بخشی از مقاله
چكيده:
محدوديت هاي اعمال شده از طرف سازمانهاي زيست محيطي، تدوين قوانين و استانداردهاي جديد در كنترل ميزان آلاينده هاي خروجي از موتورهاي بنزيني و ديزلي موجب شده فن آوري موتورهاي ديزلي و بنزيني به سوي سيستم هاي تغذيه و احتراق پيشرفته پاشيدن سوخت و احتراق با كنترل ECU گرايش يابد.
اين حركت علاوه بر دستاوردهاي چشم گير زيست محيطي موجب رضايت دارندگان اتومبيل و دستيابي به شتاب و قدرت برتر و بهره برداري اقتصادي تر از نظر مصرف سوخت شده است. طبق آخرين گزارشهاي دريافتي از مراكز تحقيقاتي و كارخانه هاي سازنده خودروها، برنامه زمان بندي براي دستيابي به آلودگي در حدود صفر تا سال 2010 به طور جدي پيگيري شده و هم اكنون موتورهاي بنزيني و ديزلي مرحله استاندارد EURO II را پشت سرگذاشته و توليدات را به سطح استاندارد EURO III رسانده اند. موضوع به كارگيري سوختهاي همگام با رشد فن آوري طراحي و توليد موتورهاي پيشرفته همچنان پيگيري، و تطبيق فن آوري سوختهاي گازي همگام، به طوري كه باز هم از نظر سطح آلاينده هاي برتري هاي چشم گير خود را نسبت به حالت گازوئيل و بنزني سوز حفظ كرده اند. خصوصا با تاكيد دانشمندان به اثر مخرب CO2 توليدي از احتراق موتورهاي بر لايه اوزون سوختهاي گازي LPG و به ويژه CNG با، تعداد كم كربن در ساختمان مولكولي و در نتيجه توليد CO2 كمتر و همراه نداشتن ناخالصي ها به عنوان سوختهاي پاك مطرح هستند.
روند رشد فن آوري موتورها در دو دهه گذشته از سرعت چشمگيري برخوردار بوده و رقابت سازنده اي با هدف توليد خودرو ديزلي و بنزيني و گازسوز با آلودگي كمتر در سطح كشورهاي صنعتي وجود دارد. در اين دو دهه صنعت خودرو كشور ما در اين رقابت حضور نداشته و لذا مترادف با سطح فن آوري مورتوهاي ديزلي و بنزيني در مورد گاز سوز نيز از قديمي ترين سيستم تبديل و تجهيزات مربوطه استفاده نموده است.
متاسفانه گزارشهاي دريافتي نمايانگر اين واقعيت تلخ است كه به دليل عدم رضايت مباني طراحي و تبديل خودروهاي سبك به سوخت گازي با روش مهندسي اهداف نيست محيطي طرح بهره گيري از سوختهاي گازي نيز يا كمرنگ و يا نا موفق بوده است و توليد اين مجموعه هاي كيت هاي گاز سوز قديمي و ناموفق همچنان ادامه دارد.
عطف به حركت جديد صنايع خودروسازي به سوي توليد خودروهاي به روز در سطح جهاني و ساخت خودروهاي مشترك با كمپاني هاي صاحب نام، ارائه دهنده مقالة روند رشد فن آوري موتور و خودروها را در زمينه گاز سوز منطبق يا برتر از حالت گازوئيلي و بنزيني به بحث و تحليل علمي مي گذارد وبه ترتيب شش نسل تكاملي تجهيزات گازسوز بر روي خودروها را از سال 1980 الي 2000 به شرح ذيل پژوهش عمل و فن ميكند:
1. سيستم گازسوز موتورها به روش كاربراسيون با ونتوري ثابت كه هم اكنون دركشورها متداول است.
2. سيستم گازسوز موتورها به روش كاربراسيون، مخلوط كن متغير.
3. سيستم گازسوز موتورها به روش كاربراسيون با شير متغير و كنترل الكترونيكي و كاتاليست دو راهه نوع رقيق سوز.
4. سيستم گاز سوز با روش كاربراسيون و شير كنترل به روش ECU با كاتاليست سه راهه مدار بسته.
5. سيستم گازسوز با پاشيدن متمركز با كنترل ECU و مدار بسته و كاتاليست سه راهه TBI.
6. سيستم گازسوز با پاشيدن چند نقطه اي و كنترل ميكرو پروسسوري MPFI و كاتاليست سه راهه مدار بسته.
اميد اينكه صنايع خودروكشور در زمينه فن آوري گازسوز نيز مترادف با برنامه هاي توليدات جديد همگام شوند.
مقدمه:
بهره گيري از سوختهاي جايگزين در دهه اخير مورد توجه مراكز پژوهشي و صنايع موتور در سطح جهاني قرار گرفته است، زيرا با كاهش ذخاير نفت، موتورهاي صنعتي در حال گردش، و در برنامه توليد كه از نظر اصول طراحي و فن آوري به سوختهاي هيدروكربوري وابسته اند، راهي جز استفاده از سوختهاي گازي ندارند متخصصان امر پيش بيني مي كنند كه با تقليل توليد نفت خام، بخش رو به رشد سوخت مورد نياز خودروها بايد پس از سال 2000 با روندي رو به رشد از گاز مايع و پس از گاز طبيعي تأمين شود. وابستگي اصول طراحي موتورها به مشخصات فيزيكي و شيميايي و در نتيجه سازگاري سوخت با طراحي موتور روند رشد خودروهاي گاز سوز را تا سه دهه آينده به طرف LPG و سيكل اتور و پس با كاهش توليد نفت خام و در نتيجه كاهش توليد LPG به طرف CNG و LNG با سيكل اتوسوق خواهد داد.
هر دو سوخت LPG و CNG در تبديل خودروهاي سواري مجهز به موتورهاي SI و سيكل ترموديناميكي OTTO مي توند به ترتيب با حفظ مشخصات طراحي و با تغييراتي بسيار جزئي با توجيه فني و اقتصادي مورد بهره برداري قرار گيرد. موضوع توسعه رو به افزايش وسايط نقليه عمومي در سطح شهرها از طرفي و از طرف ديگر محدوديت هاي رو به تاكيد حد آلاينده هاي اگزوز اين وسايل كه عموما از نوع ديزلي هستند بهره گيري از سوختهاي گاز بر روي ديزلها را تضمين ميكند.
هر چند كار بر روي موتورهاي ديزلي با سوخت گازوئيل با آلودگي هاي كمتري از نظر گازهاي اگزوز صداي موتور شديدا توسط كمپاني هاي صاحب نام دنبال ميشود و به موفقيت هايي نيز دست يافتهاند ولي بايد با صراحت اعلام داشت كه پس از كاهش توليد نفت خام و توسعه بازار سوختهاي گاز احتمال قوي وجود دارد كه ديزل سازها نيز الزاما به طرف سيكل اتو OTTO سوق پيدا نمايد.
زيرا سيكل به دليل مشخصات ويژه خودرو و طراحي موتور آن در آينده توجيه فني و اقتصادي و زيست محيطي برتري دارد. محدوديت هاي اعمال شده براي گازهاي اگزوز بهره گيري از كاتاليست هاي سه منظوره را الزامي ساخته و در نتيجه روش صد در صد گاز سوز و سيكل اتور از ارجحيت برخوردار خواهد بود. مراكز پژوهشي وابسته به صنايع كه كار هماهنگي بين صنعت و سازمانهاي محيط زيست را كرده اند كه جواب گوي محدوديت هاي رو به رشد در تدوين استانداردهاي كنترل آلودگي اگزوز وسايل نقليه بهره گيري از سوختهاي به روش صد در صد و استفاده از سيكل اتو هستند.
ديدگاههاي جهاني در مورد آلاينده سوختهاي فسيلي
افزايش توليد نفت خام براي جوابگويي به عطش رشد فزاينده فن آوري در چند دهه اخير بشريت را با خطر فقر و گرسنگي ناشي از اتمام منابع سوخت فسيلي در قرن آينده مواجه ساخته است. به طوري كه دهكده جهاني از هم اكنون به فكر چاره جويي در يافتن منابع ناشناخته انرژي در زمين وخارج جو افتاده است. واقعيت تلخ ناموفق بودن انرژي هاي جايگزين براي جواب گويي است زيرا تا اين تاريخ هيچ منبع انرژي از نظر توجيه مسائل اقتصادي و فني نتوانسته با سوختهاي فسيلي رقابت نمايد. دياگرام نمايشگر نياز امروز و آينده سوختهاي فسيلي در قرن آينده است همان گونه كه ملاحظه ميشود نياز كل انرژي به شكل خطي رو به افزايش و نقش انرژي مصرفي در حمل و نقل به شكل چشم گيري به موازات آن رشد مي نمايد. از طرفي از اوايل قرن آينده ذخاير نفت با سرعت زياد رو به كاهش خواهد نهاد.
دياگرام ميزان درخواست و توليد سوختهاي فسيلي تا سال 2100 ميلادي
سوخت گاز مايع مشتق از نفت خام به توليد آن وابسته بوده و د رصورت بهره گيري از LPG در ترانسپورت ميتوان اميدوار بود كه عمر منابع نفت خام تا سه الي چهار دهه افزايش يابد ولي در نهايت پايان پذير خواهد بود. در نهايت كل انرژي فسيلي موجود در كره زمين ميتواند حداكثر جواب گوي نياز يك قرن آينده باشد پس تعيين راهبرد مشخص در جهت دادن به صنايع كشور جهت تدوين فن آوري در توليد پخش و مصرف سوختهاي گاز به شكل مرحله اي از سوخت LPG و CNG از اهميت حياتي برخوردار است.
تدوين استانداردهاي جديد در محدود كردن ميزان گازهاي آلاينده اگزوز
توسعه وسايز نقليه خصوصي و عمومي با اشتياق بشريت به زندگي همراه با آسايش و رفاه در چند دهه اخير عامل اصلي افزايش خطر آفرين آلودگي هوا و محيط زيست را موجب شده به طوري كه بشر قرن بيست و يكم انساني خواهد بود كه با مهمترين دوست خود يعني طبيعت خصمانه رفتار ميكند و از مواهب آن خود و نسلهاي آتي را محروم مي سازد، لذا سازمانهاي بين المللي زيست محيطي با اختيارات بشتر به مقابله با غول آلودگي مي پردازند. تدوين استانداردهاي آلودگي اگزوز خودروها در دو دهه اخير نمايانگر اين واقعيت است كه بايد براي حل مساله حمل و نقل به طرف سوختهاي پاك رفت. آنچه مسلم است در اوايل قرن آينده ميزان هيدروكربورهاي آزاد اگزوز بايد زير 0.1 gr/mile و ميزان منواكسيد كربن زير 10 gr/mile و ميزان NOX زير 1gr/mile و ميزان ذرات آزاد بايد زير حد 0.1 gr/mile برسد. ميزان مواد زاينده اسيد مثل اكسيدهاي گوگرد الزاما بايد در حد صفر باشند و با مراجعه به آرام و ارقام يقينا بهره گيري از سوختهاي فسيلي گازي تنها راه حل محسوب ميشود. از طرفي رسيدن به اين محدوديتهاي آلاينده در اگزوز با سوخت ديزلي به هيچ وجه با سوخت بنزين هم بسيار مشكل است لذا با تغيير ساختار سوخت فسيلي از سوختهاي كلاسيك به سوختهاي گازي مسلماً راهي جز سيكل اتو و بهره گيري از كاتاليست باقي نمي گذارد.
عملا استانداردهاي تدوين شده در سال 1970 نتوانست اهداف زيست محيطي را جواب گو باشد. زيرا توسعه تعداد خودروها اين اثر را خنثي مي نمود. از سال 1980 استانداردهاي شديدترين بر حسب توان فن آوري و با توجيه فني اقتصادي اعمال و عملا طول عمر عوامل مؤثر در كاهش آلاينده ها نصب شده بر روي خودروها جواب گوي اهداف محيط زيستي تا سال 2000 است. پس از سال 2000 باز هم روند رشد خودروها در گردش موجب ميشود به شكل مرحله اي هر 10 سال يك بار قوانين جديد در مورد توليد خودروها با آلودگي كم تجديد و در نهايت خودروهاي با آلودگي صفر هدف نهايي سال 2050 ميلادي خواهد بود.
روند توسعه فن آوري در سيستم هاي تغذيه و احتراق موتورهاي سيكل اتو (OTTO)
تمركز بر روي طراحي سيستم هاي تغذيه و احتراق پيشرفته از سالهاي 1976 با كاهش عرضه نفت نسبت به رشد تقاضا و سير صعودي قيمت نفت و فرآورده هاي سوختي مثل گازوئيل و بنزين در كشورهاي صنعتي به طور جدي مطرح شد. طراحي سيستم هاي تغذيه كاربراتوري و سيستم هاي احتراق الكترونيكي با هدف كاهش مصرف سوخت در مقابل افزايش دور و توان بر حجم موتورهاي بنزيني فزوني گرفت. از سال 1984 جامعه صنعتي علاوه بر كاهش مصرف سوخت دست به ابلاغ استانداردهاي ميزان آلاينده هاي اگزوز و بخارهاي خروجي از موتور و خودرو زد و عملا طراحان و سازندگان موتور و خودرو با زمانهاي محدود مهلت هاي ابلاغ شده جهت پاسخ گويي به استانداردهاي ابلاغي شدند كه در اروپا به ECE معروف هستند. با ابلاغ استاندارد ECE 15-03 تحول اساسي در طراحي كاربراتورهاي مجهز به چند مدار كنترل پارامترهاي فيزيكي مخلوط و احتراق الكترونيكي و كاتاليست هاي دو راهه گرديدن (1984). استانداردهاي ECE15-04 مقدمه اي جدي براي حذف كامل سيستم هاي تغذيه كاربراتوري و يا حفظ آن مشروط به تجهيز مدارها به سيستم هاي كنترل الكتريكي همراه با سيستم احتراق الكترونيكي و كاتاليست دو راهه در يك مدار بسته شدند (1990). سيستم هاي انژكتوري در كاربراتور به نام TBI مجهز به سيستم كنترل طراحي شد.
استانداردهاي EURO I به شكل كامل حذب سيستم كاربراتور و اعمال سيستم هاي انژكتوري متمركز و چند نقطه اي با كاتالسيت هاي سه راهه مجهز به سنسور را موجب شدند كه به سيستم هاي L- jetronic و KE-Ke-jetronic و Ke K-jetronic معروف گرديدند كه از روش MPFI بهره گرفتند. استانداردهاي EURO II گام بلندي در جهت توسعه سيستم motronic مجهز به سيستم MPFI و احتراق كامل الكترونيكي مستقل از مكانيزم موتور و با كنترل كامپيوتري و كاتاليست سه راهه سراميكي گرديد.
تحليل منحني هاي مرجع شامل تغييرات ميزان آلاينده هاي اگزوز CO و HC و NOX و مصرف ويژه سوخت b همراه با تغييرات گشتاور موتور نسبت به سوخت به هوا و يا ضريب نمايانگر اين واقعيت است كه اصولاً دست يابي به ميزان آلاينده هاي كم در مقابل دريافت توان و گشتاور كافي و عملكرد اقتصادي موتور در محدوده 1 امكان پذير است و اين يك اصل كاملاً اثبات شده و اجتناب ناپذير در كليه موتورهاي سيكل اتو (OTTO) ميباشد. مسلماً پس از حفظ محدوده 1 در سيستم تغذيه همراه با تشكيل كانون شعله قوي در زمان مناسب آلاينده هاي خروجي از موتور به حد متعادلي رسيده و انجام هر گونه عملياتي بر روي اگزوز در جهت رسيدن به استانداردها ابلاغي را امكان پذير مي كنند. نگهداري نسبت هوا به سوخت در محدوده ضريب اضافه هوا براي كليه دورها و بارهايي كه موتور در آن واقع ميشود مسلماً به روش كاربراسيون امكان پذير نبوده و لذا گامهاي تكنولوژيك در توسعه سيستم هاي سوخت پاشي كه قبلا نام برده شده الزامي و اجتناب ناپذير بوده است. (دياگرام شماره 1)
در محدوده 0.96-1.2 ميزان CO به كمترين حد ممكن مي رسد و اين امر كمك شايان توجهي به كاهش عمليات و هزينه ها در عمليات كاتاليست كنوتور براي اكسيداسيون اين گاز سمي مي نمايد. ميزان HC هيدروكربورهاي سوخته شده در محدوده ضريب اضافه هوايي ياد شده در حد پائيني قرار دارد كه باز هم عمليات اكسيداسيون هيدروكربورهاي سوخته نشده را در درون كاتاليست كوتاه و ساده مي نمايد.
در حقيقت نگه داشتن نسبت سوخت به هوا در محدوده ضريب اضافه هاي 1، روشي است موفق در كاهش ميزان اكسيژن مصرفي براي اكسيداسيون دو عامل اصلي آلودگي يعني CO و HC. نكته جالب توجه بالا بودن ميزان NOX در محدوده 1 مخلوط است كه خود از گازهاي كمي است، ولي در كاتاليست سه راهه نياز به عمليات احيا جهت خنثي شدن و تبديل به ازت دارد. در حقيقت از ديدگاه عمليات پس از خروج از موتور بر روي گازهاي آلاينده به صلاح است. نخست عمليات احياي NOX و تبديل به گاز خنثي انجام و اكسيژن حاصل از احيا جهت اكسيداسيون دو ماده آلاينده ديگر كه CO و HC باشد استفاده شود.
اين شگرد يعني نگه داشتن مخلوط در محدوده 1 كمك شاياني به كاهش هزينه ها و صرف انرژي براي عمليات پس از خروج از موتور را مي نمايد. (After treatment). تأمين رضايت مصرف كنندگان خودرو كه همواره به دنبال قدرت برتر و قابليت مانور افزونتر خودرو هستند، مخلوط هوا و سوخت غليظ با 1 را ايجاب مي نمايد، ولي محدوديتهاي زيست محيطي و ارتقاي فرهنگ حفاظت از محيط زيست موضوع را به مصالحه اي خردمندانه سوق ميدهد. به طوري كه در محدوده هاي زماني كوتاه مدت و حسب نياز راننده سوارهاي توان ماكزيمم و گشتاور و شتاب برتر در سيستم رايانه اي كنترل خودرو پيش بيني و در آن مقاطع سوخت سخاوتمندانه وارد موتور ميشود. ولي اين لحظات و نيازهاي كوتاه مدت و گذر است. طراحان ترافيك جاده هاي شهري و بين شهري جهت دست يابي به اهداف ملي سيكل ترافيكي را طوري طراحي كه حتي الامكان از شتاب هاي لحظه اي و سبقت هاي مثبت و منفي جلوگيري شود اصطلاحا يك رانندگي با نرمش را برنامه ريزي مي نمايد (Gently). سيگنالهاي ارسالي از اكسيژن سنسور قبل از كاتاليست جهت تزريق هوا و جبران كمبود اكسيژن عمليات اكسيداسيون نيز ارائه شده در مرحله قبل از كاتاليست حفظ محدوده 0/975…105 .
به سه بخش اساسي مخلوط غليظ Rich= 0/975 .1 و محدوده استوي كيومتريك stoichiometric= 1.1/025 و محدوده فقير يا Leun= 1/025- 1/05 تقسيم شده است. در محدوده غليظ قبل از كاتاليست ميزان HC و CO بالا ولي NOX متعادل است و پس از عمليات احياء و اكسيداسيون دركاتاليست ميزان CO و HC نسبتاً متعادل و ميزان NOX كاهش چشمگيري دارد. سنسور اكسيژن ميزان بالاي اكسيژن حاصل از احياي NOX را نشان ميدهد. در محدوده استووكيومتريك ميزان HC و CO قبل از كاتاليست متعادل و پس از كاتاليست در اثر استفاده از اكسيژن توليد در مرحله 1 ميزان CO و HC شديدا پائين ميآيد و ميزان NOX در حد متعادل و رو به افزايش است و سيگنال سنسور نمايانگر مصرف اكسيژن است. در محدوده فقير Leun استمرار عمليات دستيابي به ميزان CO و HC و NOX متعادل را نشان ميدهد.
رابطه سوخت وآلاينده ها و روند توسعه فن آوري
كنترل محدود اكتان كه اصلي ترين پارامتر فيزيكي و شيميايي سوخت در سيكل اتو OTTO مي باشد، در بنزين هاي معمولي با دو كلاس Regular و super به كمك ماده افزودني تتراتيل سرب (C2H¬5)4 pb انجام مي شود، ولي با توسعه فن آوري سيستم هاي MPFI و TBI و اصلاحات انجام شده در فن آوري مواد اجزاي موتور در محفظه احتراق پاسخ گوي نياز به حذف عوامل سرب در سوخت ودر نتيجه در گازهاي اگزوز را موجب شد. پس در اصل نياز به حذف عوامل سرب در سوخت و در نتيجه درگازهاي اگزوز را موجب شد. پس در اصل نياز به حذف عوامل سرب از ماده سوختي به عنوان مخرب محيط زيست و عدم امكان بهره گيري از سوخت هاي سرب دار در سيستم هاي مجهز به كاتاليست به دليل اثر غيرفعال نمودن كاتاليست به واسطه وجود سرب در دور اگزوز توليد و توسعه و بهره گيري از سوختهاي بنزين بدون سرب الزامي مي سازد.
بنزينهاي بدون سرب كه يا به روش شكستن هيدروكربورهاي با عدد اكتان پائين و تبديل به هيدروكربورهاي اكتان بالا و يا به طريق افزودن توام بنزين عمليات شده در راكتور و ماده MTBE به بازار ارايه ميشوند عملا عوامل سرب را به همراه ندارند، ولي از ديدگاه احتراق ساختمان شيميايي سوخت به سوي آروماتها و هيدروكربورهاي مقاوم در مقابل اكسيداسيون پيش مي رود. اين مهم موجب ميشود كه اولا نياز مبرم به تشكيل كانون شعله قوي تك نقطه يا چند نقطه اي داريم تا تضمين كننده احتراق كامل باشد ثانيا مخلوط حتما بايد در محدوده اقرار داشته باشد. پس ارائه دهنده مقاله صراحتا اعلام مي دارد كه استفاده از بنزين بدون سرب در موتورهاي قديمي جدا از مسئله ايجاد تنش در اجزاي داخلي اتاق احتراق به دليل حذف عامل روان كاوي فلزي سرب Metalt lubricant با احتراق ناقص و افزايش چشمگير و خطرناك هيدروكربورها و آن هم از انواع مضرترين آن و افزايش ميزان CO ختم ميشود و جدا از مسئله حذف سرب اهداف زيست محيطي را پاسخ گو نيست. پس توليد و توسعه بنزين بدون سرب بايد همگام با توسعه توليد موتورهاي مجهز به سيستم MPFI و TBI با كاتاليست كنوتور sensor و كنترل ECU باشد ودر غير اين صورت عوامل آلاينده شديدا بالا خواهد رفت.
