομένα στο Thermo and A/D Module (ETAS) το οποίο με την σειρά του, μέσω του Network Module (ETAS) μεταφέρει τα δεδομένα στον υπολογιστή (PC # 1) όπου και αναλύονται από το λογισμικό INCA. Κρίνεται σκόπιμο, η μέτρηση των προαναφερθέντων θερμοστοιχείων στο πείραμα αυτό να πραγματοποιείται από το περιβάλλον του λογισμικού INCA για την εξαγωγή δεδομένων απαραίτητων για την πραγματοποίηση υπολογισμών σε σχέση με την ταχύτητα του καυσαερίου (exhaust speed).

60 55 Στο σωλήνα της εξάτμισης μετρούνται επίσης οι θερμοκρασίες πριν και μετά του φίλτρου αιθάλης (DPF), όπως επίσης και οι πιέσεις με επιπλέον θερμοστοιχεία τύπου Κ. Τα δεδομένα αυτά υπό την μορφή σημάτων περνούν μέσω ενός δεύτερου Thermo and A/D Module (National Instruments) και καταλήγουν στον δεύτερο υπολογιστή (PC # 2) όπου και καταγράφονται από την εφαρμογή LAT η οποία επικοινωνεί με τον εν λόγω A/D. Οι αισθητήρες αιθάλης επικοινωνούν με τον υπολογιστή μέσω του δικτύου CAN το οποίο συνδέεται με τη συσκευή CAN interface (VECTOR) που έχει σα λειτουργία να λάβει και να διαβάσει τα σήματα από τους αισθητήρες ή να δώσει εντολές. Οι εντολές δίνονται μέσω του προγράμματος CANalyzer (VECTOR) το οποίο αναλαμβάνει την επικοινωνία μέσω του υπολογιστή. Τέλος το μετρητικό όργανο MSS (AVL) αναλαμβάνει τη μέτρηση της συγκέντρωσης αιθάλης. Μέσω ενός τοπικού web server που είναι εγκατεστημένος εντός του μετρητικού οργάνου και με την χρήση ενός καλωδίου τοπικής δικτύωσης (Ethernet) επικοινωνεί με τον υπολογιστή, όπου με τη βοήθεια ενός browser (περιηγητή διαδικτύου) και τη χρήση της AVL Device Control Software (εφαρμογής java) δίνεται η δυνατότητα εντολής καταγραφής των δεδομένων, είτε απλής παρακολούθησης αυτών. Στο Σχήμα 3.14 παρουσιάζεται η διάταξη του κινητήρα και των αισθητήρων αιθάλης κατά τη διάρκεια των πειραμάτων. Σχήμα 3.14 Διάταξη του κινητήρα κατά την διάρκεια των μετρήσεων 3.2 Μετρήσεις στον κινητήρα Daimler Από προηγούμενες μετρήσεις που πραγματοποιήθηκαν στο Εργαστήριο Εφαρμοσμένης Θερμοδυναμικής για ελαφρά οχήματα επιλέχθηκαν τα επίπεδα που διακρίνονται στον Πίνακας 3.1 για τη συγκέντρωση αιθάλης (Soot), την ταχύτητα των καυσαερίων στην έξοδο (Exhaust Speed) και τη θερμοκρασία των καυσαερίων στην έξοδο (Exhaust Temperature).

61 56 Πίνακας 3.1 Επίπεδα των παραγόντων που επιλέχθηκαν για τις μετρήσεις LEVEL Soot [mg/m 3 ] Exhaust Speed [m/s] Exhaust Temperature [ o C] Με βάση τα επίπεδα των τριών παραγόντων που επιλέχθηκαν προκύπτουν είκοσι εφτά συνδυασμοί οι οποίοι και θεωρούνται αντιπροσωπευτικοί, μιας και καλύπτουν το εύρος του κινητήρα που απαιτείται κατά τη συγκεκριμένη πειραματική διερεύνηση για εφαρμογές ελαφρών οχημάτων. Οι συνδυασμοί αυτοί εμφανίζονται στον Πίνακας 3.2. Πίνακας 3.2 Συνδυασμοί που προκύπτουν από τα προεπιλεγμένα επίπεδα παραγόντων για την πραγματοποίηση των πειραμάτων Για την επίτευξη των σημείων που καταγράφονται στον Πίνακας 3.2 λόγω του ότι δεν καθίσταται δυνατή η άμεση καταχώρηση επιπέδων των τριών παραμέτρων που τα αποτελούν για τον λόγο ότι δεν είναι παράμετροι του κινητήρα, ακολουθείται μια σειρά βημάτων η οποία δεν είναι η ίδια σε

62 ΕΛΕΓΧΟΜΕΝΟΙ ΠΑΡΑΜΕΤΡΟΙ 57 κάθε σημείο. Στην επόμενη παράγραφο που ακολουθεί γίνεται μια περιγραφή των βημάτων για την προσπάθεια επίτευξης ενός σημείου. Ως σημείο ορίζεται ο συνδυασμός των αποκρίσεων (Soot, Speed, Temperature) σε μια συγκεκριμένη τριάδα τιμών. Κατά τη διάρκεια λειτουργίας του κινητήρα, με τη βοήθεια του λογισμικού INCA γίνεται προσπάθεια επίτευξης προκαθορισμένων σημείων (Πίνακας 3.2). Οπως προαναφέρθηκε λόγω του ότι τα σημεία δεν μπορούν να επιτευχθούν με άμεση καταχώρηση των παραμέτρων τους, γίνεται ένας συνδυασμός κινήσεων αυξομειώνοντας τις παραμέτρους του κινητήρα: Τις στροφές του κινητήρα (engine speed) [RPM] Της κλίσης του πεντάλ (acceleration pedal) [%] Την ανακυκλοφορία των καυσαερίων (EGR) [%] Την βαλβίδα στραγγαλισμού (throttle valve) [%] Αρχικά καθορίζεται η θερμοκρασία που μετράται στην έξοδο μέσω του φορτίου (torque) διαμέσου της γωνίας του πεντάλ. Μετά τη ρύθμιση της πρώτης παραμέτρου γίνεται έλεγχος της ταχύτητας των καυσαερίων και προσπάθεια ρύθμισης μέσω των στροφών του κινητήρα (engine speed). Αυτό γίνεται με προσοχή γιατί αν δημιουργηθεί μεγάλη απόκλιση στις τιμές των στροφών τότε υπάρχει πιθανότητα να επηρεαστεί η συγκέντρωση αιθάλης. Ως τελικό στάδιο ρυθμίζεται η συγκέντρωση της αιθάλης (soot) κάτι που πραγματοποιείται αφ ενός με την ανακυκλοφορία των καυσαερίων (EGR) και αφ εταίρου με τη βαλβίδα στραγγαλισμού (throttle valve) σε περίπτωση που είναι επιθυμητή η τοπική αλλαγή της ταχύτητας του κινητήρα. Στον Πίνακας 3.3 δίνονται τα αποτελέσματα που συνήθως (εκτός ειδικών περιπτώσεων) παρουσιάζονται από τις αυξομειώσεις των παραμέτρων του κινητήρα. Πίνακας 3.3 Επίδραση των παραμέτρων του κινητήρα στις έμμεσα ελεγχόμενες αποκρίσεις ΑΠΟΚΡΙΣΕΙΣ Soot Exhaust Speed Exhaust Temperature Engine Speed - Acceleration pedal - EGR Throttle valve - - Παρακάτω ο Πίνακας 3.4 παρουσιάζει ένα απόσπασμα του πρωτοκόλλου για τους συγκεκριμένους συνδυασμούς εφαρμογών ελαφρών οχημάτων (light duty DoE).

63 Πίνακας 3.4 Απόσπασμα πρωτοκόλλου μετρήσεων 58

64 59 4 Ανάλυση και αξιολόγηση Συναρτήσεων Μεταφοράς (TF) 4.1 Οδηγίες για δημιουργία Συνάρτησης Μεταφοράς Τα πειραματικά αποτελέσματα που καταγράφονται από τις μετρήσεις των τεσσάρων αισθητήρων L1,L2,L3 και L4 σε ελαφρά οχήματα αναλύονται και επεξεργάζονται με τη χρήση του SigmaZone DoE Pro στο Excel για τη δημιουργία Συνάρτησης Μεταφοράς με τον παρακάτω τρόπο. Αρχικά επιλέγεται μια ομάδα παραγόντων η οποία αποτελείται από τις παραμέτρους Soot concentration [mg/m 3 ] (Soot): Η συγκέντρωση αιθάλης που μετράται από το MSS ( micro soot sensor) Response Time [s] (Time): Ο χρόνος μεταξύ δυο συνεχόμενων αναγεννήσεων Exhaust speed [m/s] (Exhaust speed): Η ταχύτητα των καυσαερίων στην έξοδο (στο σημείο του αισθητήρα) Temperature [ ο C] (Temperature): Η θερμοκρασία των καυσαερίων στην έξοδο (στο σημείο του αισθητήρα) Βήμα 1 - Επιλογή δεδομένων στηλών και λογαρίθμηση Σαν πρώτο βήμα, τα στοιχεία εισόδου αποτελούν τα time, speed και temperature και έξοδος η παράμετρος soot. Αφού επιλεχθούν οι μετρήσεις των παραμέτρων που προαναφέρθηκαν από το φύλλο μετρήσεων που αναφέρει ο Πίνακας 4.1 τοποθετούνται σε ένα νέο φύλλο Excel. Επιπρόσθετα όπως παρατηρείται στις στήλες G,H,I και J στο Σχήμα 4.1 δημιουργούνται οι λογάριθμοι των παραμέτρων οι οποίοι δύνανται να εξετασθούν ως είσοδοι ή ως έξοδος. Σχήμα 4.1 Οι μετρήσεις που πρόκειται να εξεταστούν και οι λογάριθμοι αυτών

65 60 Βήμα 2 - Ορισμός αριθμού δεδομένων στο DoE της SigmaZone Στη συνέχεια χρησιμοποιώντας το μενού του SigmaΖone από την επιλογή Historical/Custom Design (Σχήμα 4.2) ορίζεται ο αριθμός των κυρίων παραγόντων ο οποίος είναι ίσος με τον αριθμό των εισόδων (i) και ο αριθμός των γραμμών σειρών που αντιπροσωπεύει τον αριθμό των εγγραφών σειρών δεδομένων που έχουν ληφθεί από τα πειράματα (ii). Ακολούθως δίνεται η εντολή finish για την καταχώρηση των δεδομένων. i ii Σχήμα 4.2 i) αριθμός κύριων παραμέτρων, ii) αριθμός εγγραφών σειρών δεδομένων Έτσι το DoE της SigmaZone δημιουργεί ένα νέο αρχείο με ένα προκαθορισμένο πίνακα (Σχήμα 4.3)στον οποίο επικολλούνται τα λογαριθμημένα δεδομένα των παραμέτρων εισόδου. Σχήμα 4.3 Οι λογαριθμημένες τιμές των κύριων παραγόντων εισόδου Τα A, B και C που εμφανίζονται στο Σχήμα 4.3 αντιστοιχούν στις κύριες παραμέτρους εισόδου.

66 61 Βήμα 3 Επιλογή αλληλεπιδράσεων Στο τρίτο βήμα και πάλι από το Historical/Custom Design γίνεται επιλογή του Interactions Coding Reps (Σχήμα 4.4) με σκοπό να ληφθούν υπόψη οι κύριες επιδράσεις και οι αλληλεπιδράσεις μέχρι και δεύτερης τάξης (δηλαδή όχι τρίτης τάξης). Έτσι όπως φαίνεται και στο Σχήμα 4.4, γίνεται επιλογή των 2-way Interactions και Quadratic Interactions και μετά καταχωρείται με την επιλογή Next. ζ ζ Λίστα αλληλεπιδράσεων Σχήμα 4.4 Καθορισμός της τάξης των αλληλεπιδράσεων Τα A,B και C (Σχήμα 4.4 και Σχήμα 4.3) αντιστοιχούν στην πρώτη, δεύτερη και τρίτη είσοδο που αντίστοιχα είναι τα LN Response Time, LN Exhaust speed και LN Exhaust Temperature.και αποτελούν τις κύριες επιδράσεις. Πατώντας την επιλογή 2-Way Interactions από το παράθυρο Interaction Selection που εμφανίζεται προστίθενται όλες οι αλληλεπιδράσεις μεταξύ των κύριων παραγόντων οι οποίες στο συγκεκριμένο παράδειγμα είναι οι AB, AC και BC. Ακολούθως, επιλέγοντας την εντολή Quadratic Interactions προστίθενται οι επιδράσεις δεύτερης τάξης των κύριων παραγόντων που εδώ είναι οι ΑΑ, ΒΒ και CC.

67 62 Βήμα 4 Καθορισμός αποκρίσεων (εξόδων) και εισαγωγή των αντίστοιχων δεδομένων Στο νέο πινάκα επιλογών που εμφανίζεται συμπληρώνεται ο αριθμός των εξόδων ο οποίος στο συγκεκριμένο παράδειγμα είναι ίσος με μια και ακολούθως η επιλογή υποβάλλεται με το Next (Σχήμα 4.5). Τέλος συμπληρώνεται το όνομα της εξόδου ως είναι (LN Soot)(Σχήμα 4.6). Σχήμα 4.5 Καθορισμός του αριθμού των εξόδων Σχήμα 4.6 Καθορισμός της ονομασίας του παράγοντα εξόδου Στη στήλη που μόλις προστέθηκε (Σχήμα 4.7) επικολλούνται οι λογαριθμημένες τιμές της παραμέτρου soot από το προηγούμενο φύλλο χωρίς τον τίτλο ο οποίος έχει είδη δημιουργηθεί από το προηγούμενο βήμα στο Σχήμα 4.6.

68 63 Σχήμα 4.7 Η νέα στήλη F που αποτελείται από τις τιμές του παράγοντα εξόδου Βήμα 5 Δημιουργία πίνακα παλινδρόμησης Μετά τη δημιουργία του πίνακα σχεδίασης, από την επιλογή Analyze Design (Σχήμα 4.8) επιλέγεται η εντολή Multiple Response Regression και έτσι δημιουργείται ο πίνακας παλινδρόμησης. (Σχήμα 4.9) Σχήμα 4.8 Η εντολή για την δημιουργία του πίνακα παλινδρόμησης

69 64 Βήμα 6 Σχήμα 4.9 Πίνακας παλινδρόμησης P-value Σχήμα 4.10 P-value Στο σημείο αυτό εξετάζονται οι τιμές P-value των αλληλεπιδράσεων (Σχήμα 4.9). Σκοπός είναι η αφαίρεση των αλληλεπιδράσεων με P-value μεγαλύτερο του 0,1 γιατί δεν επηρεάζουν σημαντικά την έξοδο, που σε αυτή την περίπτωση είναι το Soot (συγκέντρωση της αιθάλης που μετρά το MSS). Στα βήματα 7 και 8 που ακολουθούν παρουσιάζεται ο τρόπος αφαίρεσης μιας αλληλεπίδρασης.

70 65 Βήμα 7 Αφαίρεση μη σημαντικών αλληλεπιδράσεων Από το menu του DoE της SigmaZone και από το Modify Design επιλέγεται η επιλογή Change Interactions (Σχήμα 4.11). Σχήμα 4.11 Εντολή για την εμφάνιση της λίστας με τις αλληλεπιδράσεις Στη συνέχεια και μετά την ολοκλήρωση του προηγούμενου βήματος, εμφανίζεται ένας υποπίνακας (Σχήμα 4.12) του οποίου στο δεξί άκρο εμφανίζονται οι αλληλεπιδράσεις. Στο παράδειγμα αυτό παρουσιάζεται ο τρόπος αφαίρεσης της αλληλεπίδρασης ΑΒ γιατί όπως παρατηρήθηκε στον πίνακα του σχήματος 4.9 είναι η τιμή με το μεγαλύτερο P-value και όπως προαναφέρθηκε είναι η πρώτη που πρέπει να αφαιρεθεί. Αφού επιλεγεί η αλληλεπίδραση από την λίστα αλληλεπιδράσεων (Σχήμα 4.12), επιλέγοντας το Remove Interaction και αμέσως μετά πατώντας το Next διαγράφεται η αλληλεπίδραση από την λίστα. Σχήμα 4.12 Μενού με την λίστα των αλληλεπιδράσεων και τις επιλογές αφαίρεσης αυτών

71 66 Βήμα 8 Επανάληψη παραγωγής πίνακα παλινδρόμησης Μετά τη διαγραφή της αλληλεπίδρασης, επαναλαμβάνεται η διαδικασία του βήματος 5 και έτσι λαμβάνεται ο νέος πίνακας παλινδρόμησης (Multiple Response Regression) που παρατηρείται στο Σχήμα Σχήμα 4.13 Νέος πίνακας παλινδρόμησης μετά την αφαίρεση της αλληλεπίδρασης Βήμα 9 Αφαίρεση όλων των μη σημαντικών αλληλεπιδράσεων Τα βήματα που προηγήθηκαν για την αφαίρεση μιας αλληλεπίδρασης επαναλαμβάνονται όσες φορές χρειάζεται μέχρι να αφαιρεθούν όλες οι αλληλεπιδράσεις με P-value μεγαλύτερο του 0,1. Σημειώνεται ότι οι κύριοι παράγοντες που στο συγκεκριμένο παράδειγμα είναι οι A,B και C δεν αφαιρούνται. Αυτό γιατί μπορεί κάποιες φορές να επηρεάζει έμμεσα ο παράγοντας αλληλεπίδρασης ή ο παράγοντας επίδρασης δεύτερης τάξης. Στο παράδειγμα ο κύριος παράγοντας Β δεν φαίνεται να επηρεάζει, εντούτοις η επίδραση δεύτερης τάξης ΒΒ επηρεάζει και μάλιστα σημαντικά.

72 67 Η τελική μορφή του πίνακα παλινδρόμησης εμφανίζεται στο Σχήμα Το τελικό φύλλο για μεθοδολογικούς λόγους ονομάζεται final. Όπως παρατηρείται στο μέσο του πίνακα εμφανίζεται το R 2 του οποίου η τιμή όσο πιο πολύ προσεγγίζει την μονάδα τόσο προσεγγίζεται η γραμμικότητα του μοντέλου η οποία είναι η επιθυμητή ιδιότητα. Σχήμα 4.14 Τελικός πίνακας παλινδρόμησης Βήμα 10 Εξαγωγή τελικών συντελεστών παραγόντων και αλληλεπιδράσεων Σχήμα 4.15 Μενού για την εξαγωγή του uncoded φύλλου

73 68 Από το τελικό φύλλο και από την επιλογή Analyze design, Uncoded Coefficients (Σχήμα 4.15) εξάγεται το uncoded φύλλο το οποίο φαίνεται στο Σχήμα 4.16.Από το uncoded φύλλο θα ληφθούν οι συντελεστές της Συνάρτησης Μεταφοράς για κάθε παράγοντα. Η διαφορά του uncoded φύλλου με το coded, είναι ότι στο δεύτερο οι τιμές των παραμέτρων εισόδου, ανάγονται στο -1<x<1 για κάθε μεταβλητή. Σχήμα 4.16 uncoded φύλλο στο οποίο περιλαμβάνονται οι τελικοί συντελεστές Βήμα 11 Εξαγωγή Συνάρτησης Μεταφοράς Τέλος στο το πρόγραμμα TF Generator το οποίο εμφανίζεται στο Σχήμα 4.17 και δημιουργήθηκε στο Εργαστήριο Εφαρμοσμένης Θερμοδυναμικής με σκοπό την απλοποίηση της παραγωγής των Συναρτήσεων Μεταφοράς, συμπληρώνονται οι απαραίτητες πληροφορίες : 1) Το όνομα του αρχείου 2) Το όνομα του uncoded φύλλου 3) Το μοναδικό όνομα το οποίο ορίζεται για την Transfer function 4) Οι παράγοντες εισόδου

74 69 και έπειτα δίνεται η εντολή εξαγωγής της Συνάρτησης Μεταφοράς των μετρήσεων του αισθητήρα που διερευνάτε πατώντας την επιλογή Get Transfer Function (5) Σχήμα 4.17 TF Generator για την δημιουργία των Συναρτήσεων Μεταφοράς Για το συγκεκριμένο παράδειγμα που αναλύθηκε η Συνάρτηση Μεταφοράς είναι η ακόλουθη: Soot_LD_L2_TVC TF = exp( * log(time) * log(speed) * log(temperature) * log(time) * log(time) * log(time) * log(temperature) * log(speed) * log(speed) * log(temperature) * log(temperature)) με R²= όπως παρατηρήθηκε και στο Σχήμα Όπου exp(x)= e x και log(x)= ln x Βήμα 12(προαιρετικό) Εξαγωγή φύλλου residual sheet Προαιρετικά το DoE της SigmaZone δίνει την δυνατότητα δημιουργίας φύλλου (Residual sheet Σχήμα 4.19) για τη σύγκριση των προβλεπόμενων τιμών με τις πραγματικές. Στις στήλες L και M καταχωρούμε τις απολογαριθμοποιημένες τιμές των στηλών E και F. Η δημιουργία του Residual Sheet μπορεί να πραγματοποιηθεί από το μενού του DoE της SigmaZone,πατώντας την επιλογή Residual Analysis και ακολούθως επιλέγοντας την εντολή Generate Residual Sheet (Σχήμα 4.18)

75 70 Σχήμα 4.18 Μενού για την δημιουργία του Residual Sheet Σχήμα 4.19 Residual sheet Από το διάγραμμα στο Σχήμα 4.20 δίνεται η δυνατότητα οπτικής σύγκρισης των πραγματικών τιμών με τις υπολογισμένες. Σχήμα 4.20 Σύγκριση πραγματικών τιμών με τις υπολογισμένες

76 71 Βήμα 13(προαιρετικό) Στο γράφημα τύπου Pareto (Σχήμα 4.21) παρουσιάζεται η σημαντικότητα και ο βαθμός στον οποίο επηρεάζει ο κάθε παράγοντας την έξοδο άρα και την Συνάρτηση Μεταφοράς. Συγκεκριμένα παρατηρείται (οπτικά) ότι ο παράγοντας Exhaust (Speed) δεν επηρεάζει σημαντικά την έξοδο. Σχήμα 4.21 Διάγραμμα Pareto Βήμα 14(προαιρετικό) Εξαγωγή λοιπών γραφημάτων Από την επιλογή Graphs and Optimization του DoE της SigmaZone επιλέγεται η εντολή Interaction, Surface, Contour Plot (Σχήμα 4.22) και στη συνέχεια το φύλλο final οπού τελικά εμφανίζεται ένας πίνακας επιλογών (Σχήμα 4.23) ο όποιος δίνει την δυνατότητα να δημιουργηθούν συνδυασμοί μεταξύ των παραγόντων εισόδου και να αναπαραχθούν τρισδιάστατα γραφήματα (Σχήμα 4.24 και Σχήμα 4.25) των οποίων οι επιφάνειες δίνουν μια οπτική ένδειξη της εξάρτησης των παραμέτρων. Σχήμα 4.22 Μενού για την εμφάνιση του πίνακα δημιουργίας συνδυαστικών γραφημάτων

77 72 Σχήμα 4.23 Μενού δημιουργίας συνδυασμών για τον έλεγχο της εξάρτησης των παραμέτρων Σχήμα 4.24 Συνδυασμός Response Time-Exhaust Speed

78 73 Σχήμα 4.25 Συνδυασμός Response Time-Exhaust Temperature Στη συνέχεια επαναλαμβάνονται τα βήματα από 1 έως και 14 για την δημιουργία οποιασδήποτε επιθυμητής νέας Συνάρτησης Μεταφοράς η οποία είτε θα έχει διαφορετικά δεδομένα και ίδιους τύπους εισόδου ή τελείως διαφορετικούς τύπους εισόδου, που σημαίνει την λήψη διαφορετικών στηλών. Σχήμα 4.26 Εφαρμογή της Transfer function Στο Σχήμα 4.26 παρουσιάζεται ένα παράδειγμα εφαρμογής της Transfer function του αισθητήρα που παράχθηκε στα δεδομένα του ιδίου του αισθητήρα. Οι TF που έχουν παραχθεί για την ανάγκη της παρούσας διερεύνησης αναφέρονται στον Πίνακας 4.1.

79 74 Πίνακας 4.1 Οι Συναρτήσεις Μεταφοράς που παράχθηκαν στα πλαίσια της διερεύνησης # DoE Sensor Dataset Output Input1 Input2 Input3 Input4 Input5 Name of function R² 1 LD S1 All Soot Time Speed Temp Soot_LD_S1_TVC LD S1 All Time Soot Speed Temp Time_LD_S1_SVC LD S2 All Soot Time Speed Temp Soot_LD_S2_TVC LD S2 All Time Soot Speed Temp Time_LD_S2_SVC LD L1 All Soot Time Speed Temp Soot_LD_L1_TVC LD L1 All Soot Time Speed Temp NOx Soot_LD_L1_TVCN LD L1 All Time Soot Speed Temp Time_LD_L1_SVC LD L1 All Time Soot Speed Temp NOx Time_LD_L1_SVCN LD L1 1 Soot Time Speed Temp Soot_LD_L1_1_TVC LD L1 1 Soot Time Speed Temp NOx Soot_LD_L1_1_TVCN LD L1 1 Time Soot Speed Temp Time_LD_L1_1_SVC LD L1 1 Time Soot Speed Temp NOx Time_LD_L1_1_SVCN LD L1 2 Soot Time Speed Temp Soot_LD_L1_2_TVC LD L1 2 Soot Time Speed Temp NOx Soot_LD_L1_2_TVCN LD L1 2 Time Soot Speed Temp Time_LD_L1_2_SVC LD L1 2 Time Soot Speed Temp NOx Time_LD_L1_2_SVCN LD L2 All Soot Time Speed Temp Soot_LD_L2_TVC LD L2 All Time Soot Speed Temp Time_LD_L2_SVC LD L2 All Time Soot Speed Temp NOx Time_LD_L2_SVCN LD L2 1 Soot Time Speed Temp Soot_LD_L2_1_TVC LD L2 1 Soot Time Speed Temp NOx Soot_LD_L2_1_TVCN LD L2 1 Time Soot Speed Temp Time_LD_L2_1_SVC LD L2 1 Time Soot Speed Temp NOx Time_LD_L2_1_SVCN LD L2 2 Soot Time Speed Temp Soot_LD_L2_2_TVC LD L2 2 Soot Time Speed Temp NOx Soot_LD_L2_2_TVCN 0.983

80 75 26 LD L2 2 Time Soot Speed Temp Time_LD_L2_2_SVC LD L2 2 Time Soot Speed Temp NOx Time_LD_L2_2_SVCN LD L3 All Soot Time Speed Temp Soot_LD_L3_TVC LD L3 All Time Soot Speed Temp Time_LD_L3_SVC LD L3 All Time Soot Speed Temp NOx Time_LD_L3_SVCN LD L3 1 Soot Time Speed Temp Soot_LD_L3_1_TVC LD L3 1 Soot Time Speed Temp NOx Soot_LD_L3_1_TVCN LD L3 1 Time Soot Speed Temp Time_LD_L3_1_SVC LD L3 1 Time Soot Speed Temp NOx Time_LD_L3_1_SVCN LD L3 2 Soot Time Speed Temp Soot_LD_L3_2_TVC LD L3 2 Soot Time Speed Temp NOx Soot_LD_L3_2_TVCN LD L3 2 Time Soot Speed Temp Time_LD_L3_2_SVC LD L3 2 Time Soot Speed Temp NOx Time_LD_L3_2_SVCN LD L4 All Soot Time Speed Temp Soot_LD_L4_TVC LD L4 All Time Soot Speed Temp Time_LD_L4_SVC LD L4 All Time Soot Speed Temp NOx Time_LD_L4_SVCN LD L4 1 Soot Time Speed Temp Soot_LD_L4_1_TVC LD L4 1 Soot Time Speed Temp NOx Soot_LD_L4_1_TVCN LD L4 1 Time Soot Speed Temp Time_LD_L4_1_SVC LD L4 1 Time Soot Speed Temp NOx Time_LD_L4_1_SVCN LD L4 2 Soot Time Speed Temp Soot_LD_L4_2_TVC LD L4 2 Soot Time Speed Temp NOx Soot_LD_L4_2_TVCN LD L4 2 Time Soot Speed Temp Time_LD_L4_2_SVC LD L4 2 Time Soot Speed Temp NOx Time_LD_L4_2_SVCN LD L1 All Soot Time Speed Temp Lambda Soot_LD_L1_TVCL LD L1 All Soot Time Speed Temp NOx Lambda Soot_LD_L1_TVCLN LD L1 All Time Soot Speed Temp Lambda Time_LD_L1_SVCL LD L1 All Time Soot Speed Temp NOx Lambda Time_LD_L1_SVCLN 0.957

81 76 54 LD L2 All Soot Time Speed Temp Lambda Soot_LD_L2_TVCL LD L2 All Soot Time Speed Temp NOx Lambda Soot_LD_L2_TVCLN LD L2 All Time Soot Speed Temp Lambda Time_LD_L2_SVCL LD L2 All Time Soot Speed Temp NOx Lambda Time_LD_L2_SVCLN LD L3 All Soot Time Speed Temp Lambda Soot_LD_L3_TVCL LD L3 All Soot Time Speed Temp NOx Lambda Soot_LD_L3_TVCLN LD L3 All Time Soot Speed Temp Lambda Time_LD_L3_SVCL LD L3 All Time Soot Speed Temp NOx Lambda Time_LD_L3_SVCLN LD L4 All Soot Time Speed Temp Lambda Soot_LD_L4_TVCL LD L4 All Soot Time Speed Temp NOx Lambda Soot_LD_L4_TVCLN LD L4 All Time Soot Speed Temp Lambda Time_LD_L4_SVCL LD L4 All Time Soot Speed Temp NOx Lambda Time_LD_L4_SVCLN LD L1 All Soot Time Speed Temp O 2 Soot_LD_L1_TVCO LD L1 All Soot Time Speed Temp NOx O 2 Soot_LD_L1_TVCON LD L1 All Time Soot Speed Temp O 2 Time_LD_L1_SVCO LD L1 All Time Soot Speed Temp NOx O 2 Time_LD_L1_SVCON LD L2 All Soot Time Speed Temp O 2 Soot_LD_L2_TVCO LD L2 All Soot Time Speed Temp NOx O 2 Soot_LD_L2_TVCON LD L2 All Time Soot Speed Temp O 2 Time_LD_L2_SVCO LD L2 All Time Soot Speed Temp NOx O 2 Time_LD_L2_SVCON LD L3 All Soot Time Speed Temp O 2 Soot_LD_L3_TVCO LD L3 All Soot Time Speed Temp NOx O 2 Soot_LD_L3_TVCON LD L3 All Time Soot Speed Temp O 2 Time_LD_L3_SVCO LD L3 All Time Soot Speed Temp NOx O 2 Time_LD_L3_SVCON LD L4 All Soot Time Speed Temp O 2 Soot_LD_L4_TVCO LD L4 All Soot Time Speed Temp NOx O 2 Soot_LD_L4_TVCON LD L4 All Time Soot Speed Temp O 2 Time_LD_L4_SVCO LD L4 All Time Soot Speed Temp NOx O 2 Time_LD_L4_SVCON 0.979

82 Μελέτη επίδρασης επιλογής υποσυνόλων δεδομένων αισθητήρα (datasets) Για σκοπούς διερεύνησης τα πειραματικά δεδομένα του κάθε αισθητήρα χωρίζονται σε ισάριθμα τυχαία επιλεγμένα υποσύνολα. Στη προκείμενη περίπτωση χωρίστηκαν σε δύο υποσύνολα. Με τη μέθοδο αυτή εξετάζεται το κατά πόσο οι Συναρτήσεις Μεταφοράς που θα εξαχθούν από τα υποσύνολα έχουν την ίδια συμπεριφορά με την Συνάρτηση Μεταφοράς που εξάγεται από το σύνολο δεδομένων του ίδιου αισθητήρα Μεθοδολογία Διαδικασία επιλογής υποσυνόλων δεδομένων Για τη δημιουργία των τυχαίων υποσυνόλων πραγματοποιείται μια σειρά βημάτων αναγκαίων για την δημιουργία των υποσυνόλων του κάθε αισθητήρα και ακολούθως για την εξαγωγή των Συναρτήσεων Μεταφοράς αυτών. Βήμα 1 Αρχικά χρησιμοποιείται το αρχικό φύλλο με τις μετρήσεις του αισθητήρα που έχουν συμπληρωθεί και αποθηκευτεί στο το Excel (Σχήμα 4.27). Σχήμα 4.27 Φύλλο μετρήσεων Βήμα 2 Κατά το δεύτερο βήμα, στο αριστερό μέρος του φύλλου όπως φαίνεται και στο Σχήμα 4.28 δημιουργείται μια στήλη η οποία ονομάζεται Random (τυχαία). Η στήλη αυτή είναι προσωρινή και

83 78 δημιουργείται μόνο για να μπορέσουν να δημιουργηθούν με τυχαίο τρόπο τα δυο σετ δεδομένων που θα δημιουργηθούν στο συγκεκριμένο παράδειγμα. Βήμα 3 Χρησιμοποιείται η συνάρτηση Rand του Excel (Σχήμα 4.28) η οποία έχει τη δυνατότητα παραγωγής τυχαίων τιμών x μεταξύ του μηδέν και του ένα (0 x<1). Σχήμα 4.28 Συνάρτηση Rand που χρησιμοποιείται στην ομώνυμη στήλη Ακολούθως, πατώντας το Enter το κελί στο οποίο καταχωρήθηκε η συνάρτηση συμπληρώνεται με ένα τυχαίο αριθμό προαναφερθέν εύρος τιμών. Έτσι χρησιμοποιώντας την επιλογή που δίνεται από το Excel και πατώντας στο κάτω δεξί μέρος του κελιού με τον κέρσορα δυο συνεχόμενες φορές, συμπληρώνεται ολόκληρη η στήλη Random (Σχήμα 4.29) Σχήμα 4.29 Η στήλη Random συμπληρωμένη με τις ψευδοτυχαίες τιμές

84 79 Βήμα 4 Λόγω του ότι οι τιμές αυτές δεν είναι σταθερές και με οποιαδήποτε αλλαγή στο φύλλο οι αυτές αλλάζουν (Random-τυχαίες), πρέπει να σταθεροποιηθούν. Για τη σταθεροποίηση των τιμών αυτών επιλέγεται όλη η στήλη Random που τις περιέχει και ακολούθως αντιγράφεται με την επιλογή Copy. Ακολούθως γίνονται στο ίδιο σημείο που βρίσκονται ειδική επικόλληση ως τιμές (Σχήμα 4.30).Έτσι οι τιμές είναι πλέον σταθερές. Σχήμα 4.30 Ειδική επικόλληση για τη σταθεροποίηση των τιμών Βήμα 5 Εφόσον οι random τιμές έχουν σταθεροποιηθεί, επιλέγεται όλος ο πίνακας με τις τιμές των μετρήσεων, συμπεριλαμβανομένου και της Random στήλης. Εν συνεχεία από το μενού του Excel και από την επιλογή Data/Sort δίνεται η εντολή για ταξινόμηση των τιμών με βάση την στήλη Random (Σχήμα 4.31). Σχήμα 4.31 Μενού για την επιλογή ταξινόμησης με βάση την Random στήλη

85 80 Έτσι με τον τρόπο αυτό έχει τυχαιοποιηθεί η σειρά των γραμμών των δεδομένων όπως φαίνεται και στο Σχήμα Όποτε κριθεί αναγκαίο ο πίνακας μπορεί να επανέλθει στην αρχική του μορφή, αναταξινομώντας με βάση τον αύξοντα αριθμό (#). Αυτό μπορεί να γίνει από το μενού του Excel, επιλέγοντας την εντολή Data/Sort (Σχήμα 4.33). Σχήμα 4.32 Ταξινόμηση των σειρών των τιμών με βάση την στήλη Random Σχήμα 4.33 Επιλογή για την επαναφορά του πίνακα στην αρχική του μορφή

86 81 Βήμα 6 Αφού πλέον έχουν σταθεροποιηθεί και ταξινομηθεί οι τιμές με βάση την στήλη Random ελέγχεται και εξακριβώνεται ο αριθμός των σειρών των δεδομένων ο οποίος στο παράδειγμα αυτό όπως παρατηρείται από το Σχήμα 4.34 είναι 103. Από τον αριθμό αυτό δεν πρέπει να παραληφθεί να αφαιρεθεί η πρώτη γραμμή η οποία δεν περιέχει δεδομένα αλλά τις ονομασίες αυτών. Έτσι ο νέος αριθμός που προκύπτει είναι 102. Σχήμα 4.34 Ο συνολικός αριθμός των σειρών μετρήσεων Βήμα 7 Για τη δημιουργία δυο υποσυνόλων προκύπτει ότι ο αριθμός των σειρών δεδομένων που είναι εκατόν δυο πρέπει να διαιρεθεί με τον αριθμό των υποσυνόλων που θα δημιουργηθούν (δυο στην προκείμενη περίπτωση). Έτσι προκύπτει ότι το κάθε ένα υποσύνολο θα περιέχει πενήντα μια τυχαίες σειρές δεδομένων. Για τη δημιουργία του πρώτου υποσυνόλου (dataset) επιλέγονται οι πρώτες 51 τιμές του φύλλου (Σχήμα 4.35), αντιγράφονται και επικολλούνται σε ένα νέο φύλλο Excel.

87 82 Σχήμα 4.35 Ο αριθμός των σειρών των τιμών του πρώτου Dataset Βήμα 8 Για τη δημιουργία του δεύτερου υποσυνόλου (dataset) ακολουθείται ανάλογη μέθοδος με αυτή στο βήμα 7, έτσι επιλέγονται οι εναπομένουσες πενήντα μια τιμές του φύλλου και επικολλούνται και αυτές σε ένα νέο φύλλο. Έτσι με τα βήματα που περιγράφηκαν στα προηγούμενα εννέα βήματα δημιουργήθηκαν δυο νέα φύλλα, τα οποία περιέχουν υποσύνολα των δεδομένων του αισθητήρα. Η διαδικασία των βημάτων από το ένα μέχρι και το βήμα εννέα μπορεί να ακολουθηθεί και να αναπαραχθεί για την δημιουργία υποσυνόλων για κάθε αισθητήρα Δημιουργία Συναρτήσεων Μεταφοράς Από τα δύο νέα φύλλα δεδομένων (υποσυνόλων) που δημιουργήθηκαν στο και είναι προς διερεύνηση και με τη σχετική διαδικασία που αναφέρθηκε στο 4.1 (βήματα 1-14) θα δημιουργηθούν νέες Συναρτήσεις Μεταφοράς για κάθε υποσύνολο ξεχωριστά. Βήμα 1 Αρχικά δημιουργείται μια Συνάρτηση Μεταφοράς για κάθε υποσύνολο δεδομένων του αισθητήρα με κύριους παράγοντες εισόδου τους παρακάτω: Response Time [s] Exhaust speed [m/s] Temperature [ ο C] Και παράγοντα εξόδου το Soot [mg/m 3 ]

88 83 Βήμα 2 Στη συνέχεια με την ίδια μέθοδο παράγεται μια ακόμη Συνάρτηση Μεταφοράς με επιπρόσθετο παράγοντα το NO x [ppm]. Όπου NO x, η συγκέντρωση σωματιδίων NO x που μετράτε στην έξοδο. Τα δύο προηγούμενα βήματα (1 και 2) αναπαράγονται για όλα τα υποσύνολα των υπόλοιπων αισθητήρων που έχουν δημιουργηθεί. Βήμα 3 Στη συνέχεια δημιουργείται για κάθε υποσύνολο αισθητήρα μια ακόμη Συνάρτηση Μεταφοράς, αυτή την φορά με παράγοντες εισόδου τους: Soot concentration [mg/m 3 ] Exhaust speed [m/s] Temperature [ ο C] Και παράγοντα εξόδου το Response Time [s]. Βήμα 4 Όπως και στην περίπτωση με παράγοντα εξόδου το Soot concentration δημιουργήθηκε μια Transfer function χωρίς παράγοντα εισόδου το NOx και μια δεύτερη που έχει ως παράγοντα εισόδου το NO X.(βήματα 1 και 2), έτσι και σε αυτή την περίπτωση δημιουργείται και μια δεύτερη Συνάρτηση Μεταφοράς για κάθε υποσύνολο η οποία συμπεριλαμβάνει ως τέταρτο στοιχείο εισόδου τον παράγοντα NOx. Στο Σχήμα 4.36 παρουσιάζεται ένα παράδειγμα της εφαρμογής των συναρτήσεων των υποσυνόλων στα δεδομένα της συνάρτησης του ίδιου του αισθητήρα με και χωρίς NOx. Σχήμα 4.36 Παράδειγμα εφαρμογής της soot Συνάρτησης Μεταφοράς των υποσυνόλων Οι παραγόμενες Συναρτήσεις Μεταφοράς που έχουν παραχθεί για τη συγκεκριμένη ανάλυση εμφανίζονται στον Πίνακας 4.2.

89 84 Πίνακας 4.2 Oι Συναρτήσεις Μεταφοράς που παράχθηκαν από τα Datasets των αισθητήρων

90 Αποτελέσματα Οι συναρτήσεις που εξήχθηκαν εφαρμόστηκαν στους αισθητήρες L1, L2, L3 και L4 αντίστοιχα και λήφθηκαν αποτελέσματα τα οποία αναλύονται παρακάτω σε γραφήματα τα οποία έχουν στον οριζόντιο άξονα (άξονα x) ως μονάδα μέτρησης την συγκέντρωση της αιθάλης η οποία μετράται στο MSS και στον κατακόρυφο άξονα (άξονα y) τη συγκέντρωση αιθάλης όπως αυτή υπολογίζεται από τις Συναρτήσεις Μεταφοράς. Στο Σχήμα 4.37 παρουσιάζεται η εφαρμογή των soot Συνάρτηση Μεταφοράς των υποσυνόλων του L1 στα δεδομένα του πρώτου υποσυνόλου. Όπως παρατηρείται στο γράφημα χωρίς ΝΟx η Συνάρτηση Μεταφοράς (TF) του πρώτου υποσυνόλου (L1 D1) λειτουργεί καλύτερα από αυτήν του δεύτερου υποσυνόλου (L1 D2) μιας και εφαρμόζεται στον εαυτό της. Λέγοντας ότι λειτουργεί καλύτερα εννοείται ότι οι τιμές της πλησιάζουν περισσότερο στη κεντρική γραμμή (x=y) η οποία εκφράζει το όριο στο οποίο οι τιμές της αιθάλης που μετρούνται από το MSS είναι ίσες με τις τιμές της αιθάλης που υπολογίζουν οι Συναρτήσεις Μεταφοράς (TF). Στην συνέχεια των αναλύσεων των αποτελεσμάτων η γραμμή αυτή θα αναφέρεται ως κεντρική γραμμή. Μετά και την εισαγωγή του παράγοντα ΝΟx η συμπεριφορά της Συνάρτησης Μεταφοράς του δεύτερου υποσυνόλου (TF L1 D2) επί του πρώτου (D1) βελτιώνεται, όπως φαίνεται άλλωστε και στο δεξί διάγραμμα του σχήματος Σχήμα Σχήμα 4.37 Εφαρμογή των soot TF των υποσυνόλων του L1 στα δεδομένα του πρώτου υποσυνόλου Στο Σχήμα 4.38 παρατηρείται πως η Συνάρτηση του δεύτερου υποσυνόλου (TF L1 D2) έχει μια ελαφρώς καλύτερη συμπεριφορά από αυτή της Συνάρτησης Μεταφοράς του πρώτου υποσυνόλου (TF L1 D1). Μετά την εισαγωγή της παραμέτρου NOx στους παράγοντες εισόδου σημειώνεται μικρή βελτίωση και στις δυο Συναρτήσεις Μεταφοράς μιας και παρατηρείται κάποια συσπείρωση των τιμών γύρω από την κεντρική γραμμή.

91 86 Σχήμα 4.38 Εφαρμογή των soot TF των υποσυνόλων του L1 στα δεδομένα του δεύτερου υποσυνόλου Στο σημείο αυτό οι soot Συναρτήσεις Μεταφοράς (TF)του L1 εφαρμόζονται στα δεδομένα στου πρώτου υποσυνόλου (Σχήμα 4.39). Παρατηρώντας το διάγραμμα χωρίς NO x διακρίνεται πως η συμπεριφορά της λειτουργίας της TF L1 είναι παρόμοια με αυτήν της TF L1 D2 και οι δύο αισθητά καλύτερες από αυτήν της TF L1 D1. Μετά και τη προσθήκη του NOx παράγοντα η απόδοση των TF βελτιώνεται με πιο ορατή την βελτίωση της TF L1 D1. Έτσι παρατηρείται ότι ο παράγοντας NO x συνέβαλε στην παραπλήσια λειτουργία των Συναρτήσεων Μεταφοράς του L1 που εφαρμόστηκαν στα δεδομένα του πρώτου υποσυνόλου. R 2 : 0,954 R 2 : 0,922 R 2 : 0,942 R 2 : 0,979 R 2 : 0,968 R 2 : 0,97 Σχήμα 4.39 Εφαρμογή των soot TF του αισθητήρα L1 στα δεδομένα του πρώτου υποσυνόλου Όπως παρατηρήθηκε στις εφαρμογές των TF επί του πρώτου υποσυνόλου, έτσι και στις εφαρμογές τους επί του δεύτερου (Σχήμα 4.40) παρατηρείται παρόμοια συμπεριφορά μεταξύ της TF L1 και της TF L1 D2, με την TF L1 D1 να παρουσιάζει μεγαλύτερη απόκλιση από τις δυο προηγούμενες. Εισάγοντας τον παράγοντα NOx, στις υψηλές συγκεντρώσεις παρατηρείται μια συσπείρωση των τιμών και μετακίνηση τους προς την κεντρική γραμμή, γεγονός που σημαίνει βελτίωση της

92 87 συμπεριφοράς τους, προσδίδοντας έτσι παρόμοια λειτουργία στις Συναρτήσεις Μεταφοράς που εφαρμόστηκαν στα δεδομένα του δεύτερου υποσυνόλου. Στις χαμηλές συγκεντρώσεις όμως μερικές τιμές της TF L1 D1 παρουσιάζουν μερική απόκλιση. R 2 : 0,864 R 2 : 0,962 R 2 : 0,945 R 2 : 0,96 R 2 : 0,968 R 2 : 0,946 Σχήμα 4.40 Εφαρμογή των soot TF του αισθητήρα L1 στα δεδομένα του δεύτερου υποσυνόλου Στο Σχήμα 4.41 παρουσιάζονται οι εφαρμογές των TF του L2 στα δεδομένα του πρώτου υποσυνόλου. Όπως παρατηρείται οι συμπεριφορά των Συναρτήσεων Μεταφοράς των υποσυνόλων έχουν παραπλήσια συμπεριφορά με αυτήν της TF που παράχθηκε από το σύνολο των δεδομένων του αισθητήρα. Είναι εμφανές πως με την εισαγωγή και του παράγοντα NO x στις παραμέτρους εισόδου, τα αποτελέσματα έχουν αντίθετη συμπεριφορά από την αναμενόμενη, παρουσιάζοντας μεγαλύτερη διασπορά απ ότι στα αποτελέσματα χωρίς NO x. Έτσι παρατηρείται απόκλιση στη συμπεριφορά των Συναρτήσεων Μεταφοράς. R 2 : 0,974 R 2 : 0,952 R 2 : 0,968 R 2 : 0,983 R 2 : 0,92 R 2 : 0,959 Σχήμα 4.41 Εφαρμογή των soot TF του αισθητήρα L2 στα δεδομένα του πρώτου υποσυνόλου Η πιο πάνω διαδικασία επαναλήφθηκε αυτή την φορά στα δεδομένα του δεύτερου υποσυνόλου (Σχήμα 4.42). Όπως και στην εφαρμογή επί των δεδομένων του πρώτου υποσυνόλου έτσι και στην εφαρμογή επί των δεδομένων του δεύτερου υποσυνόλου τα αποτελέσματα των εφαρμογών έχουν

93 88 πολύ κοντινή συμπεριφορά. Στην περίπτωση αυτή όμως με την εισαγωγή της παραμέτρου NO x τα αποτελέσματα παρουσιάζουν βελτίωση αφού παρατηρείται συσπείρωση των τιμών και σύγκλιση προς την γραμμή x=y σημειώνοντας έτσι την παραπλήσια λειτουργία των Συναρτήσεων Μεταφοράς του αισθητήρα L2 που εφαρμόστηκαν στα δεδομένα του δεύτερου υποσυνόλου. R 2 : 0,953 R 2 : 0,94 R 2 : 0,946 R 2 : 0,962 R 2 : 0,984 R 2 : 0,976 Σχήμα 4.42 Εφαρμογή των soot TF του αισθητήρα L2 στα δεδομένα του δεύτερου υποσυνόλου Με την εφαρμογή των συναρτήσεων του αισθητήρα L3 στα δεδομένα των υποσυνόλων του, εξάγονται τα αποτελέσματα που διατυπώνονται στο Σχήμα 4.43 και στο Σχήμα 4.44 και έχουν παρόμοια συμπεριφορά με τα αποτελέσματα από την εφαρμογή των δεδομένων των TF του L2 αισθητήρα επί των δεδομένων των υποσυνόλων του. Έτσι τα δεδομένα των Συναρτήσεων Μεταφοράς των υποσυνόλων έχουν παρόμοια συμπεριφορά με αυτή των δεδομένων της συνάρτησης του ίδιου του L3 αισθητήρα. Επίσης με την εισαγωγή του παράγοντα NO x στις παραμέτρους εισόδου παρουσιάζεται διασπορά των τιμών με πιο εμφανή τη διαφοροποίηση των τιμών της TF L3 D2. Η συμπεριφορά των Συναρτήσεων Μεταφοράς επί των δεδομένων του υποσυνόλου 1 είναι σαφώς καλύτερη και παραπλήσια χωρίς την παρουσία NO x κάτι το οποίο είναι εμφανές στο Σχήμα 4.43.

94 89 R 2 : 0,973 R 2 : 0,944 R 2 : 0,97 R 2 : 0,986 R 2 : 0,915 R 2 : 0,963 Σχήμα 4.43 Εφαρμογή των soot TF του αισθητήρα L3 στα δεδομένα του πρώτου υποσυνόλου Κατά την εφαρμογή των δεδομένων των Συναρτήσεων Μεταφοράς του L3 αισθητήρα στα δεδομένα του δεύτερου υποσυνόλου, παρατηρείται βελτίωση της συμπεριφοράς των Συναρτήσεων Μεταφοράς με την παρουσία NO x. Η βελτίωση αυτή γίνεται αντιληπτή στο δεξί διάγραμμα στο Σχήμα 4.44 με την παρουσία συσπείρωσης των τιμών και τη σύγκλιση τους προς την κεντρική γραμμή. R 2 : 0,958 R 2 : 0,956 R 2 : 0,967 R 2 : 0,971 R 2 : 0,957 R 2 : 0,97 Σχήμα 4.44 Εφαρμογή των soot TF του αισθητήρα L3 στα δεδομένα του δεύτερου υποσυνόλου Όπως και στις περιπτώσεις των τριών προηγούμενων αισθητήρων, έτσι και στην περίπτωση του αισθητήρα L4 τα δεδομένα του χωρίστηκαν σε δύο υποσύνολα από τα οποία προέκυψαν νέες Συναρτήσεις Μεταφοράς. Στο Σχήμα 4.45 παρουσιάζεται η εφαρμογή των Soot Συναρτήσεων Μεταφοράς του αισθητήρα L4 στα δεδομένα του πρώτου υποσυνόλου. Από τα διαγράμματα παρατηρείται ότι υπάρχει απόκλιση μεταξύ της λειτουργίας των συναρτήσεων των υποσυνόλων και της TF L4. Με την εισαγωγή του παράγοντα NO x στις παραμέτρους εισόδου, σημειώνεται μικρή σύγκλιση των τιμών στις υψηλές συγκεντρώσεις αλλά στις χαμηλές συγκεντρώσεις μικρή απόκλιση

95 90 των τιμών της TF L4 D1. Από τα αποτελέσματα αυτά συμπεραίνεται ότι οι Συναρτήσεις Μεταφοράς των υποσυνόλων του αισθητήρα L4 δεν αποδίδουν το ίδιο με την TF L4. Σχήμα 4.45 Εφαρμογή των soot TF του αισθητήρα L4 στα δεδομένα του πρώτου υποσυνόλου Τα αποτελέσματα από την εφαρμογή των Συναρτήσεων Μεταφοράς του αισθητήρα L4 στα δεδομένα του δεύτερου υποσυνόλου είναι παρόμοια με αυτά της εφαρμογής στο πρώτο υποσύνολο. Η μεγάλη διασπορά και οι απόκλιση των τιμών από την κεντρική γραμμή είναι εμφανή στο Σχήμα Με την παρουσία του παράγοντα NO x σημειώνεται μικρή βελτίωση της λειτουργίας η οποία γίνεται αντιληπτή από τις τιμές στο δεξί διάγραμμα οι οποίες παρουσιάζουν μικρή συσπείρωση. Παρά την βελτίωση που παρατηρείται, οι TF L4 D1 και TF L4 D2 κατά την εφαρμογή τους στα δεδομένα του δεύτερου υποσυνόλου δεν παρουσιάζουν την ίδια ή παραπλήσια συμπεριφορά με την Συνάρτηση Μεταφοράς από τα συνολικά δεδομένα του αισθητήρα L4. Σχήμα 4.46 Εφαρμογή των soot TF του αισθητήρα L4 στα δεδομένα του δεύτερου υποσυνόλου

96 Εφαρμογή των Συναρτήσεων των υποσυνόλων σε άλλους αισθητήρες Παρατηρώντας το Σχήμα 4.47 διακρίνεται πως οι TF στις χαμηλές συγκεντρώσεις αποδίδουν περίπου το ίδιο. Στις δε υψηλές συγκεντρώσεις οι τιμές τους παρουσιάζουν μεγάλη διασπορά και απόκλιση από την κεντρική γραμμή. Η ίδια συμπεριφορά των Συναρτήσεων Μεταφοράς με αυτή που προαναφέρθηκε παρουσιάζεται και μετά την εισαγωγή του παράγοντα NOx στις παραμέτρους εισόδου των TF. Σημειώνεται μάλιστα αύξηση της διασποράς στις υψηλές συγκεντρώσεις αιθάλης. Παρά την διασπορά των τιμών οι Συναρτήσεις Μεταφοράς του L2 στα δεδομένα του L1 έχουν παρόμοια συμπεριφορά, αποκλίνουν όμως από αυτή της TF L1. Στο Σχήμα 4.48 όπου εμφανίζονται τα αποτελέσματα της εφαρμογής των Συναρτήσεων Μεταφοράς του αισθητήρα L3 στα δεδομένα του L1 παρατηρούνται ανάλογα αποτελέσματα με την προηγούμενη εφαρμογή. Δηλαδή ενώ οι TF του αισθητήρα που εφαρμόζονται στα δεδομένα άλλου αισθητήρα, με NO x και χωρίς έχουν πολύ κοντινή συμπεριφορά, εν τούτοις αποκλίνουν από τα αποτελέσματα της συνάρτησης του αισθητήρα στον οποίο εφαρμόστηκαν. Η συμπεριφορά αυτή καθιστά σαφές το ότι οι συναρτήσεις του αισθητήρα L3 δεν επιφέρουν τα επιθυμητά αποτελέσματα όταν εφαρμοστούν στα δεδομένα του αισθητήρα L1. Σχήμα 4.47 Εφαρμογή των soot Συναρτήσεων Μεταφοράς του αισθητήρα L2 στον L1 αισθητήρα

97 92 Σχήμα 4.48 Εφαρμογή των soot Συναρτήσεων Μεταφοράς του αισθητήρα L3 στον L1 αισθητήρα Στο Σχήμα 4.49 με NOx και χωρίς παρατηρείται ότι η συμπεριφορά των Συναρτήσεων του αισθητήρα L4 έχουν παραπλήσια συμπεριφορά. Παρόλα αυτά παρουσιάζεται μεγάλη απόκλιση των τιμών τους σε σχέση με την TF L1 στις χαμηλές αλλά και στις ψηλές συγκεντρώσεις με τον μεγαλύτερο όγκο των τιμών να βρίσκεται κάτω από την κεντρική γραμμή, γεγονός που δίνει την δυνατότητα χρήσης ενός συντελεστή βελτίωσης κλίσης για την βελτίωση της συμπεριφοράς των TF. Σχήμα 4.49 Εφαρμογή των soot Συναρτήσεων Μεταφοράς του αισθητήρα L4 στον L1 αισθητήρα Κατά την εφαρμογή των TF του αισθητήρα L1 με NOx και χωρίς στα δεδομένα του αισθητήρα L2 (Σχήμα 4.50) παρουσιάζεται μεγάλη διασπορά των τιμών τόσο πάνω όσο και κάτω από την κεντρική γραμμή με την συμπεριφορά των συναρτήσεων του L1 να διαφέρει από αυτή της συνολικής συνάρτησης του L2. Για τον λόγο αυτό οι Συναρτήσεις Μεταφοράς του αισθητήρα L1 στην περίπτωση αυτή δεν δίνουν βέλτιστα αποτελέσματα.

98 93 Σχήμα 4.50 Εφαρμογή των soot Συναρτήσεων Μεταφοράς του αισθητήρα L1 στον L2 αισθητήρα Ανάλογη με την προηγούμενη περίπτωση είναι η συμπεριφορά κατά την εφαρμογή των δεδομένων των Συναρτήσεων Μεταφοράς του αισθητήρα L3 στα δεδομένα του αισθητήρα L2. Σχήμα 4.51 Εφαρμογή των soot Συναρτήσεων Μεταφοράς του αισθητήρα L3 στον L2 αισθητήρα Οι Συναρτήσεις Μεταφοράς του αισθητήρα L4 καθώς εφαρμόζονται στα δεδομένα του αισθητήρα L2 (Σχήμα 4.52) αν και σχετικά συσπειρωμένες παρουσιάζουν απόκλιση από την κεντρική γραμμή και από τις τιμές της Συνάρτησης Μεταφοράς του ιδίου του L2 αισθητήρα οι οποίες αν και διάσπαρτες βρίσκονται συμμετρικά πάνω στην κεντρική γραμμή. Για τον λόγο αυτό κρίνεται απαραίτητη η χρήση ενός συντελεστή βελτίωσης κλίσης για τη ρύθμιση της λειτουργίας των TF του L4 στα δεδομένα του αισθητήρα L2.

99 94 Σχήμα 4.52 Εφαρμογή των soot Συναρτήσεων Μεταφοράς του αισθητήρα L4 στον L2 αισθητήρα Στο Σχήμα 4.53 διακρίνονται οι εφαρμογές των συναρτήσεων του L1 αισθητήρα στα δεδομένα του L3 στις οποίες εμφανίζεται μεγάλη διασπορά. Εισάγοντας τον παράγοντα NOx στις TF τα αποτελέσματα δεν είναι τα αναμενόμενα καθώς η διασπορά των τιμών αυξάνεται σε αντίθεση με την αναμενόμενη συσπείρωση. Τα αποτελέσματα αυτά δείχνουν παρόμοια λειτουργία των Συναρτήσεων Μεταφοράς του αισθητήρα L1 κατά την εφαρμογή τους στα δεδομένα του αισθητήρα L3 με απόκλιση όμως από τα δεδομένα της Συνάρτησης Μεταφοράς του αισθητήρα L3 στα δεδομένα του οποίου έγινε η εφαρμογή. Σχήμα 4.53 Εφαρμογή των soot Συναρτήσεων Μεταφοράς του αισθητήρα L1 στον L3 αισθητήρα Ανάλογη συμπεριφορά με αυτή των συναρτήσεων του αισθητήρα L1 (Σχήμα 4.53) παρουσιάζουν οι εφαρμογές των Συναρτήσεων Μεταφοράς του L2 αισθητήρα επί των μετρήσεων του αισθητήρα L3 (Σχήμα 4.54). Κατά την περίπτωση χωρίς NO x οι συμπεριφορές των συναρτήσεων είναι πάρα πολύ κοντά. Εισάγοντας τον παράγοντα NO x η διασπορά των τιμών αυξάνεται με την λειτουργία των συναρτήσεων του αισθητήρα L2 να αποκλίνει από αυτή του αισθητήρα L3.

100 95 Σχήμα 4.54 Εφαρμογή των soot Συναρτήσεων Μεταφοράς του αισθητήρα L2 στον L3 αισθητήρα Η συνάρτηση του L4 αισθητήρα, όπως παρατηρήθηκε και στους δύο προηγούμενους αισθητήρες L1 και L2 παρουσιάζει βελτίωση συμπεριφοράς με τις τιμές της να παρουσιάζουν μεγάλη συσπείρωση σε σχέση με αυτήν της TF του ιδίου του L3 αισθητήρα (Σχήμα 4.55). Αν και η συσπείρωση των τιμών των TF L4 εμφανίζεται αρκετά κάτω από την κεντρική γραμμή, εν τούτης μπορούν να διορθωθούν με ένα συντελεστή διόρθωσης κλίσης. Σχήμα 4.55 Εφαρμογή των soot Συναρτήσεων Μεταφοράς του αισθητήρα L4 στον L3 αισθητήρα Στο Σχήμα 4.56, Σχήμα 4.57, Σχήμα 4.58 γίνεται εφαρμογή των συναρτήσεων των αισθητήρων L1, L2 και L3 στα δεδομένα του αισθητήρα L4.Είναι ευδιάκριτο πως τα αποτελέσματα των εφαρμογών και στις τρείς περιπτώσει δεν είναι τα αναμενόμενα μιας και η διασπορά των τιμών είναι μεγάλου βαθμού παράλληλα με την μεγάλη απόκλιση που εμφανίζεται. Στη περίπτωση που εισάγεται ο παράγοντας NO x η συμπεριφορά των Συναρτήσεων Μεταφοράς είναι παρόμοια με αυτή των εφαρμογών των συναρτήσεων χωρίς NO x.

101 96 Σχήμα 4.56 Εφαρμογή των soot Συναρτήσεων Μεταφοράς του αισθητήρα L1 στον L4 αισθητήρα Σχήμα 4.57 Εφαρμογή των soot Συναρτήσεων Μεταφοράς του αισθητήρα L2 στον L4 αισθητήρα Σχήμα 4.58 Εφαρμογή των soot Συναρτήσεων Μεταφοράς του αισθητήρα L3 στον L4 αισθητήρα

102 97 Πέραν από τις soot Συναρτήσεις Μεταφοράς που εξήχθηκαν για κάθε αισθητήρα και τα υποσύνολα αυτού, δημιουργήθηκαν και Συναρτήσεων Μεταφοράς με παράγοντα εξόδου το time (response time). Δηλαδή τον χρόνο μεταξύ δύο αναγεννήσεων. Κάποια από τα αποτελέσματα που λήφθηκαν από τις time TF αναλύονται στα παρακάτω σχήματα. Στα γραφήματα τα οποία εμφανίζονται και αναλύονται τα δεδομένα των TF αυτών έχουν στον οριζόντιο άξονα (άξονα x) ως μονάδα μέτρησης τον χρόνο που μετρήθηκε κατά τη διάρκεια των πειραμάτων μεταξύ των διαδοχικών αναγεννήσεων και στον κατακόρυφο άξονα (άξονα y) τον χρόνο όπως αυτός υπολογίζεται από τις Συναρτήσεις Μεταφοράς. Στο Σχήμα 4.59 παρουσιάζεται η εφαρμογή των time Συναρτήσεων των υποσυνόλων του αισθητήρα L1 στο πρώτο υποσύνολο (D1) χωρίς NOx και με NOx σαν τέταρτο παράγοντα εισόδου. Όπως παρατηρείται η συμπεριφορά των time Συναρτήσεων Μεταφοράς χωρίς NOx επί των δεδομένων του D1 είναι παρόμοια με κάποιες μεμονωμένες τιμές να αποκλίνουν. Με την εισαγωγή του τέταρτου παράγοντα εισόδου (NOx) παρατηρείται μικρή βελτίωση της συμπεριφοράς των συναρτήσεων με κάποιες μεμονωμένες τιμές και πάλι να αποκλίνουν. Όπως παρατηρείται οι σχετικές αποκλίσεις των τιμών αρχίζουν με την πάροδο των 2000 δευτερολέπτων. Για τον λόγο αυτό συνιστάται προσοχή στην εφαρμογή των time Συναρτήσεων Μεταφοράς σε μεγάλους χρόνους. Σχήμα 4.59 Εφαρμογή των time TF των υποσυνόλων του L1στα δεδομένα του πρώτου υποσυνόλου Στο Σχήμα 4.60 εκφράζεται η συμπεριφορά των συναρτήσεων των υποσυνόλων του L1 αισθητήρα οι οποίες εφαρμόζονται στο δεύτερο υποσύνολο του L1 αυτή την φορά. Στο παράδειγμα αυτό παρατηρείται και πάλι παρόμοια συμπεριφορά μεταξύ των συναρτήσεων των υποσυνόλων με την διάφορα ότι στην περίπτωση αυτή, η διασπορά των τιμών είναι ελαφρώς μεγαλύτερη. Εισάγοντας τον τέταρτο παράγοντα εισόδου, δηλαδή την παράμετρο NOx μεγάλο τμήμα των τιμών συγκλίνει στην κεντρική γραμμή δείχνοντας έτσι σημάδια βελτίωσης. Κατά την εφαρμογή των Συναρτήσεων Μεταφοράς των υποσυνόλων στα δεδομένα του υποσυνόλου 2, οι μεμονωμένες

103 98 τιμές που λαμβάνονται σε χρόνους μεγαλύτερους των 2000 δευτερολέπτων δεν αποκλίνουν σημαντικά από την κεντρική γραμμή x=y. Σχήμα 4.60 Εφαρμογή των time TF των υποσυνόλων του L1 στα δεδομένα του δεύτερου υποσυνόλου Εφαρμόζοντας τις Συναρτήσεις Μεταφοράς του αισθητήρα L1 με NOx και χωρίς τα υποσύνολα ένα και δύο (Σχήμα 4.61 και Σχήμα 4.62) παρατηρείται μεγάλη διασπορά των τιμών. Σχήμα 4.61 Εφαρμογή των time TF του αισθητήρα L1 στα δεδομένα του πρώτου υποσυνόλου 1 Σχήμα 4.62 Εφαρμογή των time TF του αισθητήρα L1 στα δεδομένα του υποσυνόλου 2

104 99 Μετά και την εφαρμογή των time Συναρτήσεων Μεταφοράς στα δεδομένα του αισθητήρα L1 (Σχήμα 4.63 και Σχήμα 4.64) παρατηρείται απόκλιση των τιμών εκατέρωθεν της κεντρικής γραμμής για τον λόγο αυτό δεν είναι κατάλληλες για άμεση χρήση σε αυτή την περίπτωση (χρειάζεται διόρθωση κλίσης). Σχήμα 4.63 Εφαρμογή των time Συναρτήσεων Μεταφοράς του αισθητήρα L2 στον L1 αισθητήρα Σχήμα 4.64 Εφαρμογή των time Συναρτήσεων Μεταφοράς του αισθητήρα L3 στον L1 αισθητήρα Από την εφαρμογή της time Συνάρτησης Μεταφοράς του L4 στα δεδομένα του αισθητήρα L1 διακρίνεται σχετική απόκλιση των τιμών των συναρτήσεων του τέταρτου αισθητήρα από αυτές του αισθητήρα L1. Λόγω του ότι η απόκλιση των τιμών είναι μονομερής (κάτω από την γραμμή) και μικρή δίνεται η δυνατότητα βελτίωσης της συμπεριφοράς τους με κάποιο συντελεστή διόρθωσης κλίσης.

105 100 Σχήμα 4.65 Εφαρμογή των time Συναρτήσεων Μεταφοράς του αισθητήρα L4 στον L1 αισθητήρα Συμπεράσματα Στον αισθητήρα L1 παρατηρείται ότι ο χωρισμός των δεδομένων σε υποσύνολα παράγει εξίσου καλά αποτελέσματα με αυτά από το σύνολο των δεδομένων του αισθητήρα. Ο παράγοντας NO x συμβάλλει στην βελτίωση των αποτελεσμάτων. Στον αισθητήρα L2 από το χωρισμό των δεδομένων σε υποσύνολα και την ανάλυση τους εξάγονται Συναρτήσεις Μεταφοράς με ανάλογη συμπεριφορά με αυτή της TF L2. Στην περίπτωση αυτή το NO x δεν συμβάλλει και στις δυο περιπτώσεις των υποσυνόλων για βελτίωση της λειτουργίας. Τα αποτελέσματα που λήφθηκαν από την ανάλυση των δεδομένων του L3 σε υποσύνολα είναι ανάλογα με αυτά του αισθητήρα L2. Κατά τον διαχωρισμό των δεομένων του L4 αισθητήρα σε υποσύνολα παρατηρείται ότι οι Συναρτήσεις Μεταφοράς που εξάγονται έχουν μεγάλη απόκλιση από την TF L4. Η εισαγωγή του παράγοντα NO x στις παραμέτρους εισόδου βελτιώνει τη συμπεριφορά των Συναρτήσεων Μεταφοράς. Παρατηρείται ότι δεν υπάρχει ενιαία, συνεπής συμπεριφορά των TF των υποσυνόλων σε σχέση με την Συνάρτηση Μεταφοράς από το σύνολο των δεδομένων του κάθε αισθητήρα. Για παράδειγμα κάποιες φορές ένα υποσύνολο δίνει μία TF που έχει όμοια απόδοση με αυτήν που εξάγεται από το σύνολο των δεδομένων (π.χ. TF L1 D2 στα δεδομένα του υποσυνόλου 1). Υπάρχουν όμως και περιπτώσεις όπου η συνάρτηση από το επιλεγμένο υποσύνολο έχει διαφορά από τη συνολική Συνάρτηση Μεταφοράς. Οι αποκλίσεις αυξάνονται όσο αυξάνεται η συγκέντρωση της αιθάλης. Όταν προστίθεται ο παράγοντας NO x στον υπολογισμό, η απόκλιση των συναρτήσεων των υποσυνόλων σε σχέση με τη συνολική συνήθως ελαττώνεται (π.χ. στον αισθητήρα L3). Αυτό έχει και τελική επίπτωση κατά την εφαρμογή των συναρτήσεων των υποσυνόλων σε άλλους αισθητήρες όπου τις περισσότερες φορές αυτό οδηγεί σε πολύ μεγάλη διασπορά τιμών όπως για παράδειγμα στην εφαρμογή των συναρτήσεων του L3 στον L1.

106 101 Όσον αφορά τις time TF συνήθως οι αποκλίσεις είναι πολύ μεγάλες όταν το Response Time ξεπεράσει τα 2000 sec. Αυτό γενικά σημαίνει ότι οι συναρτήσεις που επιστρέφουν το χρόνο δεν είναι αξιόπιστες είτε χρησιμοποιούνται υποσύνολα είτε όχι. Κατά την εφαρμογή των Συναρτήσεων Μεταφοράς ενός αισθητήρα (είτε με υποσύνολα είτε χωρίς) στα δεδομένα άλλου αισθητήρα παρατηρείται πως στις περισσότερες περιπτώσεις χρειάζεται διόρθωση κλίσης. 4.3 Μελέτη επίδρασης παραγόντων lambda και Ο2 στις TF Μετά την επεξεργασία των πειραματικών αποτελεσμάτων των αισθητήρων, την ανάλυση τους και την εξαγωγή των Συναρτήσεων Μεταφοράς αυτών και αφού εφαρμόστηκαν σε όλους τους αισθητήρες κρίθηκε σκόπιμη η εισαγωγή των παραμέτρων lambda και O 2 για περαιτέρω διερεύνηση. Με την εισαγωγή των παραμέτρων αυτών αναμένεται η βελτίωση της συμπεριφοράς των συναρτήσεων Δημιουργία των Συναρτήσεων Μεταφοράς Για την δημιουργία των νέων Συναρτήσεων Μεταφοράς που θα περιέχουν ως επιπλέον παραμέτρους εισόδου τους παράγοντες lambda και O 2 θα ακολουθηθεί η μεθοδολογία δημιουργίας Συνάρτησης Μεταφοράς για την οποία έγινε αναφορά στην παράγραφο 4.1 Συγκεκριμένα θα αναπαραχθούν τα βήματα ένα μέχρι και το δεκαεπτά για την δημιουργία της κάθε νέας Συνάρτησης Μεταφοράς. Παρακάτω αναφέρεται η σειρά με την οποία δημιουργούνται οι νέες Συναρτήσεις Μεταφοράς με lambda και O 2. Βήμα 1 Αρχικά δημιουργείται μια Συνάρτηση Μεταφοράς του αισθητήρα με κύριους παράγοντες εισόδου τα: Response Time [s] Exhaust speed [m/s] Temperature [ ο C] Lambda [-] Και παράγοντα εξόδου το Soot. Βήμα 2 Στη συνέχεια με την ίδια μέθοδο παράγεται μια ακόμη Συνάρτηση Μεταφοράς με επιπρόσθετο παράγοντα το NOx έτσι οι παράμετροι εισόδου θα είναι: Response Time [s] Exhaust speed [m/s] Temperature [ ο C]

107 102 Lambda [-] NO x [ppm] Βήμα 3 Στη συνέχεια δημιουργείται μια ακόμη Συνάρτηση Μεταφοράς, αυτή την φορά με παράγοντες εισόδου τους: Soot concentration [mg/m 3 ] Exhaust speed [m/s] Temperature [ ο C] Lambda [-] Και παράγοντα εξόδου το Response Time [s]. Βήμα 4 Όπως και στην περίπτωση με παράγοντα εξόδου το Soot concentration δημιουργήθηκε μια Transfer function χωρίς παράγοντα εισόδου το NOx και μια δεύτερη που έχει ως παράγοντα εισόδου το NOx. (βήματα 1 και 2), έτσι και σε αυτή την περίπτωση δημιουργείται και μια δεύτερη Συνάρτηση Μεταφοράς, η οποία έχει ως στοιχεία εισόδου τα: Soot concentration [mg/m 3 ] Exhaust speed [m/s] Temperature [ ο C] Lambda [-] NO x [ppm] Βήμα 5 Επαναλαμβάνονται τα τέσσερα προηγούμενα βήματα για την δημιουργία των τεσσάρων νέων Συναρτήσεων Μεταφοράς που θα έχουν σαν επιπρόσθετο παράγοντα εισόδου το Ο 2 με μόνη διαφορά ότι όπου τοποθετήθηκε ο παράγοντας lambda τώρα θα τοποθετηθεί ο παράγοντας Ο 2. Τα πέντε προηγούμενα βήματα (βήμα 1 έως βήμα 5) αναπαράγονται για όλους τους υπόλοιπους αισθητήρες. Εν τέλει οι νέες Συναρτήσεις Μεταφοράς που δημιουργήθηκαν εφαρμόστηκαν στους αισθητήρες L1, L2, L3 και L4 και παρουσιάζονται στον Πίνακας 4.3.

108 103 Πίνακας 4.3 Οι Συναρτήσεις Μεταφοράς που δημιουργήθηκαν με lambda και O 2

109 Αποτελέσματα Τα αποτελέσματα που λήφθηκαν από τις εφαρμογές των νέων Συναρτήσεων Μεταφοράς με lambda και O 2 αναλύθηκαν και παρουσιάζονται στα παρακάτω γραφήματα. Στο Σχήμα 4.66 παρατηρείται ότι μετά και την εισαγωγή των παραμέτρων lambda και Ο 2 ως παραμέτρους εισόδου, η συμπεριφορά των Συναρτήσεων Μεταφοράς του αισθητήρα είναι παραπλήσια με αυτή της συνάρτησης του ιδίου του αισθητήρα. Ακόμη και με την εισαγωγή της παραμέτρου NOx ως πέμπτου παράγοντα εισόδου η συμπεριφορά των TF του αισθητήρα δεν αλλάζει πρακτικά. Σχήμα 4.66 Εφαρμογή soot TF αισθητήρα L1 με lambda και O 2 στα δεδομένα του L1 Η συμπεριφορά των Συναρτήσεων Μεταφοράς με τους επιπρόσθετους παράγοντες εισόδου του αισθητήρα L2 (Σχήμα 4.67) επί των δεδομένων του ιδίου έχει ανάλογη συμπεριφορά με την περίπτωση του L1. Σχήμα 4.67 Εφαρμογή soot TF αισθητήρα L2 με lambda και O 2 στα δεδομένα του L2 Τα αποτελέσματα που παρατηρούνται στο Σχήμα 4.68 μετά τις εφαρμογές στα δεδομένα του L3 δεν παρουσιάζουν καμία βελτίωση. Στο δεξί διάγραμμα στο οποίο εμφανίζονται τα αποτελέσματα μετά

110 105 και την εισαγωγή του παράγοντα NOx εμφανίζουν μεγαλύτερη διασπορά, άρα τα αποτελέσματα είναι χειρότερα. Σχήμα 4.68 Εφαρμογή soot TF αισθητήρα L3 με lambda και O 2 στα δεδομένα του L3 Στην περίπτωση του αισθητήρα L4 όπου εφαρμόστηκαν τα δεδομένα των Συναρτήσεων Μεταφοράς του ιδίου μετά και την προσθήκη των lambda και O 2 παρατηρείται μικρή συσπείρωση των τιμών συγκριτικά με αυτές του ιδίου αισθητήρα χωρίς τις επιπλέον παραμέτρους. Αυτό υποδηλώνει βελτίωση της λειτουργίας. Μετά και την προσθήκη του πέμπτου παράγοντα εισόδου (NOx) διακρίνεται ακόμη μεγαλύτερη βελτίωση. Σχήμα 4.69 Εφαρμογή soot TF αισθητήρα L4 με lambda και O 2 στα δεδομένα του L4 Μετά και την εισαγωγή των παραγόντων lambda και O 2 ως παραμέτρους εισόδου και την εφαρμογή των Συναρτήσεων Μεταφοράς των αισθητήρων L1, L2, L3 και L4 με NOx και χωρίς NOx στα δεδομένα του εαυτού τους (Σχήμα 4.66, Σχήμα 4.67, Σχήμα 4.68 και Σχήμα 4.69) δεν παρατηρείται κάποια σημαντική αλλαγή στην συμπεριφορά αυτών Συμπεράσματα Μετά και την εισαγωγή των παραγόντων lambda και O 2 στις συναρτήσεις του αισθητήρα L1 δεν παρατηρήθηκε κάποια βελτίωση της λειτουργίας τους.

111 106 Στην περίπτωση του αισθητήρα L2 δεν παρατηρήθηκε βελτίωση της απόδοσης των TF του αισθητήρα μετά την προσθήκη των παραγόντων lambda Ο 2 ως επιπρόσθετων παραμέτρων εισόδου. Κατά την προσθήκη των παραμέτρων lambda και O 2 στις συναρτήσεις του L3 αισθητήρα παρατηρήθηκε μεγαλύτερη διασπορά των τιμών, άρα χειρότερη λειτουργία. Εισάγοντας το lambda και το Ο 2 ως επιπλέον παράγοντες εισόδου στις TF του L4 σημειώθηκε πολύ μικρή βελτίωση. Η συμπερίληψη του παράγοντα Lambda ή του παράγοντα O 2 στην Συνάρτηση Μεταφοράς παρατηρείται ότι δεν έχει επίδραση στη συγκέντρωση της αιθάλης είτε η συνάρτηση είναι με NO x είτε χωρίς. Αυτό παρατηρείτε και στις 4 εφαρμογές που έγιναν στους αισθητήρες. Σε κάποιες περιπτώσεις παρουσιάζεται πολύ μικρή επιδείνωση της συμπεριφοράς της Συνάρτησης Μεταφοράς (π.χ. αισθητήρας L3). Σε κάποιες περιπτώσεις παρατηρείται μικρή βελτίωση στις υψηλές συγκεντρώσεις. Έτσι από τα παραπάνω κρίθηκε σκόπιμη η μη εφαρμογή των συναρτήσεων με lambda και O 2, (με NOx και χωρίς) στα δεδομένα των άλλων αισθητήρων. 4.4 Μελέτη δυνατότητας βαθμονόμησης TF σε άλλους αισθητήρες Ένα τρίτο σκέλος της διερεύνησης είναι η εφαρμογή των Συναρτήσεων Μεταφοράς ενός αισθητήρα στα δεδομένα κάθε άλλου αισθητήρα. Αυτό δεν είναι πάντοτε εφικτό για τον λόγο ότι υπάρχουν κάποιες αποκλίσεις μεταξύ των Συναρτήσεων Μεταφοράς των διαφορετικών αισθητήρων με αποτέλεσμα να απαιτείται διόρθωση προκειμένου να χρησιμοποιηθούν σε διαφορετικό αισθητήρα. Σε κάποιες περιπτώσεις όμως όταν εφαρμόσουμε τις τιμές τους σε ένα διάγραμμα όπου στον άξονα x θα έχουμε την συγκέντρωση αιθάλης που μετρήθηκε κατά την διάρκεια των πειραμάτων και στον άξονα y την συγκέντρωση αιθάλης όπως την ερμηνεύουν οι συναρτήσεις του κάθε αισθητήρα παρατηρείται ότι οι Συναρτήσεις Μεταφοράς από δυο αισθητήρες για παράδειγμα είναι πολύ κοντά. Αν κρίνεται απαραίτητο, τότε η Συνάρτηση Μεταφοράς μετά την εφαρμογή της στα δεδομένα ενός άλλου αισθητήρα, πολλαπλασιάζεται με ένα συντελεστή διόρθωσης κλίσης για την βέλτιστη προσαρμογή του Διαδικασία βαθμονόμησης TF Για τη διαδικασία βαθμονόμησης της Συνάρτησης Μεταφοράς ενός αισθητήρα ακολουθείται μια σειρά βημάτων. Παρακάτω δίνεται ένα παράδειγμα βαθμονόμησης της soot Συνάρτησης Μεταφοράς του L4 αισθητήρα στα δεδομένα του L1 Βήμα 1 Αρχικά επιλέγονται από το φύλλο με τα δεδομένα του L1 αισθητήρα στο Excel οι στήλες με τα δεδομένα μέτρησης της συγκέντρωσης αιθάλης (Soot concentration average στήλη Α) και η στήλη με την Soot Συνάρτηση Μεταφοράς του αισθητήρα L4 (στήλη B) και επικολλούνται σε ένα νέο φύλλο Excel (Σχήμα 4.70).

112 107 Βήμα 2 Σε ένα κελί του φύλλου που δημιουργήθηκε τοποθετείται μια τιμή η οποία ονομάζεται slope corrector [c](συντελεστής διόρθωσης κλίσης). Αρχικά η τιμή αυτή ορίζεται ίση με μονάδα. Βήμα 3 Ακολούθως δεξιά της στήλης που περιέχει τις σειρές τιμών της Soot Συνάρτησης Μεταφοράς δημιουργείται μια νέα στήλη (στήλη C) η οποία θα περιλαμβάνει τις τιμές της στήλης Β πολλαπλασιασμένες την κάθε μια ξεχωριστά με την τιμή διόρθωσης κλίσης. Όσο ο συντελεστής κλίσης [c] παραμένει ίσος με τη μονάδα οι τιμές στην στήλη C παραμένουν ίσες με αυτές στην στήλη Β. Εν ολίγοις οι τιμές αυτές είναι οι τιμές που εξάγονται από την Συνάρτηση Μεταφοράς του αισθητήρα L4 χωρίς συντελεστή διόρθωσης. Η σχέση που μας δίνει τον τρόπο με τον οποίο γίνεται η διόρθωση της κλίσης της Συνάρτησης Μεταφοράς είναι: TF corrected = TF x c Σχήμα 4.70 Βήμα 4 Μετά την ολοκλήρωση των τριών προηγούμενων βημάτων, πραγματοποιείται χειροκίνητη σταδιακή αυξομείωση του παράγοντα slope corrector (Σχήμα 4.71). Όταν οι τιμές βρίσκονται κάτω από την κεντρική ευθεία, επιλέγεται συντελεστής c μεγαλύτερος της μονάδας. Όταν οι τιμές βρίσκονται πάνω από την κεντρική ευθεία, επιλέγεται συντελεστής c μικρότερος της μονάδας.

113 108 Με τον τρόπο αυτό οι τιμές της στήλης C πολλαπλασιάζονται σε κάθε αλλαγή του συντελεστή, με αποτέλεσμα να φαίνεται η κινητικότητα τους επί του διαγράμματος το οποίο στον οριζόντιο άξονα έχει τις τιμές της συγκέντρωσης αιθάλης όπως αυτή μετράται από το MSS και στον κατακόρυφο άξονα τις τιμές της συγκέντρωσης αιθάλης όπως υπολογίζονται από τη soot Συνάρτηση Μεταφοράς του L4 (Σχήμα 4.71). Ως αποτέλεσμα της παρατήρησης της κίνησης των τιμών είναι η εύρεση του καταλληλότερου συντελεστή διόρθωσης κλίσης έτσι ώστε όταν αυτός πολλαπλασιαστεί με τις τιμές της Συνάρτησης Μεταφοράς να την καθιστά ικανή να παράγει τα ίδια αποτελέσματα με την συνάρτηση του αισθητήρα στον οποίο εφαρμόστηκε. Σχήμα 4.71 Τα τέσσερα πιο πάνω βήματα επαναλαμβάνονται για την κάθε περίπτωση βελτίωσης της κλίσης των αποτελεσμάτων της Συνάρτησης Μεταφοράς που εφαρμόστηκαν στα δεδομένα άλλου αισθητήρα Αποτελέσματα Στα διαγράμματα που ακλουθούν στα σχήματα 4.72, 4.73, 4,74 και 4.75 παρουσιάζονται τα αποτελέσματα των προσπαθειών βαθμονόμησης των Συναρτήσεων Μεταφοράς των αισθητήρων καθώς αυτές βρίσκουν εφαρμογές στα δεδομένα άλλων αισθητήρων. Στα ακόλουθα τέσσερα σχήματα που προαναφέρθηκαν η επάνω σειρά γραφημάτων παρουσιάζει τις εφαρμογές των TF ενός αισθητήρα στα δεδομένα ενός άλλου. Η δε κάτω σειρές γραφημάτων παρουσιάζουν τις τιμές