مهندسین جوان

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).

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