ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ...

ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ

ΠΟΛΥΤΕΧΝΙΚΗ ΣΧΟΛΗ

ΤΜΗΜΑ ΜΗΧΑΝΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ

ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΕΦΑΡΜΟΣΜΕΝΗΣ ΘΕΡΜΟΔΥΝΑΜΙΚΗΣ

ΔΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ

Αξιολόγηση Αισθητήρων Αιθάλης για Χρήση σε

Ενσωματωμένα Συστήματα Αυτοδιάγνωσης Οχημάτων (OBD)

Πλιόσκας Γεώργιος

ΑΕΜ.: 4692

ΥΠΕΥΘΥΝΟΣ: Καθ. Σαμαράς Ζήσης

ΑΡΜΟΔΙΟΣ ΠΑΡΑΚΟΛΟΥΘΗΣΗΣ: Δρ. Γκεϊβανίδης Σάββας

Θεσσαλονίκη, Νοέμβριος 2013

Εργαστήριο Εφαρμοσμένης Θερμοδυναμικής Σελίδα ii

1. ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ

2.

ΤΜΗΜΑ ΜΗΧΑΝΟΛΟΓΩΝ

ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ

3.

ΕΝΕΡΓΕΙΑΚΟΣ

ΤΟΜΕΑΣ

4.

ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ

ΕΦΑΡΜΟΣΜΕΝΗΣ

ΘΕΡΜΟΔΥΝΑΜΙΚΗΣ

5. Υπεύθυνος:

Καθ. Σαμαράς Ζ.

6. Αρμόδιος Παρακολούθησης:

Δρ. Γκεϊβανίδης Σ.

7. Τίτλος εργασίας:

Αξιολόγηση Αισθητήρων Αιθάλης για Χρήση σε Ενσωματωμένα Συστήματα

Αυτοδιάγνωσης Οχημάτων (OBD)

8. Ονοματεπώνυμο φοιτητή :

Πλιόσκας Γεώργιος

9. Αριθμός μητρώου:

4692

10. Θεματική περιοχή:

11. Ημερομ. έναρξης:

8/2012

12. Ημερομ παράδοσης:

11/2013

13. Αριθμός εργασίας:

13DI.0046.V1

14. Περίληψη:

Στην παρούσα διπλωματική κύριο αντικείμενο μελέτης

αποτελούν οι (ωμικοί) αισθητήρες αιθάλης και συγκεκριμένα η

στατιστική αξιολόγηση της ικανότητας τριών διαφορετικών

αισθητήρων αιθάλης να διακρίνουν τα διάφορα επίπεδα

εκπομπών σωματιδίων σε σχέση με το επιτρεπτά όρια

εκπομπών για τα συστήματα OBD με βάση τον κανονισμό της

Ευρωπαϊκής Ένωσης, Euro 6. Αρχικά, παρουσιάζεται το

θεωρητικό υπόβαθρο που αφορά τις εκπομπές σωματιδίων, τα

πρότυπα εκπομπών της Ευρωπαϊκής νομοθεσίας, όπως επίσης

και οι μεταβατικοί κύκλοι οδήγησης που χρησιμοποιήθηκαν

κατά τη διάρκεια των μετρήσεων. Στην συνέχεια,

παρουσιάζονται τα όργανα μέτρησης και συστήματα που

χρησιμοποιήθηκαν κατά τις δοκιμές. Συγκεκριμένα,

περιγράφεται αναλυτικά ο τρόπος λειτουργίας των παγίδων

αιθάλης, των αισθητήρων αιθάλης, και των διαγνωστικών

συστημάτων ελέγχου του οχήματος (OBD). Κατόπιν,

παρουσιάζεται η επεξεργασία και η ανάλυση των δεδομένων

με χρήση μοντέλων που αναπτύχθηκαν στο εργαστήριο για το

σκοπό αυτό. Ακολουθεί η στατιστική ανάλυση των

αποτελεσμάτων και η αξιολόγηση των αισθητήρων. Τέλος,

παρουσιάζονται τα συμπεράσματα που προκύπτουν από τη

λειτουργία και τη σύγκριση των αισθητήρων και προτείνονται

τρόποι για την βελτίωση της αξιοπιστίας τους.

15. Στοιχεία εργασίας:

Αρ. Σελίδων: 83

Αρ. Εικόνων: 43

Αρ. Διαγραμμάτων: 0

Αρ. Πινάκων: 5

Αρ. Παραρτημάτων: 0

Αρ. Παραπομπών: 0

16. Λέξεις κλειδιά:

Σωματίδια αιθάλης (PM), αιθάλη

(soot), διαγνωστικά συστήματα

επί οχήματος (OBD), αισθητήρες

σωματιδίων αιθάλης (PMSS),

φίλτρα αιθάλης (DPF), πρότυπα εκπομπών, μεταβατικοί κύκλοι,

προτυποποιημένος ευρωπαϊκός

μεταβατικός κύκλος μετρήσεων

(EUDC), μεταβατικός κύκλος

Artemis, μεταβατικός κύκλος

WLTC, επιτρεπόμενα όριο

εκπομπών για OBD (OTL),

μοντέλο δείκτη αιθάλης (Soot

Index model), μοντέλο εκτίμησης

συσσώρευσης αιθάλης (RSS

based Monitoring model)

17. Σχόλια:

18. Συμπληρωματικές παρατηρήσεις:

19. Βαθμός:

Εργαστήριο Εφαρμοσμένης Θερμοδυναμικής Σελίδα iii

Ευχαριστίες

Η συγγραφή της παρούσας διπλωματικής σηματοδοτεί το πέρας της φοίτησης μου στην

Πολυτεχνική Σχολή του ΑΠΘ και την αρχή μιας καινούργιας. Θα ήθελα να ευχαριστήσω τον

διευθυντή του εργαστηρίου Εφαρμοσμένης Θερμοδυναμικής του τμήματος Μηχανολόγων

Μηχανικών Καθηγητή κ. Σαμαρά Ζήση για την εμπιστοσύνη του στη ανάθεση του θέματος,

τις καίριες συμβουλές και την καθοδήγηση του κατά τη διάρκεια της συνεργασίας μας.

Επίσης, θα ήθελα να ευχαριστήσω τον Δρ. Γκεϊβανίδη Σ. για τα στοιχεία που μου παρείχε και

την σημαντική συμβολή του στην επίλυση των δυσκολιών που αντιμετώπισα κατά την

εκπόνηση της εργασίας.

Ευχαριστώ επίσης όλα τα μέλη του εργαστηρίου για την άψογη συνεργασία κατά την εργασία

μου στους χώρους των πειραματικών μετρήσεων, επιδεικνύοντας επιπλέον αμέριστη διάθεση

για να μου προσφέρουν τη βοήθεια τους, αλλά και τις γνώσεις τους μέσα από τις πολύωρες

απολαυστικές συζητήσεις μας.

Θερμές ευχαριστίες στην οικογένεια μου που με στήριξαν και με στηρίζουν σε κάθε

προσπάθεια μου και στους φίλους μου Λίνο, Ηλία, Αλέξη, Γιώργο, Χρήστο, Γιώργο και

Λάζαρο που ήταν δίπλα μου σε όλες τις ευχάριστες και δυσάρεστες στιγμές μου και

αποτέλεσαν τα στηρίγματα μου σε όλη μου τη φοιτητική ζωή.

Τέλος, θα ήθελα να αφιερώσω την εργασία μου ιδιαίτερα στην Εφίνα και στη Νικολέτα γιατί

χωρίς την αμέριστη συμπαράσταση τους η παρούσα διπλωματική δεν θα ήταν δυνατόν να

ολοκληρωθεί.

Εργαστήριο Εφαρμοσμένης Θερμοδυναμικής Σελίδα 1

ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ

ΕΙΣΑΓΩΓΗ........................................................................................................................... 4

ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1: Θεωρητικό υπόβαθρο ................................................................................. 7

1.1 Εκπομπές σωματιδίων – αιθάλη .............................................................................. 7

1.2 Πρότυπα εκπομπών Ευρωπαϊκής Ένωσης ............................................................. 10

1.2.1 Γενικά ............................................................................................................ 10

1.2.2 Επιβατικά οχήματα – ελαφριά φορτηγά .......................................................... 11

1.3 Προτυποποιημένοι μεταβατικοί κύκλοι μετρήσεων εκπομπών .............................. 15

1.3.1 Γενικά ............................................................................................................. 15

1.3.2 Νέος Ευρωπαϊκός Μεταβατικός Κύκλος Οδήγησης (NEDC) ........................... 16

1.3.3 Μεταβατικός Κύκλος Artemis ......................................................................... 19

1.3.4 Παγκόσμιος Μεταβατικός Κύκλος Ελαφρών Οχημάτων (WLTC) ................... 21

1.4 Παγίδες Αιθάλης .................................................................................................. 22

1.4.1 Γενικά ............................................................................................................. 22

1.4.2 Στάδια κατά τη λειτουργία παγίδας αιθάλης .................................................... 27

1.4.3 Συστήματα αναγέννησης παγίδων αιθάλης ...................................................... 29

1.5 Αισθητήρες Σωματιδίων Αιθάλης ......................................................................... 34

1.5.1 Γενικά ............................................................................................................. 34

1.5.2 Περιγραφή λειτουργίας (ωμικού) αισθητήρα αιθάλης ...................................... 35

1.5.3 Στάδια λειτουργίας αισθητήρων αιθάλης ......................................................... 37

1.6 Διαγνωστικό σύστημα οχήματος (OBD) ............................................................... 40

1.6.1 Ιστορική αναδρομή συστημάτων αυτοδιάγνωσης.......................................... 40

1.6.2 Το σύστημα OBD ως σύστημα ελέγχου των εκπομπών καυσαερίων ............. 41

1.6.3 Ευρωπαϊκή νομοθεσία για τα όρια εκπομπών στα συστήματα OBD ............. 42


1.6.4 CAN Interface (Controller Area Network Interfase) ...................................... 46

ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2: Πειραματική διαδικασία .......................................................................... 47

2.1 Περιγραφή οχήματος με πετρελαιοκίνητο κινητήρα (diesel) .................................. 47

2.2 Τροποποίηση εξάτμισης οχήματος ........................................................................ 48

2.3 Τροποποίηση φίλτρων αιθάλης (DPF) ................................................................... 49

2.4 Μετρητικά όργανα ................................................................................................ 50

2.4.1 Αισθητήρες Αιθάλης ....................................................................................... 50

2.4.2 Pegasor Particle Sensor (PPS) .......................................................................... 51

2.5 Διάρκεια Πειραμάτων ........................................................................................... 52

2.5.1 Pre-tests για τον καθορισμό συνθηκών λειτουργίας ........................................ 52

2.5.2 Διεξαγωγή δοκιμών – περιγραφή διαδικασίας ................................................. 52

2.6 Μετρήσεις – Αποτελέσματα .................................................................................. 55

2.6.1 Σύνοψη πειραματικής διαδικασίας .................................................................. 55

2.6.2 Εκπομπές σωματιδίων των φίλτρων DPF για τα διάφορα επίπεδα εκπομπών .. 57

2.6.3 Επεξεργασία μετρήσεων – Μοντελοποίηση δεδομένων .................................. 59

2.6.4. Ανάλυση δεδομένων με χρήση του «Μοντέλου Δείκτη Αιθάλης» για τους

αισθητήρες αιθάλης Α και Β .......................................................................... 62

2.6.5 Στατιστική ανάλυση αποτελεσμάτων για τους αισθητήρες Α και Β................. 69

2.6.6. Ανάλυση δεδομένων με χρήση του «Μοντέλου Εκτίμησης Συσσώρευσης

Αιθάλης» για τον αισθητήρα αιθάλης Γ ......................................................... 71

2.6.7 Στατιστική ανάλυση αποτελεσμάτων για τον αισθητήρα Γ ............................. 73

2.6.8 Αξιολόγηση λειτουργίας των αισθητήρων αιθάλης Α, Β και Γ ........................ 75


2.7. Συμπεράσματα – Προτάσεις ................................................................................... 77

Βιβλιογραφία ...................................................................................................................... 80


Εισαγωγή

Λόγω της εξέλιξης της τεχνολογίας, τα σημερινά οχήματα έχουν σημαντικά

μικρότερες εκπομπές αέριων ρύπων σε σχέση με οχήματα παλαιότερης τεχνολογίας.

Προς την κατεύθυνση αυτή κινείται και η νομοθεσία θεσπίζοντας όλο και πιο

αυστηρά πρότυπα εκπομπών, μια σειρά από οδηγίες και κανονισμούς που αφορούν τα

αποδεκτά όρια των εκπεμπόμενων ρύπων των νέων οχημάτων, τη θέσπιση

προτυποποιημένων μεταβατικών κύκλων για την μέτρηση των εκπομπών,

προδιαγραφές για τα διαγνωστικά εργαλεία που χρησιμοποιούνται στα οχήματα κ.α.

Τα επιτρεπόμενα όρια είναι πλέον τόσο χαμηλά που υποχρεώνουν τους

κατασκευαστές να αναζητούν συνεχώς πιο αποδοτικές και αξιόπιστες λύσεις σε σχέση

με το σύστημα μετεπεξεργασίας των καυσαερίων. Ιδιαίτερα για τα οχήματα με

κινητήρα πετρελαίου (diesel), τα σωματίδια αιθάλης (PM) μαζί με τα οξείδια του

αζώτου (NOx) βρίσκονται στο επίκεντρο της ανάπτυξης τεχνολογιών για τον

περιορισμό τους, επειδή θεωρούνται από τους πιο επιβλαβείς ρύπους που παράγονται.

Συγκεκριμένα για τα σωματίδια αιθάλης, οι κανονισμοί επιβάλλουν πλέον

στους κατασκευαστές των πετρελαιοκίνητων οχημάτων τη χρήση φίλτρων αιθάλης

(DPF) με σκοπό την μείωση των εκπομπών τους. Οι αντίστοιχοι κανονισμοί που

αφορούν τα διαγνωστικά συστήματα επί του οχήματος (OBD) που φέρουν τα νέα

οχήματα και πρόκειται να εφαρμοστούν στο άμεσο μέλλον για τα νέας κυκλοφορίας

οχήματα περιλαμβάνουν ακόμη πιο αυστηρούς περιορισμούς που αφορούν την συνεχή

παρακολούθηση και καταγραφή της αποτελεσματικότητας των φίλτρων αιθάλης

(DPF). Σαν αποτέλεσμα των περιορισμών αυτών είναι πλέον απαραίτητοι οι

αισθητήρες αιθάλης (PMSS). Οι αισθητήρες αιθάλης αποτελούν μια καινούργια

τεχνολογία και βρίσκονται ακόμη στο στάδιο της ανάπτυξης. Βασική λειτουργία τους


είναι ο έλεγχος της αποτελεσματικότητας της παγίδας σωματιδίων αιθάλης που

χρησιμοποιείται στους κινητήρες diesel.

Συνέπεια όλων των παραπάνω είναι το έντονο επιστημονικό ενδιαφέρον σε

νέες τεχνολογίες. Σε αυτό το πλαίσιο, εντάσσεται και η παρούσα διπλωματική εργασία

η οποία έχει ως στόχο την μελέτη και αξιολόγηση της ικανότητας τριών διαφορετικών

(ωμικών) αισθητήρων αιθάλης να αξιολογούν τις εκπομπές σωματιδίων του οχήματος

σε σχέση με το επιτρεπόμενο όριο εκπομπών το οποίο έχει καθοριστεί με βάσει των

κανονισμό OBD της Ευρωπαϊκής Ένωσης για τα επιβατικά οχήματα και τα ελαφριά

φορτηγά.

Αναλυτικότερα, οι δοκιμές που πραγματοποιήθηκαν στο εργαστήριο έγιναν στο

πετρελαιοκίνητο όχημα Honda Accord το οποίο έχει έγκριση με βάση το πρότυπο

Euro 4. Κατά τη διεξαγωγή των πειραμάτων χρησιμοποιήθηκαν φίλτρα αιθάλης

(Diesel Particulate Filter, DPF), ειδικά τροποποιημένα ώστε να επιτευχθούν τα

διάφορα επίπεδα εκπομπών. Σχεδιάστηκε και χρησιμοποιήθηκε για το σκοπό αυτό ένα

ειδικό πρωτόκολλο μετρήσεων το οποίο περιελάμβανε μία σειρά από μεταβατικούς

κύκλους προτυποποιημένους και μη καθώς επίσης και δοκιμές σταθερής κατάστασης.

Στο εργαστήριο, δημιουργήθηκαν δύο μοντέλα για την επεξεργασία των μετρήσεων με

σκοπό την αξιολόγηση των δυνατοτήτων του κάθε αισθητήρα να διακρίνουν τα

διαφορετικά επίπεδα εκπομπών πάνω και κάτω από το προκαθορισμένο όριο

εκπομπών του κανονισμού.

Σε αυτό το σημείο θα πρέπει να τονισθεί, ότι η παρούσα εργασία αποτελεί

ταυτόχρονα και κομμάτι ενός ευρύτερου ερευνητικού προγράμματος της Ευρωπαϊκής

Ένωσης που ανατέθηκε στο εργαστήριο Εφαρμοσμένης Θερμοδυναμικής της

πολυτεχνικής σχολής του ΑΠΘ (LAT), στον οργανισμό εφαρμοσμένων


επιστημονικών ερευνών TNO, στην εταιρία Ricardo, και στο πανεπιστήμιο TU Graz

με σκοπό την αξιολόγηση της τεχνικής σκοπιμότητας των προτεινόμενων ορίων βάσει

του κανονισμού OBD για τις εκπομπές σωματιδίων (PM), όπως επίσης και την

αξιολόγηση αισθητήρων αιθάλης που βρίσκονται σε ώριμο στάδιο ανάπτυξης ή

διατίθενται στην αγορά.


Κεφάλαιο 1: Θεωρητικό υπόβαθρο

1.1 Εκπομπές σωματιδίων – αιθάλη

Κατά τη λειτουργία ενός κινητήρα diesel παράγονται καυσαέρια, τα οποία

αποτελούνται από εκατοντάδες αέρια, ημι-πτητικά και σωματιδιακά οργανικά

συστατικά, που παράγονται μέσω της καύσης του πετρελαίου. Η ακριβής σύσταση

των καυσαερίων εξαρτάται από τις παραμέτρους λειτουργίας του κινητήρα, όπως η

σύσταση του καυσίμου, η σχετική υγρασία, η θερμοκρασία, ο τύπος του κινητήρα και

το φορτίο του κινητήρα. Η δημιουργία των ρύπων λόγω ατελούς καύσης οφείλεται

κυρίως στις τοπικές συνθήκες καυσίμου – αέρα (ανομοιογενής κατανομή) αλλά και

στο γεγονός ότι οι αντιδράσεις δεν λαμβάνουν χώρα πλήρως προς μία κατεύθυνση. Οι

κυριότεροι ρύποι που παράγονται κατά την καύση σε ένα κινητήρα diesel είναι τα

οξείδια του αζώτου (NOx), οι άκαυστοι υδρογονάνθρακες (HC), τα οξείδια του θείου

(SOx), και τέλος τα σωματίδια αιθάλης (Particular Matter ή Soot). (Αλαφούζος, 2009,

Οικονόμου, 2011)

Τα σωματίδια αιθάλης είναι στερεές συσσωματώσεις πλούσιες σε άνθρακα που

σχηματίζονται σε μίγματα καύσιμου – αέρα πλούσια σε καύσιμο. Πιο συγκεκριμένα,

αποτελούνται από στερεό ανόργανο άνθρακα (dry soot), «μεταλλική στάχτη» και σε

ένα μικρό ποσοστό από οργανική ύλη σε υγρή φάση (ενώσεις υδρογονανθράκων

προσκολλημένες στον στερεό άνθρακα) προερχόμενη από το καύσιμο και το

λιπαντικό του κινητήρα. Τέλος, υπάρχουν σε μικρό ποσοστό θειούχες ενώσεις και

νερό, ανάλογες με το ποσοστό του θείου στο αρχικό καύσιμο. Το ποσοστό της

αιθάλης στα σωματίδια που προέρχονται από το καύσιμο diesel ποικίλει, αλλά

συνήθως είναι της τάξης των 40-50%. Στο σχήμα που ακολουθεί παρουσιάζεται η


επιμέρους σύνθεση των σωματιδίων που εκπέμπονται σε ένα κινητήρα diesel.

(Φραγκόπουλος, 2009)

Εικόνα 1.1.1: Τυπική σύνθεση εκπεμπόμενων σωματιδίων σε κινητήρα diesel

Πηγή: Οικονόμου, Μ. (2011). Ανασκόπηση Σύγχρονων Συστημάτων

Αντιρρύπανσης Εμβολοφόρων Κινητήρων. (Διπλωματική εργασία,

Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο, 2011).

Τα σωματίδια σχηματίζονται τόσο κατά τη καύση στην φάση της προανάμιξης

(ταχεία καύση), όσο και στη φάση της διάχυσης (ρυθμιζόμενη καύση). Η μεγάλη

συγκέντρωση αιθάλης γίνεται αντιληπτή ως μαύρος καπνός στο καυσαέριο.

Σημαντικό ρόλο στον σχηματισμό αιθάλης παίζει ο τύπος του καυσίμου. Ο

σχηματισμός αιθάλης λαμβάνει σε συνθήκες θερμοκρασίας και πίεσης στην περιοχή

1000ο K - 2800

ο Κ και 50-100 atm και περιλαμβάνει αρχικά τη διάσπαση των

πολύπλοκων υδρογονανθράκων σε ακετυλένιο, πολυακετυλένια και αρωματικούς

υδρογονάνθρακες και την ανάπτυξη των σωματιδίων τόσο σε μέγεθος όσο και σε

επιφάνεια με την προσκόλληση ουσιών που έχουν την κατάλληλη αναλογία άνθρακα-

υδρογόνου. (Οικονόμου, 2011)

Τα σωματίδια αιθάλης σχετίζονται με σοβαρά αναπνευστικά προβλήματα στον

ανθρώπινο οργανισμό. Εξ’ αιτίας του μικρού μεγέθους του μπορούν να εισχωρήσουν

στους πνεύμονες με την αναπνοή, προκαλώντας διάφορα προβλήματα, από δύσπνοια


έως χρόνιες αναπνευστικές ασθένειες. Επίσης, θεωρούνται ύποπτες για

καρκινογενέσεις. Η κατανομή του μεγέθους είναι ιδιαίτερα σημαντική, διότι

σωματίδια μικρότερα από 5 μm είναι αναπνεύσιμα και καταλήγουν απευθείας στους

πνεύμονες. Σύμφωνα, με ιατρικές έρευνες αποδεικνύεται ότι επιπτώσεις στην υγεία

εξ’ αιτίας της έκθεσης σε σωματίδια αιθάλης αυξάνονται καθώς μειώνεται το μέγεθός

τους. Τα σωματίδια αιθάλης ποικίλουν αναφορικά με το μέγεθος τους, από 10nm έως

και 1000 nm με τη μεγαλύτερη συγκέντρωση γύρω στα 100 nm. (Αλαφούζος, 2011,

Οικονόμου, 2011)

Η αιθάλη όταν εξετάζεται σε ηλεκτρονικό μικροσκόπιο (εικόνα 1.1) έχει τη

μορφή αλυσίδας μικρότερων πρωτογενών σφαιρικών ή σχεδόν σφαιρικών σωματιδίων

με μέγεθος από 10 nm έως 80 nm.

Εικόνα 1.1.2: Μικροφωτογραφία σωματιδίου αιθάλης, το οποίο δημιουργήθηκε κατά

τη διάρκεια καύσης diesel.

Πηγή: Ραπτοτάσιος, Σ. Μελέτη της συνδυασμένης χρήσης ανακυκλοφορίας

καυσαερίου και εμπλουτισμού του αέρα εισαγωγής σε οξυγόνο, σε κινητήρα

Diesel άμεσης έγχυσης. (Διπλωματική εργασία, Εθνικό Μετσόβιο

Πολυτεχνείο, 2009)


Ο αριθμός των σωματιδίων δε διατηρείται, καθώς μέσα στο σωλήνα εξαγωγής

των καυσαερίων, οι συνεχώς μεταβαλλόμενες συνθήκες μπορούν να οδηγήσουν στο

σχηματισμό σωματιδίων κατά τη συμπύκνωση και αντίστοιχα στη μείωση του αριθμού

των σωματιδίων κατά τη σύμπηξη. Μεταξύ των παραγόντων που έχουν βρεθεί ότι

επηρεάζουν τη συγκέντρωση του αριθμού των σωματιδίων αποτελεί ο τύπος του

καυσίμου, με προτιμητέα τα καύσιμα χαμηλής περιεκτικότητας σε θείο. (Αλαφούζος,

2009)

1.2 Πρότυπα εκπομπών Ευρωπαϊκής Ένωσης

1.2.1 Γενικά

Επειδή θεωρούνται από τους πιο επιβλαβείς ρύπους που παράγονται σε κινητήρες

diesel, τα σωματίδια αιθάλης υπόκεινται σε παγκόσμιους περιορισμούς εκπομπών και

μαζί με τα NOx βρίσκονται στο επίκεντρο της ανάπτυξης τεχνολογιών για τον

περιορισμό τους.

Τα πρότυπα εκπομπών αφορούν τα αποδεκτά όρια των εκπεμπόμενων ρύπων των

νέων οχημάτων που πωλούνται σε Ιαπωνία, Αμερική και Ευρωπαϊκή Ένωση. Τα

οχήματα τα οποία δεν τηρούν τις προδιαγραφές δεν μπορούν να πάρουν έγκριση.

Διευκρινίζεται ότι τα νέα πρότυπα δεν έχουν ισχύ σε οχήματα που βρίσκονται ήδη σε

κυκλοφορία. Αποτελούνται από μία σειρά οδηγιών στα οποία καθορίζονται σταδιακά

όλο και πιο αυστηρές προδιαγραφές για της εκπομπές NOx, HC, CO και σωματιδίων.

(Οικονόμου, 2011, Αλαφούζος, 2009)

Ο κανονισμός εκτός από την θέσπιση κοινών απαιτήσεων σχετικά με τις

εκπομπές των οχημάτων και των ειδικών ανταλλακτικών τους, καθορίζει μέτρα που

επιτρέπουν τη βελτίωση της πρόσβασης στις πληροφορίες επισκευής των οχημάτων


και προωθεί την ταχεία παραγωγή οχημάτων που συμμορφώνονται με τις διατάξεις

του κανονισμού. (Car-engineer, n.d.)

1.2.2 Επιβατικά οχήματα και ελαφριά φορτηγά

Ανάλογα με τον τύπο του οχήματος η Ευρωπαϊκή Ένωση έχει θεσπίσει την

οδηγία 70/220/EEC στην οποία αναφέρονται οι κανονισμοί εκπομπών καυσαερίων για

τα επιβατικά και ελαφρά εμπορικά οχήματα και πρότυπα για βαρέα οχήματα. Αυτή η

οδηγία τροποποιήθηκε αρκετές φορές και συγκεκριμένα έχουμε τις εξής

τροποποιήσεις:

1. Euro 1 (EC 93): Οδηγία 91/441/EEC μόνο για επιβατικά οχήματα και οδηγία

93/59/EEC για επιβατικά αυτοκίνητα και ελαφρά φορτηγά

2. Euro 2 (EC 96): Οδηγία 94/12/EC και οδηγία 96/69/EC

3. Euro 3/4 (2000/2005): Οδηγία 98/69/EC και οδηγία 2002/80/EC. Τα πρότυπα

Euro 3, 4 εισήγαγαν πιο αυστηρούς κανονισμούς καυσίμου, όσον αφορά τν

ελάχιστο αριθμό κετανίου, τη περιεκτικότητα σε θείο.

4. Euro 5/6 (2009/2014): «πολιτική» νομοθεσία της 20ης

Ιουνίου 2007 – κανονισμός

715/2007. Τα πρότυπα Euro 5/6 εισήγαγαν μια καινούργια μέθοδο μέτρησης των

εκπομπών σωματιδίων με βάση το πρόγραμμα μέτρησης UN/ECE, και ρυθμίζει το

όριο εκπομπής αριθμού σωματιδίων καθώς και αυστηρότερα όρια εκπομπής

σωματιδίων με βάση τη μάζα. (Οικονόμου, 2011, Αλαφούζος, 2009)

Ο κανονισμός αφορά τα οχήματα των οποίων η μάζα αναφοράς δεν υπερβαίνει τα

2610 kg και περιλαμβάνει μεταξύ άλλων τα επιβατικά, τα μικρά φορτηγά και

εμπορικά οχήματα που προορίζονται για τη μεταφορά επιβατών ή εμπορευμάτων η

για ορισμένες ειδικές χρήσεις, όπως ασθενοφόρα. Ο κανονισμός γενικά αφορά

οχήματα εξοπλισμένα με βενζινοκινητήρες, κινητήρες με φυσικό αέριο ή υγραέριο


(LPG) και κινητήρες ανάφλεξης με συμπίεση (diesel). (Europa Legislation

Summaries, n.d.)

Με σκοπό να περιοριστούν όσο το δυνατόν περισσότερο οι αρνητικές επιπτώσεις

των οδικών οχημάτων στο περιβάλλον και στην υγεία, ο κανονισμός καλύπτει το

μεγαλύτερο δυνατό φάσμα εκπομπών ρύπων: μονοξείδιο του άνθρακα (CO),

υδρογονάνθρακες πλην του μεθανίου, συνολικοί υδρογονάνθρακες, οξείδια του

αζώτου (NOx) και τα σωματίδια (PM). Οι εκπομπές περιλαμβάνουν τις εκπομπές

στροφαλοθαλάμου, εκπομπές αγωγών εξαγωγής και τέλος τις εξατμιστικές εκπομπές.

(Europa Legislation Summaries, n.d.)

Τα επιτρεπόμενα όρια έκθεσης εκφράζονται με ποσοστά στερεού άνθρακα, χωρίς

να λαμβάνουν υπόψη τα ποσοστά του θείου και τις οργανικές ενώσεις. Στους

παρακάτω πίνακες φαίνονται οι εκπομπές τόσο για επιβατικά οχήματα όσο και για

ελαφρού τύπου εμπορικά οχήματα.

Πίνακας 1.2.1: Πρότυπα εκπομπών Ευρωπαϊκής Ένωσης για επιβατικά οχήματα –

κατηγορία Μ1 σε g/km


Οι τιμές των PM ισχύουν στα πρότυπα Euro 5, 6 είναι εφαρμόσιμες μόνο για τα

κινητήρες αμέσου οχήματος και έχουν προταθεί ακόμη μικρότερα όρια για τα PM της

τάξης του 0,003 g/km χρησιμοποιώντας τη μέθοδο PMP.

Πίνακας 1.2.2: Πρότυπα εκπομπών Ευρωπαϊκής Ένωσης για ελαφρού τύπου εμπορικά

οχήματα σε g/km

Τέλος, όσον αφορά την εφαρμογή των προτύπων ήδη έχει τεθεί σε πλήρη

εφαρμογή το πρότυπο Euro 5 και τα κράτη μέλη της Ε.Ε οφείλουν να αρνούνται την


έγκριση τύπου, την ταξινόμηση, την πώληση ή τη θέση σε κυκλοφορία των οχημάτων

που δεν τηρούν τις εν λόγω οριακές τιμές εκπομπών. Υπάρχει συμπληρωματική

προθεσμία διάρκειας ενός έτους για οχήματα μεταφοράς εμπορευμάτων και για τα

οχήματα για την εξυπηρέτηση ειδικών κοινωνικών αναγκών. Το πρότυπο Euro 6 θα

εφαρμοστεί από την 1η Σεπτεμβρίου του 2014, όσον αφορά την έγκριση τύπου και

από την 1η Σεπτεμβρίου 2015 όσον αφορά την ταξινόμηση και την πώληση των νέων

τύπων οχημάτων. (Europa Legislation Summaries, n.d.)

Η παροχή χρηματοδοτικών κινήτρων από τα κράτη μέλη με σκοπό την

ενθάρρυνση της τήρησης των νέων οριακών τιμών επιτρέπεται εφόσον:

ισχύουν για κάθε νέο όχημα που πωλείται στην αγορά ενός κράτους μέλους και

πληροί, εκ των προτέρων, τις απαιτήσεις του παρόντος κανονισμού

λήγουν κατά την ημερομηνία εφαρμογής των οριακών τιμών

ανέρχονται, για κάθε τύπο μηχανοκίνητου οχήματος, σε ποσό μικρότερο από το

επιπλέον κόστος που συνεπάγονται, αφενός, οι τεχνικές διατάξεις που

διασφαλίζουν την τήρηση των καθοριζόμενων οριακών τιμών και, αφετέρου, η

τοποθέτησή τους στα οχήματα.

(Europa Legislation Summaries, n.d.)

Εκτός από την τήρηση των προαναφερόμενων οριακών τιμών εκπομπών, οι

κατασκευαστές οφείλουν να διασφαλίζουν την ανθεκτικότητα των διατάξεων ελέγχου

της ρύπανσης για απόσταση 160.000 km. Επίσης, η συμμόρφωση κατά τη λειτουργία

πρέπει να είναι δυνατόν να ελέγχεται επί χρονικό διάστημα έως πέντε έτη ή

100.000 km. (Europa Legislation Summaries, n.d.)


Η εύκολη πρόσβαση σε πληροφορίες και η παροχή σαφών πληροφοριών σχετικά

με την επισκευή και τη συντήρηση των οχημάτων αποτελεί ουσιαστικό στοιχείο που

εξασφαλίζει τον ελεύθερο ανταγωνισμό στην εσωτερική αγορά όσον αφορά τις

υπηρεσίες πληροφόρησης και επισκευής. Για το σκοπό αυτό οι κατασκευαστές πρέπει

να διασφαλίζουν στους ανεξάρτητους φορείς εύκολη, απεριόριστη και τυποποιημένη

(κυρίως τηρώντας το μορφότυπο ΟΑSΙS) πρόσβαση μέσω του Διαδικτύου, στις

πληροφορίες που αφορούν την επισκευή και τη συντήρηση των οχημάτων, χωρίς

διακρίσεις σε σχέση με τους επίσημους εξουσιοδοτημένους πωλητές και τα συνεργεία

επισκευής. Η υποχρέωση αυτή καλύπτει τα ενσωματωμένα συστήματα διάγνωσης

(OBD), τα διαγνωστικά εργαλεία, τον εξοπλισμό δοκιμής καθώς και τις

τυποποιημένες μονάδες εργασίας ή τις χρονικές περιόδους για εργασίες επισκευής και

συντήρησης. Η επιβολή τελών για την πρόσβαση στις πληροφορίες αυτές επιτρέπεται

εφόσον είναι εύλογα και αναλογικά. Ωστόσο, οι ανεξάρτητοι επισκευαστές έχουν

δωρεάν πρόσβαση στις πληροφορίες αυτές και υπό τους ίδιους όρους με τους

εξουσιοδοτημένους αντιπροσώπους ή επισκευαστές. (Europa Legislation Summaries,

n.d.)

1.3 Προτυποποιημένοι μεταβατικοί κύκλοι μετρήσεων

1.3.1 Γενικά

Από την δεκαετία του 1980, οι μεταβατικοί κύκλοι (Transient Cycle)

χρησιμοποιούνται στα οχήματα με κινητήρα diesel για την μέτρηση των εκπομπών

τους. Αυτοί οι κύκλοι έχουν μεγάλη διάρκεια έως και μισή ώρα και περιλαμβάνουν

αλλαγές ταχύτητας και φορτίων. Για να είναι οι μετρήσεις των εκπομπών


αντιπροσωπευτικές της πραγματικής λειτουργίας των κινητήρων, ενσωματώνουν

κάποιες από τις παρακάτω συνθήκες οδήγησης:

Ψυχρή εκκίνηση

Θερμή εκκίνηση

Συχνές επιταχύνσεις και επιβραδύνσεις

Αλλαγές φορτίου

Κατάσταση άφορτης λειτουργίας (ρελαντί)

Συνθήκες οδήγησης σε προάστια και αγροτικούς δρόμους

Συνθήκες οδήγησης σε αυτοκινητόδρομο

(Αλαφούζος, 2009)

Κατά την εφαρμογή του μεταβατικού κύκλου δοκιμάζεται ολόκληρο το εύρος

λειτουργίας του κινητήρα και όχι μόνο η μέγιστη ισχύς ή ροπή του κινητήρα, με

σκοπό τον προσδιορισμό των συνολικών εκπομπών του κινητήρα. Για την

πραγματοποίηση των μεταβατικών κύκλων απαιτούνται περίπλοκες πειραματικές

διατάξεις πλήρως αυτοματοποιημένες που περιλαμβάνουν συσκευές ανάλυσης

καυσαερίων με γρήγορη απόκριση, δυναμόμετρο για εφαρμογή ελεγχόμενης

ταχύτητας και φορτίου, σήραγγες ανάμιξης κλπ. (Αλαφούζος, 2009)

Η εκπομπή σωματιδίων καθορίζεται από την ολική μάζα που συλλέγεται στα

φίλτρα κατά τη διάρκεια του Μεταβατικού κύκλου, όπου μετράται η αιθάλη. Για τη

σύγκριση με τα όρια προτύπων υπολογίζεται μια μέση τιμή εκπομπών για τον κύκλο.

(Αλαφούζος, 2009)

1.3.2 Νέος Ευρωπαϊκός Μεταβατικός Κύκλος Οδήγησης (NEDC)

Ο νέος ευρωπαϊκός κύκλος οδήγησης (NEDC-New European Driving Cycle)

σχεδιάστηκε ώστε να προσομοιώνει τις εκπομπές καυσαερίων στα επιβατικά οχήματα


αναπαριστώντας την οδήγηση ενός ‘τυπικού’ οχήματος στην Ευρώπη. Ο κύκλος

πρέπει να πραγματοποιείται σε ευθύ δρόμο με απουσία αέρα, ωστόσο στην πράξη

γίνεται συνήθως πάνω σε πέδη σε ειδικά σχεδιασμένα εργαστήρια για να

επιτυγχάνεται η επαναληψιμότητα των δοκιμών. Αποτελείται από δύο μέρη, τα οποία

ενσωματώνουν την αστική οδήγηση, και την οδήγηση σε αυτοκινητόδρομους. Η

διάρκεια αυτού του συνδυαστικού κύκλου είναι περίπου 20 λεπτά (1180 s) με μέση

ταχύτητα τα 33.6 km/h. (Wikipedia, n.d)

Το πρώτο κομμάτι αντιπροσωπεύει την οδήγηση μέσα στη πόλη – Μεταβατικός

Κύκλος Πόλης (UDC), με συχνές ενάρξεις, στάσεις και λειτουργία ρελαντί. Ο

κύκλος χαρακτηρίζεται από χαμηλά φορτία, σχετικά χαμηλή θερμοκρασία

καυσαερίων ενώ η μέγιστη ταχύτητα φτάνει τα 50 km/h. Περιλαμβάνει 4

διαδοχικούς Μεταβατικούς Κύκλους Πόλης (UDC), συνολικής διάρκειας

περίπου 13 λεπτών συνολικής απόστασης περίπου 4,1 km και μέσης ταχύτητας

18.77 km/h. (Dieselnet, n.d., Commission Regulation, 2008)

Εικόνα 1.3.1: Μεταβατικός κύκλος πόλης (UDC)

Retrieved from: http://www.dieselnet.com/standards/cycles/ece_eudc.php

To δεύτερο κομμάτι αντιπροσωπεύει την οδήγηση εκτός πόλης, με μεγαλύτερες

ταχύτητες. O κύκλος ξεκινάει με ένα απότομο τμήμα επιτάχυνσης έως τα 70

km/h ενώ η μέγιστη ταχύτητα φτάνει τα 120 km/h. Η διάρκεια του είναι περίπου


7 λεπτά συνολικής απόστασης περίπου 7 km και μέση ταχύτητα τα 62.6 km/h.

(Dieselnet, n.d., Commission Regulation, 2008)

Εικόνα 1.3.2: Μεταβατικός κύκλος εκτός πόλης (EUDC)

Retrieved from: http://www.dieselnet.com/standards/cycles/ece_eudc.php

Στο παρακάτω διάγραμμα φαίνεται αναλυτικά η ταχύτητα του οχήματος κατά τη

διάρκεια του ευρωπαϊκού μεταβατικού κύκλου NEDC:

Εικόνα 1.3.3: Διάγραμμα της ταχύτητας του αυτοκινήτου συναρτήσει του χρόνου

διάρκειας του Ευρωπαϊκού Μεταβατικού κύκλου για ελαφρά

οχήματα.

Πηγή: Samaras, Z., & Geivanidis, S. (2012). Technical feasibility of different regulatory

particle OBD threshold limits (OTL) for Euro 6 (LD) and VI (HD) vehicles- An

EU DG Enterprise funded project, presentation, Aristotle University

Thessaloniki.

http://www.dieselnet.com/standards/cycles/ece_eudc.php


1.3.3 Μεταβατικός Κύκλος Artemis

Ο μεταβατικός κύκλος Artemis (Assessment and Reliability of Transport

Emission Models and Inventory Systems) βασίστηκε στην στατιστική ανάλυση των

πραγματικών συνθηκών που επικρατούν στον δρόμο ώστε οι εκπομπές καυσαερίων

που μετρούνται από αυτό τον κύκλο να αποδίδουν καλύτερα τις πραγματικές.

Αποτελείται από τον urban cycle ο οποίος προσομοιώνει την οδήγηση στη πόλη, τον

rular cycle ο οποίος προσομοιώνει την οδήγηση εκτός πόλης και τον motorway cycle

ο οποίος προσομοιώνει την οδήγηση σε αυτοκινητόδρομο. Συγκεκριμένα:

Ο Μεταβατικός Κύκλος “Artemis Urban” περιλαμβάνει τυχαίες ενάρξεις,

στάσεις. Διαρκεί περίπου 17 λεπτά, συνολικής απόστασης περίπου 4,9 km και

μέσης ταχύτητας 17,6 km/h. Ενώ η μέγιστη ταχύτητα είναι περίπου στα 60 km/h.

(Dieselnet, n.d., Car-engineer, n.d)

Εικόνα 1.3.4: Μεταβατικός κύκλος «Artemis Urban»

Retrieved from: http://www.dieselnet.com/standards/cycles/artemis.php

Ο Μεταβατικός Κύκλος “Artemis Rural (Road)” αντιπροσωπεύει την οδήγηση

εκτός πόλης όπου επικρατούν γενικά μεγαλύτερες ταχύτητες και λιγότερες

στάσεις. Διαρκεί περίπου 18 λεπτά, συνολικής απόστασης περίπου 17,2 km και


μέσης ταχύτητας 57,5 km/h. Ενώ η μέγιστη ταχύτητα είναι περίπου στα 110

km/h. (Dieselnet, n.d., Car-engineer, n.d)

Εικόνα 1.3.5: Μεταβατικός κύκλος «Artemis Road»


Ο Μεταβατικός Κύκλος “Artemis motorway” αντιπροσωπεύει την οδήγηση σε

αυτοκινητόδρομο με όριο 130 και 150 αντίστοιχα, όπου επικρατούν υψηλές

ταχύτητες. Διαρκεί περίπου 18 λεπτά, συνολικής απόστασης περίπου 28,7/29,5

km και μέσης ταχύτητας 96,9/99,6 km/h. Ενώ η μέγιστη ταχύτητα είναι περίπου

στα 130/150 km/h. (Dieselnet, n.d., Car-engineer, n.d)

Εικόνα 1.3.6: Μεταβατικός κύκλος «Artemis motorway»



1.3.4 Παγκόσμιος Μεταβατικός Κύκλος ελαφρών οχημάτων – WLTC

Ο μεταβατικός κύκλος WLTC (Worldwide Harmonized Light vehicles Transient

Cycle) αναπτύχθηκε από την Ευρωπαϊκή ένωση σε συνδυασμό με την Ιαπωνία και την

Ινδία με σκοπό να αντικαταστήσει τον μεταβατικό κύκλο NEDC. Αποτελείται από 4

μέρη: την οδήγηση μέσα στη πόλη, την οδήγηση σε αγροτικό δρόμο, την οδήγηση

εκτός πόλης και την οδήγηση σε αυτοκινητόδρομο υψηλής ταχύτητας. Προκειμένου

να περιλαμβάνει όλων των κατηγοριών επιβατικά αυτοκίνητα, ανάλογα με τον λόγο

της ισχύος προς την μάζα του οχήματος, έχουμε και τον αντίστοιχο κύκλο οδήγησης.

Στην παρακάτω εικόνα φαίνεται η ταχύτητα σε συνάρτηση με τον χρόνο του κύκλου

WLTC για την κατηγορία των οχημάτων με λόγο ισχύος-μάζας PMR>=34, (υψηλού

κυβισμού) διάρκειας 30 λεπτών, συνολικής απόστασης 23.2 km και μέσης ταχύτητας

46,5 km/h, ενώ η μέγιστη δεν ξεπερνά τα 130 km/h. (Dieselnet, n.d, car-engineer, n.d.)

Εικόνα 1.3.6: Παγκόσμιος Ενοποιημένος Μεταβατικός κύκλος WLTC

Retrieved from: http://www.car-engineer.com/the-different-driving-

cycles/#!prettyPhoto/0/


1.4 Παγίδες Αιθάλης

1.4.1 Γενικά

Τα φίλτρα σωματιδίων πετρελαίου (Diesel Particulate Filters, DPF) ή παγίδες

αιθάλης (soot traps) ή φίλτρα αιθάλης (soot filters) είναι, ουσιαστικά, φίλτρα που

συγκρατούν τα σωματίδια της αιθάλης και στη συνέχεια τα οξειδώνουν (Σχήμα 4.1).

Οι παγίδες αυτές τοποθετούνται στη σωλήνωση εξαγωγής των καυσαερίων μέσα από

την οποία διέρχονται τα θερμά καυσαέρια. Τα πρώτα φίλτρα αιθάλης

χρησιμοποιήθηκαν το 1985 σε οχήματα Mercedes-Benz, αλλά λόγω προβλημάτων

αποσύρθηκαν από την αγορά. Η χρήση τους στη συνέχεια περιορίστηκε σε εφαρμογές

“εκτός δρόμου” και βιομηχανικές μέχρι τη δεκαετία του 1990 που ξεκίνησαν κάποια

προγράμματα μετασκευής βαρέων οχημάτων (heavy duty vehicles, HDV). Σήμερα, τα

φίλτρα αιθάλης χρησιμοποιούνται στα περισσότερα επιβατηγά αυτοκίνητα ελαφρού

τύπου (Light Duty Vehicles, LDV) στην Ευρώπη, στις Η.Π.Α. και στην Ιαπωνία. Η

χρήση τους είναι πολύ συχνή και στα φορτηγά.

Εικόνα 1.4.1: Φίλτρο πετρελαίου σωματιδίων αιθάλης (DPF)


Οι προδιαγραφές εκπομπών ρύπων Euro 4 για επιβατηγά οχήματα που ισχύει από

το 2005 έχει θέσει όρια εκπομπών σωματιδίων αιθάλης τα οποία οι κατασκευαστές

μπορούν να επιτύχουν και χωρίς τη χρήση φίλτρων αιθάλης, με εσωτερικά μέτρα

(internal measures). Τα νέα όμως όρια εκπομπών Euro 5 που ισχύουν από το 2009

περιλαμβάνουν μια πολύ σημαντική μείωση της μάζας των εκπεμπόμενων

σωματιδίων αιθάλης (Particulate Matter, PM) από 25 mg/km σε 4.5 mg/km. Επίσης

έχει προστεθεί και περιορισμός του αριθμού των εκπεμπόμενων σωματιδίων στα

6Χ1011

σωματίδια/km. Η μέτρηση του αριθμού σωματιδίων γίνεται με τη μέθοδο

PMP, και το όριο αυτό θεωρείται αρκετά χαμηλό. (Οικονόμου, 2011)

Οι παγίδες αιθάλης είναι συσκευές που συλλέγουν τα σωματίδια των καυσαερίων

με φυσικό τρόπο, εμποδίζοντας την απελευθέρωσή τους στην ατμόσφαιρα. Τα

σύγχρονα φίλτρα έχουν πολύ υψηλό βαθμό απόδοσης (πάνω από 90%) και καλή

μηχανική και θερμική αντοχή.

Ο παραπάνω βαθμός απόδοσης εξαρτάται από πολλούς παράγοντες, όπως το

μέγεθος των πόρων του φίλτρου, το βάθος διήθησης, την ταχύτητα καυσαερίου, τη

διάμετρο των σωματιδίων και τη φόρτιση αιθάλης. Θα πρέπει εδώ να αναφερθεί ότι

οι παγίδες είναι αποτελεσματικές στην κατακράτηση του στερεού μέρους των

σωματιδίων και συγκεκριμένα αυξάνεται η απόδοση τους, όσο αυξάνει η διάμετρος

σωματιδίων αιθάλης. Χαρακτηρίζονται όμως από περιορισμένη απόδοση στη μείωση

του πτητικού, μη στερεού μέρους (SOF). Το πτητικό μέρος σχηματίζεται στους

κινητήρες Diesel μετά την παγίδα κατά τη διάρκεια ψύξης των καυσαερίων.

(Οικονόμου, 2011)

Κατά τη σταδιακή συσσώρευση αιθάλης στο φίλτρο εναποτίθενται σωματίδια

στα τοιχώματα του φίλτρου με αποτέλεσμα τη δημιουργία σωματιδιακής στρώσης. Η

σωματιδιακή στρώση αποτελεί μια επιπλέον αντίσταση στη ροή του καυσαερίου


προκαλώντας αύξηση της πτώσης πίεσης του φίλτρου. Η φάση αυτή ονομάζεται

φόρτιση. (Οικονόμου, 2011)

Η αυξημένη πτώση πίεσης στην εξαγωγή ή αλλιώς αντίθλιψη, επηρεάζει

αρνητικά τη λειτουργία του κινητήρα, μέσω της αύξησης των απωλειών άντλησης και

επιδεινώνει την κατανάλωση καυσίμου και τις εκπομπές ρύπων. Επομένως, τα

συστήματα αυτά πρέπει να παρέχουν ένα τρόπο για την απομάκρυνση των

σωματιδίων και την αποκατάσταση της λειτουργίας τους. Η απομάκρυνση των

σωματιδίων μέσω της οξείδωσης τους – αναγέννηση (regeneration), μπορεί να

πραγματοποιείται συνεχώς κατά τη διάρκεια φόρτισης του φίλτρου, είτε μετά από μια

προκαθορισμένη συσσώρευση αιθάλης. Σε κάθε περίπτωση η αναγέννηση πρέπει να

μην είναι αντιληπτή από τον οδηγό και να πραγματοποιείται χωρίς την παρέμβαση

του. (Οικονόμου, 2011)

Η συλλογή των σωματιδίων σε οποιοδήποτε τύπο παγίδας, στηρίζεται στο

διαχωρισμό των σωματιδίων από το αέριο με την εναπόθεση του πάνω στην

συλλεκτική επιφάνεια. Ο διαχωρισμός επιτυγχάνεται με πέρασμα του αερίου μέσω

πορώδους φράγματος (barrier), που κατακρατεί τα σωματίδια. Τα φίλτρα ανάλογα με

το είδος του φράγματος διακρίνονται σε βαθιάς κλίνης (deep-bed), αβαθούς κλίνης

(shallow-bed) ή επιφανειακού τύπου(surface-type). (Οικονόμου, 2011)

Εικόνα 1.4.2: Σχηματική αναπαράσταση συλλογής σωματιδίων σε φίλτρο DPF.

Retrieved from: http://www.dieselnet.com/tech/dpf_cat.php


Τα φίλτρα DPF πρέπει να έχουν αντοχή σε υψηλές θερμοκρασίες πάνω από 1000ο

C και υψηλές μεταβολές θερμοκρασίας, όπως επίσης καλή μηχανική αντοχή και

ανθεκτικότητα στο περιβάλλον του καυσαερίου. (οξειδωτικά αέρια, τέφρα από

καταλυτικά πρόσθετα, λιπαντικά κ.α). Βασικά χαρακτηριστικά που επιδιώκονται στα

φίλτρα DPF είναι ο υψηλός βαθμός κατακράτησης σωματιδίων, η δυνατότητα

συγκράτησης μεγάλης ποσότητας αιθάλης, χαμηλή πτώση πίεσης, δυνατότητα

καταλυτικής επίστρωσης και σχετικά μικρό μέγεθος και βάρος. Γι’ αυτό τα φίλτρα

αιθάλης είναι κατασκευασμένα συνήθως από καρβίδιο του πυριτίου και κορδιερίτη

και άλλα υλικά με παρόμοιες ιδιότητες (Εικόνα 1.4.3).

Εικόνα 1.4.3: Υλικά παγίδων αιθάλης




Ο κυψελωτός κεραμικός μονόλιθος (ceramic wall-flaw monolith) με κυκλική ή

ελλειψοειδή διατομή αποτελεί ένα από τους πιο κοινούς τύπους φίλτρου με

ευθύγραμμα κανάλια τετραγωνικής διατομής. Στα άκρα των διαφορών καναλιών


τοποθετείται βύσμα (plug) εναλλάξ στην είσοδο και την έξοδο, με αποτέλεσμα το

καυσαέριο να αναγκάζεται να περάσει στα γειτονικά κανάλια, λόγω του πορώδους

κεραμικού τοιχώματος των καναλιών. Τελικά, το μεγαλύτερο κομμάτι των

σωματιδίων κατακρατείται στην επιφάνεια κάθε καναλιού. Γι’ αυτό το λόγο, το

φίλτρο είναι κατασκευασμένο ώστε να υπάρχουν μεγάλες τραχείες επιφάνειες και

πόροι (διαδρομές) μεγάλου βάθους. Ενώ η ιδιότητα του πορώδους στο κεραμικό

επιλέγεται γιατί είναι δύσκολος ο διαχωρισμός των σωματιδίων από τη ροή του

καυσαερίου. Στην εικόνα 1.4.4 φαίνεται σχηματικά η λειτουργία του κυψελωτού

κεραμικού μονόλιθου.

Εικόνα 1.4.4: Λειτουργία του κυψελωτού κεραμικού μονόλιθου (ceramic wall-flaw

monolith)





1.4.2 Στάδια κατά τη λειτουργία παγίδας αιθάλης

Με βάση το ρυθμό συσσώρευσης αιθάλης μέσα στο φίλτρο μπορούμε να

διακρίνουμε την λειτουργία της παγίδας σε 3 στάδια.

Η φόρτιση, είναι το στάδιο κατά το οποίο συσσωρεύεται αιθάλη στα τοιχώματα

(dμp/dt>0), το οποίο οδηγεί στην αύξηση της μάζας της αιθάλης και της πτώσης

πίεσης, με αποτέλεσμα να επηρεάζεται αρνητικά η συμπεριφορά του κινητήρα

και αυξάνεται η κατανάλωση του καυσίμου.

Η κατάσταση ισορροπίας, είναι το στάδιο κατά το οποίο ο ρυθμός συσσώρευσης

τείνει στο μηδέν (dμp/dt=0), με αποτέλεσμα τόσο η μάζα της αιθάλης όσο και η

πτώση πίεσης να διατηρούνται περίπου σταθερές. Η θερμοκρασία στην οποία

επιτυγχάνεται η κατάσταση ισορροπίας καλείται θερμοκρασία ισορροπίας.


Η αναγέννηση, είναι το στάδιο κατά το οποίο οξειδώνεται και αεριοποιείται η

αιθάλη με αποτέλεσμα να έχουμε αρνητικό ρυθμό συσσώρευσης αιθάλης

(dμp/dt<0) και αντίστοιχα μείωση τόσο της μάζας της αιθάλης όσο και της

πτώσης πίεσης. Σε θερμοκρασίες άνω των 550ο C, πραγματοποιείται με

ικανοποιητικό ρυθμό η οξείδωση της αιθάλης με το Ο2 του καυσαερίου (θερμική

αναγέννηση. Σε χαμηλότερες θερμοκρασίες, περίπου 300ο C είναι δυνατή η

οξείδωση της αιθάλης με NO2. Οι βασικές αντιδράσεις οξείδωσης της αιθάλης

είναι:

C + O2 –> CO + CO2

C + NO2 –> CO + CO2 + NO


Οι υπερβολικά μεγάλες φορτίσεις μπορεί να οδηγήσουν σε στόμωση του φίλτρου,

ρήγματα (εικόνα 1.4.5) και ενδεχομένως στην καταστροφή του εφ’ όσον υπάρξει

ανεξέλεγκτη οξείδωση της αιθάλης, με ανάπτυξη πολύ μεγάλων θερμοκρασιών.

Εικόνα 1.4.5: Ρηγματώσεις σε φίλτρο αιθάλης




Επομένως, για την αποφυγή μεγάλων φορτίσεων το φίλτρο πρέπει να καθαρίζεται

συνεχώς ή κατά διαστήματα. Τα σύγχρονα οχήματα είναι εξοπλισμένα με συστήματα

αναγέννησης, έτσι ώστε να μπορούν να καθαρίζουν το φίλτρο όταν κρίνεται αναγκαίο.

Αυτό γίνεται διότι οι συνθήκες που απαιτούνται, όπως υψηλή θερμοκρασία και

συγκέντρωση NO2 στα καυσαέρια των κινητήρων diesel δεν είναι πάντα ευνοϊκές για

την αναγέννηση. (Οικονόμου, 2011)

Γενικά, επιδιώκεται η αργή-ελεγχόμενη αναγέννηση διότι στην περίπτωση της

γρήγορης μη ελεγχόμενης αναγέννησης έχουμε ανάπτυξη υψηλών θερμοκρασιών

τοπικά και μερικό καθαρισμό του φίλτρου. Συγκεκριμένα, όταν έχουμε χαμηλή

παροχή καυσαερίου με ταυτόχρονη υψηλή συγκέντρωση Ο2 έχουμε πολύ μεγάλη


αύξηση της θερμοκρασίας. Στην περίπτωση που η θερμοκρασία τοπικά υπερβεί το

σημείο τήξης του υλικού κατασκευής της παγίδας, προκαλείται τήξη των καναλιών,

και διαρροή των σωματιδίων στα κανάλια εξόδου. Λόγω τις ανάπτυξης θερμικών

τάσεων στα λεπτά τοιχώματα, δημιουργούνται μικρορωγμές οι οποίες σταδιακά

διαδίδονται προκαλώντας την καταστροφή του φίλτρου. Επίσης, εάν η αναγέννηση

δεν είναι ελεγχόμενη αλλά η παγίδα εξαναγκάζεται σε συχνές μερικές αναγεννήσεις,

δηλαδή η παγίδα «καθαρίζεται» μερικά. Λόγο αυτής της ανομοιομορφίας στην

κατανομή της αιθάλης μέσα στο φίλτρο, δημιουργώντας μεγάλες κλίσεις πίεσης και

θερμοκρασίας με αρνητικές συνέπειες στον κινητήρα και στην ίδια την παγίδα.


1.4.3 Συστήματα αναγέννησης παγίδων αιθάλης

Όπως προαναφέρθηκε οι θερμοκρασίες που απαιτούνται για την αναγέννηση

των παγίδων αιθάλης είναι 550-650ο C. Αυτές οι θερμοκρασίες εμφανίζονται κυρίως

όταν ο κινητήρας λειτουργεί στην περιοχή του πλήρους φορτίου και σπάνια κατά τη

λειτουργία του κινητήρα σε συνθήκες πόλης. Επομένως, προκειμένου να υποβοηθηθεί

η αναγέννηση, αρκεί είτε η μείωση της θερμοκρασίας ισορροπίας – όπως

χρησιμοποιείται κυρίως στα παθητικά συστήματα αναγέννησης – είτε η αύξηση της

θερμοκρασίας του καυσαερίου όπως γίνεται στα ενεργητικά συστήματα. (Οικονόμου,

2011)

Στα παθητικά συστήματα αναγέννησης (passive regeneration systems) έχουμε

την εισαγωγή καταλύτη σε κάποιο μέρος του συστήματος ως ξεχωριστή συσκευή

(εικόνα 1.4.6), ή με την μορφή πρόσθετου στο καύσιμο (εικόνα 1.4.7) ή με τη μορφή

επίστρωσης στην επιφάνεια του φίλτρου (εικόνα 1.4.8). Με την εισαγωγή του

καταλύτη επιτυγχάνεται η μείωση της θερμοκρασίας λειτουργίας και η επιτάχυνση της


αντίδρασης της αιθάλης με το οξυγόνο ή το διοξείδιο του αζώτου. Βασική

χαρακτηριστικά που επηρεάζουν την παθητική αναγέννηση είναι η παροχή

καυσαερίου, το ποσοστό οξυγόνου στο καυσαέριο, το ποσοστό του πτητικού μέρους

της αιθάλης (SOF) και τέλος ο λόγος εκπομπών NOx προς την αιθάλη. (Οικονόμου,

2011)

Στην εικόνα 1.4.6 παρουσιάζεται μια παγίδα συνεχούς αναγέννησης, η οποία

περιλαμβάνει έναν οξειδωτικό καταλύτη που μετατρέπει το ΝΟ σε ΝΟ2 και ένα μη

καταλυτικό φίλτρο στο οποίο εισέρχεται το καυσαέριο με αυξημένη συγκέντρωση

ΝΟ2 λόγω του καταλύτη και οξειδώνει τη συσσωρευμένη αιθάλη. Η θερμοκρασία

ενεργοποίησης είναι της τάξης των 250ο C.

Εικόνα 1.4.6: Παγίδα συνεχούς αναγέννησης (Continuously Regenerating Trap - CTP)

Πηγή: Οικονόμου, Μ. (2011). Ανασκόπηση Σύγχρονων Συστημάτων Αντιρρύπανσης

Εμβολοφόρων Κινητήρων. (Διπλωματική εργασία, Εθνικό Μετσόβιο

Πολυτεχνείο, 2011).

Στις παγίδες συνεχούς αναγέννησης, σε αντίθεση με τα καταλυτικά φίλτρα τα

μόρια του αζώτου χρησιμοποιούνται μόνο μια φορά επομένως για να λειτουργεί

ικανοποιητικά απαιτείται επαρκής αναλογία NOx – σωματιδίων στο καυσαέριο ώστε

να υπάρχει περίσσεια ΝΟx. (Οικονόμου, 2011)


Στην εικόνα 1.4.7 παρουσιάζεται ένα σύστημα που περιλαμβάνει δεξαμενή

καταλυτικού προσθέτου και σύστημα έγχυσης στο καύσιμο για την κατάλληλη

συγκέντρωση (10-100ppm). Όταν το πρόσθετο φτάσει στο καυσαέριο, κατακρατείται

σχεδόν όλο στο φίλτρο μαζί με την αιθάλη, με αποτέλεσμα να βρίσκεται σε άμεση

επαφή με αυτή. Το πρόσθετο έχει την ικανότητα να αποθηκεύει και να εκλύει οξυγόνο

υποβοηθώντας την αντίδραση αιθάλης οξυγόνου. Η θερμοκρασία ενεργοποίησης είναι

της τάξης των 300ο C.

Εικόνα 1.4.7: Σύστημα λειτουργίας καταλυτικού πρόσθετου καυσίμου (Fuel Borne

Catalyst - CBF)




Πρέπει να τονισθεί ιδιαίτερα ότι τα μέταλλα που χρησιμοποιούνται ως

καταλυτικά πρόσθετα παραμένουν στα κανάλια της παγίδας και μετά την αναγέννηση

υπό τη μορφή τέφρας. Η συσσώρευση τέφρας περιορίζει τη διάρκεια ζωής του

φίλτρου καθώς περιορίζει τη ροή του καυσαερίου μέσα στα κανάλια του φίλτρου.



Στην εικόνα 1.4.8 παρουσιάζεται ένα καταλυτικό επικαλυμμένο φίλτρο στο

οποίο ο καταλύτης-πλατίνα επιστρώνεται στο φίλτρο με αποτέλεσμα να μετατρέπεται

το ΝΟ σε ΝΟ2, ενώ υπάρχει η δυνατότητα να χρησιμοποιηθούν τα μόρια του αζώτου

περισσότερες από μία φορές λόγω της εγγύτητας αιθάλης-καταλύτη. Η θερμοκρασία

ενεργοποίησης είναι της τάξης των 300ο C.

Εικόνα 1.4.8: Καταλυτικό επικαλυμμένο φίλτρο (Catalyzed Diesel Particulate Filters)




Τα ενεργητικά συστήματα αναγέννησης (energetic regeneration systems)

αυξάνουν τη θερμοκρασία καυσαερίου είτε με χρήση κάποιας διάταξης (ηλεκτρική

αντίσταση, καυστήρας καυσίμου, ψεκασμός καυσίμου ή άλλων εύφλεκτων υλικών)

είτε με μεθόδους εντός του κυλίνδρου (ανακυκλοφορία καυσαερίου, δευτερεύων

ψεκασμός καυσίμου σε συστήματα κοινού αυλού, στραγγαλισμός εξαγωγής,

καθυστέρηση έγχυσης, αύξηση αέρα εισαγωγής με ρυθμίσεις στην υπερπλήρωση

κλπ). Δηλαδή, τα συστήματα αυτά στηρίζονται στο γεγονός ότι η αύξηση της

θερμοκρασίας μπορεί να επιτευχθεί είτε άμεσα με κατανάλωση ενέργειας ώστε να

φθάσει το καυσαέριο στους 600-700ο C, είτε έμμεσα αυξάνοντας τη συγκέντρωση των


υδρογονανθράκων στο καυσαέριο ώστε να οξειδωθούν κοντά στην εξαγωγή στο

καταλύτη και αυτή η εξώθερμη αντίδραση τελικά να αυξήσει τη θερμοκρασία του

καυσαερίου στους 550-600ο C, ώστε να είναι δυνατή η θερμική αναγέννηση.


Οι αναγεννήσεις στα ενεργητικά συστήματα είναι σχεδόν πλήρεις και

επαναφέρουν την πτώση πίεσης κοντά στα επίπεδα της καθαρής παγίδας. Τα

συστήματα αυτά είναι περισσότερο πολύπλοκα, απαιτούν πιο σύγχρονο εξοπλισμό

μεγαλύτερου κόστους, και συνοδεύονται από μία μονάδα ηλεκτρονικού ελέγχου, η

οποία ενεργοποιεί και ελέγχει την αναγέννηση. Επειδή αυτά τα συστήματα

καταναλώνουν αρκετή ενέργεια, είναι δυνατόν με τη χρήση πολύπλοκων συνήθως

μηχανικών διατάξεων να εκτραπεί ένα μικρό μέρος του καυσαερίου για την

αναγέννηση (συστήματα μερικής ροής) αντί να θερμαίνεται το καυσαέριο στο σύνολο

του (συστήματα πλήρους ροής), ώστε να καταναλώσουμε πολύ λιγότερη ενέργεια.


Με σκοπό την μεγαλύτερη οικονομία, την επίτευξη μικρότερης συχνότητας

αναγέννησης και χαμηλότερων θερμοκρασιών ισορροπίας ή μεγαλύτερη θερμοκρασία

καυσίμου είναι δυνατόν να συνδυαστούν συστήματα ενεργητικής αναγέννησης με

παθητική αναγέννηση.

Στην εικόνα 1.4.9 παρουσιάζεται ένα συνδυασμένο σύστημα με ταυτόχρονη

χρήση καταλυτικού πρόσθετου στο καύσιμο και δευτερεύοντα ψεκασμό (post

injection) για την αναγέννηση. Με αυτό τον τρόπο, σε περιόδους που ο κινητήρας

λειτουργεί σε υψηλό φορτίο λόγω του πρόσθετου εξασφαλίζονται παθητικές

αναγεννήσεις του φίλτρου χωρίς την απαίτηση υψηλής θερμοκρασίας για αναγέννηση

και τελικά αύξηση της κατανάλωσης του καυσίμου. Αντίθετα, στη συνήθη περίπτωση

χαμηλού φορτίου όπως στην οδήγηση στη πόλη όπου τα παθητικά συστήματα δεν


ανταποκρίνονται καλά και απαιτείται μικρότερη αύξηση της θερμοκρασίας για

έναυση επιτυγχάνεται με το δευτερεύοντα ψεκασμό.

Εικόνα 1.4.9: Συνδυασμένο σύστημα αναγέννησης με καταλυτικό πρόσθετο και

δευτερεύοντα ψεκασμό.




1.5 Αισθητήρες Σωματιδίων Αιθάλης

1.5.1 Γενικά

Οι κανονισμοί εκπομπών καυσαερίων τόσο στην Ευρώπη όσο και στην Αμερική

επιβάλλουν την χρήση φίλτρων αιθάλης (DPF) στα περισσότερα οχήματα με

κινητήρα-diesel, ώστε να ικανοποιούν τους πολύ αυστηρούς περιορισμούς στις

εκπομπές σωματιδίων. Οι αντίστοιχοι κανονισμοί που αφορούν τα διαγνωστικά

συστήματα OBD που φέρουν τα νέα οχήματα και πρόκειται να εφαρμοστούν στο

άμεσο μέλλον για τα νέας κυκλοφορίας οχήματα περιλαμβάνουν ακόμη πιο

αυστηρούς περιορισμούς που αφορά την συνεχή παρακολούθηση και καταγραφή της


αποτελεσματικότητας των φίλτρων αιθάλης DPF. Με αποτέλεσμα, εκτός από τους

αισθητήρες πίεσης, είναι πλέον απαραίτητοι και οι αισθητήρες αιθάλης (εικόνα 1.5.1).

Οι αισθητήρες αιθάλης αποτελούν μια καινούργια τεχνολογία που έχουν στόχο

ελέγχουν απευθείας τις εκπομπές σωματιδίων μετά τις παγίδες αιθάλης ελέγχοντας με

αυτό τον τρόπο την αποτελεσματικότητα του φιλτραρίσματος. Η ανάγκη χρήσης των

αισθητήρων αιθάλης σε συνδυασμό με το διαγνωστικό σύστημα του αυτοκινήτου

οφείλεται στο γεγονός ότι δεν υπάρχει τρόπος στο να ενημερωθεί ο οδηγός εάν

υπάρχει κάποια αστοχία ή δυσλειτουργία στο φίλτρο σωματιδίων. (Ochs, T., n.d.)

Οι αισθητήρες αιθάλης αποτελούν νέα τεχνολογία ακόμη και βρίσκονται

ακόμη στο στάδιο της ανάπτυξης. Βασική λειτουργία του είναι ο έλεγχος της

αποτελεσματικότητας της παγίδας σωματιδίων αιθάλης που χρησιμοποιείται στους

κινητήρες diesel.

Εικόνα 1.5.1: Αισθητήρας σωματιδίων αιθάλης (Particular Matter Soot Sensor)

1.5.2 Περιγραφή τρόπου λειτουργίας (ωμικού) αισθητήρα αιθάλης

Στους αισθητήρες αιθάλης που στηρίζονται στην αρχή της αντίστασης, το

στοιχείο του αισθητήρα που βρίσκεται κάθετα στη ροή αποτελείται συνήθως από δύο

ηλεκτρόδια τοποθετημένα κατάντη της ροής για την μέτρηση της αντίστασης. Στην


αρχή, επειδή ο αισθητήρας είναι καθαρός η αντίσταση στα ηλεκτρόδια είναι πρακτικά

άπειρη και δεν περνάει ηλεκτρικό ρεύμα. Καθώς τα σωματίδια αιθάλης επικάθονται

στην μία πλευρά, η αντίσταση στα ηλεκτρόδια μεταβάλλεται και μάλιστα μικραίνει

ανάλογα με το πόσο λεπτό ή παχύ είναι το στρώμα που δημιουργείται στα ηλεκτρόδια.

Όταν, αυτή η αντίσταση ξεπεράσει ένα προκαθορισμένο κατώτατο όριο τότε ο

αισθητήρας μπαίνει σε λειτουργία αναγέννησης, κατά την οποία καίει την επίστρωση

αιθάλης πάνω στα ηλεκτρόδια ώστε να εξασφαλίσει την εύρυθμη λειτουργία του και η

αντίσταση στα ηλεκτρόδια γίνεται να άπειρη. Επομένως, η αναγέννηση διαρκεί μέχρι

να καθαριστεί πλήρως ο αισθητήρας. Βέβαια, επειδή οι θερμοκρασίες κατά την καύση

μπορεί να είναι ιδιαίτερα υψηλές πρέπει να εξασφαλίζεται ότι δεν θα ξεπεράσουν τα

όρια τήξης των υλικών του αισθητήρα προκαλώντας την καταστροφή του ή να

επηρεαστούν οι μετρήσεις του. Αυτό μπορεί εύκολα να ελεγχθεί είτε περιορίζοντας

την διάρκεια της καύσης σε συγκεκριμένα χρονικά διαστήματα, μέσω ενός

συστήματος ελέγχου του χρόνου αναγέννησης είτε χρησιμοποιώντας έναν αντιστάτη

θερμοκρασίας για το σκοπό αυτό. (Stewart, G. E., 2006, Hagen, G., 2010, Schonauer,

U. n.d., Samaras, Z., 2012).

Στους αισθητήρες αιθάλης που στηρίζονται στην αρχή της αντίστασης, το

στοιχείο του αισθητήρα που βρίσκεται κάθετα στη ροή αποτελείται συνήθως από δύο

ηλεκτρόδια τοποθετημένα κατάντη της ροής για την μέτρηση της αντίστασης. Στην

αρχή επειδή ο αισθητήρας είναι καθαρός, η αντίσταση στα ηλεκτρόδια είναι πρακτικά

άπειρη και δεν περνάει ηλεκτρικό ρεύμα. Καθώς τα σωματίδια αιθάλης επικάθονται

στην μία πλευρά, η αντίσταση στα ηλεκτρόδια μεταβάλλεται και μάλιστα μικραίνει

ανάλογα με το πόσο λεπτό ή παχύ είναι το στρώμα που δημιουργείται στα ηλεκτρόδια.

Όταν, αυτή η αντίσταση ξεπεράσει ένα προκαθορισμένο κατώτατο όριο τότε ο

αισθητήρας μπαίνει σε λειτουργία αναγέννησης, κατά την οποία καίει την επίστρωση


αιθάλης πάνω στα ηλεκτρόδια ώστε να εξασφαλίσει την εύρυθμη λειτουργία του και η

αντίσταση στα ηλεκτρόδια γίνεται να άπειρη. Επομένως, η αναγέννηση διαρκεί μέχρι

να καθαριστεί πλήρως ο αισθητήρας. Βέβαια, επειδή οι θερμοκρασίες κατά την καύση

μπορεί να είναι ιδιαίτερα υψηλές πρέπει να εξασφαλίζεται ότι δεν θα ξεπεράσουν τα

όρια τήξης των υλικών του αισθητήρα προκαλώντας την καταστροφή του ή να

επηρεαστούν οι μετρήσεις του. Αυτό μπορεί εύκολα να ελεγχθεί είτε περιορίζοντας

την διάρκεια της καύσης σε συγκεκριμένα χρονικά διαστήματα, μέσω ενός

συστήματος ελέγχου του χρόνου αναγέννησης είτε χρησιμοποιώντας έναν αντιστάτη

θερμοκρασίας για το σκοπό αυτό. (Stewart, G. E., 2006, Hagen, G., 2010, Schonauer,

U. n.d., Samaras, Z., 2012).

Ανάλογα, με την τεχνολογία του κάθε αισθητήρα, οι ωμικοί αισθητήρες αιθάλης

συνήθως μετρούν την τάση ή την ένταση του ρεύματος που διέρχεται από τα

ηλεκτρόδια είτε μέσω της αντίστασης, είτε εκτιμώντας την μέσω της θερμοκρασίας

του αισθητήρα. (Hagen, G., 2010)

1.5.3 Στάδια λειτουργίας αισθητήρα αιθάλης

Η λειτουργία ενός αισθητήρα αιθάλης ανάλογα με το στάδιο που βρίσκεται,

δηλαδή αν είναι ικανός να μετράει σωστά την συγκέντρωση αιθάλης στην επιφάνεια

του ή εάν η κατάσταση στην οποία βρίσκεται δεν μπορεί να προσδιοριστεί, χωρίζεται

σε 4 βασικά στάδια λειτουργίας:

Κατά το πρώτο στάδιο ο αισθητήρας παρόλο που είναι ενεργοποιημένος δεν

βρίσκεται σε κατάσταση μέτρησης, ούτε μπορεί να εκτελέσει κάποια

αυτοματοποιημένη ή χειροκίνητη εντολή, όπως η αναγέννηση (η λειτουργία

αναγέννησης είναι απενεργοποιημένη) για την ασφάλεια του, δηλαδή βρίσκεται

σε κατάσταση αναμονής μηνύματος θερμοκρασίας από το ηλεκτρονικό σύστημα


του αισθητήρα, όταν η θερμοκρασία των καυσαερίων ξεπεράσει τους 125ο C. Η

ανάγκη ύπαρξης αυτής της κατάστασης οφείλεται σε δύο κυρίως λόγους, η

υγρασία που περιέχουν τα καυσαέρια σε θερμοκρασίες χαμηλότερης του σημείου

δρόσου είναι πιθανόν να οδηγήσουν σε εσφαλμένες μετρήσεις από τον

αισθητήρα. Επίσης, η καύσης εξαιτίας της αναγέννησης και οι υψηλές

θερμοκρασίες που αναπτύσσονται στον σωλήνα εξαγωγής των καυσαερίων κατά

την λειτουργία ενός κινητήρα diesel οδηγούν στην χρήση ανθεκτικών υλικών,

όπως κεραμικά υλικά, με αποτέλεσμα να κρίνεται αναγκαία η προστασία του

αισθητήρα από την υγρασία. Διότι, εάν μπει σε αυτή την περίοδο ο αισθητήρας

σε λειτουργία καύσης, τα σταγονίδια από την καύση μπορεί να καταστρέψουν το

κεραμικό υλικό στον αισθητήρα προκαλώντας του ανεπανόρθωτες βλάβες.

Σημειώνεται, ότι η διάρκεια αυτής της κατάστασης στην πράξη δεν ξεπερνά τα 5-

6 λεπτά στη περίπτωση που το όχημα λειτουργεί σε συνθήκες άφορτης λειτουργία

(ρελαντί). Υπάρχουν πολύ τρόποι να ελεγχθεί αυτή η κατάσταση. Ενδεικτικά,

αναφέρονται η χρήση εσωτερικού θερμομέτρου στον αισθητήρα, ή ο συνδυασμός

ενός εσωτερικού χρονομέτρου για την επίτευξη της παραπάνω διάρκειας αυτής

της λειτουργίας και μιας εξαναγκασμένης από το σύστημα αναγέννησης για την

εξασφάλιση ότι ο αισθητήρας δεν θα έχει συγκεντρώσει πολύ υψηλά επίπεδα

αιθάλης διότι το όχημα σε πραγματικές συνθήκες δεν θα βρίσκεται επί 5 λεπτά

σε συνθήκες άφορτης λειτουργίας (ρελαντί).

Με το που λάβει ο αισθητήρας το μήνυμα θερμοκρασίας μπαίνει σε λειτουργία

φόρτωσης αιθάλης. Η φάση της φόρτισης περιλαμβάνει τα εξής τρία στάδια.

Κατά το πρώτο στάδιο, καμία πραγματική μέτρηση δεν βρίσκεται σε λειτουργία

διότι η ποσότητα αιθάλης που έχει συλλέξει δεν είναι μετρίσιμη. Η διάρκεια

επομένως αυτής της κατάστασης εξαρτάται από το φορτίο της αιθάλης. Κατά το


δεύτερο στάδιο, δηλαδή όταν η ένταση του ρεύματος ή αντίστοιχα η τάση

ξεπεράσει κάποιο κατώτατο όριο ο αισθητήρας μπαίνει σε λειτουργία

προετοιμασίας για μέτρηση. Η διάρκεια αυτής της φάσης καθορίζεται από τη

τεχνολογία και τα ηλεκτρονικά του αισθητήρα. Στο το τρίτο στάδιο, ο αισθητήρας

μπαίνει σε λειτουργία μέτρησης της τιμής της αιθάλης με βάση την κλίση της

τρέχουσας φόρτισης, είτε με βάση την εκτιμώμενη θερμοκρασία του στοιχείου. Η

διάρκεια αυτής της κατάστασης εξαρτάται από το φορτίο της αιθάλης στον

αισθητήρα.

Σε ένα ορισμένο ποσό αιθάλης ο αισθητήρας μπαίνει σε λειτουργία αναγέννησης,

δηλαδή να απομακρύνει μέσω της καύσης την αιθάλη από την επιφάνεια του.

Αυτή η καύση αιθάλης ελέγχεται από τον αισθητήρα ηλεκτρονικά και ξεκινάει

αυτόματα όταν η τάση ή η ένταση του διερχόμενου ρεύματος ξεπεράσει ένα

ανώτατο όριο. Σε αυτή την φάση δεν γίνεται καμία μέτρηση. Η λειτουργία της

αναγέννησης, αλλά και η χρονική διάρκεια της πρέπει να είναι συγκεκριμένες,

έτσι ώστε η καύση να μην επηρεάσει την εύρυθμη λειτουργία του αισθητήρα.

Τέλος, υπάρχει και η λειτουργία σφάλματος OBD, όταν το διαγνωστικό του

αισθητήρα εντοπίσει ένα εσωτερικό σφάλμα, με αποτέλεσμα όλες οι λειτουργίες

του αισθητήρα να σταματάνε για την ασφάλεια του ίδιου του αισθητήρα.

Υπάρχει, επίσης, η δυνατότητα της χειροκίνητης αναγέννησης μέσω μίας

εντολής, ώστε να μπει ο αισθητήρας σε λειτουργία καύσης αιθάλης. Η χρήση αυτής

της εντολής προτείνεται να εφαρμόζεται στην αρχή των μετρήσεων μετά το ζέσταμα

του κινητήρα ώστε να απαλλάσσεται ο αισθητήρας από σωματίδια που επικάθισαν σε

παλαιότερες μετρήσεις. Διευκρινίζεται ότι το μήνυμα αυτό δεν πρέπει να ληφθεί από

τον αισθητήρα εάν δεν έχει λάβει το μήνυμα θερμοκρασίας για το σημείο δρόσου

προηγουμένως. Γενικά, οι ιδανικότερες συνθήκες για τη χειροκίνητη αναγέννηση


είναι είτε σε συνθήκες άφορτης λειτουργίας (ρελαντί) είτε κατά το σβήσιμο της

μηχανής, διότι σε αυτές τις περιπτώσεις επικρατούν συνθήκες υψηλής θερμοκρασίας

και χαμηλής ή ελάχιστης ροής καυσαερίου.

1.6 Διαγνωστικό σύστημα οχήματος – (On Board Diagnostic)

1.6.1 Ιστορική αναδρομή συστημάτων αυτοδιάγνωσης

Το διαγνωστικό σύστημα οχήματος γνωστό ως OBD, συνιστά ένα σύστημα

αυτοδιάγνωσης και ικανότητας αναφοράς προβλημάτων μέσα σε ένα όχημα. Τα

συστήματα αυτά επιτρέπουν στον κατασκευαστή, στο μηχανικό του αυτοκινήτου

αλλά και στον οδηγό την πρόσβαση σε όλα τα υποσυστήματα του οχήματος.

Από το τις αρχές τις δεκαετίας του ’80 πολλά οχήματα χρησιμοποιούσαν τόσο

ηλεκτρονικά συστήματα, όσο και «ηλεκτρονικούς εγκεφάλους» επί του οχήματος

ώστε να διαχειρίζονται τα διάφορα συστήματα ελέγχου του κινητήρα για το καύσιμο

και την ανάφλεξη του και να εντοπίζουν προβλήματα σε αυτά τα συστήματα. Οι

κατασκευαστές των αυτοκινήτων προκειμένου να βρουν τρόπους ώστε να γίνεται

διάγνωση των προβλημάτων που δημιουργούνται λόγω της χρήσης των ηλεκτρονικών

ανέπτυξαν τα πρώτα συστήματα OBD (1ης

γενιάς) για την αντικατάσταση των

μηχανικών συστημάτων. Έτσι, η λειτουργία των πρώτων εφαρμογών αφορούσε μία

φωτεινή ένδειξη συνήθως στο καντράν του αυτοκινήτου (MIL). Η λυχνία αυτή άναβε

σε περίπτωση που εντοπιζόταν κάποιο πρόβλημα, χωρίς όμως να δίνει κάποια

πληροφορία για την φύση του προβλήματος. (Wikipedia, n.d., Illinois Environmental

Protection Agency, n.d,)

Από τα μέσα περίπου της δεκαετίας του ’90 άρχισαν να χρησιμοποιούνται τα

2ης

γενιάς συστήματα OBD τα οποία ελέγχουν σχεδόν εξολοκλήρου τον κινητήρα και


παρακολουθούν τις διάφορες συσκευές που χρησιμοποιούνται στο όχημα. Με

αποτέλεσμα σχεδόν όλα τα αυτοκίνητα και τα ελαφριά φορτηγά μετά το 1996 να

χρησιμοποιούν το σύστημα OBD.

Σήμερα, οι κινητήρας στα αυτοκίνητα είναι σχεδόν εξ’ ολοκλήρου

ηλεκτρονικά ελεγχόμενοι. Οι αισθητήρες και οι ενεργοποιητές ελέγχουν την

λειτουργία των διαφόρων εξαρτημάτων και τα ενεργοποιούν ώστε ο κινητήρας να

λειτουργεί όσο πιο αποδοτικά γίνεται. Συνήθως, ένας υπολογιστής επί του οχήματος

παρακολουθεί και καταγράφει τη λειτουργία όλων των αισθητήρων και

ενεργοποιητών ώστε να ελέγχει ότι λειτουργούν με βάση τις προδιαγραφές τους.

Εντοπίζει μία δυσλειτουργία ή αλλοίωση πολύ νωρίτερα από τον οδηγό, με

αποτέλεσμα να μην κινδυνεύει το όχημα να παρουσιάσει προβλήματα οδηγικής

συμπεριφοράς ή ανεπανόρθωτες βλάβες στο κινητήρα. Τόσο οι αισθητήρες, οι

ενεργοποιητές όσο και το λογισμικό διάγνωσης αποτελούν το σύστημα διάγνωσης

OBD. Το μέγεθος των πληροφοριών που είναι διαθέσιμες μέσω του διαγνωστικού

συνεχώς αυξάνεται. (Unites States Environmental Protection Agency, n.d., Wikipedia,

n.d.)

1.6.2 Το σύστημα OBD ως σύστημα ελέγχου των εκπομπών καυσαερίων

Τα συστήματα OBD είναι και συστήματα ελέγχου των καυσαερίων. Επειδή, τα

καυσαέρια που εκπέμπουν τα οχήματα μολύνουν το περιβάλλον, τα συστήματα αυτά

μπορούν να εντοπίσουν ένα πρόβλημα στο σύστημα ελέγχου των καυσαερίων έγκαιρα

πριν γίνει το όχημα επικίνδυνος ρυπαντής, δίνοντας την δυνατότητα στον ιδιοκτήτη να

επισκευάσει το πρόβλημα πριν διογκωθεί και αυξηθούν οι εκπομπές του αυτοκινήτου.

Σε πολλές περιπτώσεις έχει τη δυνατότητα να εντοπίζει προβλήματα πριν ο οδηγός τα

αντιληφθεί στην οδηγική συμπεριφορά του αμαξιού. Επίσης πολλά προβλήματα


μπορεί να μην γίνονται αντιληπτά μέσω οπτικής επιθεώρησης επειδή πολλές αστοχίες

μπορεί να είναι ηλεκτρικής η χημικής φύσης.

1.6.3 Ευρωπαϊκή νομοθεσία για τα συστήματα αυτοδιάγνωσης (OBD)

Η Ευρωπαϊκή Ένωση έχει θεσπίσει κανονισμούς που αφορούν τα διαγνωστικά

συστήματα των οχημάτων τόσο για τα ελαφρού όσο και για τα βαρέου τύπου

οχήματα. Οι απαιτήσεις αυτές αφορούν την λυχνία ένδειξης δυσλειτουργίας (MIL),

την κωδικοποίηση προβλημάτων, την καταγραφή, τα επιτρεπόμενα όρια και την

τυποποίηση στην επικοινωνία των συστημάτων OBD.

Συγκεκριμένα, η λυχνία ένδειξης δυσλειτουργίας βρίσκεται στον πίνακα

οργάνων του αυτοκινήτου, ώστε να μπορεί να το ελέγχει ο οδηγός. Πρέπει να γίνεται

πάντα ένας αυτοέλεγχος της λειτουργίας της λυχνίας, δηλαδή να φωτίζει για ένα

σύντομο χρονικό διάστημα, κατά την έναρξη της λειτουργίας του κινητήρα. Σε κάθε

άλλη περίπτωση, η λυχνία ανάβει όταν το διαγνωστικό σύστημα του οχήματος έχει

ανιχνεύσει και επιβεβαιώσει κάποια δυσλειτουργία, η οποία μπορεί να αυξήσει τις

εκπομπές καυσαερίων. Για να ανάψει η λυχνία πρέπει να προηγηθούν μία σειρά από

ενέργειες του διαγνωστικού συστήματος. Δηλαδή, όταν εντοπίζει μια βλάβη,

δημιουργεί και αποθηκεύει στη μνήμη του ένα «μήνυμα σφάλματος εν αναμονή» και

μια καταγραφή που περιέχει όλα τα δεδομένα του κινητήρα εκείνη τη στιγμή. Εάν το

σφάλμα εντοπισθεί πάλι στον επόμενο μεταβατικό κύκλο, κατά τη διάρκεια του

οποίου γίνεται συνεχής παρακολούθηση και καταγραφή της λειτουργίας των

εμπλεκόμενων συστημάτων και εξαρτημάτων, τότε δημιουργείται ένα μήνυμα

επιβεβαιωμένου σφάλματος, αποθηκεύεται μια επιπλέον καταγραφή που περιλαμβάνει

τα πρόσφατα δεδομένα του κινητήρα και έπειτα η λυχνία ανάβει. Ακόμη, και στην

περίπτωση που στους επόμενους τρεις μεταβατικούς κύκλους δεν εντοπισθεί το ίδιο


πρόβλημα, η λυχνία παρ’ όλο που θα σβήσει, το σύστημα αποθηκεύει υποχρεωτικά τα

παραπάνω σφάλματα και δεδομένα για τουλάχιστον 40 ψυχρές εκκινήσεις του

κινητήρα.

Η νομοθεσία επίσης ορίζει μια σειρά από συστήματα και εξαρτήματα, για τα

οποία απαιτείται να γίνεται κατά το δυνατόν συνεχής παρακολούθηση και καταγραφή

της εύρυθμης λειτουργίας τους, αλλά και των παραμέτρων που μπορεί να την

επηρεάσουν. Τα βασικότερα συστήματα είναι το σύστημα έγχυσης καυσίμου, το

σύστημα αύξησης πίεσης, το σύστημα EGR, οι καταλύτες, το σύστημα deNOx, τα

φίλτρα αιθάλης DPF, οι αισθητήρες καυσαερίων στην εξάτμιση, το σύστημα ψύξης

καυσαερίων, το σύστημα μείωσης εκπομπών κατά την ψυχρή εκκίνηση και άλλα

υποσυστήματα. Επειδή δεν είναι δυνατή η συνεχής καταγραφή της λειτουργίας όλων

των παραπάνω συστημάτων, καθορίζονται οι συνθήκες υπό τις οποίες ένα σύστημα ή

ένα εξάρτημα της μετεπεξεργασίας των καυσαερίων πρέπει να παρακολουθείται ως

προς την εύρυθμη λειτουργία του, αρκεί να εξασφαλίζεται η καταγραφή κατά την

διάρκεια του προτυποποιημένου μεταβατικού κύκλου και κατά την διάρκεια ακραίων

συνθηκών λειτουργίας στις οποίες αναμένεται σημαντική επίδραση στις εκπομπές του

και στη λειτουργία του οχήματος. Τέλος, πρέπει να διασφαλίζεται η άμεση ανίχνευση

δυσλειτουργιών αποφεύγοντας πιθανές ψευδείς ενδείξεις. Η καταγραφή των

διαγνωστικών συστημάτων αφορά κάθε ηλεκτρονικό σύστημα ή παράμετρο

λειτουργίας ή εξάρτημα της μηχανής, ακόμη και αν δεν καλύπτεται από τον ισχύοντα

κανονισμό το οποίο παρέχει πληροφορίες ή λαμβάνει εντολές από το διαγνωστικό

σύστημα και μπορεί να επηρεάσει καθ’ οποιονδήποτε τρόπο τις εκπομπές.

Επιπλέον, καθορίζονται από τους κανονισμούς τα «κριτήρια δυσλειτουργίας»

για τις διάφορες δυσλειτουργίες που είναι δυνατόν εμφανιστούν και εξαρτώνται από


τις παραμέτρους για τις οποίες ελέγχονται τα διάφορα συστήματα. Ειδικά, για την

αξιολόγηση της απόδοσης του συστήματος μετεπεξεργασίας καυσαερίων, το

διαγνωστικό σύστημα θα πρέπει να είναι σε θέση να καθορίσει αν κάποια φθορά ή

άλλες αλλαγές μπορούν να προκαλέσουν εκπομπές οι οποίες υπερβαίνουν τα

επιτρεπόμενα όρια της νομοθεσίας για τα συστήματα OBD. Γι’ αυτό, πρέπει να γίνεται

συσχετισμός της απόδοσης του συστήματος επεξεργασίας, των συνθηκών λειτουργίας

του οχήματος και τα χαρακτηριστικά του κινητήρα με τις εκπομπές καυσαερίων. Αυτό

απαιτεί εκτεταμένες δοκιμές και βαθμονόμηση για τον κάθε τύπο κινητήρα.

Συγκεκριμένα, όσον αφορά τις παραμέτρους λειτουργίας οι οποίες είναι δυνατόν να

ελέγχονται όπως η πίεση, η θερμοκρασία και η ροή καυσαερίου, η ένδειξη

δυσλειτουργία σημαίνει την μη λειτουργία σε προκαθορισμένα όρια. Όσον αφορά τις

διατάξεις επεξεργασίας του καυσαερίου, όπως για παράδειγμα τις παγίδες αιθάλης, η

ένδειξη δυσλειτουργίας σημαίνει ότι η διάταξη δεν έχει την απαιτούμενη ικανότητα

φιλτραρίσματος. Επειδή, γίνεται εύκολα αντιληπτό ότι με βάση την σημερινή

τεχνολογία δεν είναι δυνατό να ανιχνεύονται όλες οι δυσλειτουργίες στα

προκαθορισμένα όρια εκπομπών, υπάρχει κάποια ευελιξία στην ισχύουσα νομοθεσία,

ώστε τα όρια εκπομπών στα οποία γίνονται οι έλεγχοι των διαγνωστικών συστημάτων

να είναι υψηλότερα από τα προτυποποιημένα όρια.

Στον παρακάτω πίνακα παρουσιάζονται τα όρια εκπομπών για τα OBD

συστήματα με βάση το πρότυπο της Ευρωπαϊκής Ένωσης Euro 6, που αφορά τα

επιβατικά οχήματα και ελαφριά φορτηγά.


Πίνακας 1.6.1: Όρια εκπομπών για τα OBD με βάση το πρότυπο Euro 6 για τα

επιβατικά οχήματα και ελαφριά φορτηγά.

Τέλος, απαιτείται η τυποποίηση των συστημάτων OBD, ώστε να είναι δυνατή η

διάγνωση από παγκόσμια εργαλεία ελέγχου προσβάσιμα στον καθένα και όχι μόνο

στον κατασκευαστή. Περιλαμβάνει συνοπτικά τυποποίηση στα καλώδια που

χρησιμοποιούνται την σύνδεση και μεταφορά των δεδομένων, τυποποιημένο

πρωτόκολλο για την επικοινωνία με τα εργαλεία ελέγχου, και τέλος μια σειρά από

τυποποιημένες λειτουργίες ώστε να είναι προσβάσιμες από ένα παγκόσμιο εργαλείο

ελέγχου, όπως ένδειξη κατάστασης ετοιμότητας για κάθε σύστημα υπό καταγραφή,

ένα πακέτο δεδομένων που περιλαμβάνει μια σειρά συγκεκριμένων σημάτων και

παραμέτρων, τη λειτουργία στιγμιαίας καταγραφής σε περίπτωση σφάλματος, τα

μηνύματα εκκρεμούς σφάλματος και επιβεβαιωμένου σφάλματος, τη εύκολη

πρόσβαση στα αποτελέσματα ελέγχων, το λογισμικό για την βαθμονόμηση του

συστήματος, τον αριθμό αναγνώρισης του οχήματος και τέλος τη λειτουργία

σβησίματος από τη μνήμη πληροφοριών του διαγνωστικού με εντολή κ.α.


1.6.4 CAN interface (Controller Area Network interface)

To CANalyzer είναι μία συσκευή η οποία βασίζεται στο πρωτόκολλο

μηνυμάτων CAN (controller Area Network). Το πρωτόκολλο σχεδιάστηκε ειδικά για

εφαρμογές που αφορούν οχήματα, ωστόσο χρησιμοποιείται πλέον και σε άλλα πεδία

όπως διαστημικές εφαρμογές, βιομηχανικοί αυτοματισμοί και ιατρικό εξοπλισμό. Το

πρωτόκολλο CAN αποτελεί ένα από τα 5 πρωτόκολλα τα οποία χρησιμοποιούνται με

βάση της οδηγίες της Ευρωπαϊκής Ένωσης για τα συστήματα διάγνωσης (OBD) των

οχημάτων. Μέσω του CAN interface (εικόνα 1.6.1) είναι δυνατόν να συνδεθεί μία

συσκευή όπως οι αισθητήρες που χρησιμοποιούν πρωτόκολλα CAN με τον

ηλεκτρονικό υπολογιστή μέσω μιας θύρας usb ή Ethernet για την παρακολούθηση και

την επεξεργασία των μετρήσεων του αισθητήρα.

Εικόνα 1.6.1: Vector CAN interface VN1630

Στην ουσία η συσκευή δέχεται κωδικοποιημένα μηνύματα από την ηλεκτρονική

μονάδα του κάθε αισθητήρα σε bit-μορφή και αντίστροφα να δώσει εντολές στον

αισθητήρα σε μορφή bit. Η επεξεργασία αυτών των μηνυμάτων γίνεται με τη βοήθεια

του λογισμικού που συνοδεύεται με τη συσκευή χρησιμοποιώντας πρωτόκολλα που η

εκάστοτε εταιρία έχει αναπτύξει για τις λειτουργίες και τις μετρήσεις του δικού της

αισθητήρα.


Κεφάλαιο 2: Πειραματική Διαδικασία

2.1 Περιγραφή οχήματος με πετρελαιοκίνητο κινητήρα (diesel)

Για την εκπόνηση των μετρήσεων, στο εργαστήριο χρησιμοποιήθηκε το

επιβατικό αυτοκίνητο Honda Accord 2.2i – CTDi. Ο κινητήρας του οχήματος είναι

πετρελαιοκίνητος με στροβιλοσυμπιεστή (turbo), ενδιάμεση ψύξη (intercooler),

επανακυκλοφορία καυσαερίου (EGS), 2200 κ.ε, ενώ οι προδιαγραφές του αυτοκινήτου

συμφωνούν με τους ευρωπαϊκό κανονισμό Euro 4.

Εικόνα 2.1.1: Επιβατικό όχημα με κινητήρα diesel Honda Accord 2.2i-CTDi

Όπως φαίνεται και στην παρακάτω εικόνα οι μετρήσεις των εκπομπών έγιναν

μέσα στο εργαστήριο με την βοήθεια πέδης – δυναμόμετρου.

Εικόνα 2.1.2: Πέδη εργαστηρίου


Στον παρακάτω πίνακα φαίνονται συνοπτικά τα βασικά χαρακτηριστικά του

αυτοκινήτου, όπως επίσης το σύστημα μετεπεξεργασίας των καυσαερίων όσον αφορά

τις εκπομπές του οχήματος. Για την διεξαγωγή των μετρήσεων έγινε αντικατάσταση

του κύριου καταλύτη με φίλτρα DPF.

Κινητήρας:

4-κύλινδρος , 16V

κοινού αυλού , DI

Συστήματα

μετεπεξεργασίας

καυσαερίων:

Κυβικά: 2200 cc σύστημα ανακύκλωσης

Δύναμη: 100 kW καυσαερίου – EGR

Σύστημα

ταχυτήτων:

χειροκίνητο οξειδωτικός

προκαταλύτης

Πιστοποίηση: Euro 4

Μονάδα ελέγχου

μηχανής: EDC 16C7-5.1

Καταλύτης 2 τμημάτων

De-NOx

Μέγιστη ροπή 340 Νm (καταλύτης 4 way)

Πίνακας 2.1.1: Βασικά χαρακτηριστικά Honda Accord

2.2 Τροποποίηση εξάτμισης οχήματος

Οι τροποποιήσεις που έγιναν στο σύστημα εξάτμισης των καυσαερίων, όπως

φαίνεται και στην εικόνα 2.3 αφορούν την αντικατάσταση του κύριου καταλύτη με

φίλτρο DPF και την στερέωση των αισθητήρων αιθάλης. Διευκρινίζεται ότι η περιοχή

εγκατάστασης τους επιλέγηκε διότι έχει αρκετή απόσταση από το φίλτρο DPF, το


κομμάτι αυτό του σωλήνα είναι ευθύ και υπάρχει αρκετό κενό πάνω από το σωλήνα,

με αποτέλεσμα να μην επηρεάζεται η σωστή λειτουργία των αισθητήριων.

Εικόνα 2.2.1: Τροποποιήσεις εξάτμισης

2.3 Τροποποίηση φίλτρων αιθάλης (DPF)

Οι κύκλοι οδήγησης κατά τις δοκιμές των αισθητήρων έγιναν με φίλτρα DPF

τα οποία τροποποιήθηκαν ώστε να επιτευχθούν συγκεκριμένα επίπεδα εκπομπών για

τον πληρέστερο έλεγχο των αισθητήρων.

Εικόνα 2.3.1: Παγίδες Αιθάλης (DPF) με διάφορες τροποποιήσεις


Πιο συγκεκριμένα χρησιμοποιήθηκαν ένα ατροποποίητο φίλτρο (μη

«χαλασμένο») και 4 φίλτρα με συγκεκριμένες τροποποιήσεις («χαλασμένα») ώστε

να επιτευχθούν 4 διαφορετικοί βαθμοί φιλτραρίσματος των σωματιδίων, δηλαδή

διαφορετικά επίπεδα εκπομπών σωματιδίων αιθάλης. Τα επίπεδα εκπομπών που

επιλέχτηκαν (εικόνα 2.5) ποικίλουν από μία περιορισμένη μερική αστοχία έως

σημαντική, δηλαδή σε επίπεδα μεγαλύτερα των 12 mg/km.

Εικόνα 2.3.2: Επίπεδα εκπομπών στις τροποποιημένες παγίδες αιθάλης

2.4 Μετρητικά Όργανα

2.4.1 Αισθητήρες Αιθάλης

Για την διεξαγωγή των μετρήσεων χρησιμοποιήθηκαν τρεις διαφορετικοί

αισθητήρες αιθάλης. Για την διασφάλιση του απορρήτου απέναντι στις

κατασκευάστριες εταιρίες, οι αισθητήρες αναφέρονται ως αισθητήρας αιθάλης Α,Β

και Γ. Στην εικόνα 2.6 φαίνεται ότι οι τρεις αισθητήρες συνδέθηκαν με την εξάτμιση

του οχήματος σύμφωνα με τις προδιαγραφές τους και με βάση τις οδηγίες των

κατασκευαστών τους.


Εικόνα 2.4.1: Αισθητήρες αιθάλης που χρησιμοποιήθηκαν για έλεγχο

Ο κάθε αισθητήρας συνοδευόταν από τη δική του ηλεκτρονική συσκευή

ελέγχου ώστε να μπορεί να ελέγχει τις ρυθμίσεις του αισθητήρα, τις λειτουργίες και να

μπορεί να μετρά τη συγκέντρωση αιθάλης μέσω των σημάτων που εκπέμπει ο κάθε

αισθητήρας ανάλογα με τις αρχές και την τεχνολογία που χρησιμοποιεί. Η κάθε

εταιρία μας παρείχε το δικό της πρωτόκολλο για την σωστή μετάφραση των

δεδομένων του κάθε αισθητήρα μέσω της ηλεκτρονική συσκευής επεξεργασίας των

δεδομένων Controller Area Network (CANalyzer).

2.4.2 Pegasor Particle Sensor (PPS)

Ο Pegasor (εικόνα 2.7) είναι ένας αισθητήρας ο οποίος καταγράφει τον αριθμό

των σωματιδίων και τη συγκέντρωση αιθάλης δίνοντας με αυτό τον τρόπο

πληροφορίες σε πραγματικό χρόνο για την κατάσταση του φίλτρου DPF και της

απαιτήσεις σε συντήρηση. Η διαφορά του από τους αισθητήρες αιθάλης είναι ότι είναι

κατασκευασμένος ώστε να ελέγχει την κατάσταση του φίλτρου DPF, τις

δυσλειτουργίες του αλλά δεν είναι ικανός να εξάγει όρια εκπομπών σωματιδίων με

βάση τους κανονισμούς και τις οδηγίες της Ευρωπαϊκής Ένωσης, όπως οι αισθητήρες

αιθάλης.


Εικόνα 2.4.2: Pegasor Particle Sensor (PPS)

2.5 Διάρκεια πειραμάτων

2.5.1 Pre-tests για τον καθορισμό συνθηκών λειτουργίας

Προκειμένου να ελεγχθεί η λειτουργία των αισθητήρων, η επικοινωνία τους με

την μονάδα CAN, ο έλεγχος της συνδεσμολογίας και ομαλή λειτουργία όλων των

εξαρτημάτων και συσκευών, οι οποίες διεξήγαγαν μετρήσεις για τους συγκεκριμένους

ελέγχους έγιναν pretests διάρκειας 3 ημερών. Σκοπός αυτών των pretest ήταν αφ’ ενός

να διασφαλιστούν οι κατάλληλες συνθήκες και ο έλεγχος όλων των παραμέτρων κατά

τη λειτουργία του οχήματος, αφ’ ετέρου η εξοικείωση του χειριστή με την λειτουργία

των αισθητήρων και του λογισμικού που χρησιμοποιήθηκε κατά τη διάρκεια των

δοκιμών.

2.5.2 Διεξαγωγή δοκιμών – περιγραφή διαδικασίας

Το πρωτόκολλο (εικόνα 2.8) που χρησιμοποιήθηκε για τις μετρήσεις

αναπτύχθηκε για μετρήσεις ελαφρών οχημάτων. Το πρωτόκολλο είναι σχεδιασμένο

έτσι ώστε κατά την διάρκεια κάθε ημέρας να εξασφαλίζεται ότι γίνονται οι τέσσερις

παρακάτω τύπο μετρήσεων.


Την ημέρα 0, το όχημα εκτελεί 2 κύκλους οδήγησης NEDC συνολικής

διάρκειας 40 λεπτών ακολουθούμενο από 2 κύκλους EUDC διάρκειας 15 λεπτών ως

συντήρηση.

Το πρώτο κομμάτι αφορά την διεξαγωγή κύκλων οδήγησης με βάση τους

κανονισμούς της Ευρωπαϊκής Ένωσης ώστε να μετρηθούν οι εκπομπές καυσαερίων

του οχήματος. Εκτελούνται ένας NEDC όπως ορίζεται από τον κανονισμό της

Ευρωπαϊκής Ένωσης δηλαδή χωρίς να έχει τεθεί το όχημα σε λειτουργία την ίδια

ημέρα, ακολουθούμενος από ακόμη ένα μεταβατικό κύκλο NEDC. Στη συνέχεια

γίνεται η ανάλυση των φίλτρων και 2 κύκλοι οδήγησης EUDC διάρκειας 15 λεπτών

ως συντήρηση για το 2ο κομμάτι των μετρήσεων.

Το δεύτερο κομμάτι αποτελείται από ένα κύκλο Artemis Urban και έναν

Artemis Road για την μέτρηση των εκπομπών σε κύκλο οδήγησης που προσομοιώνει

τις πραγματικές συνθήκες οδήγησης.

Το τρίτο κομμάτι αποτελείται από έναν κύκλο οδήγησης WLTC διάρκειας 25

λεπτών, ο οποίος είναι ο κύκλος που δύναται να αποτελέσει στο μέλλον τον

αντικαταστάτη του κύκλου NEDC στα πρότυπα της Ευρωπαϊκής Ένωσης.

Το τέταρτο κομμάτι αφορά την οδήγηση σε σταθερές συνθήκες για 15 λεπτά

στις ταχύτητες των 50 και 90 χλμ/ώρα με σκοπό την μέτρηση των επιπέδων των

εκπομπών για την σωστή βαθμονόμηση των μετρήσεων. Τέλος, μετά τις μετρήσεις

ακολουθούν 2 κύκλοι οδήγησης NEDC και 2 κύκλοι EUDC ως συντήρηση για την

επόμενη μέρα των μετρήσεων.

Αυτός, ο κύκλος των μετρήσεων διάρκειας μιας μέρας επαναλαμβάνεται επί 3

ημέρες για την επιβεβαίωση των αποτελεσμάτων. Χρησιμοποιήθηκαν 5 φίλτρα με

διαφορετικά επίπεδα εκπομπής το καθένα,. Με αποτέλεσμα, οι συνολική διάρκεια των


μετρήσεων ήταν 3 εβδομάδες (15 ημέρες ελέγχων). Ενώ, το όχημα κατά τη διάρκεια

των μετρήσεων παρέμεινε στο εργαστήριο, ώστε να μην επηρεαστούν οι μετρήσεις

από εξωγενείς παράγοντες πχ. οδήγηση μέσα στη πόλη κλπ. Σημειώνεται, ότι το

πρωτόκολλο είναι σχεδιασμένο έτσι ώστε η συγκέντρωση αιθάλης στο κάθε φίλτρου

να μείνει σε χαμηλά επίπεδα ώστε να μην χρειαστεί αναγέννηση η παγίδα.

Εικόνα 2.5.1: Πρωτόκολλο μετρήσεων


2.6 Μετρήσεις – Αποτελέσματα

2.6.1 Σύνοψη της πειραματικής διαδικασίας

Στην παρούσα διπλωματική παρουσιάζονται τα αποτελέσματα της πειραματικής

διαδικασίας, καθώς επίσης και η στατιστική αξιολόγηση της ικανότητας των τριών

διαφορετικών αισθητήρων να αξιολογούν τις εκπομπές σωματιδίων του οχήματος σε

σχέση με το επιτρεπόμενο όριο εκπομπών το οποίο έχει καθοριστεί με βάσει των

κανονισμό OBD της Ευρωπαϊκής Ένωσης για τα επιβατικά οχήματα και τα ελαφριά

φορτηγά.

Οι αισθητήρες οι οποίοι ελέγχθηκαν κατά την πειραματική διαδικασία βασίζονται

στην μέτρηση της μεταβολής της αντίστασης στον κάθε αισθητήρα, εξαιτίας της

συσσώρευσης αιθάλης στην επιφάνεια του αισθητήρα. Οι δοκιμές που

πραγματοποιήθηκαν στο εργαστήριο έγιναν στο πετρελαιοκίνητο όχημα Honda

Accord το οποίο έχει έγκριση με βάση το πρότυπο Euro 4 LD. Κατά τη διεξαγωγή των

πειραμάτων χρησιμοποιήθηκαν φίλτρα αιθάλης (DPF), ειδικά τροποποιημένα ώστε να

επιτευχθούν τα διάφορα επίπεδα εκπομπών. Συγκεκριμένα, τα επίπεδα εκπομπών τα

οποία προσομοιώθηκαν είναι: «υγιές» DPF, επίπεδα εκπομπών Type-Approval, 1.5 x

Type-Approval, OTL, >OTL και τέλος εκπομπές χωρίς τη χρήση φίλτρου αιθάλης

(DPF). Τέλος, σχεδιάστηκε και χρησιμοποιήθηκε για το σκοπό αυτό ένα ειδικό

πρωτόκολλο μετρήσεων το οποίο περιελάμβανα μία σειρά από μεταβατικούς κύκλους.

Τα πειραματικά δεδομένα αναλύθηκαν, παράλληλα από το εργαστήριο και τους

κατασκευαστές των αισθητήρων αιθάλης. Στο εργαστήριο, δημιουργήθηκαν δύο

μοντέλα για την επεξεργασία των μετρήσεων με σκοπό την αξιολόγηση των

δυνατοτήτων του κάθε αισθητήρα να διακρίνουν τα διαφορετικά επίπεδα εκπομπών

πάνω και κάτω από το προκαθορισμένο όριο εκπομπών του κανονισμού. Όπου αυτό


ήταν δυνατόν το 50% των δεδομένων χρησιμοποιήθηκε για την βαθμονόμηση του

μοντέλου, ενώ το υπόλοιπο 50% για την επικύρωση των αποτελεσμάτων στα

βαθμονομημένα μοντέλα. Πρέπει να διευκρινισθεί ότι οι κατασκευαστές δεν παρείχαν

κανένα μοντέλο OBD στο εργαστήριο. Αντίστοιχα, οι κατασκευαστές των

αισθητήρων χρησιμοποίησαν τα δικά τους μοντέλα, ώστε να χαρακτηρίσουν τις

εκπομπές μετά τα φίλτρα κατά τις δοκιμές. Οι κατασκευαστές έλαβαν από το

εργαστήριο πλήρως μόνο το 50% των δεδομένων για την βαθμονόμηση των μοντέλων

τους, ενώ το υπόλοιπο 50% με την μορφή «τυφλών δεδομένων», δηλαδή μετρήσεις

χωρίς να ξέρουν που αντιστοιχούν για την αξιολόγηση των δικών τους μοντέλων.

Κατά τη διάρκεια της πειραματικής διαδικασίας όλοι οι αισθητήρες

λειτουργούσαν για επαρκές χρονικό διάστημα, παράγοντας δεδομένα το οποία ήταν

ανάλογα προς τις εκπομπές αιθάλης. Αυτά τα δεδομένα έπρεπε να συνδυαστούν με τα

βαθμονομημένα μοντέλα ώστε να οδηγήσουν σε σωστή αναγνώριση της κατάστασης

των φίλτρων αιθάλης.

Αξίζει να σημειωθεί ότι όλοι οι αισθητήρες δεν μετρούν άμεσα την ποσότητα των

σωματιδίων αιθάλης αλλά κάποια άλλη ποσότητα η οποία επηρεάζεται από την έξοδο

του κινητήρα και άλλους παράγοντες. Γι’ αυτό το λόγο ο κάθε αισθητήρας απαιτεί

ειδική βαθμονόμηση κατά την εφαρμογή του σε κάθε διαφορετικό όχημα προκειμένου

να ελέγχει τα επίπεδα εκπομπών σε σχέση με τα αντίστοιχα επιτρεπόμενα όρια.

Βέβαια, κατά της μετρήσεις δεν έχει διερευνηθεί κατά πόσο διαφορετικοί κινητήρες

με διαφορετικά συστήματα επεξεργασίας του καυσίμου μπορεί να επηρεάσουν την

χημεία στις εκπομπές των σωματιδίων, επηρεάζοντας με αυτό τον τρόπο την

απόκριση των αισθητήρων. Επίσης, δεν μπορούν να εξαγχθούν συμπεράσματα για το

αν αυτό μπορεί να επηρεάσει δοκιμές σε οχήματα που ανήκουν σε διαφορετική κλάση

Euro.


2.6.2 Εκπομπές σωματιδίων των φίλτρων DPF για τα διάφορα επίπεδα

εκπομπής

Στα παρακάτω διαγράμματα φαίνονται οι εκπομπές που υπολογίστηκαν για τους

διάφορους μεταβατικούς κύκλους οδήγησης που εκτελέστηκαν κατά την διάρκεια των

δοκιμών για τους διάφορους τύπους φίλτρων που χρησιμοποιήθηκαν.

Ανάλογα με της συνθήκες λειτουργίας και τον μεταβατικό κύκλο οι εκπομπές

σωματιδίων διαφέρουν σημαντικά στο ίδιο το φίλτρο.

Εικόνα 2.6.1: Εκπομπές σωματιδίων στα φίλτρα αιθάλης Τ.Α.

0 2 4 6 8 10

NEDC (cold)

Hot-NEDC

Artemis Urban

Artemis Road

WLTC

NEDC (cold) Hot-NEDC Artemis Urban

Artemis Road WLTC

MSS-Soot [mg/km] 2,2 1,7 3 2,6 2,7

PM [mg/km] 4,4 3,6 8,5 5,7 5,1


Εικόνα 2.6.2: Εκπομπές σωματιδίων στα φίλτρα αιθάλης 1.5 x Τ.Α.

Εικόνα 2.6.3: Εκπομπές σωματιδίων στα φίλτρα αιθάλης above OTL

0 5 10 15

NEDC (cold)

Hot-NEDC

Artemis Urban

Artemis Road

WLTC


Artemis Road

WLTC

MSS-Soot [mg/km] 3,9 2,7 4 4,3 4,5

PM [mg/km] 6,6 5 14,5 8,7 7,7

0 10 20 30 40

NEDC (cold)

Hot-NEDC

Artemis Urban

Artemis Road

WLTC


Artemis Road

WLTC

MSS-Soot [mg/km] 11,1 8,6 13,3 9,4 9,4

PM [mg/km] 18,1 13,7 32 18,2 16,4


2.6.3 Επεξεργασία μετρήσεων – Μοντελοποίηση δεδομένων

Όπως έχει περιγραφεί, αναλυτικότερα, στα προηγούμενα κεφάλαια οι ενδείξεις

των τριών αισθητήρων που αφορά την καταγραφή της συγκέντρωσης σωματιδίων

(αιθάλης) στην εξάτμιση των καυσαερίων αφορούν το μεσοδιάστημα της λειτουργίας

των αισθητήρων από το τέλος της αναγέννησης του κάθε αισθητήρα μέχρι την

επόμενη αναγέννηση του. Πρέπει να τονισθεί ότι αυτό το διάστημα δεν συμπίπτει με

ένα πλήρη μεταβατικό κύκλο οδήγησης, αφού το χρονικό διάστημα που ο κάθε

αισθητήρας παραμένει σε λειτουργία μέτρησης αιθάλης μέχρι να μπει σε λειτουργία

αναγέννησης εξαρτάται από τη συγκέντρωση σωματιδίων (αιθάλης). Δηλαδή ο

αισθητήρας, κατά τη διάρκεια ενός κύκλου οδήγησης, θα εκτελέσει αρκετές φορές

αναγεννήσεις εάν ο ρυθμός συγκέντρωσης αιθάλης είναι υψηλός σε σχέση με τις

προδιαγραφές του και αντίστοιχα θα εμφανιστούν λιγότερες αναγεννήσεις στον κάθε

αισθητήρα στην περίπτωση που τα επίπεδα αιθάλης παραμένουν χαμηλά. (Σαμαράς,

Ζ., 2013)

Η συγκέντρωση σωματιδίων εξαρτάται από τόσο από την κατάσταση του

φίλτρου αιθάλης (DPF), όσο και από της συνθήκες λειτουργίας του οχήματος. Αυτό

σημαίνει, ότι κατά τη λειτουργία του οχήματος σε υψηλές ταχύτητες η συγκέντρωση

αιθάλης είναι αυξημένη σε σχέση με τη λειτουργία σε σταθερές συνθήκες και χαμηλές

ταχύτητες. Αυτό σημαίνει ότι υπάρχει περίπτωση να παρατηρηθεί η ακραία περίπτωση

ένα χαλασμένο φίλτρο αιθάλης να έχει μικρότερες εκπομπές εάν το όχημα λειτουργεί

σε χαμηλές ταχύτητες από ένα φίλτρο λιγότερο χαλασμένο που όμως το όχημα

λειτουργεί σε υψηλές ταχύτητες. (Σαμαράς, Ζ., 2013)


Τέλος, για την αξιοπιστία των αποτελεσμάτων τα δεδομένα που συλλέχθηκαν

σε σχέση με τη συγκέντρωση αιθάλης στο κάθε αισθητήρα πρέπει να συσχετισθούν με

τα δεδομένα λειτουργίας του συγκεκριμένου οχήματος (ταχύτητα, ροπή, ροή

καυσαερίου κ.α) στον κύκλο οδήγησης και με τις πληροφορίες του κάθε φίλτρου

(πτώση πίεσης, αποτελεσματικότητα κ.α) το οποίο χρησιμοποιήθηκε στις δοκιμές.

Δηλαδή, τα δεδομένα που συλλέγονται από έναν αισθητήρα αιθάλης ή

γενικότερα μιας συσκευής μέτρησης της αιθάλης είναι απαραίτητο να συνδυάζονται

με τη λειτουργία του οχήματος χρησιμοποιώντας ένα διαγνωστικό μοντέλο απόφασης

OBD και να μετασχηματίζονται σε πληροφορίες συγκρίσιμες με της συνθήκες

λειτουργιάς κατά τη διάρκεια του προτυποποιημένου μεταβατικού κύκλου και τα

επιτρεπόμενα όρια. Στην παρακάτω εικόνα παρουσιάζεται ένα τέτοιο μοντέλο

απόφασης:

Εικόνα 2.6.4: Μοντέλο OBD κατά την επεξεργασία των δεδομένων

Στην παραπάνω εικόνα παρουσιάζεται ένα σύνθετο μοντέλο το οποίο

αποτελείται από δύο μέρη, «το μοντέλο του αισθητήρα» το οποίο εκτιμάει την

συγκέντρωση αιθάλης με βάση το σήμα που λαμβάνει από τον αισθητήρα αιθάλης


και από το «μοντέλο OBD απόφασης», κατά το οποίο συνδυάζεται η συγκέντρωση με

τα δεδομένα από τις συνθήκες λειτουργίας ώστε να μπορεί να παράξει μια ένδειξη για

τις εκπομπές του οχήματος συγκρίσιμες με τις προτυποποιημένες συνθήκες οδήγησης

και τα επιτρεπόμενα όρια ώστε να μπορεί στη συνέχεια να αποφασίσει για την

αποτελεσματικότητα του φίλτρου.

Από την στιγμή που όλοι οι αισθητήρες κατά την ημέρα της παραλαβής του

δεν περιελάμβαναν ούτε κάποιο μοντέλο για τον αισθητήρα ή κάποιο μοντέλο

απόφασης OBD, αποφασίστηκε να δημιουργηθεί από το εργαστήριο ένα

απλοποιημένο μοντέλο ειδικά για την αξιολόγηση όλων των αισθητήρων, το οποίο θα

συνδυάζει τα δύο αυτά μοντέλα. Δηλαδή, προκειμένου να εξαγχθούν ασφαλή

συμπεράσματα σε σχέση με την καλή λειτουργία των αισθητήρων, χρησιμοποιήθηκε

το παρακάτω μοντέλο (εικόνα 2.6.5) το οποίο λαμβάνει υπ’ όψιν του όλες τις

(ανεξάρτητες) μεταβλητές οι οποίες επηρεάζουν τις παραπάνω διαδικασίες και

παρέχει ως έξοδο την ένδειξη προβλήματος ή όχι στο σύστημα καυσαερίων. Πρέπει

να τονισθεί ότι προκειμένου η ένδειξη να είναι σωστή, πρέπει να γίνει πρώτα

συσχετισμός με τα όρια εκπομπών, όπως αυτά δίνονται από τον κανονισμό της

Ευρωπαϊκής Ένωσης (type-approval threshold).

Εικόνα 2.6.5: Μοντέλο απόφασης (ΟBD) για την επεξεργασία των δεδομένων του

αισθητήρα


Η βαθμονόμηση του παραπάνω μοντέλου έγινε με βάση τα δεδομένα που

συλλέχθηκαν κατά τη διάρκεια των δοκιμών στους τυποποιημένους μεταβατικούς

κύκλους οδήγησης. Κατά βάση τα μισά δεδομένα χρησιμοποιήθηκαν για την

βαθμονόμηση του συστήματος ενώ τα υπόλοιπα για την πιστοποίηση της αξιοπιστίας

του μοντέλου που χρησιμοποιήθηκε και για την αξιολόγηση της αποτελεσματικότητας

του αισθητήρα.

Για την σωστή σύγκριση των αποτελεσμάτων κάθε αισθητήρα σε μια ενιαία

βάση κρίθηκε απαραίτητο οι αισθητήρες να χωριστούν σε 2 κατηγορίες, εξαιτίας της

διαφορετικής λειτουργίας τους. Έτσι, στο πρώτη ομάδα κατηγοριοποιήθηκαν οι

αισθητήρες Α, Β γιατί κατά την διάρκεια ενός μεταβατικού κύκλου εμφάνιζαν

πολλαπλές διακοπτόμενες περιόδους λειτουργίας, ενώ ο αισθητήρας Γ παρείχε

συνεχείς ενδείξεις κατά το μεγαλύτερο μέρος της διάρκειας του μεταβατικού κύκλου.

Αρχικά, πρέπει να διευκρινιστεί ότι για την εξασφάλιση της εχεμύθειας

απέναντι στις κατασκευάστριες εταιρίες οι αισθητήρες θα αναφέρονται ως Α, Β και Γ.

Επίσης, τονίζεται ότι οι πληροφορίες σε σχέση με τον τρόπο κατασκευής και την

τεχνολογία που χρησιμοποιήθηκε σε κάθε αισθητήρα είναι απόρρητες, γι’ αυτό και οι

μετρήσεις που έγιναν από τις δοκιμές δεν παρουσιάζονται αναλυτικά, παρά μόνο τα

τελικά αποτελέσματα.

2.6.4 Ανάλυση Δεδομένων με χρήση του μοντέλου Δείκτη Αιθάλης για τους

αισθητήρες αιθάλης Α και Β.

Στην εικόνα 2.6.6 παρουσιάζονται διαγραμματικά οι συνολικές εκπομπές

σωματιδίων για τα διάφορα επίπεδα φθοράς των φίλτρων αιθάλης (DPF) στους


διάφορους μεταβατικούς κύκλους για τους οποίους έγιναν οι δοκιμές του

εργαστηρίου.

1.5xTA OTL Above OTLTADPF

Εικόνα 2.6.6: Εκπομπές σωματιδίων για τα διάφορα επίπεδα εκπομπών των φίλτρων

αιθάλης

Σύμφωνα με το παραπάνω διάγραμμα, προκύπτει ότι υπάρχει σημαντική

μεταβλητότητα των συνολικών εκπομπών σωματιδίων εξαιτίας των διαφορετικών

συνθηκών οδήγησης που επικρατούν στους διαφορετικούς μεταβατικούς κύκλους

αλλά και των διαφορετικών επιπέδων φθοράς στα φίλτρα. Σε επίπεδο σημαντικότητας

95%, προέκυψε ότι υπάρχει στατιστικά σημαντική διαφορά στις μέσες τιμές των

δειγμάτων στα φίλτρα εκτός από τα επίπεδα εκπομπών «1.5xTA» και «OTL».

Ιδιαίτερα το φίλτρο με επίπεδα εκπομπών «>OTL» παρουσιάζει πολύ μεγάλη

μεταβλητότητα των συνολικών εκπομπών στους διάφορους κύκλους.

Τέλος, οι μεγάλες διαφορές των εκπομπών σωματιδίων σε κάθε φίλτρο δείχνουν

ότι για την σωστή αξιολόγηση της αποτελεσματικότητας ενός φίλτρου δεν είναι

δυνατόν να βασίζεται μόνο στις συνολικές εκπομπές κατά τη διάρκεια ενός

μεταβατικού κύκλου αλλά και στις συνθήκες οδήγησης.


Για την επεξεργασία των δεδομένων που προέκυψαν κατά τη διάρκεια των

μετρήσεων από τους αισθητήρες Α και Β χρησιμοποιήθηκε το «Μοντέλο Δείκτη

Αιθάλης. Προκειμένου να υπολογισθεί ο δείκτης αιθάλης για τους αισθητήρες Α, Β

χρησιμοποιήθηκαν δύο μεθοδολογίες:

Το μοντέλο μιας μεταβλητής, το οποίο λαμβάνει υπόψη μόνο το σήμα

φόρτωσης της αιθάλης στους αισθητήρες

Το μοντέλο πολλαπλών μεταβλητών, το οποίο συμπεριλαμβάνει και άλλους

παράγοντες οι οποίοι σχετίζονται με τις συνθήκες οδήγησης. Η επιλογή αυτών

των μεταβλητών είναι εμπειρική και βασίζεται στην φύση των καυσαερίων.

Η πιο βασική μεταβλητή η οποία χρησιμοποιήθηκε και στα 2 μοντέλα είναι ο

ρυθμός αναγέννησης, δηλαδή ο αριθμός των αναγεννήσεων στην μονάδα του χρόνου.

Μία εκτίμηση του ρυθμού των αναγεννήσεων μπορεί να θεωρηθεί ο αντίστροφος του

χρόνου που πέρασε από το τέλος της αναγέννησης μέχρι την αρχή της επόμενης

αναγέννησης (εικόνα 2.6.7). Για καλύτερες εκτιμήσεις του ρυθμού αναγέννησης,

μπορεί να χρησιμοποιηθεί η μέση τιμή της χρονικής διάρκειας ενός πλήθους

διαδοχικών κύκλων αναγέννησης.

Εικόνα 2.6.7: Χρονικός κύκλος αναγέννησης


Προκειμένου να επιλεχθεί σωστά ο χρονικός κύκλος αναγέννησης για τον κάθε

αισθητήρα ακολουθήθηκαν τα εξής:

Η χρονική διάρκεια κατά την οποία γινόταν αναγεννήσεις και η χρονική

διάρκεια στην οποία οι αισθητήρες λειτουργούσαν κάτω από το σημείο δρόσου

των καυσαερίων και άρα δεν μπορούσαν να παρέχουν σωστές μετρήσεις

αποκλείστηκαν από την ανάλυση.

Όσες περίοδοι μέτρησης συγκέντρωσης αιθάλης υπήρχαν στις οποίες η

αναγέννηση ξεκίνησε σε επίπεδα χαμηλότερα από τα καθορισμένα επίπεδα

επαλείφθηκαν από το δείγμα

Αφαιρέθηκε ο θόρυβος των σημάτων, δηλαδή σήματα με πολύ απότομη-μη

φυσιολογική αύξηση συγκέντρωσης αιθάλης σε πολύ μικρή χρονική περίοδο (<

1 sec) θεωρήθηκε θόρυβος και διορθώθηκε ανάλογα.

Εκτός από τον ρυθμό αναγέννησης, οι υπόλοιπες μεταβλητές οι οποίες

λαμβάνονται υπόψη είναι: η μέση θερμοκρασία (ο C), μέση ροή καυσαερίου (m

3/s), η

μέση ταχύτητα του αυτοκινήτου(m/s), η μέση επιτάχυνση του αυτοκινήτου (m/s2) και

το τετράγωνο αυτής (m2/s

2) και τέλος το γινόμενο της μέσης ταχύτητας με την μέση

επιτάχυνση (m2/s

3).

Για να είναι ένα Μοντέλο Δείκτη Αιθάλης κατάλληλο πρέπει να βασίζεται στην

σωστή κατάταξη των φίλτρων αιθάλης (DPF) σε «καλής κατάστασης» και σε «κακής

κατάστασης» με βάση το επιτρεπόμενο όριο των κανονισμών Προκειμένου, η

κατάταξη του φίλτρου να γίνεται σωστά το μοντέλο έχει ως στόχο να ελαχιστοποιεί

την πιθανότητα εσφαλμένων ενδείξεων (άθροισμα σφαλμάτων τύπου Ι και ΙΙ) αφού

έχουμε θέσει ένα όριο για την τιμή του δείκτη αιθάλης. Δηλαδή, την περίπτωση να


εμφανίζεται εσφαλμένα η ένδειξη «κακή κατάσταση», ενώ οι εκπομπές δεν έχουν

περάσει το επιτρεπόμενο όριο στην πραγματικότητα (σφάλμα τύπου Ι) ή την

περίπτωση να εμφανίζεται η ένδειξη «καλή κατάσταση», ενώ οι εκπομπές έχουν

ξεπεράσει το επιτρεπόμενο όριο εκπομπών στην πραγματικότητα (σφάλμα τύπου ΙΙ).

Reality

(PM emissions)

Soot Index

Below threshold Above threshold

Above regulatory limit

[mg

/km] or [mg

/kWh]

Type II Error/ Risk β

(Detection Failure)

Correct

Classification

Below regulatory limit

[mg

/km] or [mg

/kWh]

Correct

Classification

Type I Error/ Risk α

(False Alarm)

Πίνακας 2.6.1: Σφάλματα τύπου Ι και ΙΙ

Όταν οι εκπομπές από τα φίλτρα βρίσκονται κοντά στα επιτρεπόμενα όρια του

ευρωπαϊκού κανονισμού, εξαιτίας της σημαντικής μεταβλητότητας των εκπομπών

σωματιδίων η ικανότητα της διαδικασίας σε σχέση με την κατάταξη του φίλτρου σε

«καλής κατάστασης» ή σε «κακής κατάστασης» είναι μικρή.

Η χρήση ενός μοντέλου πολλαπλών μεταβλητών μπορεί να βελτιώσει την

ακρίβεια στην σωστή αξιολόγηση του φίλτρου σε σχέση με το μοντέλο μιας

μεταβλητής. Τέλος, η αύξηση του χρόνου δειγματοληψίας από ένα κύκλο

αναγέννησης σε ολόκληρο μεταβατικό κύκλο παρέχει πιο αξιόπιστα αποτελέσματα

για τα επίπεδα φθοράς του φίλτρου.

Στα διαγράμματα που ακολουθούν παρουσιάζεται η διαφορά στην ικανότητα

των μοντέλων μιας μεταβλητής και πολλαπλών μεταβλητών. Συγκεκριμένα,

υπάρχουν τέσσερις περιοχές, οι οποίες δημιουργούνται όταν σχεδιάσουμε μια

οριζόντια ευθεία με βάση το επιτρεπόμενο όριο και μία κατακόρυφη με βάση τον όριο


του δείκτη αιθάλης, και συγκεκριμένα τον ρυθμό αναγέννησης. Οι μετρήσεις αφορούν

τα φίλτρα «1.5 x TA» και «above OTL»

Εικόνα 2.6.8: Σφάλματα τύπου Ι και ΙΙ για Μοντέλο Δείκτη Αιθάλης μιας μεταβλητής

Εικόνα 2.6.9: Σφάλματα τύπου Ι και ΙΙ για Μοντέλο Δείκτη Αιθάλης πολλών μεταβλητών

0

5

10

15

20

25

30

0 10 20 30 40 50 60 70

PM E

miss

ions

[m

g/km

]

Soot Index (Regenerations) [103xs-1]

Single variable model

TA Above OTL Regulatory Limit Soot Index Threshold

Type I

Type

II

0

5

10

15

20

25

30

0 500000 1000000 1500000 2000000 2500000 3000000

PM E

mis

sion

s [m

g/km

]

Soot Index

Multiple variable model

TA Above OTL Regulatory Limit Soot Index Threshold

Type I

Type

II


Η μεθοδολογία που χρησιμοποιήθηκε για την εκτίμηση της ικανότητας ενός

αισθητήρα αιθάλης να κατατάσσει ένα φίλτρο σε «καλής κατάστασης» ή «κακής

κατάστασης» αποτελείται από τα εξής στάδια:

1. Με βάση τα αναμενόμενα επίπεδα εκπομπών των φίλτρων T.A και >OTL σε

σχέση με το επιτρεπόμενο όριο εκπομπών του κανονισμού καθορίστηκε το φίλτρο

ΤΑ ως φίλτρο «καλής κατάστασης» και το above OTL ως φίλτρο κακής

κατάστασης. Με βάση τα πειραματικά δεδομένα, η κατηγοριοποίηση αυτή είναι

σωστή με βάση τα πραγματικά στα επίπεδα φθοράς των φίλτρων.

2. Καθορισμός των μεταβλητών που σχετίζονται με τις εκπομπές ως ανεξάρτητες

μεταβλητές.

3. Απομόνωση των διαστημάτων αναγέννησης, στα αποτελέσματα των μετρήσεων

και υπολογισμός των τιμών των παραμέτρων που επηρεάζουν τις μετρήσεις κατά

την διάρκεια του κάθε κύκλου αναγέννησης.

4. Καθορισμός μιας συνάρτησης των εκπομπών σωματιδίων (αιθάλης) με τις

παραμέτρους που τις επηρεάζουν. Οι παράμετροι για κάθε μεταβλητή εκτιμούνται

χρησιμοποιώντας μια γραμμική ανάλυση παλινδρόμησης χρησιμοποιώντας τις

εκπομπές σωματιδίων ως εξαρτημένη μεταβλητή. Για την βελτιστοποίηση των

αποτελεσμάτων είναι δυνατόν να χρησιμοποιηθεί ο μετασχηματισμός Box-Cox.

Αυτός ο μετασχηματισμός εξασφαλίζει την κανονικοποίηση των

μετασχηματισμένων ανεξάρτητων μεταβλητών και αντίστοιχα την

κανονικοποίηση των εκπομπών αιθάλης, ώστε να επιτευχθεί αδιαστατοποίηση

των εκπομπών.

5. Υπολογισμός της ικανότητας αξιολόγησης του κάθε φίλτρου. Για την σωστή

αξιολόγηση της ικανότητας που έχει το παραπάνω μοντέλο πρέπει να

χρησιμοποιηθούν διαφορετικά πειραματικά δεδομένα και όχι τα δεδομένα που


χρησιμοποιήθηκαν στο προηγούμενο βήμα (δεδομένα εκπαίδευσης του

μοντέλου). Χρησιμοποιώντας τα νέα δεδομένα μπορούμε να εκτιμήσουμε τις

μεταβλητές και τις συσχετίσεις ώστε το μοντέλο να αξιολογεί σε φίλτρα «καλής

κατάστασης» και «κακής κατάστασης» (υποθέτοντας ότι οι συσχετίσεις είναι

κανονικές, αρκεί να εκτιμήσουμε τις παραμέτρους μ και σ)

2.6.5 Στατιστική ανάλυση των αποτελεσμάτων στους αισθητήρες Α και Β.

Το μέγεθος του δείγματος που χρησιμοποιήθηκε για τον αισθητήρα Α είναι 19

κύκλοι αναγέννησης (4 κύκλοι με χρήση φίλτρου αιθάλης που οι εκπομπές είναι στα

επίπεδα type-approval και 15 κύκλοι με χρήση φίλτρου που οι εκπομπές είναι πάνω

από το όριο εκπομπών των κανονισμών).

Στο παρακάτω διάγραμμα παρουσιάζονται οι συναρτήσεις πυκνότητας

πιθανότητας των εκπομπών αιθάλης. Πρέπει να διευκρινιστεί ότι το μέγεθος του

δείγματος είναι αρκετά μικρό ώστε να εξαγχθεί με βεβαιότητα η καλή δυνατότητα

ταξινόμησης του μοντέλου.

Εικόνα 2.6.10: Δυνατότητα ταξινόμησης του μοντέλου αιθάλης του

αισθητήρα Α για τα ελαφρά οχήματα.

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

1,2

1,4

1,6

0 5 10 15 20 25 30

Prob

abili

ty D

ensi

ty

Soot Index

TA Above OTL Soot Index Threshold


Το μέγεθος του δείγματος που χρησιμοποιήθηκε για τον αισθητήρα Β είναι 76

κύκλοι αναγέννησης. Οι οποίοι χωρίστηκαν τυχαία σε:

Δεδομένα για εκπαίδευση του μοντέλου: 38 κύκλοι αναγέννησης και

συγκεκριμένα 4 κύκλοι κατά τη χρήση φίλτρου αιθάλης Τ.Α (επίπεδα εκπομπών

της τάξης των 4,5 mg/km) και 34 κύκλοι κατά τη χρήση φίλτρου >OTL (επίπεδα

εκπομπών της τάξης των 16 mg/km ).

Δεδομένα για μετρήσεις με βάση το μοντέλο: 38 κύκλοι αναγέννησης (3 κύκλοι

κατά τη χρήση φίλτρου αιθάλης Τ.Α και 35 κύκλοι κατά τη χρήση φίλτρου

>OTL

Στο παρακάτω διάγραμμα παρουσιάζονται οι συναρτήσεις πυκνότητας

πιθανότητας των εκπομπών αιθάλης. Πρέπει να διευκρινιστεί ότι η μεγάλη

μεταβλητότητα των μετρήσεων σε φίλτρα ΤΑ (πράσινη καμπύλη) επηρεάζει

σημαντικά τα αποτελέσματα. Είναι δυνατόν να επιτευχθούν καλύτερα αποτελέσματα

αυξάνοντας το μέγεθος του δείγματος ιδιαίτερα για τα φίλτρα καλής κατάστασης

Εικόνα 2.6.11: Δυνατότητα ταξινόμησης του μοντέλου αιθάλης του

αισθητήρα Β για τα ελαφρά οχήματα.

0

0,05

0,1

0,15

0,2

0,25

0,3

-5 0 5 10 15 20 25

Pro

bab

ility

Den

sity

Soot Index

TA Above OTL Soot Index Threshold


2.6.6 Ανάλυση δεδομένων με χρήση «Μοντέλου Εκτίμησης Συσσώρευσης

Αιθάλης» για τον αισθητήρα Γ.

Τα αποτελέσματα από τη λειτουργία του αισθητήρα Γ καλύπτουν ένα ευρύ

φάσμα συνθηκών οδήγησης του οχήματος (μεταβατικοί κύκλοι, σταθερή κατάσταση,

οδήγηση σε αυτοκινητόδρομο κλπ). Συνολικά κατά τις δοκιμές έγιναν περισσότεροι

από 150 μεταβατικοί κύκλοι οδήγησης διάρκειας περίπου 100 ωρών λειτουργίας του

κινητήρα του οχήματος, με αποτέλεσμα να αναμένεται ότι στα δεδομένα να

εμπεριέχονται όλες οι τάσεις που αφορούν την μείωση της αποτελεσματικότητας των

φίλτρων αιθάλης.

Επίσης, κατά την λειτουργία του αισθητήρα Γ, αποδεικνύεται ότι ο ρυθμός (ή

η συχνότητα) της αναγέννησης του αισθητήρα αποδεικνύεται ότι συσχετίζεται με την

κατάσταση του φίλτρου σωματιδίων.

Εικόνα 2.6.12: Σφάλματα τύπου Ι και ΙΙ με βάση τον ρυθμό των αναγεννήσεων

Η μεθοδολογία που ακολουθήθηκε για την ανάλυση των δεδομένων του

αισθητήρα Γ βασίζεται στην γραμμική παλινδρόμηση της εκτιμώμενης αιθάλης που

συσσωρεύτηκε στην επιφάνεια του αισθητήρα σε σχέση με την μετρούμενη αιθάλη


από το σήμα του αισθητήρα, όπως φαίνεται και στο παρακάτω σχήμα. Από την

ανάλυση προέκυψε η γραμμική σχέση:

Εικόνα 2.6.13: Μεθοδολογία καταγραφής Αισθητήρα Αιθάλης Γ

Ο συσχετισμός αυτός ισχύει μόνο για την κατάσταση που το μετρούμενο σήμα

του αισθητήρα έχει την τιμή 0 και φθάνει το προκαθορισμένο όριο του αισθητήρα στο

οποίο ξεκινάει αναγέννηση. Ενώ το αποτέλεσμα είναι αποδεκτό εάν συντελεστής

συσχέτισης ξεπεράσει ένα άλλο προκαθορισμένο όριο.

Η μεθοδολογία που περιγράφηκε παραπάνω για το μοντέλο καταγραφής

βασισμένο στον αισθητήρα, παρουσιάζεται στο παρακάτω σχήμα:

Εικόνα 2.6.14 : Μοντέλο Εκτίμησης Συσσώρευσης Αιθάλης


Η ποσότητα αιθάλης που παράχθηκε από την μηχανή θεωρείται ως μία

συνάρτηση του λόγου αέρα-καυσίμου. Έτσι, δημιουργήθηκε το απλοποιημένο

μοντέλο σταθερής κατάστασης για την αιθάλη στην έξοδο του κινητήρα, θεωρώντας

ότι τα δεδομένα από τις μετρήσεις είναι συνάρτηση της ροής καυσαερίου και της

ροής αέρα. Επειδή τα καυσαέρια διέρχονται στην συνέχεια από το φίλτρο αιθάλης, η

εκτίμηση της αναμενόμενης ροής σωματιδίων από το φίλτρο στον αισθητήρα

προϋποθέτει ένα σταθερό βαθμό απόδοσης του φίλτρου.

2.6.7 Στατιστική Ανάλυση αποτελεσμάτων για τον αισθητήρα Γ

Κατά τις δοκιμές με βάση τον μεταβατικό κύκλο NEDC μόνο το φίλτρο

αιθάλης DPF-OTL παρέχει αξιοποιήσιμο σήμα. Εάν ο αισθητήρας χρησιμοποιείται σε

αυτές τις συνθήκες οδήγησης, δεν αναμένεται να εμφανίσει εσφαλμένη ένδειξη ότι οι

εκπομπές έχουν ξεπεράσει το κατώτατο όριο των κανονισμών όταν χρησιμοποιείται

φίλτρο με επίπεδα εκπομπών που δεν ξεπερνούν τα επιτρεπόμενα επίπεδα. Στις

δοκιμές που έγιναν με βάση τους μεταβατικούς κύκλους ARTEMIS, τα

αποτελέσματα ήταν αντίστοιχα με τα αποτελέσματα στον κύκλο NEDC. Δηλαδή σε

όλες τις περιπτώσεις στα φίλτρα «καλής κατάστασης», ο αισθητήρας Γ δεν έβγαλε

εσφαλμένες ενδείξεις σε όλες τις συνθήκες οδήγησης.

Στην παρακάτω εικόνα συνοψίζονται τα αποτελέσματα από τις μετρήσεις για

τους τρείς τύπους φίλτρων. Τα αποτελέσματα δείχνουν μια διαφοροποίηση μεταξύ

των φίλτρων OTL από τα φίλτρων σε διαφορετική κατάσταση. Η διαφοροποίηση

μεταξύ των φίλτρων OTL και των φίλτρων 1.5xT.A σε αυτή την περίπτωση

υποδεικνύει την ανάγκη για υψηλότερο όριο εκπομπών ή τον καθορισμό του

απαιτούμενου χρόνου πριν την ανίχνευση κάποιας δυσλειτουργίας.


Εικόνα 2.6.15: Δυνατότητα ταξινόμησης του «Μοντέλου Εκτίμησης Συσσώρευσης

Αιθάλης» για τον αισθητήρα Γ

Δηλαδή στην παραπάνω περίπτωση το φίλτρο OTL εμφάνισε 6 περιπτώσεις

απόφασης σε διάρκεια 230 km με βάση τη διάρκεια του κύκλου NEDC στα 11 km.

Καθ’ όλη διάρκεια των δοκιμών σε διαφορετικές συνθήκες οδήγησης οι αποφάσεις

διέφεραν. Θα μπορούσε επομένως να θεωρηθεί ότι υπάρχει απαίτηση για να παρθεί

απόφαση μία φορά κάθε 230 km ώστε να παρέχεται πιο σωστή απόφαση.

Τα αποτελέσματα του αισθητήρα Γ που παρουσιάστηκαν παραπάνω

προέκυψαν από το απλοποιημένο μοντέλο παρακολούθησης το οποίο χρησιμοποιεί

την κλίση του ρεύματος που προκύπτει από τον αισθητήρα. Με αυτή την προσέγγιση

είναι δυνατόν να εντοπίσει σε όλες τις συνθήκες λειτουργίας τα φίλτρα «κακής

κατάστασης». Αντίθετα, τα φίλτρα «καλής κατάστασης» σε όλες τιε περιπτώσεις

έδειξαν να μην ανταποκρίνονται. Φαίνεται, ότι ο αισθητήρας Γ προκειμένου να


εντοπίσει ότι το φίλτρο παρουσιάζει εκπομπές μεγαλύτερες από το επιτρεπόμενο όριο

χρειάζεται αρκετή απόσταση της τάξης των 230 km. Οι επιπτώσεις είναι δύο:

Προκειμένου να ανιχνευθεί μια δυσλειτουργία στο φίλτρου χρειάζεται μια

σειρά από κύκλους οδήγησης

Αναμένεται ότι οι αλγόριθμοι καταγραφής πρέπει να έχουν την ικανότητα να

ανακτούν ενδιάμεσα αποτελέσματα από μια μνήμη που δεν διαγράφει τα

δεδομένα κατά το σβήσιμο της μηχανής.

2.6.8 Αξιολόγηση της λειτουργίας των αισθητήρων αιθάλης Α, Β, Γ

Στην παρακάτω εικόνα παρουσιάζονται οι εκτιμήσεις του εργαστηρίου και του

αντίστοιχου κατασκευαστή σε σχέση με την ικανότητα του κάθε αισθητήρα να

αναγνωρίζει την υπέρβαση του κατώτατου ορίου εκπομπών.

Εικόνα 2.6.16: Σύγκριση εκτιμήσεων για την ικανότητα των αισθητήρων αιθάλης

Το σφάλμα στην ικανότητα σωστής ανίχνευσης του αισθητήρα που

παρουσιάζεται στον πίνακα αφορά το άθροισμα του σφάλματος λανθασμένης


αξιολόγησης φίλτρου «καλής κατάστασης» ως χαλασμένου και του σφάλματος μη

ανίχνευσης φίλτρου «καλής κατάστασης». Συγκεκριμένα, για τον κάθε αισθητήρα

παρουσιάζεται πρώτα η αξιολόγηση με βάση την επεξεργασία των μετρήσεων από τον

κατασκευαστή του. Στη συνέχεια, παρουσιάζεται η ανεξάρτητη αξιολόγηση από το

εργαστήριο με τη χρήση εργαλείων OBD σχεδιασμένα ειδικά για αυτό το σκοπό.

Κατόπιν παρουσιάζεται το μέγεθος του δείγματος, και συγκεκριμένα για τους

αισθητήρες Α και Β που παρουσιάζουν περιοδική συμπεριφορά το νούμερο αυτό

αντιπροσωπεύει τον αριθμό των κύκλων αναγέννησης σε όλους τους μεταβατικούς

κύκλους οδήγησης. Ενώ για τον αισθητήρα Γ, αφού το μοντέλο διέφερε ελαφρώς το

νούμερο αντιπροσωπεύει την χιλιομετρική απόσταση, η οποία είναι απαραίτητη για

την αξιολόγηση. Και τέλος δίνεται ένα σύντομο σχόλιο πάνω στην αξιολόγηση των

αποτελεσμάτων για τον κάθε αισθητήρα σε σχέση με το μέγεθος του δείγματος, την

αξιοπιστία του αισθητήρα κλπ.

Συγκεκριμένα, το εργαστήριο αξιολόγησε ότι οι επιδόσεις του αισθητήρα Α

είναι καλές. Βέβαια, πρέπει να σημειωθεί ότι το μέγεθος του δείγματος δεν ήταν

επαρκές ώστε να εξαγχθούν ασφαλή συμπεράσματα.

Για τον αισθητήρα Β, τα αποτελέσματα με βάση το μοντέλο που

χρησιμοποιήθηκε στο εργαστήριο έδειξε ένα μικρό σφάλμα της τάξης του 0,3%, αλλά

αυτό θα μπορούσε να μειωθεί με επιπλέον μικρορύθμιση του μοντέλου OBD που

χρησιμοποιήθηκε. Αντίθετα, από τον κατασκευαστή δεν υπήρξε καμία αξιολόγηση.

Τέλος, για τον αισθητήρα Γ δεν υπήρξε αξιολόγηση από τον κατασκευαστή,

όμως με βάση τα αποτελέσματα του εργαστηρίου η λειτουργία του αισθητήρα ήταν

καλή. Ωστόσο, πρέπει να τονισθεί στο σημείο αυτό πως το μοντέλο OBD

προκειμένου να κάνει μια έγκυρη διάγνωση χρειάζεται πιθανώς μια απόσταση


μεγαλύτερη από την απόσταση που διανύει τα όχημα κατά την διαδικασία που ορίζει

η νομοθεσία.

2.7 Συμπεράσματα και προτάσεις

Με βάση την παραπάνω αξιολόγηση των αισθητήρων αιθάλης τα βασικά

συμπεράσματα που μπορούν να εξαγχθούν είναι:

Και οι τρεις αισθητήρες είναι ικανοί να παράγουν ένα σήμα το οποίο μπορεί να

ενισχύσει την χρήση ενός στατιστικού δείκτη, ο οποίος μπορεί να

χρησιμοποιηθεί για την ανίχνευση υπερβάσεων των κατώτατων επιτρεπόμενων

ορίων.

Παρά το γεγονός ότι τα μοντέλα OBD που χρησιμοποιήθηκαν στο εργαστήριο

ανταποκρίθηκαν ικανοποιητικά με βάση τα περιορισμένα δεδομένα που είχαν

από τις δοκιμές, όλοι οι αισθητήρες χρειάζεται να υποβληθούν σε σημαντικά

υψηλότερο δοκιμών με σκοπό να διευκολύνουν την βαθμονόμηση τους ειδικά

για κάθε κινητήρα/όχημα, ώστε να οδηγήσουν σε ένα ισχυρό μοντέλο

ανίχνευσης των επιπέδων των εκπομπών.

Μια πιθανή αύξηση στη διάρκεια ανίχνευσης και αντίστοιχα της απόστασης

μπορεί να δώσει μεγαλύτερη αξιοπιστία στην ικανότητα ανίχνευσης των ήδη

αποτελεσματικών αισθητήρων και μια πιο επαρκή ακρίβεια στους αισθητήρες

των οποίων η τεχνολογία δεν είναι τόσο ώριμη.

Με βάση την ισχύουσα νομοθεσία η διάρκεια του μεταβατικού κύκλου κατά την

διαδικασία έγκρισης ενός οχήματος με βάση το πρότυπο Euro είναι ένας κύκλος

NEDC, ο οποίος θεωρείται μικρός ώστε τα μοντέλα ανίχνευσης που

χρησιμοποιήθηκαν να είναι ικανά να δώσουν έγκυρη διάγνωση. Γι’ αυτό


προτείνεται να προσαρμοστεί η απόσταση του προτυποποιημένου κύκλου σε 2 x

NEDC.

Είναι αναγκαίο να γίνουν περισσότερες δοκιμές προκειμένου να εκτιμηθούν

άλλες εξίσου σημαντικής πτυχές της λειτουργίας των αισθητήρων. Για

παράδειγμα, δοκιμές επαναληψιμότητας στις οποίες ο υπάρχον αισθητήρας θα

αντικατασταθεί από έναν πανομοιότυπο αισθητήρα.

Δεν μπορούν να εξαγχθούν συμπεράσματα από το εργαστήριο σε σχέση με την

ανθεκτικότητα των αισθητήρων και την αξιοπιστία των αποτελεσμάτων τους σε

βάθος χρόνου. Η μέση διάρκεια ζωής του αυτοκινήτου είναι 20 χρόνια, αυτό

σημαίνει ότι στο διάστημα αυτό οι αισθητήρες θα υποβληθούν σε ένα

σημαντικό αριθμό αναγεννήσεων σημαντικά μεγαλύτερο από τον αριθμό των

αναγεννήσεων που έγιναν στο εργαστήριο.

Το υπάρχον κατώτατο όριο για τα ελαφρά οχήματα της τάξης των 12 mg/km

είναι εφικτό με βάση τους υπάρχοντες αισθητήρες αιθάλης, υπό την προϋπόθεση

ότι η ανθεκτικότητα του αισθητήρα δεν αποτελέσει πρόβλημα.

Η αξιολόγηση των αισθητήρων έδειξε ότι υπάρχει μια σειρά από αισθητήρες η

τεχνολογία των οποίων είναι αρκετά ώριμη ώστε να μπορεί να ανιχνεύσει

υπερβάσεις των ορίων εκπομπών με αποδεκτή αξιοπιστία.

Για την επίτευξη της εξέλιξης της τεχνολογίας των αισθητήρων και την

βελτίωση της αξιοπιστίας της λειτουργίας των αισθητήρων προτείνονται τα εξής:

Διεξαγωγή δοκιμών στους αισθητήρες αιθάλης για τα ελαφριά οχήματα σε πιο

πρόσφατα φίλτρα αιθάλης που είναι πλέον διαθέσιμα στην αγορά και

προορίζονται για την χρήση τους στα επιβατικά οχήματα Euro 6.


Συμμετοχή στις δοκιμές εάν είναι δυνατόν των κατασκευαστών των αυτοκινήτων

σε συνδυασμό με τη συμμετοχή των κατασκευαστών των αισθητήρων με σκοπό

τον προσδιορισμό ενός πλήρους συστήματος αισθητήρα και μοντέλου OBD για

τα οχήματα.

Διεξαγωγή επιπλέων εφαρμογών που αφορούν τον προσδιορισμό της σχέσης των

σημάτων που παράγουν οι αισθητήρες με τα επίπεδα εκπομπών των σωματιδίων

των οχημάτων για τα διάφορα μοντέλα αυτοκινήτων και αισθητήρων.

Επιπλέον διερεύνηση στην ικανότητα αναπαραγωγής πανομοιότυπων αισθητήρων

και στην επαναληψιμότητα της εύρυθμης λειτουργίας των αισθητήρων, καθώς

επίσης και στην κατανόηση στις ευαισθησίες σε σχέση με την θέση του

αισθητήρα, τον κινητήρα του οχήματος που μπορεί να προκύψουν.

Διερεύνηση σε σχέση με την ευαισθησία των αισθητήρων αιθάλης σε

περιστασιακές αλλαγές στη χημεία της αιθάλης και την συσχέτιση αυτής της

ευαισθησίας με τις αναμενόμενες περιστασιακές αλλαγές στα οχήματα Euro 6.


ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ

Automotive Products. (n.d.). OBD Systems. Retrieved September 28, 2013, from

http://obdsystems.com/products/

Comitology Register (n.d.). European Commission. Retrieved September 29, 2013, from

http://ec.europa.eu/transparency/regcomitology/index.cfm?do=search.documentdetail

&1EX/t4SGUgkT6RTre2SDwS+k+mMMfWHpwOfyrBHbVtOBuE2177sL3dMBpRf

efPrJ

Common Artemis Driving Cycles (CADC). (n.d.). DieselNet. Retrieved September 28, 2013,

from http://www.dieselnet.com/standards/cycles/artemis.php

ECE 15 + EUDC / NEDC. (n.d.). DieselNet. Retrieved September 28, 2013, from


EPA, U.S. (n.d.). On-Board Diagnostics (OBD) | US EPA. Retrieved September 28, 2013,

from http://www.epa.gov/obd/

EUR-Lex - Official Journal. (n.d.). Retrieved September 29, 2013, from http://eur-

lex.europa.eu/LexUriServ/LexUriServ.do?uri=OJ:L:2008:199:0001:0136:EN:PDF

EUR-Lex - Official Journal. (n.d.). Retrieved September 29, 2013, from http://eur-

lex.europa.eu/LexUriServ/LexUriServ.do?uri=OJ:L:2007:171:0001:0016:EN:PDF

Geivanidis, S., & Samaras, Z. (2012). Technical feasibility of different regulatory OBD

threshold limits (OTL) for Euro 6 (LD) and VI (HD) vehicles.

Hagen, G., Feistkorn, C., Wiegärtner, S., Heinrich, A., Brüggemann, D., & Moos, R. (2010).

Conductometric Soot Sensor for Automotive Exhausts: Initial Studies. Sensors, 10(3),

1589–1598. doi:10.3390/s100301589

McCarthy, M. (2010, November). CARB Light-Duty OBD Regulation Update. Paper

presented at SAE 2010 On-Board Diagnostics Symposium-Europe.

http://obdsystems.com/products/

http://ec.europa.eu/transparency/regcomitology/index.cfm?do=search.documentdetail&1EX/t4SGUgkT6RTre2SDwS+k+mMMfWHpwOfyrBHbVtOBuE2177sL3dMBpRfefPrJ



http://www.dieselnet.com/standards/cycles/artemis.php


http://www.epa.gov/obd/

http://eur-lex.europa.eu/LexUriServ/LexUriServ.do?uri=OJ:L:2008:199:0001:0136:EN:PDF





New European Driving Cycle. (2013, September 11). In Wikipedia, the free encyclopedia.

Retrieved from

http://en.wikipedia.org/w/index.php?title=New_European_Driving_Cycle&oldid=568

771848

Noble, A. (2010, November). Evaluation and Assessment of Proposed Euro 6 Light Duty

OBD Threshold Limits. Paper presented at SAE 2010 On-Board Diagnostics

Symposium-Europe.

OBD PM sensor technology. (n.d.). Pegasor. Retrieved September 28, 2013, from

http://pegasor.fi/en/our-technology/engine-emission-monitoring/obd-pm-sensor-

technology/

OBD-II Background. (n.d.). OBD-II. Retrieved September 28, 2013, from

http://www.obdii.com/background.html

Ochs, T., Schittenhelm, H., Genssle, A., & Kamp, B. (2010). Particulate Matter Sensor for On

Board Diagnostics (OBD) of Diesel Particulate Filters (DPF). SAE International

Journal of Fuels and Lubricants, 3(1), 61–69. doi:10.4271/2010-01-0307

On-board diagnostics. (2013, September 26). In Wikipedia, the free encyclopedia. Retrieved

from http://en.wikipedia.org/w/index.php?title=On-

board_diagnostics&oldid=573556875

Samaras, Z. (2010, August). On board diagnostic legislation for euro 6/vi light and heavy duty

vehicles in Europe. Paper presented at SAE 2010 On-Board Diagnostics Symposium-

Europe.

Samaras, Z., & Geivanidis, S. (2012). Technical feasibility of different regulatory particle

OBD threshold limits (OTL) for Euro 6 (LD) and VI (HD) vehicles- An EU DG

Enterprise funded project. Presentation. Aristotle University Thessaloniki, Greece.

Schener, T. (n.d.). Σύστημα OBD κάπου ανάμεσα στην οικολογία και στο Μεγάλο Αδερφό.

Retrieved September 28, 2013, from

http://users.sch.gr/jabatzo/files/articles/Systhma_OBD.pdf



http://pegasor.fi/en/our-technology/engine-emission-monitoring/obd-pm-sensor-technology/

http://pegasor.fi/en/our-technology/engine-emission-monitoring/obd-pm-sensor-technology/

http://www.obdii.com/background.html

http://en.wikipedia.org/w/index.php?title=On-board_diagnostics&oldid=573556875

http://en.wikipedia.org/w/index.php?title=On-board_diagnostics&oldid=573556875

http://users.sch.gr/jabatzo/files/articles/Systhma_OBD.pdf


Schonauer, U. (n.d.). Sensor and method for determining soot concentrations. Retrieved from

http://www.google.gr/patents?id=vs6NAAAAEBAJ

Schroeder, M., Driedger, G., Klee, P. & Willimowski, M. (2010, November). OBD

Challenges and Concepts for Powertrain System. Paper presented at SAE 2010 On-

Board Diagnostics Symposium-Europe.

Stewart, G. E., Kolavennu, S. N., Borrelli, F., Hampson, G. J., Shahed, S. M., Samad, T., &

Rhodes, M. L. (2006, December 26). Use of sensors in a state observer for a diesel

engine. Retrieved from http://www.freepatentsonline.com/7155334.html

The different driving cycles. (n.d.). Car Engineer. Retrieved September 28, 2013, from

http://www.car-engineer.com/the-different-driving-cycles/

Understanding On-Board Diagnostics (OBD). (n.d.). Illinois Environmental Protection

Agency. Retrieved September 28, 2013, from

http://www.epa.state.il.us/air/vim/faq/obd.html

United Nations Economic Commission for Europe. (n.d.). Retrieved September 29, 2013,

from http://www.unece.org/fileadmin/DAM/trans/main/wp29/wp29regs/R049r5e.pdf

United Nations Economic Commission for Europe. (n.d.). Retrieved September 29, 2013,

from http://www.unece.org/fileadmin/DAM/trans/main/wp29/wp29regs/r083r4e.pdf

Worldwide Harmonized Light Vehicles Test Procedure (WLTP). (n.d.). DieselNet. Retrieved

September 28, 2013, from http://www.dieselnet.com/standards/cycles/wltp.php

Αλαφούζος, Α. (2009). Εκτίμηση εκπομπών καυσαερίων κατά τη διάρκεια του Ευρωπαικού

Κύκλου Πόλης (ETC) βαρέων οχημάτων. (Διπλωματική εργασία, Εθνικό Μετσόβιο

Πολυτεχνείο, 2011). Ανακτήθηκε από:

http://dspace.lib.ntua.gr/bitstream/123456789/3081/3/alafouzosa_emissions.pdf

Γενικές πληροφορίες για το OBD-ΙΙ ή OBD-2. (n.d.). Vantzos Automotive Engineering.

Retrieved September 28, 2013, from http://www.obd-2.gr/el/2009-11-19-22-51-

34/2010-04-02-22-05-07.html

http://www.google.gr/patents?id=vs6NAAAAEBAJ

http://www.freepatentsonline.com/7155334.html

http://www.car-engineer.com/the-different-driving-cycles/

http://www.epa.state.il.us/air/vim/faq/obd.html

http://www.unece.org/fileadmin/DAM/trans/main/wp29/wp29regs/R049r5e.pdf

http://www.unece.org/fileadmin/DAM/trans/main/wp29/wp29regs/r083r4e.pdf

http://www.dieselnet.com/standards/cycles/wltp.php

http://dspace.lib.ntua.gr/bitstream/123456789/3081/3/alafouzosa_emissions.pdf

http://www.obd-2.gr/el/2009-11-19-22-51-34/2010-04-02-22-05-07.html

http://www.obd-2.gr/el/2009-11-19-22-51-34/2010-04-02-22-05-07.html


Μείωση των εκπομπών ρύπων από ελαφρά οχήματα. (2013). Σύνοψη της νομοθεσίας της ΕΕ.

Retrieved September 28, 2013, from

http://europa.eu/legislation_summaries/environment/air_pollution/l28186_el.htm

Οικονόμου, Μ. (2011). Ανασκόπηση Σύγχρονων Συστημάτων Αντιρρύπανσης Εμβολοφόρων

Κινητήρων. (Διπλωματική εργασία, Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο, 2011). Ανακτήθηκε

από http://dspace.lib.ntua.gr/bitstream/123456789/3971/3/oikonomoum_antirripansi.pdf

Φραγκόπουλος, Α. (2009) Υπολογιστική Μελέτη Τεχνικών Έγχυσης Νερού σε Δίχρονους

Ναυτικούς Κινητήρες Diesel (Διπλωματική εργασία, Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο,

2009). Ανακτήθηκε από:

http://www.ntua.gr/marinelive/marinecfd/Publications/Frangopoulos_Thesis.pdf

http://europa.eu/legislation_summaries/environment/air_pollution/l28186_el.htm

http://dspace.lib.ntua.gr/bitstream/123456789/3971/3/oikonomoum_antirripansi.pdf

ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ...

Documents

Transcript of ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ...