بخشی از مقاله
چکیده
دراین تحقیق تجربی به منظور کاهش آلاینده های خروجی موتور OM364 یورو - 2 دیزلی پاشش مستقیم پرخوران 4 سیلندر 4 لیتری - مخصوصا اکسید های نیتروژن، انواع مختلف بازخوران اعم از پرفشار، کم فشار، ترکیبی، گرم، سرد، با ونتوری و دریچه یک طرفه روی موتور پیاده شده و آزمایش گردید. تمرکز تحقیق روی کاهش اکسید های نیتروژن صورت گرفت چرا که آلاینده های هیدروکربن نسوخته و مونو اکسید کربن موتور مذکور ذاتا کم می باشد و برای کاهش ذرات معلق در حالت بازخوران کم فشار از تله ذرات بازیابی پیوسته با سوخت کم گوگرد استفاده گردید.
بهترین نتیجه به دست آمده برای اکسید های نیتروژن از آزمون ESC برابر 2,3 gr/kwh برای حالت بازخوران سرد کم فشار بود که با کاهش 56/5 درصدی نسبت به حالت پایه به خوبی استاندارد یورو 4 را پاس می کند. در این حالت شاهد کاهش 18/9 درصدی مونو اکسید کربن نسبت به حالت پایه هستیم. که می تواند ناشی از عملکرد کاتالیست اکسید کننده دیزلی داخل سیستم تله ذرات بازیابی پیوسته باشد.
نتایج بدتر بازخوران پرفشار نسبت به بازخوران کم فشار ناشی از زیاد بودن مقدار تقویت پرخوران موتور می باشد که مانع جریان کامل گازهای بازخوران به موتور می شود و درصد بازخورانی کاهش می یابد. حداکثر درصد بازخوران انجام شده در این تحقیق با حفظ پایداری عملکردی موتور ، حدود 10 درصد در گشتاور اسمی و حدود 16 درصد در توان اسمی می باشد که با استفاده از مقادیر دبی جرمی جریان های اندازه گیری شده محاسبه شده است.
مقدمه:
آلایندگی های موجود در هوا یکی از بزرگترین چالشهای بشر برای ادامه حیات با کیفیت روی کره زمین می باشد. اکثر آلاینده های موجود در اتمسفر را می توان ناشی ازآلایندگی خودرو دانست بطوریکه %70 مونو اکسید کربن، %36 هیدروکربن نسوخته1، %43 اکسید های نیتروژن موجود در هوا ناشی از خودروهاست.[1] دی اکسید نیتروژن خروجی از موتور به دلیل چندین برابر سمی تر بودن از مونو اکسید کربن، نیازمند توجه بیشتری می باشد. اکسید های نیتروژن درشرایط دردسترس بودن اکسیژن و نیتروژن درمحیط با دمای زیاد تولید می گردد.
در یک موتور دیزلی عمدتا با بهبود طراحی موتور و افزایش بازده آن شرایط تولید آلاینده های هیدروکربن نسوخته و مونو اکسید کربن کاهش یافته و اکسید های نیتروژن افزایش می یابد . برای جبران این مساله می بایست یا بین این دو گونه آلاینده مصالحه ای برقرار کرد و یا بدون در نظر گرفتن اکسید های نیتروژن محفظه احتراق را برای حالت بهینه طراحی نموده سپس با روشهای مختلف مثلا بازخوران2 و یا استفاده از سیستم های تصفیه گازهای خروجی3 مخصوصا SCR4 مقدار اکسید های نیتروژن را تا حد قابل قبولی پایین آورد.
در بازخوران مقداری از گازهای حاصل از احتراق دوباره در داخل محفظه احتراق مورد استفاده قرار می گیرد که به دو صورت بازخوران داخلی و بازخوران خارجی می باشد. در نوع داخلی اجازه خروج مقداری از گازهای احتراق در داخل سیلندر داده نمی شود در حالیکه در نوع خارجی مقداری از گازهای احتراق دوباره به سیلندر بر گردانده می شود.
استفاده از بازخوران خارجی یک روش شناخته شده داخل سیلندری کاهش اکسید های نیتروژن مخصوصا در موتور دیزل پاشش مستقیم مدرن بوده که با کاهش دمای محفظه احتراق همراه است2]و.[3 اولین گزارش کاهش اکسید های نیتروژن با بازخوران به سال 1940 باز می گردد در دهه 1970 استفاده از بازخوران برای کاهش اکسید های نیتروژن موتورهای دیزلی سنگین در آمریکای شمالی کاملا مورد توجه قرار گرفته بود و در دهه2000 به عنوان یک روش مرسوم برای کاهش اکسید های نیتروژن در وسائط نقلیه سنگین به شمار می آمد.
استفاده از بازخوران در موتور دیزل سنگین برای برآورده کردن الزامات استاندارد یورو 4 و یورو 5 به عنوان رقیبی بر SCR مطرح می باشد در حالیکه برای یورو 6 اکثرا خودروسازان مجبور به استفاده از سیستم SCR به همراه بازخوران شده اند. استفاده از بازخوران به دو دلیل کلی باعث کاهش تولید اکسید های نیتروژن می گردد: اولا با رقیق سازی گازهای ورودی - کاهش غلظت اکسیژن - هم باعث کاهش احتمال ترکیب اکسیژن با نیتروژن شده و هم با اختلال ایجاد شده در فرایند احتراق باعث کاهش دمای شعله می گردد.
دوما گونه های اصلی بازخوران مانند N2، CO2 و H2O ضمن گرم شدن مقداری از گرمای محفظه احتراق را جذب می کنند. بعلاوه گونه های CO2 و H2O وقتی که تا حد دمای شعله گرم شدند، شروع به تجزیه شدن می کنند چون فرآیند تجزیه، یک تحول گرماگیر است، پس مقداری از گرمای محفظه احتراق را جذب کرده و دمای گازهای داخل محفظه بیشتر کاهش می یابد. دمای اوج شعله نیز به تبع آن کاهش یافته و در نتیجه مقدار انتشار اکسید های نیتروژن نیز کاهش می یابد.
تاثیر رقیق سازی بازخوران - کاهش غلظت اکسیژن - در کاهش اکسید های نیتروژن بیش از تاثیرات حرارتی و شیمیایی آن است.[4] از معایب اصلی بازخوران می توان افزایش میزان ذرات معلق دوده، هیدروکربن نسوخته و مصرف سوخت ویژه ترمزی را نام برد. افزایش دوده باعث افزایش رسوبات کربنی روی قطعات مختلف - مخصوصا سوپاپ، انژکتور، رینگ پیستون و پیستون - ، کاهش درجه کیفیت روغن و افزایش سایش موتور می گردد5] و .[6 البته سایش رینگ اول کمپرس با بازخورانی موتور کمتر می شود - احتمالا به دلیل دمای کمتر احتراق - ولی رینگ های بعدی و رینگ روغن سایش بیشتر قابل توجهی نسبت به حالت بدون بازخوران دارند.[6]
کاستن دمای بازخوران نیز با استفاده از مبدل حرارتی در نسبت های بازخوران معمولا بیش از 20 درصد می تواند با کاهش دمای ورودی به موتور باعث کاهش بیشتر اکسید های نیتروژن گردیده و با افزایش بازده حجمی موتور باعث کاهش مصرف سوخت ویژه ترمزی5 و دوده6 شود، هر چند معمولا ناگزیر از افزایش آلاینده هیدروکربن نسوخته به دلیل کاهش نرخ تبخیر سوخت می باشد.
اجرای سیستم بازخوران روی موتورهای پرخورانی شده - با توربوچارجر - می تواند به دو روش کلی پرفشار و کم فشار و یا ترکیبی از آنها باشد. در سیستم بازخوران پرفشار - شکل - 1 ، مقداری از گازهای احتراق خروجی از ورودی توربین پرخوران7 گرفته شده و به ورودی چند راهه1 هوا - خروجی کمپرسور پرخوران - وارد می شود که از مزایای اصلی آن میتوان سادگی و کوتاهی مسیر طرح و احتمال کم برگشت هوا به مسیر بازخوران به خاطر پرفشار بودن گازهای احتراق را در نظر گرفت و ایراد اصلی آن اختلال در کارکرد توربین می باشد. به این سیستم، حلقه کوتاه2 نیز گفته می شود.
خنک کاری بازخوران می تواند تاثیر مثبت بر روی کاهش اکسید های نیتروژن و مصرف سوخت ویژه داشته باشد. Saichaitanya و همکاران روی موتور دیزلی پاشش مستقیم تک سیلندر تنفس طبیعی نشان دادند که کاهش دمای بازخوران باعث کاهش مقدار اکسید های نیتروژن مخصوصا در بار کامل می گردد. همچنین مقدار مصرف سوخت ویژه در بازخوران گرم بیش تر از بازخوران سرد و حالت پایه می باشد که این اختلاف در 75 درصد بار کامل، مشهود تر است.[7]
در سیستم بازخوران کم فشار - شکل - 2 ، گرفتن گازهای احتراق از پایین دست توربین - بعد از پرخوران - بوده و ورود به موتور در بالادست کمپرسور - قبل از پرخوران - می باشد که به دلیل عبور گازهای احتراق از درون کمپرسور و میان خنک کن امکان رسوب ذرات معلق3 در این مسیرها و همچنین امکان آسیب دیدن پره های کمپرسور در اثر دمای زیاد و برخورد ذرات معلق جامد می باشد که برای جبران این مسائل در این سیستم استفاده از تله ذرات4 در خروجی موتور قبل از بازخوران ضروری می نماید و سرد کردن گازهای بازخوران می تواند احتمال آسیب دیدن پره های کمپرسور را کاهش دهد - شکل. - 3
Maiboom و همکاران بر روی موتور دیزلی پاشش مستقیم پرسرعت 2 لیتری نشان دادند که استفاده از بازخوران با حفظ نسبت هوا به سوخت امکان کاهش شدید اکسید های نیتروژن بدون تاثیر منفی قابل ملاحظه بر روی مصرف سوخت ویژه وجود دارد که این کار را می توان با استفاده از پرخوران سازگارتر برای بارهای کم و جزیی و یا با استفاده از سیستم بازخوران کم فشار - عدم اخلال در مقدار فشار تقویت پرخوران به دلیل گرفتن گازهای احتراق بعد از پرخوران - انجام داد.[8]
Bermúdez و همکاران نشان دادند بازخوران کم فشار نسبت به بازخوران پرفشار تاثیر بیشتری در کاهش اکسید های نیتروژن و مصرف سوخت و افزایش هیدروکربن نسوخته و مونواکسید کربن دارد.[9] استفاده از تله ذرات می تواند پس فشار - فشار پشت 5 - سیستم را افزایش دهد، افزایش پس فشار تاثیر مستقیم روی افزایش درصد بازخوران و در نتیجه کاهش مقدار اکسید های نیتروژن دارد و سیستم های پرخوران، سیستم های تصفیه گازهای خروجی و ترمز اگزوزی تاثیر گذارترین سیستم ها در افزایش مقدار پس فشار می باشند.[3]
