روال پیشرفت تکنولوژی در موتورهای بنزینی، دیزلی و بحث گاز سوز

محدودیت های اعمال شده از طرف سازمانهای زیست محیطی، تدوین قوانین و استانداردهای جدید در کنترل میزان آلاینده های خروجی از موتورهای بنزینی و دیزلی موجب شده فن آوری موتورهای دیزلی و بنزینی به سوی سیستم های تغذیه و احتراق پیشرفته پاشیدن سوخت و احتراق با کنترل ECU گرایش یابد.

این حرکت علاوه بر دستاوردهای چشمگیر زیست محیطی موجب رضایت دارندگان اتومبیل و دستیابی به شتاب و قدرت برتر و بهره برداری اقتصادی تر از نظر مصرف سوخت شده است. طبق آخرین گزارشهای دریافتی از مراکز تحقیقاتی و کارخانه های سازنده خودروها، برنامه زمان بندی برای دستیابی به آلودگی در حدود صفر تا سال 2010 به طور جدی پیگیری شده و هم اکنون موتورهای بنزینی و دیزلی مرحله استاندارد EURO II را پشت سرگذاشته و تولیدات را به سطح استاندارد EURO III  رسانده اند.

موضوع بکارگیری سوختهای همگام با رشد فناوری طراحی و تولید موتورهای پیشرفته همچنان پیگیری، و تطبیق فن آوری سوختهای گازی همگام، به طوری که باز هم از نظر سطح آلاینده های برتری های چشم گیر خود را نسبت به حالت گازوئیل و بنزنی سوز حفظ کرده اند. خصوصا با تاکید دانشمندان به اثر مخرب CO₂ تولیدی از احتراق موتورهای بر لایه اوزون سوختهای گازی LPG و به ویژه CNG با، تعداد کم کربن در ساختمان مولکولی و در نتیجه تولید CO₂ کمتر و همراه نداشتن ناخالصی ها به عنوان سوختهای پاک مطرح هستند.

روند رشد فناوری موتورها در دو دهه گذشته از سرعت چشمگیری برخوردار بوده و رقابت سازنده ای با هدف تولید خودرو دیزلی و بنزینی و گازسوز با آلودگی کمتر در سطح کشورهای صنعتی وجود دارد. در این دو دهه صنعت خودرو کشور ما در این رقابت حضور نداشته و لذا مترادف با سطح فناوری موتورهای دیزلی و بنزینی در مورد گاز سوز نیز از قدیمی ترین سیستم تبدیل و تجهیزات مربوطه استفاده نموده است.

متاسفانه گزارشهای دریافتی نمایانگر این واقعیت تلخ است که به دلیل عدم رضایت مبانی طراحی و تبدیل خودروهای سبک به سوخت گازی با روش مهندسی اهداف نیست محیطی طرح بهره گیری از سوختهای گازی نیز یا کمرنگ و یا ناموفق بوده است و تولید این مجموعه های کیت های گاز سوز قدیمی و ناموفق همچنان ادامه دارد.

عطف به حرکت جدید صنایع خودروسازی به سوی تولید خودروهای به روز در سطح جهانی و ساخت خودروهای مشترک با کمپانی های صاحب نام، ارائه دهنده مقاله  روند رشد فناوری موتور و خودروها را در زمینه گاز سوز منطبق یا برتر از حالت گازوئیلی و بنزینی به بحث و تحلیل علمی میگذارد و به ترتیب شش نسل تکاملی تجهیزات گازسوز بر روی خودروها را از سال 1980 الی 2000 به شرح ذیل پژوهش عمل و فن می‎کند:

1. سیستم گازسوز موتورها به روش کالیبراسیون با ونتوری ثابت که هم اکنون در کشورها متداول است.
2. سیستم گازسوز موتورها به روش کالیبراسیون، مخلوط کن متغیر.
3. سیستم گازسوز موتورها به روش کالیبراسیون با شیر متغیر و کنترل الکترونیکی و کاتالیست دو راهه نوع رقیق سوز.
4. سیستم گاز سوز با روش کالیبراسیون و شیر کنترل به روش ECU با کاتالیست سه راهه مدار بسته.
5. سیستم گازسوز با پاشیدن متمرکز با کنترل ECU و مدار بسته و کاتالیست سه راهه TBI.
6. سیستم گازسوز با پاشیدن چند نقطه ای و کنترل میکرو پروسسوری MPFI و کاتالیست سه راهه مدار بسته.

امید اینکه صنایع خودرو کشور در زمینه فن آوری گازسوز نیز مترادف با برنامه های تولیدات جدید همگام شوند.

مقدمه:

بهره گیری از سوختهای جایگزین در دهه اخیر مورد توجه مراکز پژوهشی و صنایع موتور در سطح جهانی قرار گرفته است، زیرا با کاهش ذخایر نفت، موتورهای صنعتی در حال گردش، و در برنامه تولید که از نظر اصول طراحی و فن آوری به سوختهای هیدروکربوری وابسته اند، راهی جز استفاده از سوختهای گازی ندارند متخصصان امر پیش بینی می کنند که با تقلیل تولید نفت خام، بخش رو به رشد سوخت مورد نیاز خودروها باید پس از سال 2000 با روندی رو به رشد از گاز مایع و پس از گاز طبیعی تأمین شود.  وابستگی اصول طراحی موتورها به مشخصات فیزیکی و شیمیایی و در نتیجه سازگاری سوخت با طراحی موتور روند رشد خودروهای گاز سوز را تا سه دهه آینده به طرف LPG و سیکل اتور و پس با کاهش تولید نفت خام و در نتیجه کاهش تولید LPG به طرف CNG و LNG با سیکل اتوسوق خواهد داد.

هر دو سوخت LPG و CNG در تبدیل خودروهای سواری مجهز به موتورهای SI و سیکل ترمودینامیکی OTTO می توند به ترتیب با حفظ مشخصات طراحی و با تغییراتی بسیار جزئی با توجیه فنی و اقتصادی مورد بهره برداری قرار گیرد. موضوع توسعه رو به افزایش وسایط نقلیه عمومی در سطح شهرها از طرفی و از طرف دیگر محدودیت های رو به تاکید حد آلاینده های اگزوز این وسایل که عموما از نوع دیزلی هستند بهره گیری از سوختهای گاز بر روی دیزلها را تضمین می‎کند.

هر چند کار بر روی موتورهای دیزلی با سوخت گازوئیل با آلودگی های کمتری از نظر گازهای اگزوز صدای موتور شدیدا توسط کمپانی های صاحب نام دنبال می‎شود و به موفقیت هایی نیز دست یافته‎اند ولی باید با صراحت اعلام داشت که پس از کاهش تولید نفت خام و توسعه بازار سوختهای گاز احتمال قوی وجود دارد که دیزل سازها نیز الزاما به طرف سیکل اتو OTTO سوق پیدا نماید.

زیرا سیکل به دلیل مشخصات ویژه خودرو و طراحی موتور آن در آینده توجیه فنی و اقتصادی و زیست محیطی برتری دارد. محدودیت های اعمال شده برای گازهای اگزوز بهره گیری از کاتالیست های سه منظوره را الزامی ساخته و در نتیجه روش صد در صد گاز سوز و سیکل اتور از ارجحیت برخوردار خواهد بود. مراکز پژوهشی وابسته به صنایع که کار هماهنگی بین صنعت و سازمانهای محیط زیست را کرده اند که جواب گوی محدودیت های رو به رشد در تدوین استانداردهای کنترل آلودگی اگزوز وسایل نقلیه بهره گیری از سوختهای به روش صد در صد و استفاده از سیکل اتو هستند.

روند توسعه فن آوری در سیستم های تغذیه و احتراق موتورهای سیکل اتو (OTTO)

تمرکز بر روی طراحی سیستم های تغذیه و احتراق پیشرفته از سالهای 1976 با کاهش عرضه نفت نسبت به رشد تقاضا و سیر صعودی قیمت نفت و فرآورده های سوختی مثل گازوئیل و بنزین در کشورهای صنعتی به طور جدی مطرح شد.

طراحی سیستم های تغذیه کاربراتوری و سیستم های احتراق الکترونیکی با هدف کاهش مصرف سوخت در مقابل افزایش دور و توان بر حجم موتورهای بنزینی فزونی گرفت. از سال 1984 جامعه صنعتی علاوه بر کاهش مصرف سوخت دست به ابلاغ استانداردهای میزان آلاینده های اگزوز و بخارهای خروجی از موتور و خودرو زد و عملا طراحان و سازندگان موتور و خودرو با زمانهای محدود مهلت های ابلاغ شده جهت پاسخ گویی به استانداردهای ابلاغی شدند که در اروپا به ECE معروف هستند.

با ابلاغ استاندارد ECE 15-03 تحول اساسی در طراحی کاربراتورهای مجهز به چند مدار کنترل پارامترهای فیزیکی مخلوط و احتراق الکترونیکی و کاتالیست های دو راهه گردیدن (1984). استانداردهای ECE15-04  مقدمه ای جدی برای حذف کامل سیستم های تغذیه کاربراتوری و یا حفظ آن مشروط به تجهیز مدارها به سیستم های کنترل الکتریکی همراه با سیستم احتراق الکترونیکی و کاتالیست دو راهه در یک مدار بسته شدند (1990). سیستم های انژکتوری در کاربراتور به نام TBI مجهز به سیستم کنترل طراحی شد.

استانداردهای EURO I به شکل کامل حذب سیستم کاربراتور و اعمال سیستم های انژکتوری متمرکز و چند نقطه ای با کاتالسیت های سه  راهه مجهز به سنسور را موجب شدند که به سیستم های L- jetronic و KE-Ke-jetronic و Ke K-jetronic معروف گردیدند که از روش MPFI بهره گرفتند. استانداردهای EURO II گام بلندی در جهت توسعه سیستم motronic مجهز به سیستم MPFI و احتراق کامل الکترونیکی مستقل از مکانیزم موتور و با کنترل کامپیوتری و کاتالیست سه راهه سرامیکی گردید.

تحلیل منحنی های مرجع شامل تغییرات میزان آلاینده های اگزوز CO و HC و NOX و مصرف ویژه سوخت b همراه با تغییرات گشتاور موتور نسبت به سوخت به هوا و یا ضریب نمایانگر این واقعیت است که اصولاً دست یابی به میزان آلاینده های کم در مقابل دریافت توان و گشتاور کافی و عملکرد اقتصادی موتور در محدوده 1 امکان پذیر است و این یک اصل کاملاً اثبات شده و اجتناب ناپذیر در کلیه موتورهای سیکل اتو (OTTO) می‎باشد.

مسلماً پس از حفظ محدوده 1 در سیستم تغذیه همراه با تشکیل کانون شعله قوی در زمان مناسب آلاینده های خروجی از موتور به حد متعادلی رسیده و انجام هر گونه عملیاتی بر روی اگزوز در جهت رسیدن به استانداردها ابلاغی را امکان پذیر می کنند. نگهداری نسبت هوا به سوخت در محدوده ضریب اضافه هوا برای کلیه دورها و بارهایی که موتور در آن واقع می‎شود مسلماً به روش کاربراسیون امکان پذیر نبوده و لذا گامهای تکنولوژیک در توسعه سیستم های سوخت پاشی که قبلا نام برده شده الزامی و اجتناب ناپذیر بوده است. (دیاگرام شماره 1)

در محدوده 0.96-1.2 میزان CO به کمترین حد ممکن می رسد و این امر کمک شایان توجهی به کاهش عملیات و هزینه ها در عملیات کاتالیست کنوتور برای اکسیداسیون این گاز سمی می نماید. میزان HC هیدروکربورهای سوخته شده در محدوده ضریب اضافه هوایی یاد شده در حد پائینی قرار دارد که باز هم عملیات اکسیداسیون هیدروکربورهای سوخته نشده را در درون کاتالیست کوتاه و ساده می نماید.

در حقیقت نگه داشتن نسبت سوخت به هوا در محدوده ضریب اضافه های 1، روشی است موفق در کاهش میزان اکسیژن مصرفی برای اکسیداسیون دو عامل اصلی آلودگی یعنی CO و HC. نکته جالب توجه بالا بودن میزان NOX در محدوده 1 مخلوط است که خود از گازهای کمی است، ولی در کاتالیست سه راهه نیاز به عملیات احیا جهت خنثی شدن و تبدیل به ازت دارد.

در حقیقت از دیدگاه عملیات پس از خروج از موتور بر روی گازهای آلاینده به صلاح است. نخست عملیات احیای NOX و تبدیل به گاز خنثی انجام و اکسیژن حاصل از احیا جهت اکسیداسیون دو ماده آلاینده دیگر که CO و HC باشد استفاده شود. این شگرد یعنی نگه داشتن مخلوط در محدوده 1 کمک شایانی به کاهش هزینه ها و صرف انرژی برای عملیات پس از خروج از موتور را می نماید. (After treatment).

تامین رضایت مصرف کنندگان خودرو که همواره به دنبال قدرت برتر و قابلیت مانور افزونتر خودرو هستند، مخلوط هوا و سوخت غلیظ با 1 را ایجاب می نماید، ولی محدودیتهای زیست محیطی و ارتقای فرهنگ حفاظت از محیط زیست موضوع را به مصالحه ای خردمندانه سوق می‎دهد. به طوری که در محدوده های زمانی کوتاه مدت و حسب نیاز راننده سوارهای توان ماکزیمم و گشتاور و شتاب برتر در سیستم رایانه ای کنترل خودرو پیش بینی و در آن مقاطع سوخت سخاوتمندانه وارد موتور می‎شود. ولی این لحظات و نیازهای کوتاه مدت و گذر است.

طراحان ترافیک جاده های شهری و بین شهری جهت دست یابی به اهداف ملی سیکل ترافیکی را طوری طراحی که حتی الامکان از شتاب های لحظه ای و سبقت های مثبت و منفی جلوگیری شود اصطلاحا یک رانندگی با نرمش را برنامه ریزی می نماید (Gently). سیگنالهای ارسالی از اکسیژن سنسور قبل از کاتالیست جهت تزریق هوا و جبران کمبود اکسیژن عملیات اکسیداسیون نیز ارائه شده در مرحله قبل از کاتالیست حفظ محدوده 0/975…105 .

به سه بخش اساسی مخلوط غلیظ Rich= 0/975 .1 و محدوده استوی کیومتریک stoichiometric= 1.1/025 و محدوده فقیر یا Leun= 1/025- 1/05 تقسیم شده است. در محدوده غلیظ قبل از کاتالیست میزان HC و CO بالا ولی NOX متعادل است و پس از عملیات احیاء و اکسیداسیون درکاتالیست میزان CO و HC نسبتاً متعادل و میزان NOX کاهش چشمگیری دارد. سنسور اکسیژن میزان بالای اکسیژن حاصل از احیای NOX را نشان می‎دهد.

در محدوده استوکیومتریک میزان HC و CO قبل از کاتالیست متعادل و پس از کاتالیست در اثر استفاده از اکسیژن تولید در مرحله 1 میزان CO و HC شدیدا پائین می‎آید و میزان NOX در حد متعادل و رو به افزایش است و سیگنال سنسور نمایانگر مصرف اکسیژن است. در محدوده فقیر Leun استمرار عملیات دستیابی به میزان CO  و HC و NOX متعادل را نشان می‎دهد.

رابطه سوخت  و آلاینده ها  و روند توسعه فن آوری

کنترل محدود اکتان که اصلی ترین پارامتر فیزیکی و شیمیایی سوخت در سیکل اتو OTTO می باشد، در بنزین های معمولی با دو کلاس Regular و super به کمک ماده افزودنی تتراتیل سرب (C₂H­₅)₄ pb انجام می شود، ولی با توسعه فن آوری سیستم های MPFI و TBI و اصلاحات انجام شده در فن آوری مواد اجزای موتور در محفظه احتراق پاسخ گوی نیاز به حذف عوامل سرب در سوخت  ودر نتیجه در گازهای اگزوز را موجب شد. پس در اصل نیاز به حذف عوامل سرب در سوخت و در نتیجه درگازهای اگزوز را موجب شد.

پس در اصل نیاز به حذف عوامل سرب از ماده سوختی به عنوان مخرب محیط زیست و عدم امکان بهره گیری از سوخت های سرب دار در سیستم های مجهز به کاتالیست به دلیل اثر غیرفعال نمودن کاتالیست به واسطه وجود سرب در دور اگزوز تولید و توسعه و بهره گیری از سوختهای بنزین بدون سرب الزامی می سازد.

بنزینهای بدون سرب که یا به روش شکستن هیدروکربورهای با عدد اکتان پائین و تبدیل به هیدروکربورهای اکتان بالا و یا به طریق افزودن توام بنزین عملیات شده در راکتور و ماده MTBE به بازار ارایه می‎شوند عملا عوامل سرب را به همراه ندارند، ولی از دیدگاه احتراق ساختمان شیمیایی سوخت به سوی آروماتها و هیدروکربورهای مقاوم در مقابل اکسیداسیون پیش می رود. این مهم موجب می‎شود که اولا نیاز مبرم به تشکیل کانون شعله  قوی تک نقطه یا چند نقطه ای داریم تا تضمین کننده احتراق کامل باشد ثانیا مخلوط حتما باید در محدوده اقرار داشته باشد.

پس ارائه دهنده مقاله صراحتا اعلام می دارد که استفاده از بنزین بدون سرب در موتورهای قدیمی جدا از مسئله ایجاد تنش در اجزای داخلی اتاق احتراق به دلیل حذف عامل روان کاوی فلزی سرب Metalt lubricant با احتراق ناقص و افزایش چشمگیر و خطرناک هیدروکربورها و آن هم از انواع مضرترین آن و افزایش میزان CO ختم می‎شود و جدا از مسئله حذف سرب اهداف زیست محیطی را پاسخ گو نیست.

پس تولید و توسعه بنزین بدون سرب باید همگام با توسعه تولید موتورهای مجهز به سیستم MPFI و TBI با کاتالیست کنوتور sensor و کنترل ECU باشد  ودر غیر این صورت عوامل آلاینده شدیدا بالا خواهد رفت.

• چکیده
• مقدمه
• دیدگاههای جهانی در مورد آلاینده سوختهای فسیلی
• تدوین استانداردهای جدید در محدود کردن میزان گازهای آلاینده اگزوز
• روند توسعه فن آوری در سیستم های تغذیه و احتراق موتورهای سیکل اتو (OTTO)
• رابطه سوخت و آلاینده ها و روند توسعه فن آوری
• روند توسعه فن آوری گاز سوز همگام با صنایع خودرو
• گامهای فن آوری در موتورهای گازسوز
• روند توسعه فن آوری موتورهای دیزلی و موضوع گازسوز
• روند توسعه فن آوری گاز سوز در تبدیل موتورهای دیزلی
• روند اجرای پژوهش و توسعه موتورهای گازسوز با روش 2
• شرح عناوین طرح های موفق از پژوهش تا توسعه و بهره برداری طبق برنامه ریزی وزارت صنایع
• شرح عناوین طرح های موفق پژوهشی اجرا شده و در انتظار توسعه تحت حمایت وزارت صنایع
• نتیجه گیری:
• منابع تخصصی و علمی مقاله

منابع تخصصی و علمی مقاله

1. N. O Comblustion Engines 1994.
2. N. O Engine management system 1992.
3. Symposium on the use of ga fuel for I. C. E kier 1991.
4. V. L. Engine and Enviroment 1994.
5. مجموعه گزارشها و مقالات دانشگاه تبریز در زمینه موتورهای گازسوز به روش دوگانه آقای دکتر پیروز پناه.
6. گزارشهای مرکز پژوهشی و خدمات علمی وزارت نفت – گروه سوخت و احتراق.
7. گزارشهای دانشگاه تهران دانشکده فنی، آقای دکتر ابتکار.
8. مجموعه مقالات همایش سراسری مراکز تحقیق و توسعه صنایع کشور- ل – سوادکوهی.