Διερεύνηση εφαρμογής μεταλλικών αφρών σε διατάξεις μετεπεξεργασίας καυσαερίου κινητήρων diesel
Authors: Κατσαούνης Δημήτριος 
Published: January 2014

Η παρούσα εργασία μελετά τη δυνατότητα εφαρμογής του μεταλλικού αφρού σε συστήματα μετεπεξεργασίας καυσαερίου κινητήρων diesel. Το πρώτο τμήμα της διατριβής περιγράφει τις ιδιότητες του μεταλλικού αφρού, και κάνει μια σύγκριση με τα υλικά που χρησιμοποιούνται σε αντίστοιχες εφαρμογές. Επιχειρείται μια εισαγωγή στις έννοιες του οξειδωτικού καταλύτη και του φίλτρου αιθάλης που είναι και τα βασικά στοιχεία ενός σύγχρονου συστήματος μετεπεξεργασίας καυσαερίου. Γίνεται μια συνοπτική παρουσίαση της αρχής λειτουργίας τους και των τεχνολογιών που χρησιμοποιούνται έτσι ώστε ο μη εξοικειωμένος με το αντικείμενο αναγνώστης να μπορέσει να εισαχθεί στο πνεύμα του κειμένου. Το πρώτο βασικό τμήμα της εργασίας διερευνά την χρήση του αφρού ως υποστρώματος οξειδωτικού καταλύτη. Για αυτό το σκοπό, χρησιμοποιείται μια πρωτότυπη διάταξη μικρής κλίμακας για τη διεξαγωγή βασικών διερευνήσεων. Αρχικά μελετάται η επίδραση της παροχής καυσαερίου στην καταλυτική απόδοση και η ικανότητα προσρόφησης υδρογονανθράκων. Ακόμα εξετάζεται η επίδραση των χαρακτηριστικών της επίστρωσης (συγκέντρωση πολύτιμων μετάλλων και επίστρωσης, μέθοδος επίστρωσης) στην οξειδωτική δράση. Στη συνέχεια, παρουσιάζονται οι πρωτότυποι οξειδωτικοί καταλύτες από αφρό οι οποίοι αναπτύχθηκαν στα πλαίσια της διατριβής. Η πειραματική αξιολόγηση των πρωτοτύπων έγινε σε κινητήρα και πιο συγκεκριμένα μελετήθηκε η επίδραση της παροχής καυσαερίου και η καταλυτική απόδοση διαφόρων επιστρώσεων. Ακολουθεί η αξιολόγηση πρωτοτύπων καταλυτών σε όχημα με μέτρηση εκπομπών ρύπων σε κύκλους οδήγησης. Για λόγους σύγκρισης η ίδια διαδικασία πραγματοποιήθηκε και με κεραμικό καταλύτη διαμπερούς ροής. Το έτερο πολύ βασικό κομμάτι της διατριβής είναι η μελέτη της εφαρμογής του αφρού ως υποστρώματος φίλτρου αιθάλης. Και εδώ πραγματοποιούνται βασικές διερευνήσεις στη διάταξη μικρής κλίμακας και σε προσαρμοσμένη διάταξη στον κινητήρα. Κυριότερα αντικείμενα μελέτης αποτελούν ο βαθμός απόδοσης διήθησης, η πτώση πίεσης, η κατανομή της σωματιδιακής φόρτισης, η συμπίεση και η διαφυγή της αιθάλης. Οι γνώσεις που αποκτήθηκαν από τις βασικές διερευνήσεις αξιοποιούνται στην ανάπτυξη πρωτότυπων φίλτρων αιθάλης από αφρό. Τα πρωτότυπα αξιολογούνται σύμφωνα με μία τυποποιημένη πειραματική διαδικασία με κύριους στόχους τη μελέτη του βαθμού απόδοσης διήθησης, της πτώσης πίεσης, της συμπίεσης και ανακατανομής της αιθάλης, την κατανομή της σωματιδιακής φόρτισης και το μέγιστο όριο φόρτισης για ασφαλή αναγέννηση σε όλες τις συνθήκες. Ακόμα πραγματοποιείται μια πρώτη προσπάθεια υπολογισμού της φόρτισης από τις συνθήκες του καυσαερίου και την πτώση πίεσης του φίλτρου και δοκιμάζεται μια τεχνική μείωσης του διαφεύγοντος ΝΟ2. Τέλος, αξιολογείται η καταλυτική απόδοση των πρωτοτύπων και γίνεται μια σύγκριση της συνολικής απόδοσης όλων των φίλτρων από αφρό με κεραμικά φίλτρα ροής τοιχώματος. Η αξιολόγηση των φίλτρων συνεχίζεται σε όχημα diesel για νομοθετημένους κύκλους οδήγησης, αλλά και σε πραγματικές συνθήκες χρήσης. Το τελευταίο κεφάλαιο της διατριβής περιγράφει την αξιολόγηση ενός ολοκληρωμένου συστήματος μετεπεξεργασίας καυσαερίου από μεταλλικό αφρό. Το εργοστασιακό σύστημα ενός οχήματος προδιαγραφών ρύπων Euro 4, που αποτελείται από ένα προκαταλύτη και έναν κύριο καταλύτη αντικαθίσταται από ένα σύστημα προκαλύτη και φίλτρου αιθάλης από αφρό. Στόχος είναι επίτευξη των ορίων Euro 4 και Euro 5 χωρίς καμία μετατροπή στη λειτουργία του κινητήρα του οχήματος. Οι πειραματικές μετρήσεις πραγματοποιούνται σε κύκλους οδήγησης NEDC σύμφωνα με τη μέθοδο έγκρισης τύπου και με ταυτόχρονες συμπληρωματικές στιγμιαίες μετρήσεις εκπομπών αέριων ρύπων και σωματιδίων. Οι μετρήσεις επικεντρώνονται στην οξειδωτική απόδοση του συστήματος όσον αφορά το CO και τους υδρογονάνθρακες αλλά και στις επιπτώσεις στην αναλογία NO2/NOx και στις συνολικές εκπομπές NOx. Επιπλέον, αξιολογούνται οι μετρήσεις πτώσεις πίεσης και κατανάλωσης καυσίμου. Ιδιαίτερα σημαντικές είναι οι μετρήσεις των εκπομπών μάζας και αριθμού σωματιδίων λόγω των πρόσφατα θεσμοθετημένων προδιαγραφων Euro 5 οι οποίες μειώνουν σημαντικά το επιτρεπόμενο όριο εκπομπών μάζας και θέτουν όριο στις εκπομπές αριθμού σωματιδίων. Τέλος, το σύστημα αφρού αξιολογείται κατά την οδήγηση του οχήματος σε πραγματικές συνθήκες οδήγησης και για λόγους σύγκρισης αντίστοιχη δοκιμή γίνεται και με κεραμικό φίλτρο αιθάλης.