بخشی از مقاله
چکیده
کاربرد نسل جدید موتورهای دیزل به دلایل مزیتهای عمده آنها ازنظر بازدهی بیشتر و آلایندگی کمتر، روزبهروز گستردهتر شده است. توان بیشتر، اندازه کوچک تر ، راندمان بیشتر، آلودگی و مصرف سوخت کمتر، طول عمر بیشتر و فاصله طولانی بین تعمیرات، بر جذابیت خودروهای سواری دیزل افزوده و خودروسازان و مردم را به تولید و مصرف آنها ترغیب کرده است. بااین حال موتورهای دیزل نسبت به موتورهای بنزینی آلاینده اکسیدهای نیتروژن بیشتری منتشر میکنند.
با توجه به استاندارد آلایندگی یورو 6، سطح اکسیدهای نیتروژن تولیدی توسط موتورهای دیزل باید تا 80 درصد کاهش یابد. به این منظور روش های مختلفی برای کاهش انتشار این آلایندهها ابداعشده است، که یکی از مؤثرترین این روشها باز خورانی گاز اگزوز به محفظه احتراق است. در موتورهای درونسوز، فرآیند چرخش دود خروجی موتور روشی است که طی آن با کاهش دمای موتور، اکسیدهای نیتروژن خروجی از اگزوز کاهش می یابد. امروزه موتورها برای برآورده شدن استانداردهای زیست محیطی نیاز به این سامانه دارند. در این مطالعه به معرفی قسمتهای مختلف سامانه باز خورانی گاز اگزوز و همچنین کارهای انجامشده قبلی و فعلی در این رابطه پرداختهشده است.
مقدمه
به طور متوسط بیش از 25 درصد قوای محرکه خودروهای سواری موجود در دنیا از نوع دیزل است و در کشورهای اروپایی این سهم به 55 درصد رسیده و بر اساس پیش بینی ها، متوسط سهم این نوع قوای محرکه در دنیا طی سال 2020 میلادی به بیش از 35 درصد خواهد رسید .[1] خودروهای دیزلی 30 درصد مصرف سوخت کمتری نسبت به موتورهای بنزینی دارند و حدود 20 درصد گشتاور بیشتری را نسبت به موتورهای بنزینی تولید می کنند. بازده حرارتی موتورهای دیزل حدود 42 درصد می باشد که به طور تقریبی 20 درصد از بازده موتورهای بنزینی بیشتر است .[2]
موتورهای دیزل سال ها است که در کشورهای مختلف جهان، ازجمله کشورهای اروپایی استفاده میشوند و از محبوبیت بالایی برخوردارند تا آنجا که در کشورهای اروپایی، هماکنون بیش از نیمی از سهم فروش خودرو را به خود اختصاص دادهاند .[2] باوجوداینکه موتور دیزل کاربرد گسترده ای در زمینههای صنعتی، حمل ونقل، کشاورزی و .. دارد، اما بعضی از آلایندگیهای موتور دیزل خطر جدی برای سلامتی انسانها و محیطزیست محسوب میشود.
در موتورهای دیزل میزان آلودگی گازهای دیاکسید کربن - - CO2 حدود 25 درصد و مونوکسید کربن - CO - حدود 30 درصد نسبت به موتورهای بنزین سوز کمتر است. بااینحال انتشار آلاینده اکسیدهای نیتروژن - - و دوده1 در موتورهای دیزلی همچنان بالاست .[3] به دلیل نسبت تراکم بالا و مصرف سوخت رقیقتر، موتورهای دیزلی نسبت به موتورهای بنزینی، بیشینه دمای احتراق و بازده حرارتی بالایی دارند.
دمای شعله بالا در حضور اکسیژن و نیتروژن زیاد باعث ایجاد آلاینده اکسیدهای نیتروژن - NOX - در گازهای خروجی می شود .[5 ,4] از میان آلایندههای موتور دیزل اکسیدهای نیتروژن نسبت به سایر آلایندهها خطرناکتر است.[6] روزبهروز استانداردهای آلایندگی جدیدی به منظور کاهش این آلاینده لحاظ می شود. جدیدترین استاندارد آلایندگی آلاینده اکسیدهای نیتروژن، استاندارد یورو 6 می باشد.
در استاندارد آلایندگی یورو 6، سطح اکسیدهای نیتروژن تولیدی توسط موتورهای دیزل باید تا 80 درصد کاهش یابد .[7] در اروپا خودروهای جدید جهت ورود به بازار فروش باید آزمون های آلایندگی معینی را بگذرانند که این آزمون ها با توجه به نوع منطقه و نوع خودرو متفاوت می باشد. در شکل 1 پروفایل سرعت چرخه NEDC2 نشان داده شده است. خودروهای سواری در اروپا بر اساس این پروفایل سرعت مورد آزمون قرار می گیرند. روش آزمون به این صورت است که در طول آزمون خودرو با تبعیت از پروفایل سرعت بر روی شاسی دینامومتر حرکت میکند و همزمان مقدار آﻻیندههای اگزوز اندازهگیری میشود .[9 ,8]
مهمترین آلایندههای موتورهای دیزل NOX و PM هستند که گستره انتشار این آلایندهها طبق شکل 2 در سالهای اخیر بهشدت کاهشیافته است.[10] بهمنظور کاهش آلایندگی موتورهای دیزل از انواع کاتالیزورهای کاهنده3 و جذبکننده4 استفادهشده است. بااینوجود کاتالیزورها بهتنهایی نمیتوانند آلاینده را در موتورهای دیزل کاهش دهند .[11] بهطورکلی دو روش برای رسیدن به استاندارهای آﻻیندگی وجود دارد. روش اول جلوگیری از تشکیل آلاینده در حین احتراق و روش دوم تصفیه کردن گاز اگزوز قبل از رها شدن آلاینده در محیطزیست میباشد .
[3] کارخانههای تولید موتور بهمنظور استانداردسازی آلاینده اکسیدهای نیتروژن از روش باز خورانی مقداری از گازهای خروجی اگزوز به داخل موتور استفاده کردند .[12] در این روش مقداری از گاز اگزوز با توجه به شرایط کاری موتور - دمای آب، ارتفاع و دور موتور - به داخل سیلندر باز خورانی میشود.[13] گازهای باز خورانی شده با توجه به ظرفیت گرمایی زیاد آن نسبت به هوای محیط، گرمایی بیشتری را از محفظه احتراق دریافت میکند و سبب کاهش دمای بیشینه احتراق میشود و ازاینرو میزان تشکیل ترکیبات در زمان احتراق را کاهش میدهد.[6]
معرفی سیستم EGR1
در موتورهای احتراق داخلی، مکانیسم باز خورانی گازهای خروجی به ورودی موتور - - EGR روشی است که با کاهش دمای بیشینه موتور، نیتروژن اکسید - NOX - خروجی از اگزوز را کاهش میدهد. این سیستم در موتورهای بنزینی و دیزلی استفاده می شود. نحوه کار EGR به این گونه است که قسمتی از دود خروجی سیلندر به هوای ورودی باز خورانی می شود و بعد از مخلوط شدن با هوای تازهوارد سیلندر میشود .[14]
اجزای تشکیلدهنده سامانه EGR الف: شیر 2EGR
شیر EGR وظیفه باز و بسته کردن مسیر عبور جریان گاز از مانیفولد دود به مانیفولد هوا را بر عهده دارد. همچنین مقدار گازهای باز خورانی شده به سیلندر را کنترل میکند. از خلا موجود در مانیفولد هوا برای تنظیم باز و بسته کردن شیر استفاده می شود. مدار شیر EGR در شکل 3 نشان دادهشده است.[15]
شکل:3 مدار شیر [16] EGR
در انواع دیافراگمی - شکل - 4 بهطور مستقیم از نیروی خلا موجود در مانیفولد هوا برای باز کردن سوپاپ استفاده میشود همچنین فنر موجود در بالای سوپاپ باعث بسته شدن شیر در نبود خلا میشود. دقت این شیرها نسبت به شیرهای برقی پایینتر است و امروزه در خودروهای مدرن از شیرهای برقی استفاده میشود.[17] در شکل 5 انواع شیرهای EGR اعم از: - 1 - شیر EGR دیزلی فشار بالا، - 2 - شیر EGR پروانه ای فشار پایین، - 3 - شیر EGR کامپکت و - 4 - شیر EGR جریان بالا بهصورت شماتیک نشان دادهشده است. در ادامه به بیان خصوصیات هر شیر پرداختهشده است - جدول. - 1 شیرهای EGR باید در برابر نشت مواد، آلودگی دوده و میعانات مضر که میتوانند منجر به خوردگی شوند مقاوم باشند .[11]
ب: خنککن EGR3
سامانه خنک کننده وظیفه خنک کاری گازهای برگشتی اگزوز را بر عهده دارد و شامل انواع مختلفی می باشد که عبارت اند از: خنک کن ساده و خنک کن باخم U شکل.[19] همچنین لوله های مورداستفاده در خنک کن دارای انواع مختلفی هستند که توسط هونما و همکاران موردبررسی قرار گرفت. که در این تحقیق هونما و همکاران برای سامانه خنک کن چهار نوع لوله گسترش یافته ولوله ساده را ازنظر نرخ انتقال حرارت، افت فشار و هزینه ساخت باهم مقایسه نمودند. آنها به این نتیجه رسیدند که استفاده از لوله های چندراه مارپیچ شرایط مناسبی به لحاظ افزایش بازده حرارتی ایجاد میکند.
