درسنامه آموزشی دانش فنی تخصصی کلاس دوازدهم مکانیک خودرو

مقدمه

سالیان زیادی است که موتورهای درون سوز از بنزین و گازوئیل به عنوان سوخت‌های اصلی استفاده می‌کنند. در انتهای قرن 20 و ابتدای قرن حاضر کاهش شدید منابع فسیلی باعث شد تا توجه ویژه‌ای به سوخت‌های جایگزین شود. این سوخت‌های جایگزین از محصولات پتروشیمی، گازهای حاصل از،زیست توده‌ها و پسماندهای محصولات کشاورزی حاصل می‌شوند. این سوخت‌ها علاوه بر کاهش استفاده از سوخت‌های فسیلی در خودروها آثار مخرب زیست محیطی کمتری دارند.

استاندارد عملکرد 

هنرجو باید بتواند پس از پایان این پودمان فرایند احتراق را شناخته، پس از آشنایی با محصولات احتراق کامل و ناقص، انواع سوخت‌های جایگزین بنزین و گازوئیل را شناسایی و مقایسه کند.

فرایند احتراق

در یک فرایند احتراق، اجزایی که قبل از احتراق وجود دارند، واکنش گرها و اجزایی که بعد از واکنش احتراق به وجود می‌آیند، محصولات احتراق نامیده می‌شوند.

احتراق کامل

هرگاه تمام اجزای قابل احتراق سوخت در یک فرایند احتراق به طور کامل بسوزند، فرایند احتراق کامل است. شکل 1 فرایند احتراق کامل یا واکنش سوختن سوخت‌هایی مانند بنزین و گازوئیل را بیان می‌کند. محصولات احتراق کامل شامل مقداری کربن دی اکسید، بخارآب، نیتروژن، اکسیژن و گرما بوده و کمترین آلایندگی را دارد.

احتراق ناقص

هرگاه در محصولات احتراق، اجزایی مثل $HC$ و $CO$ و $C$ و $N{O_X}$ و... وجود داشته باشند، همه سوخت نسوخته است و فرایند احتراق ناقص است.

احتراق استوکیومتریک

احتراقی که در آن سوخت به‌طور کامل و با کمترین هوای مورد نیاز برای احتراق کامل می‌سوزد احتراق استوکیومتریک آن سوخت نامیده می‌شود.

در نمودار زیر عوامل مؤثر در انتخاب سوخت‌های موتور احتراقی نوشته شده است.

سوخت‌های جایگزین بنزین و گازوئیل

سوخت‌های جایگزین بنزین

1- گاز طبیعی CNG
2- گاز مایع LPG
3- هیدروژن ${{{H}}_2}$
4- اتانول ${C_2}{H_5}OH$
5- متانول $C{H_3}OH$

سوخت‌های جایگزین گازوئیل

1- بیودیزل

فرایند احتراق انواع سوخت

بنزین

سوختن سوخت‌های فسیلی یا هیدروکربن‌ها (ترکیبات آلی که تنها دارای کربن و هیدروژن هستند مانند متان $C{H_4}$ و پروپان ${C_3}{H_8}$ وبوتان ${C_4}{H_{10}}$ و...) نمونۀ معمول و رایج واکنش سوختن است.

به علّت نقص سیستم احتراق، همیشه مقداری از کربن‌های سوخت نمی‌توانند اکسیژن لازم را به دست آورند، لذا گاز سمی و خطرناک کربن منواکسید (CO) تولید می‌کنند. همچنین در اثر کمبود اکسیژن و یا نقص سیستم احتراق، بخشی از سوخت نمی‌سوزد که به آن هیدروکربن نسوخته (HC) می‌گویند و از آلاینده‌ها است. مقدار کربن منواکسید، هیدروکربن نسوخته و نیتروژن اکسیدها (نیتروژن اکسید، نیتروژن دی اکسید و نیتروژن تری اکسید) را در محصولات احتراق باید با هر روش ممکن به کمترین مقدار و در حد استانداردهای آلایندگی رساند. سایر مطالب مربوط به بنزین در کتاب تعمیر سیستم سوخت‌رسانی گفته شده است.

بخش عمده‌ای از بنزین معمولی شامل هیدروکربن‌هایی است که در هر مولکول بین 5 تا 12 اتم کربن دارند. در احتراق بنزین که یک فعل و انفعال شیمیایی است، با ترکیب شدن هیدروژن سوخت (H) با اکسیژن، بخار آب $({H_2}O)$ و با ترکیب شدن کربن سوخت (C) با اکسیژن، گاز کربن دی اکسید $(C{O_2})$ تولید می‌شود. 

 فرایند احتراق کامل اکتان ${C_8}{H_{18}}$ (از ترکیبات بنزین) 

${C_8}{H_{18}} + 12/5{O_2} \to 8C{O_2} + 9{H_2}O + $ انرژی حرارتی 

گازوئیل

این سوخت از هیدوکربن‌هایی تشکیل شده است که بین 13 تا 22 اتم کربن دارند. همانند بنزین از احتراق کامل گازوئیل نیز بخار آب و کربن دی اکسید و انرژی گرمایی تولید می‌شود.

فرایند احتراق کامل (نوعی گازوئیل ${C_{16}}{H_{34}}$)

${C_{16}}{H_{34}} + \frac{{49}}{2}{O_2} \to 16C{O_2} + 17{H_2}O + $ انرژی گرمایی

گاز طبیعی

90 درصد از اجزای گاز طبیعی را متان $(C{H_4})$ تشکیل می‌دهد که کوچک‌ترین و ساده‌ترین عضو خانواده هیدروکربن‌ها است. احتراق کامل گاز طبیعی که در خودرو به صورت CNG مصرف می‌شود نیز کربن دی اکسید و بخار آب تولید می‌کند. (شکل 3)

گاز مایع LPG

گاز LPG، گازی است که از نفت خام استخراج می‌شود و تحت فشار مایع است و وقتی فشار از روی آن برداشته شود به حالت گاز در می‌آید. این گاز ترکیبی از گاز بوتان و پروپان است در برخی موارد درصد پروپان بیشتر بوده و گاهی نیز درصد بوتان بیشتر می‌باشد. در شکل 4 فرایند احتراق کامل گاز نفتی مایع شده (LPG) (با پروپان بیشتر) نوشته شده است. از سوختن LPG نیز کربن دی اکسید، آب و حرارت تولید می‌شود. 

هیدروژن $({H_2})$

در ساختار شیمیایی سوخت هیدروژن، کربن وجود ندارد؛ بنابراین اگر گاز هیدروژن در هوا بسوزد فقط بخار آب تولید می‌شود. در احتراق کامل هیدروژن، نیتروژن موجود در هوا بدون واکنش از اگزوز خارج می‌شود؛ اما اگر دمای احتراق بالا باشد در اثر واکنش اکسیژن و نیتروژن موجود در هوا، اکسید نیتروژن تولید می‌شود که آن را باید به حداقل رساند.

فرایند احتراق کامل هیدروژن 

انرژی حرارتی $2{H_2} + {O_2} \to 2{H_2}O + $

اتانول $({C_2}{H_5}OH)$

اتانول یکی از انواع الکل است و آن را می‌توان از مواد گیاهی مانند ذرت و نیشکر، مواد سلولزی مثل چوب یا کاغذ باطله و ... تهیه کرد. از احتراق کامل اتانول مایع با گاز اکسیژن، دی اکسید کربن، آب و حرارت تولید می‌شود.

فرایند احتراق کامل اتانول 

${C_2}{H_5}OH + 3{O_2} \to 2C{O_2} + 3{H_2}O + $ انرژی حرارتی

متانول $(C{H_3}OH)$

متانول ساده‌ترین نوع الکل بوده و مایعی سبک، فرار، بدون رنگ و قابل اشتعال است. از سوختن کامل متانول در هوا، دی اکسید کربن، آب و حرارت تولید می‌شود. 

فرایند احتراق کامل متانول

$C{H_3}OH + 1/5{O_2} \to C{O_2} + 2{H_2}O + $ انرژی حرارتی

فرایند احتراق کامل برخی سوخت‌ها در جدول 2 آورده شده است. 

محصولات به دست آمده از احتراق کامل برخی سوخت‌ها

بنزین	${C_8}{H_{18}} + 2/5{O_2} \to 8C{O_2} + 9{H_2}O + $ انرژی حرارتی
هیدروژن	$2{H_2} + {O_2} \to 2{H_2}O + $ انرژی حرارتی
اتانول	${C_2}{H_5}OH + 3{O_2} \to 2C{O_2} + 3{H_2}O + $ انرژی حرارتی
متانول	$2C{H_3}OH + 3{O_2} \to 2C{O_2} + 4{H_2}O + $ انرژی حرارتی
LPG	${C_3}{H_8} + 5{O_2} \to 3C{O_2} + 4{H_2}O + $ انرژی حرارتی
گاز طبیعی (متان)	$C{H_4} + 2{O_2} \to C{O_2} + 2{H_2}O + $ انرژی حرارتی
گازوئیل	${C_{16}}{H_{34}} + 24/5{O_2} \to 16C{O_2} + 17{H_2}O + $ انرژی حرارتی

در جدول 3 برخی تغییرات مورد نیاز موتورهای بنزینی برای به کارگیری سوخت‌های جایگزین اشاره شده است.

تغییرات موردنیاز موتورهای بنزینی برای به کارگیری سوخت‌های جایگزین

نوع سوخت	مکانیزم سر سیلندر	سیستم جرقه	رینگ پیستون	سیستم خنک‌کاری	تجهیزات جانبی
هیدروژن	جنس سرسیلندر و لوازم آن نیاز به تقویت دارد.	جرقه ریتارد شود.	جنس مقاوم‌تر باشد.	انتقال حرارت باید بیشتر باشد	به کیت سوخت‌رسانی مجزا نیاز است.
LPG و CNG	تقویت سوپاپ و سیت سوپاپ نیاز است.	جرقه باید آوانس شود.	-	-	به کیت سوخت‌رسانی جداگانه نیاز است.
اتانول و متانول	-	زمان‌بندی جرقه باید تغییر کند.	-	-	در درصدهای بالا تغییراتی در موتور نیاز می‌باشد.

کاربرد سوخت‌های جایگزین در خودروها

CNG و LPG

آلودگی مواد منتشر شده از احتراق این سوخت‌ها به مراتب کمتر از مقادیر مشابه برای سوخت‌های بنزین و گازوئیل می‌باشد. با توجه به مشکلات ناشی از قیمت، چگونگی تأمین سوخت و تجهیزات سوخت رسانی بنزین و گازوئیل، سوخت‌های جایگزین را می‌توان به کار برد. برای استفاده از سوخت‌های جایگزین باید شرایط مختلفی را در نظر گرفت. ماهیت متفاوت احتراق سوخت‌های جایگزین، مستلزم تغییر در سیستم سوخت‌رسانی و زمان‌بندی احتراق است.

پرکاربردترین سوخت جایگزین در ایران، گاز طبیعی فشرده (ترکیبی از مقدار زیادی متان و مقدار کمتری اتان) است. این گاز در شرایط محیطی معمولی، به صورت گاز بوده و برای استفاده در خودروها با فشاری بیش از «200 بار» در مخازن مخصوص ذخیره می‌شود. ماده اصلی تشکیل دهندۀ گاز LPG بوتان و پروپان است ولی شامل سایر گازهای هیدروکربنی هم می‌شود. LPG به علت مایع بودن، تراکم انرژی بالایی داشته و برای جایگزینی بنزین در خودروها مناسب است. و کمترین تغییرات را در ساختار موتور نیاز دارد. 

LPG در دما و فشار معمولی به صورت گاز است. آن را با فشاری در حدود 6 تا 8 بار به مایع تبدیل می‌کنند و سپس در مخازن تحت فشار کمتر از 13 بار ذخیره می‌کنند. برای ذخیره مقدار مشخصی انرژی، حجم مخزن LPG تقریباً دو برابر و وزن آن 1/5 برابر مخزن بنزین است. روش استفاده و نصب آن همانند CNG می‌باشد.

مزایای LPG و CNG نسبت به بنزین

- عدد اکتان بالاتر از بنزین و تحمل نسبت تراکم بیشتر
- آلایندگی کمتر؛
- ارزش حرارتی بیشتر
- گاز CNG از هوا سبک‌تر است.

معایب LPG و CNG نسبت به بنزین

- وزن و فضای بیشتر برای مخزن LPG و CNG
- احتراق کندتر
- گاز LPG از هوا سنگین‌تر است.

کاربرد سوخت زیستی (بایوفیول) جایگزین بنزین در خودرو

همان‌طور که می‌دانید سوخت‌های تجدیدپذیر و زیستی مناسب بسیاری برای جایگزینی سوخت خودروهای بنزینی و دیزلی وجود دارند و بسیاری از آن‌ها در حال استفاده بوده و برخی دیگر درحال توسعه هستند.

اتانول

اتانول یک سوختِ جایگزین تجدیدپذیر بوده و کاربرد آن در حال گسترش است. اتانول اغلب برای کاهش آلودگی به بنزین و گازوئیل افزوده می‌شود. برخی خودروسازان موتورهایی ارائه می‌کنند که می‌توانند هم از بنزین معمولی و هم از اتانول و یا ترکیبی از این دو استفاده کنند. اتانول مانند نفت منبع پایان پذیری نیست؛ و نیز برای ساخت اتانول انرژی زیادی مورد نیاز است.

به‌طور کلی برای تولید سوخت‌های الکلی می‌توان از محصولات مختلفی نظیر چغندرقند، سیب زمینی، آفتابگردان، اکالیپتوس، نیشکر، جو و ذرت و... استفاده کرد.

اتانول و بنزین

در شکل 6 درصدهای مختلفی از اتانول که با بنزین ترکیب شده‌اند در یک جایگاه سوخت‌گیری نشان داده شده است. E85 به معنی ترکیب 85 درصد اتانول با 15 درصد بنزین است. E30 یعنی 30 درصد اتانول با 70 درصد بنزین ترکیب شده است. متناسب با نوع خودرو و قیمت سوخت، مشتری می‌تواند سوخت مورد نظر را انتخاب کند. 

اتانول و گازوئیل

اتانول در ساختار شیمیایی خود اکسیژن دارد و باعث کاهش کربن مونواکسید، ازت دی اکسید و ذرات معلق می‌شود. البته اتانول در دماهای پایین به راحتی با گازوئیل مخلوط نمی‌شود و باید با کمک حلال، قطرات اتانول را درون سوخت معلق نگه داشت. همچنین اتانول عدد ستان پایینی دارد و موجب افت عدد ستان مخلوط اتانول - گازوئیل و کاهش توان موتور می‌شود. شکل 7 نمایی از یک جایگاه سوخت را نشان می‌دهد.

متانول

متانول یا الکل چوب، همانند اتانول یک سوخت مایع با ارزش حرارتی بالا است. همچنین قیمت آن با قیمت بنزین تقریباً یکسان بوده و می‌تواند از زغال سنگ و چوب نیز به دست آید. بیشتر کارخانه‌های بزرگ خودروهایی تولید می‌کنند که دارای شاخص M85 هستند؛ بدین معنی که 85 درصد سوخت مصرفی آن‌ها متانول و 15 درصد بنزین است. البته خودروهایی که متانول خالص مصرف می‌کنند یا به عبارتی دارای شاخص M100 باشند، از لحاظ زیست محیطی ایدئال به نظر می‌آیند. برخی از کارخانه‌ها توانسته‌اند خودرویی با این قابلیت را ارائه دهند.

جدول 4 مزایا و معایب اتانول و متانول نسبت به بنزین را بیان می‌کند.

مزایای اتانول و متانول نسبت به بنزین

- وجود اتم اکسیژن در ترکیبات شیمیایی سوخت‌های اتانول و متانول که باعث بهبود فرایند احتراق و کاهش آلایندگی می‌شود.
- سوخت‌های اتانول و متانول از مواد تجدیدپذیر و از تخمیر کاه، چوب، ذرت، پوشال، ساقه‌های کشت شده و یا مواد دورریز اشتعال پذیر به وجود می‌آیند.
- آلایندگی سوخت اتانول و متانول در ترکیب با بنزین کمتر از بنزین خالص است.
- عدد اکتان اتانول و متانول بالاست و می‌توان نسبت تراکم و توان موتور را افزایش داد.
- برای استفاده از سوخت‌های تجدیدپذیر الکلی نیاز به تغییرات خاصی در ساختار و طراحی‌های موتور بنزینی نیست.
- سرعت بالای شعله در اتانول ترکیب شده با بنزین، به کامل شدن احتراق در سرعت و بارهای زیاد موتور کمک می‌کند.

معایب اتانول و متانول نسبت به بنزین

- اتانول جاذب رطوبت است و باعث خورندگی سیستم سوخت رسانی می‌گردد.
- در سوخت اتانول و متانول دامنه ارتعاشی موتور نسبت به بنزین بالاتر است. این موضوع به علت سرعت بالای شعله در سوخت‌های الکلی است.
- متانول نسبت به اتانول سمی می‌باشد.
- ارزش حرارتی سوخت اتانول و متانول کمتر از بنزین است این موضوع باعث افت توان موتور می‌شود.
- قیمت این محصول بالاست. (هزینه تهیه اتانول 3 تا 5 برابر بنزین است)

هیدروژن

هیدروژن به عنوان انرژی پاک و پایدار به حساب می‌آید و گزینه‌ای مناسب برای جایگزینی کامل سوخت‌های فسیلی است. محصول سوختن هیدروژن تنها آب است و هیچ دودی بر جای نمی‌گذارد. آب خارج شده از موتور قابل مصرف است. با تولید هیدروژن از روش‌های پاک، خودروهای هیدروژنی در مقایسه با نمونه‌های الکتریکی بسیار پاک‌تر هستند.

سوخت زیستی

سوخت زیستی یا Biofuel از منابع زیست توده یا (Biomass) به دست می‌آید و شامل بیودیزل، اتانول، متانول و سوخت‌های دیزل گازی (نظیر بیوگاز و گاز سنتزی یا گاز سنتزی بیو که از منابع زیست توده تولید می‌شود) است. در نمودار روش‌های تولید سوخت زیستی آورده شده است.

آلاینده‌های منتشر شده از موتورهای دیزلی یکی از منابع مهم آلودگی محیط زیست است. یکی از راه‌های کاهش این آلایندگی‌ها استفاده از سوخت‌های افزودنی به گازوئیل یا استفاده از سوخت‌های جایگزین به جای گازوئیل است.

بیو دیزل یکی از انواع سوخت‌های زیستی است که از روغن‌های گیاهی، چربی‌های حیوانی، روغن آشپزی و روغن‌های سنگین به دست می‌آید. ویژگی این مواد اولیه بازیافت و بازگشت آسان آن‌ها به چرخه طبیعت است. این روغن‌ها از طریق کشت و فرآوری به دست آمده و به بیودیزل تبدیل می‌شوند؛ و هر خودرویی با موتور دیزل می‌تواند از آن استفاده کند.

موتورهای دوگانه سوز (Bifuel)

خودروهای دوگانه سوز، به آن دسته از خودروهایی گفته می‌شود که با استفاده از کیت تبدیل، می‌توانند دو نوع سوخت متفاوت (مانند بنزین و گاز طبیعی) استفاده کنند. در واقع طراحی اولیه این خودروها برمبنای سوخت بنزین بوده است. روش عملکرد این خودروها بدین گونه است که با استفاده از کیت گازسوز می‌توان به هنگام نیاز، سوخت مصرفی را از بنزین به گاز تغییر داد.

برخی تغییرات در تبدیل موتور بنزینی به CNG

تغییرات در تبدیل از بنزین سوز به گازسوز	اثر	مقدار
تغییر در نوع سوخت	کاهش قدرت و توان	8 تا 15 درصد
چگالی انرژی سوخت (مقدار انرژی نسبت به جسم)	چگالی انرژی کمتر سوخت و کاهش برد	40 درصد و بیشتر
حجم ذخیره‌سازی سوخت	افزایش حجم مخزن سوخت و کاهش فضای خودرو	زیاد
وزن ذخیره‌سازی	تجهیزات سنگین‌تر، کاهش شتاب، نیاز به تقویت سیستم ترمز و فنربندی-افزایش میزان آلایندگی	قابل توجه
مقدار آلاینده‌ها	کاهش آلاینده‌ها	زیاد
قیمت سوخت	صرفه جویی در قیمت سوخت	30 درصد یا بیشتر

در جدول زیر ویژگی‌های احتراق یک موتور احتراق داخلی گازسوز و پیامدهای آن نوشته شده است. به کمک هنرآموز آن را تکمیل کنید.

ویژگی‌های احتراق یک موتور گازسوز و پیامدهای آن

ویژگی	پیامد
گازی شکل بودن سوخت	- افزایش حجم سوخت و کاهش حجم هوا در مخلوط سوخت و هوا - ................ - عدم نیاز به تبخیر سوخت در لحظه راه ‌اندازی (کاهش آلاینده‌ها)
اختلاط بهتر و یکنواخت‌تر با هوا	- سوختن کامل تر و کاهش گاز کربن مونواکسید (CO) و هیدروکربن‌های نسوخته (HC) - کاهش سروصدا و کار کردن آرام موتور - وجود مخلوط یکنواخت
افزایش دمای محفظه احتراق	- لزوم افزایش مقاومت حرارتی و سایشی سوپاپ‌ها و نشیمنگاه‌های آن‌ها - .......
بالا بودن عدد اکتان	- ..... - کاهش مصرف سوخت – افزایش بازده حرارتی
خشک بودن و عدم خاصیت روان‌کاری و خنک‌کنندگی گاز	- لزوم بهبود روان‌کاری و مجموعه روغن‌کاری
پایین بودن هیدروکربن نسوخته و کامل‌تر سوختن گاز	- نداشتن رسوبات کربن و طولانی شدن عمر شمع‌ها

استانداردهای آلایندگی در وسایل نقلیه بنزینی و دیزلی

استانداردهای آلایندگی

سازمان حفاظت محیط زیست کشورهای جهان میزان یا نرخ خروجی آلاینده‌های گوناگون از اگزوز خودروها را برحسب گرم بر ثانیه (gr/sec) یا گرم بر کیلومتر پیموده شده (gr/km) و در شرایط موتور گرم و موتور سرد تعریف کرده‌اند. در بسیاری از موارد این استانداردها برای خودروهای گوناگون در شرایط «روی جک و در کارگاه» تعیین شده است. در اروپا میزان نرخ آلاینده خروجی از اگزوز یا (Emission Rate) و یا به‌طور خلاصه (Q)، در چهار حالت ایستا، آغاز حرکت (شتاب‌گیری)، در حرکت با سرعت ثابت و در توقف برای تأیید خودروهای جدید تعریف و تعیین شده است.

استانداردهای آلایندگی اروپا

میزان حداکثر مجاز انتشار گازهای آلایندۀ خودروهای نو را که در کشورهای اتحادیه اروپا فروخته می‌شوند، تعریف می‌کند. این استاندارد، انتشار نیتروژن اکسیدها $(N{O_X})$ و هیدروکربن‌ها (THC) و هیدروکربن‌های بدون متان (NMHC) و کربن مونوکسید (CO) و ذرات معلق (PM) را در بردارد. برای گونه‌های مختلف خودرو استانداردهای گوناگونی در نظر گرفته می‌شود.

در جدول 8 و 9 استانداردهای آلایندگی برای خودروهای سواری بنزینی و دیزلی آورده شده است. البته استاندارد آلایندگی برای خودروهای تجاری و سنگین‌تر اندکی فرق دارد.

جدول 8- استاندارد آلایندگی خودروهای سواری بنزینی برحسب g/km

PM	$HC + N{O_X}$	$N{O_X}$	NMHC	THC	CO	تاریخ	ردیف
-	(1/13) 0/97	-	-	-	(3/16)2/72	ژوئیه 1992	Euro1
-	0/5	-	-	-	2/2	ژانویه 1996	Euro2
-	-	0/15	-	0/20	2/3	ژانویه 2000	Euro3
-	-	0/08	-	0/10	1/0	ژانویه 2005	Euro4
**0/005	-	0/060	0/068	0/100	1/000	سپتامبر 2009	Euro5
**0/005	-	0/060	0/068	0/100	1/000	سپتامبر 2014	Euro6 (future)

جدول 9- استاندارد آلایندگی خودروهای سواری دیزلی برحسب g/km

PM	$HC + N{O_X}$	$N{O_X}$	NMHC	THC	CO	تاریخ	ردیف
(0/18) 0/14	(1/13) 0/97	-	-	-	(3/16)2/72	ژوئیه 1992	Euro1
0/08	0/7	-	-	-	1/0	ژانویه 1996	Euro2
0/05	0/56	0/50	-	-	0/64	ژانویه 2000	Euro3
0/025	0/30	0/25	-	-	0/50	ژانویه 2005	Euro4
0/005	0/230	0/180	-	-	0/500	سپتامبر 2009	Euro5
0/005	0/170	0/080	-	-	0/500	سپتامبر 2014	Euro6

استاندارد آلایندگی در ایران

جدول 10 بیانگر حداکثر آلایندگی مجاز سوخت بنزین در مراکز معاینه فنی کشور برای خودروهای داخلی و خارجی در سال 1397 می‌باشد.

جدول 10- حداکثر آلایندگی مجاز در ایران

نوع آلایندگی	$CO(\% )$	$FastCO(\% )$	$HC(PPM)$	${O_2}(\% )$	$\lambda $
حداکثر مقدار مجاز خودروهای انژکتوری با مدل 1384 و بالاتر از آن	0/7	0/6	250	3	$1 \pm 0/05$
حداکثر مقدار مجاز خودروهای انژکتوری با عمر پایین تر از مدل 1383	2	1/7	250	3	-
حداکثر مقدار مجاز خودروهای کاربراتوری	2	-	400	3	-

مقایسه میزان آلایندگی بنزین و گازوئیل با سوخت‌های جایگزین

بررسی آلایندگی سوخت اتانول و متانول ترکیب شده با بنزین

در این بخش به میزان آلایندگی برخی سوخت‌های جایگزین با سوخت بنزین و گازوئیل که توسط برخی محققین آزمایش و بررسی شدهاند پرداخته می‌شود. جدول 11 میزان آلایندگی بنزین خالص و ترکیب‌های 10 و 20 درصد سوخت متانول و اتانول با بنزین را در یک نوع خودرو در دور 1000RPM و زیر بار نشان می‌دهد.

جدول 11- مقایسه آلایندگی بین ترکیب‌های مختلف سوخت متانول و اتانول با بنزین

نوع سوخت / نوع آلایندگی	$CO(\% )$	$HC(ppm)$	$N{O_X}(ppm)$	$C{O_2}(\% )$
بنزین خالص	1/9	220	1050	11/4
اتانول 10 درصد	1/5	200	1480	11/7
متانول 10 درصد	1/4	185	1460	12/2
اتانول 30 درصد	0/9	182	2045	12
متانول 30 درصد	1	180	2060	12/4

کربن منواکسید: نتایج آزمایش در جدول 11 نشان می‌دهد با افزایش درصد اتانول و متانول ترکیب شده با بنزین، مقدار کربن منواکسید نسبت به بنزین خالص کاهش می‌یابد. علت کاهش درصد کربن مونواکسید در سوخت‌های ترکیبی این است که اتانول $({C_2}{H_5}OH)$ و متانول $(C{H_3}OH)$ در ساختار اتمی خود کربن کمتری نسبت به بنزین $({C_8}{H_{18}})$ دارند. علت دیگر آن وجود اکسیژن در ساختار اتمی آنهاست که با افزایش درصد سوخت متانول و اتانول ترکیبی در بنزین باعث احتراق کامل‌تری می‌شود.

نیتروژن اکسید: نتایج آزمایش‌ها در جدول 11 نشان‌دهنده افزایش نیتروژن دی اکسید در درصدهای مختلف سوخت اتانول و متانول نسبت به بنزین است.

علت موضوع بالا این است که در سوخت‌های اتانول و متانول دمای شعله و سرعت شعله افزایش می‌یابد، بنابراین میزان نیتروژن دی اکسید افزایش می‌یابد.

کربن دی اکسید: نتایج آزمایش در جدول 11 نشان می‌دهد که درصد کربن دی اکسید سوخت‌های اتانول و متانول با افزایش درصد ترکیبی آن‌ها نسبت به بنزین خالص افزایش می‌یابد. بهبود احتراق و بودن اکسیژن در سوخت‌های ترکیبی باعث بالا رفتن میزان دی اکسید کربن می‌شود.

هیدروکربن: هیدروکربن نسوخته محصول احتراق ناقص و عدم تأمین هوای کافی برای سوخت است. جدول 11 کم شدن میزان هیدروکربن نسوخته در سوخت‌های اتانول و متانول نسبت به بنزین را نشان می‌دهد. با افزایش درصد سوخت‌های اتانول و متانول در بنزین مقدار هیدروکربن نسوخته نیز کاهش یافته است. دلیل این موضوع وجود اکسیژن در ساختار شیمیایی سوخت‌های الکلی است و حتی سوخت متانول نسبت به اتانول اکسیژن بیشتری فراهم می‌کند.

مقایسه آلایندگی سوخت‌های CNG ،LPG، بنزین و گازوئیل

جدول 12- مقایسه آلایندگی سوخت‌های CNG ،LPG، بنزین و گازوئیل

Diesel	CNG	LPG	Gasoline
0/67	0/45	0/91	1/12	$(CO (g/km$
0/14	0/36	0/12	0/15	$HC (g/km)$
0/74	0/13	0/21	0/15	$N{O_X}({\text{g}}{\text{/km}})$
0/094	0/025	0/005	0/015	$(Particulates (g/km$

بررسی آلایندگی و توان موتور دیزل با 10 درصد اتانول مخلوط شده با گازوئیل

تحقیقاتی در دانمارک بر روی یک دستگاه کامیون اسکانیا با 10٪ اتانول ترکیب شده با گازوئیل نشان داد که ذرات معلق، کربن منواکسید و اکسیدهای ازت $(N{O_X})$ نسبت به گازوئیل معمولی به ترتیب 31% ، 29% و 5% کاهش پیدا کرده است. مصرف سوخت حدود 2/2% افزایش یافته و حداکثر توان موتور تقریباً 7% کاهش داشت.

روش‌های کنترل میزان آلایندگی در خودروهای بنزینی

کنترل آلایندگی

به دلیل تفاوت‌هایی که در خصوص هر یک از سوخت‌های بنزینی، گازی و گازوئیلی بر شمردیم برای آزمایش موتورهای بنزینی، گازسوز و گازوئیلی دستگاه آنالیز پنج گاز ($HC$ و $C{O_2}$ و $CO$ و $N{O_X}$ و ${O_2}$) به کار می‌رود. در برخی مراکز، برای آزمایش موتور گازوئیلی از ابزار خاصی استفاده می‌شود که میزان کدری دود را اندازه‌گیری می‌کند.

واحد اندازه‌گیری آلایندگی دودهای خروجی برحسب ppm ،g/km، درصد و... بیان می‌شود. اکثر دستگاه‌های آزمایش دود، حجم دود خروجی اگزوز را برحسب درصد و ppm می‌سنجند. در استاندارد اروپایی، خودروهای تولیدی را بر روی غلتک‌ها و زیر بار (بازرسی‌های جاده‌ای) آزمایش می‌کنند و واحد اندازه‌گیری میزان آلایندگی خودروها برحسب g/km سنجیده می‌شود. 

در شکل 8 نمونه‌ای از دستگاه‌های آزمایش آلایندگی و روش کاربرد آن‌ها نشان داده شده است.

از روش‌های مهم کاهش و کنترل آلاینده‌های موتور می‌توان به موارد بیان شده در نمودار زیر اشاره کرد.

- مهندسی فرایند احتراق
- بهینه سازی پارامترهای حسگرها و عملگرها
- استفاده از سوخت مناسب
- استفاده از دستگاه‌های پس پالایش در سیستم اگزوز
- استفاده از موتورهای با فناوری پیشرفته
- تعمیر و تنظیم به موقع موتور خودرو

کنترل میزان آلایندۀ $N{O_X}$

اقداماتی برای کنترل $N{O_X}$ در موتور خودروها مورد استفاده قرار گرفته‌اند که هدف آن‌ها کاهش دمای احتراق و درنتیجه کاهش $N{O_X}$ می‌باشد.

- تأخیر در زدن جرقه 
- باز خورانی گازهای خروجی (EGR)
- استفاده از موتورهای احتراق تراکمی با مخلوط همگن (HCCI)
- پاشش بخار داغ آب به محفظه احتراق

تأخیر در جرقه: تأخیر در زمان جرقه‌زنی، $N{O_X}$ را کاهش می‌دهد، زیرا بخش زیادی از فرایند احتراق در حجم در حال انبساط رخ می‌دهد و این باعث کاهش فشار و دمای بیشینه می‌شود. البته این مسئله باعث کاهش بازده حرارتی نیز می‌شود.

باز خورانی گازهای خروجی: در این روش مقداری از گاز خروجی وارد مانیفولد ورودی می‌شود. گازهای خروجی به صورت یک رقیق‌کننده در مخلوط هوا و سوخت عمل کرده و دمای احتراق را کاهش می‌دهد. 

رقیق‌سازی مخلوط با استفاده از EGR باعث کاهش نرخ احتراق نیز خواهد شد؛ بنابراین برای نگه داشتن بازده حرارتی در حالت بهینه، جرقه زودتر زده می‌شود. نسبت EGR مورد نیاز، با بار وارد بر موتور و تا حدی با رقیق شدن مخلوط افزایش می‌یابد. محدودۀ نسبت بازگردانی گازهای خروجی، حدود 15٪ تا 20٪ نرخ جریان سوخت و هواست.

در شکل 10 بخشی از سیستم‌های کنترل آلایندگی در یک خودرو بیان شده است.