آزمایش چرخدنده

چرخدنده  ها

 

براي يك طراح مكررا لازم ميشود كه قدرت را از يك شفت به شفت ديگري منتقل كند بطوريكه نسبت سرعت دوراني  معيني بين دو شفت مذكور حفظ شود . همجنين ممكن است يك حركت زاويه اي مشخص لازم بشود.

سيستمهاي چرخدنده اي  گوناگوني جهت تامين اين هدف طراحي و ساخته شده اند كه بطور بي صدا وبا افت اصطكاكي خيلي كمي كار ميكنند .

براي اينكه چرخدنده ها به نرمي و بدون نوسان كار كنند به دندانه هاي آنها شكل هندسي مخصوصي مي دهند .نسبتهاي دندانه چرخدنده و همچنين اندازه هاي دندانه هاي آن آستاندارد شده اند. اين كار باعث تسهيل محاسبات طراحي و همچنين كاهش تعداد ابزار لازمه (تيغ فرزها) به حداقل مقدار خود مي گردد.براي ساخت چرخدنده ها بايد از موادي استفاده كرد كه استحكام و مقاومت در برابر خستگي و سايش آنها مناسب باشد .

 

انواع چرخدنده ها عبار تند از :

1- چرخدنده هاي صاف يا ساده:براي انتقال حركت از يك ميل محور به ميل محور موازي با آن بكار مي روند و دندانه هاي آنها با محورشان موازي است.

 

2- چرخدنده هاي مارپيچ: دنده هاي كجي نسبت نسبت به محور دوران چرخدنده دارند . اين چرخدندها را ميتوان براي همان كاربرد  چرخدنده هاي صاف بكار برد ولي مانند انها پر سرو صدا نيستند زيرا درگيري دنده ها بتدريج رخ مي دهد.

 

3- چرخدنده هاي مخروطي :دنده هايي روي سطوح مخروطي دارند و بيشتر براي انتقال حركت ميل محور هاي متقاطع بكار ميروند.

 

4- نوع چهارم از انواع اصلي چرخدنده ها حلزون و چرخ حلزون مي باشند.

 يك رشته چرخدنده تركيبي است از دو چرخدنده درگير جهت انتقال حركت از شفتي به شفت ديگر.

رشته چرخدنده هاي معمولي آنهايي هستند كه محورشان نسبت به بدنه ثابت بوده و حركتي ندارند اين رشته ها به دو قسمت ساده و مركب تقسيم ميگردند.

يك رشته چرخدنده ساده رشته اي است كه هر شفت آن داراي يك چرخدنده باشد

نسبت سرعت زاويه اي هر جفت چرخدنده درگير برابر نسبت عكس تعداد دندانه هاي آنها ميباشد بنابراين

                                                             

سرعت زاويه اي   برابر است با  ونسبت سرعت يك رشته چرخدنده

آخرين چرخدنده آن

 

رشته چرخدنده خورشيدي يا اپي سيكليك:

 

در اين رشته چرخدنده ها محورهاي يك و يا چند چرخدنده آنها نسبت به بدنه متحرك ميباشد چرخدنده وسط به چرخدنده خورشيدي و آن چرخدنده ها كه داراي محور هاي متحرك ميباشند به چرخدنده هاي اقماري موسو م ميباشند.مانن شكل داده شده ما در اين آزمايش يك رشته چرخدنده خورشيدي يا چرخدنده هاي اقماري به تعداد 3 تا در مورد وابستگي و ارتبط دورهاي آنها بررسي مي كنيم.

 

شكل چرخدنده آزمايش شده

 

 

 

 

                                     

 

 

 

 

اثرات آنرا روي A دو  رشته چرخدنده نشان داده شده ابتا ميخواهيم با گردش محرك

 و بازو برري كنيم CوBچرخدنده هاي

 

 ثابت باشد داريم:Cاگر

اعضاي تشكيل دهنده    مجموعه	‍ بازو	A چرخدنده	B  چرخدنده	C  چرخدنده
مجموعه قفل بوده و بازو يك دور مثبت ميزند
Cبازو ثابت بوده و چرخدنده يك دور ميزند
تعداد دورهاي بدست امده

 

 

دور مثبت پادساعتگرد.

 

     بازو هر كدام داراي علامت يكسان A  از آنجا كه دورها ي حاصله براي چرخدنده

مي باشند شفتهاي محرك و متحرك هر دو در يك جهت دوران مي كند.

 

حال در رشته چرخدنده هاي نشان داده شده موردي را بررسي مي كنيم كه در آن

 محرك باشد.Aبازو ثابت باشد و چرخدنده

 

 

اعضاي تشكيل دهنده    مجموعه	بازو	A چرخدنده	B  چرخدنده	C  چرخدنده
مجموعه قفل بوده و بازو يك دور مثبت    ميزند	1+	1+	1+	1+
ثابت بوده وبازو      A  يك دور منفي مي   زند	1-	0
تعداد دورهاي بدست امده

 ثابت باشد و بازو يك دور بزند Aو بالاخره موردي را بررسي ميكنيم كه

 

 

اعضاي تشكيل دهنده    مجموعه	بازو	A چرخدنده	B  چرخدنده	C  چرخدنده
مجموعه قفل بوده ومجموعه يك دور مثبت ميزند	1+	1+	1+	1+
يك دور منفي ‍Cبازو ثابت بوده و چرخدنده  ميزند	0	1-	(1.33+=18/24+)
تعداد دورهاي بدست امده	1+	0	2.33+	1.387+

 

 

 

 

 

 

 

 

ج: کاهش آلاینده با استفاده از کاتالیست

همانطور كه ذكر شد ميزان عمر مفيد اين كاتاليست ها 80000 كيلومتر ميباشد ، لذا تعويض آن پس از پايان مدت فوق ضروري ميباشد.

عمده عوامل موثر در كاهش طول عمر كاتاليست عبارتند از :

1- قرار گرفتن در دماي بالا : فلزات گرانبها به دنبال قرارگرفتن در معرض دماي بالا رسوب ميكنند  كه در نهايت منجر به كاهش سطح موثر كاتاليست و انسداد سلولهاي هسته ميگردد كه مورد فوق كاهش راندمان تبديل و ايجاد فشار منفي بر روي موتور  و در نتيجه كاهش توان خروجي را در پي دارد.

2- سمي شدن كاتاليست:

سمي شدن كاتاليست زماني رخ ميدهد كه ذرات خروجي از موتور( مانند سرب،...) سطح كاتاليست را بپوشاند از جمله:

الف ) كاتاليست ها در اثر ورود سرب ازطريق سوخت از كار خواهند افتاد.

ب) سمي شدن كاتاليست گاها در اثر قرار گرفتن موتور تحت بار زياد در يك دوره طولاني ايجاد ميشود كه منجر به بالا رفتن دماي اگزوز گشته، كه اين امر ممكن است منجر به تصعيد يا مايع شدن سموم موجود دركاتاليست گردد.

در اين حالت نيز رسوب مواد سمي بر روي لايه هاي فلزات گرانبهاء ضمن كاهش راندمان تبديل منجربه انسداد سلول هاي هسته و افزايش فشار منفي برروي موتور وكاهش راندمان موتور ميگردد.

عمده سموم مشترك در كاتاليست عبارتند از:

سرب، سولفور، روي، منگنز، سيليكون و فسفر.

روي، فسفر و گوگرد معمولادر اثر استفاده از روغنهاي ضد فرسايش همچون zddp وارد كاتاليست ميشوند . منگنز و همچنين سولفوراز ناخالصي هاي موجود در سوخت سرچشمه ميگيرند .

سيليكون بطور معمول بعلت ورود ضد يخ هاي حاوي سيليكات از طريق محفظه سوخت به دليل خرابي  واشر سيلندر يا وجود ترك بر روي محفظه به درون كاتاليست، اثرات تخريبي خود را بر روي كاتاليست بجا ميگذارد.

 

 

2-1-9 واکنشهای صورت گرفته در کاتالیست

 

 

2-2 كاتالسيت كنورتور سه راهه :

اين نوع كاتاليست كنورتور مي تواند همزمان هر سه مولفه سمي گازهي خروجي  HC       ,NO_X,CO را تصفيه نمايد اين روش زماني داراي ماكزيمم راندمان است كه موتور تحت شرايط نسبت هوا به سوخت استوپكيومتريك كار نمايد . به همين دليل بايد كنترل بسيار دقيقي برروي نسبت هوا به سوخت داشته باشيم .

يك سيستم كنترل نسبت هوا به سوخت شامل سنسور اكسيژن و سيستم كنترل CPU مي باشد . نيروي الكتروموتيو سنسور اكسيژن بالا خواهد بود . از طرف ديگر بمجرد اينكه نسبت هوا به سوخت از مقدار استويكيومتر يك پائين تر بيايد ، نيروي الكترو موتيو سنسور اكسيژن كاهش مي يابد . با بكارگيري اين پديده مي توان همواره يكفيد بك براي كنترل نسبت هوا به سوخت در محدوده استويكيومتريك ارسال نمود و بطور مؤثري از كاتالسيت كنورتور در كاستن از مؤلفه هاي  NOX ,Hc ,Co استفاده نمود .

 

 

 

 

 

2-2-1  تئوري سيستم كاتاليست كنورتور سه راهه :

co  كه از آلاينده هاي غير قابل اشتعال گازهاي خروجي هستند با NOX و اكسيژن وارد واكنش شده تا CO و Hc اكسيدشده و NO احيا گردد . نتيجتاً گازهاي غيرسمي N₂,H₂O,CO₂ بوجود مي آيند . برانجام اين واكنش شيميايي شرح زير خواهد بود.

درصورت استفاده از مخلوط غني (نسبت هوا به سوخت كمتر از نسبت استويكيومتر يك)غلظت O₂ پائين مي باشد اين شرايط اتسمفر احيا  ، ناميده مي شوددر شرايط اتمسفر احياء اغلب CO بدون اكسيدشدن از اگزوز خارج مي شوند در صورت استفاده از مخلوط دقيق (نسبت هوا به سوخت بيش از نسبت استويكيومتريك) غلظت اكسيژن بالا بوده و اين شرايط ، اتمسفر اكسيداسيون مي نامند.

دراين حالت NOX بدون آنكه احيا شوداز اگزوز خارج مي شود. مطابق آنچه دربالا اشاره گرديد ، اگر دريك سيستم كاتاليست كنورتور Co/HC اكسيد و NOX احيا گردد ، درصورتي كه دراتمسفر اكسيداسيون و يا اتمسفر احيا باشيم ،نمي توانيم اطمينان صددرصد از تصفيه هر سه مؤلفه Hc,Co و NOX داشته باشيم ، بدين ترتيب ضروري است تا نسبت هوا به سوخت بطور بسيار دقيقي در محدوده استويكتومتريك نگاه داشته شود . و گازهاي خروجي حاوي مقادير متناسبي از NO_X,H_C,CO,O₂ باشند در اين صورت تمام گازهاي مذكور مي توانند به CO₂, H₂ و H₂O  تبديل گردند .

 

 

2-3  مواد کاتالیست در موتورهای با سوخت گاز طبیعی

نسبت مواد گرانقیمت به کار رفته در کاتالیست شاملPd,Rh,Pt  نحوه بارگذاري (Loading) و نسبت انها در پوشش کاتالیست، میزان ریزی و درشتی شبکه لانه زنبور(cell density) ظرفیت حرارتی، فرمول پوشش ، کنترل نسبت سوخت به هوا و آشفتگی جریان گازهای احتراق ، مهمترین عوامل مؤثر در دستیابی به دمای پایین تر شروع واکنش های کاتالیست به خصوص برای متان می باشد. این دما همان دماي (Light off) مي باشد.  دمای بالاتر از 250 درجه سلسیوس برای گازهای ورودی به کاتالیست برای تبدیل کامل COبه خصوص در یک کاتالیست کارنکرده کفایت می کند .در حالیکه این دما برای گازهای متان و سایر هیدروکربن ها و آلاینده NOxبه مراتب بالاتر است.شکل (1) تاثیر دمای گازهای ورودی بر كاتالیست روی بازده تبدیل آلاینده های CO ، متان و سایر هیدروکربن های غیرمتانی برای یک کاتالیست سه راهه Pt/Pd مدل3 KLN ساخت شرکت Kemira   را نشان می دهد. چنانچه دیده شمی شود متان دارای بالاترین دمای  Light off می باشد.  بدتر شدن وضعیت Light off یک کاتالیست قبل از هر چیز تاثیر بسزایی روی بازده تبدیل متان خواهد گذاشت.

 

 

 شكل 1- عملكرد كاتاليست سه راهه  Pt/Pd 3KLN با 1000 ساعت عمر كاركرد در دماهاي مختلف

 

علاوه بر آنچه در بالا برای دستیابی به دمای پایین تر شروع واکنش درکاتالیست ذکر شدعواملی نظیرسطح کل تماس کاتالیست باگازهای خروجی دربازده تبدیل کاتالیست مؤثرند .از عوامل بسیار مهم دیگر که یکی از چالش های اساسی در طراحی کاتالیست به شمارمیرود دوره عمرو پیری (Ageing)کاتالیست است .با افزایش عمر کاتالیست معمولاً بازدهی تبدیل کاتالیست کاهش یافته و دمای شروع واکنش نیز بالاتر می رود.

 

 

2-3-1 کاتالیست موتور گازسوز استوکیومتریک:

در شرایط استوکیومتریک دمای بالای گازهای خروجی، به عملکرد و بازده تبدیل کاتالیست کمک می کند. در نزدیکی شرایط استوکیومتریک(١= ג) کارکرد موتور، بازده تبدیل NOx در وضعیت مطلوبی می باشد .برای دستیابی به بازده بالای کاتالیست سه راهه، نگهداری شرایط کارکرد موتور نزدیک به حالت استوکیومتری در این موتورها ضروری است و بر همین اساس اساس نسبت سوخت به هوای ورودی از طریق سنسور اکسیژن که در مسیر گازهای خروجی موتور نصب می گردد، کنترل می شود.

نسل اول کاتالیست های ارائه شده برای این موتورها، کاتالیست (Pt/Rh) با نسبت 5 به 1 بوده است. اين كاتاليست براي هیدروکربنهای غیر متانی مناسب است . در نسل های بعدی استفاده ازpd   به خاطر قابلیت بالای تبدیل متان مد نظر بوده است .برای دستیابی به سطح آلاینده های مجاز در استانداردهای امروزی ضروری است که کاتالیست های مورد استفاده به طور همزمان دارای پنجره لامبدای (λ- window ) خوب و دمای  Light- off مطلوب باشند .منظوراز پنجره لامبدای مطلوب عملکرد مناسب کاتالیست در پهنای وسیعتری نزدیک به شرایط استوکیومتریک است .استفاده از کاتالیست های شیمی متمایز (DCC) و کاتالیست دو تکه (DBC)در فناوریهای جدید تا حدود زیادی اهداف مد نظر را پوشش می دهد. دراین کاتالیست ها از  Pt به خاطر پایین آوردن دمای شروع واکنش Light-off و از Pd برای     (λwindow )بهتر، استفاده شده است. در روش ساخت DCC پلاتینیوم روی یک ورق و پالادیم روی ورق دیگر به صورت کاملاً متمایز روی شبکه کاتالیست پوشانده می شود. در روش DBC. کاتالیست دو تکه ساخته می شود به این ترتیب که  Pt وPd روی دو قسمت  کاملاً متمایز از یک کاتالیست پوشانده می شوند.

2-4 مراحل ساخت وطریقه کارکرد اجزاء مبدل سرامیکی

2-4-1 مطالعات نظري:

واكنشگرها) كاتاليستها ( كه بروي مبدل هاي كاهنده پوشش داده مي شوند، عموماً تركيبي از پلاتين، پالاديم و روديم مي باشند. اين واكنشگرها جهت عملكرد خود نياز به سطح ويژه (BET) وسيعي دارند . لذا مبدل سراميكي به صورت يك قوطي لانه زنبوري(منوليت يا honey comb) اكسترود مي شوند كه خود داراي سطح ويژه وسيعي است كه آن را به كمك پوشش دادن (Wash Coat) با آلوميناي گاما  (γ –Al2O3)به حدود دو برابر سطح يك زمين فوتبال مي رسانند. نحوه عمل مبدلهاي كاهنده آلاينده هاي گازي از هر نوع و اندازه اي كه باشند در حالت كلي اكسيد كردن گازهاي سمي COو  CHبه گاز هاي غير آلاينده H2O و  CO2 و احيا گازهاي مضر(NOX) به گازهاي بي خطرازت  (N2)  و اكسيژن (O2) مي باشد.

انواع مبدلهاي كاهنده آلاينده هاي گازي:

تا به حال چهار نوع مبدل كاهنده آلايند ه هاي گازي اختراع شد ه اند كه هر  كدام داراي مزاياي خاصي هستند.

 نوع اول: مبدلهاي كاهنده آلاينده هاي گازي (كاتاليزور( دو منظوره  (Two-Way)اين نوع معروف به نوع اكسيد كننده (Oxidation Converter) است. بيشتر در موتورهاي با سوخت ديزل بكار برده مي شود و فقط قادر به تبديل گاز منواكسيد كربن(CO) و هيدروكربنها (CH) به دي اكسيد كربن2)  (CO و بخار آب(H2O) ميباشد و هيچ اثري بر گازهاي مضر(NOX) ندارد.

نوع دوم: مبدلهاي كاهنده آلاينده هاي گازي سه منظوره :

اين مبدلها به مبدل سه منظوره مشهور هستند و قادر به فراهم آوردن شرايط اكسيداسيون براي تغييرتركيب گازهاي سمي منواكسيدكربن وهيدروكربنها و شرايط احيا براي(NOX) هستند.

نوع سوم: مبدلهاي كاهنده آلاينده هاي گازي سه منظوره با هوا  (Three-Way +Air) اين مبدلها مشابه  مبدلهاي سه منظوره هستند با اين تفاوت كه مابين آنها هوا دميده مي شود تا به بهتر شدن شرايطاكسيداسيون گازهاي مضر كمك نمايد.

 

نوع چهارم: مبدلهاي كاهنده آلاينده هاي گازي اوليه و ثانويه:

در سه  نوع مبدل قبلاً معرفي شده نياز به صرف زمان تا گرم شدن مبدل و شروع عمل واكنشگرها مي باشد . در اين مدت به علت سرد بودن مبدل، گازهاي مضر بدون هر گونه واكنش از لوله اگزوز خارج میشوند اخيراً جهت جلوگيري از اين عيب يك مبدل سراميكي كوچك كاهنده آلاينده هاي گازي بعد از مانيفولد(Manifold) نصب گشته. اين مبدل سريع به دماي واكنش مي رسد و به صورت كمكي براي مبدل اصلي يا ثانويه تا رسيدن آن به حرارت مورد نياز فعال شدن واكنشگرها عمل مي نمايد.

 

2-4-2 مطالعات تجربي

مواد مصرفي:

150   • قطعه مبدل پايه سراميكي( كورديريتي) كوچك توليد شركت NGK  ژاپن، مورد كاربرد در اگزوز موتور سيكلت هوندا  CG125

•     آلوميناي گاما(γ - Al2O3)   توليد شركت  MERCK  المان

•   چسب سيليكون آلي

    •الكل، اتانول، اتيلن گليكول، آب

•     آمونيوم پلاتين [Pt(NH3)]+ 2 شركت  MERCK آلمان

•     كلرو آمونيوم روديم  [Rh(NH3)Cl]+ 2 شركت MERCKالمان

•   پلاديم نيترات [Pd(NO3)]+ 2 شركت MERCK  المان

  •نمد الياف آلومينا با ضخامت 50 ميلي متر

•   ورقه فلزي استيل دير گداز كرم- آهن

پروسس كاربرد مواد و تجهيزات در توليد مبدل سراميكي:

2-4-3ساخت بدنه مبدل

بدنه مبدل كه به صورت يك لوله استوانه اي يا بيضوي سراميكي از جنس كورديريت است مي توان به شكل لانه زنبوري داراي 220 ا لي 600 سوراخ در يك اينچ مربع (cpi)باشد. ضخامت ديواره هاي محفظه در هنگام كاربرد حدود0.3 -0.2 ميلي متر است . جهت تهيه آن مخلوط فرمول كورديريت خمير مانند داراي خاصيت پلاستيكي را در دستگاه اكسترود و به صورت قوطي كه داراي سوراخ هاي لانه زنبوري است شكل مي دهند. از مواد پلاستي سايزر محلول در آب سرد مثل انواع گليكولها نيز جهت افزايش انعطاف پذيري و سياليت بهتر به هنگام اعمال نيرو جهت شكل دهي در اكستروژن استفاده مي شود. البته پروسس توليد يك بدنه مبدل سراميكي علاوه بر نياز به فراهم بودن مواد اوليه مناسب، نياز به اكستروژن يا قالب مخصوص شكل دهي، خشك كردن و كوره هاي پخت دارد كه غير از مواد اوليه آن بقيه موارد مورد نياز توليد اين بدنه سراميكي در ايران وجود ندارد لذا در اين تحقيق از 150 مبدل استوانه اي از نوع سراميكي مورد كاربرد در لوله اگزوز موتورسيكلت استفاده شد.

2-4-4 ايجاد لايه پوشش مياني(wash-coat)

بعد از تهيه بدنه مبدل سراميكي بايد روي كليه سطوح باز سوراخهاي آن يك لايه 20-10 ميكروني يكنواخت داراي سطوح زياد نشاند . بطوريكه اين لايه با بدنه كورديريت ايجاديك لايه بافر نموده و از بدنه اصلي جدا نگردد. براي اين منظور مخلوطي از آلوميناي متخلخل (γ − Al2O3) داراي سطح زياد(داراي سطح ويژه حدود m2/gr  400) را با يك چسب سيليكوني آلي و يا تركيبي از مواد پايدار كننده به صورت دوغاب مخلوط كرده و بدنه مبدل سراميكي را در آن غوطه ور مي نمايند. بطوري كه γ − Al2O 3 درون حفره ها نفوذ نموده و يك سطح يكنواخت ايجاد كند سپس بدنه مبدل پوشش داده شده در حرارت200-400  درجه سانتي گراد به آرامي خشك مي كنند.

جهت كنترل مقدار Wash Coat بدنه مبدل را قبل و بعد از عمليات وزن مي كنند و پس از خشك كردن مجدداًوزن مي گردد تا مقدار لايه مياني پوشش داده شده آلومينايي بروي بدنه مبدل مشخص گردد . مقدار ايده آل پوشش لايه مياني در جذب مواد واكنشگر و در نتيجه تبديل گازهاي آلوده به گازهاي بي ضرر بسيار مؤثر است . لذا مقدار پوشش لايه مياني را مي توان با افزودن دانسيته سوسپانسيون محتوي مواد پوشش دهنده و يا تكرار عمل پوشش بهبود بخشيد.

2-4-5تلقيح اجزاء فعال و واكنشگر

در اين مرحله بايد مواد واكنشگري را كه باعث ايجاد واكنش و تغيير تركيب گازهاي آلاينده مي شوند را از طريق تلقيح(Impregnation) داخل حفرات متخلخل آلوميناي متخلخل  (γ − Al2O3) وارد كرد. اين مواد بايد با جذب يا تعويض يوني تلقيح همزمان(Coimperegnation)  خود را در محل وارد شده محكم نگه دارند . براي اين كار اكثراً از روش رسوب واكنشگرها استفاده مي شود.

براي وارد كردن مواد واكنشگر بروي پوشش لايه مياني ابتدا محلولي از نمكهاي فلزات گرانبها مانند آمونيوم پلاتين   [Pt(NH3)]+2 كلرو آمونيوم روديم[Rh(NH3)Cl]+ 2 و نيترات پلاديم[Pd(NO3)]+ 2 را به نسبت يك گرم  پلاتين،0/2  گرم پلاديم و 0/2 گرم روديم به صورت سوسپانسيون محلول در آب حل كرده و بدنه مبدل سراميكي را در آن غوطه ور مي كنند و سپس در كوره با دماي حدود 520 درجه سانتي گراد قرار مي دهند تا كلسينه (Calcination)  گردد. در اثر حرارت نمكهاي فلز ات گرانبها تجزيه گشته و فلز مربوطه روي سطح لايه ظاهر مي گردد(شكل1 ) طي اين مرحله فلزات پلاتين و پلاديم كاشته شده در سطح بعنوان اكسيد كننده هيدروكربن(CH) و تبديل آن به CO 2و H2O و يا COعمل مي كند وفلز روديوم نيز نقش احيا كنندگي اكسيدهاي ازت (NOX) به N2 و  O 2 را بعهده مي گيرند .

2-4-6 جلدگيري(canning)

جهت كاربرد مبدل ساخته شده آنرا داخل يك جلد فلزي قرار مي دهند . براي اين كار بدنه مبدل را در بستري از نمد ديرگداز متراكم شده از الياف آلومينا قرار داده و آنرا داخل يك محفظه از ورق استيل ديرگداز قرار مي دهند. بطوريكه در شكل ( 2) نشان داده شده است. قسمتي كه بدنه مبدل در آن قرار مي گيرد به شكل مثلثي آئورديناميك جهت ورود و خروج گاز داخل اگزوز درآورده مي شود.

2-4-7 آزمايش كاربرد مبدل

نمونه ها بعد از جلد گيري جهت مطالعه كاربرد و نحوه عملكرد مبدل بر اساس استانداردهاي كاربردي شماره1 الي 4 اروپايي مورد تست قرار مي گيرند . در اين آناليز گاز خروجي از اگزوز داراي مبدل با آناليز گاز خروجي از اگزوز بدون مبدل مقايسه مي گردد . براي اين كار از دستگاه آناليز كننده گاز خروجي از اگزوز استفاده مي شود . (در شكل 3 چگونگي عملكرد اجزاء دروني مبدل سراميكي معرفي شده اند(.

 

 

2-4-8  روش كار آزمايشگاهي

در ساخت نمونه ها و مطالعه آنها از مواد و تجهيزات نامبرده در بخش مطالعات تجربي استفاده شد . در مرحله اول آلوميناي گاما در اندازه های 200و325و400  مش دانه بندي گشت، و به صورت مواد مورد مصرف در ايجاد سوسپانسيون واش كوت با توزيع دانه هاي متفاوت كه تعدادي از آنها در جدول 1 ذكر گشته اند  مخلوط گشت.

 

در مرحله دوم از هر دانه بندي مقادير متفاوت كه تعدادي از آنها در جدول 2 ذكر شده همراه مواد شناور سازنده اتانول و اتيلن گليكول به صورت دوغاب تهيه گشتند . در همگن كردن اين دوغاب ها از همزن با دور كم طي 5 دقيقه استفاده گشت . در مرحله سوم مبدل هاي پايه سراميكي شماره گذاري شده و وزن گشته و در محل علامت گذاري شده از نظر ضخامت اندازه گذاري شدند و سه مبدل سراميكي براي پوشش دادن در هر فرمول دوغاب محتوي آلومينا انتخاب گشت  بطوري كه مبدل اولي يك دفعه، مبدل دومي دو دفعه، مبدل سومي سه دفعه پوشش داده شدند.

نمونه ها در آون در 350 در جه سانتي گراد طي 10 ساعت به آرامي خشك گشتند و مجدداً از نظر ضخامت و وزن اندازه گيري شدند . و سپس با ذره بين دستي با بزرگنمايي 100 برابر مورد بررسي قرار گرفتند . نمونه هاي ترك خورده شامل نمونه هاي داراي ضخامت زياد يا داراي دانه نا متناسب بودند كه ايجاد اتصال آ نها با بدنه مبدل سراميكي به اندازه كافي استحكام ندارد و نمونه هاي معيوب به راحتي ترك خورده و واش كوت آنها با كوچكترين حركت به صورت لايه هاي نازك از بدنه سراميكي جدا مي شوند.

 

 

نمونه هاي بررسي شده بدون ترك سطحي مورد تلقيح اجزاء فعال واكنشگر قرار گرفتند در اين مورد جهت مطالعه اثر مقدار فلزات تعدادي از نمونه ها را يكبار و تعدادي را دو ب ار و تعدادي را سه بار در سوسپانسيون مواد گرانبها غوطه ور شدند . پس از غوطه وري در دماي 520 درجه سانتي گراد به مدت 2 ساعت كلسينه گشتند و مجدداً مورد بررسي سطحي و تغييرات ضخامت و وزن قرار گرفتند . تفاوت وزني تعدادي از آنها در جدول 3 ذكر شده است . پس از جلد گيري مبدل ها را جهت اطمينان از ملكرد آنها، در مقايسه با استانداردهاي اروپايي شماره يك در دستگاه گاز آناليزور مورد بررسي قرار گرفتند.

 

2-5 استفاده ازنانوکاتالیست در ساخت کاتالیست

نانو تكنولوژي چيست:

فناوري‌نانو واژه‌اي است كلي كه به تمام فناوري‌هاي پيشرفته در عرصه كار اطلاق مي‌شود. مقياس نانو ابعادي در1nm  تا nm100 می باشد . (1 نانومتر يک ميليارديم متر است)

                                            :  چرا اين مقياس مهم است

خواص موجي شكل (مكانيك كوآنتمي) الكترونهاي داخل ماده و اثر متقابل اتمها با يكديگر از جابجايي مواد در مقياس نانومتر اثر مي پذيرند. با توليد ساختارهايي در مقياس نانومتر، امكان كنترل خواص ذاتي مواد ازجمله دماي ذوب، خواص مغناطيسي، ظرفيت بار و حتي رنگ مواد بدون تغيير در تركيب شيميايي بوجود مي آيد. استفاده از اين پتانسيل به محصولات و تكنولوژيهاي جديدي با كارايي بالا منتهي مي شود كه پيش از اين ميسر نبود. نظام سيستماتيك ماده در مقياس نانومتري، كليدي براي سيستمهاي بيولوژيكي است. نانوتكنولوژي به ما  اجازه مي دهد تا اجزاء و تركيبات را داخل سلولها قرارداده و مواد جديدي را با استفاده از روشهاي جديد خود_اسمبلي بسازيم. در روش خود_اسمبلي به هيچ روبات يا ابزار ديگري براي سرهم كردن اجزاء نيازي نيست. اين تركيب پرقدرت علم مواد و بيوتكنولوژي به فرايندها و صنايع جديدي منتهي خواهد شد. ساختارهايي در مقياس نانو مانند نانوذرات و نانولايه ها داراي نسبت سطح به حجم بالايي هستند كه آنها را براي استفاده در مواد كامپوزيت، واكنشهاي شيميايي، تهيه دارو و ذخيرة انرژي ايده ال مي سازد. سراميك هاي نانوساختاري غالباً سخت تر و غيرشكننده تر از مشابه مقياس ميكروني خود هستند. كاتاليزورهاي مقياس نانو راندمان واكنشهاي شيميايي و احتراق را افزايش داده و به ميزان چشمگيري از مواد زائد و آلودگي آن كم مي كنند. وسايل الكترونيكي جديد، مدارهاي كوچكتر و سريعتر و … با مصرف خيلي كمتر مي توانند با كنترل واكنش ها در نانوساختار بطور همزمان بدست آيند. اينها تنها اندكي از فوايد و مزاياي تهيه مواد در مقياس نانومتر است .صنايع اتومبيل سازي و هوانوردي: مواد جديد كه  از نانو ذرات ساخته شده اند براي بدنه هاي سبكتر، لاستيكهايي با مقاومت سايش بهتر و قابل بازيابي،  رنگ كارهاي بيروني كه احتياجي به شستشو ندارند،  پلاستيكهاي ارزان غيرقابل اشتعال، صنايع الكترونيكي براي كنترل، پوشش هاي خود ترميم و منسوجات بكار ميروند.

2-5-1 كاتاليستهاي نانوساختاري

نانو ذرات:

يك نانو ذره به ذرهاي گفته ميشود كه ابعادي بيين 1تا 100 نانومتر داشته باشد.  با توجه به تعريف نانو ذرات ممكن است اين ذهنيت به وجود ايد كه اين ذرات با چنين ابعادي در هوا معلق خواهند ماند اما در واقعه چنين نيست و نيروهاي الكترو استاتيكي بين ذرات انها را در كنار هم قرار ميدهد .

ذرات در اندازه نانو مورد استفاده در كاتاليست اگزوز به خاطر كاهش اندازه ذره  باعث افزايش شديد سطح ذره ميشود افزايش نسبت سطح به حجم نانو ذرات باعث ميشود كه اتمهاي واقع در سطح اثر بيشتري نسبت به اتمهاي  درون حجم ذرات بر خواص فيزيكي ذرات داشته باشند.

اين ويژگي واكنش پذيري نانو ذرات را به شدت افزايش ميدهد به گونه اي كه اين ذرات شديدا تمايل به كلوخه شدن (آگلومره)دارند.

 

2-6 سنسور اکسیژن

با پیشرفت صنایع خودرو برای مدیریت سوخت ازقطعات الکترونیکی مانند  ECU و سنسورها استفاده کردند یکی از این سنسورها که روی سیستم اگزوز نصب شد سنسور اکسیژن است که یک نمونه ازآن را در شکل ملاحضه میکنید.

کار سنسور اکسیژن حس کردن میزان اکسیژن موجود در مانیفولد خروجی قبل و بعد از کاتالیزور است و به کمک مقادیر حس شده توسط این سنسور Ecu میتواند نسبت سوخت به هوا در شرایط کارکرد لوپ بسته و لوپ باز برای موتور رو تعیین و تا حد ممکن به مقادیر استوکیومتری ایده آل ( تقریبا" برابر 14.7 کیلوگرم هوا به یک کیلوگرم سوخت ) نزدیکند.ضمنا" برای اینکه کاتالیزور اگزوز توانائی انجام بیشترین میزان پالایش گازهای خروجی رو داشته باشد نزدیک بودن مخلوط سوخت و هوا به میزان ایده آل ضروریی است.سنسور اکسیژن اصولا" نباید تاک ثیری روی کشش و قدرت موتور بگذارد ولی از آنجائی که برای بدست آوردن حداکثر قدرت از یک موتور بنزینی باید مخلوط سوخت و هوا نسبت به حالت ایده آل کمی غلیظ تر باشد ( یعنی میزان هوا بین 10 تا 15 درصد کمتر از حالت ایده آل استوکیومتری باشد ) و Ecu به کمک سنسور اکسیژن در حالت لوپ بسته جلوی این کار را میگیردمی توان گفت حداکثر قدرت کمی پائین تر می آید. در شرایط کارکرد موتور در حالت لوپ باز میزان اکسیژن موجود در اگزوز تاثیرخاصی بر روی عملکرد موتور نمی گذارد.
بعضی از خودروها فقط یک سنسور اکسیژن ( قبل از کاتالیزور )دارندو بعضی ها تعداد 2 سنسور ( یکی برای هر دو سیلندر قبل از کاتالیزو ) بعضی ها به تعداد سیلندرهای موتور + ( یک سنسور برای هر سیلندر و یک سنسور بعد از کاتالیزور ) سنسور اکسیژن دارند.

2-7     سوپاپ EGR

بازگرداني گاز اگزوز ( Exhust Gas Recirculation ) به داخل سيلندرهاي موتور که اختصاراً EGR ناميده مي شود  يکي از روشهايي است که جهت توليد مخلوط رقيق بکار برده مي شود . در اين روش مقداري از گاز اگزوز دوباره توسط يک سوپاپ قابل تنظيم و از طريق يک لوله رابط به پايين دست دريچه گاز کاربراتور هدايت مي شود و به خاطر رقيق شدن مخلوط هوا – سوخت در  نتيجه اختلاط با گاز EGR ، سرعت شعله و اوج دماي احتراق کاهش يافته ، در نتيجه مقدار NO کمتر مي شود .

در بين روشهاي مختلف جهت کاهش آلاينده NO در داخل اتاق احتراق ، روش EGR ساده ترين، اقتصادي ترين و مؤثرترين روش جهت کاهش آلاينده NO مي باشد و مي تواند اقتصاد سوخت و قابليت رانندگي بهتر ( drivcability ) را از خود نشان مي دهد و از ساير روشها از جمله تأخير کردن جرقه زني ، فقير يا غني نمودن مخلوط بهتر مي باشد.

اختلاف توزيع نسبت هوا سوخت بين سيلندرهاي مختلف يک موتور چند سيلندر وقتي از ضريب هم ارزي نزديک استوکيومتريک استفاده مي شود قابل اغماض بوده و این سوپاپ می تواند اين اختلاف توزيع بين سيلندرهاي مختلف را کاهش دهد .

تشکيل NO توضيح مي دهد که اختلاف دمائي حدود k 500 در داخل اتاق احتراق بين گازهايي که در اول و آخر مي سوزند وجود دارد . غلظت NO در گازهايي که اول مي سوزند به مقدار تعادلي مي رسد غلظت NO  در گازهايي که آخر مي سوزند به غلظت تعادلي نمي رسند و نسبت مونواکسيد ازت در گازي که اول مي سوزد به مونواکسيد ازت در گازي که بعداً مي سوزد بيش از چند صد برابر است. افزايش دماي گاز به اندازه k 100 باعث افزايش تشکيل NO به مقدار 100 تا ppm 2000 در نزديکيهاي دماي k 2500 مي باشد.افزايش مقدار EGR باعث کاهش دماي بيشينه چرخه مي شود ، نتايج حاصل از اين تجربه نشان مي دهند که با اعمال EGR ضمن کاهش NO مقدار آلاينده هاي CO , HC در گازهاي اگزوز زياد مي شوند .

برخي از پژوهشگران معتقدند که بدون تغيير دادن شکل هندسي اطاق احتراق و متوسل شدن به روش احتراق سريع ، مي توان اضافه کردن EGR  به ميزان 10 تا 15 درصد، بدون اينکه به پايداري و عملکرد موتور ايرادي وارد آيد کاهش قابل ملاحظه اي در انتشار  مشاهده نمود . وقتي گاز EGR اعمال مي شود بايد تمام گونه هاي تشکيل دهنده آن از دماي اوليه خودشان تا دماي شعله گرم شوند ، بدين جهت آنها ضمن گرم شدن خواهند توانست گرماي بيشتري از اتاق احتراق را جذب کنند . مهمترين گونه هاي گاز EGR ، بعد از گونه  گونه هاي  مي باشند وقتي اينها تا دماي شعله گرم شوند علاوه بر جذب گرماي داخلي اطاق احتراق ممکن است مقداري از آنها  تجزيه شوند.

چون تحول تجزيه يک تحول گرماگير است بدين جهت اين گازها در موقع تجزيه باز مقداري از گرماي اتاق احتراق را مي توانند جذب کنند . در نتيجه دماي گازهاي داخل اتاق احتراق کاهش بيشتري پيدا مي کند . کاهش عمده و اساسي غلظت NO وقتي كه مقدار EGR برابر با 15 تا 25 درصد است رخ مي دهد و اين مقدار EGR حداکثر مقداري است که مقدار تحت شرايط کم بار ( Part Load )  مي تواند تحمل کند بايد اضافه کرد که در شرايط بار و سرعت ثابت موتور ، افزايش مقدار EGR باعث افزايش فشار با ورودي مخلوط مي شود در حالي که نسبت جريان سوخت هوا ثابت مي ماند . تأثير عمده و اصلي گاز EGR در داخل گاز نسوخته ( مخلوط تازه ) در روند تشکيل آلاينده NO عبارت از کاهش دماي شعله و گاز سوخته شده و به علت افزايش ظرفيت گرمايي  بار داخل سيلندر به ازاء واحد جرم سوخت مي باشد .

درصد حجمي يکساني از رقيق کن هاي مختلف باعث کاهش مقادير متفاوت آلاينده NO مي شود و تأثير رقيق کن هاي  بعد از گونه  بيشترين مقدار گاز اگزوز را تشکيل مي دهند بدين جهت گاز اگزوز که مخلوطي از رقيق کن هاي مختلف است مي تواند به طور مؤثر جهت کاهش آلاينده NO  در موتورهاي احتراق داخلي به کار برده شود.

اطلاعات مشابه که به طور جداگانه در مورد تأثير گازهاي سوخته شده روي دماي گازهاي اطاق احتراق با تغيير دادن زاويه هم پوشاني سوپاپها ، نسبت تراکم و EGR بعمل آمده نشان داده اند که تحت شرايط کاري واقعي موتور ، ظرفيت حرارتي کل رقيق کن هاي مخلوط داخل سيلندر است که اهميت دارد و مقدار اين رقيق کن ها با هر روش ، مثلاً ؛ با تغيير دادن زاويه هم پوشاني سوپاپها ، مقدار EGR و نسبت تراکم تغيير کند زياد اهميتي ندارد .

EGR و احتراق فقير ( يعني مخلوطي که داراي هواي بيشتر از استوکيومتريک است ) دو روش رايج هستند که جهت کنترل آلاينده NO و کاهش مصرف سوخت به طور متداول در موتور به کار برده مي شوند و هر کدام از اينها داراي يک سري محاسن و معايب مي باشند.

در موتورهائي که داراي اتاق احتراق پيشرفته مي باشند روش EGR علاوه بر کاهش قابل ملاحظه NO مي تواند به عنوان وسيله اي جهت کاهش مصرف سوخت نيز به کار رود . تأثير منفي EGR روي سرعت احتراق  بيشتر از هوا است بنابراين افزايش مقدار کمتر EGR باعث افزايش سريع طول زمان احتراق و کاهش بازده  احتراق مي شود و حتي وارد کردن 7% گاز EGR باعث نصف شدن آلاينده NO مي گردد . ولي احتراق فقير بهتر از EGR به عنوان روشي جهت اصلاح اقتصاد سوخت مي باشد و فقير نمودن تا حد  باعث افزايش مقدار NO مي شود چون اکسيژن کافي جهت تشکيل NO در اختيار مي باشد. در موتورهاي معمولي وارد کردن مقدار بيشتر EGR باعث بدتر شدن پايداري موتور و اقتصاد سوخت مي شود بنابراين آلاينده NO نمي تواند به طور قابل ملاحظه اي کاهش يابد .

تأثير افزايش تغييرات احتراق ناشي از افزايش گاز EGR روي پايداري موتور در حالت کم بار در وقتي EGR=0 است محدوده تغييرات imep  باريک بوده ولي هر قدر مقدار گاز EGR زياد مي شود محدوده تغييرات وسيع تر شده و دنباله احتراق شبيه دنباله احتراق در حالت موتور گرداني ( motoring ) مي شود . همچنين افزايش EGR به مقدار بيشتر ممکن است باعث سوختن کند ، سوختن جزئي ( Partial ) و حتي خاموشي شعله شود .

موتورهاي بنزيني مدرن با مخلوط هوا – سوخت استوکيومتريک کار مي کنند . وقتي EGR به کار برده نمي شود جرم مخلوط هوا – سوخت وارد شده به سيلندر گشتاور و قدرت خروجي موتور را کنترل مي کند . اگر بخواهيم قدرت و گشتاور موتور ضمن وارد کردن EGR تغيير نکند آن وقت بايد جرم مخلوط به تله افتاده در داخل سيلندر تغيير نکند. جرم EGR وارد شده به داخل سيلندر بايد به مخلوط سوخت و هواي به تله افتاده اضافه شود . بنابراين  جرم کل داخل سيلندر ( هوا – سوخت و EGR ) براي بدست آوردن قدرت و گشتاور ثابت 4/0 گرم خواهد بود و چون حجم سيلندر ثابت است افزايش جرم به تله افتاده تنها با زياد کردن جرم مخصوص مخلوط امکان پذير خواهد بود(مثلاً با زياد کردن فشار مخلوط ورودي که در نتيجه بازکردن بيشتر دريچه گاز صورت مي گيرد). در موتورهاي ديزلي چون دريچه هوا وجود ندارد و جرم هواي داخل سيلندر کاهش مي يابد و چون براي داشتن قدرت و کشتاور خروجي موتور مقدار سوخت آماده شده بايد ثابت بماند بدين جهت وارد کردن EGR موجب کاهش نسبت هوا – سوخت مي شود و اين کاهش مي تواند آلاينده هاي اگزوز را تحت تأثير قرار دهد.

 

 2-7-1 نحوه کار سوپاپ EGR

این سیستم دارای اجزای زیر است:

1 - شیر برقی

2 - شیر خلایی

3 –لوله های رابط

4- سنسور دمای موتور

و ECU که از ECU  در سیستم سوخت رسانی استفاده می کنند.

شير برقي ( EGR ) :

 

 

 

 

يك نوع سولونوئيد است كه به فرمان ECU باز و بسته مي‌شود يكي از گازهاي آلاينده خروجي از موتور اكسيد ازت مي‌باشد . گاز ازت در درجه حرارت بالا در اتاق احتراق تشكيل مي شود . بدين ترتيب كه پيوند N2 و O2 شكسته شده و با يكديگر تركيبات NOX را مي‌سازند كه مضر جهت محيط زيست مي‌باشند . براي كاهش تشكيل مقدار اكسيد ازت بايستي درجه حرارت حاصل از حرارت را كاهش داد . بدين منظور سيستم EGR  طراحي شده است كه به طريق زير عمل مي‌كند . تمامي اين سيستمها به اين طريق عمل مي‌كنند كه گازهاي خروجي را به منيفولد هدايت كرده تا درجه حرارت محفظه احتراق را پائين نگه دارند در نهايت آلودگي خروجي كمتر گردد . شير برقي EGR  در حالت عادي باز است يعني هنگامي كه موتور روشن مي‌شود شير برقي با ولتاژ 12 ولت مستقيم فعال شده وسوپاپ آن به وسيله آهن رباي ايجاد شده در سولونوئيد باز مي‌شود و كانال شير را به هواي آزاد وصل مي‌كند بنا بر اين شير مكانيكي EGR كه به وسيله خلا تانك آرامش كار مي‌كند بسته است زماني كه دور موتور ازحالت دور آرام به دور متوسط مي‌رسد جريان الكتريسيته در در شير برقي قطع شده و شيلنگ خلا به به شيلنگ شير مكانيكی EGR وصل مي‌شود در نتيجه مقداري ازگاز خروجي ازاگزوز به اتاق احتراق جهت كاهش حرارت حاصل از احتراق هدايت مي‌شود بدين ترتيب از تشكيل NOX  كاسته مي‌شود با رسال فرمان از ECU به شير برقي EGR سولونوئيد آن باز شده و توسط خلا سوپاپ آن عمل مي‌كند .

شير برقي EGR  در موارد زير عمل نخواهد كرد :

1 – در حالت كار كرد سرد موتور

2-     در حالت دور آرام

3-    در بار سنگين موتور

با بازشدن شیر برقی خلا مانیفولد به شیر خلایی می رسد و با توجه به خلاء مانیفولد،

راه مانی فولد دود به مانی فولد هوا باز میشود .

شکل شیر خلاء

 

 

 

 

 

 

 

 

نمایی از این سیستم را در شکل ملا حضه میکنید

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

                                                                                                                        

فصل سوم

محاسبات مربوط به مبدل کاتالیست

 

 

 

 

 

·      روابط تعیین مبدل کاتالیستی

·      رژیم جریان

·      معادلات پیوستگی، ممنتوم و انرژی

·      انتخاب مدل آشفتگی مناسب

·      معادلات انتقال

·      نحوه مدل سازی مبدل کاتالیستی

·      تأثیرات مبدل برجریان گاز خروجی

·      مقایسه نتایج

 

3-1 روابط تعيين محل مبدل كاتاليستي

 

رژيم جريان:

محاسبه عدد رينولدز نشان مي دهد جريان گاز در لوله اگزوز در حال گذر از جريان آرام به متلاطم است.

 

پيش فرض هاي اين مطالعه :

براي انجام اين مطالعه سه پيش فرض تعيين شده است. پيش فرض اول اين است كه جريان گاز در لوله اگزوز يك جريان "پايا" است . به عبارت ديگر تحليل جريان گاز در دور موتور  ثابت انجام مي گيرد. نسبت هوا به سوخت نيز ثابت فرض شده است. ميزان دور موتوربرابر rpm 2500     است و فرض بر اين است كه موتور تحت حالت بار كامل كار مي كند. بر اين اساس پيش فرض دوم جريان "تراكم ناپذير" در نظر گرفته مي شود.گرچه ماهيت جريان گاز تراكم پذير است اما به دليل اينكه تغييرات فشار در داخل سيستم خروجي خودرو بسيار ناچيز است مي توان فرض كرد كه چگالي تنها تابعي از دماست و بنابراين جريان تراكم نا پذير است.

 

در پيش فرض سوم جنس گاز هاي خروجي "هوا" در نظر گرفته شده است. گر چه علاوه بر هوا گاز هاي ديگري نيز در جريان گازهاي خروجي وجود دارند اما از آنجايي كه درصد بالايي از جريان  گازهاي خروجي را هوا تشكيل مي دهد براي ساده سازي محاسبات جنس گازهاي خروجي را هوا فرض كرد.حال اگر پيش فرضهاي تدوين شده در معادلات عمومي پيوستگي، ممنتوم و انرژي اعمال شوند معادلات پيوستگي، ممنتوم و انرژي حاكم بر جريان گازهاي خروجي اگزوز به دست مي آيند.

 

3-1-1 معادلات پيوستگي، ممنتوم و انرژي

معادله پيوستگي براي جريان سه بعدي، پايا و تراكم ناپذير گاز در سيستم خروجي خودرو RD به شكل رابطه (1) است.   

                                                           (1)

 

معادله ممنتوم جريان در جهت i  به شكل رابطه (2) نتيجه مي شود.

 

  

 

مجموعه معادلات پيوستگي وممنتوم شامل 4 معادله است كه از حل آنها مقادير سرعت در جهت محورهاي x و y و فشار (p) در هر نقطه از جريان به دست مي آيند.     چگالي است كه از قانون گاز هاي ايده آل محاسبه مي شود.     لزجت است كه از جدول خواص ترموفيزيكي هوا به دست مي آيد.

معادله انرژي براي جريان پايا وتراكم ناپذير گاز خروجي طبق رابطه (3) بيان مي شود.

 

 

در اين رابطه          ضريب هدايت موًثر است و E انرژي جريان است و از رابطه (4) محاسبه مي شود.

 

 

 

h آنتالپي محسوس است واز رابطه (5) به دست مي آيد.

 

تابع       موسوم به تابع اتلاف انرژي است و از رابطه (6) محاسبه مي شود.

اكنون با توجه به اينكه جريان گاز در داخل لوله اگزوز جرياني گذراست بايد مدل آشفتگي مناسب براي مدل كردن آشفتگي انتخاب شود.

 

3-1-2 انتخاب مدل آشفتگي مناسب

در اين مطالعه براي مدل كردن آشفتگي در جريان گازهاي داخل اگزوز از مدل                       استفاده مي شود . زيرا مدل     يك مدل نسبتا" كامل و عمومي  براي تشريح آشفتگي است. در ميان زير مجموعه هاي اين مدل ، مدل RNG برايجريان هاي محصور و مدل standard براي جريان هاي غير محصور  مورد استفاده قرار مي گيرند. اين امر به اين علت است كه مدل RNG نسبت به مدل standard داراي سه مزيت است كه در اينجا تشريح مي گردند:

1- مدل RNG در مدل كردن جريان هاي پر تنش سريع ، دقت بيشتري دارد.

2- در مدل RNG تاًثير چرخش بر آشفتگي در نظر گرفته شده است. به همين دليل در مدل كردن جريان هاي چرخشي دقت بالايي دارد.

 

 

 

3-1-3 معادلات انتقال

در مدل RNG دو معادله انتفال ، يكي براي انرژي جنبشي آشفته K و ديگري براي نرخ استهلاك انرژي جنبشي آشفته     حل مي شوند. اين معادلات براي جريان گازهاي خروجي در لوله اگزوز وبا در نظر گرفتن پيش فرض هاي اين معادله به شكل روابط 7و8 نتيجه مي شوند.

 

 

در روابط 7و8 ،                                               هستند و

 

لزجت موًثر جريان است.

 

روش محاسبه مقادير 

 

در مراجع شرح داده شده است.

 

پس از مشخص شدن معادلات حاكم بر جريان گازهاي خروجي در داخل اگزوز خودرو RD اين معادلات با روش حل عددي وبا استفاده از نرم افزار Fluent حل مي شوند. در نتيجه نحوه توزيع متغيرهاي جريان از جمله دماي جريان گاز در طول سيستم خروجي خودرو به دست مي آيند.اكنون با معلوم بودن نحوه توزيع دما ، مي توان محل تعبيه مبدل كاتاليستي را پيشنهاد كرد.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3-1-4 ملاحظات مربوط به تعيين محل تعبيه مبدل كاتاليستي

مبدل کاتالیستی باید در محلی تعبیه شود که بیشترین بازده را داشته باشد. بازده مبدل کاتالیستی از رابطه (9) به دست می آید.

 

 

 

        دبی جرمی  ورودی گاز به مبدل و  دبی جرمی خروجی گاز از مبدل است .

 

بازده مبدل کاتالیستی تابع دماست. بنابراین باید ابتدا مشخص شود که بازده این وسیله در چه دمایی بیشینه است. سپس با مراجعه به شکل 3  می توان محلی را که در آن دمای جریان گاز به میزان مورد نظر رسیده است برای محل تعبیه مبدل انتخاب کرد.

شکل های4،5،6  نمودار تغییرات بازده مبدل کاتالیستی نسبت به تغییر درجه حرارت را برای سه گاز  نشان  می دهند. بر  اساس این نمودارها بازده مبدل کاتالیستی در حدود دمای 500 به بیشترین مقدار خود می رسد. نمودار به دست آمده برای توزیع دما در طول سیستم خروجی (شکل2) نشان می دهد که دمای متوسط جریان گاز در فاصله mm86 از اولین خم شاخه اصلی لوله اگزوز تقریباً k800 است. بر پایه این یافته ، این امکان برای تعبیه مبدل کاتالیستی پیشنهاد می شود.

در مرحله بعد ابتدا مبدل کاتالیستی روی مدل کامپیوتری سیستم خروجی خودرو در مکان پیشنهاد شده نصب و جریان گاز در آن  مدل سازی می شود.

 

3-1-5  نحوه مدل سازی مبدل کاتالیستی

برای مدل سازی مبدل کاتالیستی سه عامل اصلی باید در نظر گرفته شود . این عوامل عبارتند از : 1)میزان تخلخل،2)گرمای واکنش های شیمیایی و3)افت فشار .

1:میزان تخلخل : مبدل کاتالیستی شامل یک مجموعه لانه زنبوری است که در مسیر جریان گازهای خروجی قرار می گیرد و به صورت یک محیط متخلخل عمل می کند. این مجموعه دارای منافذ بسیار ریزی است که جریان گاز از میان آنها عبور می کند و دستخوش واکنشهای شیمیایی می شود. به تعداد این منافذ در واحد سطح، میزان تخلخل می گویند. به هنگام مدل سازی مبدل کاتالیستی ، میزان تخلخل باید به عنوان اطلاعات ورودی به کامپیوتر داده شود. میزان تخلخل از رابطه (10)به دست می آید.

 

 

که در این رابطه  سطح مقطع عبور جریان ،   سطح مقطع کل مجموعه لانه زنبوری است.

2:گرمای واکنشهای شیمیایی: همانطور که اشاره شد عبور جریان گاز از میان منافذ مجموعه لانه زنبوری با انجام واکنشهای شیمیایی همراه است. مهمترین این واکنشها:

 

انجام این واکنشها با آزاد شدن انرژی همراه است. انرژی آزاد شده به جریان گازهای خروجی وارد و منجربه گرم شدن جریان گاز می شود.

 

3: افت فشار: اثر مهم دیگر مبدل کاتالیستی به عنوان یک محیط متخلخل ، ایجاد افت فشار در جریان گازهای خروجی است. افت فشار جریان گاز ، هنگام عبور از مبدل کاتالیستی در اثر دو عامل مقاومت اینرسی و مقاومت لزجی ایجاد می شود و از رابطه  به دست می آید.

 

 

 

در این رابطه افت فشار در اثز مقاومت اینرسی و    افت فشار در اثر مقاومت لزجی است.

 

افت فشار ناشی از اینرسی ، در جهت محور ها از رابطه  محاسبه می شود.

 

که در این رابطه  ضریب مقاومت اینرسی،   چگالی جریان گاز و  سرعت جریان گازدر شرایطی است که سطح مقطع جریان کاملاً باز باشد. ضریب مقاومت اینرسی از رابطه  به دست می آید.

 

                  ضخامت محيط متخلخل در جهت محور x هاست .

به عنوان اطلاع ورودي براي محاسبه افت فشار ناشي از مقاومت اينرسي داده مي شود. افت فشار ناشي ازمقاومت لزجي در جهت محور x ها از رابطه 18 محاسبه مي شود.

 

 

در اين رابطه             ضريب مقاومت لزجي و     ميزان لزجت جريان

گاز است.

 

3-1-6 محاسبه تأثيرات مبدل  بر جريان گازهاي خروجي

با داشتن مقادير سه عامل ياد شده در قسمت قبلي، تأثيرات مبدل كاتاليستي بر جريان گازهاي خروجي قابل محاسبه مي شوند.پس از همگرا شدن حل اين معادلات ، نمودار توزيع دما و ساير متغيرهاي جريان در طول سيستم خروجي خودرو مشخص مي گردند. نمودار توزيع دماي به دست آمده در شكل 7 نشان داده شده است.

 

 

 

 

3-1-7 مقايسه نتايج

به منظور تأييد صحت نتايج اين مطالعه، نمودار توزيع دماي به دست آمده با نتايج حاصل از تحليل يك بعدي جريان به كمك نرم افزار Wave مقايسه شدند. در تحليل انجام شده به وسيله نرم افزار ياد شده دماي جريان گاز در اگزوز خودرو RD  در دو نقطه مشخص اولين خم شاخه اصلي اگزوز (شكل 12 ) و مقطع ورودي انباره (شكل 11 ) محاسبه شدند. همچنين براي تأييد نتايج به دست آمده پس از تعبيه مبدل ، آزموني بر روي مبدل كاتاليستي (در شرايط كاركرد مشابه موتور) انجام و دماي گاز در نقاط ورودي و خروجي مبدل اندازه گيري شد. نتايج حاصل از اين آزمون در جدول (1)  آورده شده اند.

 

هر چه دماي جريان گاز بيشتر شود ، بازده مبدل كاتاليستي نيز افزايش مي يابد. بنابراين از آنجا كه دماي جريان گاز در ابتداي دو شاخه ورودي اگزوز بيشينه است، انتظار مي رود هر چه محل نصب مبدل كاتاليستي به ابتداي لوله اگزوز نزديكتر شود بازده آن بيشتر گردد. اما تحقق اين امر مستلزم آن است كه اولاً ساختار مبدل كاتاليستي در اثر دماي بالاي جريان گاز در ورودي لوله اگزوز آسيب نبيند. چنانچه اين ساختار دچار آسيب شود از شدت فعاليت مبدل كاسته خواهد شد. ثانياً عمل احتراق در موتور RD به شكل كامل انجام گيرد. اگر عمل احتراق كامل نباشد مقداري از سوخت ، به صورت محترق نشده وارد سيستم خروجي خودرو ميگردد. در صورتيكه دماي جريان گاز در اثر واكنشهاي شيميايي در مبدل كاتاليستي ، از دماي احتراق سوخت بيشتر شود ، سوخت محترق نشده درمبدل كاتاليستي مشتعل مي شود و به ساختار مبدل كاتاليستي، ديواره اگزوز و قسمت هاي مجاور آن آسيب مي رساند.

مسئله ديگري كه حائز اهميت است، مسدود شدن جريان در برخي از سلولهاي مبدل كاتاليستي است كه مجاور ديواره اگزوز قرار دارند. اين پديده به علت زاويه ديفيوزر و چرخش جريان گاز در لايه مرزي اتفاق مي افتد و سبب كاهش بازده مبدل مي شود . نتيجه اينكه براي يافتن مناسب ترين محل تعبيه مبدل كاتاليستي ، هنوز لازم است مطالعات بيشتري در زمينه مقاومت دمايي كاتاليست مورد نظر براي خودرو تأثير افزايش دماي جريان گاز بر مقدار سوخت محترق نشده اي كه همراه جريان گاز از موتور به سيستم خروجي خودرو وارد مي شود، انجام گيرد.

همچنين مي توان با بهينه كردن زاويه ديفيوزر از كاهش بازده مبدل به علت مسدود شدن جريان در سلولها جلوگيري كرد.                        

 

جداول و منحني ها :

 

 

 

 

    

 

 

 

 

 

 

               

 

 

 

 

 

3-2 نتیجه گیری

کشور ما مانند بیشتر کشورهای در حال توسعه با  مشکل آلودگی هوا مواجه است برای کاهش این آلودگی ضروری است از کاتالیست های با راندمان بالا استفاده کند . در اين تحقيق روش استفاده از مبدل هاي كاتاليزوري جهت تكميل احتراق در خودرو مورد بررسي قرار گرفته است مبدلهاي كاتاليزوري با سوخت بدون سرب عمر مفيد حدود 80 هزار كيلومتر دارند كه پس از پايان عمر مفيد آنها نيز تنها 10 % ازكاتاليزور مصرفي در آنها از بين مي رود. اين وسائل در درجه حرارتهاي پائين كارآئي مطلوبي ندارند و شديداً به تركيبات سمي درون سوخت چون سرب ، سولفور و فسفر آسيب پذير هستند نتايج تجربي نشان داده اند كه ، مبدل كاتاليزوري در صورت استفاده صحيح و نصب بر روي خودروهاي سالم ، انتشار آلاينده ها راتا بيش از 80 % كاهش ميدهد. غليظ بودن مخلوط سوخت و هوا ، از كارآئي مبدل مي كاهد در حالي كه پيش بيني مي شود كه وجود مبدل كاتاليزوري در مسير اگزوز به دليل بالا بردن فشار پشت خروجي در مسير جريان گاز، از قدرت وراندمان موتور كاسته و نتيجتاً مصرف سوخت را بالا ببرد بر عكس مصرف سوخت پس از بكارگيري مبدل كاتاليزوري به ميزان قابل توجهي كاهش يافته است.

 

منابع:

 

ü  کتاب تقويت موتور/تاليف دکتر رامين قديمي

ü CNG،ايمني و استانداردهاي موجود/دكتر مهدي بيد آبادي ، مهندس مهدي آذرفام، عليرضا كريمي

ü  كتب تكنولو‍ژي مرحوم مهندس نبوي

ü  كتاب طراحي موتور نوشته زابولاتين       

 

ü  آموزش فني خودرو  

 WWW. Persian Discussion Society.htm                      

 

WWW.Sciencedirect.com

 

WWW . Springerlink.com

 

WWW.mitsubishi-motors.com

WWW.google.com

WWW.autozine.com

ب: کاهش آلاینده با استفاده از کاتالیست

هموگلوبين منجر مي‌شود (1500-1200 پي پي ام، NO2). البته غلظت بالاتر كه منجر به سيانوز و مرگ در حيوانات بوده، مشاهده شده است.

1-5 ترکيبات سرب

آلاينده هاي سرب موتور شمع دار منحصراً بوسيله افزودنيهاي سرب موجود در بنزين ايجاد مي گردند . سرب معمولاً در افزودنيهاي ضد ضربه بر پايه ترکيبات کلر و بروم که جهت کاهش دماي جوش بالاي سرب بکار مي روند يافت مي شود . کاربرد افزودنيهاي سرب ، از آنجا که مبدلهاي کاتاليزوري مورد استفاده امروزه را آلوده مي کند ، بسرعت رو به کاهش است.

ازن درتروپوسفر

ترکيب اصلي مه دود فتوشيميايي، گاز ازن (O₃) مي‌باشد. ازن يک ماده سمي ‌با بوي بسيار بد است که چشم‌ها و لايه‌هاي مخاطي سيستم تنفسي را اذيت مي‌کند. ازن همچنين از رشد درختان کاسته و به محصولات کشاورزي آسيب مي‌رساند.

ازن به‌طور طبيعي در استراتوسفر توسط واکنش بين مولکول و اتم اکسيژن تشکيل مي‌شود. در آنجا استراتوسفر يک لايه محافظ در برابر اشعه مضر ماوراء بنفش توليد مي‌کند. با اين حال نزديک سطح زمين در هواي آلوده، ازن (که معمولاً ازن تروپوسفر ناميده مي‌شود) يک آلاينده ثانويه است که مستقيماً وارد جو نمي‌شود. بلکه اين گاز توسط يک‌سري واکنش‌هاي پيچيده شيميايي که شامل آلاينده‌هايي مانند اکسيد نيتروژن و ترکيبات آلي فرّار (هيدروکربن‌ها) مي‌باشد، تشکيل مي‌شود. از آنجاکه نور خورشيد براي توليد ازن لازم است، غلظت ازن در تروپوسفر معمولاً در بعدازظهرها و در ماه‌هاي تابستاني بيشتر مي‌شود (شکل زير).

 

توزيع مقادير ازن در طول روز

 

در هواي آلوده توليد ازن هنگامي ‌آغاز مي‌شود که نور خورشيد (با طول موج کمتر از 41/0 ميکرومتر) دي اکسيد نيتروژن را به اکسيد نيتروژن و اتم اکسيژن تجزيه‌کند.

NO₂+ Solar Radiation → NO +O

سپس اتم اکسيژن با مولکول اکسيژن (در حضور مولکول سوم M) ترکيب مي‌شود و ازن را به‌وجود مي‌آورد.

O₂+O+M → O₃+M

ازن سپس با ترکيب‌شدن با اکسيد نيتروژن تجزيه مي‌گردد.

O₃+NO → NO₂+O₂

اگر نور خورشيد وجود داشته باشد دي‌اکسيد نيتروژن تازه تشکيل شده، به اکسيدنيتروژن و اتم اکسيژن تجزيه مي‌شود. اتم اکسيژن سپس با مولکول اکسيژن ترکيب مي‌شود و مجدداً ازن تشکيل مي‌گردد. به‌عنوان نتيجة اين واکنش‌ها، تنها وقتي‌که مقداري از اکسيد نيتروژن (NO) با ساير گازها (در هواي آلوده) بدون حذف ازن واکنش دهد، مقادير زيادي ازن را به‌وجود مي‌آورد. اين شرايط در هواي آلوده‌اي به‌وجود مي‌آيد که در آن هيدروکربن‌هاي نسوخته يا نيمه‌سوخته که از طريق خودروها و صنايع وارد هوا مي‌شوند، با انواع مختلف گازها براي تشکيل مولکول‌هاي فعال واکنش مي‌دهند.

 

1-6 ذرات معلّق در هوا

عنوان ذرات معلق به گروهي از ذرات جامد يا مايع اطلاق مي شود كه به اندازه كافي براي معلق ماندن در هوا سبك هستند و به طور عمومي به نام هواميز شناخته مي شوند. ذرات جامدي كه باعث ايجاد ناراحتي در افراد مي گردند اين گروه را تشكيل مي دهند. برخي از اين ذرات مانند غبار ذرات جامد و كوچك  كربن، خاك، دوده و گرده گياهان سمي نيستند. ولي بعضي مواد خطرناك تر شامل فيبرهاي آزبست وارسنيك ذرات كوچك مايع اسيد سولفوريك PCBها روغن و سم هاي مختلف نيز در اين گروه قرار دارند.

از آنجا كه اين نوع آلودگي معمولا باعث كاهش ديد در محيط زيست مي شود. مهمترين نوع آلودگي تلقي مي شود. برخي از آلاينده ها مانند ذرات آهن، مس، نيكل و سرب نيز در اين گروه جاي دارند.

مهمترين مشكل در مورد اين نوع آلودگي باقي ماندن آنها براي مدتي در جو مي باشد كه با توجه به اندازه آنها و مقدار بارش، اين مدت زمان تغيير مي كند. براي مثال ذرات بزرگتر و سنگين تر با قطر بيشتر از 10 ميكرون (mm01/0) بعد از يك يا چند روز پس از انتشار به زمين مي نشينند در حالي كه ذرات كوچكتر و سبك تر با قطر كمتر از يك ميكرون(mm01/0) مي توانند در لايه هاي پايين جو براي چندين هفته به طور معلق باقي بمانند. ذرات كوچكتر با قطر كمتر از 10 ميكرون به صورت RM-10 نشان داده مي شوند. باران و برف بسياري از آلاينده ها را از بين مي برد حتي ذرات بسيار كوچك توسط كريستال هاي يخ و قطرات ابر از بين مي روند. بسياري از ذرات معلق نم گير مي باشند، وقتي لايه نازك آب روي اين ذرات مي نشينند اندازه اين ذرات بزرگتر مي شود و هنگامي كه قطر اين ذرات به 1/0 تا10 ميكرون رسيد اشعه ورودي خورشيد را پخش مي كنند كه به آسمان ظاهري شيري رنگ مي دهد. اين ذرات معمولا ذرات سولفات يا نيترات حاصل از احتراق موتورهاي ديزل و نيروگاه ها مي باشند و هنگامي كه با آب باران واكنش شيميايي مي دهند باران اسيدي را به وجود مي آورند.

تاثيرات:

در مورد اثرات ذرّات بررسي‌هاي زيادي انجام گرفته است در يك بررسي اپيدميولوژي كه توسط وينكشين و همكاران در شهر‌هاي بافلوواريه از ايالت نيويورك آمريكا صورت گرفته ميانگين دو ساله ذرات معلّق در چهار سطح آلودگي به شرح زير : سطح 1 كمتر از 80، سطح 2 بين 80 تا 100، سطح 3 از 100 تا 135 و سطح 4 بيش از 135 ميكروگرم در متر مكعب بررسي شده است. هر يك از اين مناطق آلوده به پنج كلاس اقتصادي اجتماعي تقسيم شدند. ميزان مرگ و مير به سبب تمام علل كشنده مثل بيماري‌هاي تنفسي و سرطان معده با افزايش غلظت ذرات افزايش يافته و نتيجه مستقل از وضعيت اقتصادي جامعه تحت مطالعه بوده است. در يك مطالعه ديگر دوكلاس و والر در سال 1946 بچه هاي تازه متولد شده را تا سن 15 سالگي مورد مطالعه قرار دادند و نشان دادند كه غلظت‌هاي حدود 130 ميكروگرم در متر مكعب ذرّات با عفونت در دستگاه تحتاني تنفسي رابطه دارد ولان و همكاران نيز مطالعه مشابهي را در انگليس انجام دادند و به اين نتيجه رسيدند كه عفونت دستگاه هاي فوقاني و تحتاني ريه هر دو با افزايش غلظت آلودگي هوا با ذرات معلق و SO2 رابطه معني داري دارند.

 

 

 

فصل دوم:

 

مبدل کاتالیستی

 

 

 

·       مبدل های کاتالیستی

·       کاتالیست کنورتور

·       دمای Light off

·       کاتالیست کنورتور سه راهه

·       مراحل ساخت مبدل سرامیکی

·       کاتالیستهای نانوساختاری

·       سنسوراکسیژن

·      سوپاپ EGR 

2-1 مبدل هاي کاتاليستی

براي اين كه بتوانيم به استانداردها روز اروپايي برسيم كه سخت گيرانه ترهم هست ، اولين گام اين بود كه همه خودروها انژكتوري شود . اگر خودرو انژكتوري نشود هيچ كار ديگري هم نمي توانيم انجام دهيم . با توجه به اين كه مقررات جديد آلودگي كه دولت وضع كرده استاندارد ECEK83 است كه با رعايت آن ميزان آلاينده ها نسبت به ECER1508 به نصف كاهش مي يابد ايران خودرو و ساير شركتهاي خودروسازي موظف هستند خودروهاي خود را از نظر توليد آلاينده ها به نصف آنچه در استاندارد كنوني هست برسانند براي اين كار نيز به استفاده از سيستمهاي مدرن تر براي تحت كنترل در آوردن آلاينده ها دارند كه مبدلهاي كاتاليستي از آن جمله است براي اعمال اين سيستم اول خودرو و بايد انژكتوري باشد مبدلهاي كاتاليستها آلاينده ها را به مواد غيرآلاينده و غير مضر تجزيه مي كنند . براي دستيابي به اين سيستم پروژه هايي تعريف شده كه مركز تحقيقات ايران خودرو  مجري آن است و به زودي نمونه هاي خودروهاي انژكتوري مجهز به سيستم مبدلهاي كاتاليستي را براي پوشش دادن استاندارد ECER83 ارايه مي كند . براي استفاده از سيستمهاي مدرن در ميزان انتشار آلاينده ها كه شامل مبدلهاي كاتاليستي مي شود لازم است موتور از نظر نسبت هاي تراكم تقويت شود بنابراين ميزان اكتان بنزين بالاتري هر مورد نياز است . در حال بنزين مصرفي در ايران داراي اكتان 88 است كه بايد به 95 برسد تا دست طراحان ، مراكز تحقيقاً خودرو سازان و موتورها را در ايران بازبگذارند كه خودروهاي مدرن تر و موتور مدرن بار راندمان بالاتر و مصرف سوخت كمتر و آلايندگي كمتر طراحي و ارايه كنند . در غيراين صورت اگر خودروهاي توليدي كه ما وارد مي كنيم موتور مدرن داشته باشد اما بنزين با اكتان بالا و با كيفيت مناسب در جايگاه نباشد به زودي موتور تخريب خواهد شد و نتايج لازم نخواهد داد. پس از استاندارد 1504 ECE در هر مقررات ديگري چون درصد كاهش آلودگي ها بيش از صد درصد خواهد بود ناچار راهي را بايد برويم كه در تمام دنيا رفتند و راه ديگري وجود ندارد .

عوض كردن ساختار موتور بدون افزودن سيستم كاتاليست براي ايجاد واكنش هاي شيميايي در گازهاي خروجي راهي ندارد كه بتواند بيش از 10ـ15 درصد آلودگي را نسبت به 1504 ECE پائين تر بياوريم پس افزودن كاتاليست يك اجبار است .

افزودن كاتاليست بايد با چند عامل ديگر همراه باشد :

1ـ سوخت بدون سرب ، در محفظه كاتاليست موادي اندود شده كه سرب برآن سم است . اگر سرب در سوخت باشد در گازهاي خروجي هم خواهد بود و سرب داخل گازهاي خروجي با اولين تماس با شبكه حصيري داخل كاتاليست آن را بي خاصيت مي كند . يعني كاتاليستي كه بيش از 120 دلار قيمت دارد بلافاصله تبديل به يك آهن پاره مي شود .

2-سيستم پاشش سوخت با تغذيه موتور بايد انژكتوري شود كه نسبت سوخت به هوا قابل كنترل باشد .

3-بايد همان سوخت از عدد اكتان مناسب موتور برخوردار باشد در كاتاليست منبع اگزوز را با منبع ديگري جايگزين مي كنند كه فقط از نظر ابعاد متفاوت است . داخل آن يك شبكه حصيري چهارگوش شبيه لانه زنبور كار مي گذارند كه يا از جنس سراميك است يا از جنس فلز ، بعد روي شبكه حصيري يا فلزهاي گران قيمت شكل راديوم و كادميوم اندود مي شود اين شبكه حصيري را داخل غلاف منبع اگزوز قرار مي دهند . بعد يك سنسور لاندا براي اين كه به كمك انژكتور مخلوط سوخت و هوا راتغيير دهند ، قرار مي دهند . وقتي گاز خروجي از داخل شبكه حصيري رد مي شود يك فعل و انفعال شيميايي به خاطر بوجود پوشش فلزهاي گران قيمت نقش كاتاليست را بازي مي كند و باعث  مي شود گازهاي آلاينده مثل منواكسيدكربن ، هيدروكربورها و اكسيدهاي نيتروژن خارج شوند . فلزهاي گران قيمت روي شبكه حصيري روي اين گازها اثر مي گذارند . در درجه حرارتي كه گاز حرارتي كه گاز خروجي دارد منواكسيدكربن را به دي اكسيدكربن و هيدروكربورها و اكسيدهاي نيتروژن كه در طبيعت وجود دارد و مضر هم نيست تجزيه مي كنند . چنين شبكه اي سرراه گازها خروجي باعث ايجاد فشار منفي و مانع برسر راه خروجي طبيعي گازهاي خروجي مي شود و روي عملكرد موتور اثر مي گذاردو بخشي از توان آن را براي اين كه اين مانع را از سرراه بردارد و سيكل تكرار شود مصرف مي كند . پس با افزودن كاتاليست درصدي از توان گشتاور موتور كاهش پيدا مي كند و بخشي از سوخت نه براي جلو بردن خودرو بلكه براي خارج كردن دودها مصرف مي شود.

سوخت ، استاندارد نيست و سولفور آن گرفته نمي شود حدود دو دهه است كه اين سوخت براي كشورهايي مثل ما توليد مي شود . با افزودن مواد گران قيمت و پالايش  سوخت مي شود . همان كه ضميمه استانداردهاي اي سي اي 83 يا آر 83 است و به آن سوخت مرجع مي گويند . اين استاندارد ويژگيهاي سوخت را داده كه عدد اكتان بايد حداقل 95 باشد عدد اكتان سوخت هاي ما در بهترين شرايط از 87 بالا تر نيست اين سوخت در موتوري كه خارج از ايران توليد و مصرف مي شود پديدهايي چون صدمه در موتور Knock ايجاد مي كند و موتورهاي ما با چند ساعت كاركردن از كار مي افتند . خروجي اين موتور به مراتب بيش از 15 درصد كمتر از موتوري است كه با سوخت معمولي ـ استاندارد مي تواند بدهد . از سازنده خارجي مي خواهيم موتورهايي دستكاري كند تا با سوخت موجود در ايران كه مهمترين و بدترين ويژگي آن عدد اكتان پايين است كار كند حالا به جاي اين كه يك موتور 100 اسب بخاري را به خودرو سوار كنيم موتور 82ـ80 اسب بخار مي بنديم تا با آن سوخت كار كند خروجي آن 83 اسب است بايد ضررهاي ملي را شناسايي كرد.

4ـ مبدل كاتاليستي  CATALYSTIC Conveter:طراحي اين دستگاه بدين منظور صورت گرفته است كه گازهاي آلوده كننده Co,Hc را قبل از ورود به اتمسفر كاهش داده و تبديل به گازهاي بي خطر كند . اين مبدلي از دو نوع ساچمه اي و خانه زنبوري ساخته شده اند . نوع ساچمه اي آن از محفظه زير به شكل اگزوز مياني ساخته شد ، اين محفظه از دانه هاي ساچمه اي كاتاليزوري پر شده است .

ساختمان نوع خانه زنبوري  آن مشابه به نوع بالا بوده با اين تفاوت كه به جاي كاتاليزور ساچمه اي از كاناليزور خانه زنبوري يكپارچه استفاده شده است.

5ـ كاتالسيت كنورتور:چنانچه در بخش كنترل آلودگيهاي HC و CO ، NOX ذكر شد يكي از روشهاي موفق در كاستن از انتشار اين آلاينده ها استفاده از كاتاليست كنورتورهاي اكسيدكننده و احيا كننده مي باشد . HC  . CO مؤلفه هايي هستند كه مي توانند در مجاورت كاتاليزه و مناسب اكسيد گرديده و منواكسيدكربن تبديل به دي اكسيدكربن و هيدركربورهاي نسوخته تبديل به دي اكسيد كربن و آب گردند . البته بايد توجه داشت كه اينكار بايد در مجاورت هواي اضافي انجام گردد . NOX پس از احيا شدن تبديل به O₂,N₂ مي گردد . يعني در صورت استفاده از كاتاليزور احياكننده ، در اگزوز مقداري اكسيژن مشاهده خواهد شد .

بهترين استفاده از كاتاليست كنورتوري ، واكنش همزمان برروي هر سه مؤلفه           NOX,CO,HC است . اينكار در وسيله اي بنام ، كاتالسيت كنورتور سه راهه، انجام مي گيرد .

   

2-1-1 سیستم مبدل کاتالیستی:

بیشترین نوع مبدل های کاتالیستی مورد استفاده در اتومبیل های امروزی از نوع سه راهه (Three-Way) می باشد که سه نوع  آلاینده مونوکسید کربن NOx  و هیدروکربن های نسوخته را توسط دو قسمت اصلی که در ذیل توضیح داده خواهد شد تصفیه ،  نموده و از آلایندگی آنها می کاهند . هر دوی این قسمت ها از ساختار سرامیکی که توسط کاتالیست فلزی، پلاتینیوم یا پالادیوم،رودیوم و سریم پوشیده شده است تشکیل شده اند . در ساختار مبدل های کاتالیستی سعی می شود تا بیشینه سطح تماس کاتالیست با گازهای خروجی ایجاد شود تا هم حجم مبدل کاهش پیدا نماید و هم میزان کاتالیست مورد استفاده در مبدل به دلیل قیمت بسیار بالا کاهش پیدا نماید . دو ساختار رایج در ساخت مبدل های کاتالیستی نوع آرایش شش گوش(Honeycomb) و مهره سرامیکی(Ceramic Beads)   می باشند که نوع شش گوش آن امروزه مرسوم بوده و استفاده می گردد.

 

دو قسمت اصلی یک مبدل کاتالیستی عبارتند از:

.1کاتالیست کاهنده: (Reduction Catalyst)اولین مرحله مبدل کاتالیستی بشمار می آیند ودر آنها تبدیل اکسیدهای نیتروژن به نیتروژن و ا کسیژن و کاهش مونوکسید کربن انجام می شود. این قسمت برای کاستن از اثرات تخریب NOx از پلاتینیوم و رودیوم استفاده می نماید .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

.2 کاتالیست اکسید کننده(Oxidization Catalyst) :مرحله دوم تصفیه گازهای خروجی از مبدل بشمار می آید و وظیفه کاهش هیدروکربن های نسوخته را توسط اکسیداسیون آنها و تولید دی اکسید کربن و آب به عهده دارد. این قسمت با استفاده از اکسیژن اضافی در لوله اگزوز این عمل را انجام میدهد.

 

2-1-2 بازه کنترلی عملکرد مبدل کاتالیستی:

یکی از مهمترین مسایل در سیستم های دارای مبدل این است که هوا و سوخت موتور به نسبت استوکیومتری با یکدیگر مخاوط شوند. سیستم های کنترلی نصب شونده روی مجموعه، جریان گازهای خروجی از موتور را مانیتور می کنند و از اطلاعات بدست آمده برای کنترل سیستم پاشش سوخت استفاده می نمایند . در مجموعه کنترلی مبدل های کاتالیستی یک سنسور اکسیژن در بالا دست جریان قرار دارد و میزان کمی یا زیادی اکسیژن را به ECU اطلاع داده و ECUمقدار هوای ورودی به موتور احتراق داخلی را تنظیم می نماید . وظیفه مجموعه سیستم کنترلی مبدل کاتالیستی، کنترل نمودن نسبت سوخت به هوا جهت دستیابی به نسبت استوکیومتری و کارکرد بهینه موتور می باشد.

 

 

 

 

                                       

2-1-3  کاتالیست کنورتور

 

 

 

 

 

 

 

وظیفه کاتالیست کنورتور:

اهميت حفظ محيط زيست در كشورهاي توسعه يافته و لزوم كاهش توليد مواد آلاينده و مضر درمحيط زيست منجر به افزايش تقاضا براي استفاده از انواع سيستم هاي مدرن وكارآ (كاتاليست) درجهان گرديده است، بطوريكه اولين نسل از اين كاتاليست ها درخودروهاي مدل سال 1975 در ايالات متحده توسعه يافته و مورد استفاده قرار گرفت.

احتراق ناقص بنزين منجر به ايجاد هيدروكربن و منو اكسيد كربن ميگردد، همچنين حرارت ناشي از احتراق منجر به ايجاد اكسيد نيتروژن ميگردد. بطور خلاصه و فشرده ميتوان گفت كه اين سيستم با انجام واكنشهاي شيميائي، گازهاي سمي را به گازهاي غيرسمي تبديل ميكند.

2-1-4  نحوه کار کاتالیست

ذرات فلزات گرانبهاء ( پلاتين ، پالاديوم و راديوم )، انجام واكنش هاي ذيل در اثرعبور آلاينده هاي داغ حاصل از احتراق موتور را شتاب ميبخشند.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

اين واكنشها با قرار گرفتن كاتاليست در معرض حرارت اگزوز و برخورد گازهاي ورودي با فلزات گرانبهاي موجود بر روي آن ايجاد ميشود.

 

 

 

 

                       

 

 

 

2-1-5  اجزاء تشكيل دهنده كاتاليست

بطور كلي كاتاليستها از سه جزء اصلي تشكيل ميشوند:

1- هسته ( substrate or monolith) :

هسته ها به شكل لانه زنبوري (honeycomb)  و ازجنس فلز يا سراميك مي باشند.

هسته هاي سراميكي از سيليكات منيزيم و آلومينيوم mg2 al4 si 5 o18 (Cordierite) ساخته ميشوند كه داراي قابليت پوشش دهي بوسيله فلزات گرانبها ميباشند .

2- كاتاليست :

كاتاليست از يك هسته پوشش دهي شده بوسيله فلزات گرانبهاء ( پلاتين، پالاديوم و راديوم ) جهت شتاب بخشيدن به عمل اكسيد اسيون و دي اكسيداسيون گازهاي مضر وتبديل آن به گازهاي غير مضر تشكيل مي شود.

3- قاب (steel casing) :    مجموعه فلزي نگهدارنده كاتاليست.

:Wash coat2-1-6  

قبل از پوشش دهي توسط فلزات گرانبهاء، نوعي coating سطحي بر روي هسته ها انجام ميگيرد كه ميزان واكنش انجام شده در سطح را افزايش ميدهد كه از آن بعنوان wash coat  ياد ميشود . بطور معمول عناصر اصلي آن عبارتست از Al2O3 : و زرمانيوم ، باريم، سزيم و...

كاتاليست با ساختمان لانه زنبوري

 

Light off2-1-7   دماي

دماي light off  از پارامترهاي مهم درسنجش كاهش آلايندگي و افزيش راندمان ميباشد در واقع light off  عبارتست از دمائي كه درآن 50%  ازگازهاي خروجي تبديل ميگرددكه در ارزيابي عملكرد و راندمان كاتاليست بسيار مهم ميباشد .

2-1-8  مشخصات اصلي يك كاتاليست

l    بالا بودن سطح تماس مفيد.

l    چسبندگي مناسب پوشش كاتاليست.

l    مقاومت حرارتي بالا.

l    مقاومت در برابر مواد سمي نظير فسفر، سرب ، گوگرد وغيره.

l    دوام تا 80000 كيلومتر.

l    ثبات عملكرد در شرايط محيطي متفاوت ، تغيرات سرعت خودرو، دما و تركيبات متفاوت سوخت

 

     عوامل موثردر كاهش طول عمر كات

الف: کاهش آلاینده با استفاده از کاتالیست

فصل اول

 انواع آلاينده ها

 

 

·استانداردها

·مونواکسيد کربن(CO) 

·هيدرو کربن هاي نسوخته(HC)

·اثرگلخانه اي

·ترکيبات سرب

·ذرات معلق در هوا (PM)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

مقدمه:  آلودگي

آلودگي هوا عبارت است از هرگونه آلاينده‌اي که با ورود به جو سبب تغيير ترکيب شيميايي طبيعي گازهاي موجود در جو گردد. اين آلاينده‌ها در هواي آزاد شامل گرد و غبار، بخارات فلزي، گاز، بو، دود و بخارات هستند که بسته به کميت، ويژگي‌ها و مدت زمان ماندگاري در هوا، براي انسان، گياهان، زندگي حيوانات و اموال مضر هستند. آلودگي هوا به عوامل انساني محدود نمي‌شود و در واقع آلاينده‌هاي هوا از هر دو منبع طبيعي و انساني به‌وجود مي‌آيند.

نمونه‌هايي از منابع مولد آلودگي در شکل 1 نشان داده شده‌اند. منابع اين آلودگي‌ها گاهي در کنترل انسان نمي‌باشند. منابع آلودگي از قبيل باد كه ذرات غبار و خاك را از سطح زمين بلند مي‌كند، آتشفشان‌ها كه چندين تُن‌ خاكستر و خاك را وارد جو مي‌كنند و همچنين آتش‌گرفتن جنگل‌ها كه دودة بسيار زيادي ايجاد مي‌كنند، نمونه‌هايي از منابع طبيعي آلودگي مي‌باشند. با اين حال، مهمترين منابع آلودگي به‌خصوص در کشورهاي صنعتي ناشي از  فعاليت انسان‌ها مي‌باشند. آلودگي ناشي از انسان از دو منبع ثابت و متحرك وارد جو مي‌شود.

شکل 1: نمونه‌هايي از منابع مولد آلودگی

 

 منابع ثابت شامل مجموعه‌هاي صنعتي، نيروگاه‌ها، منازل، ساختمان‌هاي اداري و غيره مي‌باشند و منابع متحرك شامل انواع خودروها، كشتي‌ها و هواپيماهاي جت هستند.

آلايند‌ه‌ها به دو دستة اصلي آلايند‌هاي اوليه و ثانويه تقسيم مي‌شوند. آلاينده‌هايي را اوليه مي‌نامند كه مستقيماً از منابع آلودگي وارد جو مي‌شوند. ساير آلاينده‌ها كه توسط يك واكنش شيميايي بين يك آلاينده نوع اول و ساير اجزاي هوا مانند بخار آب يا آلاينده‌هاي ديگر به‌وجود مي‌آيند، آلاينده‌هاي ثانويه ناميده مي‌شوند. شکل 2 آلاينده‌هاي اوليه و ثانويه و همچنين منابع توليد آنها را به‌صورت شماتيک نشان مي‌دهد.

تعدادي از منابع توليد آلاينده‌هاي اوليه در جدول 1 آمده‌است. آلاينده‌هاي اوليه معمولاً ساختار شيميايي ساده‌اي دارند. دي‌اکسيد کربن، منواکسيد کربن، دي‌اکسيد گوگرد و اکسيد نيتروژن حاصل از فرايند احتراق؛ سولفات هيدروژن، آمونياک، کلريد هيدروژن و فلوروئيد هيدروژن توليدشده توسط فرايندهاي صنعتي در دستة آلاينده‌هاي اوليه قرار مي‌گيرند.

 

 

شکل 2 : منابع آلودگي و آلاينده‌هاي اوليه و ثانويه

 

 

 

جدول 1: تعدادي از منابع اوليه آلودگي هواي

Pollutants	Sources
		Natural
Particles (dust, ash), gases (SO2,CO2)	Volcanic eruptions
Smoke, unburned hydrocarbons, CO2, nitrogen oxides, ash	Forest fires
Suspended particulate matter	Dust storms
Salt particles	Ocean waves
Hydrocarbons (VOCs)^*, pollens	Vegetation
Sulfurous gases	Hot springs
		Human caused
Particulate matter, sulfur oxides	Paper mills	Industrial
Ash, sulfur oxides,  nitrogen oxides	Power plants       Coal
Sulfur oxides,  nitrogen oxides, CO	Oil
Hydrocarbons, Sulfur oxides, CO	Refineries
SO2,  SO3, H2SO4	Manufacturing    sulfuric acid
Particulate matter,  gaseous  fluoride	Phosphate  fertilizer
Metal oxides, smoke , fumes,  dusts, organic &  inorganic gases	Iron & steel mills
Gaseous resin	Plastics
Acrolein, sulfur compounds	Varnish/Paint
CO, nitrogen oxides, hydrocarbons  (VOCs),  particulate  matter	Automobiles	Personal
CO, particulate  matter	Home furnaces/fireplaces
CO, particulate  matter	Open burning of refuse
^*VOCs are  volatile organic compounds; they represent a class of organic compounds, most of which are hydrocarbons

 

 

 

 

بنزن و ساير حلال‌هاي قابل تبخير شامل پارافين‌ها، اولفين‌ها و آروماتيک‌ها با ترکيبات ساده، جزء آلاينده‌هاي اوليه هستند. ولي اين نوع آلاينده‌ها به‌تنهايي تمامي آلاينده‌هاي موجود را تشکيل نمي‌دهند. واکنش‌هاي شيميايي ممکن است بين آلاينده‌هاي اوليه و ساير اجزاي غيرآلوده جو پديد آيند و آلاينده‌هاي ثانويه را به‌وجود آورند. HNO₃، H₂SO₄، O₃ و غيره نمونه‌هايي از اين نوع آلاينده‌ها مي‌باشند (شکل 2).

 

 

مقايسة تعداد خودروها در شهر تهران و کشور ايران در مقايسه با ساير کشورها

 

1-1 استانداردهاي آلودگي

براي کنترل ميزان آلاينده‌هاي خروجي خودرو، از قوانين زيادي در سرتاسر دنيا استفاده مي‌شود. از جمله مهمترين قوانين بين‌المللي درباره آلودگي خودرو، استانداردهاي اروپا، ايالات متحده و ژاپن هستند. با توجه به اين‌که عمدۀ خودروهاي توليدي در ايران توسط کشورهاي اروپايي طراحي شده‌اند، در ايران قوانين اتحاديه اروپا مورد استفاده قرار مي‌گيرند، لذا اين قوانين را مورد بررسي قرار مي‌دهيم. براي بررسي آلاينده‌هاي خروجي نياز به آزمايش اتومبيل‌ها مطابق با سيکل‌هاي رانندگي مي‌باشد، بنابراين در زير ابتدا به‌صورت مختصر به اين سيکل‌ها پرداخته مي‌شود.

 

سيکل‌هاي رانندگي

راندمان موتورهاي احتراق داخلي پايين مي‌باشد و پديدة احتراق آلاينده‌هاي خطرناکي را توليد مي‌کند. براي ساليان متمادي اين دو مسأله درنظر گرفته نمي‌شدند. البته با افزايش استفاده از اتومبيل‌ها و همراه با آن افزايش خطر نابودي محيط زيست اين مسائل به‌صورت جدي مطرح شدند. در دهه‌هاي هفتاد و هشتاد ميلادي در ايالت کاليفرنياي آمريکا انگيزه‌اي براي کارخانجات اتومبيل‌سازي به‌وجود آمد تا موتورهايي با کارايي بالاتر و آلودگي کمتر با توجه به قوانين آلودگي تدوين‌شده، توليد کنند. به‌همين منظور براي مقايسة مراحل آزمايش موتورها با يکديگر نياز به يک‌سري مراحل استاندارد جهت آزمايش احساس مي‌شد. اين مراحل استاندارد سيکل‌هاي رانندگي ناميده مي‌شوند.

سيکل رانندگي يک الگوي رانندگي استاندارد مي‌باشد. اين الگو توسط ميانگين يک جدول سرعت-زمان بيان مي‌شود. اين سيکل به گام‌هاي زماني که برحسب ثانيه مي‌باشند تقسيم مي‌شود. شتاب درطي يک گام زماني ثابت مي‌باشد. درنتيجه سرعت درطي يک گام زماني تابع خطي از زمان خواهد بود. به‌دليل اين‌که سرعت و شتاب براي هر نقطه معلوم هستند مي‌توان مقدار قدرت مکانيکي لازم را به‌صورت تابعي از زمان فرمول‌بندي کرد. اين تابع روي کل مدت زمان مراحل سيکل رانندگي انتگرال‌گيري مي‌شود و انرژي مکانيکي لازم براي سيکل رانندگي به‌دست مي‌آيد. اين سيکل رانندگي روي شاسي دينامومتر پياده مي‌شود. درهنگام آزمايش موتورهاي احتراق داخلي ميزان مصرف سوخت و آلودگي مستقيماً اندازه‌گيري مي‌شوند. در سيستم‌هاي رانندگي، کارايي سيستم با تقسيم انرژي مکانيکي محاسبه‌شده بر انرژي اولية سوخت به‌دست مي‌آيد.

 

 

مهمترين سيکل‌هاي رانندگي مورد استفاده عبارتند از:

1.          سيکل‌‌‌‌‌‌‌‌هاي رانندگي اروپا

2.          سيکل‌هاي رانندگي ايالات متحده

3.          سيکل‌هاي رانندگي ژاپن

از يک ديدگاه سيکل‌هاي رانندگي به دو نوع سيکل‌هاي تأييد نوع و سيکل‌هاي واقعي تقسيم مي‌شوند. تعداد سيکل‌هاي تأييد نوع خودروها اندک مي‌باشد و در طول زمان کمتر تغيير داده مي‌شوند. عموماً اين سيکل‌ها بين‌المللي بوده و کاربرد اصلي آنها در ارتباط با سازوکارهاي نظارتي قوانين مي‌باشد. ولي سيکل‌هاي رانندگي واقعي متنوع، خاص يک شهر، کشور يا بين‌المللي بوده و کاربرد آنها بسيار وسيع‌تر مي‌باشد. يکي از کاربردهاي وسيع آنها برآورد دقيق‌تر آلودگي و کمک به مدل‌سازي کيفيت آلودگي هوا مي‌باشد. اين سيکل‌ها در طول زمان بيشتر تغيير مي‌کنند و با استفاده از تجربيات قبلي تصحيح مي‌شوند. با توجه به اين نکات و اهميت مسألة آلودگي، لزوم به‌دست آوردن سيکل واقعي رانندگي شهرهاي آلودة کشور از جمله تهران و در مقياس بزرگتر کل کشور که هم‌اکنون جاي آن خاليست، بيش از پيش احساس مي‌گردد.

 

 

قوانين اتحاديه اروپا

 استانداردهاي اروپايي که در خصوص انتشار آلاينده ها از خودروهاي سواري بنزيني موجود ميباشند عبارتند از:  ECE / EEC

آغازين استاندارهاي آلودگي

دراروپا اولين استاندراد در جهت محدود كردن انتشار گازهاي آلاينده خروجي از وسايط نقليه موتوري توسط ECE در استاندراد R15 وضع شد در اين استاندارد حد مجاز آلاينده هاي هيدروكربن و منوكسيد كربن خارجي از اگزوز در حالي كه خودرو تحت سيكل شهري ECE برروي شاسي دنيا موقتي رانندگي مي شد ، برجسب وزن خودرو (وزن مرجع) در 8 گروه ارائه شده بود اين سيكل رانندگي طوري طراحي شده بود كه بيانگر شرايط رانندگي در شهر اروپا باشد اين سيكل متشكل از 4 بار تكرار سيكل شهري پايه است . اين استاندارد براي خودروهاي سبك اعمال مي شد .

استاندارد R15 بلافاصله در استاندراد 70/220/EE در اتحاديه اروپا بكار گرفته شد . باتوجه به افزايش روزافزون حساسيت نسبت به مسائل زيست محيطي، اصلاحيه هاي به استاندارد R15اعمال شد و حدود مجاز كاهش يافت . تاسال 1983 چهار اصلاحيه انتشار يافت و اين استانداردها نيز متقابلاً در استانداردهاي EEC منعكس شد .

شايان ذكر است در استاندارد R15.02 اكسيدهاي نتيتروژن موجود در گازهاي خروجي از اگزوزنيز به آلايندهايي كه بايد ميزان آنها ازحد مجاز قيد شده در اين استانداردها تجاوز نكند . اضافه شد .  بعلاوه در استاندارد R15.04 حد مجاز باري هيدروكربنها و منوكسيدكربن موجود در گازهاي خروجي از اگزوز كه قبلاً بصورت مجزا ارائه شده بود بصورت مجموع اعلام شد

1-1-1 استاندارد EEC(European Economic commiunity)

تا اواسط دهه 80 EEC در زمينه انتشار و ايستانداردهاي آلودگي پيرو ، ECE بود ، پس ازتصويب توافقنامه لوگزانبورك در سال 85، استاندارد جديد آلودگي 88/76/EEC در سال 88 توسط اتحاديه اروپا ارائه شد . انتشار اين استاندارد قدم مهمي در اين زمينه به شمار مي رود . از اين زمان به بعد نقش EEC استانداردهاي وضع شده توسط EEC را در استانداردهاي خود بكار گرفت در استاندارد 88/76/EE حد مجاز آلاينده اي اكسيدهاي نيتروژن و مجموع هيدروكربن و منوكسيدكربن خروجي از اگزوز در حالي كه خودرو تحت سيكل شهري ECE برروي شاشي اين موتور رانندگي مي شد ، برحسب ظرفيت موتور در سه گروه بطور مجزا براي خودروهاي ديزل و بنزيني ارائه شده بود.استاندارد 88/76/EE بلافاصله با استاندارد 88/436/EE كه در آن حد مجاز براي ذرات معلق (براي خودروهاي ديزل) مشخص شده بود و 88/458/EEC كه حد مجاز براي آلاينده هاي خروجي از اگزوز براي خودروهاي ظرفيت موتور كمتر از 1400 كاهش داده شده بود دنبال شد.

باتوجه به مشكلات ناشي از آلودگي هوا و سهم انكار ناپذير خودروها در آن استانداردهاي در جهت كاهش انتشار آلاينده ها از خودروها تدوين شده اند و در اين عوامل مختلف برميزان انتشار آلاينده ها از خودروتأثير مي گذارند و از آنجايي كه مقادير بدست آمده بايد قابل مقايسه و تكرار پذير باشند.اين مقادير بايد تحت شرايط كنترل شده و يكساني بدست آيند . بدين منظور استانداردهاي آلودگي علاوه برارائه مغاير پذيرش خودروهااز نظر انتشار آلاينده هاي و تعيين آزمونهاي لازم باتوجه به عوامل فوق الذكر ، شرايط يكساني را جهت بدست آوردن ميزان انتشار آلاينده ها از خودروها تعيين مي كنند . از جمله اين شرايط مي توان به موارد زير اشاره كرد .

1-نحوه و شرايط انجام آزموهاي فوق الذكر

2-سيكل رانندگي

3-سوخت (بسته به نوع آزمون استفاده از سوخت تجاري و يا سوخت) مرجع ذكر شده است .

شايان ذكر است كه سوخت مرجع ، سوخت تجاري متفاوت است و در هر استاندارد مشخصات آن ارائه شده است .

4.شرايط خودروو نحوه آماده سازي آن قبل از انجام هر آزمون

 

1-1-2 استاندارد (Economic commission Europe) ECE

در حال حاضر ECE تا اين زمان در استانداردهاي آلودگي جهت تعيين ميزان آلاينده هاي منتشر شده از اگزوز محفظه كارتل خودرو سه نوع آزمون به قرار زير براي خودروهاي سبك در نظر گرفته شده بود كه بسته به نوع خودرو لزوم انجام و معيار آن قيد شده است .

×          انتشار آلاينده هاي خروجي از اگزوز ـ پس از استارت سرد (آزمون نوع 1)

×          انتشار منوكسيدكربن در جاكار كردن (آزمون نوع 2)

×          انتشار گازهاي آلاينده از محفظه كارتر (آزمون نوع 3)

اتحاديه اروپا ارسال 1991 استاندارد 91/441EEC را منتشر كرد كه مرسوم به EUROL براي خودروهاي سواري است . انتشار اين استاندارد گام مهمي ديگر در استانداردهاي آلودگي بود . دراين استاندارد علاوه بركاهش حدود مجاز آلاينده هاي خروجي ، موارد زير شايان ذكر است. براي اولين بازآزموني جهت تعيين ميزان بخارات خروجي از سيستم سوخت رساني (آزمون نوع 4 و حد مجاز مربوط به آن معرفي شد)

علاوه به سيكل رانندگي شهري ECE يا ECE15 ، سيكل خارج شهر EUDC بمنظور شبيه سازي شرايط رانندگي خارج شهر معرفي شد . شايان ذكر است براي انجام آزمون نوع اول بايد هردو سيكل شهري و خارج شهري اجرا شود .از اين زمان به بعد حد مجاز براي انتشار آلاينده ها از اگزوز برحسب گرم بركيلومتر ارائه شد (تا قبل از اين مقادير برحسب گرم (رتست ارائه مي شد) . براي تبديل مقادير از گرم برتست به گرم در كيلومتر مي توان  اين مقادير را بر ساخت واقعي طي شده در طي سيكل تقسيم كرد . در صورتي كه مسافت واقعي در دسترس نباشد مي توان از مقادير تئوريك بصورت زير استفاده كرد .

gr/test)/4´1/013)=gr/km تحت سيكل شهري

gr/test)(4´1/013+6/955)=gr/km تحت سيكل شهري + سيكل خارج شهر

مقادير مجاز براي آزمون نوع 1 ، بدون توجه به وزن ياظرفيت موتور براي كليه خودروهاي سواري بطوريكسان است .

استاندارد مهم بعدي در خصوص انتشار استانداردهاي آلودگي . استاندارد 94/12/EC است كه موسوم به EUPOII براي خودروهاي سواري است در اين استاندارد علاوه بركاهش حد مجاز آلاينده هاي خروجي از اگزوز مقادير حد مجاز براي خودروهاي ديزل و بنزيني بطور مجاز ارائه شده بود و  ازاين زمان به بعد حد مجاز ارائه شده بود و از اين زمان به بعد حد مجا زگازها خروجي از اگزوز تاييديه نوع و تطابق توليد يكسان درنظر گرفته شد .

در اين زمان مشخص شد كه صرفاً با استفاده از تكنولوژيهاي مختلف برروي خودروهاي نمي توان انتشار آلودگي منتشره از خودرو راتا حد لازم كاهش داد . بنابراين در اين استاندارد مقرر شد تمهيدات لازم جهت بررسي راهكارهاي ديگر به منظور دستيابي به اهداف كاهش آلودگي اتخاذ شود بدين منظور در سال 1993 برنامه Auto.Oil اروپا با هدف يافتن كارآمد كم هزينه ترين راهكارها در جهت كاهش آلودگي ناشي از خودروها آغاز شد .

استاندارد آلودگي 98/69/EC استاندارد آلودگي را براي 2000 و 2005 ارائه مي كند كه بترتيب موسوم به EuraII,eROiv هستند ، اين استاندارد از جمله استاندادهايي است كه نتيجه مطالعات انجام گرفت در برنامه Auto Oil اروپا هستند.

شايان ذكر است كه از ديگر نتايج مهم برنامه Auto Oil تدوين استاندارد مربوط به كيفيت سوخت است كه بصورت استاندارد 98/70/ec و انتشار يافت ، در اين استاندارد نيز مشخصات سوخت باري 2000 ، 2005 ارائه شد كه متقابلاً موسوم به استانداردهاي EuroIV و EuroIII براي كيفيت سوخت است .

از جمله موارد مهم دراين استاندارد علاوه بركاهش حدود مجاز مي توان به موارد زير اشاره كرد:

الف)حد مجاز آلاينده هاي اكسيدهاي نيتروژن و هيدروكربن موجود در گازهاي خروجي از اگزوز بصورت مجزا ارائه شد .

ب)سيكل رانندگي بازنگري شد ، قبلاًجمع آوري گازهاي خروجي از اگزوز پس از 40 ثانيه در جا كردن خودرو آغاز مي شد . ولي از اين زمان به بعد جمع آوري گازهاي خروجي بايد بلافاصله پس از روشن شدن خود و شروع شود.

ج)شرايط آزمون تعيين تبخير بخارات بنزين (نوع 4) سختگيرانه تر باشد .

د)بررسي انتشار آلاينده هاي خروجي از اگزوز پس از استارت سرد در محيط با درجه حرارت پائين (آزمون نوع 6) به 5 آزمون قبلي اضافه شد آزمون سيستم عيب يابي خودرو (OBC) اضافه شد.  استاندارد 88/76/EEC توسط ECE در استاندارد ق 000/83 تأئيديه نوع B اعمال شداستاندارد R83.00 حد مجاز آلاينده هاي خروجي از خودرو باتوجه به نوع سوخت خودرو به صورت دو نوع تاييديه تعيين مي كند:

1-تأييد به نوع A براي خودروهاي با سوخت بنزين سرب دار كه حد مجاز آلايندههاي مشابه استاندارد ECER15.04 است .

2-تاييديه نوع C,B كه به ترتيب براي خودروهاي با سوخت بنزين بدون سرب و ديزل بوده و فشار به استاندارد 88/79/EE است .

خودروهاي سبک

خودروهاي سبک، اولين گروهي بودند که تحت قوانين ECE  قرار گرفتند و محدوديت آنها چهار بار تغيير کرده است.  مقادير استاندارد R15 تا ويرايش 4 آن در جدول 4 آمده‌است.

 

 

در جدول 5 حدود آلاينده‌هاي ECE R15 آمده‌است. اتحاديه اروپا (EU[1]) از
ECE R15-04 به‌بعد توافق کرد که خودروهاي با وزن کمتر از 5/3 تن داراي محدوديت‌هاي کمتري باشند. همچنين حدود ويژه‌اي براي خودروهاي ديزل نيز مورد توافق قرار گرفت. اين ويرايش جديد به نام ECE R83 شناخته شد. اين استاندار در جدول 6 نشان داده شده‌است.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

قوانين و استانداردهاي آلودگي در ايران

در سال 1374 قانون هواي پاک از سوي مجلس شوراي اسلامي به‌تصويب رسيد. اين قانون شامل6 فصل و 36 بخش است و منابع آلاينده تهران را به سه گروه تقسيم مي‌کند:

·                خودروها

·                کارخانه‌ها، کارگاه‌ها و نيروگاه‌ها

·                منابع خانگي، کاري و منابع متنوع ديگر

جدول 7 استاندارد آلودگي هوا را در ايران نشان مي‌دهد.

 

 

جدول 8 استاندارد آلودگي را براي خودروهاي سبک در ايران در سال 2007 نشان مي‌دهد:

 

* وزن مرجع (Reference Weight)

 

توليد آلودگي در موتورهاي اشتعال جرقه‌اي (SI) و ديزل (CI)

امروزه اتومبيل‌ها نقش بسيار مهمي ‌در صنعت حمل و نقل دارند. با افزايش جمعيت و استاندارد زندگي، وسائط نقليه و همچنين تعداد خودروها روزانه افزايش مي‌يابند. همه اين‌ وسايل به‌خصوص در مراکز شهرها باعث افزايش آلودگي مي‌شوند. در کشورهاي پيشرفته مانند ايالات متحده، آلودگي توليدشده از خودروها در حدود 50 تا 60 درصد کل آلودگي کشور را تشکيل مي‌دهند. در تهران اين رقم در حدود 70 درصد تخمين زده مي‌شود.

اصلي‌ترين آلاينده‌هاي توليدشده توسط موتورهاي احتراق داخلي CO، NO_x، هيدروکربن‌هاي نسوخته (HC) و ساير ذرات معلق مي‌باشند. علاوه بر اين آلاينده‌ها، همه سيستم‌هايي که سوخت مي‌سوزانند مقدار زيادي CO₂ توليد مي‌کنند، که اين گاز مهمترين گاز مؤثر در اثر گلخانه‌اي مي‌باشد.

 

آلودگي موتورهاي اشتعال جرقه‌اي (SI)

آلودگي موتورهاي اشتعال جرقه‌اي را مي‌توان به سه دسته تقسيم کرد: آلودگي خروجي از اگزوز، آلودگي تبخيري و آلودگي محفظه ميل‌لنگ. مهمترين اجزاي آلودگي اين موتورها CO، NO_x و HC خروجي از اگزوز مي‌باشند. درصد آلاينده‌هاي مختلف که از سه منبع مذکور خارج مي‌شوند، متفاوت است. درصدهاي مختلف اين آلودگي‌ها به تفکيک در شکل زير آمده‌است.

 

درصد آلاينده‌هاي مختلف که از سه منبع ذکر‌شده خارج مي‌شوند

 

 

مقادير نسبي اين آلاينده‌ها، به طراحي موتور و شرايط کاري آن وابسته هستند و مقادير معمول آن‌ها مطابق جدول 9 مي‌باشد.

 تبخير سوخت از مخزن سوخت و کاربراتور يکي از انواع آلودگي‌هاي خودروها است که حتي بعد از خاموش شدن موتور نيز مشاهده مي‌شود؛ اين آلودگي از نوع HC نسوخته مي‌باشد. ولي در اکثر موتورهاي مدرن، اين هيدروکربن‌هاي نسوختة خارج نشده، به‌صورت ﻣﺅثر با بازخوراني گازهاي رخنه‌اي از محفظه ميل‌لنگ به سيستم مکش در شرايط عادي کار موتور، کنترل مي‌شوند. ساير اجزاي آلاينده شامل CO₂ و ذرات سرب مي‌باشند. بنزين بندرت داراي گوگرد مي‌باشد بنابراين SO₂ جزء آلاينده‌هاي ناشي از موتور SI نمي‌باشد. بنزين شامل درصد کمي سرب است ولي سرب اثرات مضر بسياري بر سلامت انسان دارد. در چهار مرحله موتورهاي جرقه‌اي، آلاينده‌ها در سيلندر طي فرايندهاي متفاوتي تشکيل مي‌شوند که در ادامه به بعضي از آنها اشاره مي‌شود. NO با دماي زياد گازهاي سوخته پشت شعله در يک واکنش شيميايي توليد مي‌شود. نرخ توليد NO با افزايش دماي گاز افزايش مي‌يابد. هنگامي‌که گازهاي نسوخته در مرحله انبساط سرد مي‌شوند، واکنش‌هاي ديگر NO متوقف مي‌شوند و غلظت NO بسيار بيشتر از مقدار غلظت NO در دماي تعادل در شرايط خروجي اگزوز مي‌باشد.

منوکسيد کربن (CO) نيز در فرآيند احتراق توليد مي‌شود. اگرچه در مخلوط‌هاي رقيق معمولاً O₂ براي سوختن تمام کربن موجود و تبديل آن به CO₂ وجود دارد، ولي بازهم مقداري CO به‌دليل تجزيه CO₂ به‌علت درجه حرارت بالاي محصولات احتراق در خروجي اگزوز وجود دارد. در ادامه، در مرحله انبساط، واکنش اکسايش نيز با افت دماي‌ گاز متوقف مي‌شود. آلودگي هيدروکربن‌هاي نسوخته از منابع مختلفي به‌وجود مي‌آيد. در هنگام تراکم و احتراق، فشار افزاينده سيلندر مقداري از گاز موجود در سيلندر را وارد شيارهاي محفظه احتراق مي‌کند که فاصله بين رينگِ پيستون و ديواره سيلندر، بزرگترين اين فضاها مي‌باشد. اکثر اين گازها نيز مخلوط هوا و سوخت نسوخته که از ناحيه اوليه احتراق فرار کرده‌اند، مي‌باشند. باقي ماندن مخلوط نسوخته به‌علت آن است که شعله نمي‌تواند وارد اين شيارهاي باريک شود. اين گازها که بعداً در مراحل انبساط و تخليه اين شيارها را ترک مي‌کنند يکي از منابع توليد هيدروکربن‌هاي نسوخته هستند.

ديواره محفظه احتراق يک منبع ديگر براي توليد آلودگي مي‌باشد. يک لايه سردشده شامل مخلوط هوا و سوخت نسوخته يا نيمه‌سوخته روي ديواره که با خاموش شدن شعله در اثر برخورد با ديواره به‌وجود مي‌آيد، باقي مي‌ماند. اگر محفظه احتراق تميز باشد هيدروکربن‌هاي نسوخته در اين لايه (حدود mm 1/0) بسرعت مي‌سوزند. منبع ديگر هيدورکربن‌هاي نسوخته،‌ لايه نازک روغن روان‌کاري روي ديواره سيلندر و پيستون مي‌باشد که HC را قبل و بعد از احتراق جذب مي‌کند. منبع نهايي توليد HC در موتور، سوخت ناقص به‌علت سرد‌شدن حجمي ‌شعله در قسمتي از سيکل موتور که احتراق کُند صورت مي‌گيرد، مي‌باشد. اين HC نسوخته که نزديک ديوارة سيلندر باقي مي‌ماند در مرحله تخليه هنگامي‌که پيستون گازها را به بيرون مي‌راند، خارج مي‌شود.

يکي از مهمترين متغيرها در تعيين آلودگي موتور SI نسبت هوا به سوخت واقعي به هوا به سوخت استوکيومتري است که با  نشان داده مي‌شود و به آن نسبت هوا به سوخت نسبي مي‌گويند. در محدوده 1 =  آلودگي NO_x حداکثر مي‌باشد. مخلوط‌هاي رقيق‌تر آلودگي NO_x کمتري توليد مي‌کنند تا جايي‌که کيفيت احتراق در اثر رقيق شدن کم شود. در هنگام روشن کردن موتور، مخلوط بسيار غني از هوا و سوخت وارد موتور مي‌شود چراکه تبخير سوخت بسيار کُند صورت مي‌گيرد، بنابراين تا وقتي که موتور گرم نشود و از غلظت مخلوط هوا و سوخت کم نشود، آلودگي CO و HC زياد مي‌باشد.

در شرايط بار جزئي از مخلوط‌هاي رقيق مي‌توان استفاده کرد که در اين‌ صورت از آلودگي CO و HC کاسته‌شده و آلودگي NO_x به مقدار متوسطي مي‌رسد. استفاده از گازهاي خروجي بازگشت داده شده جهت رقيق شدن مخلوط ورودي موتور سبب کاهش سطح  NO_x  مي‌شود ولي کيفيت احتراق را پايين مي‌آورد. روش بازخوراني گازهاي خروجي با مخلوط‌هاي استوکيومتري در موتورهاي زيادي براي کاهش آلودگي مورد استفاده قرار مي‌گيرد.

 

آلودگيها  

 

1-2  مونو اکسيد کربن(CO)

مونوكسيد كربن با فرمول CO وزن مولكولي 01/28 نقطه ذوب 207 درجه سانتيگراد و نقطه جوش 192 درجه سانتيگراد، گازي اسـت بـي رنگ و بـي بـو كه حاصل احتراق ناقص زغال و سوخت‌هـــاي فسيلي است. حد طبيعي آن در هوا 01/0 تا 2/0 قسمت در ميليون (حجمي) است و در مناطق شهري معمولا زير 17 قسمت در ميليون است ودر محيط‌‌هاي بسته و كارگاه ها غالبا از 100 پي پي ام هم تجاوز مي‌نمايد.

 اين اجزاء مي تواند در ابتدا تحت تأثير ضريب هواي اضافي واقع شود . از آنجا که اکسيژن براي اکسيد کردن تمام مولکولهاي کربن به  بقدر کافي موجود نيست غلظتهاي  بالاي CO را نتيجه مي دهد و با افزايش هوا غلظتهاي CO کاهش مي يابند .

انتشار مونواکسيد کربن مي تواند تنها تحت تأثير مقدار ناچيزي از پارامترهاي موتور واقع شود ؛ مانند زمانبندي جرقه ، نسبت تراکم ، سرعت موتور و زمانبندي تزريق ؛ اين موضوع بوسيله اين واقعيت که واکنش هاي ترکيبي مجدد CO که در مرحله انبساط در ابتدا بسته به فشار رخ مي دهند تعبير مي شود ، ليکن فشار در مرحله انبساط ، کم و بيش وابسته به پارامترهاي فوق است . بنابراين انتشار CO به پارامترهاي فوق در حد زيادي بستگي ندارد. در محدوده هواي بيشتر غلظت CO نسبتاً پائين است و با افزايش بيشتر ضريب هواي اضافي ، کاهش مي يابد . CO موجود در اين محدوده ممکن است در نقص موضعي يکسان مخلوط سوخت و هوا و در فرآيندهاي شيميايي مجاور ديواره يا در متوقف شدن واکنشها بعنوان افزايش ميزان هواي در دسترس رديابي مي شود.

 

تاثيرات:

مونوكسيد كربن چهار نوع اثر مهم بر اعمال فيزيولوژيكي انسان دارد :

1) اثرات قلب و عروق

2) رفتار‌هاي عصبي

3) اثرFibrinolysis

4) اثر بر جنين

هيپوكسي كه بوسيله مونوكسيد كربن ايجاد مي‌شود منجر به نارسايي در اعمال حسي و عضلات مثل مغز، قلب، جدار داخلي عروق خوني و پلاكت‌ها مي‌شود.

با توجه به اينكه ميل تركيبي مونوكسيد كربن با هموگلوبين خون حدود 220 برابر بيشتر از اكسيژن است، در محيط‌‌هاي آلوده كربوكسي هموگلوبين خون به سرعت افزايش مي‌يابد. در جوانان با رسيدن كربوكسي هموگلوبين خون به 5% ظرفيت اكسيژن گيري بدن پايين آمده و اثرات آن روي قلب به وضوح نشان داده شده است. در جدول 3 و 4 اثر روي سلامت انسان كه در اثر تماس با غلظت‌هاي مختلف CO و افزايش كربوكسي هموگلوبين بوجود مي‌آيد، مشاهده مي‌شود:

 

مقدار (PPM)	مدت تماس	اثرات
50	6 هفته	تغييردر ساختارقلب و مغز حيوانات
50	در 50 دقيقه	تغيير در ديد و شفافيت نسبي
50	8 تا 12 ساعت	اختلالات عصبي

 

1-3  هيدروکربن هاي نسوخته(HC)

اگر مولکول هيدروکربن تحت وضعيتهاي ايده آل بسوزد ؛ تنها مقدار نسبتاً کمي هيدروکربنهاي نسوخته آزاد مي شود . هيدروکربنهاي نسوخته ، تنها در آن نواحي از منطقه احتراق که شعله گيرا نيست مي مانند . اين موارد ممکن است در جاهايي از محفظه احتراق موتور شمع دار مانند شکافها در محفظه احتراق در نزديکي واشر سرسيلندر ، سطح فوقاني پيستون ، رينگهاي پيستون و قسمتهاي شمع ، بعلاوه در مورد نواحي گوشه دار بطور ناقص طرح شده و غيره باشد . چنانچه مبادله گرما از گاز داخل شکاف ديواره جهت خاموش کردن شعله ( تأثير خفگي ) کافي باشد نيز شدن حدود خاموشي در محدوده هاي رقيق غني مخلوط ايجاد مي گردد . اگر تغييرات جرم هوا يا سوخت باعث ايجاد مخلوطي بحد کافي رقيق شود که مانع از احتراق آن شود ، آلاينده هاي هيدروکربني زيادي حاصل مي شود .

ترکيب هيدروکربنهاي نسوخته در بيشتر موارد ممکن است متفاوت باشد . بطور مثال اجزاء اصلي شامل آرماتورها ( بنزين ، تولوئن اتيل بنزين ) بعلاوه الفين ها ( مثلاً پروپن ، اتيلن ) وپارافين ها ( مثلاً متان ) مي باشد.

اکسيدهاي ازت

توليد اکسيد هاي ازت در مختصري هواي بيشتر به حد ماکزيمم مي رسند . توليد اين اجزاء در دماهاي حداکثر موضعي و با هماهنگي هواي بيشتر در مخلوط زيادتر مي شود .. دماهاي بالا  را به شکستن اتمهاي تشکيل دهنده شان وادار مي کند و نيز هواي بيشتر تضمين مي کند که اکسيژن کافي موجود مي باشد .

تمام پارامترهاي مربوط به موتور بر وضعيتهاي مرزي فوق همچنين برآينده هاي  تأثير خواهند داشت . ( مثلاً بار ،  ، زاويه جرقه ، نسبت تراکم ) و آلاينده هاي NO تقريباً 90 تا 98% تمام آلاينده هاي  هنگام کارکرد موتور محسوب مي شوند . مکانيزم واکنش مربوط براي تشکيل  در ابتدا بوسيله مکانيزم زلدويک کنترل مي شود .واکنشهايي که اکسيد ازت توليد مي کنند نسبتاً آهسته رخ مي دهند و NO در مقادير زيادي تنها عقب تر از جبهه شعله تشکيل مي شود.

 

1-4 اثر گلخانه‌اي

گلخانه، خانه‌اي شيشه‌اي است که در آن سبزيجات پرورش داده مي‌‌شود. در اين خانه انرژي خورشيدي با طول موج كوتاه از طريق شيشه وارد مي‌شود (شيشه 90-80 درصد امواج با طول موج كوتاه را از خود عبور مي‌‌دهد). اين امواج وقتي با زمين برخورد مي‌‌كنند به امواج گرمايي با طول موج بلند تبديل مي‌‌شوند. اين امواج با طول موج بلند مجددا‏‎ً به‌طرف جو گسيل مي‌‌شوند ولي از آن‌جاكه شيشه به امواج با طول موج بلند اجازه عبور نمي‌‌دهد، اين امواج نمي‌‌توانند از گلخانه خارج شوند و به اين ترتيب گرما در آن محبوس مي‌‌شود. طرح شماتيکي از اثر گلخانه‌اي در شکل زير نشان داده شده‌است. جو اطراف زمين درست مانند شيشه عمل کرده و زمين را سبز نگه مي‌‌دارد.

نمايي ساده از اثر گلخانه‌ای

 

 

وجود دي‌اکسيد کربن (CO₂) در جو زمين به آن گرماي لازم براي ادامه حيات را مي‌‌دهد. اين مسأله به‌دليل خاصيت نوري عجيب و خاص CO₂ است. اين ماده تقريباً به‌طور كامل نسبت به تشعشعات ورودي شفاف مي‌‌باشد. اين امواج بعد از برخورد با زمين دوباره با طول موج بلند بازتابيده مي‌‌شوند. CO₂  قسمت زيادي از اين تشعشعات با طول موج بلند را جذب مي‌کند و زمين را گرم نگه‌ مي‌دارد. مي‌‌توان گفت كه CO₂ حافظ حيات در کرة زمين است ولي افزايش آن در سدۀ گذشته، زندگي و حيات را روي زمين با تهديد جدي مواجه نموده است. CO₂ مهمترين گازي است كه اين خصلت را دارد. متان (CH₄)، دي‌اکسيد نيتروژن (NO₂) و CFCهاي خاصي نيز همين اثر را دارند. مجموعاً، اين گازها باعث اثر گلخانه‌اي (GHE[2]) مي‌‌شوند، كه اين اثر موجب افزايش دماي متوسط زمين در حدود C 5-5/1 تا اواسط قرن حاضر خواهد شد (شکل زير).

 

اثر گلخانه‌ای از بالا

 

 

 

 

 

عوامل مؤثر بر اثر گلخانه‌اي

عوامل مؤثر بر اثر گلخانه‌اي را مي‌توان به‌صورت زير خلاصه کرد:

- افزايش جمعيت:

با افزايش جمعيت، فعاليت‌هاي اقتصادي، فشار بر رشد كشاورزي و صنعت نيز زياد مي‌‌شود كه اين خود باعث از بين رفتن گونه‌هاي مختلف حيات روي زمين با سرعت زياد مي‌‌گردد. گاز CO₂  مؤثر بر اثر گلخانه‌اي به‌علت آن‌كه محصول عمدۀ مصرف انرژي‌هاي فسيلي مي‌باشد، توليدش با افزايش جمعيت زياد مي‌‌شود. بنابراين تركيب افزايش جمعيت و رشد صنعتي باعث افزايش توليد CO₂ مي‌‌شود.

- رشد صنعتي، رشد حمل و نقل و رشد آلاينده‌ CO₂:

مهمترين منبع توليد CO₂ در جو سوزاندن سوخت‌هاي فسيلي براي توليد نيرو و به‌عنوان سوخت در خودرو‌ها مي‌‌باشد.

- آلودگي خودروها:

آلودگي هوا و خطرهاي سلامتي كه خودروها ايجاد مي‌‌كنند به حد هشداردهنده‌اي رسيده‌است. آمارگيري‌ها نشان مي‌‌دهد كه 50% تا 60% كل آلودگي هوا در شهرهاي بزرگ توسط خودروها ايجاد مي‌‌شود.

- متان (CH₄):

گاز ديگري كه در اثر گلخانه‌اي به‌طور جدي مؤثر مي‌باشد متان است. اين گاز 2/15% به گرم‌شدن زمين كمك مي‌‌كند، با وجود آن‌كه مقدار اين گاز نسبت به CO₂ كمتر مي‌‌باشد ولي اثر گلخانه‌اي آن 20 تا 25 برابر بيشتر از CO₂ مي‌‌باشد و بنابراين اين گاز 25 برابر بيشتر گرماي بازتابيده شده از زمين را محبوس مي‌‌كند.

اكسيد نيتروژن يك گاز گلخانه‌اي ديگر مي‌باشد كه از CO₂ در خصلت گلخانه‌اي قوي‌تر مي‌باشد. با اين‌كه كل مقدار CH₄ و NO₂ كم است ولي مقدار آنها در حال زيادشدن است و چون خصلت ‌گلخانه‌اي قوي‌تري دارند مي‌توانند از اثر CO₂ پيشي بگيرند.

- جنگل زدايي:

وجود جنگل‌ها براي متعادل نگه‌داشتن مقدار CO₂ در جو بسيار مهم است. به‌علت آن‌كه مقدار CO₂ كه توسط انسان‌ها و با سوختن سوخت‌هاي فسيلي توليد مي‌شود توسط درختان جذب‌شده و به O₂ تبديل مي‌شود، با بريدن يا سوزاندن جنگل‌ها از يک طرف کربن وارد جو شده و از طرفي ديگر جذب اکسيژن کاهش مي‌يابد.

- مبدل كاتاليزوري:

با حذف سرب از بنزين به‌دليل كمك به كاهش آلودگي، استفاده  از مبدل‌هاي کاتاليزوري افزايش يافته است. ولي اين مبدل‌ها‌ مي‌توانند اثر نامطلوبي روي گرم‌شدن زمين داشته باشند. مبدل كاتاليزوري وسيله‌اي براي تبديل سه گاز خطرناك در اگزوز خودروها به تركيبات با خطر كمتر ‌مي‌باشد. اين سه گاز شامل هيدروكربن‌ها (به‌صورت بنزين نسوخته)، منواكسيد كربن (به‌علت احتراق ناقص) و اكسيد نيتروژن (وقتي كه گرماي زياد موتور باعث واكنش اكسيژن با نيتروژن هوا ‌مي‌شود) هستند. شكي در سمي و خطرناك بودن گاز CO، همکاري NO در تشكيل دوده و باران اسيدي و مضرات HC وجود ندارد. ولي گاهي ممكن است كه كاتاليست‌ها تركيب اكسيد نيتروژن را به  N₂O(معروف به گاز خنده‌آور) تغيير دهند که اثر گلخانه‌اي اين گاز 300 برابر CO₂ است.

كنترل اثر گلخانه‌اي

با توجه به شواهد موجود در تغيير آب و هواي زمين بايد هر چه سريع‌تر اقدامات لازم براي جلوگيري از اين اثر صورت بگيرد. اقدامات زير كه تاكنون در قسمت‌هاي مختلف دنيا تجربه شده‌اند براي كاهش اثر گلخانه‌اي مؤثر مي‌باشند:

1- استفاده بيشتر از گاز طبيعي

2- استفاده بيشتر از انرژي هيدروليك

3- استفاده از سوخت‌هاي جايگزين

4- استفاده از انرژي هسته‌اي

5- استفاده از تجهيزات با راندمان بالا

6- حذف CFCها از صنعت توليد يخچال

7- جنگل‌زايي جهاني و جلوگيري از جنگل‌زدايي

8- استفاده از انرژي‌هاي خورشيدي، باد، امواج، زمين‌گرمايي و ساير انرژي‌هاي تجديد‌پذير

چهار فعاليت عمده که مي‌توان براي كاهش گازهاي گلخانه‌اي (GHG[3]) در قسمت حمل و نقل انجام داد، به‌شرح ذيل فهرست مي‌شوند:

-  تغيير نوع سوخت: فعاليت‌هاي نمونه شامل تغيير سوخت از بنزين و ديزل به سوخت‌هاي جايگزين مانند بايوديزل، گازطبيعي، الكتريسيته و هيدروژن (توسط سلول‌هاي خورشيدي يا احتراق مستقيم) مي‌باشد.

-  تغيير راندمان سوخت خودرو: تغييردادن خودرو و طراحي آن به‌طوري كه خودرو مسافت بيشتري را با همان مقدار سوخت به‌عنوان انرژي ورودي طي كند.

-  افزايش ظرفيت خودروها: اين كار نيز نوع ديگري از بهبود دادن راندمان سوخت مي‌باشد كه در آن تعداد افراد يا كالاها در هر واحد مسافت براي يك مقدار سوخت مشخص افزايش يابد.

-  ايجاد تغييراتي در سيستم حمل و نقل که منجر به توليد كمتر گازهاي گلخانه‌اي مي‌شود، مانند کاربرد سيستم‌هايي از قبيل ريلي و غيره در حمل و نقل عمومي، كنترل ترافيك بهتر، تغيير زير ساخت‌ها و غيره.

 

گازهاي گلخانه‌اي مربوط به خودروها با سوخت گاز طبيعي‌

CO₂  بزرگترين منبع توليد ‌آلودگي مربوط به حمل و نقل مي‌باشد چراكه اين گاز محصول احتراق سوخت‌هاي كربن‌دار مانند بنزين و ديزل (كه هر دو نسبت به گاز طبيعي، كربن بيشتري دارند) مي‌باشد. متان (CH₄) نيز گاز گلخانه‌اي مهمي در ارتباط با صنعت حمل و نقل مي‌باشد زيرا اين گاز در بسياري از سوخت‌ها موجود است (به‌عنوان مهمترين قسمت گاز طبيعي كه در حدود 95% آن را با توجه به نوع مخلوط تشكيل مي‌دهد). همچنين انتقال آن به جو از طريق نشت از زيربناها و سيستم‌هاي انتقال سوخت نيز صورت مي‌گيرد. اين انتقال شامل نشت از خودرو نيز مي‌باشد. علاوه بر اين، CH₄، 23 برابر CO₂ پتانسيل گرم‌شدن جهاني (GWP[4]) دارد و بنابراين در طول 100 سال حجم كمتر اين گاز نسبت به CO₂ مي‌تواند چند برابر آلودگي‌ ايجاد كند. NO₂  نيز گازي گلخانه‌اي است كه به آلودگي توليدي در سيستم حمل و نقل مربوط مي‌باشد ولي مسئول درصد كمتري از آلودگي مي‌باشد با اين كه  GWP آن 210 برابر CO₂ مي‌باشد. شکل 7 توسط ANL[5] با استفاده از گازهاي گلخانه‌اي، استانداردهاي آلودگي و مدل مصرف انرژي (GREET[6]) به‌دست آمده‌است. اين شکل کاهش بارز 17 درصدي گازهاي گلخانه‌اي خودروهاي سبک گازسوز را در سيکل عمر آلودگي CO₂ نسبت به خودروهاي ديگر با همان راندمان به‌علت مقدار کربن کمتر در گاز طبيعي نشان مي‌دهد. درکل کاهش گازهاي گلخانه‌اي خودروهاي گازسوز سبک به‌علت نشت‌هاي مربوط به گاز طبيعي از 17 درصد به 11 درصد تغيير مي‌يابد.

 

تاثيرات:

ميزان مت هموگلوبين در خون بطور طبيعي بين صفر تا 8 درصد هموگلوبين است وقتي در اثر تماس در محيط آلوده غلظت آن در خون به 10 تا 15 درصد هموگلوبين برسد (اين غلظت در هواي آزاد بدست نمي‌آيد) علائمي مانند تنگ نفس كوششي (exertional dyspnea) كه به نارسايي اكسيژن و يا هيپوكسي با افزايش مت هموگل

---

[1] European Union

[2] - Green House Effect

[3] - Green House Gases

[4] - Global Warming Potential

[5] - Argonne National Laboratory

[6] - Green House Gases, Regulated Emission, And Energy Use in Transportation

فهرست مطالب کاهش آلاینده با استفاده از کاتالیست

فصل اول:

انواع آلاينده ها

1-1- استانداردها............................ 12

1-1-1 - استاندارد EEC(European Economic Commiunity)  16

1-1-2- استاندارد (Economic Commission Europe) ECE 17

1-2- مونواکسيد کربن(CO)  ..................... 31

1-3- هيدرو کربن هاي نسوخته(HC)  .............. 33

1-4- اثر گلخانه اي.......................... 34

1-5- ترکيبات سرب............................ 41

1-6- ذرات معلق در هوا (PM).................. 43

 

 

فصل دوم:

مبدل های catalyst

2-1- مبدلهای کاتالیستی...................... 47

2-1-1- سیستم مبدل کاتالیستی................. 53

2-1-2- بازه کنترلی عملکردمبدل کاتالیستی..... 54

2-1-3-کاتالیست کنورتور...................... 56

2-1-4- نحوه کار کاتالیست.................... 57

2-1-5-اجزاء تشکیل دهنده کاتالیست............ 58

2-1-6- Wash coat  ............................. 60

2-1-7- دمای Light off.......................... 61

2-1-8- مشخصات اصلی یک کاتالیست.............. 61

2-1-9- واکنش های صورت گرفته در کاتالیست..... 64

2-2- کاتالیست کنورتور سه راهه............... 65

2-2-1- تئوری سیستم کاتالیست کنورتور سه راهه. 66

2-3- مواد کاتالیست در موتورهای با سوخت گاز طبیعی    68

2-3-1- کاتالیست موتور گاز سوز استوکیومتریک.. 70

2-4- مراحل ساخت و طریقه کارکرد اجزاء مبدل سرامیکی   71

2-4-1- مطالعات نظری ........................ 71

2-4-2- مطالعات تجربی........................ 73

2-4-3- ساخت بدنه مبدل....................... 74

2-4-4- ایجاد لایه پوشش میانی................. 75

2-4-5- تلقیح اجزاء فعال و واکنشگر........... 76

2-4-6- جلد گیری (canning  )................... 77

2-4-7- آزمایش کاربرد مبدل................... 78

2-4-8- روش کار آزمایشگاهی................... 79

2-5- استفاده از نانو تکنولوژی در ساخت کاتالیست 81

2-5-1- کاتالیستهای نانوساختاری.............. 83

2-6- سنسور اکسیژن........................... 84

2-7- سوپاپ EGR ............................. 86

2-7-1- نحوه کار سوپاپ EGR .................. 92

فصل سوم: 

محاسبات مربوط به مبدل کاتالیست

3-1- روابط تعیین مبدل کاتالیستی............. 97

3-1-1- معادلات پیوستگی ، ممنتوم و انرژی...... 98

3-1-2- انتخاب مدل آشفتگی مناسب.............. 101

3-1-3- معادلات انتقال........................ 102

3-1-4- ملاحظات مربوط به تعیین محل تعبیه مبدل کاتالیستی    104

3-1-5- نحوه مدل سازی مبدل کاتالیستی......... 105

3-1-6- محاسبه تـأثیرات مبدل کاتالیستی بر جریان گازهای خروجی  108

3-1-7- مقایسه نتایج......................... 109

3-2- نتیجه گیری............................. 112