--~ΟΘ Ι-Ι!< Η ι ~ Ι Ι ΠΕΙ Ρ ΑΙΑ

Τ.Ε.Ι. ΠΕΙΡΑΙΑ ΣΧΟΛΗ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΚΩΝ ΕΦΑΡΜΟΓΩΝ ΤΜΉΜΑ ΜΗΧΑΝΟΛΟΓΙΑΣ «Μελέτη και περιγραφή διαδικασίας εγκατάστασης συστήματος υ γραεριοκίνησης σε κινητήρα βενζίνης» Υπεύθυνος σπουδαστής : Παναγιώτης Παρασκευόπουλος (Α.Μ. 37679) Επιβλέπων καθηγητής: Δρ Ανδρέας Θεοδωρακάκος ΠΕΙΡΑΙΑΣ 2013 --~ΟΘ Ι-Ι!< Η ι ~ Ι Ι ΠΕΙ Ρ ΑΙΑ

Τ.Ε. Ι. ΠΕΙΡΑΙΑ ΣΧΟΛΗ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΚΩΝ ΕΦΑΡΜΟΓΩΝ ΤΜΗΜΑ ΜΗΧΑΝΟΛΟΓΙΑΣ «Μελέτη και περιγραφή διαδικασίας εγκατάστασης συστήματος υγραεριοκίνησης σε κινητήρα βενζίνης» Υπεύθυνος σπουδαστής: Παναγιώτης Παρασκευόπουλος (Α.Μ. 37679) Επιβλέπων καθηγητής: Δρ Ανδρέας Θεοδωρακάκος ΠΕΙΡ ΑΙΑΣ 2013

Πρόλογος Αντικε ίμενο της εργασίας ε ίναι «η μελέτη και η πε ριγραφ1] εγκατάστασης συστήματος υγρα ε ριοκίνησης σε κινητήρα βενζίνης». Υπεύθυνος κατά την εκπόνηση της πτυχιακής ήταν ο επίκουρος καθηγητής Δρ. Ανδρ έας Θεοδωρακάκος, στον οποίο οφ είλω ιδιαίτερες ευχαριστ ίες γ ια την ανάθ εση αυτή ς και την δυνατότητα που μου δόθη κε να ασχοληθώ με ένα τόσο ενδιαφ έρον θ έ μα. Θα ήθ ελα να ευχαριστήσω θερμά τον κ. Δημήτριο Παρασκευόπουλο, ιδιοκτήτη της επιχείρησης «Hellas Gas» (μελέτες και εγκαταστάσε ις δικτύων αέριων καυσίμων, υγραεριοκίνηση) για την διάθ εση τόσο του χώρου όσο και του απαραίτητου εξοπλισμού για την εκπόνηση τη ς παρούσης ε ργασία ς, καθώ ς επίσης και τον κ. Αθανάσιο Μουρλά, MSc Μχανολόγο Μηχανικό, εργαστηριακό συνεργάτη του Εργαστηρίου Τριβολογίας, του Τμ1]ματος Μηχανολογίας του Τ.Ε.Ι. Πειραιά. Π ε ιραιάς, Ιούλιος 2013

Περίληψη Στην παρούσα εργασία, γίνε ται αναφορά στη μελέτη και στην περιγραφ1] της δ ιαδικασίας εγκατάσταση ς (διασκευής) συστ~]ματος υγρα ε ριοκίνησης σε κινητ~jρ α β ενζ ίνης. Για την διερεύνηση βασικών στοιχε ίων τ~1ς υγρα ε ριοκίνησης (κατανάλωση, απόδοση, ρύποι), έγ ινε διασκευή σε κινητήρα επιβατικού οχήματος, ώστε αυτό να χρησιμοποιεί υγρα έ ριο γ ια την κίνησή του ως εναλλακτικό καύσιμο κίνησης, βάσει των οδηγιών του κατασ κευασ τ~] του συστή ματος καθώς επίση ς και των τεχνικών προδιαγραφών που ορίζει η Ελληνική Νομοθεσία. Τέλος, πραγματοποη]θηκαν μετρ 1]σε ις (κατανάλωσης, απόδοσης, ρύπων, κόστους) που αφορούσαν την κίνηση του οχή~ιατος με χρήση βενζίνης και υγραερίου. Λ έξε ις κλε ιδιά: Εναλλακτικά καύσιμα, Υγραέριο, Υγραεριοκίνηση Abstract ln this paper, there has been a reference to the study and description of the installation process (remake) of autogas system in petrol engi ne. Το inνe stigate the basic e\ements of autogas (consumption, performance, emissions), a νehicle engine has been remaked, so as to use LPG as an alternative fuel, based οη the instructions of the rnanufacturer of the system, as well as the technical specifications defined by the Greek Legislation. Finally, measurements were made (consumption, performance, emissions, costs) related to the use ofthe vehicle using petrol and LPG. Keywords: Alternative fuels, Liquefied Petroleum Gas (LPG), Autogas ίί

Πε ριεχό μενα Πρόλογος............................... Π ε ρί ληψη / Abstract....................................................................... Πίνακ ες............................................................................ νίί Ε ι κόνες............................................................................... νίίί Γραφήματα........................... χ Ε ισαγωγ ιί.................................... χί ίί Κεφά λα ιο 1 Το υγραέριο: Βασικά χαρακτ ηριστικά 1.1 Το υ γ ρα έ ριο.................... 1.1.1 Τι ε ίνα ι το υγραέριο......................... 1.1.2 Π αραγωγή υγρα ε ρίου.............. 1.1.3 Τυπικές ιδ ιό τητες εμπο ρικο ύ υγ ρ αε ρίου... 3 1.2 Βασικά στοιχε ία του υγρα ε ρίου.......................... 7 1.2. 1 Υψη λός βαθμός απόδοσης........................... 7 1.2.2 Χρ ήσεις............................................... 8 1.2.3 Ασφάλε ια προ ς το πε ριβάλλο ν.................... 9 1.3 Σύγκριση υγραερίου.............................................. 9 1.3.1 Σύγκριση υγραερίου με άλλα καύσ ιμα........... 9 Κεφάλαιο 2 Υγρα ε ριοκίνηση και η ιστορία της 2.1 Υγρα ε ριοκίνηση......... 2. 1.1 Τι ε ίναι η υγ ρα ε ριοκίνηση...... 2.1.2 Β ασ ικά χαρακτηριστικά τη ς υγρα ε ριο κίνησης.... 12 2.2 Η υγραε ριοκίνηση ανά τον κόσ μο............................ 14 2.2.1 Σε παγκόσμ ιο ε π ίπεδο............................ 14 2.2.2 Σε ευρωπαϊκό επ ίπ εδο................................ 16 2.2.3 Στην ελλη ν ική αγορά............................ 17 11 10 Κ εφάλαιο 3 Συστήματα υγραε ριοκίνηση ς και η εξέλιξή τους 3.1 Στοιχεία συστη μάτων υγ ρα ε ριοκίνησης............................ 19 3. 1.1 Σύστημα πλήρωσης............................... 19 3.1.2 Δεξαμενή υγραερίου.................................... 22 3.1.3 Βαλβίδες συστήματος υγρα ε ριο κίνησης............ 25 3.1.4 Μ ετατροπέας συστήματος υγραερίου............... 27 3.1.5 Μ ε ίκτη ς συστήματος υγρα ε ρίου........ 28 ίίί

3.1.6 Εγχυτ~\ρες αέριου ψ εκα σμού................. 29 3. 1.7 Εγχυτηρες υγρού ψεκασμού....................... 30 3. 1.8 Η λεκ τρικά και η λεκτ ρονικά συστήματα ελέγχου 30 3.1. 9 Σωλήνες και εξα ρτηματα........................... 32 3.2 Εισαγωγή στα συση\ματα υγρα ερ ιοκίνησης.................. 33 3.2. 1 Εξέλιξ η συστημάτων υγρα ε ριοκίνηση ς.......... 33 3.3 Συστηματα υγραεριοκίνησης................................... 35 3.3.1 Σύστημα μονού ψεκασμού -ανο ιχτού βρόγχου ( 11 γενιά)............................... 35 3.3.2 Σύστημα μονού ψεκασμού -ανοιχτού βρόγχου (2 11 γενιά)...................................... 36 3.3.3 Σύστημα μονού πο λλαπλού ψεκασμού (3' 1 γεν ιά)........................................... 37 3.3.4 Σύστημα μονού πολλαπλού-διαδοχικού ψεκασμού (4 11 γενιά)............................ 39 3.3.5 Σύστημα υγρού ψεκασμού (5 11 γενιά).......... 41 Κεφάλαιο 4 Μελέτη του οχήματος για το σύστημα υγραεριοκίνησης 4.1 Αρχικές μετρήσ εις αυτοκινήτου...................... 44 4.1.1 Μ ετρήσεις χρόνου ψ εκασ μού......................... 45 4.1.2 Έλεγχος ψεκασμού του καυσίμου............ 46 4.1.3 Ευρωπαϊκό πρότυπο εκπομπής ρύπων κινητ1\ρα 47 4.1.4 Έλεγχος τιμών λε ιτουργίας κινητηρα............... 47 4.1.5 Διάγνωση βλαβών κινητήρα................. 48 4.1.6 Μετρήσε ις εκπομπής ρύπων του οχήματος..... 48 4.2 Επιλογή εξαρη1μάτων συστηματος.................... 50 4.2.1 Επιλογή δεξαμενής........................ 50 4.2.2 Επιλογ1\ μονάδας π λ1jρ ωσης.................... 51 4.2.3 Επιλογή ρυθμιστη πίεσης................. 53 4.2.4 Επιλογή ηλεκτρονικών εγχυτηρων (μπεκ)... 54 4.2.5 Επιλογή υποδοχές εγχυ τηρα.............. 55 4.2.6 Επιλοy~j ακροφυσίου έγχυση ς............. 57 4.2.7 Επ ιλογή βαθμονομητών υγρα ε ρίου........ 58 4.2.8 Επιλογή ηλεκτρονικού κυκλώματος διαχείρ ιση ς του συστηματος υγραεριοκίνησης......... 60 4.3 Συγκεντρ ωτικός πίνακας μελέτης................... 61 Κεφάλαιο 5 Τοποθέτηση του συστήματος υγραεριοκίνησης 5.1 Στάδια δ ιασκευής οχήματος............... 62 5.1.1 Τοποθ έτηση της μονάδας πλήρωσης... 62 5.1.2 Τοποθ έ τηση συστηματος φιλτραρίσματος... 63 5.1.3 Τοποθέτηση της δεξαμενή υγρα ε ρίου........... 64 ίν

5. 1.4 Τοποθέτηση το υ ρυ θ μιστή πίεση ς................... 65 5.1.5 Διάτρηση τη ς πολλαπλή ς ε ισαγωγ ή ς κα ι τοπ ο θ έτηση των ακροφυσίων του υγ ραε ρίου..... 66 5.1.6 Τοποθ έτηση του συστήματο ς έγχυση ς υγ ρα ε ρίο υ................................................... 67 5. 1.7 Τ οποθ έτηση του εγκεφά λου ελέγχο υ γ ια το σύστημα τη ς υγρα εριοκίνηση ς........ 69 5.1.8 Τ οπ ο θ έτηση δ ιακόπτη εναλλαγή ς κα υσίμο υ....... 70 5.1.9 Τοπο θ έτηση του η λε κτρ ο ν ικού κυκλώ μα τος διαχε ίρ ιση ς του συστήματος υγ ραε ρ ιοκ ίνηση ς.... 7 1 5.1.1 Ο Τοποθέτηση τω ν ασφαλε ιώ ν το υ η λεκτρο νικού κυκλώ ματο ς............................... 72 5.2 Δο κ ιμές μετά την εγ κατάσταση................................ 73 5.2.1 Έλεγχο ς τ η ς στεγανότητας του συστή μα τος....... 73 5.2.2 Μ έτρηση τη ς π ίεση ς.................. 73 5.2.3 Έ λεγχος τ η ς αντλίας τροφο δ οσία ς.................... 74 5.2.4 Έλεγχο ς χρονισμού έγχυσης καυσίμου............. 74 5.3 Συγκεντρωτικός πίν α κας μετά την τοποθέτηση.......... 75 Κεφάλαιο 6 Μετρήσε ις - Π ε ιραματική δ ιαδ ικα σία 6.1 Μ ετρήσε ις του οχήματος.................................... 77 6. 1.1 Σύγ κριση τη ς κατανάλωση ς καυσίμο υ................ 77 6. 1.2 Μέτρηση ε κπομπώ ν ρύπων................ 79 6.2 Απο τ ελέσμα τα άλλω ν π ε ιραμάτω ν 84 6.2.1 Π ε ιραματικ1] ανάλυση σε β ενζινο κ ινητήρ α με χρήση υγ ρε ριο κ ίνησης 3 ης γενιάς.......... 84 6.2.2 Δ ιε ρεύνηση των ε κπομπών και των ε πιδόσεω ν σε υγ ρε ριοκίν η το όχι 1 μα 3ΙJ Ι γενιάς..................... 85 6.2.3 Οι επιδόσε ις κα ι τα χαρακτηριστ ικά των εκπ ο μπών ρύπω ν του υγ ρα ε ρίου σε 4 -χρονο κινητή ρα με μεταβλητό μ ι]κο ς δ ια δ ρο μή ς και α ναλογ ία ς συμπ ίεση ς........................ 86 6.3 Δ οκ ιμές διαφό ρων υγ ρ αερ ιοκ ίνη τω ν οχημάτω ν.......... 87 6.3.1 Δ οκ ιμή σε Peugeot 207 αέ ριο υ ψεκασμο ύ... 87 6.3.2 Δ ο κ ιμή σ ε C h eν ro l et Spark αέ ριου ψ εκασμού... 88 6.3.3 Δ ο κιμή σε Nissan Juke α έ ριου ψ εκασμού....... 88 6.3.4 Δοκιμ1] σε Honda Jazz υγρού ψ εκασμού......... 89 6.3.5 Δοκιμή σε Nissan Qashqai υγρού ψ εκασμού... 90 6.3.6 Δοκ ιμ1] σ ε Subaru Forester υγρού ψεκασμού...... 90 6.3.7 Δο κ ιμή σε Jeep Cherokee αέ ριου ψ εκασμο ύ...... 9 1 6.4 Δυναμο δε ικτικά δ ιαγράμμα τα υγρα ε ριοκίνητω ν οχημάτω ν 92 6.4. 1 Δυνα μοδε ικτικό δ ιάγραμμα Subaru Forester... 92 6.4.2 Δυναμο δε ικτικό δ ιάγραμμα Mazda Tribute... 93 ν

6.4.3 Δυναμοδεικτικό διάγραμμα Kia Ceed... 94 6.4.4 Δυναμοδεικτικό διάγραμμα VW Polo....... 96 Κεφάλαιο 7 Οικονομοτ εχνική μ ελέτη διασκευής 7.1 Εισαγωγή.............................................................................. 98 7.2 Έξοδα με την χρήση β ενζίνης...................................... 98 7.2.1 Κόστο ς καυσίμου για 150.000 km........ 98 7.2.2 Κόστος φίλτρων β ε ν ζ ίνης γ ια 150.000 km..... 99 7.2.3 Κόστ ος καθαρισμού φίλτρων εγχυ τήρων συστήματος β ενζίνης για 150.000 km... 99 7.3 Έξοδα με την χρήση υγραερίου........................................... 100 7.3.1 Κόστος καυσίμου γ ια 150.000 km......... 100 7.3.2 Κ όσ τος φίλτρων υγ ρα ερίου γ ια 150.000 km... 100 7.3.3 Κόστ ος καθαρισμού φίλτρ ω ν εγχυτήρων συστήματος υγα ε ρίου για 150.000 km.... 1Ο1 7.3.4 Κόστος διασκευής συστήματος υγρα ε ριοκίνησης............................. 1 Ο 1 7.4 Συνολικά έξοδα κάθ ε κατηγο ρίας......................................... 102 7.4. 1 Συνολικά έξοδα με τη χρήση β ενζίνης............... 102 7.4.2 Συνολικά έξοδα με τη χρήση υγρα ερίου.............. 102 Κεφάλαιο 8 Συμπεράσματα 104 Β ιβλιογραφία 108 Παράρτι1 μα 1 11 0 Παράρτημα 11 122 Παράρτη μα ΙΠ 128 Παράρτημα IV 134 Παράρτη μα V 136 νί

Πίνακε ς 1.1 Ενεργtιακή σύγιφιση............................... 1.2 Εκπομπές εν ε ργειαι<ών ι<αυσίμων.................................................................. 1 Ο 2. 1 Σύγ κρ ιση καυσί μου ι< ίνηση ς κ αι αριθμού οι<τανίων.............................................. 12 2.2 Ε κπο μπές κα ι ποσοστό με ίωσης ρύπων............................................................... 13 2.3 Π ρατήρ ια κα ι οχήματα υγρα ερίου ανά τον ι<όσμο................................................ 17 4.1 Συγκεντρωτι κός πίναι<ας μελέτ η ς.................................................................... 61 5.1 Σ υγ κ εντρωτ ικός πίνακα ς τοποθ έτησης........................................................... 76 6. 1 Π ίνα κας αποτ ελεσμά των Β ενζ ί\n ] ς.................................................................... 79 6.2 Π ίνακας αποτελεσ μάτων Υ γρα ε ρίο υ............................................................... 80 6.3 Μ ετρή σεις καυσα ερ ίων βενζ ίνη ς, σ το ρ ελαντ ί..................................... 81 6.4 Μ ετρήσε ις καυσα ερ ί ων βενζ ίνη ς, στις 2500rpm................................................. 81 6.5 Μ ετρήσ ε ις καυσα ερίων υγραερ ίου, στο ρ ελαντ ί................................................... 81 6.6 Μ ετρήσεις καυσα ερ ί ων υγραερίου, στ ι ς 2500rpm................ 82 6.7 Μ ετρήσε ις καυσα ερ ίων υγρα ερίου.......................................................... 82 6.8 Πίνακας αποτελεσμά των Peugeol 207 1.4 lpg........................... 87 6. 9 Πίνακα ς απο τ ελεσμάτων Ch eν ro l e l Spark 1.2...................................................... 88 6. 1 Ο Πίνακας αποτελε σμά τ ων Nissan Juke 1.6 lpg................ 89 6. 11 Πίναι<ας αποτελεσ μάτων Honda Jazz 1.4............................... 89 6. 12 Πίνακας αποτελε σμά των Nissan Qashqai 1.6 lpg.......................... 90 6.13 Π ίνακας αποτ ελεσ μάτων Subaru Forcsler 2.0 ΙpΓι........................ 91 6. 14 Πίνακας απο τ ελε σμάτ ων Jeep Cherokee 3.7 lpg...................... 91 6. 15 ΣυγκιΎτ ρωτι κό ς π ίναι<ας αποτελεσμάτων ( ιπποδύνα μη, κατανάλωση και εκπομπ ές ρύπων), από δοι<ιμ ές σε διάφορα υγραεριοκίνητα οχή ματα.................................................. 92 6. Ι 6 - υγ κεντ ρωτι ι<ός π ίνακας αποτελεσμά των (ιπποδύ να μη κα ι ροπή), από δοκιμές σε δ ιάφορα υγ ραεριοκίνη τα οχή μ ατα................................................................................ 97 7. 1 Λ ε ιτουργ ικά έξοδα οχήματο ς (σ ε ), συναρτή σε ι καυσ ίμου γ ια δ ιανυθε ίσα απόστασ η 150.000km............................. 102 7.2 Συνολ ι ι<ά λε ιτο υργικά έξο δ α οχήματος (σε ), συναρ τή σει καυσίμου γ ια διανυθε ίσα από σταση 150.000krn................................... 103 νίί

Εικόνες 1.1 Π αρ αγωγή υγραερίου από το φυσικό αέριο........................................................ 2 3. 1 Αντάπτορας πλήρωσης ACME....... 21 3.2 Αντάπτορας πλήρωση ς «Ολλανδικό» μπαγιονέτ....... 2 1 3.3 Αντάπτορ ας πλ ήρωση ς «Ιτα λικό» πιάτο.................................................................... 22 3.4 Κυλ ινδρ ι κή δεξαμενή υγραερίου....... 23 3.5 Τορο ϊδής δεξαμεν ή υγραερίου....... 23 3.6 Μ ε τρητή ς στάθμη ς και πλωτήρας υγραερίου............................................. 24 3.7 Π ολυ βαλβ ίδα υγραεριοκίνησης....................................... 24 3.8 Βα λ βίδα δ ιακοπ1j ς καυσίμου........................................................................... 26 3.9 Ανεπίστροφη βαλβίδα υγραερ ίου........................................................ 26 3. 1 Ο Μ ετατροπέας φάσης υγρα ε ρίου......................................................... 28 3. 11 Διάφο ροι με ίκτες υγραεριοκίνησης............................................................ 29 3. 12 Εyχυτήρες αέριου ψεκασμού........................................................... 30 3.13 Εγχυτήρες υγρού ψ ε κασμού.............................................................. 30 3.14 Μ ετρητή ς στάθμ η ς υγραερίου..................................................................... 31 3.1 5 Εσωτερ ι κός μετρητής κω εναλλάκτης καυσίμου.................................... 31 3. 16 Η λεκτρονικό σύστημα ελέγχο υ......................................................... 32 3. 17 Απ ε ικόνιση συστήματος μονού ψ εκασμού........................................... 36 3. 18 Απε ι κόν ιση συστήματος μονού - ανοιχτού βρόγχου......................................... 37 3. 19 Απε ι κόνιση συστή ματος πο λλαπλού ψ ε κασμού.................................................. 39 3.20 3.21 4. 1 4.2 4.3 4.4 4.5 Απ ε ικό ν ιση συστήματος πο λλαπλού - δ ιαδοχ ι κού ψεκασμού...... Απε ικόν ι ση συστήματος υγρού ψ ε κασμού... Γl ολ ύμε τρο l ' lυ ke 287... Μ ετρήσε ις ρύπων καυσαερίων............ Αναλυτ ή ς καυσαερίων Kanc Gas Analyser Auto4-I.... Κυλ ινδρ ική δεξαμενή!com...... Τοροϊδές δεξαμενή!com........ 40 43 46 49 49 50 51 4.6 Αποσπώμεν η μονάδα πλήρωση ς.................................................................. 52 4.7 Σταθερ ή μονάδα πλ ήρωση ς.... 52 4.8 Ρυθμιστή ς πίε σης ελαφρού τύ που.... 53 4.9 Ρυθμι στ ή ς π ί εσης βαρέως τύπου....... 53 4.1 Ο Μπλε η λε κτρονικός εγχυτήρας....... 54 ν ίίί

4.11 Πράσινος η λεκτρον ικό ς εγχυτήρας.... 55 4.12 Υποδοχέας μπ εκ 102-D.... 55 4.13 Άκα μπτοι σύνδεσμοι διάφορων μηκών....................................................... 56 4.14 Υποδοχέας μπεκ 102-V....... 56 4.15 Ευθύ ακροφύσιο....... 57 4.16 Γων ιακό ακροφύσιο.......... 57 4.17 Επιλογή βαθμονομητή.......... 58 4.18 Βαθμονομητής υγραερίου....... 59 4. Ι 9 Όργανο ελέγχου μπεκ CARBON ΊΈCΗ GS Series......... 59 4.20 Ηλεκτρικά για 4κύ λ ινδρο ατμοσφαιρικό κινητήρα................................................ 60 4.2 1 Η λεκτρον ι κό σύστη μ α ελέγχο υ.................................................................... 60 5.1 Μονάδα πλήρωσης.... 63 5.2 Σύστημα φιλτραρίσματος.... 64 5.3 Δ εξ αμενή υγραερίου....... 65 5.4 Ρυθμιστή ς πίεσης υγρα ερίου......:... 66 5.5 Πολλαπλ ή ε ισαγωγ ής.... 67 5.6 Εγχυτήρας υγραερίου....... 68 5.7 Σύστημα έγχυσης υγραερίου....... 69 5.8 Εγκέφαλος υγραφιοκίνησης.... 70 5.9 Διακόπτης εναλλαγής καυσίμου.............................................................. 71 5. 1 Ο Ηλ εκ τρονικό κύκλω μα διαχείρ ισης..................................................................... 72 5. 11 Ασφάλε ιες ηλ εκτρονικού κυκλώματος................................. 72 ί χ

Γραφήματα 1.1 Πίεση συναρτήσει θερμοκρασίας γ ι α το εμπορ ι κό προπάνιο και βουτάνιο.... 5 1.2 Σημείο δρόσου για το μ ε ίγμα προπανίου-αέρα.... 6 1.3 Σ ημείο δρόσου γ ια το μείγμα βουτάνιο-α έρα.... 6 6.1 Μέσες καταναλώσε ις καυσίμου, εκτός και εντός πόλης........................... 78 6.2 Σ υγκιντρώσεις CO (% νοl) στα καυσαέρ ια συναρτήσει στροφών.......................... 82 6.3 Συγκεντρώσεις HC (ppm νοl) στα καυσαέρ ια συναρηjσει στροφών.... 83 6.4 Συγκεντρώσεις C0 2 (% νο l ) στα καυσα έρια συναρτήσει στροφών.... 83 6.5 Σ υγκεντρώσεις 0 2 (% νο l ) στα καυσαέρια συναρτήσε ι στροφών.... 83 6.6 Συντελεσ τές λ συναρτήσει στροφών......................................................... 84 6.7 Δυναμοδεικτικό διάγραμμα Subaru Forester.... 93 6.8 Δυναμοδ εικτικό διάγραμμα Mazda Tributc....... 94 6.9 Δυναμοδεικτικό διάγραμμα Kia Ceed, β ενζ ίνη.... 95 6.1 Ο Δυναμοδεικτικό διάγραμμα Kia Ceed, υγρα έριο... 95 6. 11 Δυναμοδεικτικό διάγραμμα VW Polo.... 96 7.1 Σ υνολικά λε ιτουργ ι κά έξοδα οχιjματος (σε ), συναρηjσει καυσίμου για διανυθείσα απόσταση 150.000km... 103 χ

Εισαγωγή Το πρόβλημα της ανα ζ1ίτησης και της στροφ1ίς σε εναλλακτικά καύσιμα, φιλικά προς το περιβάλλον, υψη λής ενεργε ια κ1ίς απόδοση ς και εύκολα στην παραγωγ11 του ς έχε ι καταστε ί ένα από τα κυρίαρχα θ έ ματα της σημερινής ε ποχ1ίς. Η προσπάθ ε ια εξοικονόμησης εν έ ργε ιας τόσο γ ια οικονομικούς λόγου ς όσο και ε ξαιτία ς της με ίωσης των ενεργε ιακών πόρων είναι ένα ς πρωταρχικής σημασίας τομέας, που βρίσκεται στο επίκ εντρο της ενεργε ιακής πολιτικίίς κάθ ε χώρας. Παρά λλη λα, έχε ι επανε κτιμηθ ε ί ο ρό λος τη ς ενέ ργειας, ιδιαίτερα στον τομέα των μεταφορών και ιδιαίτερα της αυτοκίνησης, όσον αφορά στη συμβο λ1ί της στη δημιουργία του φαινομέ νου του θ ε ρμοκηπίου, στην προστασία του περιβάλ λοντος και γενικότε ρα στην οικολογικ1ί ισορροπία του πλανήτη. Η υγραεριοκίνηση ε ίναι μια ν έα, εναλλακτική τεχνολογία, για τα ελληνικά δ εδομέ να, γ ια την κίνηση οχημάτων με υγρα έριο. Η τεχνολογία αυτή, άρχισε να αναπτύσσε ται στη χώρα μας από το 2000. Στον υπόλοιπο κόσμο μετρά πάνω από 70 χρόνια χρήσης και εξέλ ιξης. Στην παρούσα πτυχιακή εργασία γίν ε ται εκτενής αναφορά σε όλα τα στοιχε ία που αποτελούν τα συστήματα υγρα ε ριοκίνησης, μελετάται διεξοδικά η τεχνολογική εξέ λιξη κάθ ε συστήματος υγρα ε ριοκίνησης, καθώς επίσης παρουσιά ζονται τα πλεον ε κτήματα και τα μειονε κτήματα κάθ ε συστήματος. Για την διερ εύνηση βασικών στοιχε ίων της υγρα ε ριοκίνησης (κατανάλωση, απόδοση, ρύποι), έγ ινε διασκευή σε επιβατικό όχημα ώστε αυτό να χρησιμοποιεί υγρα έ ριο για την κίνησή του ως εναλλακτικό καύσιμο κίνησης, βάσε ι των οδηγιών του κατασκευαστ~ί του συστηματος καθώς επίσης και των τεχνικών προδιαγραφών που ορίζει η Ελληνική Νομοθ ε σία. Στη συνέχε ια, πραγματοποιήθηκαν μετρήσεις (κατανάλωσης, απόδοσης, ρύπων) που αφορούσαν την κίνηση του οχ1ίματος με χρήση βενζίνης και υγρα ερίου, όπου σε συνδυασμό με την σχετική οικονομοτε χνικ1ί μελέτη, συμπεράνουμε εάν η υγρα ε ριοκίνηση ε ίναι μια συμφέρουσα εναλλακτικ1ί πρόταση για την κίνηση οχημάτων. χί

Κεφάλαιο 1 Το υγραέριο: Βασικά χαρακτηριστικά 1.1 Το Υγραέριο 1.1.1 Τι είναι το υγραέριο Το υγραέριο (Liquified Petroleum Gas ή LPG) είναι ένα μείγμα υδρογονανθράκων προπανίου (30%) και βουτανίου (70%), με στοιχειομετρική αναλογία υγραερίου και αέρα 15, 7: 1 κατά βάρος. Φέρεται στο ε μπόριο σε φιάλε ς υπό πίεση, σε υγρή κατάσταση. Η υγροποίηση του γίνεται εύκολα σε σχετικά χαμηλές πιέσεις ( 4 έως 12 bar) ανάλογα με τη θερμοκρασία. Το ειδικό του βάρος είναι μεγαλύτερο του αέρα, γεγονός που προκαλεί τη συγκέντρωση του στο επίπεδο του εδάφους σε π ερίπτωση διαρροής και αυξάνε ι την πιθανότητα έκρη ξης. Για το λόγο αυτό, απαιτούνται ε ιδικά μέτρα ασφαλείας για τη χρήση του καθώς και ειδ ικ ές προδιαγραφές ασφαλείας όταν χρησιμοποιείται το υγραέριο ως καύσιμο. [6] 1.1.2 Παραγωγή υγραερίου Το υγραέριο εξάγε ται είτε απευθείας από κοιτάσματα αργού πετρελαίου και φυσικού αερίου, είτε παράγε ται στα διυλιστήρια μέσω χημικών διεργασιών, όπως η καταλυτική πυρόλυση και η αναμόρφωση. Στο παρακάτω σχήμα παρουσιάζεται η διαδρομή παραγωγής του υγραερίου από το φυσικό αέριο. - 1 -

Φ υσικ ό Αίρ ιο ' ~ Π αράγωy α Φυ σι κ,, ύ Αe-ρί ο υ ' ).-:;;::;;-_ Μιθwόλ η -----Ν~ Μεαώα Αrι ο στ άγ ματα -=l ~---~ Γ Δ ι fργ ασίαά.\λwν καυσί μ ων Ν ιίφ θα Υγp αίpιο ΕΙΚΟΝΑ 1.J Παραγωγ ή υγραερ ίου από το φυσικό αέριο. Από την διύλιση του πετρελαίου τα προϊόντα που παράγονται δ ιακρίνονται στις παρακάτω κατηγορίες: Ελαφρά κλάσ ματα: β ε ν ζίνες αυτοκινήτων (Lead Replacement Petrol ή LRP), καύσιμα αεροπλάνων (β ενζ ίνη αεροπλάνων, καύσιμα αεριοπροωθούμενων τύπου β ενζ ίνης). Μ εσα ία κλάσματα: πετρ έλαιο κίνησης που χρησιμοποιείται σε κινητι1ρες εσωτερικής καύσης, π ετρ έλαιο θέρμανσης (που δεν επιτρ έπ εται να χρησιμοποιείται ως καύσιμο κινητήρα εσωτερικής καύσης), φωτιστικό πετρέλαιο, καύσιμο αεριοπροωθούμενων τύπου κηρο ζίνη ς. Βαρέα κλάσματα: μαζούτ, απασφαλτωμένο μαζούτ. Άσφαλτος. Υγρα έ ριο: βουτάνιο, προπάνιο και μίγ μα και των δύο. Νάφθα κωκ. Οι περισσότερο γνωστοί τύποι υγραερίου στην αγορά είναι: Το βουτάνιο (C.J1 10 ) που χαρακτηρίζεται από χαμηλότερη πίεση λε ιτουργίας και το προπάνιο (C 3 H 8 ) που χρησιμοποιείται ευρύτε ρα σ ε εγκαταστάσεις με μικρ ές δεξαμενές. - 2 -

1.1.3 Τυπικές ιδιότητες εμπορικού υγραερίου Το υγρα έ ριο ε ίναι μία γενική ονομασία που αναφ έ ρ ε ται σ ε υγροποιημέ να αέ ρια καύσιμα αποτελούμενα κυρίως από κορεσμέ νους υδρογονάνθρακε ς (CvH2v+z) με τρία ή τέσσερα άτο μα άν θρακα (v=3 και v=4). Οι υ δ ρογ ονάνθρακες αυτοί σε συνήθε ις θερμοκρασ ίε ς και πιέσεις πε ριβά λλο ντ ος υφίσταντα ι σε αέ ρια φάση. Μ ε μικρή όμω ς αύ ξηση της πίεση ς ή και ελαφρά ψύξ η υγροποιούνται και καταλαμβάνουν πο λύ μικρ ό τε ρο όγ κο (μόλις το 1/250 του όγ κου τη ς α έ ριας φ ά σης). Για το λόγο αυτό το υγραέ ριο, στις διάφορε ς μορφ ές του, απο θ η κεύ εται και δ ιακινε ίται κατά κύριο λόγο σε υγρή και ό χ ι σε αέ ρια φάση. Η αποθήκευση του υγραερίου γίνεται σε κατάλλη λα δ οχε ία (δ εξαμε νές, φιά λες) ε ίτε υπό μέση πίεση στη θερμοκρασία του πε ριβάλλοντο ς ε ίτε υπό χαμη λότε ρη πίεση σε κατώ τε ρη όμως θερμοκρασία. Είναι μάλιστα δ υνατή η υγροποίηση και αποθή κευση το υ υγρα ε ρίου και υπό ατμο σφαιρική π ίεση α λλά σε επαρκώς χαμηλή θ ερμοκρασία. Σ την αέ ρια φ άση, τ ο υγραέ ριο έχε ι χαρακτηριστικά που μοιάζουν με αυτά του φυσικού α ε ρίου. Στην υγρ1] φάση μοιά ζε ι με τη βενζ ίνη, ως προς τον τρόπο της μεταφορά ς, τη ς αποθήκευση ς και της μέ τρησης, με τη βασική διαφορά όμως ότι για να διατηρηθ ε ί το υγρα έ ριο σε υγ ρή κατάσταση πρέπει να βρίσκε ται υπό πίεση. Στη συν1]θη πάντως χρ1jση το δοχε ίο που πε ρ ιέχε ι το υγραέ ριο, δ ηλαδή η φιάλη ή η δ εξαμενή, πε ριέχε ι και α έ ριο. Το ε ιδικό β ά ρ ος του υγρού υγραε ρίου είναι πε ρίπου το μισό από αυτό του νε ρού, ε νώ οι α τμοί (α έ ρια φάση) του υγρα ε ρίου ε ίναι βαρύ τε ροι από τον αέρα και γ ι' αυτό, σε ελε ύθε ρη κατάσταση, 'ρ έ ουν' στο έδαφος και στις αποχε τεύσε ις, συσσωρ ε υμέ νοι στα χαμη λότε ρα σημε ία. Το υ γρα έ ριο, όπως εξ ' άλλου και τα λοιπά καύσιμα, καίγε ται στην α έ ρια φάση, σε θ ερμο κρασ ίες υψη λότε ρ ες του σημείο υ ανάφ λεξ η ς (tlash point), δ ηλα δ 1] τη ς θ ερμοκρασία ς ε κε ίνης στην οποία πρέ πε ι να φθάσε ι το καύσιμο για να εξατμισθ ε ί αρκε ηj - 3-

ποσότητα και να υπάρξει έναυση με την παρουσία κάποιας φλόγας. Στη θερμοκρασία δε του π ε ριβάλλοντος, η οποία ε ίναι υψηλότερη του σημε ίου ανάφλεξης, εξαεριών ε ται επαρκής ποσότητα υγραερίου για την αρχική τροφοδότηση της φλόγας, ενώ με τη θερμότητα από την καύση παράγεται πρόσθετο αέριο ή ατμός από το υγρό καύσιμο. Το προπάνιο και το βουτάνιο έχουν παρόμοιες ιδιότητε ς, αλλά διαφέρουν κατά πολύ στις συνθήκες αποθήκευσής τους. Το προπάνιο έχει χαμηλότερο σημείο βρασμού από το βουτάνιο και η μετατροπή του από υγρό σε αέριο συνεχίζεται ακόμα και σε πολύ χαμηλέ ς θ ε ρμοκρασίες. Αυτή η ιδιότητα το καθιστά κατάλληλο για χρήση στον οικιακό και τουριστικό τομέα, σε συστήματα θέρμανσης, για την παροχή ζεστού νερού και το μαγείρεμα καθώς και για ένα μεγάλο αριθμό χρήσεων στον αγροτικό τομέα και τη βιομηχανία. Συνεπώς, το προπάνιο είναι ο καλύτερος τύπος υγραερίου για χρήση ως καύσιμο. [8] Λανθάνον σημείο τήξης, είναι το σημείο που μετατρέπεται από την υγρή στη αέρια φάση σε μια συγκεκριμένη θερμοκρασία. Για το υγραέριο το σημείο τήξης περιορίζεται από τον βαθμό στον οποίο η απαιτούμενη θερμότητα μπορεί να εξαχθεί από το υγροποιημένο υγραέριο που περιέχεται σε ένα δοχείο και την ατμοσφαιρική θερμοκρασία, όταν αυτή δ εν είναι αρκε τ~) για την απαιτούμενη εξάτμιση του υγρα ε ρίου τότε προστίθ ε ται θερμότητα, θερμαίνοντας το δοχείο. Σημαντικό χαρακτηριστικό στοιχείο του υγραερίου είναι η πίεση που αναπτύσσε ι σε ένα κλειστό δοχείο. Όσο αυξάνεται η θερμοκρασία τόσο μεγαλύτερες πιέσεις εφαρμόζονται στα τοιχώματα. Ωστόσο σε σημαντικά χαμηλές θερμοκρασίες η πίεση μπορεί να με ιωθεί κάτω τ~1ς ατμοσφαιρικής. Μεγαλύτερες εσωτερικές πιέσεις ασκούνται σε φιάλες προπανίου το οποίο είναι πλεονέκτημα σε αρκετές εμπορικές εφαρμογές, με την διαφορά όμως ότι απαιτούνται πιο ισχυρές φιάλε ς κάτι που ανεβάζει το κόστος. -4-

25 24 23 22 21 20 19 16 17 1a l!j 14 13 1! ]? Ε - e ι 1 " ~ 10 ll. 9 Β 6 5 ::~----1--4 - - --τ r _ι. ιl 320 +--->------+--- - i 1 1-+1 300. - 2ο 0 ~+-' r' : - 1-L 260 1 1 240 220 Γ 200 f "' 100 +---J- ---+-- ' c ~ 160 ~ 140 ~.t 120 100. 80 60. ' - ' ί ι f- 3 4 ο -1--4---lf- 2 ο - 1 ο 'F -60-40 -20 ο 10 20 J() 40 50 ο 20 1 40 60 80 100 1?0 32 Te ιrψ erature ΓΡΑΦΗΜΑ 1. 1 Πί εση συναρτήσε ι Θερμοκρασ ίας για το ε μπορικό προπάνιο κα ι βουτάνιο. Όταν το υγρα έ ριο επιδρά με αέρα η πιθανότητα συμπύκνωση ς ε ίτε λόγω υψηλών πιέσεων, είτε λόγω χαμηλής θ ερμοκρ α σίας μειώνεται δ ραστικά. Οι πίνακ ες που ακολουθούν δη λώ νουν ακριβώς το σημε ίο δρόσου του μείγματος υγρα ε ρίου - α έρα από το σημείο της ατμοσφαιρικής πίεσης έως 160 lbf/in 2. Παρατηρούμε και από τον πίνακα 1.4 ότι 20% προπάνιο σε αέρα σε π ίεση 43 lbf/in 2 ψύχεται στους -53 C χω ρίς να προηγηθ ε ί συμπύκνωση. Ενώ σε πίεση 160 lbf/in 2 συμπυκνώνεται στους -23 C. Τα αντίστοιχα σημεία δρόσου και συμπύκνωσης για το 20% μείγμα βουτανίου σε αέρα στις αντίστοιχες πιέσε ις είναι -15 C και +20 C. - 5 -

ΓΡΑΦΗΜΑ J.2 Σ ημείο δρόσου για το μ είγ μ α προπανίου - αέρα. ΓΡΑΦΗΜΑ 1.3 Σημε ίο δρόσου γ ι α τ ο με ίγμα βουτάνιο-α έρα. - 6 -

1.2 Βασικά στοιχεία του υγραερίου 1.2.1 Υψηλός βαθμός απόδοσης Το υγραέριο παρουσιάζε ι ένα βασικό πλεονέκτημα έναντ ι των υγρών καυσίμων τα οποία κυρίως καλείται να υποκαταστήσει. Το πλεο ν έ κτημα αυτό του υγραερίου ε ίναι ο μεγαλύ τερος ενεργειακός βαθμός απόδοσης. Η αυξημένη ενε ργειακή απόδοση του υγραερίου έχει ως αποτέλεσμα την εξοικονόμηση ενέργε ιας, από την οποία προκύπτε ι β έβαια οικονομικό όφελος που ε ίναι τόσο μεγαλύ τ ερο όσο μεγαλύτερη ε ίναι η συμμε τοχή του κόστους του καυσίμου στη διαμόρφωση του συνολικού κόστους μιας δραστηριότητας. Στον παρακάτω πίνακα παρουσιάζ ε ται η ενεργειακή σχέση του υγραερίου με τα άλλα υγρά καύσιμα. Οι λόγοι που οδηγούν στην παραπάνω αυξημένη ενεργειακή απόδοση του υγρα ερίου και στην εξο ικονόμηση ενέργειας από τη χρήση του είναι: Η υψηλή θ ε ρμογόνος δύναμή, κατά 50% μεγαλύτερη αυτής του πετρελα ίου Η έλλε ιψη θείου από το υγραέριο και συνεπώς η μη ύπαρξη οξειδίων του θείου στα καυσαέρια επιτρέπει τη χρήση συστημάτων ανάκτησης θερμότητας χωρίς τον κίνδυνο διαβρώσεων (5]. - 7 -

ΠΙ ΝΑΚΑΣ 1.1 Ενεργειακή σύγκριση Θερμική Βαθμός Ωφέλιμη θερμική Καύσιμο ισγύ ς απόδοσης ισγύς Β ενζ ίνη 10.5 1 Ο Kcal/kg 85% 8.933 Kcal/kg Προπάνιο 11.000 Kcal/kg 95% 10.450 Kcal/kg Βουτάνιο 10.900 Kcal/kg 95% 10.355 Kcal/kg Μίγμα 10.920 Kcal/kg 95% 10.374 Kcal/kg Πετρέλαιο 10.103 Kcal/kg 80% 8.082 Kcal/kg Μαζούτ 1500 9.350 Kcal/kg 80% 7.480 Kcal/kg Μαζούτ 3500 9.250 Kcal/kg 80% 7.400 Kca l/kg Ποσότητα υγρα ερίου Ποσότητα άλλου καυσίμου 1,03 kg β ενζίνη 1 kg υγραέριο 1,92 kg πετρέλαιο 1,40 kg μα ζούτ 3500 Σημείωση: ΘερμικιΊ ισχύς είναι η θ ερμότητα που προσδίδεται στο περιβάλλον στη μονάδα του χρόνου. Βαθμό ς απόδοσης ονομάζεται οποιαδήποτε μορφή απωλειών σε περίπτωση μ εταφορά ς ισχύος. Ωφέλιμη θ ε ρμική ισχύς είναι η θερμότητα του καυσίμου ώστε να παραχθεί έργο. 1.2.2 Χρή σεις Το υγρα έ ριο καλύπτει σχεδόν όλους τους τομείς όπου χρησιμοποιείται ενέργεια. Πιο συγκεκριμένα : Στο βιομηχανικό τομέα, για τη θέρμανση αποθηκών, τη λειτουργία μηχανικού εξοπλισμού, την παραγωγή τροφίμων, τη δη μιουργία ατμού, το στέγνωμα χρωμάτων εκτύπωσης, σε κλιβάνους θέρμανσης, ως καύσιμο σε περονοφόρα οχ1)ματα. Το υγραέριο έχει ευρεία χρ1)ση και στον κατασκευαστικό τομέα, όπου χρησιμοποιείται για τη θ έρμανση της ασφάλτου κατά την επισκευή και την κατασκευή δρόμων, το φωτισμό πινακίδων οδικής σήμανσης και το φωτισμό με προβο λείς. Στον εμπορικό / βιοτεχνικό τομέα, για θέρμανση χώρων, παραγωγή ζεστού νερού χρήσης, μαγε ίρεμα και σε άλλες εξε ιδικευμένες χρήσεις. - 8 -

Στον ο ικιακό τομέα, γ ια θέρμανση, παραγωγή ζεστού νερού, μαγείρεμα και θ έρμανση χώρων. Στον τουριστικό τομέ α, σε ξενοδοχε ία και ε στιατόρια για την λε ιτουργία μια ς σε ιρά ς συσκευών, όπως λέβητες, φούρνοι, θ ερμοσίφωνες κα ι ψυγε ία. Ακόμα και γ ια την θέρμανση του νε ρού στην πισίνα ενός ξενοδοχε ίου. Στον αγροτικό τομέα, για παράδειγμα, συσκευ ές θέρμανσης υγραερίου με γρ1]γορη απόκριση χρησιμοποιούνται στην πτηνοτροφία, παρέχοντας την κατάλληλη θ ερμοκρασία γ ια την ε πιτυχή ε κκόλαψη και ανάπτυξη τω ν κλωσόπουλων. Η παραγωγή δημητρια κών μπορ ε ί επίσης να β ελτιωθ ε ί σημαντ ικά. Η ξήρανση του καλαμποκιού γίνεται με μεγαλύ τερη ασφάλε ια και πιο αποδοτικά, με μικρ ό τερη φθορά του εξοπλισμού και μικρ ό τε ρο κόστος συντήρηση ς. Το υγρα έ ριο μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως καύσιμο για την κίνηση οποιο υ δ ήποτε τύπου οχημάτων. [5] 1.2.3 Ασφάλεια προς το περιβάλλον Γεγονό ς ε ίναι ότι από την δεκα ε τία του 30 που χρησιμοποιήθηκε αρχικά στη Μεγάλη Βρ ε τανία το υ γραέριο δεν έχε ι ποτέ συμβ ε ί κάποιο ατύχημα π ερ ιβαλλο ντιιο] ς ρύπανσης. Ενώ αντίθετα το π ε τρ έλαιο είναι αρμόδιο γ ια 4.500 πε ριβαλλοντικά επε ισόδια ρύπανσης κάθ ε έ τος, έως m]μερα καμιά εδαφ ιιο] έκταση ή κοίτη δεν έχε ι μολυνθεί από το LPG. Επιπλέον παράγε ι 15% λιγότερο δ ιο ξε ίδιο του άνθρακα και 20% λιγότε ρο άλ λα ε πιβλα βι] αέρια όταν καίγε ται. Εξατμίζεται γρήγορα, οπότε σε π ερίπτωση διαρροής εξα τμίζε ται και δ εν υπά ρχε ι κίνδυνο ς μόλυνσης γης ή υδάτων. 1.3 Σύγκρισιι υγραερίου 1.3.1 Σύγκριση υγραερίου μ ε άλλα καύσιμα Στον πίνακα π ο υ ακολουθεί φαίνονται οι εκπομπ ές διοξε ιδίου για π έντε από τα βασικ ό τερα καύσ ιμα που χρησιμοποιούμε στην καθημερινότητά μας. -9-