ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΚΟ ΕΚΠΑΙΔΕΥΤΙΚΟ ΙΔΡΥΜΑ ΚΑΒΑΛΑΣ Σχολή Τεχνολογικών Εφαρμογών Τμήμα Τεχνολογίας Πετρελαίου και Φυσικού Αερίου Θέμα: «Μετατροπή βενζινοκινητήρα οχημάτων σε φυσικού αερίου» Επιβλέπων: Παπαδοπούλου Μαρία Σπουδαστής: Πετρόπουλος Γρηγόρης ΑΕΜ: 2889 Καβάλα 2009
ΚΕΦΑΛΑΙΟ 10 ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ 1.1 ΓΕΝΙΚΑ ΤΟ ΦΥΣΙΚΟ ΑΕΡΙΟ 1.2 ΣΥΣΤΑΣΗ ΤΟΥ ΦΥΣΙΚΟΥ ΑΕΡΙΟΥ 1.3 ΠΑΡΑΓΩΓΗ ΤΟΥ ΦΥΣΙΚΟΥ ΑΕΡΙΟΥ 1.4 ΒΑΡΥΤΕΡΟΙ ΥΔΡΟΓΟΝΑΝΘΡΑΚΕΣ ΚΑΙ ΑΤΜΟΣ ΝΕΡΟΥ 1.5 ΚΑΘΑΡΙΣΜΟΣ ΦΥΣΙΚΟΥ ΑΕΡΙΟΥ 1.6 ΧΡΗΣΕΙΣ ΤΟΥ ΦΥΣΙΚΟΥ ΑΕΡΙΟΥ ΚΕΦΑΛΑΙΟ 20 2.1 ΤΟ ΣΥΜΠΙΕΣΜΕΝΟ ΦΥΣΙΚΟ ΑΕΡΙΟ 2.2 ΧΡΗΣΕΙΣ ΤΟΥ ΣΥΜΠΙΕΣΜΕΝΟΥ Φ.Α. 2.3 ΧΡΗΣΗ ΤΟΥ L.N.G ΓΙΑ ΤΗΝ ΠΑΡΑΓΩΓΗ C.N.G. ΚΕΦΑΛΑΙΟ 30 3.1 ΤΟ C.C.N.G 3.2 TO L.C.N.G 3.3 ΜΕΤΑΦΟΡΑ ΚΑΥΣΙΜΩΝ 3.4 ΣΤΑΘΜΟΙ ΚΑΥΣΙΜΩΝ 3.5 ΣΤΑΘΜΟΙ C.C.N.G. 3.6 ΕΝΑΛΛΑΚΤΙΚΑ ΚΑΥΣΙΜΑ ΕΠΙΛΟΓΗΣ ΚΕΦΑΛΑΙΟ 40 4.1 ΘΕΡΜΙΚΕΣ ΜΗΧΑΝΕΣ 4.2 ΕΜΒΟΛΟΦΟΡΕΣ ΠΑΛΙΝΔΡΟΜΙΚΕΣ ΘΕΡΜΙΚΕΣ Μ.Ε.Κ. 4.3 ΒΕΝΖΙΝΟΚΙΝΗΤΗΡΕΣ 4.4 ΙΣΤΟΡΙΚΗ ΑΝΑΣΚΟΠΗΣΗ 4.5 ΒΑΣΙΚΕΣ ΑΡΧΕΣ 4.6 ΤΥΠΟΙ ΚΙΝΗΤΗΡΩΝ 4.7 ΚΑΤΑΣΚΕΥΗ ΚΑΙ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑ ΚΙΝΗΤΗΡΩΝ 4.8 ΑΠΟΔΟΣΗ 4.9 ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ 4.10 ΤΟ ΜΕΛΛΟΝ ΤΩΝ Μ.Ε.Κ. ΚΕΦΑΛΑΙΟ 50 5.1 ΚΙΝΗΤΗΡΕΣ ΦΥΣΙΚΟΥ ΑΕΡΙΟΥ 5.2 Ο ΠΕΡΙΟΡΙΣΜΟΣ ΤΩΝ ΡΥΠΩΝ 5.3 Η ΕΞΕΛΙΞΗ ΤΩΝ ΚΙΝΗΤΗΡΩΝ 5.4 ΚΙΝΗΤΗΡΕΣ ΜΕ ΔΥΟ ΕΙΔΗ ΚΑΥΣΙΜΟΥ ΚΕΦΑΛΑΙΟ 60 6.1 ΜΕΤΑΤΡΟΠΗ ΤΟΥ ΒΕΝΖΙΝΟΚΙΝΗΤΗΡΑ ΣΕ ΦΥΣΙΚΟΥ ΑΕΡΙΟΥ ΕΞΑΡΤΗΜΑΤΑ ΚΑΙ ΑΝΤΑΛΛΑΚΤΙΚΑ ΚΕΦΑΛΑΙΟ 70 7.1 ΕΙΣΑΓΩΓΙΚΑ ΣΤΟΙΧΕΙΑ ΠΕΡΙ ΡΥΠΑΝΣΗΣ ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝΤΟΣ 7.2 ΕΚΠΟΜΠΕΣ ΡΥΠΩΝ ΤΩΝ ΟΧΗΜΑΤΩΝ 7.3 ΕΥΡΩΠΑΙΚΑ ΠΡΟΤΥΠΑ ΕΚΠΟΜΠΩΝ ΡΥΠΩΝ 7.4 ΜΕ ΤΗΝ ΧΡΗΣΗ ΤΟΥ ΦΥΣΙΚΟΥ ΑΕΡΙΟΥ ΣΤΗΝ ΑΕΡΙΟΚΙΝΗΣΗ ΠΑΡΑΤΗΡΕΙΤΑΙ ΜΕΙΩΣΗ ΤΩΝ ΕΚΠΟΜΠΩΝ ΣΕ ΣΧΕΣΗ ΜΕ ΤΑ ΣΥΜΒΑΤΙΚΑ ΚΑΥΣΙΜΑ 2
ΕΙΣΑΓΩΓΗ H χρήση του φυσικού αέριου είναι ιδιαίτερα διαδεδομένη σε παγκόσμια κλίμακα, ενώ η τεχνογνωσία για την άντληση, την αποθήκευση και στην συνέχεια, την μεταφορά του στους ειδικούς σταθμούς ανεφοδιασμού, είναι πλέον απόλυτα ασφαλής. Ιδιαίτερα σε σχέση με τις υπόλοιπες εφαρμογές κίνησης οχημάτων μικρής περιβαλλοντικής επιβάρυνσης όπως το υδρογόνο ή τα βιοκαύσιμα, θα λέγαμε πως το φυσικό αέριο είναι το μοναδικό εναλλακτικό καύσιμο το οποίο μπορεί άμεσα, να αντικαταστήσει τα υπάρχοντα ορυκτά καύσιμα. Στην Ευρώπη ήδη λειτουργούν 1.629 σταθμοί ανεφοδιασμού φυσικού αερίου στο βασικό δίκτυο αυτοκινητοδρόμων των μεγαλύτερων αστικών κέντρων, ενώ ο αριθμός τους αυξάνεται σε μηνιαία βάση. Οι σταθμοί αυτοί τροφοδοτούνται είτε από τους υπάρχοντες αγωγούς μεταφοράς φυσικού αερίου, είτε από βυτιοφόρα φορτηγά, που φέρουν ειδικά διασκευασμένους χώρους αποθήκευσης φυσικού αερίου. Εκτός από την κατά μεγάλο ποσοστό μείωση των εκπεμπόμενων ρύπων, τα οφέλη της χρήσης φυσικού αερίου, διακρίνονται επίσης σε : Λειτουργικά Που αφορούν στα χαρακτηριστικά της καύσης και της θερμοδυναμικής απόδοσης του φυσικού αερίου Οικονομικά Που αφορούν στο βραχυπρόθεσμο και μακροπρόθεσμο αντίκτυπο στην παγκόσμια οικονομία. Οι πρώτες απόπειρες δοκιμής -σε πραγματικές συνθήκες- της κίνησης με φυσικό αέριο, αφορούσαν εφαρμογές κυρίως σε οχήματα αστικών μεταφορών ή άλλων κοινωφελών οργανισμών. Η συνεχής εξέλιξη και η αποκόμιση χρήσιμων πληροφοριών από τις πιλοτικές αυτές δοκιμές, είχαν ως αποτέλεσμα στις μέρες μας, να διαθέτονται στην αγορά επαγγελματικά οχήματα ελαφρώς τύπου με προορισμό την ιδιωτική χρήση. Δεν απέχει πολύ η εποχή, όπου σε συνδυασμό με την αύξηση του αριθμού των σταθμών ανεφοδιασμού, θα υπάρχει η δυνατότητα να αποκτήσει κανείς ένα Ι.Χ. επιβατικό όχημα με κινητήρα φυσικού αερίου, το οποίο δεν θα διαφέρει καθόλου από ένα αντίστοιχο σημερινό στους τομείς τον επιδόσεων, της αυτονομίας και της λειτουργίας του κινητήρα. Τα οφέλη που προκύπτουν από την χρήση φυσικού αερίου. Μείωση εκπομπών σε σχέση με τα συμβατικά καύσιμα Αναλυτικότερα: Μείωση του διοξειδίου του άνθρακα (CO2) 18% σε σχέση με του βενζινοκινητήρες 14% σε σχέση με τους πετρελαιοκινητήρες Μείωση των οξειδίων του αζώτου (NOx) 3
72% σε σχέση με του βενζινοκινητήρες 95% σε σχέση με τους πετρελαιοκινητήρες Μηδενικές εκπομπές μικροσωματιδίων (PM) Στον ανωτέρω πίνακα, γίνεται μία σύγκριση του ποσοστού των ρύπων από κινητήρες που πληρούν τις Κοινοτικές Οδηγίες σχετικά με τις εκπομπές καυσαερίων : Euro3 - κόκκινο χρώμα (ίσχυσαν από το 2000 έως το 2005) Euro 4 - κίτρινο χρώμα (ισχύουν από το 2005) EEV - μπλε χρώμα (πρόκειται να τεθούν σε ισχύ από το 2008) Με πράσινο χρώμα αναπαρίστανται οι εκπομπές ρύπων ενός κινητήρα φυσικού αερίου, ο οποίος εμφανίζει εξαιρετικά μειωμένα ποσοστά συγκρινόμενος ακόμα και με τους κινητήρες EEV που πληρούν τις αυστηρότερες των προδιαγραφών. Τα λειτουργικά οφέλη της χρήσης Φυσικού αερίου To φυσικό αέριο, παρουσιάζει χαρακτηριστικά εντελώς διαφορετικά από αυτά των υγρών καυσίμων κατά την τροφοδοσία και την καύση του. Η αέρια μορφή του επιτρέπει την ευκολότερη ροή του στους αυλούς εισαγωγής και στα σώματα ψεκασμού, τροφοδοτώντας τον κινητήρα με σταθερό και ομογενές μίγμα, με αποτέλεσμα την ομαλή λειτουργία και την αποτελεσματικότερη καύση. Παράλληλα σχεδόν εξαλείφεται το φαινόμενο επικάθισης και συσσωμάτωσης άκαυτων ουσιών 4
στον θάλαμο καύσης, στις βαλβίδες και στην εξαγωγή, ενώ δεν αναμιγνύεται με το λιπαντικό του κινητήρα που διαρρέει σε μικρές ποσότητες στον κύλινδρο. Λόγω της μοριακής δομής και σύστασης του, το φυσικό αέριο εξαλείφει το φαινόμενο της κρουστικής καύσης (πειράκια) και βελτιώνει την ροπή του κινητήρα. Συνοψίζοντας τα λειτουργικά οφέλη της χρήσης φυσικού αερίου είναι τα εξής: Μείωση κρουστικής καύσης Σταθερό και ομογενές μίγμα Αύξηση της ροπής του κινητήρα Μείωση των επικαθίσεων στον κινητήρα Απουσία μίξης καυσίμου με το λιπαντικό του κινητήρα Μείωση θορύβου και ομαλότερη λειτουργία κινητήρα Εκτός από τα οφέλη της μειωμένης περιβαλλοντικής επιβάρυνσης, τα χαρακτηριστικά καύσης του φυσικού αερίου και η συμπεριφορά του ως χημική ένωση, συμβάλλουν στην ομαλότερη λειτουργία του κινητήρα, ενώ παράλληλα εξαλείφονται ή μειώνονται δραστικά αρνητικά φαινόμενα που παρουσιάζει η χρήση ορυκτών καυσίμων. 5
Τα οικονομικά οφέλη της χρήσης φυσικού αερίου Για να υπολογιστεί με ακρίβεια το οικονομικό όφελος θα πρέπει να λάβει κανείς υπ όψιν το κόστος του συνόλου των ενεργειών που θα πρέπει να πραγματοποιηθούν σε μία ενδεχόμενη γενίκευση της χρήσης του φυσικού αερίου. Οι κυριότερες ενέργειες που απαιτούνται είναι : Η μετατροπή του συνόλου των υφιστάμενων κινητήρων, ώστε να έχουν την δυνατότητα καύσης φυσικού αερίου. Ενθαρρυντικό είναι το γεγονός του ότι δεν χρειάζονται εκτεταμένες επεμβάσεις σε έναν κινητήρα βενζίνης ή πετρελαίου προκείμενου να καταστεί ικανός για την χρήση φυσικού αερίου. Άλλωστε η αντικατάσταση και μετατροπή του συνόλου των οχημάτων με αντίστοιχα φυσικού αερίου είναι μια διαδικασία σταδιακή και δεν μπορεί να συντελεσθεί σε μικρό χρονικό διάστημα. Η μετατροπή του συνόλου των πρατήριων ορυκτών καυσίμων με σταθμούς ανεφοδιασμού φυσικού αερίου. Το φυσικό αέριο απαιτεί για την μεταφορά, την αποθήκευση και την διάθεση του, ειδικές εγκαταστάσεις οι οποίες διαφέρουν κατά πολύ από τις ήδη υπάρχουσες. Σε γενικές γραμμές (και αυτό ισχύει για το σύνολο των ενεργειών), η αυξημένη ζήτηση θα αυξήσει την παραγωγή με αποτέλεσμα να μειωθεί το κόστος. Συνάμα, θα πρέπει να αναπτυχθεί το δίκτυο αγωγών μεταφοράς του φυσικού αερίου, ενέργεια δαπανηρή, αλλά σε βάθος χρόνου προτιμότερη από την αποκλειστική μεταφορά του φυσικού αερίου από βυτιοφόρα φορτηγά. Το πραγματικό οικονομικό όφελος όμως, προκύπτει από την μείωση της περιβαλλοντικής μόλυνσης, τις οποίας οι επιπτώσεις προκαλούν πολύ μεγαλύτερης έκτασης οικονομική ζημία σε παγκόσμια κλίμακα. Τα ποσά που απαιτούνται για την ανοικοδόμηση πληγέντων από ακραία καιρικά φαινόμενα περιοχών, η υπερκατανάλωση ηλεκτρικού ρεύματος και ενεργειακών πόρων προκειμένου να αντισταθμιστεί η αύξηση της θερμοκρασίας και για χρησιμοποιήσουμε ένα όχι και τόσο μακρινό σενάριο, η άνοδος της στάθμης των ωκεανών που θα προκαλέσει μαζική μετανάστευση πληθυσμών και αφανισμό μεγαλουπόλεων, είναι καταστάσεις ασύγκριτα πιο δαπανηρές από την γενικευμένη εφαρμογή εναλλακτικών καυσίμων, όπως το φυσικό αέριο. 6
Στην φωτογραφία διακρίνονται ο αγωγός φυσικού αερίου, ο ξηραντής, ο συμπιεστής με τον οποίο το αέριο αποθηκεύεται με πίεση πολλών ατμοσφαιρών στους χώρου αποθήκευσης και τέλος το σύστημα ελέγχου που τροφοδοτεί και διανέμει το φυσικό αέριο στις αντλίες. 7
ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 1.1 ΓΕΝΙΚΑ ΤΟ ΦΥΣΙΚΟ ΑΕΡΙΟ Φυσικό αέριο ονομάζεται το αέριο, το οποίο συναντάται στη φύση σε υπόγειους γεωλογικούς σχηματισμούς. Το Φυσικό αέριο σχηματίστηκε όμοια με το πετρέλαιο με την πάροδο πάρα πολλών χιλιετιών της ιστορίας της γης και συσσωρεύτηκε σε κοιτάσματα, αφού μετανάστευσε από τον τόπο γένεσής του σε πορώδεις χώρους κάτω από την επιφάνεια του εδάφους σχηματίζοντας τα κοιτάσματα (Oil and Gas). Στο κοίτασμα το Φυσικό αέριο συναντιέται σε μορφή μίγματος αερίων υδρογονανθράκων σε ελεύθερη μορφή ή διαλυμένων σε πετρέλαιο και νερό ή απορροφημένων από πετρώματα. Ανάλογα με την προέλευση διακρίνεται σε δυο μεγάλες κατηγορίες: 1) το συμβατικό Φυσικό αέριο (άμεσα απολήψιμο) και 2) το μη συμβατικό (περιέχεται σε άμμους και σχιστόλιθους). Το συμβατικό φυσικό αέριο ανάλογα με την εκμετάλλευσή του διακρίνεται στο συναρτημένο με το αργό πετρέλαιο και είναι παραπροϊόν της πρωτογενούς επεξεργασίας αυτού και στο μη συναρτημένο, το οποίο λαμβάνεται απευθείας με γεωτρήσεις. Το μη συμβατικό Φυσικό αέριο περιέχεται σε άμμους και σχιστόλιθους και δεν είναι, με τα σημερινά μέσα τεχνολογίας, οικονομικά εκμεταλλεύσιμο. Το μεθάνιο είναι το βασικότερο συστατικό των Φυσικών αερίων και καθορίζει αποφασιστικά τις φυσικές και θερμοφυσικές ιδιότητές τους, που είναι οι εξής: Είναι ελαφρύτερα από τον αέρα (ενώ τα υγραέρια βαρύτερα), Έχουν μικρότερη θερμογόνο δύναμη από το πετρέλαιο, Μπορεί να αντικαταστήσουν άμεσα τον ηλεκτρισμό σε πολλές χρήσεις, Έχουν σημαντικά μικρότερες επιπτώσεις στο περιβάλλον σε σχέση με τους άλλους υδρογονάνθρακες (υγρούς και στερεούς). Τα παραπάνω πλεονεκτήματα συνδιαζόμενα με το γεγονός ότι τα παγκόσμια αποθέματα Φυσικού αερίου προβλέπεται να επαρκέσουν πάνω από 60 χρόνια καθιστούν το Φυσικό αέριο ως το βασικό καύσιμο στην αρχή της τρίτης χιλιετίας. 8
1.2 ΣΥΣΤΑΣΗ ΤΟΥ ΦΥΣΙΚΟΥ ΑΕΡΙΟΥ Το Φυσικό αέριο αποτελείται κυρίως από: μεθάνιο CH4 αιθάνιο C2H6 προπάνιο C3H8 βουτάνιο C4Hi0 Επιπλέον περιέχει: συνήθως μικρές ποσότητες βαρύτερων υδρογονανθράκων και διαφορετικές ποσότητες ανόργανων αερίων (π.χ. Ν2, CO2 και Η28). Το φυσικό αέριο δεν έχει σταθερή σύνθεση και διαφέρει από κοίτασμα σε κοίτασμα. Το γεγονός αυτό σε συνδυασμό με το ότι το φυσικό αέριο μεταφέρεται μέσω διεθνών διασυνδεδεμένων δικτύων καθιστά αναγκαίο τον έλεγχο της σύστασης και των ιδιοτήτων του για τον υπολογισμό των ποσοτήτων ενέργειας και του κόστος βάση διεθνών συμβάσεων προμήθειας. Στον πιιν.2.1 αναφέρεται η σύσταση μερικών φυσικών αερίων που διακινούνται σε χώρες της Ευρώπης και στην πατρίδα μας. Με την αναφερόμενη σύσταση και σε κανονικές συνθήκες τα ελληνικά φυσικά αέρια ΤΕΦΑ 0 και ΤΕΦΑ 1, παρουσιάζουν τις χαρακτηριστικές ιδιότητες του πιν.2.2. Στην περιοχή της Αττικής το φυσικό αέριο παρουσιάζει κάποιες αποκλίσεις από τις παραπάνω τιμές των εισαγόμενων φυσικών αερίων (πιν.2.1.) επειδή στο δίκτυο διανομής τροφοδοτείται μίγμα φυσικού αερίου από τη Ρωσία και την Αλγερία. Το φυσικό αέριο από τις δύο αυτές χώρες διοχετεύεται κατ αρχήν με αγωγούς στα ΕΛ.ΠΕ στον Ασπρόπυργο Αττικής, όπου γίνεται η τελική μίξη και στη συνέχεια οδηγείται στο εθνικό δίκτυο διανομής του νομού Αττικής. Σε αντίθεση με περιοχή Αττικής οι βορειότερες περιοχές της χώρας - Βόλος, Λάρισα, Θεσσαλονίκη, Δυτική Μακεδονία, Ανατολική Μακεδονία - τροφοδοτούνται από τον κεντρικό αγωγό μεταφοράς και το φυσικό αέριο έχει τις αντίστοιχες προδιαγραφές του ρωσικού αερίου. Γενικά μπορεί να πει κανείς ότι η σύνθεση του ελληνικού φυσικού αερίου ανάλογα με τις ανάγκες της κατανάλωσης και τη διαθεσιμότητα του φυσικού αερίου κυμαίνεται μεταξύ του αλγερινού και του ρωσικού φυσικού αερίου. Θα πρέπει να τονιστεί ότι η διακύμανση στη σύνθεση του φυσικού αερίου δεν είναι μόνο ελληνικό φαινόμενο αλλά συμβαίνει και στις ευρωπαϊκές χώρες, επειδή στο διασυνδεόμενο 9
δίκτυο εισρέουν αέρια αντλούμενα από διάφορες χώρες (Ρωσία, Γερμανία, Αγγλία, Νορβηγία, Ιταλία, Αλγερία, Ολλανδία κλπ.). Η σύνθεση του ρωσικού φυσικού αερίου, όπως αναφέρεται στον πιν.2.1 αποτελεί την ονομαζόμενη «ψευδοσύσταση», που τίθεται σαν βάση για τους τεχνικούς υπολογισμούς. Η μοριακή μάζα που προκύπτει με βάση τα στοιχεία αυτά του πιν.2.1 κυμαίνεται από 19,7 (μέγιστη τιμή) μέχρι 16,4 kg/kmol (ελάχιστη τιμή). Η συνολική περιεκτικότητα σε θείο μπορεί να φτάσει τα 107,3 mg/m3 για μέγιστη διάρκεια 48 ώρες. Η τιμή της απόλυτης πίεσης παράδοσης στο σταθμό υποδοχής φυσικού αερίου στο Στρυμονοχώρι Σερρών (στα ελληνοβουλγαρικά σύνορα) είναι 50±1 bar με μέγιστη τιμή 56 bar. 1.3 ΠΑΡΑΓΩΓΗ ΤΟΥ ΦΥΣΙΚΟΥ ΑΕΡΙΟΥ Το φυσικό αέριο είναι δύσκολο να βρεθεί δεδομένου ότι μπορεί να παγιδευτεί στους πορώδεις βράχους οι οποίοι βρίσκονται χιλιάδες μέτρα βαθιά στη γη. Οι επιστήμονες χρησιμοποιούν πολλές μεθόδους για να βρούν τις καταθέσεις φυσικού αερίου. Μπορούν να εξετάσουν τους βράχους επιφάνειας για να βρούν τις ενδείξεις για τους υπόγειους σχηματισμούς. Μπορούν να θέσουν μακριά τις μικρές εκρήξεις ή δημιουργώντας τεχνητούς σεισμούς στην επιφάνεια και να καταγράψουν τα κύματα όπως αναπηδούν πίσω από τα στρώματα βράχου υπόγεια όπου βρίσκεται το φυσικό αέριο. Μπορούν επίσης να μετρήσουν τη βαρύτητα από το τράβηγμα των μαζών των βράχων βαθιά μέσα στη γη. Εάν τα αποτελέσματα της δοκιμής είναι ελπιδοφόρα, οι επιστήμονες μπορούν να τρυπήσουν με τρυπάνι για να βρούν τις καταθέσεις του φυσικού αερίου. Τα φρεάτια του φυσικού αερίου υπολογίζονται κατά μέσο όρο 6.000 πόδια περίπου και μπορούν να κοστίσουν περισσότερο από $75 ανά πόδι στο τρυπάνι, έτσι είναι σημαντικό να επιλεχθούν οι περιοχές προσεκτικά. Κατά μέσο όρο 27 από κάθε 100 διερευνητικά φρεάτια παράγουν το φυσικό αέριο. Άλλα κοιτάσματα έρχονται στην επιφάνεια σε "ξηρή" μορφή. Επίσης το φυσικό αέριο μπορεί να βρεθεί από τις καταθέσεις πετρελαίου. Αφότου βγαίνει το φυσικό αέριο στο έδαφος, πηγαίνει σε εγκαταστάσεις επεξεργασίας όπου καθαρίζεται από ακαθαρσίες και χωρίζεται στα διάφορα συστατικά του. Το φυσικό αέριο μπορεί επίσης να προέλθει από διάφορες άλλες πηγές. Μια πηγή είναι το αέριο που βρίσκεται στα κοιτάσματα γαιάνθρακα. Μέχρι σήμερα, το αέριο 10
κοιτασμάτων γαιάνθρακα ήταν ακριβό αλλά τώρα είναι μία πολύτιμη πηγή φυσικού αερίου. Σήμερα το φυσικό αέριο παράγεται σε 32 κράτη αν και ακριβώς 3 κράτη το Τέξας, η Λουιζιάνα, και η Οκλαχόμα αποτελούν προϊόντα του Φυσικού αερίου. Συνολικά, οι Η.Π.Α παράγουν σχεδόν 22% του παγκοσμίου φυσικού αερίου κάθε έτος. 1.4 ΒΑΡΥΤΕΡΟΙ ΥΔΡΟΓΟΝΑΝΘΡΑΚΕΣ ΚΑΙ ΑΤΜΟΣ ΝΕΡΟΥ Ανάλογα με το ποσοστό των βαρύτερων υδρογονανθράκων το φυσικό αέριο διακρίνεται σε: Ξηρό αέριο και Υγρό αέριο Και μπορεί επιπρόσθετα να είναι κορεσμένο με ατμό νερού κάτω από φυσικές συνθήκες. Τα συστατικά αυτά μπορούν να συμπυκνωθούν σε χαμηλότερες θερμοκρασίες και ψηλότερη πίεση και να επηρεάσουν δυσμενώς τη μεταφορά και χρήση του φυσικού αερίου. Κάτω από συγκεκριμένες συνθήκες τα συστατικά του αερίου σχηματίζουν με το νερό ένυδρες κρυσταλλικές ενώσεις, οι οποίες με μορφή χιονιού προκαλούν αποφράξεις στους αγωγούς μεταφοράς. Τέτοιες ένυδρες ενώσεις είναι οι: CH4 * 7H20 C2H6 * 8H2O C3H8 * I8H2O κλπ. Ο σχηματισμός ένυδρων ουσιών εξαρτάται από την πίεση, τη θερμοκρασία, το μοριακό μέγεθος και τη συγκέντρωση του συστατικού. Γενικά οι ένυδρες ουσίες σχηματίζονται σε υψηλή πίεση και χαμηλή θερμοκρασία, αλλά μπορούν να βρεθούν μέχρι τους 30 0C και κάτω από τα 0,7 MPa. Ο σχηματισμός ένυδρων ουσιών μπορεί να προβλεφθεί από εμπειρικές αναλογίες ισορροπίας ατμού-στερεού, εμπειρικούς συσχετισμούς και εργαστηριακές μετρήσεις. Για να αποφύγουμε τον σχηματισμό αερίων ένυδρων ουσιών στους αγωγούς μειώνεται η περιεχόμενη υγρασία του φυσικού αερίου συνήθως με αφυδάτωση πριν τη μεταφορά. Η μείωση του σημείου δρόσου του νερού στους -5 μέχρι -8 C σε 11
σχέση με τη μέγιστη πίεση μεταφοράς, αναφέρεται συνήθως στις προδιαγραφές του αερίου. Ιδιότητα Τ Ε Φ Α 0 Τ Ε Φ Α 1 Μοριακή μάζα Μ σε kg/kmol 18,3 16,323 Μοριακός κανονικός όγκος V mn σε m /kmol 22,349 22,364 3 Πυκνότητα ρη σε kg/m 0,819 0,7298 Σχετική πυκνότητα d n ως προς τον αέρα 0,633 0,564 3 Ανωτέρα θερμογόνο δύναμη Η ο σε kj/m 42,157 39,78 Δυναμικό ιξώδες σε kg/m s 10,02 *1 0-6 10,23 *1 0-6 Π ιν.2.2 Ιδιότητες ελληνικών φυσικών αερίων. 1.5 ΚΑΘΑΡΙΣΜΟΣ ΦΥΣΙΚΟΥ ΑΕΡΙΟΥ. Το φυσικό αέριο πριν φτάσει στον καταναλωτή διαμέσου των δικτύων μεταφοράς και διανομής, θα πρέπει να απαλλαγεί από τις ανεπιθύμητες ξένες προσμίξεις (H2S, CO2, νερό κ.α.), οι οποίες δημιουργούν προβλήματα στην παραπέρα πορεία επεξεργασίας, μεταφοράς και διανομής του. Σε πολλά κοιτάσματα το ανακτώμενο φυσικό αέριο είναι όξινο, επειδή περιέχει σημαντικές ποσότητες H2S και CO2, οι οποίες αποτελούν και τις κύριες ακαθαρσίες. Ο καθαρισμός του φυσικού αερίου γίνεται στους χώρους παραγωγής του στις μονάδες πρωτογενούς επεξεργασίας. Το υδρόθειο μπορεί να περιέχεται στα φυσικά αέρια σε διάφορες αναλογίες. Ανάλογα με την H ^ -περιεκτικότητα τα φυσικά αέρια διακρίνονται σε: Όξινα φυσικά αέρια, αν η H ^ -περιεκτικότητα είναι > 1%-ν/ν και Ισχνά φυσικά αέρια, αν η H ^ -περιεκτικότητα είναι < 1%-ν/ν. Τα όξινα αέρια γενικά αποθειώνονται, ή γλυκαίνονται (γι αυτό και τα αποθειωμένα φυσικά αέρια χαρακτηρίζονται γλυκά αέρια), ώστε οι συγκεντρώσεις του H2S να κρατιώνται σε χαμηλά επίπεδα (κάτω από 3 ppm) εξαιτίας της υψηλής τοξικότητάς του. Το υδρόθειο είναι τοξικό και μαζί με το ελεύθερο νερό δρά ισχυρά διαθρωτικά στα μέταλλα, καταστρέφοντας τα δίκτυα μεταφοράς και τις αντλίες. Από την καύση του υδρόθειου παράγεται διοξείδιο του θείου (SO2), το οποίο είναι επίσης τοξικό και διαβρωτικό αέριο. Το υδρόθειο απομακρύνεται από το φυσικό αέριο με πλύσεις με νερό ή υδατικά διαλύματα, στα οποία το υδρόθειο είναι διαλυτό. Τα τελευταία ίχνη υδρόθειου απομακρύνονται με καυστικό νάτριο, σύμφωνα με την αντίδραση: H2S+NaOH > NaSH + H2O 12
Το παραγόμενο υδρόθειο οδηγείται στη συνέχεια σε μια μονάδα Claus, όπου μετασχηματίζεται σε στοιχειακό θείο, σύμφωνα με τις αντιδράσεις: H2S + 3/2O2 > SO2 + H2O 2H2S + SO2 > 3S +2H2O Το παραγόμενο τελικό προϊόν, δηλαδή το στοιχειακό θείο, αποτελεί μια βασική πρώτη ύλη της χημικής βιομηχανίας (π.χ. στην παραγωγή θειϊκού οξέος ). Σε αντίθεση με το H2S το CO2, μπορεί να γίνει ανεκτό σε μικρά ποσοστά. Μεγαλύτερα ποσοστά διοξειδίου του άνθρακα είναι ανεπιθύμητα επειδή: Αυξάνουν το κόστος μεταφοράς του φυσικού αερίου Μειώνουν τις ιδιότητες ανάφλεξης και την θερμογόνο δύναμή του και Προκαλούν σε συνεργία με το νερό τοπικές οξειδώσεις στα μέταλλα. Το διοξείδιο του άνθρακα απομακρύνεται κύρια με διεργασίες απορρόφησης με διαλύτες. 1.6 ΧΡΗΣΕΙΣ ΤΟΥ ΦΥΣΙΚΟΥ ΑΕΡΙΟΥ Το φυσικό αέριο χρησιμοποιείται είτε σαν καύσιμο για την παραγωγή θερμότητας, ηλεκτρικής ενέργειας ή την κίνηση αυτοκινήτων είτε σαν πρώτη ύλη στη χημική βιομηχανία. Ειδικότερα το φυσικό αέριο μπορεί να χρησιμοποιηθεί: Στον οικιακό τομέα για θέρμανση χώρων, παραγωγή ζεστού νερού αλλα και στο μαγείρεμα. Στον εμπορικό τομέα για θέρμανση χώρων, παραγωγή ζεστού νερού και σε άλλες εξειδικευμένες χρήσεις. Στο βιομηχανικό τομέα για την παραγωγή θερμότητας αλλά και σαν πρώτη ύλη για την παραγωγή χημικών προϊόντων από αιθυλένιο μέχρι και πλαστικά. Στη βιομηχανία λιπασμάτων χρησιμοποιείται στην παραγωγή αμμωνίας. Στην παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας σε θερμοηλεκτρικούς σταθμούς. Σαν καύσιμο κίνησης στις μηχανές επιβατικών αυτοκινήτων. 13
11Β ΙΜ CH< [%-ν/ν] C?He [%-V/V] c 3h 6 [%-V/V] C4Hu, [%-ν/ν] Cs. - H/C [%-ν/ν] CC>2 [%-ν/ν] Ολλανδία, Groningen 3 81,3 2,8 0,4 0,2 0,1 0,9 14,3 He: 0,04 Νορβηγία, Ekofiskb (Βόρεια θάλασσα) 90,8 6,1 0,7 0,1 0,3 1,8 0,5 Βεγ. Βρετανία Leman Bank (Βόρ. θάλασσα) 94,7 3,0 0,5 0,2 0,3 0,1 0,3 Γερμανία, Sohlingen 85 1,5 0,07 0,03 0,5 Hg: 1,5 Γερμανία, Wustrow 42,5 0,6 0,1 0,3 56,5 Γερμανία, Sud-Oldenburg 78,9 0,1 6,9 7,0 H2S: 7,1 Ρωσία, Sibirien 97,8 0,7 0,3 1,2 Ουκρανία 94,8 2,7 0,8 0,4 0,3 0,2 0,8 Αλγερία, Hassi-R Mel 79,6 7,4 2,7 1,4 3,6 0,2 5,1 Η.Π.Α., Panhandle,Texasd 73,2 6,1 3,2 1,6 0,6 0,3 14,3 He: 0,7 ΤΕΦΑ Ο 6 (ΔΕΠΑ) 90,0 3,0 2,0 1,0 0,5 1,0 2,5 ΤΕΦΑ 1 (Εισαγόμενο ρωσικό φ.αέριο) 98,3 0,5 0,2 0,1 0,02 0,1 0,9 He:0,02 Εισαγόμενο αλγερινό φ.αέριο a: Φυσικό αέριο με χαμηλή θερμογόνο δύναμη. b: Φυσικό αέριο με ψηλή θερμογόνο δύναμη. c: Απομάκρυνση υδραργύρου. d: Παραγωγή ηλίου. e: Ελληνικό φ.αέριο μέσης σύνθεσης από δεδομένα της ΔΕΠΑ (Δημόσια ΕΠιχείρηση Αερίου). Πίν.2.1. Σύσταση μερικών ευρωπαϊκών φυσικών αερίων. [%-ν/ν] Λοιπά [%-ν/ν]
ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2Ο 2.1 ΤΟ ΣΥΜΠΙΕΣΜΕΝΟ ΦΥΣΙΚΟ ΑΕΡΙΟ Πριν πούμε οτιδήποτε για φυσικό αέριο θα πρέπει να κάνουμε το βασικό διαχωρισμό για να μην μπερδευτούμε με το υγραέριο (LPG). Η χρήση του τελευταίου, όπως γνωρίζουμε, ήταν ιδιαίτερα διαδεδομένη στα ταξί και στην Ελλάδα, ενώ αργότερα είχε επιτραπεί (και επιτρέπεται ακόμα) η μετατροπή υπαρχόντων επιβατικών αυτοκινήτων ώστε να καίνε υγραέριο. Ωστόσο στην περίπτωση του υγραερίου τα οφέλη από τη χρήση του ήταν και είναι κατά κύριο λόγο οικονομικά και κατά δεύτερο οικολογικά. Οσο οικολογικό μπορεί να χαρακτηριστεί το υγραέριο με βάση τα συν και πλην των καυσαερίων του, που τελικά μπορεί και να αφήνουν κάποιο θετικό αποτέλεσμα, ανάλογα με την περίπτωση. Η χρήση λοιπόν γενικότερα των αερίων καυσίμων, δεν είναι κάτι καινούργιο. Ωστόσο, το φυσικό αέριο αποτελεί ένα καινούργιο κεφάλαιο στο έργο που λέγεται αυτοκίνητο. Το φυσικό αέριο υπάρχει σε μεγάλες ποσότητες στο στερεό φλοιό της Γης. Αποτελείται στο μεγαλύτερο ποσοστό του από μεθάνιο (CH4) 92%. Επίσης από αιθάνιο (C2H6) 1%, βουτάνιο (C3H8) 0.2%, άζωτο (N2) 5% και διοξείδιο του άνθρακα (CO2) 1%. Βέβαια, η σύσταση του φυσικού αερίου μπορεί να διαφοροποιείται ελαφρά ανάλογα με την προέλευσή του. ^ φυσικό αέριο, λοιπόν, έχει ως κύριο συστατικό το μεθάνιο, ενώ το υγραέριο είναι μείγμα προπανίου και βουτανίου σε διάφορες αναλογίες. Εξαιτίας της υψηλής περιεκτικότητας του μεθανίου σε υδρογόνο, το φυσικό αέριο αποτελεί ένα υψηλής ποιότητας καύσιμο για μηχανές εσωτερικής καύσης. Η θερμογόνος δύναμη του φυσικού αερίου, η ενέργεια δηλαδή που παράγεται κατά την καύση του ανά μονάδα μάζας, ξεπερνά αυτήν όλων των υπόλοιπων υδρογονανθράκων. Ωστόσο, τα πράγματα δεν είναι τόσο ευχάριστα από την άποψη της ενεργειακής πυκνότητας, 15
γιατί ο όγκος που καταλαμβάνει η μάζα αυτή του φυσικού αερίου είναι πολλαπλάσιος από αυτόν της βενζίνης. Από τεχνική σκοπιά, λοιπόν, το κύριο μειονέκτημα της χρήσης του φυσικού αερίου στο χώρο των μεταφορών είναι ότι για να αποκτήσει ένα αυτοκίνητο φυσικού αερίου αυτονομία αντίστοιχη με αυτήν ενός βενζινοκίνητου ή ενός diesel, χρειάζεται ρεζερβουάρ πολλαπλάσιο σε όγκο από αυτό της βενζίνης. Αυτό προκύπτει λόγω της δυσκολίας (πρακτικά αδυναμίας) υγροποίησης του φυσικού αερίου, για την οποία η κρίσιμη θερμοκρασία είναι οι -162ο^ Αναγκαστικά οδηγούμαστε έτσι σε αποθήκευσή του στο αυτοκίνητο σε αέρια μορφή, σε ειδικές μπουκάλες υψηλής πίεσης (της τάξης των 200 bar), όπου το φυσικό αέριο φυλάσσεται συμπιεσμένο για να καταλαμβάνει όσο το δυνατόν μικρότερο χώρο. Με τον τρόπο αυτό το αυτοκίνητο αποκτά ικανοποιητική αυτονομία. Η περιορισμένη δυνατότητα αποθήκευσης στο αυτοκίνητο οδήγησε στην εμφάνιση αυτοκινήτων διπλού καυσίμου (bi-fuel), που μπορούν εναλλακτικά να κάψουν και βενζίνη. Επιπλέον, το φυσικό αέριο χαρακτηρίζεται από υψηλό αριθμό οκτανίων, με συνέπεια να μπορεί να καίγεται σε βενζινοκινητήρες με υψηλή σχέση συμπίεσης, χωρίς κίνδυνο να εμφανιστεί προανάφλεξη (να έχουμε δηλαδή τα λεγόμενα «πειράκια») που μπορεί να προκαλέσει ζημιά στον κινητήρα. Η λειτουργία με υψηλότερη σχέση συμπίεσης σημαίνει πιο αποδοτική εκμετάλλευση του καυσίμου. Από την πλευρά των εκπομπών καυσαερίων, τώρα, βλέπουμε ότι οι εκπομπές CO2 των αυτοκινήτων που καίνε φυσικό αέριο είναι σημαντικά χαμηλότερες των βενζινοκίνητων, λόγω της υψηλής αναλογίας ατόμων υδρογόνου ανά άνθρακα (H/C) του καυσίμου. Ενώ οι εκπομπές άκαυτων υδρογονανθράκων των κινητήρων φυσικού αερίου αποτελούνται κατά 90% από μεθάνιο, που είναι σχετικά «αθώο» όσον αφορά τις επιπτώσεις στην υγεία, αλλά από την άλλη είναι από τα αέρια που συμβάλλουν στη δημιουργία του φαινομένου του θερμοκηπίου. 16
2.2 ΧΡΗΣΕΙΣ ΣΥΜΠΤΕΣΜΕΝΟΥ ΦΥΣΙΚΟΥ ΑΕΡΙΟΥ (CNG) ΣΤΑ ΑΥΤΟΚΙΝΗΤΑ Σήμερα στην Ευρώπη κυκλοφορούν περίπου 450.000 αυτοκίνητα που καίνε φυσικό αέριο, γεγονός που δεν είναι άσχετο και από τα οικονομικά κίνητρα που έχουν δοθεί. Ενδεικτικά αναφέρουμε ότι σε χώρες όπως η Γερμανία, η Ιταλία και η Ελβετία διατίθενται κανονικά στο εμπόριο τα Opel Zafira 1.6 CNG, Opel Astra Caravan 1.6 CNG, Volkswagen Touran EcoFuel και Caddy EcoFuel, Ford Focus CNG, ενώ η FIAT διαθέτει στην Ιταλία μία ολόκληρη γκάμα αυτοκινήτων που κινούνται με φυσικό αέριο, που διακρίνονται από την προσθήκη του λογότυπου «Natural Power» στην ονομασία του βασικού, συμβατικού μοντέλου, από το οποίο προέρχονται: Fiat Punto Natural Power, Multipla, Doblo και Doblo Cargo Natural Power. Σημειώνουμε ότι για την καλύτερη εκμετάλλευση των δυνατοτήτων του φυσικού αερίου για χρήση στις μηχανές εσωτερικής καύσης, οι αυτοκινητοβιομηχανίες εξελίσσουν πρωτότυπα TNG (Turbo Natural Gas), δηλαδή αυτοκίνητα με υπερτροφοδοτούμενους κινητήρες φυσικού αερίου. Από οικονομική σκοπιά τώρα, στις ΗΠΑ η τιμή του CNG στο πρατήριο είναι 30% χαμηλότερη από της βενζίνης, ενώ υπάρχουν «κιτ» με συμπιεστή για γέμισμα από το οικιακό δίκτυο (Phill), όπου η τιμή του αερίου καταλήγει να είναι το μισό της τιμής της βενζίνης. Στη Γερμανία, όπου υπάρχουν φορολογικές ελαφρύνσεις, υπολογίζεται ότι το χιλιομετρικό κόστος του φυσικού αερίου είναι κάτω από 50% του αντίστοιχου της βενζίνης. 2.3 ΧΡΗΣΗ ΤΟΥ L.N.G. ΓΙΑ ΤΗΝ ΠΑΡΑΓΩΓΗ C.N.G. Οι συζητήσεις της χρήσης των εναλλακτικών καυσίμων στη βενζίνη και το diesel γίνονται κοινή θέση στις Η.Π.Α. σήμερα. Το μεγαλύτερο μέρος του ενδιαφέροντος οδηγείται από τους διάφορους νέους νόμους σχετικά με την <<καθαρή>> ανεξαρτησία αέρα και ενέργειας. Η προνοητική διαχείριση που χρησιμοποιεί τα παραδοσιακά καύσιμα μηχανών ερευνά αυτά τα νέα καύσιμα για να καθορίσει εάν και πότε χρειάζεται να επεκταθούν οι δραστηριότητές τους. Τα σημαντικότερα εναλλακτικά καύσιμα υπό εξέταση είναι το προπάνιο ( L.P.G.), μεθανόλη, αιθανόλη, και το φυσικό αέριο. Το φυσικό αέριο από πολλές οργανώσεις και κυβερνητικούς ανώτερους υπαλλήλους θεωρούνται ως καύσιμα οχημάτων του μέλλοντος. Τα 17
ασφαλή καύσιμα φυσικού αερίου έχουν σαφώς μερικά ουσιαστικά οφέλη σχετικά με τη βενζίνη και το diesel. Αυτά περιλαμβάνουν: Χαμηλότερες δαπάνες καύσιμων 120 + οκτάνια Χαμηλότερες δαπάνες συντήρησης Καθαρότερες εκπομπές εξάτμισης. Το συμπιεσμένο φυσικό αέριο (C.N.G.) είναι η πιο κοινή μορφή επί της αποθήκευσης του φυσικού αερίου και αναφέρεται συχνά ως εναλλακτικά καύσιμα <<επιλογής>>. Το C.N.G. είναι φυσικό αέριο που αποθηκεύεται σε πολύ υψηλές πιέσεις έτσι ώστε να αυξηθεί η ενεργειακή πυκνότητά του. Η σειρά για τα οχήματα C.N.G. είναι χαρακτηριστικά περιορισμένη σε περίπου 40%-50% αυτή της βενζίνης. Εντούτοις, αυτό δεν είναι μια περιοριστική εκτίμηση για πολλές εφαρμογές οχημάτων. Αυτή η παράγραφος στην συνέχεια εξηγεί τον όρο «γρήγορος-αφθονία» ( ο όρος «γρήγορος - αφθονία» αναφέρεται στη δυνατότητα να τροφοδοτηθεί με καύσιμα ένα όχημα C.N.G. στο σχεδόν ίδιο χρόνο όπως τις συμβατικές τεχνικές τροφοδότησης με καύσιμα.) Το C.N.G. θα διαδραματίσει έναν σημαντικό ρόλο στην εξελισσόμενη εναλλακτική αγορά καυσίμων. Η «γρήγορος-αφθονία» του C.N.G παράγεται συμβατικά με έναν συμπιεστή αερίου (καλούμενο σε C.C.N.G. ) που σύρει το φυσικό αέριο από τις υπόγειες σωληνώσεις αερίου. Αυτό το μέρος έναν δεύτερο τρόπο του C.N.G. με την χρησιμοποίηση του υγροποιημένου φυσικού αερίου (L.N.G.) ως αέριο πετροχημικής βιομηχανίας, επίσης δεν θα συζητά το L.N.G. ως καύσιμο οχημάτων. Το L.N.G. είναι «οικιακό» φυσικό αέριο που έχει δροσιστεί σε περίπου -160 C όπου γίνεται υγρό. Αντιμετωπίζεται έπειτα ομοίως όπως σε άλλα κρυογόνα υγρά όπως το άζωτο και το οξυγόνο. Το L.N.G., όταν χρησιμοποιείται για να παράγει C.N.G. (καλούμενο «L.C.N.G.»), μπορεί να ασκήσει ουσιαστική επίδραση στην ανάπτυξη τις υποδομής C.N.G. Με βάση αυτά που αναφέραμε στο επόμενο κεφάλαιο θα αναφερθούμε γενικά στην ποιότητα των καυσίμων. 18
ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 ΠΟΙΟΤΗΤΑ ΚΑΥΣΙΜΩΝ 3.1 ΤΟ C.C.N.G. Οι συμπιεστές «C.C.N.G.» μεταφέρουν το φυσικό αέριο από τις υπόγειες σωληνώσεις που χρησιμοποιούνται στις επιχειρήσεις μετάδοσης ή διανομής αερίου. Το φυσικό αέριο σωληνώσεων περιέχει κάποιο ύδωρ. Το ύδωρ είναι χαρακτηριστικά ένα πρόβλημα με την εσωτερική και βιομηχανική χρήση του φυσικού αερίου. Εντούτοις, όταν συμπιέζεται στις πολύ υψηλές πιέσεις το C.N.G., το ύδωρ μπορεί να συμπυκνωθεί και να προκαλέσει προβλήματα μέσα στον σταθμό όπου ανεφοδιάζονται με καύσιμα τα οχήματα, τα οποία τροφοδοτούνται από το σύστημα. Έτσι πρέπει να συμπεριληφθούν στο σχέδιο στεγνωτήρες αερίου των εγκαταστάσεων C.C.N.G. για να εξετάσουν τα προβλήματα που προκαλούνται από το ύδωρ. Το φυσικό αέριο σωληνώσεων περιέχει επίσης και άλλες ακαθαρσίες, όπου σε συνδυασμό με έτερες ενώσεις μπορεί να προκαλέσει συστηματικά προβλήματα για το σύστημα C.N.G., στη δυνατότητα C.C.N.G. και επί του οχήματος. Η σύνθεση του φυσικού αερίου σωληνώσεων μπορεί επίσης να ποικίλει αρκετά ανάλογα με τον χρόνο, την απαίτηση των σωληνώσεων και του συστήματος σωληνώσεων. Οι ανεφοδιάζοντας σε καύσιμα σταθμοί C.C.N.G., γενικά δεν επιλέγουν συνεχώς την ποιότητα αερίου. Αυτό οδηγεί στις ανησυχίες σχετικά με το ενεργειακό περιεχόμενο των διανεμόντων καυσίμων και το καθιστά πολύ δύσκολό να ισορροπήσει τις αγορές αερίου με τις πωλήσεις C.N.G. Περαιτέρω πολλές επιχειρήσεις στις Η.Π.Α χρησιμοποιούν μια τεχνική αποκαλούμενη «προπάνιο-αέρας» όπου το προπάνιο και ο αέρας αναμιγνύονται και τοποθετούνται καθ οδόν όταν υπάρχει ανεπαρκής πίεση διανομής. Αν και αυτή η σύνθεση μπορεί να καεί αντί του φυσικού αερίου στις πιο εσωτερικές και εμπορικές υπηρεσίες, είναι συνολικά απαράδεκτη για τη χρήση στα οχήματα C.N.G. 19
3.2 ΤΟ L.C.N.G Η χρησιμοποίηση L.N.G. ως αέριο πετροχημικής βιομηχανίας για να δημιουργήσει το C.N.G. αποβάλλει ή μετριάζει κάθε μία από τις ανησυχίες που περιγράφονται στους παραπάνω παραγράφους. Το L.N.G. δεν περιέχει κανένα ύδωρ. Αυτό αποβάλλει τις ανησυχίες για τη διόρθωση, σύνδεση των γραμμικών καυσίμων και το σχηματισμό των ένυδρων ουσιών. Το L.N.G. καλύπτει ή υπερβαίνει όλες τις απαιτήσεις του SAE J1616 σχετικά με τις θερμοκρασίες σημείου «ύδωρ-δροσιάς» της πίεσης. Δεν περιέχει 20
οποιεσδήποτε ακαθαρσίες, όπως το πετρέλαιο, καλύπτοντας έτσι όλες τις απαιτήσεις του SAE J1616 σχετικά με αυτούς τους μολυσματικούς παράγοντες. Το L.N.G. δεν υπόκειται στις συνθετικές αλλαγές που οδηγούνται για την απαίτηση σωληνώσεων ή του συστήματος σωληνώσεων. Συχνά το L.N.G. μπορεί να παραδοθεί ως σχεδόν καθαρό μεθάνιο, το πιο επιθυμητό συστατικό του φυσικού αερίου για τα καύσιμα των αυτοκινήτων. Αυτό αποβάλλει οποιαδήποτε ανησυχία σχετικά με τον προπάνιο-αέρα καθώς η σύνθεση L.N.G. είναι πάντα αποδεκτή για την χρήση ως αντικατάσταση βενζίνης. 3.3 ΜΕΤΑΦΟΡΑ ΚΑΥΣΙΜΩΝ Το 1992 μια αξιολόγηση της αγοράς N.G.V. στην Αγγλία που εκτελέστηκε από μακροδιεθνή Α.Ε., για την ένωση αερίου της Αγγλίας όπου η μελέτη συγκέντρωσε τα ουσιαστικά στοιχεία όσον αφορά το μέγεθος και τους τύπους στην Αγγλία. Μία από τις σημαντικότερες αποκαλύψεις ήταν ότι 11.000 περίπου στόλοι ήταν μέσα στον τομέα υπηρεσιών των τοπικών χρησιμοτήτων αερίου, περαιτέρω της σημείωσης ήταν ότι όλες οι περιοχές υπηρεσιών δεν είχαν μια πλήρη υποδομή σωληνώσεων σε ισχύ. Σε μερικές καταστάσεις ξεκινήματος το C.N.G. έχει παραδοθεί από τη μικρή ικανότητά του, (λιγότερο από το 1/7 η ικανότητα ενός ρυμουλκού βενζίνης) έχοντας υψηλά ρυμουλκά «μπουκαλιών» πίεσης. Αυτό είναι μια ακριβή λειτουργία που θα μπορούσαν οικονομικά να υποστηρίξουν για μια ουσιαστική απαίτηση C.N.G. Γιατί το C.N.G. είναι παγκοσμίως μια προσιτή, οικονομική και εναλλακτική λύση. Η τεχνική L.C.N.G. λαμβάνει L.N.G. και το αποθηκεύει στις επιτόπιες δεξαμενές αποθήκευσης. Το L.N.G. παραδίδεται από το ρυμουλκό φορτηγών και μεταφέρεται όπως με τα συμβατικά καύσιμα οχημάτων. Το L.N.G. μεταφέρεται συνήθως με φορτηγά ρυμουλκών από την αρχή της δεκαετίας του '60. Υπάρχει ένας ουσιαστικός, εθνικός και ευρύς στόλος ανάπτυξης των κρυογόνων ρυμουλκών κατάλληλων για την μεταφορά L.N.G. Το L.N.G. μπορεί επίσης να μεταφερθεί με ειδικά φορτηγά και κατά συνέπεια ο στόλος και η τροφοδότηση των θέσεων σταθμών που στερούνται μια υποδομή σωληνώσεων φυσικού αερίου μπορούν ακόμη να εξυπηρετηθούν με C.N.G. 21
3.4 ΣΤΑΘΜΟΙ ΚΑΥΣΙΜΩΝ ΟΙ ΣΤΑΘΜΟΙ ΠΕΠΙΕΣΜΕΝΟΥ Φ.Α ΟΣΟ ΑΦΟΡΑ ΤΟΝ ΤΡΟΠΟ ΤΡΟΦΟΔΟΣΙΑΣ ΔΙΑΚΡΙΝΟΝΤΑΙ ΣΕ ΚΑΤΗΓΟΡΙΕΣ: 1) ΣΤΑΘΜΟΙ ΤΡΟΦΟΔΟΤΟΥΜΕΝΟΙ ΑΠΟ ΤΟ ΔΙΚΤΥΟ Φ.Α 2) ΣΤΑΘΜΟΙ ΠΟΥ ΕΦΟΔΙΑΖΟΝΤΑΙ ΜΕ ΠΕΠΙΕΣΜΕΝΟ Φ.Α ΑΠΟ ΒΥΤΙΟΦΟΡΑ (ΚΙΝΗΤΕΣ ΔΕΞΑΜΕΝΉΣ) 3) ΟΙΚΙΑΚΟΙ ΣΥΜΠΙΕΣΤΕΣ (ΗΟΜΕ COMPRESSOR) 22
3.5 ΣΤΑΘΜΟΙ C.C.N.G. Ένα σκίτσο του εξοπλισμού που απαιτείται για να συμπιέσει το αέριο σωληνώσεων για να παράγει C.N.G. παρουσιάζεται στο σχήμα 1.Για τη δυνατότητα C.C.N.G. υπάρχει ένας μεγάλος πολυβάθμιος συμπιεστής αερίου που απαιτεί τα υποσυστήματα ψύξης να λειτουργούν δια ελαίου, αερίου και λιπαντικού ελαίου. Επιπλέον απαιτείται ένα αναπαραγωγικό «ξηρό» σύστημα αερίου. Έτσι λοιπόν η έννοια της χρησιμοποίησης του συμπιεστή είναι για να υποστηρίξει μια λειτουργία ανεφοδιασμού με καύσιμα οχημάτων χωρίς να μπορούσαν να λείψουν και εδώ σημαντικά μειονεκτήματα τα οποία είναι: Οι δαπάνες λειτουργίας και συντήρησης ακόμη και σε ένα σχετικά μικρό σύστημα C.C.N.G. Η θερμότητα που εισάγεται από τη συμπίεση του αερίου (και από τον συμπιεστή μέσα στη δεξαμενή καυσίμων του C.N.G.) είναι αναπόφευκτη τις ζεστές ημέρες, και ουσιαστικά αδύνατο χωρίς προσθήκη ψύξης Οι περισσότεροι σταθμοί του C.N.G μπορούν σήμερα να γεμίσουν τα οχήματα σε 70-80% της εκτιμημένης ικανότητας της δεξαμενής. Οι συμπιεστές λοιπόν C.C.N.G. απαιτούν χαρακτηριστικά τα συνημμένα θορύβου αυτό που καθιστά στη συνέχεια την απόρριψη θερμότητας λιγότερο αποδοτική. Ο αντίκτυπος είναι παρατεταμένοι χρόνοι ανεφοδιασμού με καύσιμα σε ζεστό καιρό ή 23
τις υψηλότερες κύριες δαπάνες (μεγαλύτερος εξοπλισμός) ώστε να καλυφθεί η πρόσθετη περιοχή μεταφοράς θερμότητας που απαιτείται. 3.6 ΕΝΑΛΛΑΚΤΙΚΑ ΚΑΥΣΙΜΑ ΕΠΙΛΟΓΗΣ Η βιομηχανία οχημάτων φυσικού αερίου βρίσκεται αντιμέτωπη με μια πρόκληση και με μία ευκαιρία να γίνουν τα C.N.G. ως εναλλακτικά καύσιμα επιλογής. Για να ισχύει αυτό θα πρέπει να ικανοποιούνται τα παρακάτω κριτήρια Συνεπής και καθαρή ποιότητα καυσίμων Το C.N.G. πρέπει να τεθεί στη διάθεση όλων των γεωγραφικών περιοχών και εάν μια υποδομή σωληνώσεων είναι σε ισχύ ή όχι. Μειωμένες κύριες και λειτουργικές δαπάνες. 24
ΚΕΦΑΛΑΙΟ 40 ΜΗΧΑΝΕΣ ΕΣΩΤΕΡΙΚΗΣ ΚΑΥΣΗΣ (ΜΕΚ) ΒΕΝΖΙΝΟΚΙΝΗΤΗΡΕΣ 25
4.1 ΘΕΡΜΙΚΕΣ ΜΗΧΑΝΕΣ Θερμικές μηχανές ή θερμοκινητήρες: ονομάζονται οι μηχανές οι οποίες μετατρέπουν την θερμότητα που παράγεται από την χημική ενέργεια της καύσης, σε μηχανικό έργο. Ανάλογα με τον τρόπο πραγματοποίησης της καύσης χωρίζονται σε δύο κατηγορίες: - στις μηχανές εσωτερικής καύσεως (ΜΕΚ) και - στις μηγανές εξωτερικής καύσεως ή ατμομηγανές. Εσωτερικής καύσεως ονομάζονται οι μηχανές που ως μέσο για την παραγωγή έργου (εργαζόμενο μέσο) χρησιμοποιούν τον αέρα και κατά κάποιο τρόπο το ίδιο το καύσιμο, δηλαδή καυσαέρια π.χ εμβολοφόρος κινητήρας αυτοκινήτου, αεροστρόβιλος αεροπλάνου. Εξωτερικής καύσεως ονομάζονται οι μηχανές όπου η καύση δεν λαμβάνει μέρος στο χώρο παραγωγής έργου αλλά έξω από αυτόν και στις οποίες το μέσο παραγωγής έργου δεν είναι το καυσαέριο αλλά κάποιο άλλο στοιχείο όπως π.χ. νερό. Σε αυτήν την κατηγορία ανήκουν οι ατμοστρόβιλοι, οι ατμομηχανές. Ανάλογα με τον τρόπο μετατροπής της θερμικής ενέργειας σε μηχανικό έργο οι θερμικές μηχανές διακρίνονται σε: - εμβολοφόρους ή παλινδρομικές (ισχύουν τόσο για τις μηχανές εσωτερικής καύσεως όσο και για τις εξωτερικής καύσεως) και σε - περιστροφικές ή στροβίλους (στις μηχανές εσωτερικής καύσεως ονομάζονται ατμοστρόβιλοι και στις εξωτερικής καύσεως αεριοστρόβιλοι). Ειδικότερα στις εμβολοφόρους - παλινδρομικές μηχανές εσωτερικής καύσεως η έναυση στον κύλινδρο μπορεί να πραγματοποιηθεί με δύο τρόπους: α. με τη βοήθεια εξωτερικού μέσου π.χ. σπινθήρα, σε αυτή περίπτωση υπάγονται οι "κινητήρες Όττο" (που διακρίνονται σε αεριομηχανές και σε βενζινομηχανές) β. αυτόματα, λόγω μεγάλης θέρμανσης του καυσίμου, περίπτωση όπου οι μηχανές Ντήζελ ή πετρελαιομηχανές. 26
4.2 ΕΜΒΟΛΟΦΟΡΕΣ ΠΑΛΙΝΔΡΟΜΙΚΕΣ ΘΕΡΜΙΚΕΣ ΜΗΧΑΝΕΣ ΕΣΩΤΕΡΙΚΗΣ ΚΑΥΣΕΩΣ Η λειτουργία των μηχανών αυτών στηρίζεται στην παραγωγή μηχανικού έργου από τη χημική ενέργεια των καυσίμων και συγκεκριμένα της καύσης τους. Καύση είναι η χημική αντίδραση όπου η καύσιμος ύλη ενώνεται με το οξυγόνο του αέρα για να δώσει νέα συστατικά, το διοξείδιο του άνθρακα και νερό (κ.α.) Επειδή η ενέργεια που χρειάζεται για να σχηματιστούν τα νέα αυτά μόρια είναι μικρότερη από αυτή που είχαν τα αρχικά μόρια, μένει ελεύθερο ένα σημαντικό ποσό ενέργειας με την μορφή της θερμότητας (εξώθερμη αντίδραση, αποδιδόμενη ενέργεια). Η θερμότητα δεν είναι ακριβώς αυτό που ζητάμε, την εκμεταλλευόμαστε όμως για να πετύχουμε τον σκοπό μας. Μέρος λοιπόν αυτής της θερμότητας ανεβάζει την θερμοκρασία των αερίων προϊόντων της καύσης και αυξάνει την πίεσή τους. Τα υπερσυμπιεσμένα αέρια σπρώχνουν προς όλες τις κατευθύνσεις και φυσικά και την επιφάνεια του εμβόλου που αρχίζει να κινείται. Με αυτόν τον τρόπο μετατρέπουμε την θερμότητα σε κινητική ενέργεια. Η κίνηση είναι αυτό που ζητάμε. Δυστυχώς δεν μπορούμε να μετατρέψουμε όλο το ποσό της εκλυόμενης ενέργειας του καύσιμου σε κινητική. Έτσι λοιπόν η μόνιμη πρόκληση των σχεδιαστών είναι να προσπαθήσουν να μειώσουν τις απώλειες και να παρουσιάσουν κινητήρες με τον καλύτερο βαθμό μετατροπής, της προσφερόμενης ενέργειας σε αποδιδόμενη. Αυτό ονομάζεται θερμοδυναμική απόδοση των κινητήρων. Ο λόγος, δηλαδή, ανάμεσα στη θερμότητα που αξιοποιείται (μετατρέπεται σε μηχανική ενέργεια) και στη θεωρητικά διαθέσιμη ενέργεια. Όσο πιο υψηλή είναι αυτή η απόδοση τόσο πιο αποδοτικός είναι ο κινητήρας. Βελτίωση της θερμοδυναμικής απόδοσης ενός κινητήρα σημαίνει αύξηση της αποδιδόμενης ισχύος για την ίδια κατανάλωση καυσίμων, ή μείωση της κατανάλωσης για την ίδια απόδοση ισχύος. Οι πιο γνωστοί τύποι κινητήρα που λειτουργούν με αυτό τον τρόπο είναι ο τετράχρονος βενζινοκινητήρας εσωτερικής καύσης και ο κινητήρας Diezel (Ντίζελ). Παλαιότερα χρησιμοποιούταν και ο δίχρονος βενζινοκινητήρας εσωτερικής καύσης όμως σήμερα η χρήση του έχει περιοριστεί σε μικρές μηχανές, οικιακής κυρίως χρήσης (πχ. μηχανές κουρέματος του γκαζόν, αλυσοπρίονα) και μικρού κυβισμού μοτοσικλέτες (το 2008 στην ευρωπαϊκή ένωση θα καταργηθούν εντελώς) λόγω των αυξημένων ρύπων. 27
4.3 ΒΕΝΖΙΝΟΚΙΝΗΤΗΡΕΣ Ο βενζινοκινητήρας είναι μηχανή εσωτερικής καύσης (ΜΕΚ) στην οποία η ισχύς παράγεται με την καύση του μίγματος βενζίνης και αέρα. Οι περισσότεροι βενζινοκινητήρες ανήκουν στην κατηγορία των παλινδρομικών μηχανών, οι πρόσφατες όμως τεχνολογικές εξελίξεις οδηγούν στο συμπέρασμα ότι ο τύπος στρεφόμενου εμβόλου ή ο τύπος στροβίλου υπερέχουν λειτουργικά από ορισμένη άποψη. Οι βενζινοκινητήρες είναι οι πιο διαδεδομένες μηχανές εσωτερικής καύσης. Το μέγεθος και η ισχύς τους ποικίλλουν από λιγότερο από έναν ίππο για χρήση σε μικρές φορητές συσκευές, μέχρι 35.000 ίππους για αεροπλάνα. Μολονότι οι περισσότεροι βενζινοκινητήρες χρησιμοποιούνται στα αυτοκίνητα, αντιπροσωπεύουν λιγότερο από το μισό του συνολικού αριθμού που είναι σε χρήση, σε παγκόσμια κλίμακα. Spark plug Intake cam Exhaust cam Intake valve Exhaust valve c uteri Piston - :_ e a r e connecting rod Flywheel Crank 28
4.4 ΙΣΤΟΡΙΚΗ ΑΝΑΣΚΟΠΗΣΗ Πρόδρομος του βενζινοκινητήρα θεωρείται η ατμομηχανή, που πρωτοεμφανίστηκε τον 18ο αιώνα. Η ΜΕΚ, που ακολούθησε τον 19ο αιώνα ως βελτίωση για πολλές εφαρμογές, δε μπορεί να αποδοθεί μόνο σε έναν εφευρέτη. Ήδη από τον 17ο αιώνα αρκετοί πειραματιστές προσπάθησαν αρχικά να χρησιμοποιήσουν θερμά καυσαέρια για να κινήσουν αντλίες. Το 1820 στην Αγγλία ένας κινητήρας λειτουργούσε με βάση την έκρηξη μίγματος αέρα-υδρογόνου. Οι κινητήρες αυτοί ήταν βαρείς και χονδροειδείς στην κατασκευή αλλά περιείχαν πολλά βασικά στοιχεία των μετέπειτα, πιο επιτυχημένων συσκευών. Το 1824, ο Γάλλος φυσικός Σαντί Καρνό δημοσίευσε το κλασικό πλέον σύγγραμμα Σκέψεις πάνω στην Ωστική δύναμη της θερμότητας στο οποίο περιέγραψε τις βασικές αρχές της θεωρίας εσωτερικής καύσης. Στα επόμενα χρόνια εμφανίστηκαν βελτιωμένοι τύποι, καθώς και κινητήρες στους οποίους το καύσιμο συμπιεζόταν πριν αναφλεγεί. Κανένας τους όμως δεν αποδείχθηκε ικανοποιητικός μέχρι το 1860, οπότε ο Γάλλος Ετιέν Λενουάρ παρουσίασε έναν κινητήρα με φωταέριο και με σχετικά καλή απόδοση. Μια σημαντικότατη εξέλιξη πραγματοποιήθηκε στο Παρίσι το 1862, όταν δημοσιεύτηκε η περιγραφή του ιδανικού κύκλου λειτουργίας μιας μηχανής εσωτερικής καύσης από τον Αλφόνς Μπω ντε Ροσά, ο οποίος ήταν και ο πρώτος που διατύπωσε τις συνθήκες για την άριστη απόδοση. Ο κινητήρας του Μπω ντε Ροσά προέβλεπε τετράχρονο κύκλο, σε αντίθεση με το δίχρονο κύκλο (είσοδος-ανάφλεξη και ισχύς-έξοδος) του Λενουάρ. Όμως στα επόμενα 14 χρόνια ο τετράχρονος κινητήρας έμεινε στα χαρτιά. Εμφανίστηκε ως κατασκευή του Γερμανού μηχανικού Νικολάους Ότο, του οποίου η εταιρία Ότο και Λάνγκεν στο Ντόιτς είχε προηγουμένως κατασκευάσει έναν βελτιωμένο δίχρονο κινητήρα. Ο κινητήρας ήταν πολύ θορυβώδης και μικρής ισχύος, όμως η κατανάλωση καυσίμου ανά μονάδα ισχύος ήταν μικρότερη από τη μισή κατανάλωση του κινητήρα του Λενουάρ, γι αυτό και είχε εμπορική επιτυχία. Το 1867 παρουσιάστηκε αυτός ο κινητήρας στην παγκόσμια έκθεση του Παρισιού και, παρά τη θορυβώδη λειτουργία του, πήρε ένα χρυσό βραβείο, γιατί είχε κατά 60% μειωμένη κατανάλωση καυσίμου. 29
Η μεγάλη ζήτηση για τους κινητήρες του Ότι οδήγησε στην ίδρυση από τον Λάνγκεν της ανώνυμης εταιρίας Deutz AG στην Κολωνία, το έτος 1872, η οποία είχε στόχο τη μαζική παραγωγή κινητήρων. Το 1876 η εταιρεία χρησιμοποίησε το τετράχρονο κύκλο του Μπω ντε Ροσά στον σχεδιασμό ενός νέου κινητήρα. Η επιτυχία ήταν άμεση. Παρά το μεγάλο βάρος και τη μέτρια οικονομία στα επόμενα 17 χρόνια πουλήθηκαν σχεδόν 50.000 κινητήρες συνολικής ισχύος 200.000 περίπου ίππων, ενώ ακολούθησε μια ραγδαία εξελισσόμενη ποικιλία μηχανών του τύπου αυτού. Η κατασκευή του κινητήρα Ότο στις Η.Π.Α ξεκίνησε το 1878, έναν χρόνο μετά την κατοχύρωση από τον Ότο της σχετικής ευρεσιτεχνίας. Το 1892 από τον Γερμανό μηχανικό Ρούντολφ Ντήζελ (Rudolf Diesel 1858-1913)ανακοινώθηκε ως ευρεσιτεχνία το έτος 1892 ο ομόνυμος κινητήρας και μελετήθηκε στα έτη 1893-1897 με χρηματική υποστήριξη της εταιρίας Friedrich Krupp AG. Το πρώτο λειτουργικά ολοκληρωμένο δείγμα με καλό βαθμό αποδόσεως και εξοικονόμηση καυσίμου, κατασκευάστηκε στο εργοστάσιο της εταρίας MAN στην πόλη Augsburg της Βαυαρίας. Αργότερα ιδρύθηκαν εργοστάσια σε διάφορες ευρωπαϊκές πόλεις για τη μαζική παραγωγή κινητήρων ντήζελ. 4.5 ΒΑΣΙΚΕΣ ΑΡΧΕΣ Γ ενικά Ταξινόμηση Οι διάφοροι τύποι ΜΕΚ μπορούν να ταξινομηθούν με βάση τις μεταξύ τους ομοιότητες. Οι σπουδαιότερες ταξινομήσεις αναφέρονται στην τελική εφαρμογή, στο είδος του καυσίμου και στον τρόπο εισαγωγής του, στην ανάφλεξη, στη χρήση εμβόλων ή περιστροφέα, στη διάταξη των κυλίνδρων, στους χρόνους λειτουργίας, στο σύστημα ψύξης και τέλος στον τύπο και στη θέση των βαλβίδων. Οι ταξινομήσεις αυτές εξετάζονται αναλυτικότερα στην περιγραφή των διαφόρων τύπων κινητήρων. 30
Τύπος και διάταξη βαλβίδων Οι βαλβίδες για την είσοδο και την έξοδο των αερίων μπορεί να βρίσκονται στην κεφαλή, στη μία πλευρά, στις απέναντι πλευρές του κυλίνδρου κ.ο.κ. Είναι οι λεγόμενες μυκητοειδείς βαλβίδες. Ορισμένοι κινητήρες χρησιμοποιούν ολισθαίνουσες βαλβίδες τύπου δακτυλίου, που κινούνται στη εσωτερική επιφάνεια του κυλίνδρου. Εφαρμογή της πίεσης Ορισμένες μηχανές ισχύος χρησιμοποιούν την ίδια αρχή όσον αφορά την καύση, αλλά αξιοποιούν την πίεση από αυτήν σε διαφορετικά μηχανικά στοιχεία. Υπάρχουν, λ.χ., αεροστρόβιλοι στους οποίους τα καυσαέρια οδηγούνται μέσα από ακροφύσια προς τα πτερύγια του στροβίλου, κάνοντάς τον να περιστρέφεται. Στους κινητήρες αεριοθουμένων, εξάλλου, τα καυσαέρια ρέουν μέσα από ακροφύσιο, ενώ η δύναμη της αντίδρασης τείνει να κινήσει το ακροφύσιο προς την αντίθετη κατεύθυνση. Στους κινητήρες Βάνκελ και τους Τριδύναμους κινητήρες το καύσιμο καίγεται μέσα στον κινητήρα. Οι κινητήρες αυτοί είναι περιστροφικοί, χωρίς κυλίνδρους και έμβολα. Η πίεση των αερίων δρα πάνω σε κατάλληλα διαμορφωμένες επιφάνειες. Σύγκριση με άλλους κινητήρες Ο βενζινοκινητήρας μπορεί να οριστεί ως κινητήρας σχεδιασμένος να καίει πτητικό υγρό καύσιμο με ανάφλεξη που προκαλείται με ηλεκτρικό σπινθήρα. Σύγκρισή του με άλλους τύπους αποκαλύπτει αρκετές ομοιότητες και διαφορές, καθώς επίσης και ορισμένα πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα. Ο ντηζελοκινητήρας και ο κινητήρας υγραερίου έχουν αρκετά κοινά σημεία με τον βενζινοκινητήρα. Επειδή ο ντηζελοκινητήρας δεν διαθέτει αθόρυβη και στρωτή λειτουργία ή ευελιξία όπως ο βενζινοκινητήρας, βρήκε μικρή εφαρμογή στα επιβατικά αυτοκίνητα. Αντίθετα, στα βαρέα οχήματα αντικατέστησε σχεδόν πλήρως τον βενζινοκινητήρα. Ο αεριοκινητήρας έχει πολλά κοινά σημεία με τον βενζινοκινητήρα, και σε ορισμένες περιπτώσεις οι διαφορές είναι πολύ μικρές.από πλευράς δομής, η διαφορά έγκειται κυρίως στην αντικατάσταση της βαλβίδας ανάμιξης του αερίου από τον εξαεριωτήρα (καρμπυρατέρ).σε γενικές γραμμές, τα αέρια χαρακτηρίζονται από καλύτερες αντικροτικές ιδιότητες, επιτρέποντας ελαφρώς υψηλότερους λόγους συμπίεσης, χωρίς προβλήματα ή άλλες δυσκολίες σχετικές με την καύση. 31
Ο αεριοκινητήρας με φυσικό αέριο, φωταέριο ή άλλο σχετικό καύσιμο σε αέρια μορφή, περιορίζεται κυρίως σε σταθμούς παραγωγής ισχύος, αφού πρέπει να είναι συνδεδεμένος με τον σχετικό αγωγό. Αν όμως το καύσιμο είναι υγραέριο, η διακίνησή του μπορεί να γίνεται με ειδικές φιάλες. Δίκυκλο με κινητήρα Ότο 4.6 ΤΥΠΟΙ ΚΙΝΗΤΗΡΩΝ Η πιο σημαντική τεχνική για την παραγωγή ισχύος από καύση ήταν αυτή του τετράχρονου κύκλου. Τετράγρονο κύκλθ Στον τετράχρονο κύκλο η λειτουργία του κινητήρα αποτελείται από 4 στάδια. Με ανοιχτή την βαλβίδα εισόδου το έμβολο κατέρχεται, κατά τον χρόνο εισαγωγής. Το κενό που δημιουργείται προκαλεί αναρρόφηση μίγματος ατμών βενζίνης και αέρα. Το μίγμα συμπιέζεται καθώς το έμβολο ανέρχεται κατά τον χρόνο συμπίεσης με κλειστές βαλβίδες. Με το τέλος του χρόνου αυτού, το μίγμα αναφλέγεται με τη βοήθεια ηλεκτρικού σπινθήρα. 32
Κατά τον χρόνο ισχύος οι βαλβίδες παραμένουν κλειστές ενώ η πίεση από την καύση πιέζει την κεφαλή του εμβόλου. Κατά τον χρόνο εξαγωγής, το ανερχόμενο έμβολο αναγκάζει τα προϊόντα της καύσης να εξέλθουν από την ανοιχτή βαλβίδα εξόδου. Aiypovoc κύκλθ Αναπτύχθηκε το 1878. Σ αυτόν οι χρόνοι εισαγωγής, συμπίεσης, ισχύος και εξαγωγής συντελούνται μόνο σε μία περιστροφή του στροφαλοφόρου. Στον δίχρονο κινητήρα το μίγμα οδηγείται στον κύλινδρο μέσα από περιμετρικές θυρίδες με τη βοήθεια περιστροφικού φυσητήρα. Τα καυσαέρια περνούν μέσα από μυκητοειδείς βαλβίδες που βρίσκονται πάνω στην κεφαλή του κυλίνδρου. Το 1891 παρουσιάστηκε μια απλουστευμένη παραλλαγή του δίχρονου κινητήρα, με προσυμπίεση στον στροφαλοθάλαμο για την προώθηση του νωπού μίγματος στον κύλινδρο. Ο κινητήρας γυρίζει με εξωτερική βοήθεια και το έμβολο ανεβαίνει. Η πίεση στην βάση πέφτει και αναροφάται μίγμα από την ανοικτή βαλβίδα. Το έμβολο αρχίζει να κατεβαίνει. Η βαλβίδα εισαγωγής έχει κλείσει. Το μίγμα στην βάση συμπιέζεται. Το έμβολο έχει φθάσει στο κατώτατο σημείο (με εξωτερική βοήθεια) και έχει αποκαλύψει (έχουν δηλαδή ανοίξει) τις δύο πόρτες της bypass και εξαγωγής 33
(εξάτμιση). Λόγω της διαφοράς πίεσης, το μίγμα ανεβαίνει από τον πλάγιο διάδρομο μεταφοράς και εισχωρεί στον ελεύθερο χώρο του κυλίνδρου, επάνω από το έμβολο. Επειδή είναι ανοικτή η πόρτα εξαγωγής, μικρό μέρος του μίγματος αρχίζει να εξέρχεται. Ο στρόφαλος συνεχίζει την αδρανή περιστροφή του και το έμβολο ανεβαίνει κλείνοντας την πόρτα μεταφοράς και την πόρτα εξαγωγής και στο υπόλοιπο της διαδρομής του συμπιέζει το μίγμα. (Επαναλαμβάνεται ταυτόχρονα η φάση 1). Πλησιάζοντας το ανώτατο σημείο της διαδρομής το μίγμα αναφλέγεται. Τα αέρια εκτονώνονται και σπρώχνουν το έμβολο προς τα κάτω. Από το σημείο αυτό ο κινητήρας έχει εκκινήσει και μπορεί να επαναλάβει μόνος του τον επόμενο κύκλο με την προϋπόθεση φυσικά ότι όλοι οι άλλοι παράγοντες είναι σωστά ρυθμισμένοι (Επαναλαμβάνεται ταυτόχρονα η φάση 2). Καθώς το έμβολο κατέρχεται σε κάποιο σημείο ανοίγει η πόρτα εξαγωγής και τα καυσαέρια αρχίζουν τα εξέρχονται. Η μεγάλη πίεση που εξασκούσαν στο έμβολο μειώνεται. Σε ελάχιστο χρόνο αργότερα ανοίγει η πόρτα μεταφοράς, και επαναλαμβάνεται η φάση 3, αλλά τώρα το φρέσκο μίγμα θα καταλάβει μόνο τον χώρο που ελευθερώνουν τα καυσαέρια, και θα αναμιχθεί με την ποσότητα των καυσαερίων που μένει στον κύλινδρο. Κινητήρα αντίθετων ε»βόλων 34
Έχει δύο έμβολα που κινούνται αντίθετα μέσα στον ίδιο κύλινδρο και δύο ομάδες θυρίδων κατάλληλα διατεταγμένες, ώστε η μία από αυτές να καλύπτεται και να αποκαλύπτεται από το ένα έμβολο, ενώ η άλλη να ελέγχεται από το άλλο έμβολο. Ο σχεδιασμός των αντίθετων εμβόλων έχει δύο βασικά πλεονεκτήματα: οι μάζες που παλινδρομούν κινούνται σε αντίθετες διευθύνσεις ζυγοσταθμίζοντας έτσι τον κινητήρα. Επιπλέον δε χρειάζονται οι μυκητοειδείς βαλβίδες που είναι απαραίτητες σε κινητήρες με μονόδρομη σάρωση. Περιστροφικός κινητήρας Βάνκελ Ένας κινητήρας εσωτερικής καύσης με περιστροφικό έμβολο που αναπτύχθηκε στη Γερμανία είναι διαφορετικός σε δομή από τους συμβατικούς κινητήρες με παλινδρομικά έμβολα. Ο κινητήρας επινοήθηκε από τον Φέλιξ Βάνκελ και η κατασκευή του άρχισε το 1956. Αντί για έμβολα ο κινητήρας Βάνκελ έχει έναν τροχιακό ρότορα, ισόπλευρο και περίπου τριγωνικό, που στρέφεται μέσα σ έναν κλειστό θάλαμο, ενώ οι τρεις κορυφές του εφάπτονται συνεχώς πάνω στην εσωτερική επιφάνεια του κελύφους. Μεταξύ του ρότορα και του κελύφους σχηματίζονται τρεις ημισεληνοειδείς θάλαμοι, ο όγκος των οποίων μεταβάλλεται με την κίνηση του ρότορα. Ο όγκος αυτός μεγιστοποιείται όταν η πλευρά του ρότορα που σχηματίζει τον θάλαμο είναι παράλληλη προς τη δευτερεύουσα διάμετρο του κελύφους, ενώ ελαχιστοποιείται όταν η ίδια πλευρά του ρότορα καθορίζουν το σχήμα των θαλάμων καύσης και τον λόγο συμπίεσης. Το καύσιμο μίγμα, προερχόμενο από έναν εξαεριωτήρα, εισέρχεται στους θαλάμους καύσης από μια θυρίδα εισαγωγής σε μία από τις ακραίες πλάκες του κελύφους. Σε μία από τις ακραίες πλάκες του κελύφους. Σε μία από τις επίπεδες πλευρές του κελύφους σχηματίζεται μια θυρίδα εξαγωγής. Ο σπινθηριστής βρίσκεται σε εσοχή που επικοινωνεί με τους θαλάμους μέσα από ένα στένωμα, στην απέναντι πλευρά του κελύφους.βασικό πρόβλημα στο σχεδιασμό είναι η στεγανοποίηση στις κορυφές και τις παρειές του ρότορα. 35
Τα κυριότερα πλεονεκτήματα του κινητήρα Βάνκελ είναι ο μικρός χώρος και το μικρό βάρος ανά μονάδα ισχύος, η στρωτή, χωρίς κραδασμούς αθόρυβη λειτουργία του καθώς και το χαμηλό κόστος κατασκευής του, αποτέλεσμα της μηχανικής του απλότητας. Η απουσία αδρανειακών δυνάμεων από τα μέρη που παλινδρομούν και η κατάργηση των μυκητοειδών βαλβίδων επιτρέπουν λειτουργία σε πολύ μεγαλύτερες ταχύτητες από ό,τι στους παλινδρομικούς κινητήρες. Η εισαγωγή νωπού μίγματος καυσίμων και η εξαγωγή των καυσαερίων είναι αποτελεσματικότερες, γιατί οι θυρίδες του ανοιγοκλείνουν ταχύτερα από ότι με μυκητοειδείς βαλβίδες, ενώ η ροή μέσα από αυτές είναι σχεδόν συνεχής. Η οικονομία σε καύσιμο είναι εφάμιλλη με εκείνη στις συμβατικές μηχανές, επιτρέποντας αθόρυβη καύση και μεγαλύτερη ποικιλία καυσίμων.η μικρότερη μάζα και η χαμηλότερη θέση του κέντρου βάρους καθιστούν τον κινητήρα αυτόν ασφαλέστερο για αυτοκίνητα. Τα κινούμενα μέρη ενός κινητήρα Βάνκελ ανέρχονται στο ένα τρίτο περίπου από ότι σε τυπικό εξακύλινδρο κινητήρα. Τριδύνα»ος (Tri-Dyne) περιστροφικός κινητήρας Ο κινητήρας αυτός, βρετανικής επινόησης αποτελείται από τρεις ρότορες, έναν για ισχύ, έναν για την καύση και έναν που λειτουργεί ως βαλβίδα φραγής.ο πρώτος στρέφεται αντίστροφα από τον ρότορα της καύσης και τη βαλβίδα φραγής. Έχει τρεις λοβούς που εφαρμόζουν στους δύο άλλους ρότορες και συγκεκριμένα αντίστοιχα κοιλώματα της περιφέρειάς τους. Τα κοιλώματα του ρότορα ισχύος σχηματίζουν τους θαλάμους καύσης. Οι ρότορες δεν αγγίζουν ο ένας τον άλλο, αλλά αλληλεπιδρούν έτσι ώστε να συνδέουν διαδοχικά τα κοιλώματα αυτά με τους σωλήνες εισαγωγής και εξαγωγής και να τα απομονώνουν κατά τη καύση. Λόγω της μεγάλης ταχύτητας λειτουργίας δεν απαιτείται απόλυτη στεγανοποίηση των κοιλωμάτων. Δύο σπινθηριστές είναι προσαρμοσμένοι πάνω στο κέλυφος σε τέτοια θέση ώστε να επικοινωνούν με τα κοιλώματα του ρότορα καύσης τη στιγμή του σπινθήρα. Το πλεονέκτημα του κινητήρα αυτού σε σχέση με τον κινητήρα Βάνκελ έγκειται στο ότι δεν χρειάζεται τη 36