תקני זיהום האוויר לפליטת חומרים מזיקים ממנועי שריפה תוקנו החל משנת 89', עת תוקן תקן Euro 0 - בפעם הראשונה נקבעו כמויות הזיהום המותרות לפליטה ממנועים. עם השנים הוכנסו בתקן שיפורים, כאשר כל שיפור העלה את רמת הניקיון הנדרשת מהמנועים. גם בארה^ב לא שקטו אנשי האיכ^ס (איכות הסביבה) על שמריהם, וקבעו תקנים מחמירים אף יותר, בפרט בקליפורניה החולמת, ערש זיהום האוויר, ששם זכה גם לכינוי Smog. פליטת המזהמים, כאמור
בכתבה הקודמת, הנה 1% בלבד מכלל הפליטה מהמנועים (ראו תרשים משמאל), אך משמעותית והרסנית גם בכמות זו.
בתחילת הדרך, חששו המתקנים מהגזים בלבד. רק בעדכון הראשון של התקן, כעבור שלוש שנים, הוכנסו גם החלקיקים תחת משטר הפיקוח של האו^ם. מאז ועד היום, כפי שנסקר בכתבה הקודמת, נעשו מאמצים רבים לנטרל את הגזים ולהופכם לידידותיים יותר, אלא שהטיפול בחלקיקים השחורים, חלקיקי הפיח, לא התקדם בצורה רבה, ואנו נוכחים בזאת בכל נסיעה מאחורי ירכתי אוטובוס או משאית עשנים.
מי האויב?
החלקיקים המוצקים הנפלטים לאוויר העולם מקורם בעיקר במנועי הדיזל. מנועים אלה, על אף השימוש הנרחב בהם, לא זכו עד היום לטיפול הולם בתוצריהם, שכן המבנה הבסיסי של תהליך השריפה בהם, שהוא שריפה ענייה (פחות דלק ביחס לאוויר) אינו מאפשר שימוש בממיר קטליטי תלת-שלבי. החלקיקים המוצקים והשחורים, שהגדולים ביניהם נראים כפיח, הקטנים יותר כעשן והקטנים ביותר, הננשמים על ידינו, אינם נראים כלל, מכילים רכיבים רעילים, שלהם השפעות הרסניות על בריאות האדם ובעלי החיים, מבנים וצמחיה. החלקיקים הללו נוצרים משני מקורות: הדלק הנשרף ושמן המנוע. הקוטר האופייני של רוב החלקיקים הנפלטים ממנועי הדיזל הוא 100 ננומטר - עשירית של אלפית המילימטר...
דיאט דלק ומנועים דלי קלוריות
הטיפול הראשון וההגיוני היה לטפל בדלק, על מנת להקטין את מקור הפליטה של החלקיקים. במסגרת זו הופחתה כמות הגופרית והפרפינים (לא הנרות להורדת חום...) והועלה מספר הצטאן - המספר המתאר את התנגדות הסולר לבעירה. טיפול זה הביא להפחתה של 5% עד 15% בלבד בכמות החלקיקים ה^גדולים^, ולא שיפר אף במעט את מספר החלקיקים הקטנים יותר. הבא בתור היה תכנון המנוע: תכנון טוב יותר של המנוע יגרום לפחות דלק לא להשתתף בתהליך הבעירה ובכך להקטין את כמות החלקיקים הנפלטים. במסגרת התכנון המחודש בוצעו גידוש-יתר (Supercharging), קירור ביניים (Intercooling), מרכוז מזרק הדלק והגדלת מספר הנחירים בו, העלאת לחץ ההזרקה, הפחתת סחרור האוויר בצילינדר ושינויים גיאומטריים בפני הבוכנה, שכללו הקטנת ה^קערית^ שעל פניה. שינויים אלה הביאו להפחתה משמעותית בכמות החלקיקים הגדולים, ושינוי זה אף נראה בעין בכמות הקטנה יותר של עשן היוצא ממנועי הדיזל המודרניים, אך אחוז החלקיקים הקטנים דווקא עלה. לאחר שהוברר כי הניסיונות להקטין את כמות החלקיקים הקטנים, תוך ניכוי מס במקור, לא צלחו, הטיפול עבר לגבייה מעמיקה בתום התהליך.
לוכדי החלקיקים
באופן טבעי, הפתרון הוא להרכיב מסנן במערכת הפליטה, וללכוד את החלקיקים. אך לפתרון פשוט זה שני חסרונות עיקריים, השני נובע מהראשון: המסנן ייסתם מהר מאד (זהו החיסרון הראשון), ולמרות שכך יהיה יעיל יותר כנגד החלקיקים, ההפרעה לזרימה תגדל, הלחץ במערכת הפליטה יעלה ויעילות המנוע תרד. (זה החיסרון השני). למה? לא לחינם (ולא בחינם) מוצעות בשוק ערכות לשיפור הזרימה במערכת הפליטה (אגזוזי Free Flow). מערכת הפליטה וההשתקה מאיטה את מהירות זרימת הגזים השרופים ובכך מעלה את הלחץ. לו היו גזי הפליטה יוצאים מהמנוע ישירות לאוויר החופשי, ללא ^דמי תיווך^, כבמנועי הפורמולה 1 ומכוניות המירוץ האחרות, היה הפרש הלחצים בין תהליך השריפה ללחץ החיצוני מרבי, ויעילות המנוע הייתה מרבית. אלא שהרעש המופק מהמנועים היה בלתי נסבל, וכל מי שביקר במסלולי הפורמולה 1 מבין כי בלתי אפשרי לחיות ללא משתיקים בעכוזי המכוניות. מחיר ההשתקה הנו פגיעה ביעילות המנוע. עם זאת, יש לציין שהמסנן יחליף את משתיק הקול (המסנן יכול גם לשמש כמשתיק קול).
אף על פי ולמרות הפגיעה ביעילות המנוע עקב עליית הלחץ, הטיפול בחלקיקים על-ידי מסנן הוא הפתרון הישים. להמעטת הפגיעה נערכים מחקרים רבים לניקוי המסנן בזמן אמיתי, כך שההפרעה לזרימה תקטן, מחד גיסא, והטיפול בחלקיקים לא ייפגע, מאידך גיסא.
באופן כללי, המסננים הפסיביים מתחלקים לשני סוגים: מסנני שטח ומסנני עומק. הראשונים מאופיינים במבנה חלת דבש מפלדה או מקרמיקה. המעברים בחלת הדבש מקבילים, כשבחלקם הכניסה פתוחה והיציאה סגורה, ובמקבילים אליהם להפך. הגזים הנכנסים לתוך מעבר חסום, נאלצים להסתנן דרך נקבוביות החומר למעבר המקביל, אלא שהחלקיקים נלכדים בין הנקבוביות. לאורך זמן, הנקבוביות נסתמות ונדרשת החלפת המסנן או טיפול בו (ראו להלן). מסנני העומק מאופיינים במבנה של סיבים ארוגים או מלופפים. החומר ממנו עשויים הסיבים הוא תחמוצת סיליקון או רשת ארוגה של סיבי ברזל. שיטת הלכידה היא עצירת החלקיקים על ידי הרשת. ניתן ללכוד חלקיקים קטנים יותר, מכיוון שבמסנן עומק גם חלקיקים קטנים (שלא בהכרח נלכדים על ידי מסנן שטח) נצמדים לסיבים
על-ידי כוחות האחיזה.
האקדמיה מתגייסת
במעבדת מנועי שריפה של המחלקה להנדסת מכונות באוניברסיטת בן גוריון בנגב, נערך מזה זמן מחקר שהוזמן על-ידי המשרד לאיכות הסביבה, להורדת כמות החלקיקים הנפלטים. המחקר מבוצע על-ידי חגית פרסיקו-קרקש, זוכת פרס פורד לאיכות הסביבה על שם אברהם פורת לשנת 2001, בהנחייתו של פרופ' ערן שר. במסגרת המחקר במעבדה, העובדת מול גורמים כמו ג'נרל מוטורס, קמינס, פורד, בוש, רוקוול, של, מ.א.ן, פיאג'ו וענקי רכב נוספים, נבדקות שיטות לניקוי המסננים בזמן אמיתי. כדי להימנע מסתימת המסנן, יש לנקותו בכל פעם שהלחץ במסנן מגיע ללחץ מקסימלי מסוים.
לניקוי המסנן יש מספר דרכים. שיטה אחת לניקוי המסנן מיושמת על ידי הזרמת אויר. בתהליך זה, הסינון מושג ע^י שני מסננים, ראשי ומשני. כאשר המסנן הראשי סופג כ-40 גרם של פיח, גזי הפליטה מופנים למסנן המשני. לאחר ההפניה, מנוקה המסנן הראשי על ידי הזרמת אויר בלחץ גבוה. החלקיקים המפונים מאוחסנים או מחומצנים (נשרפים). ניקוי המסנן מתרחש כל ארבע עד חמש שעות, ומשך התהליך הוא כ-15 דקות. בגלל הצורך במקור אנרגיה להזרמת האוויר בלחץ (מדחס) ובשל הגדלת זרימת ההתנגדות, תהליך זה מעלה את צריכת הדלק באחוז עד שניים. התהליך מבוקר על ידי חיישני טמפרטורה ומדידי זרימת אויר. היתרון בשיטה זו הנו באפשרות למקם את המסנן רחוק מהמנוע, ובכך לקבל טמפרטורות נמוכות, שיגרמו לעיבוי פחמימנים נוספים. רמת ההפחתה המושגת בתהליך זה מגיעה לכ-50% בכמות הפחמימנים. החיסרון בשיטה זו היא שתהליך ניקוי המסנן לא נעשה באופן רציף, אלא רק כאשר הלחץ במסנן מגיע ללחץ מקסימלי מסוים.
אפשרות נוספת לניקוי המסנן מתבססת על הרעיון של שרפת החלקיקים (הנקרא גם תהליך רגנרציה). שריפה זו תכלה את החלקיק בטרם ייפלט, ורק תוצרי השריפה הזו ייפלטו לאטמוספירה. נשמע פשוט, אך הביצוע אינו כזה. טמפרטורת השריפה של חלקיקי הפיח היא מעל 550 מעלות צלזיוס. טמפרטורת גזי הפליטה נעה בין 200 ל-300 מעלות. על מנת לשרוף את החלקיקים, נדרש להעלות את הטמפרטורה לערך הנדרש, אך מאין תבוא האנרגיה? הדרכים לכך הן מחזור גזי הפליטה, חימום מוקדם של אויר היניקה, העלאת מהירות גזי הפליטה והעלאת מהירות היניקה. לכל שיטה יתרונות וחסרונות - מחזור גזי הפליטה, לדוגמא, יביא לטמפרטורה גבוהה יותר בצילינדר, אך מצד שני יגרום לפחות אויר נקי להיכנס למחזור. מצד שלישי, כמות תחמוצות החנקן הנוצרת תהיה קטנה יותר. חימום מוקדם של אויר היניקה, תוך שימוש בגוף חימום, תעלה את טמפרטורת הפליטה, אך תפגום ביעילות מחזור השריפה. העלאת מהירות אויר היניקה באמצעות הצערה (מלשון מצערת), מעלה את טמפרטורת הפליטה בצורה יעילה, אלא שהיא מקטינה את כמות האוויר הטרי המגיע לצילינדר וכך היעילות היחסית פוחתת וגדלה הדרישה לצריכת דלק, על מנת להגיע לאותם ביצועים שהנהג רוצה. היתרון בשיטה זו הוא, שתמיד הטמפרטורה במסנן תהיה מעל הערך הנדרש (טמפרטורת שרפת החלקיקים), ובאופן זה יהיה תהליך ניקוי המסנן רציף.
מסנן נו-פרוסט
המעבדה באוניברסיטת בן גוריון מנהלת מול המשרד לאיכות הסביבה גם מחקר לפיתוח של מסננים ללא טיפול. במסנן כזה, החלקיקים יישרפו בטמפרטורה נמוכה יותר, שתושג ע^י ציפוי המסנן בחומר קטליטי (זרז), הקרוי סריום. ציפוי המסנן בחומר זה, שנבחר מבין חומרים אחרים (ברזל, נחושת, מנגן ופלטינום) בשל רעילותו הנמוכה ביחס אליהם, יאפשר שריפת החלקיקים ומניעת סתימת המסנן. הורדת הטמפרטורה חיונית למניעת סדיקת המסנן ושבירתו, כמו גם למניעת יצירת תרסיסי תחמוצות גופרית. מסנן כזה יהיה עמיד לכ-80 אלף ק^מ.
טיפול קטליטי של החלקיקים מושג גם תוך שימוש בתוספי דלק קטליטיים - תוסף שהוא תמיסת מתכת נוזלית, המתווסף למיכל הדלק. התוסף גורם לפיח להישרף בטמפרטורה נמוכה יותר, כך שפוחת הצורך בחימום חיצוני. רוב התוסף נשרף בתהליך השריפה וחלקו מצטבר על החלקיקים. תוספי דלק אלו, ובפרט אלה המבוססים על ברזל, נחושת וסריום אמנם מפחיתים את ריכוז החלקיקים הנפלטים. לפיכך, שילוב של מסנן ותוספי דלק מקטין את פליטת החלקיקים בשלושה סדרי גודל (פי 1000).
