نقش وسایل نقلیه در آلودگی هوا
نقش وسایل نقلیه در آلودگی هوا :
تاریخچه موتورهای احتراق داخلی ، به سال 1876 باز می گردد ، که «نیکولاس اتو» (1891 – 1832 ) اوین موتور جرقه ای را ساخت . این موتور در ابتدا بنابر سیکل ویژه ای کار می کرد و با بازدهی حداکثر برابر با 11% ، دارای وزن زیادی بود . اتو با ارائه سیکل عملکرد 4 زمانه ، بازده را به 14% افزایش ، و در کنار کاهش حجم موتور ، وزن آن را نیز به کمتر از یک سوم حالت قبل کاهش داد . در سال 1884 ، امتیاز ثبت شده یک شخص فرانسوی به نام «آلفونس بیودی روشاس» (1893-1815) مربوط به سال 1862 منتشر شد ، که معلوم ساخت او قبل از اتو ، اصول سیکل 4 زمانه را شرح داده است . البته چون روشاس نتوانسته بود ایده های خود را عملی سازد ، در نتیجه امروزه اتو به عنوان مخترع موتور شناخته می شود .
از آن پس اشخاص بسیاری در اواخرقرن نوزدهم دست به ابداع موتورهای دیگری دست زدند و ...
منبع:پارسی خودرو
جملگی به این نتیجه رسیدند که «نسبت تراکم» تاثیر مستقیمی بر روی بازده موتور دارد ، ولی به دلیل مشکل«کوبش» ، مقدار آن به کمتر از 4 محدود شده بود . در دهه 1880 ، با توسعه کاربراتور و سیستم جرقه ، سرعت موتورها افزایش یافت ، و امکان استفاده از موتور در اتومبیلها فراهم شد . در سال 1892 ، یک مهندس آلمانی به نام «رودلف دیزل» (1913 – 1858) ، نوع جدیدی از موتور را به ثبت رساند . در طرح وی ، در مرحله تراکم، تنها هوا متراکم ، و در انتهای این مرحله سوخت مایع به داخل هوای داغ پاشیده می شد . از آنجایی که در این طرح ، هوا دچار کوبش نمی شود ، لذا وی توانست تراکم را بالا ببرد ، و بازده موتو را دو برابر کند . یکی از دیگر طرحهای موتور ، موتور دورانی است ، که اولین آنها توسط «فلیکس وانکل» ، در سال 1957 به نتایج رضایتبخشی رسید .
سوختها نیز تاثیر فراوانی در توسعه موتورها داشته اند . اولین موتورها با سوختن گار ، توان مکانیکی تولید می کردند . بنزین در اواخر قرن نوزدهم ، برای استفاده از کاربراتورها مورد استفاده قرار گرفت.بنزینهای اولیه کاملاً فرار بودند و در نتیجه ، امکان افزایش نسبت تراکم به بیش از 4 نبود ، ولی در عوض راه اندازی موتور (استارت زدن)راحت بود.«ویلیام برتون» (1954 – 1865) توانست با «گراکینگ حرارتی» نفتهای سنگین ، بنزینی تولید کند تا بتوان به تقاضاهای روز افزون بنزین پاسخ داد . البته به دلیل بالا بودن نقطه جوش ، استارت حالت سرد موتور مشکلتر بود ، که این مشکل نیز با اخترع «استارتر برقی» در سال 1912 حل شد . تاثیر ضد کوبش « تترا اتیل سرب» ، در سال 1923 ، توسط شرکت «جنرال موتورز» کشف شد و در دهه 1930، استفاده از کاتالیزو فعال به جای کراکینگ حرارتی ، باعث تولید بنزینهای دارای کیفیت بالا شد .
مساله آلودگی هوا در دهه 1940 در لس آنجلس بروز کرد . در سال 1952، کشف شد که مشکل «مه دود» ، از واکنش مابین اکسیدهای نیتروژن و ترکیبات هیدروکربنی در مجاورت نور خورشید صورت می گیرد ، که موتورها از عوامل اصلی آن هستند . موتورهای دیزل نیز منبع اصلی دوده و ذرات ریز هستند . لذا برای حفظ محیط زیست ، در کشورهای پیشرفته ، استانداردهایی در زمینه محدود ساختن آلاینده های خروجی موتور ارائه شد.همچنین در موتور از تجهیزاتی مانند«مبدلهای کاتالیزوری»،و در سوخت از مواد افزودنی برای بهبود کیفیت آن و حذف سرب ، برای این مهم استفاده شد.از دهه 1970، به دلیل افزایش بهای فراورده های نفتی ، برای کاهش مصرف موتور ، تلاش زیادی برای بالا بردن بازده صورت گرفت.البته باید در نظر داشت که کنترل آلودگی موتور ، باعث بالا رفتن مصرف سوخت میشود .
تلاش بسیاری نیز درباره سوختهای جایگزین بنزین و گازوییل صورت گرفته ، که از بین آنها می توان به گازطبیعی ، متانول و اتانول اشاره کرد .هیدروژن ، بنزین و گازوییل مصنوعی حاصل از سنگهای نفتی و زغال سنگ ، نیز جایگزینهایی بلندمدت محسوب می شوند . بعد از گذشت بیش از یک قرن ، ممکن است به نظر برسد که موتورها به حداکثر توسعه خود رسیده اند ، ولی در عمل موتورها همچنان به توان و بازده بالاتر و آلودگی کمتری می رسند .استفاده در موارد جدید باعث کاهش وزن ، قیمت و تلفات حرارتی شده است .
تزریق سوخت یکی از ایده های مدرن و با تکنولوژی بالا بوده و در صورتیکه بخواهیم بیشترین بازدهی ر ا د اشته باشیم استفاده از آن یک پیش نیاز می باشد .ولی در حقیقت تزریق سوخت چندین دهه است که مورد استفاده قرار گرفته و از قبل از جنگ جهانی دوم روش استاندارد تحویل سوخت به موتور می باشد .
با بررسی کوتاهی در نقش وسایل نقلیه بخصوص سیستم سوخت رسانی آنها در آلوده کردن هوا اهمیت و سهم قابل توجه آنها در آلودگی هوا (بویژه شهرهای بزرگ) پی می بریم .
با تحقیق در مورد‌آلاینده هایی که به این صورت به محیط زیست ما انسانها وارد می شوند ضرورت اصلاح وسایل نقلیه و بطور خاص به ضرورت تصحیح سیستم سوخت رسانی پی خواهیم برد .انژکتوری کردن سیستم های سوخت رسانی در راستای بهینه کردن مصرف سوخت و در نتیجه کاهش گازهای آلاینده‌ی خروجی از اگزوز می‌باشد .
نقش سوخت موتورها در رابطه با آلودگی هوا:
سوخت بیشتر اتومبیلها منبع فسیلی دارند و هنگام احتراق به مقدار زیادی هوا را آلوده می کنند . برای کاهش آلاینده های ناشی از احتراق موتورها بهتر است گاز مایع را جایگزین سوختهای فسیلی کرد و یا اینکه سیستم سوخت رسانی تصحیح شود که در این راستا از بهبود کیفیت کاربراتورها گرفته و تا این اواخر استفاده از تکنولوژی سیستم سوخت رسانی الکترونیکی (EFI) ، حرکت هایی بسیار مهم انجام شده است . که در این راستا بعضی از کشورهای صنعتی از جمله ژاپن و امریکا پیشتازان این طرحها بوده و به نتایج مطلوبی هم رسیده اند .
برآوردی که روی 20 هزار تاکسی و کرایه تبدیل شده به گاز مایع در رابطه با آلودگی محیط زیست هوای تهران صورت گرفته به شرح زیر است :
منو اکسید کربن CO 80%معادل 100 تن در روز کاهش دارد
اکسیدهای ازت NOX 40%معادل 5/2 تن در روز کاهش دارد
هیدروکربن های نسوخته HC 40%معادل 4 تن در روز کاهش دارد
ذرات دوده و سرب 100%معادل – کاهش دارد
بررسی هر یک از این آلاینده ها از نظر منابع ، غلظت و تاثیرات :
کربن منوکسید :کربن منوکسید (CO) یکی از فراوانترین و گسترده ترین آلوده کننده ها است که اتمسفر پایین یافت میشود کربن منوکسید گازی است که در تمام دماهای بالاتر از نقطة جوشش (C 192 ـ ) بی رنگ ، بی بو و بی مزه است . چگالی آن 5/96 درصد هوا است و به طور قابل ملاحظه ای غیر قابل حل درآب می باشد . این گاز قابل اشتعال است و با شعلة آبی می سوزد .
اهمیت CO ناشی از فعالیت های انسان ( منابع مصنوعی ):علیرغم سهم کوچک این منابع در مقام مقاسیه با انتشار جهانی CO (4/9 درصد از کل ) ، تأثیر منابع مصنوعی نیز نباید نادیده گرفته شود . اطلاعات قبلی ، نمی توانند توجیه کننده این واقعیت مهم باشند که منابع طبیعی CO در سراسر جهان پخش شده اند ، در حالی که منابع مصنوعی در مناطق بسیار کوچکی متمرکز شده اند . برای مثال ، 95 تا 98 درصد از CO اتمسفری در یک منطقه شهری ناشی از فعالیت های انسانی حاصل می شود . این مقادیر CO به طور معمول 50 تا 100 برابر از مقادیر مشخص جهانی (1/0 تا 5/0 ppm ) بالاتر است . اثر منابع مصنوعی درمشکلات آلودگی هوا ، به طور مقدماتی محصول دو خاصیت ، موقعیت و سرعت بالای انتشار هستند . بنابراین باقیمانده بحث آلودگی CO دراین فصل روی منابع مصنوعی متمرکز خواهد بود .
غلظت و توزیع CO :از آنجا که اتومبیل به تنهایی تولید کنندة بزرگترین منبع آلودگی CO می‌باشد (6/65 درصد)، مناطق پرجمعیت شهری غلظت بالایی از CO را نشان میدهند . در چنین مناطقی غلظت CO بستگی به وضعیت فعالیتهای روزانه جمعیت دارد . غلظت روزانه CO بستگی کامل به میزان ترافیک دارد .
چهارنظریه جهت کنترل آلودگی حاصل از اتومبیل ها مدنظر است .
1ـ اصلاح موتورهای احتراقی داخلی در جهت تقلیل مقدار تولید آلودگیها در حین احتراق سوخت .
2ـ پیشرفت راکتورهای سیستم اگزوزی که فرآیند سوخت را کامل نموده و آلودگیها را به موادی قابل قبول تر نماید .
3ـ ابداع و توسعه سوخت های مناسب تر که آلودگیهای کمتری را هنگام سوختن تولید نمایند .
4ـ اختراع امکانات و منابع تولید نیرویی که جهت جایگزینی موتورهای احتراق داخلی آلودگی کمتری ایجاد نماید . ( نظیر موتورهای گاز سوز )
اصلاح کاربراتور ، مانع می شود تا مخلوط هوا و سوخت که میزان سوخت آن بالا باشد به وجود می آید . همانطور که در شکل 93 نشان داده شده ، مخلوطی که مقدار سوخت آن زیاد باشد به هنگام سوختن مقدار فراوانی CO و HC تولید می کند .
اکسیدهای نیتروژن :هشت نوع متفاوت اکسید ازت شناخته شده اند . ولی معمولاً فقط سه نوع آنها دراتمسفر یافت می شوند .
این سه نوع عبارت از : نیتروس اکسید (N2O) نیتریک اکسید(NO) نیتروژن دی اکسید (NO2) است .
نیتروس اکسید ، گازی ، بیرنگ ، غیر قابل اشتعال و غیر سمی بامزه و بوی نسبتاً خوب است .
نیتریک اکسید نیز ، بیرنگ و غیر قابل اشتعال ولی بی بو و سمی است .
نیتروژن دی اکسید ، گازی است بارنگ قرمز ـ قهوه ای غیر قابل اشتعال و بی بوی شدیداً خفقان زا مشخص می شود .
اکسیدهای سولفور:سولفور اکسیدی که به بیشترین مقدار دراتمسفر انتشار می یابد سولفور دی اکسید SO2 می باشد . معمولاً مقدار کمی از سولفور تری اکسید SO3 همراه سولور دی اکسید است . ولی مقادیری بیشتر از حدود 1تا 2 درصد SO2 نمی باشد . مجموعة این دو نوع اکسیدبا Sox نشان داده می شود . سولفور دی اکسید گازی بی رنگ و غیر قابل اشتعال ، با نقطه ذوب و جوش به ترتیب c 5/75 ـ وc 0/10 ـ است . در غلظت های نزدیک به ppm بوی زننده و سوزش آوری دارد . سولفور تری اکسید گازی فوق العاده فعال و بی رنگ و به اسانی به صورت مایع متراکم می گردد (b.p =44/8c) . تحت شرایط معمولی هیچ SO3 در اتمسفر یافت نمی شود . چون که سریعاً با رطوبت واکنش می دهد و سولفوریک اسید به وجود می آورد.(H2SO4
تأثیرات Sox بر روی انسان ها :اغلب تأثیرات SO2 بر روی سلامتی انسان به ناراحتی های مستقیم تنفسی مربوط می شوند . در شکل 94 برخی تأثیرات ازغلظت های SO2 داده شده است . سطوح SO2 لازم برای تولید عکس العمل های قابل مشاهده در انسانها خیلی بیشتر از سطوحی است که باعث صدمه به گیاهان می شود . غلظت پایینتر از ppm 25تأثیر شدید و آزار دهندة Sox عمدتاً به سطح فوقانی تنفسی و چشم ها محدود می شود . تأثیرات تنفسی به سطح فوقانی از قابلیت انحلال SO2 در آب است .
ذرات معلق :آلوده کننده های هوا که در فصول گذشته مورد بحث قرارگرفتند ، همگی گاز بودند . نباید تصور کرد که تمامی ذرات آلوده کنندة هوا در حالت گازی هستند . به طور کلی به ذرات جامد کوچک و قطرات مایع ، ذرات معلق می‌گویند که در حال حاضر به شدت در آلودگیها و مسائل و مشکلات مربوط به آن سهیم می باشند . آب خالص به صورت قطره ای ، تنها مایعی است که از این طبقه بندی مجزاست.
روشهای کاهش آلودگی:
سوخت ها به چند طریق محیط زیست را آلوده می کنند:
1- گازهای سوخته شده حاصل از احتراق در موتور به خصوص زمانی که احتراق ناقص باشد
2- ایجاد رسوب در سیستم سوخت رسانی به خصوص هنگامی که موتور تنظیم نباشد
3- تبخیر شدن سوخت ها و انتشار آنها در فضا البته حرارت محیط و موتور نقش موثری در افزایش تبخیر شدن سوخت دارد .
کاهش دمای احتراق:قبلا متوجه شدیم که افزایش دمای احتراق باعث تشکیل گازهای NOX میشود بنابراین از نقطه نظر کنترل آلودگی لازم است دماها ی احتراق کاهش یابد یکی از راهها تقلیل دادن نسبتهای تراکم می باشد که با این روش دماهای بالای احتراق کاهش یافته در نتیجه مقدار گاز NOx تقلیل می یابد . در سالهای اخیر به همین دلیل نسبتهای تراکم در موتورها کاهش یافته است . که این کار با تصحیح کاربراتورها شروع و تا انژکتوری شدن موتورهای بنزینی ادامه داشته است .
همچنین این عمل کارایی موتور و صرفه اقتصادی را کم می کند . بهر حال شاید اینطور به نظر برسد پرداختن به تقلیل مقدار گاز NOX در محیط ما خطا باشد .روشهای دیگری نیز برای کاهش گاز NOX مورد استفاده قرار می گیرند . یکی از آنها کاهش تشکیل گاز NOX هنگام گردش عادی موتور بوسیله فرستادن مقداری از گازهای خروجی سوخته شده بدرون موتور می باشد این سیستم را گردش گازهای خروجی E. G. R گویند. سیستمهای دیگر کاهش تشکیل هنگام شتاب در دنده های سنگین و هنگام نیمه باز بودن دریچه‌های گاز و وضعیت خلاء زیاد می باشد .
کاهش اثر گازهای خروجی:ممکن است گازهای خروجی از موتور بوسیله مخلوط سوخت و هوا مراحل احتراق و تمیز نمودن گاز خروجی قابل کنترل باشد بعبارت دیگر امروزه اغلب موتورها از سیستمهای استاندارد کنترل گازهای خروجی که مبتنی بر ترکیب هر سه روش ذکر شده اند قرار دارند تا بتواند مقادیر HC وCOو NOX را کاهش دهد .
کاهش اثرات گازهای خروجی به این معناست که باید عمل تمیز کردن بعد از خروج گاز از سیلندرهای موتور و قبل از خروج از لوله اگزوز و ورود به هوای آزاد صورت پذیرد . دو روش در دنیا برای کاهش اثرات گازهای خروجی مورد استفاده قرار می گیرد :یکی سیستم تزریق هوا و دیگری مبدلهای کاتالیزوری می باشند .
یکی از وسائل سیستم سوخت رسانی کاربراتور است که تنظیم آن باید بعد از گرم شدن موتور به وسیله سیستم سوخت رسانی پیچ کنترل دور آرام صورت گیرد .
کاربراتور باید طوری تنظیم شود که هنگام کار در دور آرام و نیز در هنگام شتاب که دریچة گاز نیمه باز می شود مخلوط بنزین و هوا با نسبت صحیح به موتور برسد همچنین در هنگام کشیدن ساسات (راه اندازی درهوای سرد ) نیز کاربراتور باید نسبت سوخت به هوابیشتر باشد .با انجام تغییراتی در طرح کاربراتور و حتی تغییراتی در کاربراتورهای موجود می توان به هدفهای فوق رسید که در کاهش منو اکسید کربن و هیدروکربورها در حالت کار در جا فوق العاده موثر باشد و برای اینکه از قدرت موتور کاسته نشود لازم است هوای ورودی به کاربراتور را گرم نمود . اصل این عمل مبتنی به یک مبدل حرارتی است به طوری که از یک وسیله ای که در مسیر لوله تخلیه موتور تعبیه می شود انجام می گیرد.
در سه دهه اخیر از سیستم های انژکتوری بر روی خودروها استفاده میشود . (متاسفانه این امر در کشور ما سابقه ای بسیار کوتاهتر از کشورهای پیشرفته دارد.) همانطور که بررسی کردیم کارایی بسیار بالاتری از کاربراتور دارند که یکی دیگر از این عملکردهای مناسبتر انژکتور نسبت به کاربراتور کاهش بسیار خوب مقدار گازهای خروجی از اگزوز اتومبیل می‌باشد.
