ראשית, תודות וגילוי נאות: הכתבות הבאות, הדנות בתוצרי פליטת מנועי השריפה, הטיפול בהם ובמחקרים והעבודות שעל הפרק בתחום זה, נכתבו בסיוע והתייעצות עם פרופסור ערן שר – ראש המחלקה להנדסת מכונות באוניברסיטת בן גוריון בנגב, והגב' חגית פרסיקו-קרקש, דוקטורנטית ביחידה להנדסה סביבתית באוניברסיטה זו. הגילוי הנאות הינו כי פרופ' ערן שר היה המרצה שלי לתרמודינמיקה ולמנועי שריפה פנימית בעת לימודיי במוסד הנגבי הזה, ועל כך, כמו גם על הסיוע, נתונה תודתי לשניהם.

כתבות נוספות בסדרה:
כתבה שלישית: הקשר היוני

ובמה עסקינן כעת? בכתבות הקודמות למדנו כי יצרני הרכב משקיעים משאבים ומאמצים רבים בפיתוח מכונית "נקיה", שתיתן מענה למחסור העתידי בנפט, מחד גיסא, ותמנענה זיהום אוויר, מאידך גיסא. הואיל והפתרונות ה"נקיים" הם, נכון לעכשיו, עתידיים ועתידניים, ועד שתפוצתם תהיה נרחבת נסבול עוד רבות מזיהום האוויר, יש צורך מובהק לטפל בתוצרי השריפה של המנועים הרגילים, ולנסות לנקותם מהחומרים המסוכנים שבהם.

גשם שחר
מהם בעצם תוצרי השריפה של המנועים הרגילים? ראינו כי בשריפה "נקייה" של פחמימן וחמצן, תוצרי השריפה הם אדי מים ופחמן דו חמצני. אך הואיל והשריפה אינה מושלמת ובדלק נמצאים חומרים נוספים, כמו גופרית ועופרת (כמשפר אוקטן) והאוויר מכיל בעיקר חנקן, נוצרים תוצרי שריפה רעילים, הכוללים תחמוצות חנקן לסוגיהן (NOX), פחמן חד חמצני (CO), הידרוקרבונים (HC), תחמוצות גופרית (SOX), חלקיקי פיח ועוד. על מנת להבין את משמעות הטיפול בכל אחד ממרכיבי הפליטה, נסקור תחילה את השפעותיהם על הסביבה ועל הבריאות.
צילום: מנהל
עד כמה שהדבר נשמע מופרך, שיעור כלל המזהמים הנפלטים לאטמוספירה הוא פחות מ-1%(!) מכלל הגזים הנפלטים ממנועי שריפה פנימית. שאר תוצרי השריפה אינם מזהמים. ברם-אולם, די בכמות זו להשפיע באופן הרסני על האקלים, על הצמחיה ועל בריאות האדם. מקובל לחלק את המזהמים לשתי קבוצות עיקריות: חלקיקים מוצקים וגזים. החלקיקים המוצקים מופיעים במספר גדלים – הגדולים ביותר הם חלקיקי פחמן, הנראים כפיח, הקטנים יותר נראים כעשן, וקטנים ביותר אינם נראים לעין, ובכך סכנתם הגדולה: הם נשאבים לתוך מערכת הנשימה שלנו ושוקעים בה – החלקיקים הגדולים יותר בסימפונות, אותם צינורות המסתעפים מקנה הנשימה לריאות, והקטנים מגיעים לתחתית הריאות. נקל להבין מה משמעות "התנחלות" זו בריאות.
הרוצח השקט
הפחמן החד חמצני (CO), מכונה גם "הרוצח השקט" – זהו הגז הגורם למקרי מוות רבים בחורף, עת חימום בגז נעשה ללא אוורור מספיק. הפחמן החד חמצני נקשר לכדוריות האדומות בדם ביעילות הגבוהה פי 300 לערך מיעילות החמצן, ומונע מהחמצן להיקשר אליהן. התוצאה – טשטוש, פגיעה במהירות התגובה ותחושת נמנום, עקב הגעת פחות חמצן למוח, אובדן הכרה, חנק ומוות. מובן שבלכתנו ברחוב, הסבירות שיקרה לנו משהו חמור יותר מכאב ראש הוא אפסי, שכן מיהול הגז חסר הריח והצבע הזה באוויר החופשי, מוריד את הסכנה. עם זה, חשוב לדעת כי באזורים עירוניים, 90% מפליטת הפחמן החד חמצני, מקורה בפליטת כלי רכב.
מחקרים בקרב עובדי כבישים בארה"ב (שוטרי תנועה, מטאטאי כבישים, עובדי תחזוקה), הראו כי סיכוייהם לחלות במחלות לב גבוהים משל יתר האוכלוסייה. פליטת הריכוזים הגדולים ביותר של CO מתרחשת כשהמנוע מותנע באוויר קר ובעת פעולתו בסל"ד סרק, כמו ברמזורים, צמתים ופקקי תנועה. בתנועה צפופה, במנהרות ובחניונים שאינם מאווררים כראוי, צפיפות הגז גבוהה יותר.

חימצון חונק
תחמוצות חנקן (NOX), הינן שם כולל לשלושה סוגי חנקנים חמצניים: NO, NO2, N2O. תחמוצות אלה נוצרות בטמפרטורות הגבוהות של השריפה במנוע. אמנם, חנקן חד חמצני, NO, אינו מזיק באופן יחסי, אך שילובו עם האוזון, הופכו לחנקן דו חמצני, המהווה סיכון בריאותי. הסיכון נעוץ בכך שהוא חומצי, ופוגע בדרכי הנשימה ע"י פציעתן. חנקן דו חמצני, בתוספת גופרית דו חמצנית, אף היא תוצר בעירה, מחריף תופעות של אסטמה וברונכיטיס. באופן מפתיע, ריכוזי החנקן הדו חמצני באויר עולים, ככל שיוצאים ממרכז העיר לחיק הטבע. הסיבה לכך היא שחמצון החנקן מתבצע, כאמור, בנוכחות האוזון, וריכוזו גבוה מחוץ לעיר...
עד כמה שיישמע הדבר מוזר, האוזון, המגן עלינו מפני הקרינה האולטרה-סגולה ההרסנית של השמש, כשהוא נמצא בשכבות הגבוהות של האטמוספירה, מהווה זיהום הרסני בקירבתו לקרקע, בשל יכולת החימצון הגבוהה שלו, ההורסת יבולים, וגורמת להפרעות בדרכי הנשימה ובעיות בעיניים.

אוהד שרוף, אך לא מספיק...
אחד מתוצרי השריפה הוא הפחמימן HC – הידרוקרבון. הוא מייצג את כל הפחמימנים שלא עברו תהליך שריפה שלם, או שלא עברו תהליך שריפה כלל. פליטה הנובעת מאי השתתפות בשריפה נגרמת דרך מכסה מיכל הדלק, מנשמי מערכת השמן ומערכת השסתומים, מסעפת היניקה של המנוע ודרך טבעות האטימה (רינגים) של מנוע בו מתפתחת זליגת לחץ. הפחמימן נוצר גם כתוצאה מבעירה לא שלמה של תערובת עשירה או ענייה מדי, בעירה לא שווה בתוך הצילינדר כתוצאה מאי מתן זמן מספיק לדלק להתערבב עם האוויר – אופייני למערכות הזרקת דלק, כשמערכת הזרקה ישירה היא הגרועה ביותר מבחינה זו. בעירה לא מושלמת מתרחשת גם כתוצאה מתהליך הצתה לקוי.
הטיפול בפליטות המנועים מתחלק לשניים: טיפול בגזים ו"השבחתם", וניסיון להקטין את פליטת המזהמים.
צילום: מנהל
פלטינום זה לא רק קפה
על מנת "להשביח" את גזי הפליטה ולהביאם למצב של גזים פחות רעילים, כמו אדי מים ו-CO2 – שעל אף השפעותיו על אפקט החממה העולמי הוא אינו רעיל כמו התוצרים האחרים – משתמשים בתהליך כימי המתבצע בנוכחות זרז – קטליזטור, בקופסת פלאים המותקנת על צינור המפלט של הרכב – הממיר הקטליטי. בתהליך, המתבצע בטמפרטורה של כ-C2000, מוזרמים גזי הפליטה על גבי משטח קרמי, דרך מערך כדוריות או דרך כוורת, שעל פניהם מודבקת אבקה של חומר אציל: חומר שאינו משתתף בתהליך אך מזרזו. החומרים בהם נהוג להשתמש הם פלטינום, רודיום ופלדיום (לא הנעליים...). מתכות אצילות אלה גורמות לגזי הפליטה הרעים להתחמצן או להתרכב זה עם זה, וליצור אדי מים, CO2, חנקן נקי וחמצן נקי.
קיימים מספר סוגים של ממירים קטליטיים: ממיר פשוט מבצע רק פעולה אחת – הוא מטפל רק ב-CO וב-HC, וגורם להם ליצור אדי מים ו-CO2. ממיר אחר יודע להמיר תחמוצות חנקן לחמצן וחנקן נקיים. ממיר דו שלבי, יודע לעשות כבר את העבודה על כל הגזים והוא כבר משלב משאבת אויר לתוספת חמצן לתהליך. ממיר תלת-שלבי, חייב לפעול כבר עם חיישן חמצן, המחובר למערכת ניהול המנוע, לצורך הזרקת תערובת מדויקת יותר ביחס אויר-דלק. בממיר כזה, יחס תערובת שאינו קרוב ליחס האופטימלי, עלול לגרום לירידה דרסטית ביעילותו. מהאמור לעיל ניתן להבין כי הממיר הקטליטי התלת-שלבי מתאים בעיקר למנועי בנזין, בהם יחס התערובת קרוב מאד ליחס הרצוי (הסטויכיומטרי – זוכרים?) ולא למנועי דיזל, בהם יחס התערובת קטן יותר, ולכן יש נוכחות גבוהה יותר של חמצן בגזי הפליטה, נוכחות שאינה מאפשרת, בטכנולוגיה הקיימת כיום, את הטיפול בתחמוצות החנקן. מסיבה זו מותקנים ברכב נוסעים מונע דיזל רק ממירים המטפלים ב-CO וב-HC.
הילכו שניים (עופרת ופלטינה) יחדיו?
המבנה הפנימי של הממירים כולל, כאמור, כדוריות מצופות מתכת אצילה או "חלת דבש" המצופה במתכת הזו. המגע הישיר בין המתכת לגזים הוא תנאי הכרחי לזירוז תהליך המרת הגזים. כאשר משתמשים בדלק המכיל עופרת, שבעבר הוכנסה לדלק לשם שיפור מספר האוקטן שלו, העופרת הכבדה, שאינה נשרפת בתהליך במנוע, ואינה נשארת כמשקע על תושבות השסתומים, נערמת על משטח הממיר, ויוצרת הפרדה בין הזרז לגזים. בכך נפסקת, למעשה, פעולת הממיר. כאשר הממיר בנוי מכדוריות מצופות, ניתן להחליף את המילוי בכדוריות חדשות. במבנה "חלת הדבש", לא יהיה מנוס מהחלפת הממיר כולו בחדש. אלא שהבעיה היא כי אין אנו יודעים מתי הממיר מפסיק לתפקד ומדוע.
דיאגנוזה ופרוגנוזה
הבעיות המאפיינות תקלות בממיר הן סתימות, התכה של חומרי הממיר עקב טמפרטורות גבוהות מדי או שבר מכני, בעיקר באלה הכוללים משטחים קרמיים, הרגישים לחבטות בתחתית המרכב, עקב עליה על מדרכות, אבנים וכד'. התכה של חומרי הממיר נובעת, בדרך כלל, מהגעה של תערובת בלתי שרופה לתוך מערכת הפליטה, עקב מערכת הצתה שאינה מכוונת, מצת או שסתום פגומים או תערובת עשירה מדי. התערובת הבלתי שרופה ניצתת בתוך הממיר, בשל הטמפרטורה הגבוהה בו, ומעלה אותה עוד.
סיבה נוספת עלולה להיות אי תפקוד של חישני החמצן או הטמפרטורה שבממיר, המספקים מידע שגוי או כלל אינם מתפקדים, וגורמים למחשב ניהול המנוע לנהלו באורח שגוי. גם תרמוסטט "תקוע" במנוע, שמונע מהמנוע להגיע לטמפרטורת העבודה שלו, עלול לגרום לטמפרטורה נמוכה מדי בממיר, שתוצאתה תערובת עשירה מדי. כמובן, גם מנוע עם צריכת שמן גבוהה, אם בגלל שחיקה של מובילי השסתומים, של טבעות הבוכנה ואם בשל בוכנה שחוקה, יגרום לשמן להגיע לממיר ולצפות את החומר האציל במעטה מבודד.
צילום: מנהל
אחת הדרכים לאבחון תקלות בממיר היא להסירו ולבדוק שינויים בביצועי המנוע. כאשר הממיר נסתם, אם בשל עופרת ואם בשל מזהמים אחרים (חלקיקי פיח וכד'), ביצועי המנוע יורדים עקב עליית לחץ הפליטה, המקרין לאחור על תהליך השריפה. הנהג ירגיש זאת ע"י אי תוספת כוח עם לחיצה נוספת על דוושת התאוצה. בדיקת פליטת CO ו-HC, המבוצעת כיום במהלך מבחן הרישוי השנתי (הטסט), תגלה אף היא תקלות בתפקוד הממיר. עקרונית, הממיר מתוכנן לתפקד במהלך כל חיי המכונית, הואיל והמתכת האצילה אינה משתתפת בתהליך, ולפיכך אינה נגמרת. כאשר מקפידים על תדלוק בדלק נטול עופרת בלבד, וממעיטים בשימוש בתוספי ומשפרי דלק למיניהם, כמו גם טיפול מיידי בכל התקלות שנזכרו לעיל, מובטח תפקוד הממיר לאורך חיי הרכב. אך הואיל ויצרני הרכב מודעים לכך שלא ניתן, ככל הנראה, לשמור על כל הכללים לאורך זמן, הם ממליצים (לצורך כסת"ח), להחליף את הממיר כל 80 עד 100 אלף ק"מ.
בעיות תפקוד?
בעיות התפקוד העיקריות בממיר נובעות מדרישות הטמפרטורה שלו: על מנת לבצע את התהליך, נדרשת טמפרטורה מזערית של 170 צלסיוס לפחות. אלא שבעת התנעת מנוע קר, שדווקא אז אחוז פליטת ה-CO גבוה במיוחד, הממיר אינו יעיל שכן הגזים לא חיממו אותו עדיין לטמפרטורה הרצויה. קירוב הממיר למנוע יקצר את זמן חימומו, הואיל והגזים מתקררים ככל שהם מתרחקים מהמנוע, אך מצד שני, אסור לטמפרטורת התהליך לעלות ל-C3500, שכן אז ייווצרו סולפטים (גופריתנים), שאינם רצויים. רוב יצרני הרכב ממקמים את הממיר מתחת למושבים הקדמיים, כך שמושגת פשרה מסוימת. שיטה נוספת להגדלת יעילות הממיר בהתנעה, היא חימומו על ידי שימוש בתיילי להט המחוממים חשמלית. אלא שמערכת החשמל ברכב היום, בת 12V, אינה מספיקה לייצר חום מספיק בזמן קצר. אף לא נהג אחד ירצה לשבת ולהמתין דקה ויותר להתחממות הממיר בטרם התנעה. במכוניות היברידיות, המצוידות במצבר חזק וגדול, ניתן לבצע התהליך כבר היום.