پایگاه اطلاع‌رسانی گروه صنعتی ایران خودرو

ایکوپرس

شناسه خبر: ۱۱۷۵۳ یکشنبه ۱۴ مهر ۱۳۹۲ - ۸:۵۴ تعداد بازدید: ۹۰۳۶ Print View

آلاینده ها، افت توان پیشرانه و نحوه کاهش آن‌ها – بخش پایانی

نحوه کنترل گازهای آلاینده

نحوه کنترل گازهای آلاینده

 

محرم عبادی‌فر

در مطلب قبل، با مباحثی همچون آلاینده‌های اصلی و ثانویه، اثر گل خانه‌ای، آلودگی موتورهای درون‌سوز و اندازه‌گیری آلاینده‌ها آشنا شدید. در بخش پایانی این مقاله، مطالب آموزنده دیگری در حوزه آلودگی هوا و نحوه کاهش آن‌ها ارائه می‌شود که از نظرتان می‌گذرد.

نحوه کاهش آلودگی خودروها

راه‌هایی برای کاهش آلودگی خودروها

کارکرد خودرو در محدوده رقیق، استفاده مجدد از گازهای خروجی یا EGR، سرعت بخشیدن به زمان گرم شدن خودرو، استفاده از مبدل کاتالیستی و کاهش فروکش شدن شعله توسط دیواره (Quenching) از روش‌های کاهش آلودگی در پیشرانه خودروهاست. بیش‌تر آلودگی‌های نوع مونوکسید کربن و هیدروکربن‌ها، ناشی از همین مساله است. کاهش نسبت سطح به حجم محفظه احتراق و نیز کاهش اندازه شیارهای مربوط به واشر سر سیلندر به رفع این پدیده کمک می کند.

در سامانه EGR، بخشی از گازهای خروجی از اگزوز به سمت چندراهه ورودی هوا هدایت شده و دوباره به محفظه احتراق راه پیدا می کند. این سیستم به دوصورت داخلی و خارجی وجود دارد و باعث کاهش اکسیدهای نیتروژن و مصرف سوخت می شود. EGR باعث کاهش حداکثر دمای احتراق داخل محفظه شده و لذا آلاینده اکسیدهای نیتروژن کاهش می یابد. یک استراتژی کنترل بین شیر EGR و دریچه گاز یا تراتل وجود دارد.

مبدل های کاتالیزوری

مبدلهای کاتالیتیک سر راه گازهای خروجی از موتور قرار می‌گیرند. با عبور گازهای اگزوز از محیط متخلخل کاتالیست، یک محیط شیمیایی فعال ایجاد و واکنش‌های احتراق درون سیلندر کامل می‌شوند. میزان تبدیل آلاینده های مضر در کاتالیست، به برخورد موثر بین گازهای خروجی از اگزوز با سطح کاتالیست بستگی دارد. از عوامل مهم تاثیر گذار بر برخورد موثر بین گازهای خروجی از اگزوز با سطح کاتالیست ماهیت و نوع گازهای خروجی از اگزوز خودرو است.

برای کاهش آلاینده ها در حد مجاز استانداردهای آلایندگی، کاتالیست‌ها دارای ساختارهای فیزیکی متفاوتی هستند. همچنین نوع و میزان Washcoat و فلزات گران‌بهای به کار رفته از قبیل پالادیوم در آن‌ها متفاوت است. بنابراین واکنش‌های اکسیداسیون و احیا در کاتالیست کانورتور برای سوخت‌های مختلف با میزان‌های مختلفی انجام می شود. مشخصات عملکردی کاتالیست کانورتور (نظیر نقطه Light-off و بازدهی کاهش هر یک از آلاینده ها) در برابر سوخت‌های مختلف، متفاوت است.

مبدل‌های سه‌راه

عملکرد مبدل کاتالیزوری در برابر سوخت بنزین و گاز طبیعی

عملکرد کلی مبدل کاتالیزوری بدین ترتیب است که با عبور گازهای اگزوز از مبدل پس از استارت موتور، کاتالیست به تدریج گرم می‌شود و اکتیویته آن افزایش می‌یابد تا به نقطه Light-off برسد. بخشی از آلاینده ها مربوط به حالت استارت سرد (Cold Start) و بخشی از آن‌ها مربوط به کارکرد موتور در حالت گرم خواهند بود. یکی از مهم‌ترین عوامل تاثیرگذار بر میزان آلاینده های خروجی که بر زمان Light-off و بازدهی کاتالیست به طور مستقیم تاثیر می گذارد، دمای احتراق و دمای گازهای خروجی از اگزوز است، که دمای احتراق هوا و سوخت در موتور و دمای گازهای خروجی از اگزوز به نوع سوخت مورد استفاده در موتور بستگی دارد.

در گاز طبیعی، از آن‌جا که این گاز تنها از متان و درصد بسیار کمی هیدروکربن‌های سبک دیگر تشکیل شده است، محصولات احتراق عمدتا شامل مونواکسید و دی اکسید کربن و نیتروژن و بخار آب هستند ولی هیدروکربن های نسوخته تنها شامل متان هستند که بسته به این‌که استاندارد آلایندگی مطرح شده برای خودرو چه استانداردی باشد، لازم است مقداری از این هیدروکربن‌های نسوخته تبدیل شوند.

عملکرد مبدل CNG

از آن‌جا که پایداری ملکول متان بعلت اشباع بودن اتم کربن در پیوند با چهار اتم هیدروژن، بالاتر از سایر هیدروکربن‌هاست، لذا تبدیل آن در کاتالیست مشکل‌تر از تبدیل سایر هیدروکربن‌هاست و تحت شرایط فیزیکی مشکل‌تری شکسته می شود. بدین ترتیب جهت شکستن متان در کاتالیست، به خصوص در مواردی که استاندارد آلایندگی مطرح بالاتر از یورو2 باشد، باید شرایط لازم در کاتالیست فراهم شوند. این شرایط عبارتند از:

  1. اکتیویته شیمیایی مناسب
  2. دمای عملکردی بیش‌تر

از آن‌جا که دمای احتراق گاز طبیعی بالاتر از بنزین است، دمای گازهای خروجی از اگزوز در حالتی که یک موتور با گاز طبیعی کار می کند بیش‌تر از حالتی است که با بنزین کار می کند. بنابراین برای تبدیل متان لازم است محیط فعال مناسبی از نظر شیمیایی در کاتالیست به وجود آید. بدین منظور چگالی سلول‌ها را در کاتالیست های گاز طبیعی افزایش می دهند و معمولا از عنصر پالادیوم برای افزایش تبدیل متان در کاتالیست استفاده می کنند.

استفاده از مبدل کاتالیستی در موتور های گازسوز

موتورهای گاز سوز از دیدگاه استفاده از کاتالیست به سه دسته تقسیم می شوند:

1- موتور های استویکیومتری

-         دمای بالاتر گاز خروجی سبب بالا رفتن کارآیی کاتالیست می شود.

-    موتور استویکیومتری می تواند از کاتالیست سه‌راهه با کاتالیزور پلاتین-رودیوم (Pt-Rh) که به طور هم‌زمان آلاینده ها را اکسید می کند استفاده نماید.

-         نسبت هوا به سوخت در کارایی مبدل تاثیر بسزایی دارد.

 2- موتور های رقیق‌سوز

-         این موتورها با هوای اضافی کار می کنند و احیای اکسیدهای نیتروژن توسط مبدل‌های رایج مشکل است.

-         فلز کاتالیست باید بالاترین واکنش را در دماهای پایین انجام بدهد.

-         کاتالیست سه‌راهه با کاتالیزور Pt-Pd توانایی خوبی برای تبدیل آلاینده ها از خود نشان داده است.

 3- موتورهای دو‌گانه‌سوز

در کاتالیست مورد نظر باید تبدیل دو نوع سوخت مد نظر قرار بگیرد.

مقایسه مشخصات احتراقی بنزین و گاز طبیعی

قدرت و فشار متوسط موثر موتور با سوخت گاز طبیعی حدود 10 تا 15 درصد کم‌تر از سوخت بنزین است. دلایل این امر در مبحث راندمان حجمی تشریح شد. راندمان یا بازدهی حجمی موتور در هنگام استفاده از سوخت گاز طبیعی حدودا 20 درصد کم‌تر از سوخت بنزین است. میزان مصرف سوخت با سوخت گاز طبیعی حدود 30 تا 40 درصد کم‌تر از بنزین است. در دورهای کم و زیاد، نسبت سوخت به هوا غنی است ولی در دور متوسط این نسبت نزدیک به حالت تئوری بوده و احتراق کامل است. در صورت استفاده از سوخت گاز طبیعی بجای بنزین، موتور شاهد پیش اشتعالی و متعاقبا  ایجاد ضربه یا کوبش نخواهد بود.

آزمون ATB در خودروی دوگانه سوز

مراحل آزمون ATB سه بخش اصلی است: آماده سازی خودرو، شرایط تست و داده‌برداری.

w   آماده سازی خودرو: پارامترهای عملکردی موتور نظیر دور آرام، زمان جرقه و لقی سوپاپ‌ها باید دقیقا مطابق توصیه های کارخانه سازنده خودرو تنظیم شوند. سیال خنک‌کننده باید آب خالص (بدون اتیلن گلیکول) باشد. برای اطمینان از عبور حداکثر آب، در خلال تست باید ترموستات باز شود.

w   شرایط تست : دمای هوای محیط باید بیش‌تر از 24درجه سلسیوس باشد. سرعت باد نیز باید کم‌تر از 10 در راستای طولی حرکت خودرو باشد. در این آزمایش دمای آب ورودی به رادیاتور هر یک دقیقه ثبت شده و تا زمان پایدار شدن دمای ورودی این کار ادامه می یابد.

w    داده برداری : دمای آب ورودی رادیاتور باید هر یک دقیقه یک‌بارتا زمان پایدار شدن دما ضبط شود. چنان‌چه اختلاف دما کم‌تر از یک درجه باشد می توان فرض کرد دما پایدار شده است.

راه‌های افزایش بازدهی و ارتقای کیفیت خودروهای تبدیلی

w        افزایش ظرفیت سیستم خنک کار موتوری

w        ایزوله کردن مانیفولد هوا و محافظت آن از گرمای اگزوز

w        بهینه سازی قطعات موتور به خصوص سوپاپ ها، نشیمنگاه یا سیت سوپاپ

w        افزایش نسبت تراکم موتور، جهت افزایش راندمان و قدرت موتور

w        فیلرگیری سوپاپ، دهانه پلاتین، دهانه شمع و انتخاب شمع مناسب برای موتور

w        افزایش ولتاژ سر شمع ها

روش‌هایی برای تقویت سیستم خنک‌کاری

w        استفاده از رادیاتور با ابعاد بزرگ‌تر

w        آلومینیومی کردن رادیاتور

w        استفاده از فن های قوی‌تر یا افزایش تعداد فن‌ها

w        ایجاد تغییراتی در بدنه برای افزایش میزان هوای عبوری به رادیاتور

w        بالابردن دبی سیال خنک کن با افزایش دور پمپ آب ویا استفاده از پمپ بزرگ‌تر

نسبت تراکم متغیر(Variable Compression Ratio)

استفاده از موتورهای با نسبت تراکم متغیر، باعث کاهش مصرف سوخت و کاهش آلاینده گازکربنیک می شود. در جایی که نیاز به قدرت و گشتاور بالایی نیست (به عنوان نمونه دور آرام موتور) نسبت تراکم کاهش یافته و مصرف سوخت کاهش می یابد و بالعکس. شرایط بهینه کارکرد موتور این است که نسبت تراکم در شرایط Part throttle با نسبت تراکم بالا و در شرایط WOT با نسبت تراکم کم‌تر کار کند. این امر سبب شد تا ایده طراحی موتورهای SI با نسبت تراکم متغیر (VCR) به وجود آید. به طور کلی سازوکارهای VCR طراحی شده که امروزه در جهان مورد استفاده قرار می­گیرند عبارتند از:

-         حرکت دادن سر سیلندر

-         تغییر دادن حجم محفظه احتراق

-         تغییر دادن ارتفاع پیستون

-         تغییر هندسه شاتون

مانیفولد با ورودی متغیر (Variable Intake Manifold

موتورهای با چندراهه یا مانیفولد ثابت برای توان در دور بالا یا گشتاور در دور پایین یا ترکیبی از این دو بهینه سازی هندسی می شوند. موتورهای با مانیفولد متغیر یک یا دو محدوده سرعتی بیش‌تری را برای کنترل شامل می شوند. استفاده از این تکنولوژی خیلی ارزان‌تر از زمان‌بندی متغیر سوپاپ‌ها یا VVT است. بیش‌تر طراحی ها برای دو طول ورودی مانیفولد صورت می پذیرد. طول بیش‌تر مانیفولد برای دورهای پایین و طول کم‌تر مانیفولد برای دورهای بالاتر استفاده می شود. طول مانیفولد ورودی بیش‌تر در دورهای پایین باعث جریان آهسته تر گاز ورودی به محفظه موتور و در نتیجه اختلاط بهتر مخلوط سوخت و هوا می شود. بعضی از کارخانه ها مثل آئودی از سه طول متفاوت برای مانیفولد ورودی در دورهای مختلف استفاده کرده اند. (برای شارژ هر سیلندر)

فناوری HCCI می تواند در موتور های دیزلی و بنزینی به کار رود. چنان‌چه این تکنولوژی در موتورهای SI به کار رود، دیگر نیازی به شمع نیست و دما در داخل محفظه موتور تا حد خود اشتعالی بنزین بالا می رود. (دمای خوداشتعالی بنزین 1050 تا 1100 درجه کلوین است.) بعضی از مشخصه های HCCI عبارتند از:

         بازدهی در حد موتور دیزل

         کاهش آلاینده ها به خصوص NOx

         کاهش مصرف سوخت در حدود 20 تا 25 درصد نسبت به موتورهای SI

         کنترل شیمیایی احتراق و جرقه

کاهش وزن قطعات و استفاده از مواد آلیاژی در قطعات موتور و سیستم های مرتبط

برای ساخت شاتون موتورهای درونسوز معمولی، از فولاد ساده کربنی و فرآیند تولید آهنگری گرم به همراه عملیات حرارتی استفاده می شود. اخیرا با طراحی فولاد های میکرو آلیاژی وانادیم‌دار (Steels Vanadium added Micro alloyed) و روش ساخت آهنگری گرم و عملیات سرد شدن کنترلی در هوا، نه تنها عملیات حرارتی اضافی و پر هزینه حذف شده، بلکه استحکام وخواص مکانیکی شاتون‌های جدید به طور قابل توجهی بهبود یافته است. شاتون‌های میکروآلیاژی علاوه بر داشتن استحکام، سختی و مقاومت به خستگی بیش‌تر و کاهش وزن در حدود 10 تا 15 درصد نسبت به شاتون‌های معمولی دارند.

فولاد آلیاژی 38MnVS5 در مقایسه با فولاد معمولی SAE1335 از نظر خواص مکانیکی در وضعیت بهتری قرار دارد. به دلیل افزایش استحکام و خواص مکانیکی در فولاد میکروآلیاژی و وجود قابلیت کاهش در مقاطع، شاتون از جنس فولاد میکروآلیاژی در حدود 15 درصد نسبت به شاتون معمولی کاهش وزن خواهد داشت.