Οι επιπτώσεις της ποιότητας των καυσίμων σε κινητήρες και περιβάλλον

Abstract

The present work describes an analytical method of fuel quality monitoring. Also analyzes the impact of fuel quality to engine performance and to environmental quality. The use of engines is continually growing, and this trend is associated with higher emissions. In order to control the emissions, improvement in fuel quality is becoming increasingly important together with the development of better engine technologies. The understanding of the influence of different fuel properties on fuel emissions has improved considerably over the years. Governmental regulations mandating lower pollutant emissions from vehicles are forcing significant changes both in engine design and in fuels. Major reduction in emissions can be achieved by modifying the engines. However fuel properties also affect emissions, for example fuel density and volatility may also affect emissions, but the magnitude of the effect depends very much on the engine design. The fuels produced by the refineries usually comply with the legislation, but alterations in the fuel properties may occur during the transportation and up to the point where the fuel is dispensed into the consumer car tanks, for a number of reasons. The dissertation consists of sixteen chapters, divided into two subjects. The first subject comprising the first seven chapters contains the theoretical part of the work. The following nine chapters describe the experimental part of the work. In the beginning the theoretical part describes briefly the modem energy sources and the continuous energy dependence by oil. The composition of crude oil and the refining processes of converting crude oil into high value products are also described. The European and Greek standards for petrol and diesel quality are also analyzed. The European Union expressed its concern on this issue through European Directives, stating that the member states will promote the development of a uniform system for fuel quality monitoring. By 30 June of 2002 every Member State shall submit their report for the preceding calendar year to the Commission. The principles of diesel and petrol engines are presented in the next chapter. Exhaust emissions which are the Achilles’ heel of engines examined also. Because of the importance of emissions, it was worth while taking a closer look at the combustion process to see how they are formed. Since the physical and chemical processes taking place in a cylinder during combustion are very complex, and not completely understood, this discussion is necessarily superficial. Finally, the USA and European emission standards, vehicle categories and vehicle regulations are examined in correlation with the driving cycles. In the primary part of the experimental work, the analytical conditions and methodology that were used is presented. All the analytical techniques that were used are described in order to understand the following results. The next chapters present the results of a survey in diesel and petrol samples obtained from service stations in the Athens area. For this purpose fuel samples were randomly collected from several service stations during three years period from 1999 until 2001. These samples are representative of the automotive diesel distributed in the Athens area from all the oil companies operating in Greece. The laboratory examination involved the analysis both for any adulteration with the cheaper fuel, and for monitoring the key properties of the fuels. The experimental session continued with measurements of engine performance and exhaust emissions from a single cylinder, stationary, diesel engine. The engine was fueled with fuel blends containing automotive diesel-domestic heating diesel, automotive diesel-domestic marine diesel and automotive diesel-white spirit. The types of the adulterated diesel fuel investigated increased all types of emissions, compared to the automotive diesel fuel. The only positive result was a slight decrease of the volumetric fuel consumption. The engine was fueled also with pure marine diesel fuel and blends containing two types of biodiesel, at proportions up to 50 percent, in order to examine the use of alternative fuels and how they improve the traditional fuel quality. The two types of biodiesel appeared to have equal performance, and irrespective of the raw material used for their production, their addition to the marine diesel fuel improved the particulate matter, unburned hydrocarbons, nitrogen oxide and carbon monoxide emissions. Overall the findings of this research, verified the concerns of the European Union, which mandated that by the year 2002 all the member states will promote the development of a uniform system for fuel quality monitoring.

Στόχος της παρούσας διδακτορικής διατριβής είναι η μελέτη της ποιότητας των υγρών καυσίμων και οι επιπτώσεις της στους κινητήρες και στο περιβάλλον. Μέχρι τώρα, ο ποιοτικός έλεγχος των υγρών καυσίμων που φθάνουν στον τελικό καταναλωτή ήταν σχεδόν ανύπαρκτος. Η Ευρωπαϊκή Ένωση προτίθεται να εφαρμόσει ένα ενιαίο πρότυπο ελέγχου της ποιότητας των υγρών καυσίμων που διακινούνται εντός των συνόρων της. Μάλιστα, στην εποχή μας, ο ποιοτικός έλεγχος στη διάθεση, στην εμπορία και στην κατανάλωση των υγρών καυσίμων είναι επιβεβλημένος. Πρέπει να γίνει συνείδηση όλων η ύπαρξη ενός ποιοτικού «πλαφόν» για τα υγρά καύσιμα. Μ’ αυτόν τον τρόπο περιορίζεται η περιβαλλοντική επιβάρυνση και οι συνέπειες που έχει η τελευταία, στην υγεία και την οικονομία. Οι προδιαγραφές των υγρών καυσίμων αλλάζουν και βελτιώνονται με αποκλειστικό σκοπό την επίτευξη του τρίπτυχου καθαρότερων καυσίμων, καλύτερης απόδοσης των κινητήρων και την όσον το δυνατόν λιγότερη περιβαλλοντική επιβάρυνση. Στην παρούσα διδακτορική διατριβή παρακολουθήθηκε η συμμόρφωση όλων των μεταβλητών που επηρεάζουν την ποιότητα των υγρών καυσίμων. Ταυτόχρονα εξετάστηκε η συμμόρφωση στις νέες αυστηρότερες προδιαγραφές που επιβλήθηκαν με την πάροδο του χρόνου. Η παρούσα εργασία αποτελείται από δεκαέξι κεφάλαια ταξινομημένα σε δύο κύριες ενότητες. Η πρώτη ενότητα απαρτίζεται από επτά κεφάλαια και αποτελεί το θεωρητικό υπόβαθρο. Η δεύτερη ενότητα, που είναι το πειραματικό μέρος, αποτελείται από εννέα κεφάλαια. Το θεωρητικό μέρος πραγματεύεται αρχικά την ενεργειακή εξάρτηση από το πετρέλαιο που έχει όλη η υφήλιος, τις προοπτικές που ανοίγονται και, σύμφωνα με κάποια σενάρια, τον τρόπο εξέλιξης της προσφοράς και της ζήτησης των επόμενων χρόνων. Στη συνέχεια αναλύονται οι βασικές ιδιότητες του αργού πετρελαίου και οι διεργασίες διύλισης στις οποίες υπόκεινται ώστε να παραχθούν τα προϊόντα που φτάνουν στον τελικό καταναλωτή. Εδώ γίνεται, για πρώτη φορά, λόγος για την ποιότητα αφού για την επίτευξη των διαφόρων προδιαγραφών αυξομειώνεται και η «ένταση» των εκάστοτε διεργασιών. Περιγράφονται και αναλύονται οι προδιαγραφές των υγρών καυσίμων που έχει θέσει η Ευρωπαϊκή Ένωση και οι στόχοι που πρέπει να επιτευχθούν από τα κράτη μέλη της. Στη συνέχεια καταγράφονται οι προδιαγραφές που ορίζονται από την ελληνική νομοθεσία και η εναρμόνισή τους με τις ευρωπαϊκές, ενώ καταγράφονται και οι αλλαγές στις προδιαγραφές. Επιπροσθέτως, περιγράφεται η λειτουργία των μηχανών εσωτερικής καύσεως και τα μέρη αυτών που έρχονται σε επαφή και επηρεάζονται από την ποιότητα των καταναλισκόμενων καυσίμων. Το τελευταίο, έχει επιπτώσεις στις εκπομπές των κινητήρων. Επιπλέον, αναφέρεται ο τρόπος με τον οποίο το καύσιμο επηρεάζει αυτές τις εκπομπές. Οι εκπομπές των κινητήρων μετρώνται σε συγκεκριμένους οδηγικούς κύκλους όπως αυτοί είναι ορισμένοι τόσο για την Αμερική όσο και την Ευρώπη. Με βάση λοιπόν αυτούς, θα πρέπει να μετρώνται οι εκπομπές και η επίδραση της ποιότητας των καυσίμων σε αυτές. Τέλος, περιγράφονται οι ανάγκες που οδήγησαν στην δημιουργία ενός συστήματος διασφάλισης ποιότητας. Αναφέρονται οι προσπάθειες που έχει κάνει κάθε ευρωπαϊκό κράτος και ποιες από τις βασικές απαιτήσεις καλύπτει. Ενδιαφέρον προκαλεί το γεγονός ότι για την Ελλάδα δεν υπάρχουν τέτοια στοιχεία. Γι’ αυτό το λόγο, η παρούσα διατριβή προσπαθεί να καλύψει μερικά από τα ερωτήματα που τίθενται για την ανάπτυξη ενός συστήματος ποιοτικού ελέγχου. Στο πειραματικό μέρος της μελέτης, παρουσιάζεται αρχικά η αναλυτική μεθοδολογία που χρησιμοποιήθηκε για να καλυφθεί το θέμα. Γίνεται περιγραφή όλων των μεθόδων που χρησιμοποιήθηκαν για την αξιολόγηση της ποιότητας των καυσίμων και οι τρόποι ώστε αυτό να γίνεται όσον το δυνατόν πιο αποτελεσματικά και γρήγορα. Ακολούθως, παρουσιάζονται τα αποτελέσματα μιας εκτεταμένης δειγματοληψίας η οποία διήρκησε μια τριετία, από το 1999 έως το 2001, στο λεκανοπέδιο της Αττικής. Αναλύονται εκτεταμένα τα ευρήματα και παρουσιάζονται οι διαπιστώσεις για την ποιότητα των καυσίμων που διακινούνταν κατά την διάρκεια αυτών των ετών σε συνάρτηση με μια έρευνα που πραγματοποιήθηκε σε όλη την Ελληνική επικράτεια. Οι ενέργειες αυτές, έδωσαν τα πρώτα πραγματικά αποτελέσματα, έτσι ώστε να διαπιστωθεί ποιο καύσιμο παρουσιάζει πρόβλημα και που πρέπει να δοθεί περισσότερη έμφαση, για την παρακολούθηση και την εποπτεία τους. Αφού διαπιστώθηκε που κυμαίνεται η ποιότητα των υγρών καυσίμων που διακινούνταν πραγματοποιήθηκαν πειράματα στον σταθερό πετρελαιοκινητήρα Petter AV-1 Lab του εργαστηρίου Τεχνολογίας καυσίμων & Λιπαντικών του Ε.Μ.Πολυτεχνείου με αποκλειστικό σκοπό να εξομοιώσουν τις επιπτώσεις της., επιπτώσεις που αφορούν τόσο την επίδοση του κινητήρα όσο και την επιβάρυνση του περιβάλλοντος. Χρησιμοποιήθηκαν καύσιμα που παρασκευάστηκαν στο εργαστήριο και αντιπροσώπευαν τα ευρήματα της δειγματοληψίας. Δημιουργήθηκαν μίγματα πετρελαίου κίνησης-πετρελαίου θέρμανσης, πετρελαίου κίνησης-πετρελαίου ναυτιλίας και πετρελαίου κίνησης-διαλυτικού μέσου (white spirit). Σε όλες τις περιπτώσεις η επιβάρυνση του περιβάλλοντος ήταν αυξημένη. Διαπιστώθηκαν επίσης οι επιπτώσεις που έχει η, ηθελημένη ή μη, χρησιμοποίηση καυσίμων εκτός προδιαγραφών. Η Ευρωπαϊκή Ένωση έχει αποφασίσει ότι το πετρέλαιο κίνησης πρέπει να περιέχει βιοντήζελ σε ποσοστό 5%-8%. Η έρευνα μας προχώρησε στην επίδραση του βιοντήζελ στο πετρέλαιο ναυτιλίας. Για το λόγο αυτό εξετάστηκε η χρήση βιοντήζελ από ηλιέλαιο και ελαιόλαδο στο ναυτιλιακό πετρέλαιο. Συστήνεται επίσης η χρησιμοποίηση του βιοντήζελ ως ιχνηθέτης με σκοπό την αντικατάσταση των παραδοσιακών ιχνηθετών. Ειδικά στο πετρέλαιο ναυτιλίας οι παραδοσιακοί ιχνηθέτες έχουν αποδειχτεί ανεπαρκείς. Τέλος, στο τελευταίο κεφάλαιο με τίτλο «Συμπεράσματα-Προτάσεις» δίδονται συνοπτικά τα συμπεράσματα που εξήχθησαν από τα αποτελέσματα της διατριβής καθώς και προτάσεις για περαιτέρω έρευνα. Η κατανάλωση καυσίμων εκτός προδιαγραφών αυξάνει όλα σχεδόν τα είδη των εκπομπών. Αποτέλεσμα τούτου, είναι η διαπίστωση της αδυναμίας όλων σχεδόν των νέων τεχνολογιών αντιρρύπανσης στη μείωση των εκπομπών.