Λύσεις — Κεφάλαιο 4: Συστήματα ελέγχου και εκπομπής ρύπων (σελ. 161) – ΜΗΧΑΝΕΣ ΕΣΩΤΕΡΙΚΗΣ ΚΑΥΣΗΣ ΙΙ Γ΄ ΕΠΑΛ

Λύσεις — Κεφάλαιο 4: Συστήματα ελέγχου και εκπομπής ρύπων (σελ. 161)

Λύσεις των 9 ερωτήσεων του κεφαλαίου 4 (ανάπτυξης· οι 6 και 9 με αριθμητική απάντηση).

Ερώτηση 1 — Συστήματα ελέγχου εκπομπών ρύπων

Ερώτηση: Ποια είναι τα συστήματα ελέγχου των εκπομπών ρύπων;

Απάντηση:

• Για τον έλεγχο της εκπομπής ρύπων από το αυτοκίνητο, εκτός από τον καταλυτικό μετατροπέα (οξειδωτικό/τριοδικό, με ή χωρίς ρύθμιση μέσω αισθητήρα λ), χρησιμοποιούνται τα εξής συστήματα (σελ. 137): 1. Σύστημα ελέγχου αναθυμιάσεων από το ρεζερβουάρ — δοχείο ενεργού άνθρακα (EVAP) με ρυθμιστική βαλβίδα εξαερισμού (με ρυθμιστή κενού ή ηλεκτρομαγνητική PCSV) και σωληνώσεις· οι αναθυμιάσεις βενζίνης παγιδεύονται και οδηγούνται στους κυλίνδρους για καύση. 2. Σύστημα ανακυκλοφορίας καυσαερίων (EGR) — βαλβίδα EGR σε αγωγό από την πολλαπλή εξαγωγής προς την εισαγωγή, για τη μείωση των οξειδίων του αζώτου (NOx) με μείωση της θερμοκρασίας καύσης. 3. Σύστημα θετικού εξαερισμού του στροφαλοθαλάμου (PCV) — διαχωριστής λαδιού και βαλβίδα PCV που στέλνουν τις αναθυμιάσεις του στροφαλοθαλάμου (αέρια από τα ελατήρια, ατμοί λαδιού) στην πολλαπλή εισαγωγής για καύση.

Σύνοψη: (ενδεικτική) Εκτός από τον καταλύτη: 1. σύστημα ελέγχου αναθυμιάσεων ρεζερβουάρ (κάνιστρο ενεργού άνθρακα, EVAP), 2. σύστημα ανακυκλοφορίας καυσαερίων EGR (μείωση NOx), 3. σύστημα θετικού εξαερισμού στροφαλοθαλάμου PCV.

Κριτήρια αξιολόγησης:

• Τρία συστήματα + καταλύτης.

Ερώτηση 2 — Γιατί είναι αναγκαία η εξαέρωση του ρεζερβουάρ

Ερώτηση: Γιατί είναι αναγκαία η εξαέρωση του ρεζερβουάρ καυσίμου;

Απάντηση:

• Η εξαέρωση (εξαερισμός) του ρεζερβουάρ είναι αναγκαία για δύο λόγους (σελ. 138-140): α) Πίεση από τις αναθυμιάσεις. Κατά τον ανεφοδιασμό η πίεση στο ρεζερβουάρ εξισώνεται με την ατμοσφαιρική· μόλις κλείσει η τάπα, η εξάτμιση της βενζίνης αυξάνει την πίεση στο εσωτερικό. Οι αναθυμιάσεις πρέπει να διαφύγουν με ελεγχόμενο τρόπο — όχι στο περιβάλλον (η τάπα έχει αντεπίστροφη βαλβίδα), αλλά μέσω βαλβίδας προς το δοχείο ενεργού άνθρακα, όπου παγιδεύονται και στη συνέχεια καίγονται στους κυλίνδρους· διαφορετικά ρυπαίνεται η ατμόσφαιρα με άκαυστους υδρογονάνθρακες — οι ετήσιες αναθυμιάσεις ενός ρεζερβουάρ είναι περίπου ίσες με όσες εκπέμπει η εξάτμιση ενός καταλυτικού αυτοκινήτου σε ένα έτος. β) Υποπίεση. Όταν το ρεζερβουάρ ψύχεται ή πέφτει η στάθμη του καυσίμου (κατανάλωση), δημιουργείται υποπίεση· πρέπει να εισαχθεί αέρας από το περιβάλλον, αλλιώς το ρεζερβουάρ θα παραμορφωθεί (και θα δυσχερανθεί η τροφοδοσία της αντλίας). Αυτό γίνεται με βαλβίδα μονής κατεύθυνσης ή δίοδο βαλβίδα (σωλήνας εκπνοής) που επιτρέπει να μπαίνει ή να βγαίνει αέρας.

Σύνοψη: (ενδεικτική) Α) Με κλειστή τάπα η εξάτμιση της βενζίνης ανεβάζει την πίεση — οι αναθυμιάσεις πρέπει να διαφύγουν ελεγχόμενα προς το κάνιστρο ενεργού άνθρακα (όχι στο περιβάλλον: ετήσιες αναθυμιάσεις ≈ εκπομπές εξάτμισης καταλυτικού)· β) σε ψύξη/πτώση στάθμης δημιουργείται υποπίεση και πρέπει να μπει αέρας, αλλιώς το ρεζερβουάρ παραμορφώνεται.

Κριτήρια αξιολόγησης:

• Υπερπίεση + υποπίεση.

Ερώτηση 3 — Πώς γίνεται η ανακυκλοφορία καυσαερίων και γιατί

Ερώτηση: Πώς γίνεται η ανακυκλοφορία των καυσαερίων και γιατί;

Απάντηση:

• Γιατί: τα οξείδια του αζώτου (NOx) σχηματίζονται στην καύση όταν στους θαλάμους επικρατούν υψηλές πιέσεις και θερμοκρασίες. Με την ανακυκλοφορία μιας μικρής ποσότητας καυσαερίων στην πολλαπλή εισαγωγής μειώνεται η θερμοκρασία στους θαλάμους καύσης (τα καυσαέρια, σχετικά ψυχρά, T ≈ 600 °C, και αδρανή, απορροφούν θερμότητα) και έτσι περιορίζονται κατά ~30 % τα NOx (σελ. 141). Πώς: ένας αγωγός συνδέει την πολλαπλή εξαγωγής με την πολλαπλή εισαγωγής· η ροή ελέγχεται από τη βαλβίδα EGR (ενσωματωμένη στον αγωγό), ηλεκτρομαγνητική ή με διάφραγμα-ελατήριο-κωνική βαλβίδα που ανοίγει με υποπίεση. Ο εγκέφαλος του συστήματος ψεκασμού, με βάση τα σήματα των αισθητήρων (στροφές, φορτίο, θερμοκρασία), υπολογίζει την επιτρεπτή ποσότητα και ανοιγοκλείνει τη βαλβίδα με ηλεκτρικούς παλμούς (άνοιγμα ανάλογο του ρεύματος του πηνίου, ελατήριο επαναφοράς την κλείνει)· στις εκδόσεις με υποπίεση παρεμβάλλεται ρυθμιστής κενού στον αγωγό υποπίεσης: απενεργοποιημένος → μπαίνει αέρας από φίλτρο, η υποπίεση δεν αρκεί, βαλβίδα κλειστή· ενεργοποιημένος από τον εγκέφαλο (μεταβλητοί παλμοί) → κλείνει μαγνητικά την επίπεδη βαλβίδα, σχηματίζεται υποπίεση στο διάφραγμα και ανοίγει η EGR. Δεν γίνεται ανακυκλοφορία στις ακραίες θέσεις της πεταλούδας (ρελαντί, υψηλά φορτία) ούτε πριν την προθέρμανση (θερμικός διακόπτης)· αισθητήρας θερμοκρασίας EGRT για διάγνωση (πολύ ζεστή → μόνιμα ανοικτή, κρύα → δεν ανοίγει).

Σύνοψη: (ενδεικτική) Γιατί: μείωση της θερμοκρασίας καύσης → −30 % NOx. Πώς: αγωγός πολλαπλή εξαγωγής → εισαγωγής με βαλβίδα EGR (ηλεκτρομαγνητική ή διαφράγματος με ρυθμιστή κενού), που ανοιγοκλείνει ο εγκέφαλος με παλμούς κατά στροφές/φορτίο· καυσαέρια ~600 °C· όχι στο ρελαντί/πλήρες φορτίο/κρύο κινητήρα· EGRT για διάγνωση.

Κριτήρια αξιολόγησης:

• Γιατί + πώς + πότε όχι.

Ερώτηση 4 — Εξαερισμός στροφαλοθαλάμου και καύση αναθυμιάσεων

Ερώτηση: Τι είναι ο εξαερισμός στροφαλοθαλάμου και πώς γίνεται η καύση των αναθυμιάσεων από τον στροφαλοθάλαμο;

Απάντηση:

• Τι είναι: κατά τη λειτουργία, μια ποσότητα αερίων από τον θάλαμο καύσης διαφεύγει από τα ελατήρια των εμβόλων προς τον στροφαλοθάλαμο (blow-by), όπου δημιουργούνται και ατμοί λαδιού. Τα αέρια αυτά πρέπει να απομακρύνονται ώστε να μη δημιουργηθεί μεγάλη εσωτερική πίεση στον στροφαλοθάλαμο (διαρροές λαδιού, φθορά). Παλαιότερα διέφευγαν στην ατμόσφαιρα (ρύπανση με άκαυστους HC)· το σύστημα θετικού εξαερισμού στροφαλοθαλάμου (PCV) έχει σκοπό τη διοχέτευση των αναθυμιάσεων στην πολλαπλή εισαγωγής (σελ. 145-146). Πώς γίνεται η καύση: οι αναθυμιάσεις περνούν από τον διαχωριστή λαδιού (κρατά τις σταγόνες λαδιού) και τη βαλβίδα PCV (βαλβίδα υποπίεσης) που βρίσκεται πάνω στο καπάκι των βαλβίδων/εκκεντροφόρου· είναι μονόδρομη, με προφορτισμένο ελατήριο που ελέγχει το άνοιγμα και τη ροή, και ανοίγει μόνο όταν η πίεση είναι θετική / όταν ασκείται υποπίεση από την πολλαπλή εισαγωγής με το άνοιγμα της πεταλούδας. Από εκεί τα αέρια εισάγονται στο σύστημα εισαγωγής (πριν από την πεταλούδα ή στην πολλαπλή), αναμειγνύονται με τον αναρροφούμενο αέρα και καίγονται στους κυλίνδρους μαζί με το μείγμα. Σε άλλα συστήματα, στις μεσαίες στροφές αναρροφάται φρέσκος αέρας (από το φίλτρο αέρα) στον στροφαλοθάλαμο, που παρασύρει τα αέρια προς την πολλαπλή εισαγωγής μέσω της PCV.

Σύνοψη: (ενδεικτική) Απομάκρυνση από τον στροφαλοθάλαμο των αερίων που διαφεύγουν από τα ελατήρια και των ατμών λαδιού (αποφυγή πίεσης, όχι στην ατμόσφαιρα)· PCV: διαχωριστής λαδιού → μονόδρομη βαλβίδα PCV στο καπάκι βαλβίδων (ελατήριο, ανοίγει με υποπίεση/θετική πίεση) → πολλαπλή εισαγωγής πριν την πεταλούδα → καύση στους κυλίνδρους (ή φρέσκος αέρας που παρασύρει τα αέρια).

Κριτήρια αξιολόγησης:

• Ορισμός + διαδρομή.

Ερώτηση 5 — Είδη καταλυτών ως προς τη μέθοδο κατασκευής

Ερώτηση: Πόσα είδη καταλυτών ως προς τη μέθοδο κατασκευής υπάρχουν και ποιες οι διαφορές τους;

Απάντηση:

• Κατασκευαστικά οι καταλυτικοί μετατροπείς διαχωρίζονται (σελ. 151-153) α) σε διπλής ή μονής κλίνης και β) σε κεραμικούς ή μεταλλικούς. Διπλής κλίνης: ο αναγωγικός (ρόδιο) και ο οξειδωτικός (πλατίνα) καταλύτης είναι χωρισμένοι — σε διαφορετικά κεραμικά στοιχεία μέσα στο ίδιο κέλυφος, σε απόσταση που συγκρατεί μια εγκάρσια εσοχή (παλαιότερα ο αναγωγικός πριν τον οξειδωτικό)· μονής κλίνης: ανάμειξη Pt + Rh σε όλο το ενεργό μήκος ενός μονόλιθου (σήμερα αποτελεσματικότερη). Κεραμικοί μονόλιθοι: κεραμικό στοιχείο με πολλά κανάλια τετραγωνικής διατομής, ~240 κανάλια/in², τοιχώματα 0,30 mm → 0,15 mm (μείωση αντίθλιψης)· επίστρωση αλουμίνας + καταλυτικό υλικό· επειδή το κεραμικό είναι ευαίσθητο στα κτυπήματα, ανάμεσα σε κέλυφος και μονόλιθο υπάρχει ελαστική προστατευτική ψάθα (συρμάτινο πλέγμα, κεραμικές ίνες ή ρητίνη) που απορροφά και τις διαφορετικές συστολοδιαστολές· φθηνότεροι, μεγαλύτερη θερμοχωρητικότητα (αργή προθέρμανση), κίνδυνος υπερθέρμανσης κοντά στον κινητήρα. Μεταλλικοί: εξ ολοκλήρου μεταλλικοί — κυματοειδής λαμαρίνα τυλιγμένη ομόκεντρα που σχηματίζει κανάλια τριγωνικής διατομής με τοιχώματα 0,07-0,04 mm (ελάχιστη αντίθλιψη), με αλουμίνα και καταλυτικό υλικό όπως οι κεραμικοί· πλεονεκτήματα: 10πλάσια θερμοαγωγιμότητα (αποβολή θερμότητας — δεν κινδυνεύουν σε συνεχή υψηλή ταχύτητα, ακόμη και κοντά στον κινητήρα, π.χ. Porsche), μικρή θερμοχωρητικότητα → γρήγορη προθέρμανση, καλύτερη ψυχρή εκκίνηση, ανθεκτικοί στα κτυπήματα· μειονέκτημα: δαπανηρότεροι (ακριβά αυτοκίνητα).

Σύνοψη: (ενδεικτική) Δύο διακρίσεις: α) διπλής κλίνης (Rh και Pt σε χωριστά στοιχεία) / μονής κλίνης (ανάμειξη Pt+Rh)· β) κεραμικοί (μονόλιθος, 240 κανάλια/in², τοιχώματα 0,30-0,15 mm, προστατευτική ψάθα, ευαίσθητοι, φθηνοί, αργή προθέρμανση) / μεταλλικοί (κυματοειδής λαμαρίνα, τριγωνικά κανάλια 0,07-0,04 mm, 10× θερμοαγωγιμότητα, γρήγορη προθέρμανση, ανθεκτικοί, ακριβοί).

Κριτήρια αξιολόγησης:

• Δύο κριτήρια + διαφορές.

Ερώτηση 6 — Θερμοκρασία ενεργοποίησης του καταλύτη

Ερώτηση: Από ποια θερμοκρασία και πάνω ενεργοποιείται ο καταλύτης;

Απάντηση:

• Απαραίτητη προϋπόθεση για την οξείδωση και την αναγωγή, εκτός από την παρουσία των καταλυτικών μετάλλων, είναι η σωστή θερμοκρασία λειτουργίας, που για τους περισσότερους καταλύτες είναι υψηλότερη από 250 °C (περίπου 250-300 °C — σελ. 153, 159). Κατά την εκκίνηση με κρύο κινητήρα ο καταλύτης δεν είναι ενεργός μέχρι να αποκτήσουν τη θερμοκρασία λειτουργίας πρώτα ο κινητήρας και μετά ο ίδιος. Για να περιοριστεί ο χρόνος προθέρμανσης χρησιμοποιούνται: 1. ηλεκτρική αντίσταση προθέρμανσης ελεγχόμενη από την ECU (ακριβά, μεγάλου κυβισμού)· 2. τοποθέτηση κοντά στην πολλαπλή εξαγωγής (μικρού κυβισμού — κίνδυνος υπερθέρμανσης σε παρατεταμένη υψηλή ταχύτητα)· 3. φτώχεμα του μείγματος αμέσως μετά την εκκίνηση (πολλαπλός ψεκασμός) → θερμότερα καυσαέρια. Οι μεταλλικοί καταλύτες, λόγω μικρής θερμοχωρητικότητας, ενεργοποιούνται γρηγορότερα. (Ο αισθητήρας λ λειτουργεί επίσης από τους 250 °C.)

Σύνοψη: Πάνω από 250 °C (250-300 °C) — με κρύο κινητήρα είναι ανενεργός· γρηγορότερη ενεργοποίηση με ηλεκτρική προθέρμανση, θέση κοντά στην εξαγωγή ή φτωχό μείγμα μετά την εκκίνηση.

Κριτήρια αξιολόγησης:

• Τιμή + μέθοδοι προθέρμανσης.

Ερώτηση 7 — Ρύποι που μειώνει ο οξειδωτικός καταλύτης

Ερώτηση: Ένας οξειδωτικός καταλύτης ποιους ρύπους μειώνει;

Απάντηση:

• Ο οξειδωτικός καταλύτης (σελ. 148) μειώνει δύο ρύπους: τους άκαυστους υδρογονάνθρακες (HC) και το μονοξείδιο του άνθρακα (CO). Και τα δύο οξειδώνονται — ενώνονται με οξυγόνο — με τη βοήθεια του καταλύτη πλατίνα (Pt) (ή παλλάδιο, Pd) που είναι ενσωματωμένος στην εξάτμιση, ώστε η καύση να ολοκληρωθεί και να προκύψουν αβλαβή διοξείδιο του άνθρακα (CO₂) και νερό (H₂O). Για να γίνει η οξείδωση χρειάζεται πρόσθετη παροχή αέρα (οξυγόνου) στην περιοχή του καταλύτη, από ειδική αντλία αέρα. Δεν μειώνει τα οξείδια του αζώτου (NOx) — αυτό είναι το βασικό μειονέκτημά του (μαζί με την ανάγκη πρόσθετου αέρα), γι' αυτό συναντάται σε παλαιότερα αυτοκίνητα και αντικαταστάθηκε από τον τριοδικό (Pt + Rh), που επιπλέον ανάγει τα NOx.

Σύνοψη: (ενδεικτική) Τους άκαυστους υδρογονάνθρακες (HC) και το μονοξείδιο του άνθρακα (CO), οξειδώνοντάς τα με πλατίνα και πρόσθετο αέρα σε CO₂ και H₂O· ΔΕΝ μειώνει τα NOx.

Κριτήρια αξιολόγησης:

• HC + CO, όχι NOx.

Ερώτηση 8 — Πώς μετρά ο αισθητήρας λ πλούσιο και φτωχό μείγμα

Ερώτηση: Πώς μετρά ο αισθητήρας λάμδα ένα πλούσιο και ένα φτωχό μείγμα αέρα - καυσίμου;

Απάντηση:

• Ο αισθητήρας λ (σελ. 155-158) είναι βιδωμένος στην εξάτμιση μετά την πολλαπλή εξαγωγής και πριν τον καταλύτη και μετρά συνεχώς το οξυγόνο που απομένει στα καυσαέρια. Αποτελείται από κυλινδρικό κεραμικό στοιχείο του οποίου η εσωτερική πλευρά έρχεται σε επαφή με τον ατμοσφαιρικό αέρα (στοιχείο αναφοράς) και η εξωτερική, προστατευμένη από μεταλλικό περίβλημα με τρύπες, με τα καυσαέρια· μετρά τη διαφορά περιεκτικότητας οξυγόνου μεταξύ των δύο πλευρών και την εκφράζει ως τάση 0-1 V. Πλούσιο μείγμα: καταναλώθηκε σχεδόν όλο το οξυγόνο στην καύση → λίγο οξυγόνο στα καυσαέρια → μεγάλη διαφορά από τον ατμοσφαιρικό αέρα → υψηλή τάση (≈ 0,8-1 V). Φτωχό μείγμα: περίσσεψε αέρας → πολύ οξυγόνο στα καυσαέρια → μικρή διαφορά → χαμηλή τάση (≈ 0-0,2 V). Η τάση μεταφέρεται στην ECU, που σε φτωχό μείγμα εμπλουτίζει και σε πλούσιο φτωχαίνει την ψεκαζόμενη ποσότητα — συνεχής κύκλος ρύθμισης γύρω από το στοιχειομετρικό λ = 1. Λειτουργεί σε θερμοκρασίες > 250 °C — γι' αυτό πολλοί αισθητήρες έχουν θερμαντική αντίσταση (3-4 καλώδια) ή ο κινητήρας δουλεύει με φτωχό μείγμα μετά την κρύα εκκίνηση.

Σύνοψη: (ενδεικτική) Μετρά τη διαφορά οξυγόνου μεταξύ καυσαερίων (εξωτερικά) και ατμοσφαιρικού αέρα αναφοράς (εσωτερικά) σε κεραμικό στοιχείο → τάση 0-1 V: πλούσιο = λίγο O₂ στα καυσαέρια = μεγάλη διαφορά = ~0,8-1 V· φτωχό = πολύ O₂ = ~0-0,2 V· η ECU φτωχαίνει/εμπλουτίζει εναλλάξ (λ = 1)· > 250 °C, θερμαινόμενος.

Κριτήρια αξιολόγησης:

• Αρχή + τάσεις + κύκλος.

Ερώτηση 9 — Στοιχειομετρικό μείγμα αέρα - καυσίμου

Ερώτηση: Τι σημαίνει στοιχειομετρικό μείγμα αέρα - καυσίμου;

Απάντηση:

• Στοιχειομετρικό είναι το μείγμα που περιέχει ακριβώς τόσον αέρα όσος χρειάζεται για την πλήρη καύση (οξείδωση) της συγκεκριμένης ποσότητας βενζίνης — ούτε περίσσεια ούτε έλλειμμα οξυγόνου (σελ. 149, 154-155). Στη στοιχειομετρική αναλογία κάθε μάζα βενζίνης αντιστοιχεί σε συγκεκριμένη μάζα αέρα που προκύπτει από τις χημικές αντιδράσεις καύσης· η αναλογία AFR (air-fuel ratio) διαφέρει ανά καύσιμο, αλλά για τη βενζίνη χρησιμοποιείται ο μέσος όρος 14,7 kg αέρα προς 1 kg βενζίνης (14,7:1) — μετρούμενα πάντοτε κατά βάρος (μάζα), ώστε να μην επηρεάζεται η στοιχειομετρία από τις μεταβολές θερμοκρασίας και πίεσης που αλλάζουν τον όγκο του αέρα. Η απόκλιση της πραγματικής αναλογίας από τη στοιχειομετρική εκφράζεται με τον συντελεστή λ = προσδιδόμενη μάζα αέρα / στοιχειομετρικά απαιτούμενη μάζα αέρα: στοιχειομετρικό μείγμα λ = 1, πλούσιο λ < 1, φτωχό λ > 1. Ο τριοδικός καταλύτης είναι απόλυτα αποτελεσματικός μόνο με στοιχειομετρικό μείγμα, γιατί τότε το οξυγόνο που αφαιρείται από τα NOx (αναγωγή) είναι ακριβώς όσο χρειάζεται για την οξείδωση των HC και CO — γι' αυτό ο εγκέφαλος το ρυθμίζει συνεχώς μέσω του αισθητήρα λ.

Σύνοψη: Μείγμα με ακριβώς τόσον αέρα όσος απαιτείται για την πλήρη καύση της βενζίνης: 14,7 kg αέρα ανά 1 kg βενζίνης (14,7:1 κατά μάζα), δηλαδή λ = 1· προϋπόθεση για την πλήρη απόδοση του τριοδικού καταλύτη.

Κριτήρια αξιολόγησης:

• Ορισμός + 14,7:1 + λ = 1.