بخشی از مقاله
چکیده
با رشد روزافزون جمعیت میزان آلایندههای جوی بیش از پیش افزایش یافته است. در بین فعالیتهای انسانی، وسایل نقلیه بیشترین سهم را در آلودگی جو دارند. در این پژوهش به بررسی اثر نسبتهای مختلف سوخت بیواتانول با بنزین - صفر، 5 ، 10، 15 ، 20 و 25 درصد - در دورهای مختلف موتور 1000 - ، 2000 و 3000 دور بر دقیقه - بر میزان آلایندهها، ذرات معلق و مصرف سوخت در موتور بنزینی پراید با سامانه سوخت رسانی زیمنس پرداخته شد. نتایج نشان داد نتایج نشان داد با افزودن %25 بیواتانول به سوخت مصرفی میانگین آلایندهی UHC کاهشی به میزان %104/53 از ppm 55/22 به 27 ppm؛ CO2 کاهشی به میزان %3/45 از %12/51 به %12/1؛ CO کاهشی به میزان %34/57 از %0/081 به %0/060؛ NOX افزایشی به میزان %163/41 از 241/44 ppm به 636 ppm؛ مصرف سوخت افزایشی به میزان %15/75 از 0/43 ml/s به ml/s 0/50؛ تعداد ذرات معلق ریز کاهشی به میزان %41/42 از 337015 به 238307 و تعداد ذرات معلق درشت کاهشی به میزان %96/09 از 4009 به 2044 داشت. همچنین افزایش دور موتور باعث افزایش CO2، NOX، ذرات معلق و مصرف سوخت و کاهش آلایندههای UHC و CO شد. افزودن بیواتانول به دلیل داشتن اکسیژن اضافی در ساختار شیمیایی خود باعث احتراق کامل میشود. تأثیر بیواتانول در افزایش مصرف سوخت به واسطهی کاهش ارزش حرارتی و افزایش چگالی سوخت است. با توجه به کاهش چشمگیر ذرات معلق و آلایندههای UHC و CO استفاده از ترکیب سوختی بیواتانول-بنزین با درصدهای مختلف، روشی مناسب برای کاهش آلایندهها است. هرچند در این روش میزان مصرف سوخت کمی افزایش مییابد اما در مقابل، آلایندههای UHC و CO و همچنین ذرات معلق کاهش مییابند، بعلاوه بیواتانول از منابع تجدیدپذیر تولید میشود بنابراین استفاده از بیواتانول به جای MTBE از لحاظ اقتصادی به صرفه است.
واژه های کلیدی
آلودگی هوا، بیواتانول، ذرات معلق، مصرف سوخت، موتور بنزینی
مقدمه
آلایندههای خروجی از موتورهای احتراقی در آلودگی هوا سهم به سزایی دارند بهطوریکه در کشورهای پیشرفته به یکی از مهمترین مشکلات تبدیل شده است .[1] مصرف بیش از اندازه سوختهای فسیلی اثرات زیانباری بر محیط زیست وارد نموده است که میتوان به اثر گلخانهای، بارانهای اسیدی، سوراخ شدن لایه اوزون و تغییرات آب و هوایی اشاره کرد .[2] در نتیجه احتراق سوخت در موتورهای اشتعال جرقهای چهار آلایندهی اصلی شامل مونو اکسید کربن - CO - ، دی اکسید کربن - CO2 - ، هیدروکربنهای نسوخته - UHC - و اکسیدهای نیتروژن - NOX - و همچنین ذرات معلق تولید میشود. بیشترین سهم تولید ذرات معلق در بین موتورهای احتراق داخلی به موتورهای اشتعال تراکمی تعلق دارد. هرچند موتورهای اشتعال جرقهای تعداد ذرات معلق کمتری تولید میکنند اما به دلیل تعداد زیاد وسایل نقلیه دارای این نوع موتورها در مناطق شهری، ذرات تولید شده آنها هم سهم زیادی در آلودگی هوا و به خطر انداختن سلامت انسانها دارد. به طور کلی، ذرات معلق موجود در محیط براساس اندازهی تجمعی ذرات به دستههای زیر تقسیمبندی میشوند: ذرات صدری1 ، ذرات با قطر آیرودینامیکی کمتر از 10 میکرون - PM10 - ؛ ذرات ریز2، ذرات با قطر آیرودینامیکی کمتر از 2/5 میکرون - PM2.5 - ؛ ذرات درشت3، ذرات با قطر بین 2/5 تا 10 میکرون - PM2.5-10 - و ذرات خیلی ریز 4، ذرات با قطر آیرودینامیکی کمتر از 0/1 میکرون .[3] ذرات معلق به دلیل اندازه ریزشان به درون سیستم تنفسی و ریه نفوذ میکنند و به بروز بیماریهای قلبی و تنفسی نظیر حملات آسم و سرطان ریه میانجامند. آزمایشها نشان داده است که اثر ذرات ریز خیلی خطرناکتر از اثر ذرات درشت است .[4]
موتورهای احتراق داخلی سهم زیادی در تولید ذرات معلق مناطق شهری دارند. این ذرات به دلیل احتراق ناقص در موتورهای احتراق داخلی به وجود میآیند. بسیاری از ذرات در طول فرایند احتراق اکسایش مییابند درحالیکه مقادیر باقیمانده به صورت ذرات متراکم شده خارج میشوند. این ذرات ترکیبات پیچیده و متراکمی هستند که دوده نامیده میشوند و بیشتر شامل ذرات آلی فرارند. ماهیت شیمیایی ذرات به ترکیب سوختها و شرایط احتراق وابسته است. ذرات موتورهای دیزل به طور عمده، ذرات اولیه کربنی متراکم1 شدهاند که بر روی مواد آلی فرار جذب شدهاند. درحالیکه ذرات بنزینی از مواد آلی تشکیل شدهاند .[5] تشکیل ذرات معلق در موتور بنزینی بیشتر به شرایط کاری وابسته است .[6]
جرم ذرات معلق تولیدی موتورهای دیزل بیش از آنِ موتورهای بنزینی است به همین دلیل قوانین و مقررات زیست محیطی بر کاهش ذرات موتورهای دیزل تأکید میکند .[7] اندازه ی متوسط ذرات انتشار یافته از موتورهای بنزینی در شرایط یکسان نسبت به ذرات معلق موتورهای دیزلی کوچکتر است .[8] به طوریکه توزیع اندازهی تعداد2 ذرات موتور بنزینی در مقایسه با موتور دیزلی مشابه نشان میدهد که موتور بنزینی تعداد ذرات با اندازهی کوچکتر بیشتری تولید میکند .[6] با در نظر گرفتن حاصلضرب تعداد ذرات معلق تولیدی موتورهای بنزینی در تعداد وسایل نقلیه موجود در مناطق شهری، وسایل نقلیه بنزینی منبع اصلی ذرات معلق به ویژه ذرات ریز در مناطق پرجمعیت شهری هستند. بنابر گزارشات سازمان جهانی بهداشت اثر ذرات ریز و خیلی ریز بسیار خطرناکتر از اثر ذرات درشت است [4]اخیراً. کمیسیون اروپا به تعداد-جرم ذرات3 آلاینده موتورهای بنزینی توجه خاصی کرده است بهطوریکه قوانینی در مورد حد مجاز تعداد ذرات انتشار یافته از موتورهای بنزینی تصویب شده است. این کمیسیون برای موتورهای بنزینی پاشش مستقیم که بعد از سپتامبر 2017 تولید میشوند حد 6×1011 ذره بر کیلومتر و برای موتورهای دارای معیار یورو 6 در سپتامر 2014 حد 6×1012 ذره بر کیلومتر را معرفی کرده است .[7]
منابع انرژی مورد استفاده در جهان در حال حاضر بیشتر از سوختهای فسیلی به دست میآید .[9] بهطوریکه در سالهای اخیر دلایلی چون افزایش ناگهانی در استفاده از انرژی، کمبود ذخایر نفت خام، افزایش در قیمت نفت خام و آلودگیهای هوا و محیط، ناشی از حمل و نقل باعث گرایش به سوختهای جایگزین به ویژه سوختهای الکلی شده است .[11-10] به علاوه در حال حاضر استفاده از MTBE - متیل ترشیاری بوتیل اتر - به عنوان ماده افزودنی به بنزین بدون سرب، آبهای زیر زمینی را آلوده میکند و سلامت انسان را تهدید مینماید .[12] در بین انواع مختلف الکل، اتانول به عنوان مناسبترین سوخت برای موتورهای اشتعال جرقهای شناخته شده است .[10] اتانول از منابع تجدید پذیر نظیر نیشکر، ذرت، جو و بسیاری از مواد زائد کشاورزی تهیه میشود .[13] اتانول دارای مزایایی همچون خواص ضد کوبش مطلوب به سبب عدد اکتان بالاتر، بازده حرارتی و توان خروجی موتور بهتر، سرعت بیشتر شعله احتراق، آلایندههای CO و UHC کمتر نسبت به بنزین است 14]، 10، .[12 اتانول به دو صورت خالص یا در ترکیب با بنزین در موتورهای اشتعال جرقهای استفاده میشود. استفاده از اتانول خالص در موتور مستلزم برخی تغییرات در طراحی موتور و سیستم سوخت رسانی است درحالیکه ترکیبات آن با بنزین هیچ نیازی به تغییر در طراحی موتور ندارد .[10] در حال حاضر در بسیاری از کشورها اتانول به عنوان جایگزین تمام یا بخشی از بنزین استفاده میشود .[15]
کوچ4 و همکارانش [1] سوخت موتور بنزینی تک سیلندر را با ترکیبی از بنزین بدون سرب و بیواتانول جایگزین کردند و تأثیر آن را بر عملکرد و آلایندههای موتور مورد بررسی قرار دادند. در این تحقیق سرعت دورانی موتور از 1500 تا 5000 دور بر دقیقه افزایش یافت. نتایج نشان داد که جایگزینی سوخت جدید باعث افزایش گشتاور موتور، توان و مصرف سوخت و کاهش آلایندههای CO، NOX و UHC میگردد. سرینیواسان و ساراوانان[16] 5 به مطالعهی مشخصههای احتراقی موتور اشتعال جرقهای تغذیه شده با ترکیبات بیواتانول و سوختهای اکسیژندار پرداختند. نتایج نشان داد ترکیبات سوختی منجر به افزایش ملایم UHC و O2 شد. آلایندههای CO2 و NOX به طور محسوسی کاهش یافتند. آلایندهی CO کاهش اندکی داشت. نتایج آزمایشات روی یک موتور دیزلی 4 سیلندر پاشش مستقیم با نسبت تراکم 19 که با نسبتهای 6/1، 12/2، 18/2 و 24/2 درصد بیواتانول در دو دور موتور 1800 و 2400 دور بر دقیقه کار میکرد نشان داد در هر دو دور موتور با افزودن مقدار اتانول در ترکیب سوخت میزان ذرات معلق چه از نظر اندازه و چه از نظر جرم کاهش یافت. همچنین تعداد و جرم ذرات در سرعت 2400 دور بر دقیقه بیشتر از 1800 دور بر دقیقه بود .[17] در تحقیقی اثر بخاردهی6 اتانول بر گازهای آلاینده و ذرات معلق بر یک موتور 4 سیلندر - Ford 2701C - بررسی شد. نتایج نشان داد با افزودن اتانول بخارشده به منیفولد ورودی، میزان آلایندهی NOX و PM2.5 کاهش مییابد درحالیکه تعداد ذرات معلق و آلایندههای UHC و CO افزایش مییابد. افزودن اتانول بخار شده در هوای ورودی میزان هوای وردی را کاهش میدهد به همین علت میزان آلایندههای UHC و CO افزایش مییابد درحالیکه NOX کاهش مییابد .[18] در تحقیقی به بررسی ذرات معلق انتشار یافته از یک موتور دیزلی تک سیلندر پرداخته شد که با سوختهای دیزل، بیودیزل و ترکیبهای بیودیزل و اتانول کار میکرد. نتایج نشان داد با استفاده از بیودیزل میزان ذرات معلق کاهش یافت و همچنین میزانِ کاهش ذرات، هنگام استفاده از ترکیب بیودیزل با 20 درصد اتانول بیشتر بود .[19] اثر پورخوران گازهای خروجی یک موتور بنزینی پاشش مستقیم در سه سرعت و 4 بار موتور بر تعداد ذرات معلق در مقیاس نانو بررسی شد. نتایج نشان از کاهش شمار ذرات معلق در بارهای کم و افزایش شمار ذرات معلق در بارهای زیاد داشت .[20]
همانطور که گفته شد آلودگی هوا و ذرات معلق تأثیرات زیان باری بر سلامتی انسان و محیط زیست دارد. در سال های اخیر افزایش جمعیت و صنعتی شدن کشورها در مصرف بیش از پیش سوختهای فسیلی بسیار تأثیرگذار بوده است. از طرفی کمبود سوختهای فسیلی و از طرف دیگر آلودگی هوا باعث شده است محققان به فکر جایگزین نمودن سوختهای فسیلی با سوختهای تجدید پذیر از جمله بیواتانول باشند. با توجه به اینکه در کشورهای زیادی به دلیل مشکلات زیست محیطی، MTBE به عنوان افزودنی به بنزین ممنوع شده است اما هنوز در ایران از این ماده استفاده میشود. سوخت بیواتانول دارای منشأ گیاهی است و آلایندههای کمتری هم تولید میکند بنابراین به راحتی میتواند جایگزین MTBE شود. هرچند بیشترین سهم تولید ذرات معلق به موتورهای احتراق تراکمی تعلق دارد اما موتورهای اشتعال جرقهای به ویژه خودرو پراید دارای بیشترین سهم در حمل و نقل شهری کشور هستند و لذا دارای میزان ذرات معلق قابل توجهی خواهند بود، پس بررسی ذرات معلق آنها ضروری به نظر میرسد. تاکنون تحقیقی در زمینه تأثیر بیواتانول بر ذرات معلق موتور پراید انجام نشده است. بنابراین در این تحقیق به بررسی تأثیر بیواتانول بر ذرات معلق تولیدی موتور پراید به همراه آلایندگی و مصرف سوخت پرداخته شده است.
مواد و روشها
این پژوهش در آزمایشگاه آلایندگی و کاربرد سوختهای زیستی گروه مکانیک بیوسیستم دانشگاه رازی کرمانشاه در مرداد ماه 1393 انجام گرفت. برای انجام آزمایشها از یک موتور بنزینی مدل M13NI - موتور پراید - با سامانه سوخت رسانی زیمنس با مشخصات فنی نوشته شده در جدول 1 استفاده شد.
جدول :1 مشخصات موتور بررسی شده [23]
برای آنالیز گازهای خروجی موتور از دستگاه تست پنج گاز آیرکس1 مدل HG-550 ساخت کشور کره استفاده شد. مشخصات فنی دستگاه در جدول 2 آمده است.
جدول2 مشخصات فنی آلاسنج آیرکس
برای اندازهگیری ذرات معلق از دستگاه پارتیکل کانتر2 محصول شرکت LIGHTHOUSE مدل 3016-IAQ ساخت کشور آمریکا استفاده شد - شکل - 1-4 که تعداد ذرات را با قطرهای 0/3، 0/5، 1، 3، 5 و 10 میکرون اندازهگیری میکند. دستگاه با مکش ذرات معلق تعداد آنها را در مدت زمان و حجم خاصی اندازه میگیرد. دستگاه به فاصله 50سانتی متری از خروجی اگزوز و دقیقاً در راستای آن قرار گرفت. تعداد ذرات در مدت زمان 30 ثانیه و در حجم 2 لیتر از گاز اگزوز مکیده شده، اندازهگیری شد. در تحلیل، ذرات به دو دستهی ذرات ریز - مجموع ذرات با قطر 0/3، 0/5 و 1 میکرون - و درشت - مجموع ذرات با قطر 3، 5 و 10 میکرون - تقسیم شدند. برای تهیه سوختهای مورد آزمایش، بنزین پایه - مخلوط پلت فرمیت و بنزین سبک - از پالایشگاه نفت کرمانشاه و بیواتانول مطلق با درجه خلوص 99/6 درصد از شرکت جهان طب الکل اراک تهیه شد. با ترکیب بیواتانول و بنزین پایه، سوختهایی با نسبتهای صفر، 5، 10، 15، 20 و 25 درصد بیواتانول تهیه و در ظروف مشخص نگهداری شد. قبل از انجام آزمایشهای مربوط به هر نوع سوخت، مخزن سوخت 4 لیتری موتور به طور کامل تخلیه و پس از حصول اطمینان از خالی شدن، با سوخت بعدی پر میشد. شمای کلی وسایل آزمایش در شکل 1 نشان داده شده است.
