Λύσεις — Ενότητα 6.5: Υβριδικό – Ηλιακό αυτοκίνητο – Ρύπανση (σελ. 378) – ΗΛΕΚΤΡΙΚΕΣ ΜΗΧΑΝΕΣ Γ΄ ΕΠΑΛ

Λύσεις — Ενότητα 6.5: Υβριδικό - Ηλιακό αυτοκίνητο - Ρύπανση (σελ. 378)

Λύσεις των 9 ερωτήσεων της ενότητας 6.5: 8 θεωρίας/ερευνητικές και 1 αντιστοίχισης.

Ερώτηση 1 — Τύποι και λειτουργία υβριδικών αυτοκινήτων

Ερώτηση: Τύποι και λειτουργία υβριδικών αυτοκινήτων.

Απάντηση:

• Το υβριδικό αυτοκίνητο συνδυάζει δύο κινητήρες: έναν ηλεκτρικό (για τις μετακινήσεις μέσα στην πόλη, όπου υπάρχει πρόβλημα ρύπανσης) και έναν εσωτερικής καύσης (για εκτός πόλης, όπου χρειάζεται μεγάλη ταχύτητα και αυτονομία) (σελ. 370). Δύο τύποι: α) Παράλληλης λειτουργίας (σχ. 6.54): οι δύο κινητήρες συνδέονται στον ίδιο στροφαλοφόρο άξονα που κινεί τους τροχούς· στις μεγάλες ταχύτητες, μέσω ρυθμιστή στροφών, ενεργοποιείται ο κινητήρας εσωτερικής καύσης (βενζίνης ή πετρελαίου) και στις μικρές ο ηλεκτρικός· η ενεργοποίηση αυτόματα ή χειροκίνητα· κατά την πέδηση χρησιμοποιείται πάντα ο ηλεκτρικός κινητήρας ως γεννήτρια — ασφαλής πέδηση και φόρτιση των συσσωρευτών. β) Λειτουργίας σειράς (σχ. 6.55-6.57): οι δύο κινητήρες λειτουργούν ταυτόχρονα — ο Μ.Ε.Κ. περιστρέφει μία γεννήτρια (ή δύο), που τροφοδοτεί τον ηλεκτρικό κινητήρα (ή δύο, έναν ανά μπροστινό τροχό), ο οποίος κινεί τον άξονα· υπάρχουν συσσωρευτές, ρυθμιστής (συσκευή ελέγχου), δεξαμενή καυσίμου, υδρόψυξη. Λειτουργία: σε σταθερή ταχύτητα ταξιδιού η ισχύς των γεννητριών πάει στους κινητήρες μέσω του ρυθμιστή· σε χαμηλότερες ταχύτητες η επιπλέον ισχύς φορτίζει τους συσσωρευτές· στην επιτάχυνση/ανάγκη πρόσθετης ισχύος οι κινητήρες παίρνουν ισχύ και από τους συσσωρευτές· στην επιβράδυνση οι κινητήρες γίνονται γεννήτριες και φορτίζουν τους συσσωρευτές· ο επιταχυντής ρυθμίζει ηλεκτρονικά τη ροή ισχύος, την ταχύτητα και τη φόρτιση/εκφόρτιση. Ο Μ.Ε.Κ. λειτουργεί σε σταθερές, οικονομικές στροφές. Το υβριδικό μπορεί να καλύψει άμεσα ανάγκες υπηρεσιών, εταιρειών και ιδιωτών.

Σύνοψη: (ενδεικτική) Υβριδικό = ηλεκτρικός (πόλη) + Μ.Ε.Κ. (εκτός πόλης). Παράλληλης λειτουργίας: και οι δύο στον ίδιο άξονα, μικρές ταχύτητες ηλεκτρικός/μεγάλες Μ.Ε.Κ., πέδηση με τον ηλεκτρικό ως γεννήτρια. Σειράς: Μ.Ε.Κ. → γεννήτρια/-ες → ηλεκτροκινητήρας/-ες, συσσωρευτές για αιχμές, φόρτιση σε χαμηλές ταχύτητες και επιβράδυνση, ρυθμιστής-επιταχυντής ελέγχει τη ροή ισχύος.

Κριτήρια αξιολόγησης:

• Δύο τύποι + λειτουργία σε φάσεις.

Ερώτηση 2 — Τμήματα ηλιακού αυτοκινήτου

Ερώτηση: Από ποια τμήματα αποτελείται ένα ηλιακό αυτοκίνητο;

Απάντηση:

• Το ηλιακό αυτοκίνητο είναι ηλεκτρικό αυτοκίνητο που διαθέτει συστοιχία φωτοβολταϊκών κυττάρων για παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας από τον ήλιο (σελ. 374, σχ. 6.59). Τμήματα: 1) Φωτοβολταϊκά κύτταρα (πάνελ στην οροφή/αμάξωμα) — μετατρέπουν την ηλιακή ακτινοβολία σε Σ.Ρ.· 2) Ηλεκτρονικός ρυθμιστής — διαχειρίζεται την ενέργεια: αφενός φορτίζει τη συστοιχία συσσωρευτών, αφετέρου τροφοδοτεί τον αντιστροφέα· 3) Αντιστροφέας DC/AC (inverter) — Σ.Ρ. → 3~ Ε.Ρ. μεταβλητής τάσης-συχνότητας· 4) Συστοιχία συσσωρευτών — αποθήκευση ενέργειας για νύχτα/συννεφιά και αιχμές· 5) Ηλεκτρικός κινητήρας Ε.Ρ. (ασύγχρονος/σύγχρονος) — κίνηση· 6) Τροχοί (μετάδοση). Βρίσκεται σε πειραματικό στάδιο· βασικό μειονέκτημα η μικρή απόδοση των Φ/Β (~5 %).

Σύνοψη: (ενδεικτική) Φωτοβολταϊκά κύτταρα → ηλεκτρονικός ρυθμιστής → συστοιχία συσσωρευτών και αντιστροφέας DC/AC → ηλεκτρικός κινητήρας Ε.Ρ. → τροχοί (σχ. 6.59).

Κριτήρια αξιολόγησης:

• Τα έξι τμήματα.

Ερώτηση 3 — Συμβολή του ηλεκτρικού αυτοκινήτου στη μείωση της ρύπανσης

Ερώτηση: Πώς μπορεί να συμβάλει το ηλεκτρικό αυτοκίνητο στην ελάττωση της ρύπανσης της ατμόσφαιρας;

Απάντηση:

• Το αυτοκίνητο με Μ.Ε.Κ. είναι από τις σημαντικότερες πηγές ρύπανσης στα μεγάλα αστικά κέντρα (καπνός, CO, Pb, υδρογονάνθρακες, NOx, SOx — σελ. 374-375). Το ηλεκτρικό αυτοκίνητο δεν έχει καυσαέρια: ο ηλεκτρικός κινητήρας δεν καίει καύσιμο, οπότε δεν εκπέμπει τοπικά CO, CxHy, NOx, καπνό, μόλυβδο — η διάδοσή του θα δώσει λύση στην ατμοσφαιρική ρύπανση των πόλεων από τα καυσαέρια (σελ. 376) και θα βελτιώσει τις συνθήκες διαβίωσης· επιπλέον είναι αθόρυβο, έχει μεγαλύτερο βαθμό απόδοσης και ανακτά ενέργεια στην πέδηση (μικρότερη συνολική κατανάλωση ενέργειας), ενώ η παραγωγή της ηλεκτρικής ενέργειας μπορεί να γίνεται κεντρικά με έλεγχο ρύπων ή από ανανεώσιμες πηγές (ηλιακό αυτοκίνητο). Η διάδοση όμως προχωρά αργά λόγω τεχνικών προβλημάτων — κυρίως η ανάγκη για φθηνούς, ελαφρούς συσσωρευτές μεγάλης χωρητικότητας (αυτονομία)· γι' αυτό στο άμεσο μέλλον το υβριδικό (ηλεκτρικό μέσα στην πόλη) μπορεί να καλύψει ανάγκες δημόσιων υπηρεσιών, εταιρειών και ιδιωτών, μαζί με κίνητρα αγοράς-συντήρησης.

Σύνοψη: (ενδεικτική) Χωρίς καυσαέρια (CO, CxHy, NOx, καπνός, Pb) στους δρόμους → λύση στη ρύπανση των πόλεων, αθόρυβο, αποδοτικότερο, ανάκτηση ενέργειας, κεντρική/ανανεώσιμη παραγωγή· εμπόδιο οι συσσωρευτές, άμεσα το υβριδικό με κίνητρα.

Κριτήρια αξιολόγησης:

• Μηδενικές τοπικές εκπομπές + άλλα οφέλη + εμπόδιο.

Ερώτηση 4 — Πλεονεκτήματα-μειονεκτήματα ηλιακού αυτοκινήτου

Ερώτηση: Πλεονεκτήματα-μειονεκτήματα ηλιακού αυτοκινήτου.

Απάντηση:

• Πλεονεκτήματα: ● χρησιμοποιεί δωρεάν, ανεξάντλητη, καθαρή ενέργεια (ηλιακή) — μηδενικοί ρύποι και στη χρήση και στην παραγωγή της ενέργειας· ● αθόρυβο, με χαμηλό κόστος λειτουργίας (χωρίς καύσιμο, ελάχιστη συντήρηση ηλεκτρικού κινητήρα)· ● αυτονομία από το δίκτυο — φορτίζει τους συσσωρευτές του ακόμη και σταθμευμένο· ● η ερευνητική προσπάθεια δίνει πολύτιμα συμπεράσματα για την εκμετάλλευση της ηλιακής ενέργειας (σελ. 374). Μειονεκτήματα: ● η μικρή απόδοση των φωτοβολταϊκών κυττάρων (~5 %) → μικρή διαθέσιμη ισχύς, μικρές επιδόσεις/αυτονομία, ανάγκη μεγάλης επιφάνειας Φ/Β και πολύ ελαφριάς κατασκευής· ● εξάρτηση από την ηλιοφάνεια (νύχτα, συννεφιά, χειμώνας) — απαραίτητοι συσσωρευτές· ● υψηλό κόστος Φ/Β και συσσωρευτών· ● βρίσκεται σε πειραματικό στάδιο (αγώνες, πρωτότυπα), όχι εμπορική λύση.

Σύνοψη: (ενδεικτική) +: καθαρή δωρεάν ηλιακή ενέργεια, μηδενικοί ρύποι, αθόρυβο, χαμηλό κόστος λειτουργίας, αυτονομία, ερευνητικά συμπεράσματα· −: απόδοση Φ/Β ~5 % (μικρή ισχύς-αυτονομία), εξάρτηση από ηλιοφάνεια, υψηλό κόστος, πειραματικό στάδιο.

Κριτήρια αξιολόγησης:

• Λίστα +/−.

Ερώτηση 5 — Κυριότεροι ρύποι με συμμετοχή του αυτοκινήτου

Ερώτηση: Αναφέρετε τους κυριότερους ρύπους στους οποίους συμμετέχει το αυτοκίνητο.

Απάντηση:

• Οι κυριότεροι ρύποι στους οποίους έχει μεγάλη συμμετοχή το αυτοκίνητο (σελ. 374-375): ● καπνός (αιθάλη — κυρίως πετρελαιοκίνητα)· ● μονοξείδιο του άνθρακα (CO) — ατελής καύση· ● μόλυβδος (Pb) — από τα πρόσθετα της βενζίνης (γι' αυτό η αμόλυβδη)· ● υδρογονάνθρακες (CxHy) — άκαυστο καύσιμο, κυρίως βενζινοκίνητα· ● αμίαντος — από φθορά φρένων/συμπλέκτη· ● οξείδια του αζώτου (NOx) και ● οξείδια του θείου (SOx) — από όλα τα αυτοκίνητα (υψηλές θερμοκρασίες καύσης, θείο του καυσίμου). Συμβάλλουν στο νέφος, στην όξινη βροχή και στα προβλήματα υγείας των αστικών κέντρων.

Σύνοψη: (ενδεικτική) Καπνός (πετρελαιοκίνητα), CO, μόλυβδος Pb, υδρογονάνθρακες CxHy (βενζινοκίνητα), αμίαντος, οξείδια αζώτου NOx και θείου SOx (όλα).

Κριτήρια αξιολόγησης:

• Οι επτά ρύποι.

Ερώτηση 6 — Μέγιστα επιτρεπόμενα όρια ρύπων αυτοκινήτων

Ερώτηση: Γράψτε τα μέγιστα επιτρεπόμενα όρια ρύπων αυτοκινήτων (πηγή πληροφοριών είναι το ΠΕΡΠΑ, το Υπουργείο Συγκοινωνιών, τα συνεργεία αυτοκινήτων που εκδίδουν Κάρτα Ελέγχου Καυσαερίων).

Απάντηση:

• Η ερώτηση είναι ερευνητική — το βιβλίο δεν δίνει αριθμούς, παραπέμπει στο ΠΕΡΠΑ, το Υπουργείο Συγκοινωνιών και τα συνεργεία που εκδίδουν Κάρτα Ελέγχου Καυσαερίων (ΚΕΚ)· τα όρια αλλάζουν με τη νομοθεσία, γι' αυτό ο μαθητής πρέπει να τα επιβεβαιώσει από τρέχουσα πηγή. Ενδεικτικά όρια ΚΕΚ (Ελλάδα, περιοδικός έλεγχος εν χρήσει οχημάτων): Βενζινοκίνητα χωρίς καταλύτη: CO ≤ 4,5 % κατ' όγκο (ταξινομημένα πριν από 1/10/1986) ή ≤ 3,5 % (μετά), HC ≤ 1200-1000 ppm· βενζινοκίνητα με καταλύτη: στο ρελαντί CO ≤ 0,5 % (Euro 3+ ≤ 0,3 %), στις αυξημένες στροφές (≥ 2000 rpm) CO ≤ 0,3 % (≤ 0,2 %), HC ≤ 100 ppm και λ = 1 ± 0,03· πετρελαιοκίνητα: θολερότητα καπνού (συντελεστής απορρόφησης k) ≤ 2,5 m⁻¹ (ατμοσφαιρικοί) ή ≤ 3,0 m⁻¹ (υπερτροφοδοτούμενοι), Euro 4+ ≤ 1,5 m⁻¹. Όρια έγκρισης τύπου νέων οχημάτων (Ε.Ε., Euro): π.χ. Euro 4 βενζίνη CO 1,0 g/km, HC 0,10, NOx 0,08· Euro 6 βενζίνη CO 1,0, NOx 0,06, ντίζελ CO 0,5, NOx 0,08, σωματίδια 0,005 g/km. Ο μαθητής καταγράφει τις τιμές που ισχύουν κατά την ημερομηνία της εργασίας του από την ΚΕΚ/το ΚΤΕΟ.

Σύνοψη: (ενδεικτική) Ερευνητική ερώτηση — όρια από ΠΕΡΠΑ/Υπ. Συγκοινωνιών/ΚΕΚ (αλλάζουν): ενδεικτικά ΚΕΚ βενζίνη χωρίς καταλύτη CO ≤ 3,5-4,5 %, HC ≤ 1000-1200 ppm· με καταλύτη CO ≤ 0,5 % ρελαντί/≤ 0,3 % στις 2000 rpm, λ = 1 ± 0,03· ντίζελ θολερότητα k ≤ 2,5-3,0 m⁻¹· Euro 6: βενζίνη CO 1,0/NOx 0,06 g/km, ντίζελ CO 0,5/NOx 0,08/PM 0,005.

Κριτήρια αξιολόγησης:

• Δήλωση πηγής + ενδεικτικές τιμές.

Ερώτηση 7 — Συνηθέστερα αίτια υπέρβασης των ορίων ρύπων

Ερώτηση: Αναφέρετε τα συνηθέστερα αίτια υπέρβασης των ορίων ρύπων, από τα αυτοκίνητα.

Απάντηση:

• Με βάση τη λειτουργία των Μ.Ε.Κ. και την πρακτική των συνεργείων, τα συνηθέστερα αίτια είναι: ① κακή ρύθμιση/λειτουργία του συστήματος τροφοδοσίας — πλούσιο μείγμα (καρμπυρατέρ, ψεκασμός, αισθητήρες λ, θερμοκρασίας, ροής αέρα), βρώμικο φίλτρο αέρα → αυξημένο CO και HC· ② κακή ανάφλεξη — φθαρμένα μπουζί, καλώδια, λάθος αβάνς → άκαυστοι υδρογονάνθρακες· ③ φθαρμένος ή κατεστραμμένος καταλύτης, ελαττωματικός αισθητήρας λ (λ ≠ 1)· ④ μηχανική φθορά κινητήρα (ελατήρια, βαλβίδες, οδηγοί) → κατανάλωση λαδιού, καπνός, HC· ⑤ στα πετρελαιοκίνητα κακή ρύθμιση αντλίας/μπεκ, βουλωμένα ή φθαρμένα μπεκ, υπερβολική παροχή, βρώμικο φίλτρο αέρα, φθαρμένος υπερσυμπιεστής → καπνός (θολερότητα)· ⑥ έλλειψη συντήρησης γενικά (φίλτρα, λάδια, ρυθμίσεις), παλαιότητα του οχήματος και μεγάλα διανυθέντα χιλιόμετρα· ⑦ κακής ποιότητας ή ακατάλληλο καύσιμο (νοθεία, μολυβδούχο σε καταλυτικό) και αφαίρεση/παράκαμψη αντιρρυπαντικών διατάξεων (EGR, καταλύτης, φίλτρο σωματιδίων)· ⑧ συνθήκες οδήγησης: κρύος κινητήρας, ρελαντί σε μποτιλιάρισμα, απότομες επιταχύνσεις, υπερφόρτωση. Το βιβλίο τονίζει ως γενικό αίτιο την ελλιπή τεχνολογία κινητήρων/καυσίμων — γι' αυτό κινητήρες χαμηλών εκπομπών και αμόλυβδη βενζίνη.

Σύνοψη: (ενδεικτική) Κακή ρύθμιση τροφοδοσίας/πλούσιο μείγμα, κακή ανάφλεξη, φθαρμένος καταλύτης ή αισθητήρας λ, μηχανική φθορά (λάδι-καπνός), κακή ρύθμιση αντλίας-μπεκ ντίζελ, έλλειψη συντήρησης-παλαιότητα, κακό καύσιμο/αφαίρεση αντιρρυπαντικών, κρύος κινητήρας-ρελαντί-απότομη οδήγηση.

Κριτήρια αξιολόγησης:

• Λίστα αιτίων (τεχνικά και συντήρησης).

Ερώτηση 8 — Τρόποι αντιμετώπισης της ρύπανσης από την αυτοκίνηση

Ερώτηση: Προτείνετε τρόπους αντιμετώπισης του προβλήματος της ρύπανσης της ατμόσφαιρας που συνδέονται με την αυτοκίνηση.

Απάντηση:

• Από το βιβλίο (σελ. 375-377) και τη σύγχρονη πρακτική: ① Κατασκευή κινητήρων χαμηλών εκπομπών (ψεκασμός, καταλύτες, EGR, φίλτρα σωματιδίων) και καύσιμο καλύτερης ποιότητας χωρίς μόλυβδο, εναλλακτικά νέα καύσιμα (φυσικό αέριο, LPG, βιοκαύσιμα, υδρογόνο)· ② αυστηρότερα όρια εκπομπής και μηχανισμοί ελέγχου (Ε.Ε./Euro, ΚΤΕΟ, Κάρτα Ελέγχου Καυσαερίων) — απόσυρση παλαιών ρυπογόνων οχημάτων· ③ ανάπτυξη και διάδοση του ηλεκτρικού αυτοκινήτου — τεχνολογία φθηνών, ελαφρών συσσωρευτών μεγάλης χωρητικότητας, υποδομές φόρτισης — με κίνητρα για αγορά και συντήρηση ηλεκτρικών αυτοκινήτων· ④ υβριδικά οχήματα άμεσα για δημόσιες υπηρεσίες, εταιρείες, ιδιώτες (ηλεκτρική κίνηση μέσα στην πόλη)· ⑤ ηλιακή/ανανεώσιμη ενέργεια για την παραγωγή της ηλεκτρικής ενέργειας κίνησης· ⑥ σωστή συντήρηση των οχημάτων (ρυθμίσεις, φίλτρα, καταλύτης) και οικονομική οδήγηση· ⑦ μέτρα κυκλοφοριακής πολιτικής: δημόσιες συγκοινωνίες (ηλεκτρικές — μετρό, τρόλεϊ, τραμ), ποδήλατο, περιορισμοί κυκλοφορίας/δακτύλιος, πεζοδρομήσεις, μείωση μποτιλιαρίσματος· ⑧ παράλληλη βελτίωση του συμβατικού αυτοκινήτου (κατανάλωση, βάρος) όσο διαρκεί η μετάβαση.

Σύνοψη: (ενδεικτική) Κινητήρες χαμηλών εκπομπών και αμόλυβδα/εναλλακτικά καύσιμα· αυστηρά όρια-έλεγχοι (Euro, ΚΕΚ)· διάδοση ηλεκτρικού αυτοκινήτου (συσσωρευτές, υποδομές, κίνητρα)· υβριδικά άμεσα· ανανεώσιμη ενέργεια· συντήρηση-οικονομική οδήγηση· ηλεκτρικές δημόσιες συγκοινωνίες, περιορισμοί κυκλοφορίας· βελτίωση συμβατικού.

Κριτήρια αξιολόγησης:

• Τεχνικά + θεσμικά + κυκλοφοριακά μέτρα.

Ερώτηση 9 (αντιστοίχιση) — Υβριδικό, ηλιακό, ηλεκτρικό αυτοκίνητο

Ερώτηση: Συνδέστε με γραμμή τα αντίστοιχα: Υβριδικό αυτοκίνητο, Ηλιακό αυτοκίνητο, Ηλεκτρικό αυτοκίνητο — Φωτοβολταϊκό κύτταρο, Κινητήρας εσωτερικής καύσης και Ηλεκτροκινητήρας, Ηλεκτρικός κινητήρας.

Απάντηση:

• Υβριδικό αυτοκίνητο → Κινητήρας εσωτερικής καύσης και ηλεκτροκινητήρας (συνδυασμός δύο κινητήρων, σελ. 370).
• Ηλιακό αυτοκίνητο → Φωτοβολταϊκό κύτταρο (παραγωγή ενέργειας από τον ήλιο, σελ. 374).
• Ηλεκτρικό αυτοκίνητο → Ηλεκτρικός κινητήρας (μόνο ηλεκτρική κίνηση από συσσωρευτές, σελ. 321).

Σύνοψη: Υβριδικό = Μ.Ε.Κ. + ηλεκτροκινητήρας· ηλιακό = φωτοβολταϊκό κύτταρο· ηλεκτρικό = ηλεκτρικός κινητήρας.

Κριτήρια αξιολόγησης:

• Τρεις αντιστοιχίσεις.