Οι ρύποι των αυτοκινήτων

Εκατομμύρια αυτοκίνητα κινούνται στους ελληνικούς δρόμους, και κάθε ένα από αυτά εκπέμπει καυσαέρια. Ειδικά στις μεγάλες πόλεις το πρόβλημα της ατμοσφαιρικής ρύπανσης είναι μεγάλο. Κράτος και Ευρωπαϊκή Ένωση θεσπίζουν όλο και πιο αυστηρά μέτρα στις αυτοκινητοβιομηχανίες, όμως ο αυξανόμενος αριθμός των αυτοκινήτων εντείνει συεχώς το πρόβλημα.

 

Η πηγή του κακού

Κάθε αναφορά στους ρύπους που παράγει ένα αυτοκίνητο, φέρνει το κέντρο της προσοχής στον τρόπο λειτουργίας μιας μηχανής εσωτερικής καύσης. Οι τετράχρονοι βενζινοκινητήρες που μας απασχολούν περισσότερο, έχουν πάνω από ένα αιώνα ζωής, με βελτιώσεις και άλματα στην απόδοση. Τα τελευταία χρόνια έχουν περιορίσει σημαντικά τις εκπομπές καυσαερίων ανά διανυόμενο χιλιόμετρο, όμως δεν παύουν να επιβαρύνουν μια ήδη δύσκολη κατάσταση.

Η καύση ορυκτών καυσίμων, και πιο συγκεκριμένα βενζίνης, σε ένα τέτοιο κινητήρα έχει εξαρχής μια σειρά προβλημάτων. Καθώς η χημική αντίδραση ανάμεσα στο καύσιμο και τον αέρα δεν γίνεται σε εργαστηριακές συνθήκες, η αντίδραση απέχει από το ιδανικό. Αντί για το θεωρητικό αποτέλεσμα (δηλαδή διοξείδιο του άνθρακα και νερό), η λειτουργία του κινητήρα έχει πολλά και ως επί το πλείστον επιβλαβή παράγωγα. Αυτό συμβαίνει κυρίως λόγω της κακής ανάμειξης του αέρα με τη βενζίνη, του ασυνεχούς μετώπου φλόγας στο θάλαμο καύσης καθώς και της ύπαρξης άλλων αερίων εκτός του οξυγόνου στον ατμοσφαιρικό αέρα. Με απλά λόγια μπορούμε με σιγουριά να πούμε πως η στοιχειομετρική καύση ισχύει μόνο στη θεωρία.

 

Η χρυσή αναλογία

Η μέχρι τώρα εμπειρία στο ζήτημα του μείγματος αέρα-βενζίνης έχει δείξει πως κινητήρες χωρίς άμεσο ψεκασμό πετυχαίνουν τη βέλτιστη απόδοση και τα λιγότερα καυσαέρια με αρκετά πιο πλούσιο σε βενζίνη μείγμα. Αντιθέτως σύγχρονοι κινητήρες βενζίνης, με υψηλή πίεση στα μπεκ και άμεσο ψεκασμό, μπορούν να λειτουργήσουν αποδοτικά και με λιγότερο καύσιμο (δηλαδή με πιο φτωχό μείγμα). Η καλύτερη ανάμειξη μας φέρνει πιο κοντά στο στοιχειομετρικό μείγμα.

Προφανώς, το μεγαλύτερο ποσοστό των «προϊόντων» της καύσης είναι αυτά που περιμένουμε από την θεωρητική χημική αντίδραση, δηλαδή το αδρανές άζωτο, νερό και διοξείδιο του άνθρακα. Άκακα στην πρώτη επαφή ως επί το πλείστον, με επιφύλαξη για το CO₂ που συντελεί στο φαινόμενο του θερμοκηπίου. Πέρα όμως από αυτά, οι σύγχρονοι αναλυτές καυσαερίων μπορούν με μεγάλη ευκολία να αποδείξουν την ύπαρξη πολλών επιβλαβών ενώσεων στην εξάτμιση ενός αυτοκινήτου. Για την ακρίβεια βρίσκουμε αρκετό μονοξείδιο του άνθρακα, πληθώρα άκαυτων υδρογονανθράκων και οργανικών ενώσεων καθώς και οξείδια του αζώτου. Κατά σειρά, το μονοξείδιο του άνθρακα είναι ένα άοσμο, αόρατο και δηλητηριώδες αέριο για τον ανθρώπινο οργανισμό, που σε μεγάλες συγκεντρώσεις προκαλεί από παράλυση έως ασφυξία και θάνατο. Οι άκαυτοι υδρογονάνθρακες είναι υποπροϊόντα της καύσης που έχουν μικρότερη αλυσίδα σε άνθρακες από το οκτάνιο, και κατά κύριο λόγο εντοπίζονται σε αέρια μορφή. Πρόκειται για καρκινογόνες ενώσεις για τον ανθρώπινο οργανισμό, που συντελούν τα μέγιστα στο σχηματισμό του νέφους.

Επίσης, τα οξείδια του αζώτου έχουν αντίστοιχο ρόλο στο νέφος των μεγάλων αστικών κέντρων, προκύπτουν από οξείδωση του αδρανούς αζώτου και σε μεγάλες συγκεντρώσεις είναι η αιτία της όξινης βροχής.

 

Η τεχνολογία στην υπηρεσία του περιβάλλοντος

Η κορυφαία αλλαγή στην τεχνολογία κινητήρων που περιόρισε σημαντικά τους ρύπους, ήταν οι καταλύτες. Όπως σε κάθε χημική αντίδραση, έτσι και στα αυτοκίνητα, ο καταλύτης είναι κάτι που είτε προκαλεί μια αντίδραση είτε απλά την επιταχύνει, χωρίς ο ίδιος να επηρεάζεται. Στα αυτοκίνητα οι κεραμικοί καταλύτες τελευταίας γενιάς στοχεύουν κυρίως στα οξείδια του αζώτου και στο μονοξείδιο του άνθρακα. Αποτελούνται από μια κεραμική δομή, με μεταλλική επικάλυψη λευκόχρυσου, ρόδιου και παλλάδιου. Πρόκειται για πολύ ακριβά υλικά που καταφέρνουν να αποσπάσουν το οξυγόνο από τα NOx, δίνοντας καθαρό N2. Το οξυγόνο άμεσα καταλήγει στα μόρια μονοξειδίου, που καταλήγουν στο λιγότερο επιβλαβές CO₂.

 

Περισσότερη ακρίβεια

Τα αποτελέσματα βελτιώθηκαν ακόμη περισσότερο με την παρακολούθηση της καύσης σε πραγματικό χρόνο. Ακούγεται παράξενο, όμως συμβαίνει σε όλα τα σύγχρονα αυτοκίνητα. Ο γνωστός αισθητήρας λ (ως λ ορίζεται η αναλογία αέρα : καυσίμου στους κινητήρες εσωτερικής καύσης) όντας τοποθετημένος στην εξάτμιση του αυτοκινήτου καταγράφει την ποσότητα οξυγόνου στα καυσαέρια: όσο περισσότερο οξυγόνο, τόσο λιγότερη βενζίνη κάηκε. Ο κεντρικός έλεγχος του κινητήρα, γνωρίζοντας τον αέρα που έχει μπει στο θάλαμο καύσης, καθορίζει το χρόνο ψεκασμού βενζίνης και άρα την ποσότητα. Μπορεί έτσι να υπολογίσει την σωστότερη αναλογία, ώστε να επιτύχει είτε τη βέλτιστη απόδοση είτε τη βέλτιστη οικονομία καυσίμου.

Ένα βήμα παραπέρα για την καλύτερη λειτουργία των καταλυτών ήταν η τοποθέτησή τους πιο κοντά στον κινητήρα. Όσο πιο κοντά, τόσο υψηλότερη θα είναι και η θερμοκρασία λειτουργίας τους, οπότε θα βελτιώνουν με μεγαλύτερη αποτελεσματικότητα τα καυσαέρια. Επίσης, εκεί θερμαίνονται πιο γρήγορα, δίνοντας λιγότερα καυσαέρια ήδη από τα πρώτα μέτρα κίνησης του αυτοκινήτου.

 

Τα Euro-βήματα

Η συντριπτική πλειοψηφία των αυτοκινητοβιομηχανιών παράγει αυτοκίνητα που υπακούουν στις ευρωπαϊκές οδηγίες καυσαερίων. Έτσι, ένα αυτοκίνητο παλαιάς τεχνολογίας που ακολουθούσε την οδηγία Euro 1 (1992), υποχρεούταν να εκπέμπει λιγότερα από 3,16 gr CO/km, χωρίς περιορισμό για τα υπόλοιπα καυσαέρια. Τα όρια έγιναν χρόνο με το χρόνο πιο αυστηρά, με το Euro 2 (1996) να ζητά 2,2gr/km, ενώ το Euro 4 (2005) και το ισχύον Εuro 5 (2009) ορίζουν εκπομπές κάτω από 1gr/km. Αντίστοιχες είναι και οι μειώσεις στους υδρογονάνθρακες και στα οξείδια του αζώτου, που ενώ αρχικά δεν είχαν περιορισμό, πλέον πρέπει να είναι λιγότερα από 0,06gr/km.

 

Τα diesel ακολουθούν

Παρόμοια φαινόμενα συναντάμε και στους κινητήρες diesel. Αν και το καύσιμο είναι διαφορετικό, τα προϊόντα της καύσης είναι σχεδόν ίδια. Η βασική διαφορά εντοπίζεται στα αιωρούμενα σωματίδια, που είναι πολλαπλάσια από αυτά των κινητήρων βενζίνης. Οι αυτοκινητοβιομηχανίες ακολουθώντας τις ντιρεκτίβες της ευρωπαϊκής ένωσης έχουν καταλήξει στα φίλτρα μικροσωματιδίων (DPF) που συγκρατούν όσο το δυνατόν περισσότερες επιβλαβείς ενώσεις.

Προχωρώντας ένα βήμα πιο πέρα, η Mercedes αναπτύσσει νέας γενιάς καταλύτη, με σκοπό τον μηδενισμό των εκπεμπόμενων οξειδίων του αζώτου. Από την επόμενη γενιά οι κινητήρες diesel της γερμανικής εταιρείας θα χρησιμοποιούν το πρόσθετο Adblue, σαν extra καταλύτη με βάση την ουρία, βοηθώντας ακόμα περισσότερο προς μια πιο καθαρή ατμόσφαιρα.

 

Πηγές

http://en.wikipedia.org/wiki/European_emission_standards

http://www.carpages.co.uk/co2/

http://auto.howstuffworks.com/car-exhaust-emissions-channel.htm

http://en.wikipedia.org/wiki/Catalytic_converter