آخرین مطالب
پربازدیدترین مطالب

۲۱ اردیبهشت ۱۳۹۴

امین آزاد

اجتماع


کاهش آلودگی مهم‌تر از افزایش قدرت


‎راه های کاهش آلودگی هوا در خودروها

 

Peugeot-Euro-5-engine-standard

 

به عادت ایران، سر کلاس طراحی موتور در دانشگاه پلی‌تکنیک جنوای ایتالیا، بیشتر وقت خودم را سر چه‌گونگی افزایش قدرت موتور و بازده (راندمان) گذاشتم. نوبت به امتحان‌ام رسید. این‌جا برای هر دانشجوی کارشناسی ارشد یک سری سؤال طراحی می‌کنند، و بعد اگر موفق شد جواب دهد، نوبت به مصاحبه در آن درس و ارائه‌ی مقاله می‌رسد. من هم با اعتماد به نفس سر امتحان رفتم، چون پیش خودم فکر می‌کردم تمام راه‌های افزایش بازده و قدرت را بلد ام و به تمام مکانیسم‌های موتور تسلط دارم، اما با خواندن سؤال‌ها عرق سردی بر پیشانی‌ام نشست.
سؤالات درباره‌ی روش‌های کاهش آلودگی هوا بود، بحثی که چون برای من ایرانی زیاد مهم جلوه نمی‌کرد روی‌اش تمرکز نکرده بودم. ناخودآگاه، سر جلسه‌ی امتحان یاد نمایشگاه فرانکفورت ۲۰۰۷ افتادم، جایی که خودرسازان بزرگ بیشتر از آن که روی قدرت موتورهای‌شان مانور بدهند، بر کاهش آلودگی هوا در خودروهای‌شان تمرکز کرده بودند. از آن سال به بعد، رسم شد که در نمایشگاه روی بدنه یا تابلوی کنار خودرو بنویسند این خودرو فلان اندازه مونو اکسید کربن، اکسید ازت، ذرات معلق، و هیدروکربن خروجی دارد.
حالا هرروز استانداردها سخت‌گیرانه‌تر می‌شود. از سال ۲۰۰۹ در اتحادیه‌ی اروپا استاندارد آلایندگی یورو ۵ اجرایی شد، حال آن که در ایران بسیاری از خودروها همچنان در سطح استاندارد یورو ۲ قرار دارند، و سوخت هم وضعیت فاجعه‌باری از نظر غیراستاندارد بودن دارد. از سپتامبر سال ۲۰۱۴ به بعد استاندارد یورو ۶ در اروپا اجرایی می‌شود.
شاید استانداردهای یورو به راحتی قابل درک نباشد، اما با یک مثال راحت‌تر می‌توان به تفاوت این استانداردها پی برد. برای نمونه، در یک موتور دیزلی یورو ۲ حدود شصت درصد از اکسیدهای ازت با روش‌های مختلف از بین می‌روند، اما این میزان در یک موتور یورو ۶ حدود نودوهشت درصد است. یا مثلاً در استاندارد یورو ۲ باید هفتاد درصد مونو اکسید تولیدی موتور از بین برود؛ این میزان در استاندارد یورو ۶ به هشتادونه درصد می‌رسد.
شاید با چنین کاهش چشمگیری بتوان این‌گونه تصور کرد که، در روزهای اوج آلودگی هوا در تهران خروجی موتورهای یورو ۶ پاک‌تر از هوای تهران است. اما چه کرده‌اند که توانسته‌اند آلودگی خودرو را تا این میزان کاهش دهند؟

سوخت استاندارد
سوخت استاندارد عامل تعیین‌کننده‌ای در کاهش آلودگی هوا است. در این سوخت، درصد بسیار پایینی گوگرد در گازوئیل وجود دارد و سوخت بنزین هم تحمل فشار احتراق بالاتری دارد. افزایش این تحمل را با عدد اکتان نشان می‌دهند. هرچه عدد اکتان سوخت بالاتر باشد، می‌توان اتاق احتراق موتور را کوچک‌تر ساخت. با کاهش حجم اتاق احتراق، فشار احتراق بالاتر می‌رود و احتراق بهتری اتفاق می‌افتد؛ احتراق بهتر هم می‌تواند سبب افزایش بازده موتور و کاهش مصرف سوخت شود و هم می‌تواند با سوزاندن بهتر سوخت مونو اکسید کربن و هیدروکربن کمتری تولید کند، چرا که علت اصلی تولید مونو اکسید کربن و هیدروکربن‌ها نسوختن کامل سوخت است. البته، احتراق بهتر در دمای بالاتری انجام می‌شود، دمای بالاتر هم تولید اکسیدهای نیتروژن یا ازت می‌کند. این ایراد با استفاده از مدیریت پاشش سوخت و جرقه و استفاده از انواع فیلترها برطرف می‌شود.

کاتالیست‌ها
استفاده از کاتالیست‌ها یکی از مهم‌ترین روش‌های کاهش آلودگی در خودروها است. کاتالیست‌ها هم هرساله پیشرفته‌تر می‌شوند. کاتالیست‌ها وقتی می‌توانند بهترین کارآیی را داشته باشند که موتور با نسبت سوخت به هوای تنظیم‌شده‌ای در بازه‌ای با نام استوکیومتریک کار کند. برای این اتفاق، احتیاج به تنظیم ورود میزان سوخت و هوا و اندازه‌گیری دقیق میزان اکسیژن خروجی است. پیشرفته‌ترین کاتالیست‌ها در سه مرحله عمل می‌کنند. در مرحله‌ی اول، طی واکنش‌های شیمیایی، مونو اکسید کربن و هیدروکربن‌ها به دی اکسید کربن و بخار آب تبدیل می‌شوند. در مرحله‌ی دوم، اکسیدهای نیتروژن به نیتروژن تبدیل شده و، در مرحله‌ی آخر، ذرات معلق توسط فیلتر لانه‌زنبوری جذب می‌شود.

تنظیم موتور
با استفاده از مغز هوشمند موتور و برنامه‌ریزی‌های درون این رایانه می‌توان هم باعث کاهش مصرف سوخت شد هم از آلایندگی بیشتر موتور جلوگیری کرد. البته، داستان بسیار پیچیده‌تر از این چند کلمه است. برای نمونه، هرچه نسبت سوخت و هوا کمتر شود، میزان اکسید ازت خروجی موتور افزایش می‌یاید و هرچه این نسبت را بیشتر کنیم اکسید ازت کمتر می‌شود، ولی با بیشتر شدن اتفاق دیگری هم رخ می‌دهد: میزان مونو اکسید کربن افزایش می‌یابد چرا که سوخت اکسیژن کافی برای سوختن ندارد. این اتفاق می‌تواند مصرف سوخت را هم افزایش دهد. یا در نمونه‌ای دیگر، هرچه دمای موتور را بالاتر ببریم، میزان تولید اکسید نیتروژن بالا می‌رود، اما دمای بالا سبب افزایش بازده موتور می‌شود و با کاهش دما بازده و قدرت موتور کاهش و مصرف سوخت افزایش می‌یابد. حالا چه‌گونه می‌توان این جمع اضداد را کنار هم مدیریت کرد؟
مهندسان، بعد از سال‌ها مطالعه و با توسعه‌ی علوم رایانه و الکترونیک، حالا کمی به جواب این سؤال نزدیک شده‌اند. امروزه مهندسان حالت میانه را می‌گیرند، و با یک الگوریتم پیچیده هم می‌توانند قدرت مناسب تولید کنند و هم مصرف سوخت و آلودگی هوا را کاهش دهند. با کارگذاری حس‌گرهای مختلف، از دما و فشار گرفته تا اکسیژن، هر زمان آلودگی افزایش یابد، نوع پاشش سوخت و زمان جرقه و جریان هوای ورودی به گونه‌ای کنترل می‌شود که آلایندگی کاهش یابد. در برخی موتورها هم هر زمان لازم باشد، بخشی از گازهای خروجی را به موتور باز می‌گردانند تا سبب کاهش اکسید نیتروژن شوند. تزریق آب برای کاهش اکسید ازت هم از دیگر راه‌های کاهش آلایندگی است.

استفاده از مخزن‌های پلیمری و مواد کامپوزیت در بدنه
با کاهش وزن خودرو می‌توان مصرف سوخت و میزان دی اکسید کربن تولیدی توسط خودروها را کاهش داد. امروزه یکی از بهترین جایگزین‌ها مخزن سوخت (باک) و سیستم سوخت‌رسانی پلیمری است. قبلاً در ساخت مخزن سوخت خودروها از فولاد استفاده می‌شد، اما امروزه در بیشتر خودروها از مخزن‌های پلیمیری استفاده می‌شود. در سال ۲۰۰۹، در بیش از نود درصد خودروهای تولیدی در اروپا و بیش از هشتاد درصد خودروهای تولیدی در آمریکا از مخزن‌های پلیمیری استفاده شده است. استفاده از مخزن‌های پلیمری چهل‌وپنج تا پنجاه‌وپنج درصد وزن مخزن را کاهش می‌دهد.
استفاده از مخزن‌های پلیمری یک حسن دیگر هم دارد و آن جلوگیری از نشت بخارات بنزین در هوا است. فلزات معمولاً نسبت به مواد داخل سوخت واکنش نشان می‌دهند و خورده می‌شوند. در حالی که مواد پلیمیری چنین خاصیتی ندارند. به همین دلیل، بهتر است در سیستم سوخت‌رسانی خودرو، چه مخزن و چه لوله‌ها، از مواد پلیمری استفاده شود.
البته غیر از استفاده از مواد کامپوزیت در ساخت مخزن، می‌توان در ساخت بدنه هم از این مواد استفاده کرد که این عامل خود سبب کاهش وزن خودرو می‌شود. به ازای کاهش پنجاه کیلوگرم وزن خودرو، دو درصد در مصرف سوخت و پنج گرم در هر کیلومتر از انتشار گاز دی اکسید کربن کاسته می‌شود.