Πτωχοί τω... μείγματι
Έχουμε στο παρελθόν πολλές φορές αναλύσει τα προτερήματα του άμεσου ψεκασμού βενζίνης, όταν αυτός συνδυάζεται με υπερτροφοδότηση, σύστημα μεταβλητού χρονισμού και βύθισης βαλβίδων καθώς και μακριές σχέσεις μετάδοσης. Προτερήματα που δεν περιορίζονται μόνο στις απόλυτες τιμές ισχύος και ροπής, αλλά φτάνουν μέχρι και σε σημαντική μείωση της κατανάλωσης καυσίμου και, συνεπώς, της εκπομπής CO2. Tι γίνεται, όμως, με τους υπόλοιπους ρύπους;Οξείδια του αζώτου, υδρογονάνθρακες, μονοξείδιο του αζώτου και σωματίδια είναι οι κυριότεροι ρύποι που εκπέμπουν οι κινητήρες εσωτερικής καύσης, σε ποσότητες που εξαρτώνται από το καύσιμο και την κατασκευή τους. Κι αν ο καλός μας τριοδικός καταλύτης μπορεί επιτυχώς να οξειδώσει CO και HC σε CO2 και υδρατμούς και να αναγάγει το NΟx σε Ν2 στον κλασικό βενζινοκινητήρα, τα πράγματα περιπλέκονται όσο η τεχνολογία εξελίσσεται και θεσπίζονται αυστηρότερα όρια εκπομπής.Tα οξείδια του αζώτου δημιουργούνται, όταν το άζωτο αντιδρά με το οξυγόνο σε υψηλές θερμοκρασίες στο θάλαμο καύσης. Όσο μεγαλύτερη είναι η θερμοκρασία καύσης τόσο μεγαλύτερη είναι η έκλυση NOx. Η αναλογία αέρα-καυσίμου, η πίεση και η ταχύτητα καύσης επίσης επηρεάζουν τη δημιουργία των οξειδίων του αζώτου. Ωστόσο, οι βενζινοκινητήρες δεν αντιμετωπίζουν πρόβλημα με την εκπομπή τους. Ο τριοδικός καταλύτης έχει αποδειχθεί ικανός να εκμηδενίζει τις, ούτως ή άλλως, χαμηλές εκπομπές, και αυτό ισχύει τόσο στον κινητήρα έμμεσου όσο και άμεσου ψεκασμού (με αποδοτικότητα που φτάνει, μάλιστα, το 99%), μόνο όμως σε στοιχειομετρική αναλογία αέρα-καυσίμου.
Διαφορετικά είναι τα πράγματα στο βενζινοκινητήρα άμεσου ψεκασμού φτωχού μείγματος, αφού -όπως στον κινητήρα ντίζελ- η περίσσεια οξυγόνου στην εξάτμιση δεν επιτρέπει στον τριοδικό καταλύτη να λειτουργήσει αποδοτικά. Ενώ η μετατροπή των CO και HC ευνοείται σε συνθήκες περίσσειας αέρα, δηλαδή για λ>1, τα επίπεδα NOx μειώνονται μόνο κατά περίπου 10%. Η παραγωγή NOx είναι, βέβαια, λόγω χαμηλότερης θερμοκρασίας καύσης, χαμηλότερη σε σχέση με τον ντίζελ, όμως και εδώ απαιτείται η υιοθέτηση πρόσθετων μέτρων για την αναγωγή του σε Ν2. Η παγίδα NOx κατακρατά και αποθηκεύει τα οξείδια του αζώτου που παράγονται κατά την καύση φτωχού μείγματος, για να αναχθούν σε N2 κατά τη φάση που ο κινητήρας θα λειτουργήσει -έστω και στιγμιαία- υπό συνθήκες στοιχειομετρικού ή πλούσιου μείγματος. Ωστόσο, επειδή η συγκεκριμένη τεχνολογία κατακρατά εκτός από NOx και τις ενώσεις του θείου, προκαλώντας έτσι δυσλειτουργία του συστήματος, επιβάλλεται η χρήση βενζίνης (ή ντίζελ αντίστοιχα, όταν αυτό χρησιμοποιείται σε κινητήρες ντίζελ) πολύ χαμηλής περιεκτικότητας σε θείο.
Οι κινητήρες καύσης φτωχού μείγματος έχουν μεγαλύτερο βαθμό απόδοσης, εξαιτίας διάφορων αιτίων: Μικρότερες θερμικές απώλειες, μεγαλύτερη σχέση συμπίεσης (το φτωχό μείγμα αντιμετωπίζει πολύ λιγότερα προβλήματα προανάφλεξης), μικρότερες απώλειες άντλησης σε μερικό φορτίο. Παρ’ όλα αυτά, οι απαιτήσεις διαχείρισης των παραγόμενων ρύπων αφενός καθιστούν τους βενζινοκινητήρες φτωχού μείγματος ακριβούς σε κατασκευή (λόγω των επιπλέον συστημάτων κατακράτησης ρύπων), αφετέρου περιορίζουν αισθητά τη χρήση τους μόνο σε χώρες (κυρίως ευρωπαϊκές), όπου διατίθεται βενζίνη χαμηλής περιεκτικότητας σε θείο. Αυτός είναι και ο λόγος που ο άμεσος ψεκασμός χρησιμοποιείται, πλέον, σχεδόν αποκλειστικά με στοιχειομετρικό μείγμα καυσίμου.
Ωστόσο, η θεσμοθέτηση για πρώτη φορά ορίου στο μέγεθος των εκπεμπόμενων σωματιδίων από βενζινοκινητήρες άμεσου ψεκασμού (φτωχού, αλλά και στοιχειομετρικού μείγματος) στις προδιαγραφές εκπομπής ρύπων Euro 5, όπως και στον αριθμό τους στο Euro 6, θέτει ακόμα μία πρόκληση στην εξέλιξή τους. Η σύσταση σωματιδίων προκαλείται κατά τη δημιουργία ατελούς καύσιμου μείγματος στο θάλαμο καύσης, στα σημεία όπου συγκεντρώνεται πλουσιότερο σε καύσιμο μείγμα (κοντά στα μπουζί ή στα τοιχώματα του θαλάμου καύσης, για παράδειγμα). Οι κινητήρες άμεσου ψεκασμού έχουν, όπως και οι ντίζελ, μικρότερο διαθέσιμο χρόνο προετοιμασίας του καύσιμου μείγματος και αντιμετωπίζουν αναπόφευκτα δυσκολίες προσαρμογής σε μελλοντικές προδιαγραφές εκπομπής σωματιδίων όχι τόσο ως προς τη διάσταση, αλλά ως προς τον αριθμό τους.
Κατ’ αντιστοιχία με τους υπόλοιπους ρύπους, η πλειονότητα των σωματιδίων παράγεται κατά την κρύα εκκίνηση και τη φάση προθέρμανσης του κινητήρα. Κάθε μέτρο που επιταχύνει το «ζέσταμα» του κινητήρα και του καταλύτη συνεισφέρει στη μείωση εκπομπής ρύπων. Για τον περιορισμό των σωματιδίων θα απαιτηθεί τα επόμενα χρόνια η βελτιστοποίηση της ροής αέρα και καυσίμου αλλά και της μεταξύ τους αλληλεπίδρασης. Οι επόμενες γενιές συστημάτων άμεσου ψεκασμού καλούνται να εξελιχθούν στους τομείς μέτρησης και δοσολογίας καυσίμου, που θα επιτρέψουν ποιοτικότερη και πιο ομοιογενή σύσταση μείγματος, χωρίς περιοχές πλουσιότερου μείγματος. Εκ των ων ουκ άνευ θεωρείται και η ταχύτερη επεξεργασία των πρόσθετων δεδομένων, με νέους, εξελιγμένους αλγόριθμους. Όλα αυτά με στόχο να αποφευχθεί η χρήση φίλτρων σωματιδίων (όπως στους κινητήρες ντίζελ), τα οποία και το κόστος αυξάνουν αλλά και επηρεάζουν αρνητικά απόδοση, κατανάλωση και εκπομπές CO2, λόγω της αυξημένης αντίστασης του συστήματος εξαγωγής στη ροή των καυσαερίων.
Μια άλλη λύση, που μπορεί να μοιάζει με επιστημονική φαντασία, αλλά διερευνάται αυτήν τη στιγμή -και εδώ και κάποια χρόνια- σε εργαστηριακό επίπεδο, είναι η αντικατάσταση των συμβατικών μπουζί με λέιζερ! Και αυτό γιατί η δέσμη του λέιζερ μπορεί να εστιαστεί σε συγκεκριμένο σημείο ή ακόμα και να διασπαστεί σε πολλαπλές δέσμες, προσφέροντας έτσι περισσότερα από ένα ταυτόχρονα σημεία ανάφλεξης μέσα στο καύσιμο μείγμα. Το μέτωπο φλόγας είναι στην τελευταία περίπτωση πιο ομοιόμορφο και εξαπλώνεται ταχύτερα, βελτιώνοντας δραστικά τα χαρακτηριστικά καύσης. Κάτι τέτοιο θα είχε ευεργετικά αποτελέσματα, κυρίως, όταν ο κινητήρας είναι κρύος, καλυτερεύοντας το βαθμό απόδοσής του και περιορίζοντας αισθητά τους εκπεμπόμενους ρύπους. Πέρα από αυτό, θα ήταν δυνατή η καύση ακόμα φτωχότερου μείγματος, το οποίο για να αναφλεχθεί απαιτούνται μεγαλύτερα ποσά ενέργειας, που τα συμβατικά μπουζί μπορούν να προσφέρουν, αλλά μόνο με το αντίτιμο της πρόωρης διάβρωσης των ηλεκτροδίων τους. Η εξέλιξη αυτή θα μπορούσε, λοιπόν, να φέρει ξανά ακόμα και το βενζινοκινητήρα καύσης φτωχού μείγματος στο προσκήνιο, διατηρώντας όλα τα πλεονεκτήματά του και μειώνοντας παράλληλα τα προβλήματα διαχείρισης των ρύπων που σήμερα αντιμετωπίζει. Μένει, φυσικά, να αποδειχθεί κατά πόσο η εν λόγω τεχνολογία μπορεί να παραχθεί μαζικά και σε λογική τιμή..._ Ν. Κ.