مقدمه
محدوديت هاي مربوط به ميزان آلاينده هاي موجود در گازهاي خودروهاي سواري اولين با در سال 1968 در ايالت كاليفرنياي آمريكا اجباري شد. امروزه در تمام كشورهاي صنعتي از جمله ايران آزمايش آلاينده هاي اگزوز براي خودروهايي كه طرح آنها تصويب و به مرحله توليد ميرسند الزامي است. براي كاهش آلاينده هاي خروجي از اگزوز خودرو روش هاي متفاوتي وجود دارد كه استفاده از برخي آنها بدليل راندمان پايين روش منسوخ گرديده است.
آلاينده هاي منتشره توسط موتور خودرو
امكان ايجاد احتراق كامل در سيلندرهاي يك موتور حتي در صورت وجود اكسيژن اضافي نيز امكان پذير نمي باشد. هرچه فرآيند احتراق ناقص تر باشد ميزان آلاينده هاي موجود در گازهاي اگزوز نيز بيشتر خواهد شد. بخش عمده گازهاي اگزوز، ذرات بي ضرر مي باشند. اما علاوه بر اينها ذرات ديگري در گازهاي اگزوز وجود دارند كه اگر غلظت آنها زياد باشد، ميتوانند به محيط زيست آسيب جدي وارد نمايند. اين آلاينده ها تقريبا يك درصد از كل گازهاي اگزوز را تشكيل ميدهند. اين گازها شامل مونواكسيد كربن (CO ) اكسيدهاي نيتروژن (NOX ) و هيدروكربن هاي نسوخته (HC) هستند. (71 %نيتروژن، 16 %دي اكسيدكربن، 12 درصد بخار آب و يك درصد آلاينده ها شامل مونواكسيد كربن (CO )اكسيدهاي نيتروژن (NOX)و هيدروكربن هاي نسوخته (HC ) و ديگر ذرات آلاينده)
علت توليد آلاينده هاي اگزوز
1 -مونواكسيد كربن
مونو اكسيد كربن محصول احتراق ناقص تحت شرايط كمبود هوا نسبت به احتراق استوكيو متريک است. باتوجه به نمودار زير مشخص است كه مقدار آلاينده مونواكسيد كربن به مقدار زيادي به نسبت اختلاط بستگي دارد. غلظت آلايندهي مونو اكسيد كربن در طول فرآيند احتراق حداكثر است؛ اما در فاز انبساط بخشي از آنها به CO2 تبديل مي شوند.
2 -هيدروكربن هاي نسوخته
توليد هيدروكربن هاي نسوخته يا ناقص سوخته، درست مانند مونو اكسيدكربن در نتيجه كافي نبودن هواي احتراق است. منشا توليد HC در داخل موتور بخش هايي از محفظه احتراق است كه در آنجا شعله احتراق وجود ندارد. منطقه مرزي مجاور ديواره سيلندرها و درزهايي كه شعله نمي تواند در آنها نفوذ كند، در توليد آلاينده HC موثر است. دو منبع مهم ديگر آلاينده هيدروكربن هاي نسوخته بخارات روغن و بخارات بنزين از ناحيه باک (و كاربراتور در موتورهاي كاربراتوري) مي باشد.
3 -اكسيدهاي نيتروژن
پيک دما در محفظه احتراق و زمان پايداري اين دما، تاثير بسزايي در غلظت آلاينده NOX دارد. در فاز احتراق علاوه بر اكسيد نيتروژن (NO ) دي اكسيد نيتروژن (NO2 ) و اكسيد دي نيتروژن (N2O ) نيز به مقدار كمي توليد مي شوند.
4 -ساير ذرات مضر اگزوز
دوده تنها در شرايطي كه هواي موجود در مخلوط خيلي كم باشد توليد ميگردد. البته اگر سيستم جرقه زني به درستي تنظيم شده باشد اين شرايط ايجاد نمي گردد. بدليل پايين بودن درصد گوگرد در بنزين (كمتر از 0/1 درصد) آلاينده دي اكسيد گوگرد نيز كم اهميت مي باشد. ذرات كلر، برم و بر نيز در مقادير اندكي به بنزين افزوده مي شوند بنابراين در گاز اگزوز با غلظت هاي خيلي كم يافت مي شوند.
تكنولوژي كنترل آلاينده هاي اگزوز
1 -سيستم كنترل حلقه بسته لامبدا
امروزه طرح كنترل حلقه بسته لامبدا همراه با استفاده از مبدلهاي كاتاليزوري موثرترين روش براي سالم سازي
گازهاي اگزوز موتورهاي بنزيني مي باشد. در حال حاضر هيچ سيستم ديگري كه بتواند سطح آلاينده ها را به اندازه
روش فوق كاهش دهد، وجود ندارد.
در اين سيستم ابتدا سنسور لامبدا سيگنالي به واحد كنترل الكترونيكي ارسال ميكند. سپس واحد كنترل برمبناي
سيگنال ارسال شده از اين سنسور براي غني تر يا رقيق تر كردن سوخت سيگنال هايي به سيستم مديريت سوخت
ارسال ميكند. براي رسيدن به اين هدف يك مبناي كنترل (خروجي 500 ميلي ولت از سنسور اكسيژن) در داخل
ECU برنامه ريزي شده است. چنانچه ولتاژ ارسال شده از طرف سنسور لامبدا كمتر از اين مقدار باشد (مخلوط خيلي
رقيق) سوخت بيشتري ارسال ميگردد. اما اگر ولتاژ بيشتر باشد (مخلوط خيلي غليظ) مقدار سوخت ارسال شده به
موتور كاهش مي يابد. البته تغيير نسبت هوا به سوخت نبايد ناگهاني باشد. در غير اين صورت موتور با لرزش شديد
كار خواهد كرد.
2 -پالايش كاتاليزوري گازهاي اگزوز
مبدلهاي كاتاليزوري (Catalyst Converter )
براي كاربردهاي مختلف طرحهاي گوناگوني از سيستم مبدل كاتاليزوري وجود دارد:
1 -مبدل كاتاليزوري اكسيد كننده (تک بستر)
موتورهاي مجهز به مبدل كاتاليزوري اكسيدكننده تک بستر، با هواي اضافي كار مي كنند. يعني مقدار لامبدا در
موتوري كه از اين مبدل استفاده ميكند بزرگتر از يك است. اين مبدل هيدروكربن هاي نسوخته و مونواكسيد كربن
را به روش اكسيداسيون (سوزاندن) به دي اكسيد كربن و آب تبديل ميكند. اما اين مبدل عملا تاثيري بر اكسيدهاي
نيتروژن (NOX ) ندارد. مبدلهاي كاتاليزوري اكسيدكننده اولين بار در سال 1975 در آمريكا استفاده شد.
از اين گونه مبدل ها در محصولات ايران خودرو استفاده نشده است.
2-مبدل كاتاليزوري با بستر دوگانه
اين نوع مبدل شامل دو عدد كاتاليست است كه بطور سري بهم وصل شده اند. در اين روش موتور بايد با مخلوط
غني (1<λ )كار كند. گاز اگزوز ابتدا از ميان يك كاتاليست احياكننده و سپس از ميان يك كاتاليست اكسيدكننده
عبور ميكند. هوا در بين دو مبدل به جريان در مي آيد. در مبدل اول اكسيدهاي نيتروژن و در مبدل دوم
هيدروكربن ها و مونو اكسيدكربن تبديل مي شوند. باتوجه به اينكه موتور در اين سيستم بايد با سوخت غني كار كند،
لذا از نظر مصرف سوخت به صرفه نمي باشد. يک عيب ديگر اين طرح توليد آمونيوم (NH3 (در حين فرآيند احيا
اكسيدهاي نيتروژن (مرحله افزودن هواي اضافي) است. مبدل هاي دوگانه توسط سازندگان اروپايي مورد استفاده قرار
نگرفت اما در خودروسازان آمريكايي پيوسته از آن استفاده مي كردند. اين سيستم برروي هيچ يک از محصولات
داخلي نيز نصب نگرديده است.
3-مبدل كاتاليزوري تك بستر سه گانه
مبدلهاي كاتاليزوري سه گانه بطور همزمان هر سه نوع ذرات آلاينده را تا مقدار زيادي حذف مي كند. براي اين
منظور لازم است كه مخلوط هوا و سوخت ارسال شده به موتور با نسبت استوكيو متريك برابر باشد. براي گذراندن
آزمايشات آلايندگي خودروها برطبق قوانين جديد استفاده از اين نوع كاتاليزور واجب بنظر مي رسد. از اين سيستم
در محصولات ايران خودرو توليدي سال 1383 به بعد بكار گرفته شده است.
ساختمان مبدل هاي كاتاليزوري
مبدل هاي كاتاليزوري شامل يك محفظه فلزي، يک زير ساخت يا اسكلت و لايه كاتاليزوري فعال است. زير ساخت
ها در واقع قطعاتي هستند كه لايه فعال كاتاليزور برروي آنها روكش مي شود. سه نوع مختلف زير ساخت وجود
دارد كه عبارتند از: گلوله اي، مونوليت سراميكي، مونوليت فلزي.
زيرساخت گلوله اي:
در زيرساخت نوع گلوله اي، مواد كاتاليست برروي گلوله هاي ريز پوشش داده مي شوند. اين نوع مبدلها ابتدا در
آمريكا و ژاپن مورد استفاده قرار گرفت. در محصولات داخلي از اين نوع كاتاليست ها استفاده نشده است.
مونوليت هاي سراميكي:
مونوليت هاي سراميكي قطعاتي از جنس سراميك هستند كه هزاران سوراخ ريز در آنها ايجاد شده است. ماده
سراميكي از جنس سيليكات آلومينيوم-منيزيم با مقاومت حرارتي زياد است. اين شبكه داخل يک محفظه فلزي قرار
مي گيرد. مابين ديواره هاي محفظه و زيرساخت، يك شبكه فلزي انعطاف پذير از سيم هاي فولاد آلياژي مرغوب با
قطر تقريبي 0/25 ميلي متر قرار دارد. اين شبكه فلزي تنش هاي حرارتي و مكانيكي وارد شده بر بدنه سراميكي را تحمل
مي نمايد. كليه كاتاليزورهاي نصب شده برروي خودروهاي داخل از اين نوع است.
مونوليت هاي فلزي:
مونوليت هاي فلزي بدليل قيمتهاي بالاي آنها نسبت به مونوليت هاي سراميكي بندرت از آنها استفاده ميشود.
روكش مبدل ها (لايه كاتاليزوري فعال)
در مبدل هايي كه زير ساخت آنها گلوله اي است ميتوان مواد فعال كاتاليست را مستقيما برروي گلوله ها روكش نمود، ولي مبدل هايي كه زيرساخت آنها از مونوليت سراميكي يا فلزي است، احتياج به يك لايه زيرين از اكسيد آلومينيوم دارند. اين لايه سطح موثر كاتاليست را حدود 7000 برابر افزايش ميدهد؛ سپس روكش اصلي از ماده موثر كاتاليك بر روي پوشش اوليه ايجاد مي شود. در كاتاليست هاي اكسيدكننده، پوشش ماده موثر شامل فلزات گران قيمت ضد زنگ پلاتين و پالاديم است و در مبدل هاي كاتاليزوري سه گانه از پلاتين و راديم مي باشد. پلاتين اكسيداسيون هيدروكربن هاي نسوخته و مونو اكسيد كربن را سرعت ميبخشد و راديم در تسريع واكنش هاي احيا اكسيدهاي نيتروژن موثر است. مقدار فلزات گران قيمت در يک مبدل كاتاليزوري در حدود 2 تا 3 گرم است.
عملكرد مبدل هاي كاتاليزوري
در صورتي كه شرايط دمايي براي مبدل كاتاليزوري سه گانه رعايت شود، با كنترل مقدار لامبدا با حداكثر انحراف از
مقدار %01(1 ≤λ ≤ 99.0 ،) اين مبدل ها قادرند كه مقدار آلاينده هاي CO و HC و NOX را به ميزان 90 %كاهش
دهند. مبدل ها تنها در دماي بالاتر از 250 درجه سانتيگراد تبديل مطلوب را آغاز مي نمايند. شرايط عملكرد ايده آل
از جهت سرعت زياد تبديل و عمر مفيد طولاني در محدوده دمايي 600 الي 800 درجه سانتيگراد ايجاد مي شود.
در محدوده دمايي 800 الي 1000 درجه سانتيگراد، حرارت بالا باعث تركيب اكسيدهاي آلومينيوم و پوشش هاي
فلزات گران قيمت مي شود. نتيجه اين امر كاهش سطح فعال مبدل بوده و راندمان مبدل پايين مي آيد. در دماهاي بالاتر از 1000 درجه سانتيگراد مبدل بطور كامل ذوب شده و خاصيت خود را از دست ميدهد. در شرايط ايده آل
عمر سرويس دهي يک مبدل كاتاليزوري ميتواند تا 100000 كيلومتر باشد.
يک پيش نياز بسيار مهم در مورد مبدل هاي كاتاليزوري استفاده از بنزين بدون سرب مي باشد. تركيبات سرب بر روي
سطوح كاتاليزور رسوب كرده و آن را از كار مي اندازد. روغن موتور باقيمانده از احتراق در دود خروجي از موتور
نيز سبب فساد كاتاليست مي شود.
روش هاي ديگر كنترل و كاهش آلاينده هاي اگزوز استفاده از روش هاي زير مي باشد. كه در خودروهاي توليدي ايران
خودرو تنها از روش پس سوز حرارتي با استفاده از تزريق هواي ثانويه در خودروي پژو پارس ELX استفاده مي
شود.
3 -پس سوز حرارتي با استفاده از تزريق هواي ثانويه
قبل از اينكه استفاده از مبدل هاي كاتاليزوري در خودروها استاندارد شود از اين روش براي كاهش آلودگي در موتور خودروها استفاده مي شد اما بدليل اينكه اين روش نميتواند با محدوديت هاي مربوط به پايين بودن NOX در استانداردهاي امروزي مطابقت داشته از اين روش تنها در فاز گرم شدن موتور استفاده مي شود. در موتور خودروي پژو پارس ELX بدليل اينكه اين موتور داراي استاندارد L4 است و در اين استاندارد آلايندگي موتور در فاز گرم شدن نيز بايستي محدود باشد، از روش پس سوز حرارتي با استفاده از تزريق هواي ثانويه براي كاهش آلايندههاي HC و CO توليدي توسط موتور در حين گرم شدن موتور استفاده شده است. در فاز گرم شدن موتور مقدار توليد HC و CO بسيار بالا است اما مقدار NOX توليدي بدليل دماي پايين محفظه احتراق ناچيز مي باشد
هدف از بكارگيري اين روش را ميتوان در موارد زير خلاصه كرد:
1 -سوزاندن و در نتيجه كاهش گازهاي آلاينده HC و CO در فاز گرم شدن موتور
2 -گرماي توليد شده در نتيجه سوختن گازهاي HC و CO باعث سريعتر گرم شدن مبدل كاتاليزوري و شروع بكار
آن ميگردد.
پمپ هوا
پمپ هوا يك پمپ مكانيكي با موتور الكتريكي مي باشد كه توسط ECU و ازطريق يك رله كنترل ميشود.
دبي اين پمپ 12 كيلوگرم برساعت مي باشد.
شير پمپ هوا
اين شير يك شير يكطرفه مي باشد كه مابين پمپ هوا و خروجي گازهاي موتور قرار داده شده است. محل نصب
اين شير بر روي سر سيلندر است. اين قطعه مانع از خروج گازهاي اگزوز از طريق اين مسير مي گردد و همچنين قطع
ناگهاني تزريق هوا را در هنگام دستور ECU مهيا مي سازد.
ECU رله پمپ هوا را مطابق با استراتژي زير تغذيه مينمايد:
1 -درصورتيكه دماي آب مابين 15 و 30 درجه سانتيگراد باشد پمپ هوا تقريبا به مدت 80 ثانيه فعال ميشود و
غلظت مخلوط هوا و سوخت 20 درصد اضافه ميشود.
2 -درصورتيكه دماي آب مابين 15 و 7 -درجه سانتيگراد باشد پمپ هوا تقريبا به مدت 30 ثانيه فعال مي شود و
تقريبا هيچ غلظتي اضافه نمي شود.
3 -درصورتي كه دماي آب زير 7 -درجه سانتيگراد باشد پمپ هوا تقريبا به مدت 10 ثانيه فعال ميشود و تقريبا هيچ
غلظتي اضافه نمي شود.
در صورتي كه دور موتور بالاتر از 2500 دور در دقيقه فراتر رود فعاليت پمپ هوا قطع مي شود.
