ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΚΟ ΕΚΠΑΙΔΕΥΤΙΚΟ ΙΔΡΥΜΑ ΚΑΒΑΛΑΣ
ΣΧΟΛΗ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΚΩΝ ΕΦΑΡΜΟΓΩΝ ΤΜΗΜΑ ΜΗΧΑΝΟΛΟΓΙΑΣ
ΤΟΜΕΑΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ & ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝΤΟΣ
ΠΤΥΧΙΑΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ
ΑΝΑΣΚΟΠΗΣΗ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΩΝ ΥΒΡΙΔΙΚΩΝ ΟΧΗΜΑΤΩΝ – ΥΓΡΑΕΡΙΟΚΙΝΗΣΗ ΑΥΤΟΚΙΝΗΤΩΝ
ΟΝΟΜΑΤΕΠΩΝΥΜΟ ΣΠΟΥΔΑΣΤΩΝ
ΣΠΥΡΙΔΩΝ Π. ΤΑΡΝΑΡΗΣ ΣΙΝΑΝ Τ. ΔΕΔΕ
ΕΠΙΒΛΕΠΩΝ: ΙΩΑΝΝΗΣ Θ. ΑΡΑΜΠΑΤΖΗΣ
ΚΑΒΑΛΑ 2013
Ο ΕΠΙΒΛΕΠΩΝ
ΙΩΑΝΝΗΣ Θ. ΑΡΑΜΠΑΤΖΗΣ
ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΚΟ ΕΚΠΑΙΔΕΥΤΙΚΟ ΙΔΡΥΜΑ ΚΑΒΑΛΑΣ
ΣΧΟΛΗ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΚΩΝ ΕΦΑΡΜΟΓΩΝ ΤΜΗΜΑ ΜΗΧΑΝΟΛΟΓΙΑΣ
ΤΟΜΕΑΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ & ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝΤΟΣ
ΠΤΥΧΙΑΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ
Α΄ ΜΕΡΟΣ ΥΓΡΑΕΡΙΟΚΙΝΗΣΗ ΑΥΤΟΚΙΝΗΤΩΝ
ΟΝΟΜΑΤΕΠΩΝΥΜΟ ΣΠΟΥΔΑΣΤΩΝ
ΣΠΥΡΙΔΩΝ Π. ΤΑΡΝΑΡΗΣ ΣΙΝΑΝ Τ. ΔΕΔΕ
ΕΠΙΒΛΕΠΩΝ: ΙΩΑΝΝΗΣ Θ. ΑΡΑΜΠΑΤΖΗΣ
Στα πλαίσια των προπτυχιακών σπουδών πραγματοποιήθηκε η πτυχιακή εργασία με σκοπό την πληροφόρηση του αναγνώστη σχετικά με την κίνηση των αυτοκινήτων αξιοποιώντας άλλες πηγές ενέργειας πιο οικονομικούς και φιλικούς προς το περιβάλλον όπως το υγραέριο (LPG) και της ηλεκτρικής ενέργειας. Ένας απ τους μεγάλους παράγοντες που αυξάνει τη ρύπανση, είναι και τα συμβατικά αυτοκίνητα. Η εξέλιξη όμως της τεχνολογίας πάνω στο τομέα της αυτοκίνησης κατάφερε με αυτές τις δύο εναλλακτικές μεθόδους κίνησης να περιορίσει σημαντικά τους ρύπους που παράγονται κάθε χρόνο. Επίσης ο αναγνώστης διαβάζοντας την παρούσα εργασία θα ενημερωθεί σχετικά με τον τρόπο λειτουργίας και εγκατάστασης του κάθε συστήματος ξεχωριστά.
Within the undergraduate dissertation took place in order to inform the reader about the movement of vehicles using other energy sources more economical and environmentally friendly as LPG and electricity. One of the major factors that increases pollution, are conventional cars. The evolution of the technology on the automotive sector succeed to reduce traffic pollutants are produced every year with these two alternative methods significantly. The reader reading this work will be informed about the operation and installation of each system separately.
ΠΡΟΛΟΓΟΣ ... xvii
1. ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 ΙΣΤΟΡΙΚΗ ΑΝΑΔΡΟΜΗ ΣΤΗΝ ΚΙΝΗΣΗ ΤΟΥ ΑΥΤΟΚΙΝΗΤΟΥ ... 1
1.1 Εισαγωγή... 1
2. ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 LPG (ΥΓΡΑΕΡΙΟ) ... 9
2.1 Τι είναι υγραέριο ... 9
3. ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 ΓΕΝΙΕΣ LPG (ΥΓΡΑΕΡΙΟΚΙΝΗΣΗΣ) ... 13
3.1 Από την 1η έως την 5η γενιά ... 13
4. ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 ΕΞΑΡΤΗΜΑΤΑ ΕΓΚΑΤΑΣΤΑΣΗΣ ΥΓΡΑΕΡΙΟΥ ... 19
4.1 Γενικά ... 19
4.2 Δεξαμενή υγραερίου ... 19
4.3 Πολυβαλβίδα υγραερίου ... 20
4.4 Βαλβίδα πλήρωσης ... 21
4.4.1 Λειτουργία βαλβίδα πλήρωσης ... 22
4.5 Βαλβίδα ασφαλείας ... 24
4.6 Ηλεκτρομαγνητικές βαλβίδες υγραερίου-βενζίνης ... 25
4.6.1 Ηλεκτρομαγνητική βαλβίδα υγραερίου ... 25
4.6.2 Λειτουργία ηλεκτρομαγνητικής βαλβίδας υγραερίου ... 26
4.6.3 Ηλεκτρομαγνητική βαλβίδα βενζίνης ... 26
4.7 Σωληνώσεις εγκατάστασης υγραεριοκίνησης ... 27
4.8 Πνεύμονας (ρυθμιστής πίεσης)... 29
4.8.1 Λειτουργία πνεύμονα ... 31
4.9 Φίλτρο αερίου ... 33
4.10 Αισθητήρας πίεσης & θερμοκρασίας αερίου LPG... 33
4.10.1 Λειτουργία αισθητήρα ... 34
4.11 Εγχυτήρες ψεκασμού αερίου-πολλαπλή εισαγωγή (μπεκ) ... 34
4.12 Ηλεκτρικό κύκλωμα ... 37
4.12.1 Λειτουργία ηλεκτρικού κυκλώματος ... 38
4.13 Μονάδα ελέγχου (εγκέφαλος ECU) ... 38
4.13.1 Λειτουργία μονάδα ελέγχου ECU ... 38
4.14 Διακόπτης εναλλαγής καυσίμου ... 40
4.14.1 Βασικές λειτουργίες διακόπτη εναλλαγής καυσίμου LPG... 40
4.14.2 Εκκίνηση Κινητήρα & Αυτόματη Μετάβαση σε LPG: ... 41
4.14.3 Διαχείριση Εναλλαγής από Βενζίνη σε LPG και αντίστροφα: ... 41
4.14.4 Κατάσταση Συναγερμού (Αποτυχία Εναλλαγής): ... 42
4.14.5 Έκτακτη ανάγκη λόγω άδειου ρεζερβουάρ βενζίνης: ... 42
5. ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 ΑΝΑΛΟΓΙΑ ΜΙΓΜΑΤΟΣ ... 43
5.1 Γενικά ... 43
5.2 Βάρος και κατανάλωση... 43
5.3 ποιότητα καύσης (με υγραέριο) ... 44
6. ΚΕΦΑΛΑΙΟ 6 ΜΕΤΑΤΡΟΠΗ ΒΕΝΖΙΝΟΜΗΧΑΝΩΝ ... 45
6.1 Γενικά ... 45
6.2 Τρόπος εγκατάστασης εξαρτημάτων ... 45
6.3 Έλεγχος εγκατάστασης & στεγανότητας υγραεριοκίνησης ... 53
6.3.1 Έλεγχος μετά την αρχική εγκατάσταση ... 53
6.3.2 Έλεγχος στεγανότητας συστήματος υγραερίου ... 54
6.4 Γέμισμα της δεξαμενής με υγραέριο ... 58
6.5 Ρύθμιση του συστήματος υγραερίου (καλυμπράρισμα) ... 58
6.5.1 Καλυμπράρισμα ... 59
6.5.2 Διαμόρφωση ... 60
6.5.3 LPG Injector type. ... 61
6.5.4 Ρυθμίσεις για προχωρημένους ... 62
6.5.6 AUTOSETUP ... 65
6.5.7 Διαδικασία καλυμπραρίσματος κατά την οδήγηση (Create Map) ... 69
6.5.8 OTHER BOOKMARKS OF SOFTWARE ... 73
6.5.9 Service tools ... 73
6.5.10 Inspection ... 74
7. ΚΕΦΑΛΑΙΟ 7 ΣΥΝΤΗΡΗΣΗ ΤΟΥ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ LPG & ΚΤΕΟ ... 75
7.1 Γενικά ... 75
7.2 ΚΤΕΟ ... 76
8. ΚΕΦΑΛΑΙΟ 8 ΠΙΝΑΚΑΣ ΒΛΑΒΩΝ ... 79
8.1 Γενικά περί βλαβών ... 79
9. ΚΕΦΑΛΑΙΟ 9 ΑΣΦΑΛΕΙΑ ΤΟΥ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ ΥΓΡΑΕΡΙΟΥ ... 81
9.1 Γενικά ... 81
10. ΚΕΦΑΛΑΙΟ 10 ΔΙΑΝΟΜΗ ΥΓΡΑΕΡΙΟ ΠΡΑΤΗΡΙΑ ... 83
10.1 Πρατήρια ... 83
10.1.1 Οικονομία ... 85
11. ΚΕΦΑΛΑΙΟ 11 ΥΓΡΑΕΡΙΟΚΙΝΗΣΗ & ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝ ... 87
11.1 Προστασία περιβάλλοντος ... 87
12. ΚΕΦΑΛΑΙΟ 12 ΝΟΜΟΘΕΣΙΑ ... 91
12.1 Νομοθετικό πλαίσιο υγραεριοκίνησης ... 91
12.1.1 Νομοθεσία για την ασφάλεια στην υγραεριοκίνηση ... 91
12.1.2 Νομοθεσία για την μετατροπή σε υγραεριοκίνηση ... 91
13. Β΄ ΜΕΡΟΣ ΑΝΑΣΚΟΠΗΣΗ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΩΝ ΥΒΡΙΔΙΚΩΝ ΟΧΗΜΑΤΩΝ ... 93
14. ΚΕΦΑΛΑΙΟ 14 ΡΥΠΑΝΣΗ ΤΟΥ ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝΤΟΣ ... 95
14.1 Γενικά ... 95
14.2 Εκπομπές ρύπων οχημάτων ... 95
15. ΚΕΦΑΛΑΙΟ 15 ΥΒΡΙΔΙΚΗ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ ... 97
15.2 Κύρια μέρη υβριδικού ... 98
15.3 Τύποι υβριδικών συστημάτων ... 99
15.4 Φόρτιση Υβριδικού - Αναπαραγωγικό φρενάρισμα ... 102
15.5 Πλεονεκτήματα της υβριδοποίησης ... 103
15.6 Υπόλοιπες Υβριδικές Εκδοχές ... 104
15.7 Υβριδικά οχήµατα µε κυψέλες καυσίµου ... 104
15.8 Υβριδικά λεωφορεία ... 106
15.9 Εφαρμογές κινητήρων υβριδικών οχημάτων με κυψέλες καυσίμων (FCVs) 107 15.10 Υβριδικά Υδραυλικά Οχήµατα ... 108
16. ΚΕΦΑΛΑΙΟ 16 ΑΝΑΛΥΣΗ ΕΠΙΜΕΡΟΥΣ ΣΤΟΙΧΕΙΩΝ ΥΒΡΙΔΙΚΩΝ ΟΧΗΜΑΤΩΝ 111 16.1 Μπαταρία NiMH ... 111
16.2 Πλεονεκτήματα μπαταρίας NiMH ... 112
16.3 Μπαταρία Li-ion ... 113
16.4 Πλεονεκτήματα-μειονεκτήματα ... 114
16.5 Εξέλιξη της έρευνας ... 115
16.6 Συγκριτική αντιπαράθεση µεταξύ NiMH και Li – ion στα υβριδικά οχήµατα. 117 16.7 Μειονεκτήµατα των σύγχρονων υβριδικών οχηµάτων λόγω χρήσης µπαταριών. ... 121
16.8 Βενζινοκινητήρας µε κύκλο Atkinson ... 122
16.9 Υβριδικοί κινητήρες με κύκλο miller ... 124
17. ΚΕΦΑΛΑΙΟ 17 ΣΥΣΤΗΜΑ ΕΛΕΓΧΟΥ ΥΒΡΙΔΙΚΟΥ ΟΧΗΜΑΤΟΣ ... 127
17.1 Ροή Ισχύος Σε HEV ... 127
17.2 Μεταβατική λειτουργία ενός HEV – Πειραµατικά Δεδοµένα ... 130
17.3 Επικυκλική Μονάδα διασύνδεσης ... 132
17.4 Το Σύστηµα Synergy της Toyota. ... 135
18.1 Toyota Prius THS και THS II ... 139
18.2 Honda Civic Hybrid ... 145
18.3 Lexus rx400h Μπροστινός ηλεκτροκινητήρας 123kw ... 148
18.3.1 Πίσω ηλεκτροκινητήρας 50kw ... 149
18.3.2 Μονάδα ελέγχου ισχύος... 149
18.3.3 Υβριδική μπαταρία 650V ... 150
18.3.4 Μονάδα κατανομής ισχύος ... 150
18.3.5 Γεννήτρια ... 151
18.3.6 Πλανητικό σύστημα γραναζιών ... 152
18.4 Λειτουργίες κατά την οδήγηση ... 152
19. ΠΙΝΑΚΑΣ ΑΚΡΩΝΥΜΙΩΝ ... 154
20. ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ ... 155
Σχήμα 1 Έλεγχος του συστήματος LPG ... 78 Σχήμα 2 Πυκνωτές ενέργειας των διαφόρων μπαταριών ... 119 Σχήμα 3 Εξέλιξη παραμέτρων του κινητήρα και της μπαταρίας στη διάρκεια επιτάχυνσης 0-65 Mph ενός επιβατηγού HEV ... 131 Σχήμα 4 Το σύστημα Synergy της Toyota ... 137 Σχήμα 5 Σύγκριση διαθέσιμης αθροιστικής ισχύος ανάλογα με την ταχύτητα του οχήματος ανάμεσα στα THS και THS 2 ... 140 Σχήμα 6 Συγκριτικό διάγραμμα ισχύος για τον ηλεκτροκινητήρα ανάμεσα στο Prius THS και το Prius THS II ... 141 Σχήμα 7 Συγκριτικό διάγραμμα ροπής για τον ηλεκτροκινητήρα ανάμεσα στο Prius THS και το Pius THS II ... 141 Σχήμα 8 Σύγκριση επιδόσεων του Prius THS II με το προηγούμενο THS αλλα και μα ένα συμβατικό δίλιτρο αυτοκίνητο της Toyota με ατμοσφαιρικό κινητήρα ... 143 Σχήμα 9 Διάγραμμα ροπής και ισχύος του Prius THS II. ... 144 Σχήμα 10 Η έναρξη του “ενεργού “ χρόνου συμπίεσης μεταβάλλεται ανάλογα με το πόσο
“καθυστερημένα” το σύστημα μεταβλητού χρονισμού (VVT-i) κλέινει τη βαλβίδα εισαγωγής ... 145
Εικόνα 1 Τρόπος Λειτουργίας Ατμό Μηχανής ... 1
Εικόνα 2 Η πρώτη φορτηγό άμαξα Fardier ... 2
Εικόνα 3 O T. Έντισον και το ηλεκτρικό όχημα του ... 3
Εικόνα 4 1867 O κινητήρας Όττο και Λάνγκεν στο Παρίσι ... 4
Εικόνα 5 Το αυτοκίνητο με κινητήρα εσωτερικής καύσης και καύσιμο τη βενζίνη, του Νικολάους Όττο ... 5
Εικόνα 6 Πρώτος κινητήρας Diesel ... 6
Εικόνα 7 Η επανεμφάνιση του υγραερίου ... 7
Εικόνα 8 Το πρώτο υβριδικό αυτοκίνητο στο κόσμο το 1899 και ένα σύγχρονο υβριδικό του 2013 ... 8
Εικόνα 9 Δομή Βουτανίου ... 11
Εικόνα 10 Δομή προπανίου ... 11
Εικόνα 11 Σύστημα 1ης γενιάς ... 14
Εικόνα 12 Σύστημα 2ης γενιάς ... 15
Εικόνα 13 Σύστημα 3ης γενιάς ... 16
Εικόνα 14 Σύστημα 4ης γενιάς ... 17
Εικόνα 15 Σύστημα 5ης γενιάς ... 18
Εικόνα 16 Σύστημα υγραεριοκίνησης Diese ... 18
Εικόνα 17 Κυλινδρική και τύπου ρεζέρβας δεξαμενή ... 20
Εικόνα 18 Πολυβαλβίδα και τα επιμέρους εξαρτήματα της ... 21
Εικόνα 19 Στάδιο πλήρωσης και Στάδιο διακοπής πλήρωσης ... 24
Εικόνα 20 Βαλβίδα ασφαλείας πίεσης και θερμοκρασίας ... 25
Εικόνα 21 Ηλεκτρομαγνητική βαλβίδα υγραερίου ... 26
Εικόνα 22 Ηλεκτρομαγνητική βαλβίδα βενζίνης ... 27
Εικόνα 23 Κύκλωμα σωληνογραμμών LPG ... 29
Εικόνα 24 Πνεύμονας - υποβιβαστής πίεσης LPG ... 30
Εικόνα 26 Φίλτρο Αερίου ... 33
Εικόνα 27 Αισθητήρας πίεσης και θερμοκρασίας αερίου LPG (MAP) ... 33
Εικόνα 28 Εγχυτές αερίου-Πολλαπλή εισαγωγή (μπέκ) ... 37
Εικόνα 29 Ηλεκτρολογικό κύκλωμα ... 37
Εικόνα 30 Διακόπτης εναλλαγής καυσίμου LPG ... 40
Εικόνα 31 Φάση εναλλαγής καυσίμου ... 41
Εικόνα 32 Διαχείριση Εναλλαγής καυσίμου ... 41
Εικόνα 33 Σφάλμα εναλλαγής καυσίμου ... 42
Εικόνα 34 Αναγκαία εναλλαγή καυσίμου ... 42
Εικόνα 35 Δεξαμενή τύπου ρεζέρβας εντός εκτός ... 46
Εικόνα 36 Δεξαμενή κυλινδρικού τύπου... 46
Εικόνα 37 Βαλβίδα πλήρωσης ... 47
Εικόνα 38 Σωλήνας πλήρωσης ... 47
Εικόνα 39 Σωληνώσεις παροχής υγραερίου ... 48
Εικόνα 40 Εγκατάσταση πνεύμονα ... 48
Εικόνα 41 Εγκατάσταση πολλαπλής εισαγωγής ... 50
Εικόνα 42 Σχέδιο συνδεσμολογίας αισθητήρα MAP ... 51
Εικόνα 43 Τοποθέτηση εγκεφάλου ECU ... 51
Εικόνα 44 Ολοκληρωμένο σύστημα LPG ... 52
Εικόνα 45 Πίνακας βασικού ελέγχου LPG ... 56
Εικόνα 46 Πρόγραμμα καλυμπραρίσματος ... 59
Εικόνα 47 Αρχικές ρυθμίσεις βασικών παραμέτρων ... 61
Εικόνα 48 LPG Injector type ... 61
Εικόνα 49 Επιλογή αισθητήρα-χάρτη και άλλων παραμέτρων ... 62
Εικόνα 50 Advanced settings ... 63
Εικόνα 51 ... 63
Εικόνα 53 Πρώτη επισκόπηση του συστήματος ... 64
Εικόνα 54 Αυτόματες ρυθμίσεις ... 65
Εικόνα 55 ... 66
Εικόνα 56 Autocalibration ... 66
Εικόνα 57 Εισαγωγή δεδομένων ... 67
Εικόνα 58 Set stable RPM ... 67
Εικόνα 59 Ρύθμιση χρόνου ψεκασμού ... 68
Εικόνα 60 Δημιουργία χάρτη ... 69
Εικόνα 61 Επιλογή καυσίμου ... 69
Εικόνα 62 Εκκίνηση προγράμματος ... 69
Εικόνα 63 Πίνακας χρόνου ψεκασμού - πίεσης στην πολλαπλή ... 70
Εικόνα 64 Εσφαλμένη ρύθμιση ... 70
Εικόνα 65 ΣΩΣΤΗ Εικόνα 66 ΛΑΘΟΣ... 71
Εικόνα 67 ... 71
Εικόνα 68 ... 71
Εικόνα 69 Αυτόματος υπολογισμός ανοίγματος μπεκ ... 72
Εικόνα 70 Διάγραμμα χρόνου ψεκασμού ... 72
Εικόνα 71 Επιλογή αισθητήρα ... 73
Εικόνα 72 Service Tools ... 73
Εικόνα 73 Device Info ... 74
Εικόνα 74 Καθορισμός του επόμενου Service ... 74
Εικόνα 75 Δοκιμές μετά από συγκρούσεις στο πίσω μέρος ... 82
Εικόνα 76 Χάρτης Πρατηρίων LPG στην Ελλάδα ... 85
Εικόνα 77 Κύρια εξαρτήματα υβριδικού ... 98
Εικόνα 78 Τρόπος παραγωγής κίνησης ... 98
Εικόνα 79 Σειριακή συνδεσμολογία ... 100
Εικόνα 81 Μεικτή συνδεσμολογία ... 102
Εικόνα 82 Σύστημα αναπαραγωγικού φρεναρίσματος ... 102
Εικόνα 83 Παράλληλη συνδεσμολογία σε Diesel HEV ... 103
Εικόνα 84 Λειτουργίας μιας κυψέλης καυσίμου ... 104
Εικόνα 85 Δομή μιας κυψέλης καυσίμου ... 105
Εικόνα 86 Υβριδικό λεωφορείο ... 107
Εικόνα 87 Toyota Fine-X ... 107
Εικόνα 88 FCX Concept της Honda ... 108
Εικόνα 89 Το υδραυλικό βοηθητικό σύστημα προώθησης σε υδραυλικό ... 109
Εικόνα 90 Η μπαταρία Νικελίου-Υδριδίου μετάλλου τους Prius ... 113
Εικόνα 91 Μπαταρία Li-ion της εταιρία LG Chemical ... 117
Εικόνα 92 Μπαταρία νικελίου-μετάλλου υδρδίου σε υβριδικό όχημα της Toyota ... 117
Εικόνα 93 Ροή ισχύος στην εκίνηση και στις χαμηλές ταχύτητες ... 128
Εικόνα 94 Ροή ισχύος σε ομαλές συνθήκες οδήγησης... 128
Εικόνα 95 Ροή ισχύος σε διάρκεια έντονης επιτάχυνσης ... 129
Εικόνα 96 Ροή ισχύος κατά την επιβράδυνση ... 129
Εικόνα 97 Ροή ισχύος κατά την ακινησία του οχήματος ... 130
Εικόνα 98 Η ανεξάρτητη διασύνδεση κινητήρα και γεννήτριας με τον ηλεκτροκινητήρα και τους τροχούς ... 133
Εικόνα 99 Όχημα σβηστό ... 133
Εικόνα 100 Εκίνηση του οχήματος από στάση... 134
Εικόνα 101 Επιτάχυνση οχήματος από χαμηλή ταχύτητα ... 134
Εικόνα 102 Κανονική εκίνηση οχήματος ... 135
Εικόνα 103 Επιτάχυνση οχήματος από φυσιολογική ταχύτητα οχήματος ... 135
Εικόνα 104 Το ηλκτρομηχανικό μέρος του THS ... 139
Εικόνα 105 Το πρώτο Toyota Prius ... 139
ηλεκτροκινητήρα ... 142
Εικόνα 107 Άυξηση της απόδοσης του ηλεκτροκινητήρα μέσω της προσθήκης ενός μετατροπέα τάσης στο THSII ... 142
Εικόνα 108 Ο κινητήρας του Prius ... 144
Εικόνα 109 Το υβρυδικό σύστημα του Honda Civic ... 148
Εικόνα 110 Μπροστινός ηλεκτροκινητήρας ... 148
Εικόνα 111 Πίσω ηλεκτροκινητήρας ... 149
Εικόνα 112 Υβριδική μπαταρία ... 150
Εικόνα 113 Μονάδα κατανομής ισχύος ... 151
Εικόνα 114 Γεννήτρια ... 152
Εικόνα 115 Πλανητικό σύστημα γραναζιών ... 152
Εικόνα 116 Λειτουργία συστήματος ενός υβριδικού κατά την οδήγηση ... 153
Πίνακας 1 Διάμετροι ακροφυσίων με βάση τα κυβικά ... 49
Πίνακας 2 Έλεγχος συντήρησης ή αντικατάστασης ανά χλμ ... 76
Πίνακας 3 Πιθανές βλάβες και επίλυση προβλημάτων ... 79
Πίνακας 4 Πρατήρια LPG στην Ελλάδα ... 84
Πίνακας 5 Εκπομπές ρύπων Βενζίνης και Υγραερίου ... 88
Πίνακας 6 Σύγκριση χαρακτηριστικών μπαταριών λιθίου νικελίου ... 121
Πίνακας 7 Σύγκριση τεχνικών χαρακτηριστικών ανάμεσα στα THS και THS 2 ... 140
Πίνακας 8 Ακρωνύμια ... 154
Καταρχήν θα θέλαμε να ευχαριστήσουμε τον κ. ΙΩΑΝΝΗ Θ. ΑΡΑΜΠΑΤΖΗ (επιβλέποντα καθηγητή της παρούσας πτυχιακής εργασίας) για την πολύτιμη συνεργασία, τη βοήθειά του και την ανάθεση του θέματος. Η διαδικασία αυτή έως και την ολοκλήρωση της πτυχιακής απέφερε εµπλουτισµό γνώσης και σαν φοιτητές αποκμίσαμε σηµαντικές πληροφορίες. Αυτό δεν θα συνέβαινε στην περίπτωση που δεν υπήρχε αυτή η σπουδαστική µας ιδιότητα. Συνειδητοποιούμε λοιπόν ότι το όφελος ήταν αξιόλογο. Πρόκειται για ένα θέμα που έχει σκοπό να ενημερώσει τον απλό πολίτη για τα μέσα κίνησης χρησιμοποιώντας εναλακτικούς τύπους ενέργειας.
1. ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1
ΙΣΤΟΡΙΚΗ ΑΝΑΔΡΟΜΗ ΣΤΗΝ ΚΙΝΗΣΗ ΤΟΥ ΑΥΤΟΚΙΝΗΤΟΥ
1.1 Εισαγωγή
Μόλις πριν από 100 χρόνια, το γρηγορότερο μεταφορικό μέσο στην ξηρά ήταν το άλογο. Ένα όχημα, το οποίο κινείται με κινητήρα τον οποίο έχει επάνω του και δεν σέρνεται από εξωτερική δύναμη. Αυτό προσπαθούσαν να φτιάξουν για αιώνες γενιές και γενιές ανθρώπων. Ξεκινάει από τους αρχαίους Έλληνες και Ρωμαίους και φτάνει ως το 1790 όπου δόθηκε το βραβείο ευρεσιτεχνίας στο Νάθαν Ριντ από την Αμερική.
Μέχρι τότε είχαν υπάρξει πάρα πολλοί επιστήμονες οι οποίοι είχαν προσπαθήσει να φτιάξουν κάτι παρόμοιο. Κάποιοι επιχείρησαν να φτιάξουν αμάξι που μετακινείται με τη βοήθεια του αέρα αλλά αυτό δεν κατάφερε να συνεχιστεί λόγο της διακύμανσης του αέρα όπου δεν υπήρχε η δυνατότητα μερικές φορές να κινηθεί το αμάξι με συνέπεια να μην μπορεί να δουλέψει. Ένας άλλος τρόπος που επιχείρησαν την κίνηση του αμαξώματος ήταν με τη βοήθεια του ατμού όπως τα τρένα. Τα αποτελέσματα δεν ήταν επιθυμητά από άποψη επίδοσης του αμαξώματος καθώς δεν μπορούσε να καλύψει μεγάλες αποστάσεις λόγω της μεγάλης αναπλήρωσης νερού στο ντεπόζιτο. Επίσης ένα άλλο μείζον θέμα ήταν η αντίδραση της κοινωνίας για την ηχορύπανση και την ρύπανση του περιβάλλοντος.
Εικόνα 1 Τρόπος Λειτουργίας Ατμό Μηχανής
Αν θα μπορούσαμε με κάποιον τρόπο να χωρίσουμε χρονολογικά αλλά και τεχνολογικά την ιστορία του αυτοκινήτου, αυτό θα γινόταν σε τέσσερις περιόδους: την εποχή των αυτοκινήτων με κίνηση λόγω του ατμού, την εποχή των ηλεκτρικών αυτοκινήτων, τα πρώτα βενζινοκίνητα και τέλος τα εκσυγχρονισμένα αυτοκίνητα που αντιπροσωπεύουν το μεγαλύτερο ποσοστό των ενεργών αυτοκινήτων στις ημέρες μας.
Την πρώτη σοβαρή προσπάθεια όμως την έκανε ο γάλλος Νικολά Ζοζέφ Κυνιώ, όταν το περίφημο τρίτροχο Φαρντιέ (Fardier = Φορτηγό άμαξα) του οποίου ο κινητήρας ήταν τροφοδοτούμενος από έναν ατμολέβητα εμπνευσμένο από τη χύτρα του Παπέν ( το όχημα του οποίου κινιόταν με τη βοήθεια του ατμού). Το όχημα αυτό έφτανε τα 9,5 χλμ. την ώρα μια πολύ ικανοποιητική ταχύτητα για εκείνη την εποχή αφού ο άνθρωπος πηγαίνει με μόνο 5 χλμ. Τα πειράματα ξεκίνησαν το 1770, αλλά το 1771 χρειάστηκε να σταματήσουν επειδή κάποιος άλλος επιστήμονας ανακάλυψε ένα ατμοκίνητο όχημα που άντεχε περισσότερο. Έτσι άρχισε μια περίοδος πειραματισμού με ατμομηχανές, η οποία διήρκησε ως το 1860, αλλά αργότερα πέρασε σε δεύτερη μοίρα με την εμφάνιση του κινητήρα εσωτερικής καύσης.
Εικόνα 2 Η πρώτη φορτηγό άμαξα Fardier
Τα ηλεκτροκίνητα οχήματα έχουν μια μακρόχρονη ιστορία που ξεκινά περίπου 171 χρόνια πιο πίσω, στα μέσα του 19ου αιώνα. Μέσα σε αυτά τα χρόνια τα ηλεκτροκίνητα οχήματα πέρασαν από πολλά στάδια ακμής και αφάνειας μέχρι να φτάσουμε στη σημερινή εποχή που το ενδιαφέρον γι’ αυτά αναζωπυρώθηκε. Η εξέλιξή τους έγινε παράλληλα με την εξέλιξη δύο άλλων ανταγωνιστικών τύπων οχημάτων, τα
ατμοκίνητα οχήματα και τα οχήματα εσωτερικής καύσεως. Οι πρώτες προσπάθειες για δημιουργία ενός μηχανοκίνητου οχήματος το οποίο να κινείται με ηλεκτρισμό χρονολογείται τη δεκαετία του 1830. Κάπου μεταξύ του 1832 και 1839,χωρίς ιδιαίτερη βεβαιότητα, ο σκωτσέζος Robert Anderson εφηύρε ένα πρώτο αρκετά πρόχειρο αυτοκίνητο όχημα που κινούνταν με ηλεκτρισμό. Την ίδια εποχή (1835) ο ολλανδός καθηγητής Stratingh του Groningen έφτιαξε ένα μικρού μεγέθους όχημα. Αυτές οι πρώτες εφευρέσεις είχαν καθαρά δοκιμαστικό χαρακτήρα καθώς και οι ηλεκτρικοί κινητήρες που υπήρχαν ήταν πειραματικοί και μη εφαρμόσιμοι στην πράξη μέχρι το 1837 όπου ο Thomas Davenport κατασκεύασε τον κινητήρα του. Παρ’ όλ’ αυτά αποτέλεσαν το έναυσμα για μια εις βάθος έρευνα πάνω στο αντικείμενο. Περισσότερο πρακτικά και επιτυχή οχήματα ήταν αυτά που φτιάχτηκαν από τον αμερικανό Thomas Davenport (1834) και από τον σκωτσέζο Robert Davidson περί το 1842. Το 1847 ο Moses Farmer από τη Μασαχουσέτη, κατασκεύασε ένα όχημα που τροφοδοτούνταν από 48 ηλεκτρικά στοιχεία και μπορούσε να μεταφέρει δύο άτομα. Την ίδια εποχή ο καθηγητής Charles Page έφτιαξε ένα όχημα με 100 συσσωρευτές και κινητήρα 16 ίππων που μετέφερε 12 άτομα με ταχύτητα μέχρι και 19 μίλια/ώρα.
Εικόνα 3 O T. Έντισον και το ηλεκτρικό όχημα του
Στη συνέχεια ήρθαν οι μηχανές εσωτερικής καύσης όπου το 1824, ο Γάλλος φυσικός Σαντί Καρνό δημοσίευσε το κλασικό πλέον σύγγραμμα σκέψεις πάνω στην ωστική δύναμη της θερμότητας στο οποίο περιέγραψε τις βασικές αρχές της θεωρίας εσωτερικής καύσης. Μια σημαντικότατη εξέλιξη πραγματοποιήθηκε στο Παρίσι το 1862, όταν δημοσιεύτηκε η περιγραφή του ιδανικού κύκλου λειτουργίας μιας μηχανής εσωτερικής καύσης από τον Αλφόνς Μπω ντε Ροσά, ο οποίος ήταν και ο πρώτος που διατύπωσε τις συνθήκες για την άριστη απόδοση κινητήρας του Μπω ντε Ροσά
προέβλεπε τετράχρονο κύκλο, σε αντίθεση με το δίχρονο κύκλο (είσοδος- ανάφλεξη και ισχύς-έξοδος) του Λενουάρ. Όμως στα επόμενα 14 χρόνια ο τετράχρονος κινητήρας έμεινε στα χαρτιά
Μετά από 14 χρόνια απραξίας εμφανίστηκε ως κατασκευή του Γερμανού μηχανικού Νικολάους Ότο ένας βελτιωμένος δίχρονος κινητήρας όπου ήταν πολύ θορυβώδης και μικρής ισχύος, όμως η κατανάλωση καυσίμου ανά μονάδα ισχύος ήταν μικρότερη από τη μισή κατανάλωση του κινητήρα του Λενουάρ
Το 1867 παρουσιάστηκε αυτός ο κινητήρας στην παγκόσμια έκθεση του Παρισιού και, παρά τη θορυβώδη λειτουργία του, πήρε ένα χρυσό βραβείο, γιατί είχε κατά 60% μειωμένη κατανάλωση καυσίμου. Επίσης την ίδια χρονιά κατασκευάστηκε ένας κινητήρας τετράχρονου κύκλου του Μπω ντε Ροσά στον σχεδιασμό ενός νέου κινητήρα.
Εικόνα 4 1867 O κινητήρας Όττο και Λάνγκεν στο Παρίσι
Στη δεκαετία του 1880 ήταν όμως διαθέσιμος ο κινητήρας Οtto που δημιούργησε ελπίδες για την κατασκευή ελαφριών και ευέλικτων αυτοκινούμενων οχημάτων. Βέβαια οι λεγόμενοι ατμοσφαιρικοί κινητήρες είχαν αρχικά σημαντικό βάρος και το αέριο καύσιμο δεν ήταν παντού διαθέσιμο για αυτό πολλοί μηχανικοί σε διάφορες χώρες εργάζονταν με στόχο την βελτίωση αυτού του κινητήρα και την ενσωμάτωση του σε αυτοκίνητα.
Εικόνα 5 Το αυτοκίνητο με κινητήρα εσωτερικής καύσης και καύσιμο τη βενζίνη, του Νικολάους Όττο
Οι δύο μηχανικοί που συνεργάστηκαν από το 1872 στην εταιρία Deutz των Otto και Langen, ο Gottlieb Daimler 1834-1900 ο οποίος ήταν υπεύθυνος για την διαδικασία παραγωγής των κινητήρων και ο Wilhelm Maymach 1846-1929 ο οποίος ήταν επικεφαλής της μελετητικής ομάδας του εργοστασίου. Στα πλαίσια αυτών τον δοκιμών αποφάσισαν να χρησιμοποιήσουν ως καύσιμο την βενζίνη την οποία προωθούσε στο κύλινδρο για καύση ένας νέος τύπος εξαεριωτή (καρμπιρατέρ). Ο κινητήρας αυτός ολοκληρώθηκε το 1884 και είχε κυβισμό 500cm3 και ισχύ 1PS.
Το επόμενο καύσιμο στις μηχανές εσωτερικής καύσης ήρθε το 1892 από τον Γερμανό μηχανικό Ρούντολφ Ντήζελ ανακοινώθηκε ως ευρεσιτεχνία το έτος 1892 ο ομώνυμος (Diesel) κινητήρας και μελετήθηκε στα έτη 1893-1897. Ο Ντήζελ είχε δοκιμάσει κατά τη φάση ανάπτυξης του κινητήρα του διάφορα υγρά καύσιμα, είχε όμως προβλήματα με τις αντλίες που θα διεκπεραίωναν την έκχυση του καυσίμου. Τελικά κατέληξε σε ένα κλάσμα αποστάξεως ορυκτού πετρελαίου, το οποίο ονομάστηκε επίσης ντήζελ, όπως και ο κινητήρας. Το πρώτο λειτουργικά ολοκληρωμένο δείγμα με καλό βαθμό αποδόσεως και εξοικονόμηση καυσίμου, κατασκευάστηκε στο εργοστάσιο της εταιρίας MAN στην πόλη Augsburg της Βαυαρίας. Αργότερα ιδρύθηκαν εργοστάσια σε διάφορες ευρωπαϊκές πόλεις για τη μαζική παραγωγή κινητήρων ντήζελ. Το έτος 1908 κατασκευάστηκαν, αφενός ο πρώτος μικρού μεγέθους κινητήρας για ελαφριά οχήματα, αφετέρου το πρώτο όχημα βαρέων μεταφορών και η πρώτη σιδηροδρομική μηχανή έλξης με κινητήρα ντήζελ.
Εικόνα 6 Πρώτος κινητήρας Diesel
Η απότομη αύξηση της τιμής του πετρελαίου την τελευταία δεκαετία ανάγκασε τις Βιομηχανικές χώρες να στραφούν προς την ανεύρεση άλλων φθηνότερων καυσίμων για την αντικατάσταση του. Η ανάγκη αυτή έστρεψε του ειδικούς για την εύρεση ενός άλλου μέσου κίνησης το υγραέριο καύσιμο. Καθώς ήταν γνωστό στον άνθρωπο από παλιά και θέλησε να χρησιμοποιήσει ως μέσω κίνησης το υγραέριο καύσιμο, το οποίο δεν προχώρησε λόγο μη διαθεσιμότητας σε διάφορες χώρες, αλλά και τεχνικών δυσκολιών.
Το υγραέριο LPG άρχισε να γίνεται γνωστό σχετικά αργά σε σχέση με τη βενζίνη και το πετρέλαιο. Η ιστορία του υγραερίου ξεκινά στις αρχές του 20ου αιώνα, αλλά πέρασαν αρκετές δεκαετίες μέχρι να φτάσουμε στη χρήση του για την υγραεριοκίνηση σήμερα.
Όταν ξεκίνησε η παραγωγή της βενζίνης, ένα από τα βασικά προβλήματα ήταν ότι εξατμιζόταν πολύ γρήγορα όταν φυλασσόταν. Το 1911 ένας Αμερικανός χημικός, ο Δρ Walter Snelling, ανακάλυψε ότι το προπάνιο και το βουτάνιο που περιέχονται στη βενζίνη είναι υπεύθυνα για την έντονη εξάτμιση. Σύντομα ανακάλυψε μια μέθοδο αφαίρεσης αυτών των στοιχείων από τη βενζίνη και κατάφερε να δημιουργήσει υγραέριο για πρώτη φορά. Το πρώτο αυτοκίνητο κινήθηκε με υγραέριο το 1913. Μέχρι το 1940 η χρήση του υγραερίου εξαπλώνεται σιγά – σιγά, αλλά ο Β Παγκόσμιος Πόλεμος σταμάτησε προσωρινά την διάδοση του. Το 1980 σημειώθηκε τεράστια ανάπτυξη των
εξαγωγών υγραερίου σε παγκόσμιο επίπεδο και ξεκίνησε η χρήση υγραερίου LPG σε πολλές διαφορετικές περιπτώσεις, τόσο στην υγραεριοκίνηση όσο και σε πολλές βιομηχανικές χρήσεις. Σήμερα όμως τα προβλήματα αυτά ξεπεράστηκαν με τη βοήθεια της τεχνολογίας σαν συνέπεια την επανεμφάνιση του αερίου-υγραερίου καυσίμου.
Εικόνα 7 Η επανεμφάνιση του υγραερίου
Σαν τελευταίο μέσο κίνησης έχουμε την υβριδική τεχνολογία η οποία δεν είναι μια υπόθεση της τελευταίας δεκαετίας αλλά υφίσταται από το 1899 όταν ο Dr Ferdinand Porsche εργαζόμενος στην εταιρία Jacob Lohner & Co κατασκεύασε το πρώτο υβριδικό όχημα στον κόσμο. Το Lohner-Porsche ήταν ένα αυτοκίνητο που διέθετε ένα βενζινοκινητήρα που έδινε κίνηση σε μία γεννήτρια. Η παραγόμενη ηλεκτρική ενέργεια αποθηκευόταν σε συστοιχία συσσωρευτών για να καταναλωθεί από δύο ηλεκτροκινητήρες που κινούσαν τους εμπρός τροχούς. Στις 14 Απριλίου 1900 το Lohner-Porsche παρουσιάστηκε για πρώτη φορά στο Παρίσι.
Στο διάστημα από το 1899 μέχρι το 1914 παρουσιάστηκαν διάφοροι τύποι υβριδικών οχημάτων, παράλληλων ή σειριακών. Σε καμία περίπτωση δε χρησιμοποιήθηκε η αναγεννητική πέδηση αλλά μάλλον προτιμήθηκε η δυναμική πέδηση. Το κυρίαρχο χαρακτηριστικό σε όλα τα προτεινόμενα υβριδικά οχήματα της περιόδου αυτής ήταν ότι κατασκευάστηκαν για να υποβοηθήσουν τις ασθενείς ΜΕΚ της εποχής ή για να επεκτείνουν την αυτονομία των ηλεκτρικών οχημάτων. Ωστόσο, μετά τον Πρώτο Παγκόσμιο Πόλεμο οι μεγάλες βελτιώσεις των ΜΕΚ σε θέματα ισχύος, μεγέθους, απόδοσης και εκκίνησης, το κόστος των ηλεκτροκινητήρων και οι κίνδυνοι
των συσσωρευτών οξέος εξάλειψαν τελείως τα υβριδικά οχήματα από την αγορά όπως και τα ηλεκτρικά. Η ανάπτυξη των ηλεκτρονικών ισχύος και η βελτίωση του τρόπου ελέγχου των ηλεκτροκινητήρων αναθέρμανε το ενδιαφέρον για τα υβριδικά οχήματα στα τέλη της δεκαετίας του 1960. Όταν πλέον στη δεκαετία του 1990 έγινε ξεκάθαρο ότι τα ηλεκτρικά οχήματα δεν θα μπορούσαν ποτέ να κυκλοφορήσουν στην αγορά, τότε το ενδιαφέρον για τα υβριδικά οχήματα αυξήθηκε κατακόρυφα. Η εταιρία Ford μάλιστα ξεκίνησε ένα διαγωνισμό (Ford Hybrid Electric Vehicle Challenge) για την κατασκευή υβριδικών ηλεκτρικών οχημάτων από Πανεπιστήμια κυρίως. Πολλές αυτοκινητοβιομηχανίες, όπως η Dodge, η Renault, η Volkswagen, η Toyota κλπ.
δημιούργησαν πρωτότυπα υβριδικά οχήματα αλλά το ευκταίο, δηλαδή η δημιουργία ενός εμπορικού οχήματος, δεν επιτεύχθηκε παρά μόνο στην αυγή του 21ου αιώνα.
Το 1997 κυκλοφόρησε στην Ιαπωνία το Toyota Prius σεντάν καθώς επίσης και τα Honda Insight και Civic. Τα οχήματα αυτά είναι πλέον διαθέσιμα σε όλον τον κόσμο και έχουν εξαιρετικά χαρακτηριστικά κατανάλωσης καυσίμου. Το Toyota Prius και το Honda Insight έχουν ιστορική αξία καθώς αποτελούν τα πρώτα εμπορικά υβριδικά οχήματα της σύγχρονης εποχής. Για 2011 και 2012, υπολογίζεται ότι τα υβριδικά αυτοκίνητα θα συνεχίσουν να καλύπτουν σχεδόν το σύνολο της αγοράς ηλεκτροκίνητων οχημάτων.
Αυτό που ενισχύει την άποψη αυτή, είναι ότι την υβριδική τεχνολογία θα την προσφέρουν από τον επόμενο χρόνο και αρκετοί άλλοι κατασκευαστές πλην της Toyota και Honda.
Εικόνα 8 Το πρώτο υβριδικό αυτοκίνητο στο κόσμο το 1899 και ένα σύγχρονο υβριδικό του 2013
2. ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 LPG (ΥΓΡΑΕΡΙΟ)
2.1 Τι είναι υγραέριο
Όπως προαναφέραμε και στην εισαγωγή η απότομη αύξηση της τιμής του πετρελαίου τη τελευταία δεκαετία ανάγκασε τις Βιομηχανικές χώρες να στραφούν προς την ανεύρεση άλλων φθηνότερων καυσίμων για την αντικατάσταση του. Η ανάγκη αυτή έστρεψε του ειδικούς και προς τη δυνατότητα χρησιμοποίησης του υγραερίου. Το υγραέριο, γνωστό από την χρησιμοποίηση του στη Βιομηχανία, τη Βιοτεχνία και την οικιακή χρήση σαν καύσιμη ύλη, έχει τις ίδιες και μάλιστα καλύτερες ιδιότητες από την βενζίνη. Από αέριο μετατρέπεται εύκολα σε υγρό, το οποίο διανέμεται με ασφάλεια και καίγεται χωρίς κατάλοιπα και χωρίς τη παραγωγή επιβλαβών αερίων. Τα πλεονεκτήματα του αυτά και η συγκέντρωση του από τις φυσικές πηγές, της πετρελαιοπηγές και τους πύργους των Διυλιστηρίων σε αρκετές ποσότητες, ήταν τα αίτια που έστρεψαν τους ειδικούς προς τη χρησιμοποίηση του στις μηχανές των αυτοκινήτων.
Το υγραέριο γνωστό σαν LPG (Liquefied Petroleum Gas), είναι ένα αέριο με υπολογίσιμη θερμαντική ικανότητα που υγροποιείτε σε χαμηλή πίεση. Αποτελείτε κυρίως από Βουτάνιο και Προπάνιο, που είναι αέρια προερχόμενα από:
Τις πετρελαιοπηγές η τις πηγές φυσικών αερίων
Το διαχωρισμό του αργού πετρελαίου σε βαρέα και αέρια προϊόντα, που γίνετε μετά την άντληση του και τη συγκέντρωση του σε δεξαμενές
Την απόσταξη του αργού πετρελαίου που γίνετε στα διυλιστήρια
Την υγροποίηση του άνθρακα, που έχει αναπτυχθεί τα τελευταία χρόνια.
Το βουτάνιο και το προπάνιο είναι αλειφατικοί υδρογονάνθρακες, που αποτελούνται από άτομα άνθρακα και υδρογόνο, συνδεδεμένα σε αλυσίδα. Στη φυσική τους κατάσταση είναι άχρωμα και άοσμα, η δε χαρακτηριστική τους δομή δίνεται κατά την επεξεργασία για να είναι αμέσως αισθητή τυχόν διαρροή τους. Δεν είναι τοξικά και δεν προκαλούν ασφυξία, παρά μόνο όταν καταλάβουν όλο τον αναπνευστικό χώρο που δύσκολα συμβαίνει στη πράξη.
Προ λίγων χρόνων τα αέρια αυτά έβαιναν μαζί με άλλα στην ατμόσφαιρα από τις πηγές και τους πύργους των διυλιστηρίων και καίγονταν σαν άχρηστα. Μετά όμως από την γνωστή κρίση του πετρελαίου, συγκεντρώνονται και υγροποιούνται για την χρησιμοποίηση τους σαν καύσιμη ύλη στους διάφορους τομείς (οικιακή χρήση, θέρμανση, βιοτεχνία-βιομηχανία, κίνηση αυτοκινήτων κ.α.)
Η συγκέντρωση μεγάλων ποσοτήτων αερίων γίνετε στα διυλιστήρια ύστερα από μια διαδικασία, που σε γενικές γραμμές είναι: θέρμανση αργού πετρελαίου, διαχωρισμός των συστατικών του ανάλογα με την πυκνότητα τους (Σχ.10), παραλαβή των αερίων από το ψηλότερο τμήμα του πύργου, υγροποίηση και εναποθήκευση των υγραερίων σε σφαιρικές η κυλινδρικές δεξαμενές, έλεγχος της καθαρότητας και ποιότητας των υγραερίων.
Από το διαχωρισμό του αργού πετρελαίου στα διυλιστήρια λαμβάνονται εκτός από τα αέρια και άλλα προϊόντα, στην εξής περίπου ποσοστιαία αναλογία: υγραέρια 4- 5%, βενζίνη 15-30%, κηροζίνη 4-10%, πετρέλαιο 20-35%, και λάδια-άσφαλτος 10-13%.
Όλα αυτά τα προϊόντα κατατάσσονται σε δύο βασικές κατηγορίες: στα <<λευκά>> και στα <<μαύρα>>. Λευκά είναι τα υγραέρια, βενζίνη και η κηροζίνη, ενώ μαύρα είναι το πετρέλαιο, τα λάδια, τα λιπαντικά και η άσφαλτος.
Στις Δυτικές Ευρωπαϊκές χώρες υγραέριο λέγεται το καθαρό βουτάνιο η προπάνιο ή το μίγμα βουτανίου-προπανίου σε ορισμένη αναλογία. Στις Βόρειες Ευρωπαϊκές χώρες, στη Γαλλία, στη Γερμανία και στην Ελλάδα, υγραέριο λέγεται το μίγμα βουτανίου-προπανίου σε αναλογία που καθορίζεται από ειδικούς νόμους.
Βουτάνιο
Το βουτάνιο είναι ένας υδρογονάνθρακας (C4 H10) του οπίου η μοριακή δομή φαίνετε στο Εικ9. Σε πίεση 1,5 kg/cm2 και θερμοκρασία 15οC υγροποιείτε και καταλαμβάνει μικρό όγκο. Στην υγρή του κατάσταση αποκτάει μια εκμεταλλεύσιμη θερμαντική ικανότητα, αποθηκεύεται με σχετική ευκολία σε φιάλες η δεξαμενές και διανέμεται με ευχέρεια στην κατανάλωση.
Από την υγρή του κατάσταση ξαναγίνεται αέριο, όταν η πίεση του γίνει μικρότερη των 1,5 kg/cm2 και η θερμοκρασία του μεγαλύτερη των 0οC κατά την αεριοποίησή του και την ανάμιξη του με τον αέρα σε ορισμένη αναλογία, αναφλέγετε και καίγετε χωρίς καπνό και χωρίς τον σχηματισμό καταλοίπων.
Εικόνα 9 Δομή Βουτανίου
Προπάνιο
Το προπάνιο είναι ένας άλλος υδρογονάνθρακας (C3 H8) του οποίου η μοριακή δομή φαίνετε στην Είκ10. Σε πίεση 7,5 Kg/cm2 και θερμοκρασία κάτω των -42οC υγροποιείται και καταλαμβάνει μικρό όγκο. Σε μικρότερη όμως πίεση και μεγαλύτερη θερμοκρασία αεριοποιείται όπως και το βουτάνιο. Στην αέρια κατάσταση, όταν δημιουργείτε μίγμα σε αναλογία 1,9-9,5% με αέρα αναφλέγεται και καίγετε χωρίς καπνό και κατάλοιπα όπως το βουτάνιο.
Εικόνα 10 Δομή προπανίου
3. ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3
ΓΕΝΙΕΣ LPG (ΥΓΡΑΕΡΙΟΚΙΝΗΣΗΣ)
3.1 Από την 1η έως την 5η γενιά
Η υγραεριοκίνηση έγινε γνωστή στους Έλληνες επισκευαστές και επαγγελματίες οδηγούς το 1974, όταν άρχισε να εφαρμόζεται στα ταξί της Αθήνας και της Θεσ/κης...
παράνομα! Στη συνέχεια, το 1981 νομιμοποιήθηκε η χρήση της μόνο για τα ταξί, τα οποία τότε ήταν βενζινοκίνητα, μια και απαγορευόταν η χρήση του πετρελαίου σαν καύσιμο σε όλα τα επιβατικά (ΙΧ και ταξί) και μικρά φορτηγά, σε Αθήνα και Θεσ/νίκη. Το 1981 λοιπόν, πάρα πολλά ταξί άρχισαν να χρησιμοποιούν το υγραέριο ως καύσιμο, με πολλά προβλήματα, κυρίως λόγω της τεχνολογίας που υπήρχε και εφαρμοζόταν στα βενζινοκίνητα αυτοκίνητα με καρμπιρατέρ, η οποία ήταν και η 1η γενιά συστημάτων υγραεριοκίνησης. Έκτοτε, και μετά από σχεδόν σαράντα χρόνια, οι εξελίξεις στα συστήματα υγραεριοκίνησης ήταν ραγδαίες αφού ακολούθησαν την εξέλιξη των συστημάτων καύσεως των βενζινοκίνητων αυτοκινήτων, με αποτέλεσμα σήμερα να βρισκόμαστε στην 5η γενιά συστημάτων υγραεριοκίνησης. Αναλυτικά, οι γενιές αυτές και οι διαφορές τους είναι οι εξής:
1η γενιά
Σύστημα μονού ψεκασμού -ανοιχτού βρόγχου
Το σύστημα μονού ψεκασμού - ανοιχτού βρόγχου (δηλαδή χωρίς ηλεκτρονική μονάδα ελέγχου - ECU) έχει την πιο απλή εγκατάσταση και την ευκολότερη προσαρμογή. Είναι το αρχικό σύστημα υγραεριοκίνησης που χρησιμοποιείται σε οχήματα που δεν έχουν καταλυτικό μετατροπέα ή αισθητήρα οξυγόνου στο σύστημα εξαγωγής καυσαερίων. Οι μόνες ηλεκτρικές συνδέσεις που απαιτούνται είναι αυτή της αλλαγής βενζίνης/LPG και η καλωδίωση του σωληνοειδούς. Αυτό το σύστημα είναι το μόνο κατάλληλο για οχήματα με καρμπιρατέρ και τα πρώτα συστήματα injection. Στα μειονεκτήματα αυτού του συστήματος περιλαμβάνονται η απώλεια ισχύος, έως και 15%
και ο κίνδυνος αντεπιστροφής της φλόγας μέσω του συστήματος εισαγωγής αέρα, πράγμα που μπορεί να προκαλέσει βλάβες και στην πολλαπλή εισαγωγής και στις βαλβίδες.
Εικόνα 11 Σύστημα 1ης γενιάς
2η γενιά
Σύστημα μονού ψεκασμού -ανοιχτού βρόγχου
Αυτό το σύστημα είναι στην ουσία το ίδιο με το προηγούμενο, αλλά ελέγχεται από μια ηλεκτρονική μονάδα ελέγχου (ECU), η οποία λαμβάνει τις μετρήσεις από τον αισθητήρα οξυγόνου στην εξάτμιση, τον αισθητήρα θέσης στραγγαλιστικής βαλβίδας (πεταλούδα) και τις στροφές του κινητήρα. Παρόλο που αποτελεί σημαντική βελτίωση στο σύστημα ανοιχτού βρόγχου, έχει ακόμα τα ίδια μειονεκτήματα, αλλά έχουν βελτιωθεί αρκετά και οι εκπομπές ρύπων και η κατανάλωση καυσίμου. Το σύστημα αυτό είναι κατάλληλο για τους περισσότερους κινητήρες injection με καταλυτικό μετατροπέα. Στα μειονεκτήματα περιλαμβάνονται η απώλεια ισχύος έως 10% και ο κίνδυνος αντεπιστροφής της φλόγας μέσω του συστήματος εισαγωγής αέρα, το οποίο μπορεί να προκαλέσει βλάβες στην πολλαπλή εισαγωγή, στη βαλβίδα εναλλαγής, στον αισθητήρα πίεσης πολλαπλής εισαγωγής (ΜΑΡ sensor) και στο μετρητή ροής αέρα.
Εικόνα 12 Σύστημα 2ης γενιάς
3η γενιά
Σύστημα πολλαπλού ψεκασμού
Σε αυτά τα συστήματα αρχίζει πλέον να αυξάνεται και η πολυπλοκότητα του ελέγχου, ο οποίος εξαρτάται από το επίπεδο της τεχνολογίας που χρησιμοποιείται. Οι απλούστερες μονάδες είναι κατασκευασμένες έτσι ώστε να «ξεγελούν» το σύστημα διαχείρισης του κινητήρα, ενώ οι πιο περίπλοκες ταυτίζονται με το σύστημα και χρησιμοποιούν τα στοιχεία του για να ελέγξουν τον ψεκασμό του LPG. Αυτός ο τύπος είναι κατάλληλος για την πλειονότητα των οχημάτων ενώ προσφέρει καλές αποδόσεις και αξιοπιστία και δεν εμφανίζει κανένα από τα μειονεκτήματα των συστημάτων μονού ψεκασμού. Το σύστημα 3ης γενιάς είναι συγκεκριμένο για το κάθε όχημα και χρησιμοποιεί για τον έλεγχο της ταυτόχρονης έκχυσης καυσίμου σε όλους τους κυλίνδρους, ένα πρόγραμμα Η/Υ, το οποίο συνεργάζεται με τον αισθητήρα εισαγωγής αέρα.
Εικόνα 13 Σύστημα 3ης γενιάς
4η γενιά
Σύστημα πολλαπλού-διαδοχικού ψεκασμού
Αυτό το κορυφαίας τεχνολογίας σύστημα πολλαπλού ψεκασμού είναι ο καλύτερος τρόπος μετατροπής για τα νέα αυτοκίνητα με τα πολύπλοκα συστήματα διαχείρισης κινητήρα, ώστε αυτά να μπορούν να λειτουργούν σωστά με υγραέριο και να μην εμφανίζουν τα προβλήματα των συστημάτων μονού ψεκασμού. Το σύστημα αυτό μπορεί να προσαρμοστεί στα περισσότερα οχήματα με καταλυτικό μετατροπέα και είναι παρόμοιο με εκείνο της προηγούμενης γενιάς, αλλά αντί για τον ταυτόχρονο ψεκασμό καυσίμου σε όλους τους κυλίνδρους, το κάνει διαδοχικά ακολουθώντας τον κανονικό κύκλο παροχής καυσίμου του οχήματος. Ο υπολογιστής καυσίμου λαμβάνει τις πληροφορίες που χρειάζεται για να λειτουργήσει τον ψεκασμό του υγραερίου από το σύστημα ψεκασμού βενζίνης. Έτσι ο κινητήρας είναι σαν να λειτουργεί με βενζίνη και κάθε λάθος στη μείξη καυσίμου αντισταθμίζεται από το αρχικό σύστημα διαχείρισης, ενώ το σήμα που στέλνεται στους αρχικούς εγχυτήρες ερμηνεύεται και χρησιμοποιείται για να ψεκαστεί το υγραέριο. Για το λόγο αυτό, οι επιδόσεις και τα χαρακτηριστικά της οδήγησης είναι σχεδόν τα ίδια με αυτά της βενζίνης.
Εικόνα 14 Σύστημα 4ης γενιάς
5η γενιά
Σύστημα πολλαπλού-διαδοχικού ψεκασμού
Η εξέλιξη και διαφοροποίηση αυτής της γενιάς από τη προηγούμενη είναι ότι το υγραέριο ψεκάζεται σε υγρή μορφή στην πολλαπλή εισαγωγής πριν από τις βαλβίδες εισαγωγής, ενώ η εξαέρωσή του βασίζεται στη θερμοκρασία του κινητήρα. Αυτή η μέθοδος είναι πολύ πιο ακριβή από εκείνη του ψεκασμού του υγραερίου στην πολλαπλή εισαγωγής. Με δυο λόγια στόχος των κατασκευαστών εξαρτημάτων LPG είναι να μην χρησιμοποιούνται πλέον τα μπεκ βενζίνης για να ψεκάζουν το υγραέριο, αλλά να μπορούν να αντικαθίστανται από μπέκ LPG, με αποτέλεσμα να ψεκάζεται το καύσιμο απευθείας εντός του κυλίνδρου (αντί της πολλαπλής εισαγωγής), κάτι που δεν είναι και τόσο διαδεδομένο ακόμα και σήμερα.
Εικόνα 15 Σύστημα 5ης γενιάς
Και σύστημα υγραεριοκίνησης για diesel
Η εταιρία Gill ασχολείται με την κατασκευή εξοπλισμού ανάφλεξης για κινητήρες diesel που μετατρέπονται σε LPG/CNG. Τα προϊόντα της χρησιμοποιούν τεχνολογία αιχμής ώστε να παρέχουν οικονομία καυσίμου, λιγότερες εκπομπές ρύπων και να μειώνουν τις φθορές του κινητήρα.
Εικόνα 16 Σύστημα υγραεριοκίνησης Diese
4. ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4
ΕΞΑΡΤΗΜΑΤΑ ΕΓΚΑΤΑΣΤΑΣΗΣ ΥΓΡΑΕΡΙΟΥ
4.1 Γενικά
Για τη χρησιμοποίηση του υγραερίου σαν δεύτερο καύσιμο από την βενζινομηχανή, απαιτείται μια ειδική μετατροπή στο σύστημα τροφοδοσίας της. Με τη μετατροπή αυτή δημιουργείται ένα άλλο σύστημα τροφοδοσίας, το οποίο αεριοποιεί το υγραέριο και ρυθμίζει τη παροχή του παραγόμενου αερίου προς τον εξαερωτήρα, για την ανάμιξη του με τον ατμοσφαιρικό αέρα. Η διαδικασία αυτή της μετατροπής, απαιτεί κάποια εξαρτήματα βάση της οδηγίας ECE R67 για την εγκατάσταση χρήσης LPG ως καύσιμο στα οχήματα. Τα εξαρτήματα αυτά είναι:
Δεξαμενή υγραερίου Πολυβαλβίδα υγραερίου Βαλβίδα πλήρωσης Βαλβίδα ασφαλείας Σωληνώσεις κυκλώματος Ηλεκτρομαγνητική βαλβίδα Πνεύμονας (ρυθμιστής πίεσης) Φίλτρο αερίου
Αισθητήρας πίεσης και θερμοκρασίας
Εγχυτήρες ψεκασμού (πολλαπλή εισαγωγή μπέκ) Ηλεκτρολογικό κύκλωμα (καλωδιώσεις)
Μονάδα ελέγχου (Εγκέφαλος) Διακόπτης αλλαγής καυσίμου
Τα παραπάνω εξαρτήματα αναλύονται στις παρακάτω παραγράφους.
4.2 Δεξαμενή υγραερίου
Η δεξαμενή υγραερίου είναι ένα κυλινδρικό δοχείο ή τύπου ρεζέρβας με διαστάσεις ανάλογες του τύπου αυτοκινήτου και της απαιτούμενης χωρητικότητας που κυμαίνεται μεταξύ 40 και 100 λίτρων. Τα υλικά κατασκευής, η σχεδίαση, ο τρόπος συγκόλλησης και η διαδικασία ελέγχου των δεξαμενών ελέγχονται από το Υπουργείο Βιομηχανίας και
