Καυσαναλυτές

Οι καυσαναλυτές μετρούν την περιεκτικότητα των καυσαερίων σε ρύπους και αποτελούν τα εργαλεία της καυσανάλυσης, του ελέγχου και της διαπίστωσης της ποσότητας των εκπεμπόμενων ρύπων.

Η πλήρης καύση της βενζίνης, κάτω από ιδανικές συνθήκες, δίνει ως προϊόντα καύσης διοξείδιο του άνθρακα (CO2) και υδρατμούς (Η2Ο). Όμως, στην πραγματικότητα, ούτε οι συνθήκες καύσης είναι ιδανικές, ούτε η βενζίνη απόλυτα καθαρή, οπότε στην εξάτμιση του αυτοκινήτου φτάνουν αρκετές ρυπογόνες ουσίες. Ας δούμε τις σημαντικότερες:

1. Μονοξείδιο του άνθρακα (CO): Είναι πρωτογενής ρυπαντής και αποτέλεσμα της ατελούς καύσης. Δεν υπήρχε, δηλαδή, αρκετό οξυγόνο, ώστε να οξειδώσει τον άνθρακα σε διοξείδιο. Θεωρητικά, δεν πρέπει να παράγεται μονοξείδιο του άνθρακα, αν υπάρχει επαρκής ποσότητα από οξυγόνο στον θάλαμο καύσης. Παρ’ όλα αυτά, υπάρχουν αιτίες που, ακόμα και με περίσσεια οξυγόνου, υπάρχει στα καυσαέρια μονοξείδιο του άνθρακα.
2. Υδρογονάνθρακες (HC): Οι υδρογονάνθρακες (άκαυστοι και ατελούς καύσης), στην πράξη, είναι άκαυστη βενζίνη που εξέρχεται από την εξάτμιση, χωρίς να λάβει μέρος στη διαδικασία της καύσης. Όπως και με το CO, αν η βενζίνη καεί πλήρως στον θάλαμο καύσης, οι υδρογονάνθρακες δεν εκπέμπονται ως καυσαέρια. Εφόσον κατά την καύση υπάρχει περίσσεια οξυγόνου, ελάχιστοι άκαυστοι υδρογονάνθρακες παρατηρούνται στην εξάτμιση. Στην πραγματικότητα, όμως, ακόμα και σε αυτή την περίπτωση, εξέρχονται συχνά άκαυστοι υδρογονάνθρακες. Υπάρχουν πολλές κατηγορίες υδρογονανθράκων και τα χαρακτηριστικά τους διαφέρουν. Γενικά, είναι επικίνδυνοι, δημιουργώντας υπνηλία έως δηλητηρίαση. Ευνοούν τη δημιουργία καρκίνου και συμμετέχουν στη δημιουργία του νέφους.
3. Οξείδια του αζώτου (NOx): Το άζωτο (Ν2), αν και αδρανές, κάτω από τις υψηλές πιέσεις και θερμοκρασίες που αναπτύσσονται στη διάρκεια της καύσης, σχηματίζει χημικές ενώσεις με το οξυγόνο Ο2, δημιουργώντας οξείδια αζώτου (NOx). Υπάρχουν διάφορες χημικές ενώσεις του αζώτου (Ν2) με το οξυγόνο (Ο2), όπως ΝΟ, NO2, NΟ3, κλπ. Όλα αυτά ονομάζονται, χάριν ευκολίας, οξείδια του αζώτου και εκφράζονται ως NOx. Πιο συγκεκριμένα, αποτελούν χημική ένωση του αζώτου με το οξυγόνο του μίγματος, όταν η θερμοκρασία μέσα στον θάλαμο καύσης ξεπεράσει τους 1800°C. Για να συμβεί αυτό, απαιτείται υψηλή θερμοκρασία, καθώς και μεγάλη συγκέντρωση οξυγόνου. Συνεπώς, τα NOx σχηματίζονται σε φτωχά, κυρίως, μίγματα κατά τη διάρκεια πλήρους και όχι ατελούς καύσης. Το μονοξείδιο του αζώτου οξειδώνεται γρήγορα από το, ήδη, υπάρχον οξυγόνο και σχηματίζει το διοξείδιο του αζώτου, έναν από τους πιο επιβλαβείς ρυπαντές. Τα οξείδια του αζώτου, αν περάσουν στο αίμα, μπορεί να δημιουργήσουν παράλυση και να βλάψουν τον ανθρώπινο εγκέφαλο. Επίσης, αποτελούν σημαντικό παράγοντα στη δημιουργία του νέφους. Η μείωση των εκπομπών από οξείδια του αζώτου έγινε εφικτή με τη χρήση του συστήματος EGR και την προσθήκη στα καυσαέρια AdBlue. Τα οξείδια του αζώτου NOx μετρώνται, συνήθως, από εργαστηριακούς αναλυτές καυσαερίων στα εργαστήρια των εργοστασίων κατασκευής ή σε ιδρύματα πιστοποίησης, ώστε να εγκριθούν οι κινητήρες από τις κρατικές αρχές.
4. Διοξείδιο του άνθρακα (CΟ2): Είναι ένα άχρωμο, άκαυστο και μη δηλητηριώδες αέριο. Προκύπτει από την καύση διαφόρων στοιχείων που περιέχουν άνθρακα (π.χ. βενζίνη, πετρέλαιο). Το διοξείδιο του άνθρακα είναι το προϊόν της πλήρους καύσης του άνθρακα, δηλαδή της ταχείας ένωσής του με το οξυγόνο. Εκτός από τις φυσικές πηγές παραγωγής του (π.χ. ηφαίστεια), παράγεται σε μεγάλες ποσότητες από τις δραστηριότητες του ανθρώπου. Αν και το CO2 δεν θεωρείται ρυπαντής, γιατί βρίσκεται στην ατμόσφαιρα από φυσικές πηγές, παρ’ όλα αυτά, όταν σε κλειστό χώρο αυξηθεί πολύ, η περιεκτικότητα του οξυγόνου μειώνεται και εμφανίζονται φαινόμενα ασφυξίας. Η περιεκτικότητά του στα καυσαέρια, μαζί με αυτή του οξυγόνου, προσδιορίζουν τη σωστή λειτουργία του συστήματος τροφοδοσίας του καυσίμου και, γενικότερα, τη σωστή καύση στους κινητήρες εσωτερικής καύσης.

Αναλογία μίγματος (AFR)

Η αναλογία μίγματος είναι ένας παράγοντας που επηρεάζει σε μεγάλο βαθμό την εκπομπή ρύπων. Για να καεί ένα κιλό βενζίνης, χρειάζονται περίπου 14,7 κιλά αέρα. Η σχέση αυτή δεν είναι σταθερή, αλλά εξαρτάται από την ποιότητα της βενζίνης, καθώς και του αέρα (ποσοστό υγρασίας κλπ). Η σχέση της πραγματικής ποσότητας του αέρα που χρησιμοποιήθηκε για την καύση, προς τη θεωρητικά απαιτούμενη, συμβολίζεται με το ελληνικό γράμμα λάμδα (λ). Ένα πλούσιο μίγμα (λ μικρότερο από 1) δίνει καυσαέρια με υψηλό ποσοστό μονοξειδίου του άνθρακα και υδρογονανθράκων. Ένα μίγμα με λ=1 (στοιχειομετρικό) δίνει ένα πραγματικά ισορροπημένο αποτέλεσμα, με χαμηλό ποσοστό μονοξειδίου και υδρογονανθράκων. Εδώ, αρχίζει να εμφανίζεται στα καυσαέρια και ένα ποσοστό οξειδίων του αζώτου. Φτωχό μίγμα (λ μεγαλύτερο από 1) δίνει ακόμη χαμηλότερες τιμές μονοξειδίου και υδρογονανθράκων. Δυστυχώς, όμως, το ποσοστό των οξειδίων του αζώτου αυξάνεται.

Καυσαναλυτής

Οι καυσαναλυτές είναι συσκευές που μετρούν τους εκπεμπόμενους αέριους ρύπους από την εξάτμιση. Υπάρχουν δύο τύποι καυσαναλυτών: καυσαναλυτής θερμικής αγωγιμότητας (με γέφυρα Γουίνστον) και καυσαναλυτής υπερύθρων (NDIR).

Οι καυσαναλυτές με γέφυρα Γουίνστον δεν είναι κατάλληλοι για σύγχρονα αυτοκίνητα και μπορούν να χρησιμοποιηθούν σε αυτοκίνητα συμβατικής τεχνολογίας. Η αρχή λειτουργίας τους στηρίζεται στη μέτρηση των άκαυστων ουσιών που παραμένουν στην εξάτμιση. Η μέθοδος βασίζεται στο γεγονός ότι διαφορετικής σύνθεσης καυσαέρια έχουν διαφορετικές τιμές μεταφοράς θερμότητας. Πρακτικά, γίνεται μέτρηση της αντίστασης του αερίου, λόγω της θερμικής αγωγιμότητας, όπου μεταβολή και θερμοκρασία αερίων είναι ποσά ανάλογα.

Η αρχή λειτουργίας των σύγχρονων αναλυτών καυσαερίων, είναι η διαφοροποίηση στην απορροφησιμότητα ορισμένης περιοχής από το φάσμα της υπέρυθρης ακτινοβολίας για το κάθε αέριο. Το κάθε αέριο αντιστοιχεί σε δικές του περιοχές (φασματικές γραμμές).

Το ποσοστό απορροφησιμότητας ακτινοβολίας του αερίου και η περιεκτικότητα του αερίου είναι ποσά αντιστρόφως ανάλογα. Οι σύγχρονοι αναλυτές καυσαερίων μετρούν, συνήθως, τέσσερις αέριους ρύπους (CO, HC, CO2, O2 και, επιπλέον, τον λόγο λ, τη θερμοκρασία του λιπαντικού και τις στροφές του κινητήρα. Οι ενδείξεις μετατρέπονται σε ψηφιακές και παρουσιάζονται σε οθόνες ή μέσω ηλεκτρονικού υπολογιστή.

Ο έλεγχος με τον αναλυτή καυσαερίων είναι απαραίτητο να γίνεται μετά από την ετήσια συντήρηση ή μία επισκευή. Παρόλο που το οξυγόνο και το διοξείδιο του άνθρακα δεν είναι ρύποι, η τιμή τους είναι απαραίτητη, για να βγάλουμε συμπεράσματα για την ποιότητα της καύσης.

Ο καυσαναλυτής υπερύθρων (NDIR),που μπορεί με ακρίβεια να μετρήσει φτωχά μίγματα, είναι απαραίτητος στα σημερινά αυτοκίνητα με τις χαμηλές εκπομπές ρύπων, όπως αυτά που διαθέτουν τριοδικό καταλύτη.

Η δειγματοληψία γίνεται με λαστιχένιο σωλήνα και μία αντλία που αναρροφά συγκεκριμένη ποσότητα καυσαερίων. Υπάρχει όργανο που μετρά τη ροή των καυσαερίων και διακόπτει τη μέτρηση, όταν η ροή είναι χαμηλή. Τα καυσαέρια φιλτράρονται, για να κρατηθούν τα αιωρούμενα σωματίδια, που, πιθανόν, να δημιουργήσουν βλάβη στο όργανο. Το δείγμα των καυσαερίων οδηγείται στους θαλάμους ιονισμού.

Η αρχή λειτουργίας τους βασίζεται στη διαφορετική απορρόφηση υπέρυθρης ακτινοβολίας, ανάλογα με τη σύσταση των καυσαερίων.

Πριν συνδέσουμε τον καυσαναλυτή στο ρεύμα, πρέπει να ελέγξουμε τα φίλτρα του. Ακολουθεί η διαδικασία της προθέρμανσης, η οποία, σε αρκετούς καυσαναλυ[1]τές, διαρκεί γύρω στα 30 δευτερόλεπτα. Όσον αφορά το καλιμπράρισμα, γίνεται με διάφορους τρόπους. Αρκετοί καυσαναλυτές αυτοκαλιμπράρονται. Μία φορά κάθε 6 με 12 μήνες, ανάλογα με τις οδηγίες του κατασκευαστή, χρειάζονται καλιμπράρισμα με πρότυπο αέριο. Ο λαστιχοσωλήνας δειγματοληψίας πρέπει να καθαρίζεται τουλάχιστον μία φορά την εβδομάδα με πεπιεσμένο αέρα.

Ο καθορισμός των μεθόδων μέτρησης του μονοξειδίου του άνθρακα (CO) και των υδρογονανθράκων (HC) στα καυσαέρια των βενζινοκίνητων και υγραεριοκίνητων αυτοκινήτων περιγράφεται στην Κοινή Υπουργική Απόφαση Οικ. Φ1/26579/3183/2007 – ΦΕΚ 790/Β/18-5-2007. Η μεθοδολογία που ακολουθείται για τη μέτρηση των εκπομπών καυσαερίων των βενζινοκίνητων και υγραεριοκίνητων οχημάτων περιγράφεται στο Άρθρο 3:

Μέθοδος μέτρησης

1. Όργανα ελέγχου

• Οι μετρήσεις γίνονται με αναλυτές καυσαερίων οι οποίοι είναι, πιστοποιημένα, κλάσεως Ι ή 0, σύμφωνα με τις συστάσεις του Διεθνούς Οργανισμού Μετρολογίας (OIML). Η πιστοποίηση θα αποδεικνύεται από έγκριση αναγνωρισμένου ή κοινοποιημένου φορέα της ΕΕ.
• Πριν τη μέτρηση πρέπει να έχει ελεγχθεί η ροή των καυσαερίων στον αναλυτή (με συνδεδεμένο το σωλήνα δειγματοληψίας), η κατάσταση των φίλτρων του αναλυτή καυσαερίων και να έχει προθερμανθεί και βαθμονομηθεί με φιάλη προτύπου αερίου, σύμφωνα με τις οδηγίες του κατασκευαστή.

2. Διαδικασία μέτρησης αυτοκινήτων χωρίς ρυθμιζόμενο τριοδικό καταλυτικό μετατροπέα

• Διενεργούνται οι απαραίτητοι έλεγχοι προκειμένου να διαπιστωθεί ότι δεν συντρέχει λόγος ανέφικτου ελέγχου.
• Λαμβανομένων υπόψη των συστάσεων του κατασκευαστή του οχήματος, ο κινητήρας προθερμαίνεται, ώστε να φθάσει σε κανονική κατάσταση λειτουργίας. Αν οι συστάσεις αυτές δεν είναι διαθέσιμες, αρκεί αφενός οι στροφές του ρελαντί να έχουν σταθεροποιηθεί και να βρίσκονται εντός των ορίων που προβλέπονται παρακάτω και αφετέρου ο κινητήρας να βρίσκεται σε κανονική θερμοκρασία λειτουργίας, που εξακριβώνεται με έναν από τους παρακάτω τρόπους:

1. Η θερμοκρασία του ελαίου του κινητήρα, μετρούμενη με καθετήρα στον σωλήνα στάθμης του ελαίου, είναι τουλάχιστον 70°C.
2. Από τη λειτουργία και την παύση του ανεμιστήρα ψύξης του κινητήρα (η μέτρηση γίνεται μετά την παύση της λειτουργίας του ανεμιστήρα).
3. Από την ένδειξη του οργάνου μέτρησης της θερμοκρασίας του ψυκτικού υγρού ή του ελαίου που βρίσκεται στον πίνακα οργάνων, όταν είναι εφικτή η διαπίστωση σε ποια ακριβώς θέση ή περιοχή των ενδείξεων του οργάνου δείχνει την κανονική θερμοκρασία λειτουργίας.

• Ο επιλογέας (λεβιέ) του κιβωτίου ταχυτήτων πρέπει να βρίσκεται στο νεκρό σημείο και ο συμπλέκτης να είναι συμπλεγμένος.
• Συνδέεται ο μετρητής στροφών του αναλυτή καυσαερίων στον κινητήρα.
• Με τον κινητήρα να λειτουργεί στο ρελαντί, στις στροφές που προδιαγράφει ο κατασκευαστής και με ανοχή ±100 στροφές ανά λεπτό, εισάγεται ο σωλήνας δειγματοληψίας καυσαερίων στην εξάτμιση, κατά τις οδηγίες του κατασκευαστή του αναλυτή. Αν δεν υπάρχουν στοιχεία, οι στροφές του ρελαντί πρέπει να κυμαίνονται μεταξύ 700 και 900 ανά λεπτό. Μετά τη σταθεροποίηση των ενδείξεων του αναλυτή ή το πέρας 30 δευτερολέπτων, καταγράφονται οι ενδείξεις του αναλυτή.
• Αν προβλέπεται η μέτρηση της συγκέντρωσης υδρογονανθράκων στις υψηλές στροφές, επιταχύνεται ο κινητήρας, με το κιβώτιο ταχυτήτων στο νεκρό σημείο, και σταθεροποιείται τις 2500±300 στροφές ανά λεπτό. Μετά τη σταθεροποίηση των ενδείξεων του αναλυτή ή το πέρας 30 δευτερολέπτων, καταγράφονται οι συγκεντρώσεις των HC.
• Όταν η συγκέντρωση CO2 είναι μικρότερη από 9%, ο ελεγκτής πρέπει να ελέγξει τη στεγανότητα της γραμμής εξάτμισης.
• Η τιμή του CO είναι αυτή που προκύπτει μετά τη διόρθωση της ένδειξης του αναλυτή.

3. Διαδικασία μέτρησης αυτοκινήτων με ρυθμιζόμενο τριοδικό καταλυτικό μετατροπέα ή άλλο προηγμένο σύστημα ελέγχου εκπομπών καυσαερίων

1. Διενεργούνται οι απαραίτητοι έλεγχοι προκειμένου να διαπιστωθεί ότι δεν συντρέχει λόγος ανέφικτου ελέγχου.
2. Για κάθε δοκιμή, ο κινητήρας του οχήματος πρέπει να φθάσει στην κανονική κατάσταση λειτουργίας, σύμφωνα με τις συστάσεις του κατασκευαστή.
3. Ο επιλογέας (λεβιέ) του κιβωτίου ταχυτήτων πρέπει να βρίσκεται στο νεκρό σημείο και ο συμπλέκτης να είναι συμπλεγμένος.
4. Συνδέεται ο μετρητής στροφών του αναλυτή καυσαερίων στον κινητήρα.
5. Με τον κινητήρα να λειτουργεί στο ρελαντί, στις στροφές που προδιαγράφει ο κατασκευαστής και με ανοχή ±100 στροφές ανά λεπτό, εισάγεται ο σωλήνας δειγματοληψίας καυσαερίων στην εξάτμιση, κατά τις οδηγίες του κατασκευαστή του αναλυτή. Αν δεν υπάρχουν στοιχεία, οι στροφές του ρελαντί πρέπει να κυμαίνονται μεταξύ 700 και 900 ανά λεπτό.
6. Με το κιβώτιο ταχυτήτων στο νεκρό σημείο, ο κινητήρας επιταχύνεται και σταθεροποιείται μεταξύ 2000 και 3000 στροφών ανά λεπτό ή στις στροφές που προβλέπει ο κατασκευαστής (υπό την προϋπόθεση ότι αυτές είναι πάνω από 2000). Μετά τη σταθεροποίηση των ενδείξεων του αναλυτή ή το πέρας 30 δευτερολέπτων, ελέγχονται οι τιμές των HC, του CO και του λ. Εάν οι τιμές είναι εκτός των επιτρεπομένων ορίων και ο κινητήρας βρίσκεται σε κανονική θερμοκρασία λειτουργίας, κρατούνται οι στροφές σταθερές για 3 λεπτά (υπό την προϋπόθεση ότι δεν υπάρχει πρόβλημα για τον κινητήρα) και μετά γίνεται καταγραφή των συγκεντρώσεων των HC, του CO και η τιμή του λ.
7. Οι στροφές του κινητήρα μειώνονται στο ρελαντί. Μετά τη σταθεροποίηση των ενδείξεων ή την παρέλευση 30 δευτερολέπτων, καταγρφονται οι συγκεντρώσεις του CO και των HC.

* Και στα δύο συστήματα, η διαδικασία των ελέγχων Ε, ΣΤ, Ζ και Η (για το σύστημα 2) επαναλαμβάνεται στην περίπτωση πολλαπλών εξατμίσεων για όλους τους σωλήνες εξάτμισης οι οποίοι δεν είναι δυνατό να ενωθούν σε μία μοναδική έξοδο και αν αυτό δεν αντιβαίνει στις οδηγίες του κατασκευαστή. Ως αποτέλεσμα λαμβάνεται ο μέσος όρος των μετρήσεων.
** Οχήματα στην άδεια κυκλοφορίας των οποίων αναφέρεται διπλό καύσιμο (βενζίνη – υγραέριο), μετρώνται στη βενζίνη.

Τα όρια εκπομπής ρύπων, σύμφωνα με τον νόμο, είναι τα εξής:

ΤΟΥ ΝΙΚΟΥ ΒΑΣΙΛΑΚΗ