The Role of Catalysts in the Development of Ceramic Smoke Trap Systems for Diesel Vehicles

Τεχν. Χρον. Β, 1992, Τόμ. 12, Τεύχος 3 Tech. Chron.-B, Greece, 1992, Vol. 12, Νο 3 Ενημερωτικό Αρθρο Revίew Artίcle Ο Ρόλος των Καταλυτών στην Ανάπτυξη Συστημάτων Παγίδας Αιθάλης για τα Πετρελαιοκίνητα Οχήματα Κ.Ν. ΠΑΠΑΣ, Χ.Χ. ΜΙΧΑΛΟΠΟΥΛΟΥ Περ!λ.ηψη Η ευρεία εφαρμογή των παγlδων αιθάλης σε πετρελαιοκίνητα οχήματα, έχει καθυστερήσει σημαντικά εξαιτ!ας των προβλημάτων που σχετίζονται με την αναγέννηση της κεραμικής παγίδας, τη διεργασ!α δηλ. καθαρισμού της με αυτανάφλεξη της συσσωρευμένης αιθάλης. Τα υ ψηλά επίπεδα θερμοκρασ!ας καυσαερίου που απαιτούνται για την αναγέννηση της παγίδας δεν επιτυγχάνονται σχεδόν ποτέ κατά την κίνηση του οχήματος στην πόλη. Μια ρεαλιστική λύση στο πρόβλημα της αναγέννησης της κεραμικής παγίδας μπορεί να βασιστεl στην υποβοήθηση τη ς διεργασίας από καταλύτες και ειδικότερα στη χορήγηση καταλυτικών προσθέτων στο καύσιμο. Η εφαρμογή των καταλυτών σε συστήματα κεραμικής παγίδας παρουσιάζει μια σειρά από ιδιαιτερότητες, που αναλύονται στην εργασία αυτή. Η οκταετής εμπειρ ία από την εφαρμογή των καταλυτών σε συστήματα αναγέννηση ς, αξ ιοπο ιε!ται από το Εργαστήριο Εφαρμοσμένης Θερμοδυναμικής (ΕΕΘ) στο Πρόγραμμα Πι λότος τοποθέτησης παγίδων αιθάλης σε 110 λεωφορεία της Επιχείρησης Αστικών Συγκοινωνιών (ΕΑΣ) της Αθήνας. The Role of Catalysts in the Development of Ceramic Smoke Trap Systems for Diesel Vehicles Κ.Ν. ΡΑΠΑS, C.C. MCHALOPOULOU Absιract The wide app l icaιion of ceramic smoke trap sysιems ιο diesel-powered νehicles has been so far signilicantly delayed by a number of problems assosiaιed with ceramic trap regeneration, i.e. ιhe process of self-cleaning of the trap by means of auιoigni ιion of ιhe cqllected sοοι. The relatiνely high exhaust temperature levels required for ιhe process, are seldom occuring during city driνing. Α more realisιic approach to ιhe problem of the trap regenaration can be bascd on the regcneration ass isιance by means of caιa l ysιs. More spesilically, mixing of caιalyιic fuel addi ti νes in diescl fuel, leads ιο signifficanι decreases in regeneration temperatures leνe l s. The application of caιa lyst in ceramic ιrap sytems, presents a number of special ch arac teris ιics, that are exιensiνe l y analyzed in ιhi s paper. The experience gained inιernationally during ιhe last 8 years in the field, was successfully exploited by the Laboratory of Applied Thermodynamics (L.A.T.) in the 110 bus Piloι Project of Athens. Υποβλήθηιcε: 13.6.1991 Εyιvε δειcτή : B.J. /992 Subrmtttd: June J, 1991 Accepted: Marr:b /8, 1992

44 Τεχν. Χρον.-8, ι99 2, Τόμ. 12, Τεύχ. 3 1. ΕΙΣΑΓΩΓΗ Ο συνεχώς αυξανομένος αριθμός πετρελαιοκινήτων οχημάτων, ειδικά στις αστικές περιοχές, δημιούργησε από τις αρχές της δεκαετίας του '80 ανησυχίες σε σχέση με τη συνεισφορά των σωματιδιακών εκπομπών των κινητήρων Dίesel στη ατμόσφαιρα των μεγαλουπόλεων. Οι Υπηρεσίες nεριβάλλοντος των H.n.A.(EPA) σε πρώτη φάση αλλά και της Ιαπωνίας και της Ευρώπης στη συνέχεια προχώρησαν ήδη από το 1980 στη θέσπιση ορίων για τα εκπεμπόμενα σωματίδια τόσο από τα ελαφρά όσο και από τα βαρέα οχήματα [1]. Ανταποκρινόμενοι στα μέτρα αυτά όπως και στις προτάσεις για διαρκώς αυστηρότερα όρια εκπομπών, οι κατασκευαστές πετρελαιοκινήτων επιβατικών αυτοκινήτων όπως και των βαρέων οχημάτων δραστηριοποιήθηκαν ήδη από τις αρχές της δεκαετίας στην ανάπτυξη καθαρότερων οχημάτων. Η δραστηριότητα αυτή εστιάστηκε τόσο στη μείωση των σωματιδίων που εκπέμπει ο ίδιος ο κινητήρας, (ln-cyllnder control technίques), όσο και στην απομάκρυνση μέρους των σωματιδίων από το καυσαέριο του κινητήρα προτού οδηγηθεί στην ατμόσφαιρα (παγίδες καπνού και οξειδωτικοί καταλύτες). Τα σωματίδια που εκπέμπουν οι πετρελαιοκινητήρες αποτελούνται από άνθρακα, μια μεγάλη ποικιλία οργανικών ενώσεων (υδρογονάνθρακες, αλδεύδες, κετόνες, πολυκυκλικοί αρωματικοί υδρογονάνθρακες), θειικά και ιχνοστοιχεία [2]. Ο ποιοτικός και ποσοτικός προσδιορισμός ό>uν των χημικών ενώσεων που περιέχονται στα σωματίδια είναι ιδιαίτερα επίπονη εργασία λόγω των πολύ μικρών δειγμάτων (σύνηθης φόρτιση των φίλτρων δειγματοληψίας 3-10 mg) (3,4). Είναι δυνατή όμως μία ταξινόμηση αυτών των ενώσεων σε 3 κατηγορίες : 1. Το στερεό uέροc : Αποτελείται κυρίως (>98%) από άνθρακα, χαρακτηρίζεται ως μαύρος καπνός και αποτελεί την βάση πάνω στην οποία προσροφούνται οι οργανικές ενώσεις. 2. το οργανικό μέροc: Είναι μία πλειάδα οργανικών ενώσεων, μερικές από τις οποίες είναι γνωστές ως έντονα μεταλλαξιογόνες. Χαρακτηρίζεται είτε ως διαλυτό οργανικό μέρος (Soluble Organlc Fractlon) είτε ως πτητικό μέρος (Volatile Organlc Fraction) [5,6,7). 3.!ο θειϊκό μέοοc : Αποτελείται από θειϊκές ενώσεις προιόντα της καύσης του περι~χομένου στο πετρέλαιο θείο. Εξαιτίας των συνεχών και σημαντικών βελτιώσεων στην σχεδίαση των σύγχρονων κινητήρων diesel, παρατηρείται μια βαθμιαία μεταβολή της σύστασης των εκπεμπομένων σωματιδίων, με αύξηση των θειικών που είναι καθαρό θέμα καυσίμου (Σχ. 1 για βαρέα οχήματα) [1 ].. Οπως μπορεί να συναχθεί από προσεκτική εξέταση του Σχ. 1, οι οριακές τιμές που προδιαγράφονται από την ΕΡΑ γ ια το 1994, δεν είναι δυνατόν επι του παρόντος να ικανοποιηθούν με βελτιστοποιήσεις στον θαλαμο καύσης. Επιπλέον, η χρήση εναλλακτικών καυσίμων (μεθανόλη κτλ), απαιτεί ουσιαστικά νέους κινητήρες [β] και έχει αρχίσει να χάνει έδαφος ακόμη και στις HnA απ'όπου ξε'κίνησε, ενώ η χρήση οξειδωτικού καταλύτη, εκτός από τις απαιτήσεις σε καύσιμο πολύ χαμηλής περι κτικότητας σε θείο ( <0.05%), έχει ασήμαντη επίδραση στις εκπομπές μαύρου καπνού.

Tech. Ch ron.-b, Greece, 1992, Vol. 12, Νο 3 45 Προδιαγ~ US-2D: 0.35% S Σχ. 1 : Μεταβολή της σύνθεσης των σωματιδιακών εκπομπών που προκύπτει από την στρατηγική μείωσης τους στα πλαίσια ολοένα aυστηρότερης Νομοθεσίας για τα βαρέα ο)(ήματα. Η μοναδική βιώσιμη βραχυπρόθεσμη λύση, φαίνεται ότι είναι η χρήση της παγίδας αιθάλης, ιδιαίτερα στα βαρέα ο)(ήματα όπου και τα όρια είναι αυστηρότερα. 2. ΠΑΓΙΔΕΣ ΑlθλλΗΣ ΚΑΙ ΤΕΧΝΙΚΕΣ ΑΝΑΓΕΝΝΗΣΗΣ 2.1. Η παγίδα αιθάλης Αποτελείται από ένα ή και περισσότερα ανθεκτικά φίλτρα και κάποια διάταξη για τον περιοδικό, με καύση των συσσωρευμένων σωματιδίων, αυτόκαθαρισμό του. Ο όγκος των εκπεμπομένων σωματιδίων (παρά την μικρή μάζα τους) είναι τέτοιος που θα έφραζε γρήγορα οποιοδήποτε φίλτρο λογικού μεγέθους, γι αυτό είναι απαραίτητος ο περιοδικός καθαρισμός με την διεργασία αναγέννησης, όπως έχει επικρατήσει να λέγεται, του φίλτρου [9]. Η τεχνολογία των παγίδων αιθάλης χωρίζεται ουσιαστικά στο φίλτρο και στην τεχνική αναγέννησης. το Φiλτοο : Μεγάλος αριθμός και ποικίλου σχεδιασμού φίλτρα αιθάλης έχουν διερευνηθεί και διαρκώς εμφανίζονται νέα. Απ 'αυτά, τρεις κυρίως κατηγορίες συγκεντρώνουν σήμερα τις ερευνητικές προαπάθειες : οι κεραμικοί μονόλιθοι, τα φίλτρα κεραμικού αφρού (είναι σε πειραματικό στάδιο), και τα φίλτρα με σύνθετες κεραμικές ίνες τα οποία έχει εφαρμόσει σε μεγάλο αριθμό οχημάτων της η Dalmler-Benz. Το πιο πετυχημένο φίλτρο είναι ο κεραμικός μονόλιθος. Εχει επικρατήσει γιατί παρουσιάζει βασικά πλεονεκτήματα που είναι : η δυνατότητα επίτευξης πολύ υψηλού βαθμού απόδοσης ως προς την κατακράτηση της αιθάλης, ικανοποιητική αντο)(ή στη θερμική καταπόνηαη, αποδεδειγμένη δυνατότητα πολυ μεγάλης διάρκειας ζωής και σχετικά χαμηλό κόστος (όταν εξασφαλiζεται μεγάλη διάρκεια ζωής) [10). Το Σχ.2 δείχνει την αρ)(ή λειτουργίας του.

46 Τεχν. Χρον.-Β, \992, Τόμ. 12, Τεύχ. 3 ΙΝΟΙΝΙ! EXHλUT 'OROU WλLL CLEλN E X HλUT LλΟΕΗ E X HλUST l'λryculλ ΤΙ! ULO-U' CERλWC 'LUO Σχ.2: Αρ)(ή λεπουργίας της κυψελωτής κεραμικής παγίδας. Ενας κεραμικός μονόλιθά; σαν αυτούς που χρησιμοποιούνται στους καταλυτικούς μετατροπείς των βενζινρκινήτων οχημάτων χρησιμοποιείται ως βάση για την κατασκευή. Ο μονόλιθος αυτός τροποποιείται με φράξιμο εναλλάξ των άκρων των καναλιών στην είσοδο και στην tξοδο, σε τρόπο ώστε το καυσαέριο να αναγκάζεται να διέρχεται μέσα από τα πορώδη κεραμικά τοι)(ώματα προτού να βγεί στην ατμόσcpαιρα. Τα σωματίδια παγ ιδεύοντα ι έτσι στην ανάντι πλευρά του τοι)(ώματος του καναλιού, όπου σιγά σ ιγά δημιουργείται ένα στρώμα αιθάλης. Καθώς το στρώμα αυτό αυξάνει σε πά)(ος αυξανει η mώση πίεσης διαμέσου της παγίδας. Τα τυπικό επίπεδα αντίθλιψης δια.,οροποιούνται σημαντικό μεταξύ των διαφόρων τύπων φίλτρων, και αυξάνουν όσο αυξάνει η φόρτιση της παγίδας με σωματίδια (11, 12). Η υψηλή αντίθλιψη είναι ανεπιθύμητη επειδή αυξάνει την κατανάλωση καυσίμου και μειώνει την διαθέσιμη ιο)(ύ στον άξονα (αναιρώντας με τον τρόπο αυτό κατό ένα μέρος τα πλεονεκτήματα του κινητήρα Dlesel έναντι του βενζινοκινητήρα). Η ελαχιστοποίηση των επιπέδων αντίθλιψης με σύγχρονη διατήρηση ενός αποδεκτού βαθμού απόδοσης της παγίδας (και ικανοnοιήση μιας σειράς κατασκευαστικών απαιτήσεων), αποτελεί τον ένα από τους δύο κυριώτερους στόχους της ανάmυξης στην περιο)(ή των παγίδων καπνού. ο δεύτερος στόχος είναι η εξασφάλιση aξιόπιστης και ασφαλούς αναγέννησης της παγίδας, )(Wpiς να καθίσταται υπέρογκο το σχετικό κόστος. Η αντίδραση της αναγέννησης είναι ισχυρό εξώθερμη, εξαιτίας της υψηλής θερμογόνου δύναμης των συστατικών της αιθάλης. Εάν η θερμότητα που παράγεται από την καύση της αιθάλης δεν απομακρύνεται συνε~ με γρήγορους ρυθμούς, είναι δυνατόν να αναmυ)ι{k>ύν τοπικά πολύ υψηλές θερμοκρασίες που οδηγούν σε ρηγμάτι.ιση ή και τήξη του κεραμικού (13,14). Η αποφυγή ακριβώς τέτοιων περιmώσεων θα πρέπει να εξασφαλίζεται με κατάλληλη επιλογή και σχεδίαση της διάταξης και διεργασίας της αναγέννησης, όπως και του συστήματος ελέγχου της. 2.2. Τεννικtc Αναγέννησης Με απουσία καταλυτών και με επάρκεια 0 2, η συσσωρευμένη αιθάλη στην παγίδα aυταναφλέγεται σε θερμοκρασίες της τάξης των 550-590 C. Το καυσαέριο του κινητήρα Dlesel περιέχει πάντοτε το αναγκαίο 0 2 (λόγος αέραjκαυσίμου > 1.3), αλλά η θερμοκρασία

Tech. Chron.-B, Greece, 1992, Vol. 12, Νο 3 47 του φθάνει στα απαιτούμενα επίπεδα μόνο κατά την λειτουργία σε πλήρες φορτίο. Εξαιτίας αυτού του γεγονότος, θα πρέπει να λαμβάνονται ειδικά μέτρα για την αναγέννηση της παγίδας. Τα μέτρα αυτά περιλαμβάνουν είτε διατάξεις για την ~ψωση της θερμοκρασίας του καυσαερίου στην είσοδο της παγίδας στα απαιτούμενα επίπεδα (τε)(vκές θερμικής αναγέννησης), είτε ταπείνωση του σημείου aυτανάφλεξης στην περιοχή των διαθέσιμων θερμοκρασιών καυσαερίου (τε)(vκές καταλυτικής αναγέννησης) (Σχ.3) (15]. Σχ.3: Ταξινόμηση των τε)(vκών αναγέννησης. 2.2.1. Ταικέ, θερμικής gγαγέγγησn, (α) Με εξωτερική παροχή ενέρνειας για την αύξηση της θερμοκρασίας του καυσαερίου ή της παγίδας τοπικά. Οι πιο πετυχημένες εφαρμογές είναι : Τοποθέτηση καυστήρα με παροχή εξωτερικού αέρα (η εξασφάλιση της αξιοπιστ ί ας σ'αυτά τα συστήματα αuξάνει σημαντικά το κόστος, εξαιτ ί ας του ότι το σύστημα γίνεται πολύπλοκο (απαιτείται ηλεκτρονική μονάδα ελέγχου, αισθητήρια (sensors) θερμοκρασιών, αντίθλιψης και στροφών κινητήρα). Τοποθέτηση ηλεκτρικής αντίστασης στην είσοδο των καναλιών της παγίδας (στις διατάξεις αυτού του είδους το δίκτυο των συρμάτων θέρμανσης στην είσοδο της παγίδας είναι σχετικά αραιό και εφαρμόζεται μικρή ροή μάζας καυσαερίου (bypass), με συνέπεια να πραγματοποιούνται μόνο τοπικές αναγεννήσεις σε ορισj,ίένα κανάλια και έτσι να δημιουργούνται θερμικές τάσεις στην παγίδα [16]). (β) Τροποποjnσn του κύκλου λειτουρνjαc του κινnτήοο : ρυθμίζεται η καύση έτσι ώστε ο κινητήρας να εκπέμπει θερμότερο καυσαέριο. Οι τεχνικές που έχουν εφαρμοστεί είνα ι: Στραγγαλισμός εισαγωγής του κινητήρα Diesel: Η μέθοδος αυτή, με τη μείωση του βαθμού πλήρωσης του κινητήρα (μείωση της ποσότητας του αέρα που εισέρχεται στους κυλίνδρους), επιτυγχάνει μείωση του λόγου αέρα λ, με συνέπεια υψηλότερες θερμοκρασίες σ'όλη τη διάρκεια του κύκλου και συνακόλουθα στο καυσαέριο (16]. Η τεχνική αυτή της

48 Τεχν. Χρον.- Β, 1992, τόμ. 12, Τεύχ. 3 οποίας παραλλαγές εφαρμόζονται σε δίχρονους όπως και σε υπερπληρούμενους κινητήρες {με μερική παράκαμψη του συμπιεστή aπόπλυσης ή του υπερπληρωτή), έχει εφαρμογή σ'ένα μικρό τμήμα του πεδίου λειτουργίας του και επιδρά δυσμενώς στον ίδιο τον κινητήρα με τη σημαντική μείωση του βαθμού πλήρωσης, που προκαλεί για να επιτύχει τις απαιτούμενες θερμοκρασίες. Ετσι η τε)(vική αυτή χρησιμοποιείται για υποβοήθηση της αναγέννησης της παγίδας σε συνδυασμό με άλλες τε)(vικές. Στραγγαλισμός της εξαγωγής : Είναι η πιο πετυχημένη μέχρι τώρα τε)(vική θερμικής αναγέννησης. Με υπερπίεση στραγγαλισμού της τάξης των 1.5 2 bar, ο κινητήρας Diesel φορτίζεται στο 20-25% της ισχύος του εξαιτίας του αυξημένου έργου άντλησης μεταξύ εισαγωγής και εξαγωγής : η πρόσθετη αυτή φόρτιση του κινητήρα επιτρέπει την λειτουργία του κοντά στο πλήρες φορτίο, ανεξάρτητα από τις συνθήκες κίνησης του οχήματος στο δρόμο {με αντίστοιχη ρύθμιση του στραγγαλισμού), με συνέπεια υψηλές θερμοκρασίες καυσαερίου, που εππρέπουν την αναγέννηση της παγίδας [17). Καθυστέρηση έγχυσης: Η τε)(vική αυτή συνίσταται στη μείωση του βαθμού απόδοσης με μετατόπιση του άημείου ένχυσης πιο κοντά στο άνω νεκρό σημείο, έτσι αυξάνεται η ενθαλπία του καυσαερίου. Οι δυνατότητες της τε)(vικής αυτής είναι περιορισμένες και χρησιμοποιείται μόνο σε συνδυασμό με άλλες μεθόδους {π.χ. χρήση καταλύτη) [16). 2.2.2. Ιωικές καταλυτικός ανανέννnσnς Η ταπείνωση της θερμοκρασίας aυτανάφλεξης της αιθάλης με χρήση καταλυτών είναι ιδιαίτερα επιθυμητή στα συστήματα παγίδων επειδή τα απαιτούμενα θερμοκρασιακά επίπεδα (>550 C) για την επίτευξη αναγέννησης εμφανίζονται μόνο κατά την λειτουργία του οχήματος κοντά στο πλήρες φορτίο, που αποτελεί μικρό ποσοστό κατό την κίνηση στην πόλη {<5%, από δρομολόγιο αστικού λεωφορείου της ΕΑΣ) (10). Με κριτήριο τον τρόπο εφαρμογής του καταλύτη, οι τε)(vικές καταλυτικής αναγέννησης που έχουν εφαρμοστεί χωρίζονται σε τρείς κατηγορίες: {α) Καταλυτικά επικαλυμένα φίλτρα Σε συστήματα παγίδων αιθάλης έχουν χρησιμοποιηθεί κατά καιρούς φίλτρα καταλυτικά επικαλυμένα με ευγενή μέταλλα (Pt, Rh κ. ά) που χρησιμοποιε ί η αυτοκινητοβιομηχανία για τους καταλυτικούς μετατροπείς των βενζινοκινήτων οχημάτων, καθώς και φίλτρα με καταλυτική επικάλυψη μη ευγενών μετάλλων {π. χ. νρ~ (14,18,19,20). (β) Ανάμιξη καταλυτικών προσθέτων στο καύσιμο Οι πιο αποτελεσματικές εφαρμογές των καταλυτών στα συστήματα παγίδας έχουν γί~:~ει με την ανάμιξη οργανομεταλλικών ενώσεων βαρέων μετάλλων στο καύσιμο σε μικρές περιεκτικότητες. Στον τρόπο αυτό εφαρμογής καταλυτών οδηγήθηκαν οι ερευνητές μετά τα αποθαρρυντικά αποτελέσματα με την χρήση των καταλυτικά επικαλυμένων φίλτρων, με στόχο την αύξηση της επιφάνειας επαφής του καταλύτη με τα προς καύση σωματίδια. Στην περίπτωση αυτή ο καταλύτης καίγεται συγχρόνως με το καύσιμο στο θάλαμο καύσης με

Tech. Chron.-B, Greece, 1992, Vol. 12, Νο 3 49 αποτέλεσμα τα προιόντα καύσης του καταλύτη να είναι ομοιόμορφα κατανεμημένα στο στρώμα αιθόλης που συσσωρεύεται μέσα στην παγίδα (15,21,22,23,24,25]. (γ) Ενχuση καταλύτη Η τεχνική αuτή ξεκίνησε το 1982 από την Dalmler-Benz και περιλάμβανε την ένχυση λίγων γραμμαρίων κον1οποιημένου οξειδωτικού καταλύτη CυC στο καυσαέριο, όταν απαιτούνταν αναγέννηση. Ο τρόπος αυτός εφαρμογής του καταλύτη είχε ως στό)(ο να γίνεται η χορήγηση καταλuτικού προσθέτου μόνο όταν είναι απαραίτητο και δεν είχε επιτυ)(ία στα πορώδη κυψελλωτά κεραμικά φίλτρα (που η αιθάλη εναποτίθεται στο τοίχωμα) Όλλά μόνο σε φίλτρα που η συλλογή αιθάλης γίνεται μέσα στη μάζα τους (π. )(. φίλτρα κεραμικών ινών, κεραμικά φίλτρα αφρού κ.λ.π.). Η Mercedes-Benz εμφάνισε σε παραγωγή σειράς βελτιωμένη εκδο)(ή του συστήματος που περιελάμβανε ένχuση ακετόνης για την ενεργοποιήση της καταλυτικής επικάλλυψής των συνθέτων ινών κεραμικών φίλτρων (26,27]. 2.2.3. ΤεΧVΙκό Αγgγέννησnc των συστnμάτωγ ΕΕθ-ΕΛΒΟ Στα συστήματα παγίδων αιθάλης τα οποία κατασκευάστηκαν από την Ελληνική Βιομηχανία 0)(ημάτων (ΕΛΒΟ) καθ'υπόδειξη του Εργαστηρίου Εφαρμοσμένης θερμοδυναμικής (ΕΕθ) και τοποθετήθηκαν σε 110 αστικά λεωφορεία της Αθήνας, εφαρμόστηκε ένας συνδυασμός τεχνικών καταλυτικής κσι θερμικής αναγέννησης καθώς και σύστημα προστασίας του φίλτρου από υπερθέρμανση (Σ)(.4, Σ)(. 5). Πρόκειται ουσιαστικά για ένα σύστημα καταλυτικής αναγέννησης με χρήση προσθέτου (ναφθενικό δημήτριο) στο καύσιμο, με τη διαφορά ότι υπάρχει ενσωματωμένο ένα σύστημα θερμικής αναγέννησης με στραγγαλισμό εξαγωγής, το οποί~;~ )(ρησιμοποιεiται βοηθητικά σε περίmωση ανάγκης (δηλ. κινδύνου υπερφόρτισης του φίλτρου). Η μονάδα ελένχου του συστήματος ενεργοποιεί την προστασία των φίλτρων από υπερθέρμανση με βάση το σύστημα παράκαμψης, οποτεδήποτε η θερμοκρασία στην έξοδο των φίλτρων ξεπεράσει κάποιο όριο ασφαλείας (10,28]. RABA/MAN MOOR Μονόδα ι:λι:yχου :_ 1,-ιr~Ι- - - ι_j ι, Σ)(.4 : Σ)(ηματική παράσταση του συστήματος παγίδας ΕΕθ - ΕΛΒΟ.

50 Τεχ ν. Χρον.- 8, 1992, Τόμ. 12, Τεύχ. 3 Σχ. s : Φωτογραφία του συστήματος παγίδας ΕΕθ-ΕΛΒΟ. 3. Η ΔΙΕΡΓΑΣΙΑ ΤΗΣ ΑΝΑΓΕΝΝΗΣΗΣ ΤΗΣ ΚΕΡΑΜΙΚΗΣ ΠΑΠΔΑΣ ΆΙθΑΛΗΣ. Η διεργασία της αναγέννησης των κεραμικών φίλτρων μπορεί να θεωρηθεί ότι εξελίσσεται σε 4 στάδια (15) (ΣΧ.6) : Στο πqώτο στάδιο (προθέρμανση) η θερμοκρασία στην έξοδο του κεραμικού φίλτρου είναι χαμηλώτερη από την θερμοκρασία εισόδου και είναι δυνατόν να λάβει )(ώρα αντίδραση αλλά με πολύ μικρούς ρυθμούς. Το δεύτερο στάδιο αρχϊζει όταν ο ρυθμός της αντίδρασης της καύσης γίνει σημαντικός και η θερμοκρασία στην έξοδο του κεραμικού φίλτρου ξεπεράσει την θερμοκρασία εισόδου. Αυτό το στάδιο αποτελεί την περίοδο έναρξης της αναγέννησης, όπου ο ρυθμός της αντίδρασης αυξάνεται απότομα και η θερμοκρασία στην έξοδο αυξάνεται επίσης απότομα. Το τρίτο στάδιο αρχίζει όταν η αντίδραση είναι αρκετά γρήγορη και σχtδον όλο το διαθέσιμο 0 2 καταναλώνεται για την καύση των σωματιδίων. Εδώ η αντίδραση περιορίζεται από τον ρυθμό της μεταφοράς του 0 2 στο στρώμα των σωματιδίων. Στο τέταρτο στάδιο η καύση έχει ολοκληρωθεί (το στρώμα των σωματιδίων δεν υπάρχει), το κεραμικό ψύχεται και η θερμοκρασία στην έξοδο του πλησιάζει aσυμπτωτικά την θερμοκρασία του καυσαερίου. Η έναρξη και μετέπειτα εξέλιξη της αναγέννησης επηρεάζεται από έναν αριθμό παραγόντων, που στην συνέχεια εξετάζονται ο καθένας χωριστά. Ο Πιν. 1 συνοψίζει την επίδραση των τεσσάρων κυρίων παραμέτρων των συνθηκών αναγέννησης πάνω σε τρία χαρακτηριστικά μεγέθη της αναγέννησης, δηλαδή την διάρκεια αναγέννησης (Dt.:-J, την θερμοκρασία έναuσης της αιθάλης (Ι ιιi.j και την μέγιστη θερμοκρασ ί α (Ι,...) (26].

Tech. Chron.-B, Greece, 1992, Vol. 12, Νο 3 51 Exhauat Temρerarure "C] 1000 11 111 V Maaa of Partlculate [g] 25 800 r--- / "" 20 ~ ι--.,... / 800 15 l:7ί v 1\-- 1/i ' j 4-.ι ο ο 10 200 ο ι ι ~ ι ' τιnletj6oo c [02) 9% ο 20 40 60 80 100 120 140 160 180 τιme [sec) 5 ο Σ)(.β : Μεταβολή της θερμοκρασίας στην έξοδο της παγίδας καθώς και της μάζας αιθάλης κατά της διάρκεια της αναγέννησης. Πιν.1: Επίδραση της θερμοκρασίας εισόδου (τ ι.j, της συγκέντρωσης του [0 2 ], της αρχικής φόρτισης της παγίδας (m.m) και της ροής μάζας του καυσαερίου (mg) στα τρία χαρακτηριστικά μεγέθη αναγtννησης. Παράμετροι 1 1 Msoot 1 Dtreg ο ---- ------ Χαρακτηριστικά Μεγέθη Tmax ηgn mg d --------------------- -------- t..---- ----...-----~ : Αυξηση, 1 : Μείωση, Ο : Ελαφρά/μηδενική επίδραση 1 t ο ι 1 ο ~ ο Η μάζα της συσσωρευμένης αιθάλης μέσα στην παγίδα πρακτικά δεν επηρεάζει την διάρκεια αναγέννησης. Αυτό οφείλεται στο γεγονόί; ότι αυξάνοντας τη μάζα της αιθάλης που καίγεται, αυξάνουν και οι θερμοκρασίες στην παγίδα λόγω της εξώθερμης αντίδρασης, και επομένως και ο ρυθμός της αντίδρασης. Παράλληλα όμως, αύξηση της φόρτισης της παγίδας οδηγεί σε αύξηση της μέγιστης θερμοκρασίας αναγέννησης (Σ)(.7), που όπως εύκολα προκύπτει από ένα απλό ισοζύγιο ενέργειας είναι τόσο μεγαλύτερη όσο μικρότερη είναι η ροή μάζας καυσαερίου.

52 Τεχν. Χρον.-8, 1992, Τόμ. 2, Τεύχ. 3 Exhauιt Τιmριrιturι ~C 1200.----.---------------.----------~--~----~~ 1000 --τ 800 800 400 200 02 9% mg 37g/sec 0 ~--~----J-----~--~----J-----~---L----J-_J ο 20 40 60 80 100 τιme (8ecl 120 140 180 Σχ. 7: Επίδραση της αρχικής φόρτισης της παγίδας στην μέγιστη θερμοκρασία καυσαερίου κατό την αναγέννηση. Η αύξηση της συγκέντρωσης του οξυγόνου μειώνει αισθητό την διόρκεια της αναγέννησης. Αυτό οφείλεται στην επίδραση της συγκέντρωσης του 0 2 στην τα)(ύτητα της αντ ίδρασης. Οσον αφορό τις μέγιστες θερμοκρασίες είναι προφανές ότι η μείωση της δ ι άρκειας έκλυσης της θερμότητας οδηγεί σε αύξηση τους (Σχ.θ ). Οπως είναι αναμενόμενο η αύξηση του μοριακού κλόσματος του 0 στο καυσαέριο με ιώνε ι ελαφρά την θερμο κρασία 2 έναυσης της αιθάλης. Exhauιt Temρeraturι r'c 1000 r-----------------~----~--~----~------~ Σχ.Β: Επ ί δραση της περιεκτικότητας [ό2] στην μέγιστη θερμοκρασί α καυσαερίου στην έξοδο της παγίδας. -

Tech. Chron.-B, Greece, 1992, Vol. 12, Νο 3 53 Στο Σχ.9 φαίνεται η επίδραση της ροής του καυσαερίου στην μέγιστη θερμοκρασία κατά την διάρκεια της αναγέννησης. Οταν μειώνεται η ροή του καυσαερίου μειώνεται ο ρυθμός ψύξης του κεραμικού με αποτέλεσμα να παρατηρούνται μεγαλύτερες μέγιστες θερμοκρασίες. Exhaust Temperature ( C] 1000.---------------------------------------------, 800 - - 600 200-1 i msoot 15g 0 +---~---------.-----r--~~---r----.---~--~ 160 180 ο 20 40 60 80 100 120 140 ηme [sec] Σχ.9:Επίδραση της ροής μάζας του καυσαερίου στην μέγιστη θερμοκρασία αναγέννησης. Πέρα απ'αυτά που συμβαίνουν σε μόνιμα σημεία λειτουργίας, οι αυξομειώσεις της ροής του καυσαερίου που παρατηρούνται κατά την κίνηση του οχήματος στον δρόμο, σε συνδυασμό με υψηλές φορτίσεις είναι η κυριότερη αιτία αστο}(iας των κεραμικών φίλτρων που τοποθετούνται σε οχήματα (14,29). 4- ΕΜΠΕΙΡΙΑ ΑΠΟ ΤΗΝ ΚΑΤΑΛvrΙΚΗ ΑΝΑΓΕΝΝΗΣΗ ΤΗΣ ΚΕΡΑΜΙΚΗΣ ΠΑΓΙΔΑΣ 4.1. Εμπειρία από τις καταλυτικά επικαλυμένες παγίδες Η ταπείνωση του θερμοκρασιακού κατωφλιού αναγέννησης που επιτεύχθηκε από τους διάφορους ερευνητές με καταλυτικά επικαλυμένα φίλτρα δεν ξεπέρασε σε καμμία περίπτωση τους 1 00 C: Κι αυτό κάτω από ευνοικές συvθήκες αναγέννησης δηλ. χαμηλή ροή καυσαερίου, υψηλή περιεκτικότητα 0 2 και χαμηλή φόρτιση της παγίδας [30]. Σε συνθήκες υψηλής ροής του καυσαερίου μέσα από την παγίδα η ταπείνωση της θερμοκρασίας έναυσης της αιθάλης δεν ξεπερνά τους 30-50 C, ανεξάρτητα από το είδος της επικάλυψης (τα φίλτρα με μεγάλο πορώδες είναι κάπως αποτελεσματικότερα λόγω μεγαλύτερης επιφάνειας επαφής με τον καταλύτη). Χαρακτηριστικό εδώ είναι το παράδειγμα της αναγέννησης (Σχ.1Ο) σε σταθερό σημείο (μέγιστες στροφές εν κενώ) του συστήματος

54 Τεχν. Χρον.-Β, 1992, Τό μ. 12, Τεύχ. 3 παγίδας ΕΕθ σε λεωφορείο MAN-SR240 (Πρόγραμμα αξιολόγησης συστημάτων παγίδας της πόλης του Μονάχου) (30]. Temρerature "C] 02 l(.,)x1000) 700 600 δ ΟΟ 400 /~Ί 300 200 100 ο ο f. i tι!. T~utl et~ -..._! % L-'-- ι J! τιhlet. 1 i / U-} - l 2 τtme [mln] ι ι ' Ι Ι ι ι j 1 ι l 1 3 4 Σχ. 1Ο: Καταγραφή θερμοκρασιών και περιεκτικότητας Oz του καυσαερίου κατά την αναγέννηση εν στάσει του συστήματος καταλυτικής παγίδας ΕΕθ σε λεωφορείο SR 240 (κινητήρας ΜΑΝ D2566,11L). Η παραπάνω εμπειρία που συμβαδίζει με την διεθνή (31,32,33,34] δείχνει ότι η καταλυτική παγίδα μπορεί να εφαρμοστεί μόνο σαν συμπλήρωμα ενός συστήματος θερμικής αναγέννησης. Η παραπάνω ανάγκη σε συνδυασμό με την γήρανση του καταλύτη που παρατηρείται σε υψηλές θερμοκρασίες είναι η αιτία που οι καταλυτικές παγίδες δεν εφαρμόζονται πια σε ευρεία κλίμακα (δεδομένου μάλιστα ότι ο ι πιο αποτελεσματικές καταλυτικές επικαλύψεις ήταν αυτές των ευγενών μετάλλων οι οποίες καταλύουν την αντίδραση παραγωγής του ανυδρίτου του θειικού οξέος από το υπάρχον στο καυσαέριο διοξείδιο του θείου). 4.2. Εμπειρία gηό τα καταλυτικά πρόσθετα θερμοκρασίες αναγέννησης της τάξης των 300 C επιτυγχάνονται σχετικά εύκολα με χρήση κdταλυτικών προσθέτων. Ετσι ξεκινώντας από την πρωτοποριακή δουλειά του Wiedemann στην Volkswagen [25,35], παρουσιάστηκαν κατά καιρούς διάφορα συστήματα παγίδας aπλούστατης κατασκευής στα οποία ο μοναδικός εξοπλισμός συν ί στατο σε μία δοσομετρική αντλία χορήγησης του προσθέτου στο καύσιμο. Παρά το γεγονός ότι στην σχετική βιβλιογραφία εμφανίζονται διάφορα αποτελέσματα 'rης αξιολόγησης σημαντικού αριθμού μεταλλικών προσθέτων σε διάφορες δοσιμετρίες και συνδυασμούς μεταξύ τους (ακόμη και με καταλυτικές παγίδες), όπως και σε συνδυασμό με υποβοήθηση από συστήματα θερμικής αναγέννησης, υπάρχουν ορισμένα βασικά χαρακτηριστικά της καταλυτικής αναγέννησης που αναλύοντα ι παρακάτω.

Tech. Chron.-B, Greece, 1992, Vol. 12, Νο 3 55 4.2.1. Μείωση της θερμοκρασίας έναυσης Η ταπείνωση του κατωφλιού αναγέννησης, δεν οδηγεί όπως ίσως θα ανέμενε κανείς σε αντίστοι)(ιl μείωση της μέγιστης θερμοκρασίας στην παγίδα κατά την διάρκεια της αναγέννησης : Η χρήση καταλυτών δηλ. δεν παρέχει πρόσθετη προστασία στο φίλτρο. Αντιθέτως η καταλυτική αναγέννηση χαρακτηρίζεται από στοχαστική εξέλιξη των θερμοκρασιών τοπικά (Σχ.11) [23). nαρόλα αυτά η VW πέτυχε μεγάλες διάρκειες ζωής σε ορισμένα συστήματα παγίδων σε επιβατικά αυτοκίνητα που λεπουργούσαν με πρόσθετο, εξαιτίας των συνθηκών κίνησης που δημιουργούσαν συνθήκες μόνιμης αναγέννησης στο μεγαλύτερο ποσοστό του χρόνου κίνησης, διατηρώντας την παγίδα έτσι πολύ ελαφρά φορτισμένη. ----- Ρ<8Ν..,. dιορ --- temρenιtu,.. Ο ---------' ι,, ι ι ι ι~ι ',, ' \. ' '~--~---------------------- 60 120 180 240 300 360 420 480 540 600 660 720 Ιlme (s) Σχ.11: Διακύμανση των θερμοκρασιών σε διάφορα σημεία της κεραμικής παγίδας στη διάρκεια καταλυτικής αναγέννησης (πρόσθετο Μη). Το ΕΕθ δοκίμασε για λογαριασμό του ΥnΕΧΩΔΕ/nΕΡΠΑ ένα παρόμοιο σύστημα επί οχιίματος Mercedes 2400, το οποίο είχε διανύσει περί τα 10000 km χωρίς βλάβη στην παγίδα κινούμενο για σημαντικό ποσοστό του χρόνου λειτουργίας του σε περιαστικές διαδρομές. Κατά την διάρκεια των πειραμάτων, παρατηρήθηκαν σημαντικοί ρυθμοί φόρτισης της παγίδας κατά την κίνηση σε nροσομοιωμένο κύκλο πόλης (ECE 15), που οδήγησαν σε καταστροφή του φίλτρου στη διάρκεια της αναγέννησης [36). Στο Σχ.12 φαίνονται οι καταγραμμένες θερμοκρασίες στην είσοδο και στην έξοδο του συστήματος παγίδας (με πρόσθετο Fe και καταλυτικά επικαλυμμένο φίλτρο) κατά την κίνηση του οχιίματος Mercedes 240D σε προσομοιωμένο κύκλο οδήγησης ECE-15. Οι χαμηλές θερμοκρασίες καυσαερίου οδήγησαν σε συνθήκες συνεχούς φόρτισης της παγίδας.

56 Τ εχν. Χ ρον.-β, 1992, Τόμ. 12, Τεύχ. 3 80 CO 100 120 Ι ω 180 110 :οο Z:Q 280 α Tlnlet + Toutlet ΠΜΕ (s] Σχ. 12 : Καταγραμμένες θερμοκρασίες στην είσοδο και στην έξοδο του συστήματος καταλυτικής παγίδας (με πρόσθετο Fe) κατά την κίνηση του οχήματος Mercedes 240D σε προσομοιωμένο κύκλο οδήγησης ECE-15. 4.2.2. Διαφοροποίηση τηc δραστικότητας του καταλύτη Η ταπείνωση της θερμοκρασίας έναυσης που παρατηρείται με μία συγκεκριμένη περιεκτικότητα προσθέτου στο καύσιμο, εξαρτάται ισχυρά από το σημείο λειτουργίας του κινητήρα όπως και από τις συνθήκες που φορτίστηκε η παγίδα. Γενικά μπορεί να ειπωθεί ότι η καταλυτική δράση αυξάνει όσο αυξάνει η περιεκτικότητα 0 2 στο καυσαέριο και όσο μειώνεται η ροή του καυσαερίου μέσα από την παγίδα (15]. 4.2.3. Ανεύρnση του Βέλτιστου καταλυτικού προσθέτου Ενα μεγάλο μέρος των προσπαθειών πάνω στην εφαρμογή των καταλυτών στράφηκε στην αναζήτηση του βέλτιστου καταλυτικού προσθέτου [13,37,38,39]. που εθεωρείτο ότι σε ελάχιστες συγκεντρώσεις θα μείωνε αισθητά το θερμοκρασιακό κατώφλι αναγέννησης χωρίς παράλληλα να επιταχύνει επ ι κίνδυνα την αντίδραση καύσης. Η εμπειρία από πολυετείς ερευνητικές προσπάθειες έδειξε ότι πέρα από τις γενικές κατευθύνσεις που δίνει η κατάταξη των μετάλλων στην σειρά ηλεκτροθετικότητας ως προς το επίπεδο της ενέργειας δεσμού του 0 2, δεν μπορεί να γίνει συστηματική κατάταξη και ανάδειξη του βέλτιστου προσθέτου παρά μόνο μιάς ομόδας που περιλαμβάνει τα πιο πετυχημένα απ'αυτά. Συνοψίζοντας τα παραπάνω μπορεί κανείς να συμπεράνει ότι μέχρι σήμερα οι έρευliες της aυτοκινητοβιομηχανίας όσον αφορά την εφαρμογή της παγίδας στα επιβατικά οχήματα, επικεντρώθηκαν στην ανεύρεση ενός αποτελεσματικού σε όλες τις συνθήκες κίνησης, όσο και ακίνδυνου για την ανθρώπινη υγεία προσθέτου.

Tech. Chron.-B, Greece, 1992, Vol. 12, Νο 3 57 Ο στόχος αυτός όμως είναι μάλλον ανέφικτος όπως έδειξε η εμπειρία του ΕΕθ, που οδήγησε σε μία ιδιαίτερα επιτυ)(ιlμένη εφαρμογή των καταλυτικών προσθέτων τουλάχιστον για την περίπτωση των αστικών λεωφορείων (βλέπε Κεφ.5}. 4.3. Ενχυσπ ποοσθέτου Οπως αναφέρθηκε και παραπάνω η έγχυση προσθέτου οδήγησε σε πλήρη αναγέννηση μόνο όταν εφαρμόστηκε σε παγίδες κεραμικών ινών ή κεραμικού αφρού. Το σύστημα παγίδας Mann & Hummel [26,27) που χρησιμοποίησε η Mercedes σε μεγάλο αριθμό ο)(ιlμάτων της, φαίνεται στο Σχ.13 καταλύτη Σχ. 13: Σύστημα παγίδας με ένχυση καταλύτη της Mercedes-Benz. Η παγίδα αποτελείται από διάτρητους μεταλικούς σωλήνες στους οποίους έχουν περιελι)(θεί κεραμικές ίνες σε πυκνή πλέξη. Η συλλογή της αιθάλης γίνεται σε όλη τη μάζα της κεραμικής πλέξης που έχει μεγάλο πάχος. Η κεραμική ίνα είναι εμποτισμένη με Cu, ο οποlος θεωρείται ότι οξειδώνεται από το καυσαέριο και δρά καταλυτικά στην αναγέννηση. Στην πραγματικότητα, γίνεται περιοδική ένχυση προσθέτου (CuC} για την διατήρηση της αποτελεσματικότητας της καταλυτικής επικάλυψης. Πρόκειται για υβριδικό σύστημα που επιδιώκει να συμβιβόσει τα αποτελέσματα της καταλυτικά επικαλυμένης παγίδας και της έvχυσης προσθέτου στην διάρκεια της αναγέννησης. Στην κατεύθυνση αυτή πρόκειται για ένα αρκετά πετυ)(ιlμένο σύστημα. Το σύστημα αυτό μετά από πολυετείς δοκιμές, έχει αρ)(iσει να αποσύρεται εξαιτίας της αποτυ)(iας των φίλτρων κεραμικής ίνας να φθάσουν αξιόπιστα κάποια λογική διάρκεια ζωής [16). Η παραπάνω τεχνική δεν είναι αποτελεσματική στην περίπτωση κυψελωτής μορφής κεραμική παγίδα, εξαιτίας της αδυναμίας ομοιόμορφου εμποτισμού σε ικανοποιητικό βαθμό του στρώματος αιθάλης στην είσοδο όλων των καναλιών της παγίδας που θα οδηγούσε στην πλήρη και ασφαλή αναγέννηση μιάς ελαφρά φορτισμένης παγίδας. 5- Ε ΑΡΜΟΓΗ ΤΩΝ ΠΑΓΙΔΩΝ ΑlθΑΛΗΣ ΣτΑ ΑΣτΙΚΑ ΛΕΩ.ΟΡΕΙΑ ΤΗΣ ΑθΗΝΑΣ Στα πλαίσια ενός προγράμματος Πιλότος που ξεκίνησε το 1989 τοποθετήθηκαν σε 110 αστικά λεωφορεία της Επιχειρήσης Αστικών Συγκοινωνιών συστήματα παγίδας αιθάλης τα

58 Τεχν. Χρον.-Β, 1992, Τό μ. 12, Τεύχ. 3 οποία κατασκευόστηκαν από την Ελληνική Βιομηχανία Οχημότων. Η μέγιστη διάρκεια ζωής που έχει επιτευ)(θεί μέχρι σήμερα (Απρίλιος 1991) σε πραγματικές συνθήκες κίνησης υπερβαίνει τα 100,000 km. Η επιτυ}(iα των συστημάτων παγίδων αιθάλης ΕΕθ/ΕΛΒΟ οφείλεται στο γεγονός ότι τα συστήματα υποστηρίζονται από δύο εντελώς απαραίτητα υποσυστήματα όπως έδειξε η πολύχρονη εμπειρία στην περιοχή του ΕΕθ (10,15,28,40]: 1. Υποσύστημα εξαναγκασμένης (θερμικής) αναγέννησης, που ενεργοποιείται σε περίπτωση ανάγκης ώστε να μη ξεπεράσει ποτέ η φόρτιση της παγίδας ένα επίπεδο ασφαλείας. Για τον σκοπό αυτό χρησιμοποιείται η τεχνική του στραγγαλισμού εξαγωγής (17,41]. Η χρήση του ναφθενικού δημητρίου ως προσθέτου στο καύσιμο μειώνει την απαιτούμενη θερμοκρασία αναγέννησης με αποτέλεσμα να δημιουργούνται συνθήκες συνεχούς αναγέννησης και η παγίδα να διατηρείται ελαφρό φορτισμένη. Είναι όμως δυνατόν οι συνθήκες κίνησης να μη επιτρέψουν την αξιοποίηση της καταλυτικής δρόσης του προσθέτου με αποτέλεσμα να αυξηθεί η φόρτιση της παγίδας σε επικινδυνα επίπεδα. Στην περίπτωση αυτή ενεργοποιείται ο στρσγγαλισμός εξαγωγής για την ανύψωση της θερμοκρασίας του καυσαερίου στα απαιτούμενα επίπεδα. 2. Υποσύστημα προστασίας των φίλτρων από μη ελεγχόμενη αναγέννηση (λόγω αντίξοων μεταβολών των συνθηκών του καυσαερίου κατό την κίνηση στον δρόμο). Για τον σκοπό αυτό χρησ ιμοποιείται η τεχνική παρόκαμψης της ροής του καυσαερίου, που "παγώνει την αντίδραση της ανσγέννησης στερόντας της το οξυγόνο. Τυπική αναγέννηση του συστήματος φαίνεται στο Σχ. 14. Οι θερμοκρασίες στην έξοδο των κεραμικών φίλτρων με την ενεργοποίηση της παρόκαμψης της ροής διατηρούνται σε χαμηλά επίπεδα (<600 C), εξασφαλίζοντας έτσι το κεραμικό από τήξη ή ρηγμάτωση. 800.---------~-----------χ--------------------~ 500 +---~~--~-- 100 Τhιιh 540 Τ 10 310 ("C( Addltlv. δoppm Ce BY-PASS -ACfiVAfiON 0 +---------~----------,---------~~--------~ 100 150. 200 250 ΤΙΜΕ 1 1 300 Σχ.14: Μεταβολή των θερμοκρασιών εισόδου και εξόδου του φίλτρου κατά την κίνηση λεωφορείου του στόλου πιλότου της Αθήνας (Σύστημα ΕΕθ/ΕΛΒΟ με αυτόματη προστασία από υπερθέρμανση /Τεχνική Bypass) (10].

Tech. Chron.-B, Greece, 1992, Vol. 12, Νο 3 59 β. ΙΔΙΑΙΤΕΡΟΤΗΤΕΣ ΤΩΝ ΚΑΤΑΛvτΩΝ ΣτΗΝ Ε ΑΡΜΟΓΗ 6.1. Εnιδοόσειc; στον παγίδα Τα πρόσθετα (ανεξόρτητα από το είδος) κατακρατούνται σχεδον εξ'ολοκλήρου (>95%) από την παγίδα υπό μορφή οξειδίων, οπότε για μεγόλες συγκεντρώσεις παρατηρείται συστηματική αύξηση της αντίθλlψης του φίλτρου που φθόνει σε απαγορευτικές τιμές μετά από 50-150 )(1λlόδες )(1λlόμετρα (εξαρτόται από την συγκέντρωση) [1ό,21.~]. Αυτή η δρόση του προσθέτου διαπιστώθηκε και από το ΕΕθ, στα πρώτα συστήματα παγίδων που τοποθετήθηκαν σε αστικά λεωφορεία της Αθήνας στα πλαίσια του προγράμματος πιλότος (1989) [42). Αναλύσεις που πραγματοποιήσαν σε δείγματα κεραμικών φίλτρων αφενός η Ιαπωνική εταιρεία κατασκευής κεραμικών φίλτρων NGK και αφετέρου η χημική εταιρεία Rhone-Poulenc που παρασκευάζει το πρόσθετο έδειξαν ότι το πρόσθετο επικάθεται κατά το μεγαλύτερο μέρος του στα τοι)(ώματα των καναλιών και μόνο ένα μικρό ποσοστό εισέρχεται στους πόρους του κεραμικού. Αυτή η παρατήρηση οδήγησε στο συμπέρασμα ότι τα φίλτρα θα μπορούσαν να καθαριστούν και να επαναχρησιμοποιηθούν. Η μέθοδος που εφήρμοσε το ΕΕθ για την απομάκρυνση του συσσωρευμένου προσθέτου ήταν χρήση πεπιεσμένου αέρα και πλύση με νερό εναλλακτικά (βαθμός καθαρότητας 90%). 6.2. Εnιδοάσειc στον κινnτόοα Επίδραση στο σύστημα έvχυσης Ορισμένα πρόσθετα όταν αναμιγνύονται σε μεγάλες συγκεντρώσεις στο καύσιμο είναι δυνατόν να οδηγήσουν στη δημιουργία αποθέσεων στα στόμια των εγχuτήρων, οπότε υποθαθμίζουν την ποιότητα της καύσης [21). Το πρόβλημα αυτό θεωρείται ότι έχει ξεπεραστεί σε μεγάλο βαθμό με τις εν χρήσει ενώσεις των προσθέτων. Επίδραση στις εκπομπές Η επίδραση των καταλυτικών προσθέτων στις εκπομπές του κινητήρα Dlesel με και χωρίς παγίδα έχει διερευνηθεί εκτενώς από σειρά ερευνητών (21,43,44). Γενική παρατήρηση είναι ότι μειώνονται ελαφρά οι σωματιδιακές εκπομπές καθώς και οι εκπομπές HC και CO εξαιτίας της οξειδωτικής δράσης των προσθέτων, ενώ αντιθέτως παρατηρείται ελαφρά αύξηση στα ΝΟχ για τον ίδιο λόγο. 6.3. Επιδοάσεις στο περιβάλλον Στα πρώτα πειράματα συστημότων παγίδας με πρόσθετα στο καύσιμο εξαιτίας του σχετικά μεγάλου πορώδους των κεραμικών που χρησιμοποιούνταν για ελα)(1στοποιήση της αντίθλιψης της παγίδας (π.χ. τύπος κεραμικών φίλτρων ΕΧ54, ΕΧ66 της Cornlng), ένα ποσοστό του προσθέτου διέφευγε στο περιβάλλον μέσω του συστήματος εξαγωγής. Ο Wledemann (23,24) μετρώντας το περιεχόμενο σε Μη συμπυκνώματος του καυσαερίου (με τύπο παγίδας ΕΧ47 της Comlng) διαπίστωσε βαθμούς κατακράτησης του προσθέτου 84-88% στον Αμερικάνικο κύκλο οδήγησης FτΡ. Δεδομένου ότι τα φίλτρα που συνήθως χρησιμοποιούσε η Volkswagen ήταν ΕΧ54 (μεγαλύτερου πορώδους από τα ΕΧ47), γίνεται

60 Τεχν. Χρον.- 8, 1992, Τό μ. 12, Τεύχ. 3 αντιληπτός ο λόγος για τον οποίο η VW σταμάτησε τα πειράματα με Mn. Ο Πίνακας 2 δεi)(vει τα νομοθετημένα όρια έκθεσης για ένα δείγμα βαρέων μετάλλων που ισχύουν σήμερα στις Η.Π.Α. (45]. Π ίνακας 2: Νομοθετημένα όρια έκθεσης οξειδίων των μετάλλων που ισχύουν στις Η.Π.Α. ΜΕΤ ΑΛΛ Ο Βάριο Χαλκός Μόλυβδος ΜαγΎάνι.ο Δημήτριο [Βα] [Cu] [Pb] [Μη] (Ce] ΟΡΙΟ 0.5 0.1 0.1 1.0 Δ εν υπάρχει ΕΚθΕΣΗΣ όριο [mg/m1 Με τα δεδομένα αυτά αφενός μεν κρίνεται απαγορευτική η χρήση φίλτρων πορώδους μεγαλύτερου του ΕΧ47, αφετέρου θα πρέπει να ληφθεί σοβαρά υπόψη και να διερευνηθεί η επίδραση των καταλυτικών προσθέτων στην ανθρώπινη υγεία. Αυτός είναι ο λόγος άλλωστε που το ΕΕθ επέλεξε το δημήτριο ως πρόσθετο στο καύσιμο για τα συστήματα παγίδων ΕΕθ/ΕΛΒΟ, το οποίο αποδεδειγμένα είναι μη τοξικό [46]. 7. ΣΥΝ()φΗ - ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ ~>1. Η προπτική ενός διαρκώς αυξανόμενου αριθμού πετρελαιοκινήτων ο)(ιlμάτων στις αστικές περιοχές, δημιούργησε από τις αρ)(ές της δεκαετίας του '80 σοβαρές ανησυ)(ίες σε σ)(έση με τη ρύπανση της ατμόσφαιρας από αιωρούμενα σωματίδια, ανησυ)(ίες που αντανακλώνται στα ολοένα αυστηρότερα διεθνώς όρια εκπομπών καπνού από τα οχήματα αυτά. Στις αρ)(ές της δεκαετίας του '90 φαίνεται ότι οι κατασκευαστικές βελτιώσεις στον θάλαμο καύσης και στο σύστημα έv)(uσης έχουν φθάσει τα όρια τους, οπότε η εφαρμογή παγίδων καπνού παρουσιάζεται ως κύρια βραχυπρόθεσμη δυνατότητα για την επίτευξη των ορίων εκπομπών καπνού, ιδιαίτερα για τα βαρέα οχήματα. ~>2. Η ευρεία εφαρμογή των παγίδων καπνού έχει καθυστερήσει σημαντικά εξαιτίας των προβλημάτων που σχετίζονται με την αναγέννηση της κεραμικής παγίδας, την διεργασία δηλ. καθαρισμού της με αυτανάφλεξη της συσσωρευμένης αιθάλης. τα υψηλά επίπεδα θερμοκρασίας καυσαερίου που απαιτούνται για την αναγέννηση της παγίδας χwρίς την υποβοήθηση καταλυτών, δεν επιτυγχάνονται σχεδόν ποτέ κατά την κίνηση του οχήματος στην πόλη. ~>3. Η εξασφάλιση κατά βούληση των απαιτούμενων θερμοκρασιών καυσαερίου μπορεί να επιτευχθεί με μία σειρά τε)(vικών θερμικής αναγέννησης, οι οποίες στο σύνολο τους συνοδεύονται από μικρή ή μεγάλη αύξηση της κατανά>.ωσης καυσίμου του κινητήρα, για την διατήρηση των χαμηλών επιπέδων φόρτισης που απαιτούνται για προστασία του κεραμικού φίλτρου.

Tcch. Chron.-B, G reece, 1992, Vol. 12, Νο 3 61 4. Μια ρεαλιστικότερη λύση στο πρόβλημα της αναγέννησης της κεραμικής παγίδας, μπορεί να βασιστεί στην υποβοήθηση της διεργασίας από καταλύτες, οι οποίοι μειώνουν τα απαιτούμενα επίπεδα θερμοκρασιών αναγέννησης. 5. Για την περίmωση του κεραμικού μονόλιθου, που είναι ο πιο πετυ)(ιlμένος τύπος φίλτρου η ανάμιξη των καταλυτικών προσθέτων στο καύσιμο αποτελεί την πιο αποτελεσματική τεχνική καταλυτικής αναγέννησης. ο-6. Οπως προκύmει από την διεθνή εμπειρία, με βάση όσα αναπτύσσονται στην παρούσα εργασία, η προστασία της παγίδας από υψηλές θερμοκρaσίες που αναπτύσσονται τοπικά ιδιαίτερα κατά την καταλυτική αναγέννηση απαιτεί την εξασφάλιση χαμηλών επιπέδων φόρτισης του φίλτρου. 7. Τα παραπάνω εξηγούν την μέχρι σήμερα αδυναμία ανάπτυξης αξιόπιστου συστήματος παγίδας που να στηρίζεται αποκλειστικά στην χρήση καταλυτικού προσθέτου, ενώ συγχρόνως αποδεικνύουν ότι είναι άσκοπη η σημαντική δραστηριότητα που αναmύσσεται διεθνώς με στόχο την ανάπτυξη του βέλτιστου καταλυτικού προσθέτου. 8. Είναι δυνατή η ανάπτυξη αξιόπιστου συστήματος παγίδας με χρήση καταλυτικού προσθέτου, εφόσον αυτό υποστηρίζεται από : Σύστημα θερμικής αναγέννησης για την απόλυτα αξιόπιστη εξασφάλιση χαμηλού επιπέδου φόρτισης της παγίδας. Σύστημα προστασίας του κεραμικού φίλτρου από τυχούσα επικίνδυνη εξέλιξη της αντίδρασης της αναγέννησης εξαιτίας των κυκλοφοριακών συνθηκών. 9. Η παραπάνω φιλοσοφία εφαρμόστηκε επιτυχώς στα συστήματα παγίδων αιθάλης ΕΕθ/ΕΛΒΟ που τοποθετήθηκαν σε 110 αστικά λεωφορεία της Αθήνας, και οδήγησε στην υπέρβαση του ορίου των 100,000 km διάρκειας ζωής του φίλτρου. 10. Με βάση την παραπάνω τεκμηρίωση, η επιλογή του μετάλλου των σπανίων γαιών δημητρίου (Ce) ως καταλυτικού προσθέτου για τα συστήματα της Αθήνας έγινε με μοναδικό κριτήριο την αποδεδειγμένη μη τοξικότητα του. 1. W.Cartellleri, "Dίe partίkelproblematlk aυs der Sicht des Motorentwicklers", Motor und Umwelt AVL. Sommer Akademie Graz, 1989.1, 2. N.Κhatrl, J.Johnson, D.Leddy, "The Characterization of the Hydrocarbon and Sulfate fractίons of Dlesel Partlculate Matter', SAE/Pr-79/ No17. 1979. 3. Χ. Μιχαλοπούλου, Ζ.Σαμαράς, Ν. Κυριάκης, Ν. Πάπας, "Ατμοσφαιρική Ρύπανση απο Σωματιδιακές Εκπομπές Πετρελαιοκινητήρων", 4ο Σεμινάριο νια την Προστασία του Πεοιθάλλοντοc. Δήμοι; θεσ/νjκnι;. 1985.

62 Τεχν. Χρον.-8, 1992, Τόμ. 12, Τεύχ. 3 4. 5. 6. 7. β. 9. 10. 11. 12. 13. 14. 15. 16. 17. 18. 1ξ!. 20,. 21. 22. 23. 24. 25. J.Donald, N.Barsk, G.Eross, S.Shahed, J.Johnson, "Status of Diesel Particulate Measurements Methods", SAE paoor 840345. COORDNAτiNG RESEARCH COUNCL, "lnformatlonal Report on the Measurements and Characterizatlon of Dlesel Exhaust Emlsslons, CRC Beport No.517.198Q. G.Lepperhof, G.Κroon, "lmpact of Partlculate Traps on the Hydrocarbon Fraction of Dlesel Partlcles, SAE pape( 850013. H.Kuck, νermlnderung der Partlkelemlsslon νοn Dieselmotoren fuer ΡΚW durch Abgasnachbehandlung-Einfluss νοn Partlkelflltern auf dle fluechtlge phase-, Abschlussberlcht, FVV Heft 353. 1984. F. Plschlnger, W.Adams, "Abgasemlsstonen bel Verwendung alternatlνer Κraftstoffe fuer Κraftfahrzeug-Ottomotoren, VD Berichte 531. Tagyng Nuernberg 1984. Corning Ceramics Diesel Filter Product Data Brochure, Corning, 1985. Χ. Μιχαλοπούλοu, Ν. nατσατζής, nρόγραμμα nιλότος Τοποθέτησης nαγiδων Αιθάλης σε Λεωφορεία της ΕΑΣ", Τελική Εκθεσn. Αρ.Εργ.9Q12. Ιούνιος 199(). N.Higuchl, S.Mochlda, M.Kojlma, "Optimlzed Begeneratlon Conditions of Ceramlc Honeycomb D.lesel Fllter", SAE ρσροr 830078. J.Howltt, M.Montierth, ceιιuιar Ceramlc Dlesel Partlculate Fllter, SAE paper 810114 K.Pattas, N.Patsatzls, C.Michalopoulou, H.Sowul, "Techno-economlc Stucly of the Appllcation of Ceramlc Smoke traps on the Exlstlng Diesel Taxl Fleet, Elnal Beρort. Coηtract No.86-B6 42-11.Q 12-115. KPattas, N.Patsatzis, C.Michalopoulou,A.Stamatellos, P. Κikldis, Z.Samaras, H.Sowul, "Ceramlc trap Begeneratlon Bate Control Through Bypass Technique, SAE paper Ω80QQ.4.. Χ. Μιχαλοπούλοu, "Διερεύνηση της Δράσης των Καταλυτών στην Αναγέννηση της Κεραμικής nαγiδας Αιθάλης", Διδακτορική Διατριβή. Α. n.θ.. θεσσgλονjκn, Μάρτιος.1.aa1.. A.Stamatelos, ιmpact of Enνlronmental Leglslatlon on the deslgn of vehlcle Dlesel Englnes: The Case of Diesel Particulate Traρ, Athens 91. Conference ASME-/NTU. K.Pattas, A.Stamatellos, J.Constadlnldls, "Exhaust Temperature Response of Trap Oxldiser Systems, SAE ρaρer 9()0323. E.Kobersteln, H.Pietka, H.Voelker, catalytically Actiνated Diesel Exhaust filters: Englne Test Methods and Besuιts, SAE paper 830081. ~. Abthoff, H.D.Schuster, H.J.Langer, G.Loose, "τhe Begenable Trap Oxidizer - An Emisslon Control technique for Diesel Engines, SAE paper 850015. B.Enga, M.Buchmann,.Uchtsteln catalytlc Control of Diesel Particulate, SAE β2ω..1κ G.Simon, T.Stark, Όlesel Partlculate Trap Begeneratlon Uslng Ceramlc Waii-Aow Traps, Fuel Addltlves and Supplemental Electricallnglters, SAE paper 850016. M.Montierth, "Fuel Addltlνe Effect upon Dlesel Partlculate Filters, SAE ρaρer 8400'72. B.Wiedemann, U.Doerges, W.Engeler, B.Pettner, "Begeneration of Particulate Filters at Low Temperatures, SAE paper 83008. B.Wiedemann, U.Doerges, W.Engeler, ~.Poettner, "Appllcatlon of Partlculate Traps and Fuel addltlνes for Beductlon of Exhaust Emlssions, SAE paper 840078. B.Wiedemann, Κ.Neumann, νehicu lar Exρerience wlth Additiνes for Begeneration of Ceramlc Diesel Filters, SAE paper 850017. -

Tech. Chron.-B, G reece, 1992, Vol. 12, Νο 3 63 26. H.Hardenberg, "Urban Bus Appllcatlon of Cerarnlc Fiber Coll Partlculate Trap",.,SΔE ρaρer 870011, 27. H.Hardenberg, H.Daudel, H.Erdmannsdoerfer, "Particulate Trap Regeneratlon lnduced by Means of Oxldizlng Agents lnjected into the Exhaust Gas. SAE ρaρer 870016. 28. KPattas, Z.Samaras, N.Patsatzla, C.Michalopoulou, O.Zogou, A.Stamatellos. M.Barkls, "On-Road Experlenoe wlth Trap Oxldlzer Systems lnstalled on Urban Buses, SAE 900109. 29. E.Paull, E.Lepperhoff, F.Pischinger, "The Calculation of Regeneratlon Umlts of Dlesel Partlculate Traps for Dlfferent Regeneration Methods", SAE paρer 840075, 30. Z.Sarnaras, P. Κikidls, "Report on the lnstallation and Operation of the Trap OxJdiser System on an Urban Bus ln Munich", lnternal Report LAT. Νο 8717. May 1987,31. 31..J.Widdershoνen, F.Pischlger, G.Lepperhof, "Posslbilities of Particle Reductlon for Dlesel Engines, SAE 860013. 32. V.Rao, J.Whlte, W.Wade, M.Aimone, H.Cikanek, "Advanced Technlques for Thermal and Catalytlc Diesel Particulate Trap Regeneration, SAE paoor 850014. 33. W.Wade, J.White, J.Aorek, "Diesel Particulate Trap Regeneration Techniques, SAf ρaρer 810118. 34. Y.Watabe, Klrako, T.Miyajlma, T.Yoshlmoto, Y.Murakaml, "Trapless Trap - Α Catalytlc Combustion Syιtem of Dlesel Partlculates Uslng Ceramlc Foam, SAf ρaper 830082, 35. B.Wiedemann, E.Mueller, A.Preuss, H.Schaedllch, Diesei-Partikelfiltersystem mlt Addltlνgestuetzter Regeneration, Ατz 91. Heft 12. 1989, 36. ΚΠάπας, Ζ. Σαμαράς, Ν. Πατσατζής, Α. Σταματtλος, Χ. Μιχαλοπούλου, "Αξιολόγηση Συστήματος Παγίδας Καπνού του Επιβατικού Οχήματος Mercedes 2400". ΥΠΕΧΟΔΕ/ΕΕθ. Αρ,~ν. 8810. Σεπτ.1988, 37. R.W.McCabe, R.M.Sinkeνltch, "Α Laboratory Combustion Study of Diesel Particulate Containlng Metal Addltlνes, SAE ρaρer θθq()11. 38. G.Huethwohl, F.Pischinger, G.Lepperhoff, "Se11-Supporting Regeneratlon of Dlesel Particulate Traρa, SAE paρer 870017. 39. Α. Shadev, V.Wong, S.Shahed, "Analysis of Regeneratlon Data for a Cellular Ceramic Particulate Traρ, SAE ρaρer 840076. 40. KPattas, P. Κikidis, A.Stamatellos, "Deνelopments Necessary to Extend Ufe and lmproνe Rellability Ι Performance of Ceramic Smoke traps for Dlesel -Englned Vehicles, Anal Report to EEC. Thessalonlki. September 1988.. 41. Α.Μ.Σταματtλλος, "θεωρητική και Πειραματική Ερευνα της Μόνιμης και Μεταβατικής Λεπουργίας του Κινητήρα Ντήζελ με Στραγγαλισμό της Εξαγωγής". Διδακτορικό Διατριβό, ΑΠθ. θεσ/νίκn 1988. 42. Ζ.Σαμαράς, Χ. Μιχaλοnούλοu, Πρόγραμμα τοποθέτησης παγίδων αιθάλης σε λεωφορεία της ΕΑΣ-Η λεπουργία των 5 πειραματικών λεωφορείων στο διάστημα Μάρτιος - Ιούνιος 1989", 2n Ενδιάuεσn Εκθεσn. Αρ. Εργ. 8905, ΕΕθ, 1989. 43. A. Κonstadopoulos, L.Gratz, J.Johnson, S.Bagley 1 D.Leddy, Ceramlc Partlculate Traps for Diesel Emlsslons Controi-Effects of a ~anganese-copper fuel Additίνe", SAE ρaρer 880009. 44. B.Martin, D.Herrler, "Efficiency of Fυel Additlves on Dlesel Partlculate Trap Regeneration, lnstltut Erancals du Petro!e.

64 Τεχ,ν. Χρον.-8, 1992, τόμ. 12, Τεύχ. 3 45. Handbook of "HAZARDUS AND TOXC EFFECTS OF CHEMCAL", CORPORA τjον - 1979. 46. lnstltut Francais de Toxicologle, Oxyde de Ceήum: Essals de toxlclte algue par νole orale et percu1anee chez le rat, Rapport Νο 301229. Janνler 1983, "Oxyde de Cerium: Essals de toxicite algue par νοίe respiratoire chez le rat, Rapport Νο 30.22.1.Ζ, Fevrier 1983. Κ.Ν. Πάττας, Καθηγητής Χ. Χ. Μιχαλοπούλου, Δρ Μηχjγος Μηχανικός Εργαστήριο Εφαρμοσμένης θερμοδυναμικής Τμήμα Μηχανολόγων, Πολυτεχνική ~λή. Α.Π.θ., θεσσαλονίκη.