بخشی از مقاله
چکیده
با رشد روزافزون وسایل نقلیه میزان آلایندههای جوی بیش از پیش افزایش یافته است. آلودگی هوا به بروز بیماریهای قلبی و ریوی میانجامد. بارانهای اسیدی، وارونگی جوی و اثر گلخانهای از مهمترین آسیبهای آلودگی هوا بر محیط زیست است. هدف از این پژوهش، بررسی تأثیر هوای ورودی غنی از اکسیژن 20/8 - ، 21/8، 22/8، 23/8 و 24/8درصد - در دورهای مختلف موتور 1000 - ، 2000 و 3000 دور بر دقیقه - بر آلایندهها، ذرات معلق و مصرف سوخت در موتور بنزینی M13NI - موتور پراید - بود.
نتایج نشان داد با افزودن %5 اکسیژن به هوای ورودی - رساندن هوای با %20/8 اکسیژن به هوای با %24/8 اکسیژن - میانگین آلایندهی UHC کاهشی به میزان %126/75 از 61/22 ppm به 27 ppm؛ CO2 افزایشی به میزان %5/36 از %12/45 به %13/12؛ CO کاهشی به میزان %11/25 از %0/070 به %0/063؛ NOX افزایشی به میزان %113/27 از ppm 307/33 به 655/44 ppm؛ مصرف سوخت کاهشی به میزان %17/02 از 0/41 ml/s به 0/35 ml/s؛ تعداد ذرات معلق ریز کاهشی به میزان %77/37 از 292888 به 165129 و تعداد ذرات معلق درشت کاهشی به میزان %243/25 از 2886 به 841 داشت. تأثیر اکسیژن بیشتر بر کاهش UHC و CO و افزایش CO2 و NOX به دلیلاحتراق کامل مخلوط و افزایشِ دماست که منجر به اکسید شدن هرچه بیشترِ UHC و تبدیل CO به CO2 میشود.
اکسیژن اضافی به افزایش نسبت هوا به سوخت میانجامد که کاهش مصرف سوخت را در پی دارد. با افزایش غلظت اکسیژن در هوای ورودی از میزان ذرات به دلیل اکسایش بهتر دوده کاسته میشود. با توجه به کاهش چشمگیر ذرات معلق و آلایندههای UHC و CO و همچنین مصرف سوخت استفاده از هوای ورودی غنی از اکسیژن به عنوان روشی مناسب برای کاهش آلایندههای خروجی از خودرو پراید و مصرف سوخت آن است.
مقدمه
امروزه یکی از مهمترین مشکلات کشورهای پیشرفته، افزایش آلودگی هوا است. آلایندههای خروجی از موتورهای وسایل نقلیه سهم مهمی در آلودگی هوا دارد .[1] عبور و مرور وسایل نقلیه سهم عمدهای هم در انتشار گازها و ذرات منتشر شده و هم در انتشار گونههای سمی مانند بنزن و هیدروکربنهای آروماتیک چند حلقهای و فلزات دارند .[2] استفاده مفرط از سوختهای فسیلی منجر به اثرات زیست محیطی مثل اثر گلخانهای، باران اسیدی، سوراخ شدن لایه اوزون، تغییرات آب و هوایی و ... شده است .[3]
چهار آلایندهی اصلی خروجی از موتورهای اشتعال جرقهای شامل مونو اکسید کربن - CO - ، دی اکسید کربن - CO2 - ، هیدروکربنهای نسوخته - UHC - و اکسیدهای نیتروژن - NOX - هستند. 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 5،2 میکرون - PM2.5 - ؛ ذرات درشت3، ذرات با قطر بین 2/5تا 10 میکرون - PM10-2.5 - و ذرات خیلی ریز4، ذرات با قطر آیرودینامیکی کمتر از 0/1 میکرون .[4] ذرات معلق به درون مجموعهی تنفسی و ریه نفوذ میکنند و منجر به بروز بیماریهای قلبی و تنفسی نظیر حملات آسم و سرطان ریه میشود.
تقریباً 3 درصد از مرگ و میرهای ناشی بیماریهای قلبی و 5 درصد مرگ و میرهای ناشی از سرطان ریه در کل جهان به ذرات معلق نسبت داده شده است.[5] 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 باقی مانده 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 متراکم5 شدهاند که بر روی مواد آلی فرار جذب شدهاند. درحالیکه ذرات بنزینی از مواد آلی تشکیل شدهاند .[6] تشکیل ذرات معلق در موتور بنزینی بیشتر به شرایط کاری وابسته است . 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 .[8] اندازهی متوسط ذرات انتشار یافته از موتورهای بنزینی در شرایط یکسان نسبت به ذرات معلق موتورهای دیزلی کوچکتر است .[2]
به طوریکه توزیع اندازهی تعداد 1 ذرات موتور بنزینی در مقایسه با موتور دیزلی مشابه نشان میدهد که موتور بنزینی تعداد ذرات با اندازهی کوچکتر بیشتری تولید میکند .[7] 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 گزارشهای سازمان جهانی بهداشت، اثر ذرات ریز و خیلی ریز بسیار خطرناکتر از اثر ذرات درشت است [5]
اخیراً. کمیسیون اروپا به تعداد-جرم ذرات2 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 .[8] در فرایند احتراق موتور، انرژی گرمایی کامل تنها زمانی به دست میآید که تمام سوخت سوزانده شود
تأمین سوخت کافی برای انجام فرایند احتراق در اتاقک احتراق آسان است ولی تأمین اکسیژن کافی برای سوزاندن همه سوخت دشوار به نظر میرسد. به همین دلیل عامل اصلی در تعیین قدرت یک موتور، میزان اکسیژن موجود در اتاقک احتراق است نه میزان سوخت. بنابراین، پژوهش در زمینه به کارگیری روشی که به افزایش اکسیژن در هوای مصرفی بیانجامد بهطوریکه نیاز به حداقل اکسیژن لازم را برای احتراق کامل سوخت بدون نیاز به تغیرات کمی و کیفی در مجرای دود برآورده سازد، امری ضروری است .[9] احتراق با هوای ورودی غنی از اکسیژن یکی از روشهای مؤثر در کاهش آلایندههای خروجی از موتورهای احتراق داخلی است.
در این روش هوای ورودی دارای غلظت اکسیژن بیشتر و در نتیجه حجم نیتروژن کمتر است. از مزایای احتراق با هوای ورودی غنی از اکسیژن میتوان به قدرت تولیدی بیشتر، کاهش اثرات زیست محیطی از جمله کاهش ذرات، انتشار کمتر مونو اکسید کربن و هیدروکربنهای نسوخته، انتشار کمتر آلایندهها در شرایط راهاندازی سرد و همچنین بهبود بازده و توان موتور اشاره کرد 10]، .[11 استفاده از هوای ورودی غنی از اکسیژن بازده گرمایی بالاتری را فراهم میکند، با این کار سوخت کمتری برای به دست آوردن همان مقدار انرژی مصرف میشود .[10]
پولا3 و سکار[12] 4 تأثیر هوای ورودی غنی از اکسیژن را بر عملکرد و آلایندههای خروجی در موتور دیزل یک لوکوموتیو تحقیقاتی بررسی کردند. نتایج نشان داد هنگامیکه غلظت اکسیژن در هوای ورودی، نرخ سوخترسانی و زمان پاشش بهینه باشد میزان آلایندهی NOX و ذرات معلق همزمان با افزایش درصد اکسیژن کاهش یافت. نتایج نشان داد که ذرات معلق تقریباً 60 درصد و NOX، 15 تا 20 درصد کاهش یافت. در پژوهشی پرز5 و بوهمن6 [13] اثر هوای ورودی غنی از اکسیژن را بر عملکرد موتور بررسی کردند.
نتایج نشان داد که افزایش اکسیژن در هوای ورودی، مصرف ویژه سوخت ترمزی را تا 40 درصد به دلیل افزایش بازده تبدیل سوخت کاهش داد. تأثیر هوای ورودی غنی از اکسیژن بر عملکرد و آلایندگی موتور دیزل با روغن کلزا بررسی شد. نتایج نشان داد با افزایش اکسیژن در هوای ورودی، تأخیر در اشتعال و مدت زمان لازم برای پیشآمیختگی مخلوط کاهش یافت درحالیکه فشار و دمای اوج درون سیلندر افزایش یافت. با افزایش نرخ اکسیژن، ذرات معلق، CO و UHC به طور معنیدار کاهش یافت درحالیکه آلایندهی NOX افزایش یافت .[14]
در تحقیقی تأثیر هوای ورودی غنی از اکسیژن و امولسیون آب و سوخت دیزل بر عملکرد و آلایندگی موتور دیزل مجهز به توربوشارژر بررسی شد. نتایج نشان داد که با به کارگیری هوای ورودی غنی از اکسیژن شاهد کاهش مصرف سوخت ویژه ترمزی، تأخیر در اشتعال کوتاهتر و فشار درون سیلندر بیشتر هستیم درحالیکه افزودن آب به سوخت اثر معکوس دارد.
اثر همزمان اکسیژن بیشتر در هوای ورودی و آب به سوخت حاکی از کاهش آلایندهی NOX و ذرات معلق است .[15] لی7 و همکاران [9] در بررسی اثرات احتراق هوای غنی از اکسیژن بر روی یک موتور بنزینی کوچک با سامانه سوخترسانی کاربراتوری دریافتند که با افزایش اکسیژن در هوای ورودی دمای احتراق و فشار داخل سیلندر افزایش مییابد. نتایج همچنین نشان داد هوای دارای %24 اکسیژن در حدود %15 فشار داخل سیلندر را افزایش میدهد. در پژوهشی احتراق با اکسیژن بیشتر در شرایط راهاندازی سرد موتور اشتعال جرقهای کاربراتوری بررسی شد. نتایج نشان داد با افزایش غلظت اکسیژن در هوای ورودی، آلایندههای CO و HC کاهش ولی آلایندهی NOX افزایش یافت .[11] در پژوهشی اثر هوای غنی شده با اکسیژن بر عملکرد و آلایندههای خروجی از یک موتور چهار زمانه اشتعال جرقهای با سامانه سوخترسانی پاشش چند نقطهای8 بررسی شد. اکسیژن با جریانهای جرمی مختلف 5 - ، 10 و 15 لیتر بر دقیقه - با هوای ورودی ترکیب شد.
سرعتهای مختلف 1000، 1500 و 2000 دور بر دقیقه در بارهای مختلف 20، 40، 60 و 80 نیوتون متر به کار گرفته شد. نتایج نشان داد مصرف سوخت ویژه ترمزی تا %15 کاهش یافت و آلایندههای CO و HC حدود %30-20 کاهش یافت اما آلایندهی NOX و CO2 افزایش یافت .[16]پ
درتحقیقات دیگری هم به بررسی تأثیر هوای ورودی غنی از اکسیژن بر ذرات معلق در موتور دیزل پرداخته شده است نتایج نشان داد با افزایش اکسیژن در هوای ورودی، ذرات معلق کاهش مییابد .[20-17] اثر پرخورانی گازهای خروجی بر تعداد ذرات معلق در مقیاس نانو یک موتور بنزینی پاشش مستقیم در 3 سرعت و 4 بار موتور بررسی شد. نتایج نشان از کاهش شمار ذرات معلق در بارهای کم و افزایش شمار ذرات معلق در بارهای زیاد داشت .[21] ژائو1 و همکاران [22] به بررسی اثر نسبتهای مختلف هیدروژن %2 - ، %5 و - %10 بر ذرات معلق و عملکرد احتراق در یک موتور احتراق جرقهای پاشش مستقیم پرداختند. نتایج نشان داد با افزایش درصد هیدروژن، پایداری و سرعت فرایند احتراق افزایش مییابد. ذرات در حالت برخه بار کاهش یافتند به طوریکه با %10 هیدروژن، کاهشی بیش از %95 در تعداد یا جرم ذرات مشاهده میشود.
همانطور که گفته شد آلودگی هوا و ذرات معلق تأثیرات زیانباری بر انسان و محیط زیست دارد. از این رو، کاهش مصرف سوختهای فسیلی و به تبع آن کاهش آلایندههای خروجی از موتورهای احتراق داخلی امری ضروری است. 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.
از طرفی، افزایش غلظت اکسیژن موجود در هوای ورودی موتور با افزایش نسبت هوا به سوخت میزان سوخت کمتری برای دستیابی به همان توان را میطلبد در نتیجه این روش در کاهش مصرف سوخت مؤثر است. علاوه بر این با احتراق کامل مخلوط هوا و سوخت بر کاهش آلایندههای خروجی و ذرات معلق مؤثر است. با بررسی تحقیقات گذشته میتوان دریافت که بیشتر به اثر احتراق با هوای ورودی غنی شده با اکسیژن در موتورهای دیزلی پرداخته شده است و کمتر به این روش در موتورهای بنزینی توجه شده است و همچنین تاکنون تحقیقی در زمینه تأثیر هوای ورودی غنی از اکسیژن بر آلایندگی، ذرات معلق و مصرف سوخت موتور بنزینی پراید انجام نشده است. بنابراین هدف نویسندگان این مقاله، بررسی تأثیر هوای ورودی غنی از اکسیژن به عنوان روشی مؤثر بر کاهش گازهای آلاینده، ذرات معلق و مصرف سوخت موتور بنزینی پراید است.
مواد و روشها
آزمایشها در آزمایشگاه آلایندگی و کاربرد سوختهای زیستی گروه مکانیک بیوسیستم دانشگاه رازی کرمانشاه در تابستان 1393 انجام گرفت. طرحواره کلی وسایل آزمایش در شکل 1 نشان داده شده است. از موتور بنزینی مدل M13NI یا موتور پراید انژکتوری با سامانه سوخت رسانی زیمنس - شکل - 6-1 با مشخصات فنی نوشته شده در جدول 1 استفاده شد.
جدول :1 مشخصات موتور بررسی شده [23]
شکل :1 طرحوارهی کلی وسایل آزمایش. - 1 - کپسول اکسیژن، - 2 - کمپرسور هوا، - 3 - محفظه اختلاط گازی، - 4 - کیسه نایلونی، - 5 - صافی2 و ورودی هوا، - 6 - موتور، - 7 - مجرای دود، - 8 - آلاسنج3، - 9 - دستگاه پارتیکل کانتر، - 10 - سامانه اندازهگیری مصرف سوخت برای تهیه مخلوطهای هوا با درصدهای مختلف اکسیژن از یک کپسول اکسیژن با مانومتر مخصوص اکسیژن - شکل - 1-1، کمپرسور هوا - شکل - 2- 1، محفظهی اختلاط گازی - شکل - 3-1، کیسه نایلونی - شکل - 4-1 و آلاسنج - شکل - 8-1 استفاده شد.
برای دستیابی به اختلاط مناسب هوا و اکسیژن از محفظه اختلاط گازی استفاده شد که طرح اولیهی آن را رامشبابو4 و همکارانش [24] ساختند و مؤمن [25] آن را تکمیل کرد. این محفظه دارای حجم 6750cc، شامل 20 خانه با ضخامت دیوارههای 3 میلی متر از جنس صفحات پرسپکس5 و دو میله نگهدارنده با قطر 5 میلی متر و یک ورودی و یک خروجی است. هوا و اکسیژن پس از ورود به خانههای آن در هر خانه از دو سوراخ ریز که هریک دارای قطر 2 میلی متر است، عبور میکند و وارد خانهی بعدی میشود
