ايده ساخت موتور هاي ديزل متعلق به : رودلف ديزل آلماني است كه امتياز ساخت ان را در سال 1892 بنام خود ثبت كرد . هدف او از اين كار ابداع موتوري با كارآيي بالا بود البته موتورهاي بنزيني در سال 1876 اختراع شده بودند ولي بخصوص در آن زمان اين موتور ها كارآيي و راندمان مناسب را نداشتند .
تفاوت عمده اي كه بين موتور هاي بنزيني و گازوئيلي وجود دارد بقرار زير است در موتور هاي بنزيني ، هوا و سوخت در خارج از موتور با هم تركيب مي شوند و سپس اي مخلوط پس از تراكم در سيلندر توسط جرقه اي كه شمع مي زند محترق شده و نيروي لازم براي حركت موتور را فراهم مي كند .
اما در موتور گازوئيلي ابتدا هوا متراكم مي شود و سپس سوخت به درون اين هواي متراكم پاشيده مي شود و گرماي زياد ناشي از تراكم هوا باعث اشتعال مي شود و به شمع نيازي نيست نسبت تراكم در موتور هاي بنزيني 8:1 تا 12:1 است در صورتيكه در موتور هاي گازوئيلي اين نسبت : 14:1 تا 25:1 اس و به همين جهت است كه راندمان آنها از موتور ها ي بنزيني بيشتر است همين نسبت تراكم بالا در موتور هاي گازوئيلي است كه باعث مي شود كه
راندمان انها از موتور هاي بنزيني بيشتر باشد موتور هاي بنزيني معمولا از كاربوراتور يا انژكتور براي تركيب هوا و سوخت در خارج از موتور استفاده مي كنند .ولي در موتور هاي ديزلي سوخت بطور مستقيم توسط انژكتور به درون سيلندر پاشيده مي شود
در موتور هاي بنزيني بدليل اينكه سوخت و هوا با هم تركيب شده اند از نظر مقدار فشرده كردن اين مجموع محدوديت وجود دارد چون ممكن است كه اين تركيب زودتر از موعد مقرر به دليل احتراق خود به خود محترق شود . باعث اخلال در سيكل مي شود . اما در موتور هاي گازوئيلي بدليل اينكه فقط هواي بدون سوخت متراكم مي شود از نظر بالا بردن نسبت تراكم محدوديتي نداريم و همين امر باعث بالا بردن راندمان موتور مي شود.
طراحي سيكل ديزل : DESIGN OF DIESEL CYCLE
سيكل موتور ديزل شباهت زيادي به سيكل : اوتو otto دارد و هر دو را مي توان به عنوان سيكل بسته اي از موتور هاي احتراق داخلي مدلسازي كرد . تفاوت در اين است كه سيكل ديزل يك سيكل : تراكمي – احتراقي است
( يعني در اثر گرماي ناشي از تراكم هوا و سوخت احتراق صورت مي گيرد و نياز به جرقه شمع نيست ) ولي سيكل اوتو توسط جرقه شمع محترق مي شود
سيكل هاي تراكمي احتراقي از سوخت هايي استفاده مي كنند كه وقتي به آستانه فشار و حرارت مطلوب رسيدند شروع به احتراق مي كنند و بنابراين نيازي به شمع ندارند سوخت ديزل به گونه اي تركيب مي شود كه در زمان مناسب احتراق صورت گيرد و به همين جهت در سيكل ديزل موتور به شكل مطلوب كار مي كند .
توجه داشته باشيد كه اغلب سوخت ها هنگاميكه به درجه حرارت و فشار معيني برسند شروع به اشتعال مي كنند اما اغلب اين اتفاق زود تر از موعد رخ مي دهد . به همين دليل است كه يك موتور بنزيني كه با سيكل اوتو كار مي كند وقتي بخواهد با نسبت تراكم بالاتري كار كند به حالت ديزل در مي ايد در صورتيكه سوختي كه استفاده مي كند بنزين است و قبل از زدن جرفه خود بخود مشتعل مي گردد . در اين هنگام خاموش كردن اين ماشين ديگر به سختي صورت مي گيرد چون قطع كردن سيستم جرقه هم مشكلي را حل نمي كند .
اتفاقا گاهي اين حالت احتراق خود بخودي در ماشين هاي بنزيني پيش مي آيد : مثلا هنگاميكه بخشي از واشر سر سيلندر از محل خود خارج شده و وارد محفظه اختراق گرديده است كه چون بعد از كار كردن موتور به حالت ملتهب در مي آيد باعث مي شود كه كار جرقه را انجام دهد و در اين حالت با وجوديكه سوئيچ را مي بنديم ولي باز هم ماشين خاموش نمي شود ياهنگاميكه بدليل كف تراشي سر سيلندر ، حجم محفظه احتراق كاهش پيدا مي كند و در واقع نسبت تراكم موتور به هم مي خورد باز هم شاهد اين وضعيت هستيم .
مراحل سيكل ديزل :
سيكل ديزل شامل 4 مرحله است :
1- تراكم
2- احتراق
3- انبساط
4- سرد شدن
مرحله اول: تراكم : كه د راين مرحله از هواي اتمسفر استفاده مي شود براي گرم كردن اين هوا آن را در سيلندر و توسط پيستون متراكم مي كنند در اين مرحله ما روي هوا كار انجام مي دهيم در يك سيكل ديزل ايده آل فرض بر اين است كه اين تراكم بصورت ايزنتروپيك isentropic صورت مي گيرد . در اين مرحله است كه ما نسبت تراكم حجمي را تنظيم مي كنيم يعني حجم سيال قبل از تراكم به حجم آن بعد از تراكم كه اين نسبت را با r نشان مي دهند
پيستون : در اين حالت از نقطه مرگ بالا بطرف نقطه مرگ پائين حركت مي كند
مرحله دوم : احتراق :
بعد از اينكه سوخت به هواي فشرده اضافه شد و گرماي حاصل از احتراق باعث حركت پيستون از نقطه مرگ پائيني شد بعلت اينكه در اين بخش از سيكل پيستنون حركت مي كند مي گوئيم گرماي اضافه شده ايزو كوريك است مانند مرحله خنك شدن .
پيستون : شروع به حركت از نقطه مرگ پائين بطرف بالا مي كند
مرحله سوم : انبساط :
در سيكل ديزل احتراق سوخت باعث گرم شدن هوا شده و يك نيروي رانشي را روي پيستون اعمال مي كند در اين مرحله است كه كار مفيد از سيستم گرفته مي شود و باعث چرخش ميل لنگ اتومبيل مي گردد در اينجا نيز فرض بر اين است با يك سيكل ايده آل ديزل سر و كار داريم و فرايند
بصورت : ايزنتروپيك صورت مي گيرد .
پيستون: از نقطه مرگ پائين بطرف نقطه مرگ بالا حركت مي كند
مرحله چهارم : خنك شدن
آنگاه اين هواي منبسط شده تا در جه حرارت محيط سرد مي شود در اتومبيل اين مرحله با خروج گازهاي دودكش و جايگزيني ان با هواي تازه صورت مي گيرد چون اين عمل هنگامي صورت مي گيرد كه پيستون در نفطه مرگ بالا قرار دارد و ديگر قادر به حركت نيست ما مي گوئيم اين فرآيند ايزوكوريك isochoric است ( يعني تغييري در حجم ان صورت نمي گيرد )
ايده ساخت موتور هاي ديزل متعلق به : رودلف ديزل آلماني است كه امتياز ساخت ان را در سال 1892 بنام خود ثبت كرد . هدف او از ساخت اين كار ابداع موتوري با كارآيي بالا بود البته موتورهاي بنزيني در سال 1876 اختراع شده بودند ولي بخصوص در آن زمان اين موتور ها كارآيي و راندمان مناسب را نداشتند .
تفاوت عمده اي كه بين موتور هاي بنزيني و گازوئيلي وجود دارد بقرار زير است :
در موتور هاي بنزيني ، هوا و سوخت در خارج از موتور با هم تركيب
مي شوند و سپس اي مخلوط پس از تراكم در سيلندر توسط جرقه اي كه شمع مي زند محترق شده و نيروي لازم براي حركت موتور را فراهم مي كند اما در موتور گازوئيلي ابتدا هوا متراكم مي شود و سپس سوخت به درون اين هواي متراكم پاشيده مي شود و گرماي زياد ناشي از تراكم هوا باعث اشتعال مي شود و به شمع نيازي نيست .
نسبت تراكم در موتور هاي بنزيني 8:1 تا 12:1 است در صورتيكه در موتور هاي گازوئيلي اين نسبت : 14:1 تا 25:1 اس
و به همين جهت است كه راندمان آنها از موتور ها ي بنزيني بيشتر است همين نسبت تراكم بالا در موتور هاي گازوئيلي است كه باعث مي شود كه راندمان انها از موتور هاي بنزيني بيشتر باشد موتور هاي بنزيني معمولا از كاربوراتور يا انژكتور براي تركيب هوا و سوخت در خارج از موتور استفاده مي كنند . ولي در موتور هاي ديزلي سوخت بطور مستقيم توسط انژكتور به درون
سيلندر پاشيده مي شود.
در موتور هاي بنزيني بدليل اينكه سوخت و هوا با هم تركيب شده اند از نظر مقدار فشرده كردن اين مجموع محدوديت وجود دارد چون ممكن است كه اين تركيب زودتر از موعد مقرر به دليل احتراق خود به خود محترق شود . باعث اخلال در سيكل مي شود . اما در موتور هاي گازوئيلي بدليل اينكه فقط هواي بدون سوخت متراكم مي شود از نظر بالا بردن نسبت تراكم محدوديتي نداريم و همين امر باعث بالا بردن راندمان موتور مي شود.
مزيت افزايش عملكرد خودرو:
موتورهاي ديزل از يك مزيت ذاتي نسبت به خودروهاي بنزيني برخوردارهستند كه عبارت است از عملكرد بالادر راندمان سوخت ، دوام بيشتر ، وآلايندگي كمتر. مزيتهايي كه موتورهاي ديزل داشته است باعث شده است تا سالها به عنوان موتوري مناسب براي نصب در وسائل نقليه سنگين و كاميونها مورد استفاده قرار بگيرد و در سراسر دنيا و از جمله در امريكا كاربرد گسترده اي داشته باشد .هم اكنون با پيشرفتهايي كه در زمينه موتور ديزل صورت گرفته است همان مزيت ها را براي استفاده در خودروها سبك و سواري كه در اروپا توليد مي شوند نيز بكار گرفته اند .
كارآيي بهتر از نظر مصرف سوخت :
ديزل هاي مورد استفاده در خودروها ي سبك نسبت به خودروهاي بنزيني مشابه و با توجه به نوع رانندگي و نوع خودرو بين 20تا 25% سوخت كمتري مصرف مي كنند .
تاكسي هاي ديزلي لندن كه مدل آنها مربوط با سالهاي 2002/2003 بوده است در شهربه ازاي هر 25تا 27 مايل يك گالن گازوئيل مصرف كرده اند كه اين رقم براي سفر هاي بيرون از شهر 32تا 34 مايل به ازاي هر يك گالن گازوئيل بوده است .
كاهش انتشار آلاينده ها :
فنآوري جديد موتورهاي ديزل باعث شده است كه به ميزان بسيار وسيعي از انتشار آلاينده هاي : اكسيد نيتروژن NOx و PM كاسته شود درحال حاضر با راه پيدا كردن بازارهاي آمريكاي شمالي به اروپا رانندگان تاكسي در لندن از موتورهاي فورد ديزلي 4/2 ليتري كه بصورت تزريق
مستقيم سوخت و با استفاده از توربوشارژر، اينتركولر كار مي كند.
تعداد زيادي از تاكسي ها و ماشينهاي حمل زباله از مزاياي زيست محيطي و صرفه اقتصادي كه اينگونه ديزل هاي دارند بهره مي گيرند . فرصتهايي كه سازندگان خودرو در پيش رو دارند توان بيشتر :موتورهاي ديزلي در مقايسه با موتورهاي بنزيني ، نيروي رانشي ( گشتا ور ) بيشتري را در دور پائين تري از موتور ايجاد مي كنند .
اين مزيت گشتارو بالاتر باعث مي شود كه فرآيند احتراق كه بنام احتراق تراكمي ناميده مي شود در اين موتورها بهتر صورت بگيردتوان بيشتر : . موتورهاي ديزلي در مقايسه با موتورهاي بنزيني ، نيروي رانشي ( گشتا ور ) بيشتري را در دور پائين تري از موتور ايجاد مي كنند .
اين مزيت گشتارو بالاتر باعث مي شود كه فرآيند احتراق كه بنام احتراق تراكمي ناميده مي شود در اين موتورها بهتر صورت بگيرد
دوام بيشتر :
موتورهاي ديزل نسبت به موتورهاي جرقه اي و بنزيني از دوام بيشتري برخوردار هستند .
موتورهاي ديزل مورد استفاده در خودروها سبك هر گاه توانند كار كنند . فواصل تعمير و نگهداري آنها نيز طولاني تر است .
Innovations in Diesel Technology نوآوري در فن آوري موتورهاي ديزل:
استفاده از توربو شارژر يكي از مزايايي است كه در فنآوري ساخت خودرومورد استفاده است و سبب شده است انقلابي در موتورهاي ديزل جديد بوجود آيد تا پاكيزه تر از گذشته كار كنند و توان و كارآيي ببشتري داشته باشند . در ديزل هاي مدرن نوعي از توربو شارژر مورد استفاده است كه توربو با شكل هندسي متغيير ناميد ه مي شود .
اين نوع آوري در شكل توربو شارژر باعث شده است كه توان بيشتري در طيف گسترده اي از دور موتور بدست آيد كه در مقايسه با توربو شارژرهاي قديمي كه متناسب با سرعت گازهاي خروجي دور انها تغيير مي كرد ودر موتورهاي ديزل جديد تزريق سوخت از طريق يك تزريق كننده پر فشار و با كنترل كامپيوتري صورت مي گيرد در صورتيكه در موتورهاي قديمي سوخت بطور مستقيم به داخل سيلندر تزريق مي شد . همين امر باعث شده است كه 40% توان بيشتري بدست آيد و 30% كاهش در مصرف سوخت صورت گيرد . تراشه كامپيوتري كه تزريق سوخت را كنترل مي كند سبب مي شود با زمان بندي متغييري كه براي تزريق سوخت انجام مي دهد كارآيي مصرف سوخت رابه حداكثر برساند و در مقايسه با ديزل هاي قديمي سر و صداي كمتري هم توليد كند.
تا سال 2006 كه استفاده از ديزل هاي با سوختي كه حداقل گوگرد ممكن را داشته باشد اجباري خواهد شد ميزان انتشار مواد آلاينده و از جمله ذراتي كه در مبدل هاي كاتاليستي به دام مي افتند كاهش پيدا خواهد كرد .
كاهش ميزان اكسيدهاي نيتروژن باعث خواهد شد كه موتورهاي ديزل باز هم تميز تري به بازار عرضه شود.
توربوشارژر وسوپر شارژر در واقع نوعي كمپرسور هوا مي باشند كه جهت مكش هواي بيشتر به درون موتور وفشردن هوا مورد استفاده است
و به اين طريق باعث مي شود كه هواي بيشتري به درون هر سيلندر فرستاده شود كه سوخت بيشتري هم به درون هر سيلندر فرستاده شود كه مفهوم آن اين است كه انفجار قوي تري در هر سيلندر صورت گيرد .
ميزان فشار هوايي كه به درون هر سيلندر فرستاده مي شود بر حسب psiاندازه گيري ميشود: پوند بر اينچ مربع .
سوپر شارزر از طريق تسمه اي نيروي خود را از موتور مي گيرد درست مانند دينام كه از اين طريق نيروي چرخشي خود را از موتور مي گيرد
اما توربو شارژر انرژي خود را از گاز هاي خروجي مي گيرد و توربيني دارد كه اين انرژي گازهاي خروجي رابه انرژي مكانيكي براي فشردن هوا استفاده ميكند.
Turbocharger vs Supercharger
توربو شارژر وسوپر شارژر هر دووسايلي هستند كه چندين دهه است كه در موتورها و براي فشردن هوا ي ورودي آنها مورد استفاده قرار مي گيرند تا حداكثر توان ممكن را در موتور ايجاد كند .
هر كدام از اينها خصوصياتي
هر كدام خصوصياتي دارند كه باعث مي شود كه يكي را بر ديگري ترجيح دهند .
ولي در عمل هم سوپر شارژر وهم توربو شارژر نقاط ضعف و قوت خودشان را دارند .
The Supercharger: سوپر شارژر
سوپر شارژر ها كمپرو سورهاي هستند كه توان مورد نياز خود را براي فشردن هوا از موتور مي گيرند.
توربو شارژر ها همان سوپر شارژر هايي هستند كه نيروي محركه خود را از اگزوز مي گيرند
سه نوع سوپر شارژر وجود دارد
Roots blower نوع دمنده اي
Centrifugal superchargers نوع گريز از مركز
Screw-type و نوع مارپيچي
كه همكي آنها قدرت را نشي خود را بطريقي از ميل لنگ موتور مي گيرد بطوريكه سرعت با لاتر موتور باعث سريع تر چر خيدن انها مي شود.
دو نوع اول با سرعتي معادل : 15000دور در دقيقه ونوع سوم يا گديز از مركز با سزعتي معادل : 40.000دور در دقيقه مي چرخد.
The Turbocharger : توربو شارژر
اما توربو شارژر ها با استفاده از انرژي دود هاي خروجي از اگزوز به حركت در مي آيند و حداكثر سرعتي كه يك توربوشارژر مي چرخد به 150.000دور در دقيقه هم مي رسد
مقايسه توربو شارژر و سوپر شارژر
The Comparison: : Turbocharger vs Supercharger
زمان در سرويس قرار گرفتن
سوپر شارژرها بلا فاصله بعد از روشن نمودن و چرخش موتور در سرويس قرار مي گيرند و هواي فشرده را در اختيار موتور قرار مي دهند
هر چند اين ميزان تقويت اوليه براي موتور خيلي اندك است ولي بتدريچ
با دور گرفتن موتور افزايش مي يابد و حاصل آن افزايش آرام ويكنواخت
توان موتور است.
اما در مقابل توربو شارژر ها نقطه ضعفي دارند كه ان را تاخير در واكنش نشان دادن مي نامند . چون لختي كه توربو شارژر ها در اغاز كار دارند
و بايد ابتدا دودهاي خروجي داغ توليد شود تا بتواند دور بگيرند كه باعث مي ود مدتي طول بكشد تا هوا رابراي فرستادن به موتور فشرده كنند
و بنابراين تادور موتور بالا نرفته است نمي توانند هوا را به شكل دلخواه فشرده كنند.
(wide open throttle =wot)
درحالتي كه در يجه هواي ورودي انهااز باشد معمولا يك افزايش ناگهاني در قدرت توربو شارژر پد يد مي آيد ( اين موضوع دراين حالت صورت ميگيرد كه اگر شما خودروي را كه توربو شارژر كه حدود 3000rpm دارد رانده باشيد
ضربه هاي راكه وارد ميشود را حس خواهيد كرد .البته اين امكان وجود دارد كه توربو شارژر ها را دراندازهاي ساخت كه واكنش اوليه انها سريع تر باشد .
مثلا موتور هاي ديزلي وجود دارد كه توربو شارژر هاي آنان به اندازههاي كوچك است كه دور آن به1700-2000 دور در دقيقه مي رسد.
عيب عمده ي كه اين نوع توربو شارژر ها دارند اين است كه توان هاي
بالا يي را نمي توان از آنها گرفت.
Parasitic Poewer Loss: افت توان غير قابل اجتناب
سوپر شارژر ها به علت اين كه نيروي خود رااز موتور مي گيرند باعث مي شوند كه بخشي از توان توليد شده توسط موتور را مصرف كنند .
اين افت توان غير قابل اجتناب ميتواند حتي از 50 اسب بخار هم تجاوز كند البته اين سوپرشارژرها بيش از انچه انرزي مصرف كنند به توان موتور اضافه مي كنند .
ولي توربو شارژر ها به علت اينكه هيچگونه انرژي از موتور مصرف نمي كنند ولي آنها نيز با ايجاد مانع در جريان دود هاي خروجي از موتور و افزايش فشار پس از زدن سبب مي شوند بخشي از توان موتور بطور غير مستقيم كاسته شود .
چون در اين حالت پيستون بايد انرژي بيشتري را براي بيرون راندندود هاي خروجي از سيلندر صرف كند.
ولي از طرف ديگر استفاده از توربو شارژر ها باعث مي شود كه هواي فشرده با فشار وارد سيلندر شود و همين موضوع باعث محكم به پايين رفتن پيستون و دادن انرژي به ان مي شود كه با انرژي كه قبلا گفته شد خنثي مي شود
و اين بحث دنباله داري است بهر حال استفاده از توربو شارژر بعلت اينكه تواني بريا كار كردن از موتور نمي گيرد و باعث بالا رفتن توان موتور
مي شود معمول تر از سوپر شارژر است .
Heat production : توليد حرارت
هواي ورودي هنگاميكه خنك تر باشد متراك تر و چگال تر است كه بدين مفهوم است كه اكسيژن بيشتري در واحد حجم به موتور مي رسد .
اكسيژن بيشتر به مفهوم توان بيشتر است سوپر شارژر هاي دمنده اي از اين جهت كه توليد گرما مي كنند مطلوب نيستند .
اين گرماي توليد شده حاصل ناكافي بودن تراكم هواي ورودي است و از اين توربو شارژرها كارآيي بيشتري نسبت به سوپر شارژر ها دارند.
اما سوپر شارژر هاي گريز از مركز مي توانند ازاين اين جهت بهتر از توربو شارژر ها باشند
و قابليت انعطاف ببشتري را از خود بروز دهند با قرار دادن لوله هواي وردوي به موتور در نزديكي دود هاي خروجي مي توان هواي ورودي به موتور را گرمتر كرد .
سوپر شارژر هاي گريز از مركزي كه خوب طراحي شده باشند مي توانند اين گرماي را از طريق نصب خنك كننده كاهش دهند .
Reliability : قابليت اطمينان
مردم اغلب مي گويند كه سوپر شارژر ها نسبت به توربو شارژر ها قابليت اطمينان بيشتري دارند .
و اين بدان علت است كه توربو شارژرها اب حرارت بالا كار مي كنند و توسط روغن روانكاري مي شوند و هر گاه قبل از خنك شدن آنها موتور خودرو را خاموش كنند اين روغن در معرض حرارت قرا ر مي گيرد و باعث كوتاه شدن عمر كاري توربو شارژر مي شود .
اما با تعمير و نگهداري و مراقبت هاي لازم از توربو شارژر مي توان برا اين مشكل هم فائق آمد و از نظر حداكثر توان مطلق توليدي علاوه استفاده از توربو شارژر امكان بالاتري براي تقويت قدرت موتورا رائه مي دهد تا استفاده از سوپر شارژر مثلا در تراكتور هايي كه جهت كشش مورد استفاده قرار مي گيرند
استفاده از سه توربو شارژر بصورت سري باعث مي شود كه سطح تقويت هواي ورودي فشاري معادل psi 200 توليد كند.
نتيجه گيري : توربو شارژر يا سوپر شارژر ؟
با توجه به مطالب گفته شده خودتان مي توانيد قضات كنيد كه اظهار نظر در مورد اينكه استفاده از كداميك توربو شارژر يا سوپر شارژر بهتر است كاري مشكل است . مهم ترين مزيت سوپر شارژر اين است كه زمان واكنش نشان دادن آن كم است و به سرعت در سرويس قرار مي گيرد (البته غير از نوع گريز از مركز آن ) و استفاده از آن هم ساده است.
از ان طرف عمده ترين مزيت توربو شارژر ، كارايي بالاي آن و توليد حداكثر توان است . اين د یگر بستگي به نظر خريداران خودرو دارد كه تصميم بگيرند كدام نوع را براي وسيله خود انتخاب كنند .
بازار رو به رونق خودروهاي سبك ديزلي :
اين بازار روز به روز در حال گسترش است و بستر مناسبي را براي بسياري از شركتها فراهم مي كند تا در اين زمينه سرمايه گذاري كنند
در ژوئيه سال 2003 بيش از 1/3 ميليون وانت در جاده ها وجود داشته اند كه ازاين ميان 7/1 ميليون آن متعلق به شركت فورد بوده است. د.ج و شورولت هم به ترتيب با 700 هزار و 500 هزار وانت ديلزي رد رده در بين تمامي شركت هاي سازنده وانت هاي ديزلي ، شركت فورد بتدريج تسلط خود را از دست داده است و اين سهم نصيب ساير شركتهاي شده است هاي بعدي قرار داشته اند .
بازار رو به رونق خودروهاي سبك ديزلي اين بازار روز به روز در حال گسترش است و بستر مناسبي را براي بسياري از شركتها فراهم مي كند تا در اين زمينه سرمايه گذاري كنند .
در ژوئيه سال 2003 بيش از 1/3 ميليون وانت در جاده ها وجود داشته اند كه از اين ميان 7/1 ميليون آن متعلق به شركت فورد بوده است . د.ج و شورولت هم به ترتيب با 700 هزار و 500 هزار وانت ديلزي رد رده هاي بعدي قرار داشته اند .
در بين تمامي شركت هاي سازنده وانت هاي ديزلي ، شركت فورد بتدريج تسلط خود را از دست داده است و اين سهم نصيب ساير شركتهاي شده است
نسل جديد موتورهاي ديزل براي خودروهاي سواري و سبك :
اگر چه در كشور ما فنآوري ساخت موتورهاي ديزل حدود 30 تا 40 سال از تكنولوژي روز دنيا عقب است ولي در كشورهاي اروپايي و آمريكايي و خصوصا دراروپا با پيشرفت هاي شگرفي كه درزمينه ساخت و طراحي نسل جديد موتورهاي ديزل صورت گرفته است
هم انكون تعداد زايادي از خودروهاي سواري سبك با استفاده از موتور ديزل ساخته و مورد استفاده قرار مي گيرد.
چون اين نوع خودورها مزايا ي زيادي در مقايسه با موتورهاي بنزيني دارند از جمله اينكه بين 20 تا 65 % سوخت كمتري مصرف مي كنند بطوريكه در هر 100 كيلومتر 4 ليتر گازوئيل مصرف مي كنند و اين در
حالي است كه بهترين خودورهاي بنزيني بيش از 6 ليتر بهه ازاي هر 100 كيلومتر مصرف مي كنند در ايران كه كه اين ميزان حتي به 15 ليتر و بيشتر هم برا بسياري از خودروها مي رسد.
موتورهاي ديزلي 24% CO2 كمتري توليد مي كنند و 30% نيز گاز مونواكسيد كربن CO كمتري را وارد جو مي كنند بنابراين از نظر آلايندگي محيط زيست هم باعث مي شوند كه كمتر محيط زيست آلوده شود .
همه اينها در كنار يك سري مزيت هاي فني مثل توليد گشتاور بالاتر و راندمان كاري بيشتر باعث شده است.
كه هم اكنون در فرانسه 60% خودروهاي سواري از نوع ديزلي باشند اين رقم در آلمان حدود 50% است
و در آمريكاا بهد علت عدم آشنايي كه با اين فن آوري وجود دارد و هنوز عموميت پيدا نكرده است اين رقم حدود 205 است كه در تمام اين كشورها رو به افزايش است .
جا ما هم اينجا در ايران از اين فن آوري جديد به بهترين وجه ممكن استفاده كنيم به چند دليل :
اولا ما هم از نظر بنزين هم اكنون درمضيقه هستيم و مجبور به صرف مقادير هنگفت براي واردات بنزين مي باشيم كه باتغيير سوخت خودورها به گازوئيلي بخش زيادي از اين مشكل حل مي شود.
توليد گازوئيل در كشور ما بيش از بنزين است .
آلايندگي محيط زست مشكلي است كه اگر چه د رايران چندان جدي گرفته نمي شود ولي ما براي راه پيدا كردن به جامعه جهاني و حفظ سلامت محيط خودمان ناچاريم قوانين زيست محيطي را رعايت كنيم
آنهايي هم كه مثل يوسف حجت معاون سازمان حفاظت از محيط زيست بهانه مي آورند كه در اروپا گاز وجود ندارد و ما با داشتن منابع گاز نيازي به خودروهاي ديزلي نداريم اساسا تخصصي در زمينه مكانيك و ساختار موتورهاي ديزلي ندارند و اظهارات آنها بيشتر سياسي كاري استتا اينكه بخواهد مطلبي علمي و كارشناسي باشد و نبايد اين حرفها را جدي گرفت !استفاده از موتورهاي ديزلي مدرن بايد در كنار خودورهاي گاز سوز توسعه پيدا كند چون ماهيت موتورهاي ديزل به گونه اي است كه اولا هيچ بديلي در حال حاضر ندارند ثانيا در آينده كه بهر حال سوخت هاي فسيلي رو به پايان خواهند گذاشت مي توانند با استفاده از سوخت هاي گياهي و بيو فيول هم كار كنند .
و با تشكيل اسيد سولفوريك باعث خودگي قطعات داخلي موتور مي شود اساسا در موتو رهاي ديزلي جديد غير قابل استفاده است. اين موتورها به گازوئيلي نياز دارند كه ميزان گوگرد آن طبق استاندارد يور- 4 فقط PPM 50 باشد در صورتيكه چنين گازوئيلي در هيچيك از پالايشگاههاي ايران توليد نمي شود. تنها پالايشگاه تهران و بندر عباس مقداري محدودي گازوئيل با ميزان گوگرد PPM 500 توليد مي كنند كه اين فقط مي توان استاندارد يورو -2 را پاس كند
بنابراين براي توسعه و گسترش استفاده از موتورهاي ديزلي لازم است پالايشگاههاي ايران نوسازي شوند و فرآيند پالايش در انها مدرن گردد . و اين رشته سر دراز دارد !...
2- تحقيقات بعمل آمده در مورد ديزل
2-1- درك بهتر فرآيند احتراق به كمك تجهيزات ليزري پيشرفته
امروزه شناخت بهتر از عوامل ايجاد آلايندگي و احتراق موتورهاي ديزلي با استفاده از ابزارهاي تشخيصي پيشرفته ليزري انجام ميشود.
اين ابزار اطلاعاتي ارايه ميدهد كه در گذشته در دسترس نبود؛ اطلاعاتي كه ممكن است در آينده، تغييرات بنيادي در موتورهاي ديزلي به وجود آورند. در اين بين، موتورهايي با امكاناتي براي مشاهده محفظه احتراق به همراه شيوههاي تصوير سازي ليزري، به دانشمندان امكان ميدهد آنچه را كه درون يك موتور ديزلي اتفاق ميافتد، مشاهده كنند.
سه توليد كنندة اصلي موتور ديزلي دنيا، شركتهاي كامينز (Cummins)، كاترپيلار (Caterpillar) و ديترويت ديزل (Detroit Diesel) قصد دارند با همكاري آزمايشگاههاي
ملي سنديا (Sandia National Labs) ، فرايندهاي كليدي احتراق درون سيلندر را بررسي كنند و با نحوة توليد آلايندهها توسط اين فرايندها بيشتر آشنا بشوند. اين اطلاعات و آگاهيها به بهبود و افزايش بازدهي موتورهاي ديزل و همچنين به كاهش آلايندهها به عنوان چالشي دشوار كمك ميكند.
آزمايشگاه ملي سنديا داراي موتور ديزلي مخصوصي است كه در قسمتهاي مهم آن پنجرههايي نصب شده است و پژوهشگران ميتوانند با اشعة ليزر از عملكرد اين موتور عكسبرداري كنند. اين امر به آنها امكان ميدهد تا اندازهگيري فرايندهاي احتراق و مستند كردن آن را با جزئيات دقيق انجام دهند.
محققان با بهرهگيري از ابزارهاي تشخيصي ليزري پيشرفته (Advanced Laser-Based Diagnostic Tools)، همچون سنجش پخش نور ارتجاعي (Elastic Light Scattering Measurments) و تصويرسازي سطحي فلوئورسانس القاء شده ليزري (Planar Laser- Induceel Fluorescence Imaging)، قادرند:
تعيين كنند كه آيا شعلة پيشرونده داخل سيلندر در برخورد با جدارة كاسهاي محفظه احتراق خاموش ميشود كه اين امر موجب تشكيل كربن نسوخته(دوده) ميگردد.
ميزان تشكيل دوده نسبت به زمان را اندازه بگيرند تا بهتر بتوانند دليل افزايش دودة ايجاد شده، هنگام استفاده از تكنيكهايي چون بازگرداندن مجدد گاز اگزور (EGR) و زمانبندي ريتارد به منظور كاهش اكسيدهاي نيتروژن را درك كنند.
اثرات انژكتور سوخت و ويژگيهاي نقطه مرگ بالا را بر روي توزيع دوده بررسي كنند.
اثرات تركيبات مختلف و اثرات ميزان غلظت آنها بر ميزان دوده و فرايند تشكيل را بررسي كنند.
2-2- توليد دوده در موتورهاي ديزلي و ارتباط آن با ديگر عوامل احتراق
توليد دوده يك خاصيت ذاتي موتورهاي ديزلي است كه از فرايند احتراق ناشي ميشود و بايد تا حد ممكن از مقدار آن كاسته شود. در سالهاي اخير دانشمندان دريافتند كه دوده در مكان مناسب و با مقدار مناسب ممكن است در كاهش انتشار اكسيد نيتروژن ( NOx ) مفيد باشد.
هدف از اين مرحلة پژوهش آن است كه ميزان دودهاي را كه در ديوارة پيستون موتورتحقيقاتي موجود در آزمايشگاه ملي سنديا رسوب ميكند، اندازهگيري كنند؛ سپس با ميزان آلايندگي موتورهاي خارج از آزمايشگاه مقايسه نمايند. پژوهشگران اين آزمايشگاه همچنين تلاش ميكنند تا ارتباط بين طول جهش شعلة احتراق(Combustion flame lift-off length) و فرايند احتراق را دريابند. از طريق مقايسة ارتباط بين تشكيل دوده، آلايندگي و طول جهش شعلة احتراق، ممكن است بهينهسازي احتراق موتورهاي ديزلي فراهم شود.
نتايج و طرحهاي آينده
پژوهشگران در آزمايش موتور با يك نوع سوخت ديزلي با درجه كيفيت 2، رسوبات دوده در ديوارة كاسة پيستون و دوده خروجي از موتور را اندازهگيري كردند. نتايج نشان داد كه تغييرات در ميزان رسوب دوده بر ديواره، با تغييرات مقدار دودة خارجشده از اگزوز ارتباطي ندارد؛ بهخصوص زماني كه تنظيمات احتراق بر اساس كاهش انتشار Nox صورت ميگرفت ( اين امر سطح رسوب دوده بر ديوارههاي پيستون را افزايش ميداد)، در اين وضعيت لزوماً آلايندگي دودة اگزوز افزايش نمييافت.
اندازة رسوب دوده در ديوارههاي پيستون، با سطح دودة اندازهگيري شده در دود اگزوز ارتباط منسجمي ندارد.
زماني كه طول جهش شعلة احتراق با ابزارهاي مختلفي اندازهگيري شد، دادهها مشخص كردند كه بين طول جهش شعله و نسبت رسوب دوده بر ديوارههاي پيستون، ارتباط معناداري وجود دارد. البته با استفاده از سوختهاي متفاوت ( محتوي اكسيژن )، اين تناسب نيز تغيير كرد.
از اقدامات آيندة گروه پروژه در اين پژوهش ميتوان به موارد زير اشاره كرد:
بررسي ساختار شعلة احتراق در مكانهاي مختلف محفظه احتراق.
تجزيه و تحليل تأثيرات متقابل مخلوط هوا و سوخت حاوي اكسيژن با تشكيل دوده.
يكپارچه نمودن(هماهنگ كردن) دادهها از مدل و آزمايشگاههاي تجربي، براي شناخت بهتر ارتباط بين احتراق موتورهاي ديزلي و تشكيل آلايندهها براي انواع سوختآزمايشهاي رايج ديزل.
همچنين بررسيهاي انجام شده بر روي تأثيرات متقابل جدارة سيلندر و جت سوخت ديزل بر يكديگر نشان مي دهد كه:
قبل از برخورد سوخت با جدارة سيلندر،يك شعله كامل پيشرونده، ناحيه توليد دوده در جت را احاطه ميكند.
با برخورد جت با جدارة سيلندر، لبة جت در جهت انحناي سطح منحرف ميشود، و شعله پيشرونده عليرغم نزديكي به جداره سيلندر، سالم ميماند(خاموش نميشود).
ظرف 70 ميكرو ثانيه تماس با جداره، شعله در سراسر پيشاني جت (جريان قدرتمند سوخت) خاموش شده و تنها در امتداد كنارههاي جت فعال باقي ميماند (اطلاعات موجود بيانگر اين نكته هستند كه كمبود اكسيژن موجب خاموش شدن شعله ميشود، نه كاهش حرارت).
پس از اينكه شعله خاموش شد، هسته انباشته دوده در جت، روي جدار محفظه احتراق پخش ميشود.
محققان با انجام آزمايشهاي بيشتري بر روي موتورهاي ديزلي قصد دارند:
به منظور اندازهگيري نرخ توليد دوده روي جدارههاي سيلندر، مطالعات خود را ادامه بدهند.
به منظور بررسي نحوه تغييرات خروج دوده نسبت به زمان، از موتور طي مراحل Blow Down و تخليه، از تصويربرداري ليزري سطحي، مستقيماً در زير سوپاپ خروجي استفاده كنند.
2-3- استفاده از موتورهاي ديزلي براي كاميونهاي سبك و وانتها
كاميونهاي سبك، از جمله خودروهاي پيكاپ، خودروهاي ورزشي (SUVS) و وانتها، 50 درصد خانواده خودروهاي آمريكا را تشكيل ميدهند. توليدكنندگان خودرو در پاسخ به تقاضاي مصرف كنندگان، ابعاد اين نوع خودروها را افزايش دادهاند. اما، بزرگتر شدن خودرو، موجب افزايش مصرف سوخت آن ميشود؛ لذا خودروسازان به سختي ميتوانند به اهداف خود در كاهش اجباري مصرف سوخت دست يابند. ضمن اينكه، خودروهاي موجود در آمريكا در آيندهاي نزديك ملزم به پيروي از دومين سري استانداردهاي خودروي كم آلايندة سازمان منابع هواي كاليفرنيا، معروف به استانداردهاي LEVII و همچنين دومين سري استانداردهاي آلايندة آژانس حفاظت از محيط زيست آمريكا، معروف به استانداردهاي EPA Tier II خواهند شد. موتورهاي ديزلي بهترين پاسخ كوتاه مدت براي اين مشكل هستند.
شركت ديترويت ديزل (DDC)، با دريافت وام از وزارت انرژي آمريكا، يك موتور 4 ليتري V-6 براي بازار كاميونهاي سبك آمريكاي شمالي طراحي كرده است. اولين نمايش اين خودرو- با نام دلتا (كاميون سبك با موتور ديزلي)، نشان ميدهد كه نسل جديد موتورهاي ديزلي ميتوانند بر بسياري از مشكلاتي كه قبلاً در ديزلها ديده ميشد، غلبه كنند و با موتورهاي بنزيني بازار كاميونهاي سبك آمريكاي شمالي، به رقابت بپردازند.
اين برنامه با اهداف متعالي و بلند پروازانهاي آغاز شد؛ طراحي تقريباً دوباره از صفر يك موتور ديزلي كه:
براي كاميونهاي سبك و SUVها (با وزن ناخالص 5751 تا 8500) مناسب باشد.
آلايندههاي از نوع ذرات معلق و NOX را، به منظور تأمين استانداردهاي EPA LEV II، كاهش بدهد.
دستيابي به 50% مصرف سوخت بهتر از موتورهاي بنزيني سنگين فراهم شود.
شركت ديترويت ديزل براي شناسايي تقاضاي موتور ديزلي مصرف كنندگان، كار را با انجام يك تجزيه و تحليل (QFD) آغاز كرد. نتايج اين تجزيه و تحليل نشان داد كه مشتريان به دنبال موتورهايي با دوام، قوي و كم هزينهاند. عملكرد، ميزان مصرف سوخت، سرو صداي موتور و ارتعاشات آن نيز از جمله معيارهاي بسيار مورد توجه مصرفكنندگان بود.
به دنبال اين تجزيه و تحليل موتوري خلق شد كه و تلفيقي از طرحهاي ديزل سنگين آمريكاي
شمالي و تزريق مستقيم پرسرعت (HSDI) اروپا بود. مهندسان شركت نيز به منظور پاسخگويي به انتظارات و خواستههاي مشتري، يعني سرو صدا و تكان كمتر و در مقابل، قدرت بيشتر، از تكنولوژيهاي جديدتري استفاده كردند. اين
موتور از اجزاي زير تشكيل شده است: يك محفظه كناري (Bank Angle) كه ميتوان لوازم جانبي سيستم سوخترساني را از طريق آن در كنارههاي موتور جاي داد و طول مسير حركت سوخت به موتور را به حداقل رساند.
طراحي OHV (Over Head Valve) سوپاپها كه در سر سيلندر قرار گرفته، تعداد قطعات را كاهش ميدهد، اندازه و وزن موتور را به حداقل ميرساند و هزينههاي مجموعه سوپاپ را تا 82% كاهش ميدهد.
يك جعبه دنده جمع و جور كه صداي موتور را كاهش ميدهد.
يك سيستم گردش مجدد گاز اگزوز جمع و جور (EGR) به منظور كنترل آلايندهها .
يك توربوشارژ الكترونيكي.
يك ميل لنگ جديد براي يكنواختي عملكرد موتور.
بكارگيري تكنولوژيهاي جديد سيستم سوخترساني.
نتايج و طرحهاي آتي
- موتور ديزلي شركت ديترويت ديزل
از حيث شتاب موتور، سر و صدا و عملكرد، شبيه موتور بنزيني است.
مشخصههاي رانندگي بهتري دارد.
صرفهجويي سوختش دو برابر صرفهجويي سوخت موتور بنزيني است.
شركت ديترويت ديزل پس از چند بار آزمايش روي خودروي نسل 0.0، اصلاحاتي در موتور ديزلي ساخت خود به عمل آورد؛ همچنين يك سري از موتورهاي نسل 0.5 آزمايش شدند. اين موتورها شتاب بيشتري داشتند. مدتي بعد شركت DDC ، روي نسخه نسل 105 كار كرد كه در اوايل سال 2001 آزمايش شد. موتور 105 يك سيستم جديد هوا زماني داشت كه به ميزان قابل توجهي شتاب موتور را افزايش و آلايندگي آن را كاهش ميداد.
شركت كامينز نيز با سرماية وزارت نيرو، در يك پروژه، امكان استفاده از يك موتور ديزلي پر قدرت 2/4 ليتري براي كاميونهاي ويژة كارهاي سبك را بررسي كرد.
كامينز كار خود را با بررسي پيشنيازهاي بازار كاميونهاي ويژة كارهاي سبك آغاز نمود. اهداف اين شركت براي كاميونهاي مذكور، از لحاظ نظري كاملاً صريح بود؛ اين اهداف عبارت بودند از:
پيروي از استانداردهاي دولتي آلايندگي Tier II.
بهبود مصرف سوخت حداقل 50% كمتر از موتورهاي بنزيني مشابه.
اطمينان از توسعة موتورها به گونهاي كه براي توليدكنندگان و مشتريان قابل قبول باشد.
شركت كامينز بر روي يك موتور ديزلي پر قدرت 2/4 ليتري ( موتور V-6 فعلي ) كه در اروپا فروخته ميشد، آزمايشهايي انجام داد. نتايج نشان داد كه موتور مذكور استانداردهاي آلايندگي EPA را برآورده نميكند. كامينز سيستم گردش مجدد دود گاز ( EGR ) را از موتور حذف كرد و سيستمهاي كنترل سوخت و هوا و EGR جديد خود را بر روي آن نصب نمود. پس از آن آزمونهاي آلايندگي، مصرف سوخت، آلودگي صوتي و عملكرد، برروي موتور ديزلي اصلاح شده كه بر روي انواع مختلف وسايل نقليه(وانتهاي كوچك،SUVهاي نيمه سنگين و وانتهاي بزرگ) نصب شده بود، انجام گرفت.
نتايج و طرحهاي آينده
نتايج آزمون نشان داد كه انتشار NOx در موتور ديزلي نصب شده بر روي SUV هاي نيمه سنگين، g/hp.hr 4/0 و انتشار ذرات معلق، g/hp.hr 06/0 ميباشد ( اين ارقام نزديك به حدود تعيين شده در استانداردهاي 2008 است). ميانگين مصرف سوخت اين موتور در جادهها، براي كاميونهاي كوچك mpg34 و براي وانتهاي بزرگ mpg 32 (mpg يعني مسافت طيشده با يك گالن سوخت) ميباشد. ميانگين مصرف سوخت در شهر، به ترتيب 25 و mpg22 است. اين نتايج نشان ميدهد كه مصرف سوخت موتورهاي نصب شده بر روي SUV هاي متوسط، نسبت به موتورهاي بنزيني معمولي، 59% بهينهتر ميباشد.
اين موتور در آزمونهاي عملكرد موتور نشان داد كه ميتواند همان قدرت موتورهاي بنزيني V8 را در دور rpm 3500 ايجاد نمايد. شركت كامينز به منظور افزايش دور به rpm 4500 ، تغييراتي در اين موتور ايجاد كرد. از نقاط ضعف اين موتور ميتوان به دو مورد اشاره كرد، نخست آنكه از همتايان ديگر خود فقط اندكي پر سر و صداتر ( در حدود چند دسيبل ) و نسبت به آنها، زمان شتابگيري آن در تمام تستهاي انجام شده(سه تست مسافتي)، 2ثانيه بيشتر ميباشد. از برنامههاي آتي كامينز اين است كه اين معايب را بر طرف نمايد.
2-4- كاهش آلايندگي موتورهاي ديزلي
-4-1- كاهش آلايندگي موتورهاي ديزلي با استفاده از كاتاليزورها
كاهش آلايندگي موتورهاي ديزلي به عوامل متعددي بستگي دارد كه از آن جمله ميتوان به تكنولوژي سيستمهاي كنترل موتور، سيستمهاي تصفية دود اگزوز و ميزان سولفور موجود در سوخت اشاره كرد. تأثير متقابل اين سيستمها بر يكديگر نيز عامل بسيار مهمي به شمار ميآيد.
در طول ساليان گذشته، پژوهشگران تلاش كردهاند تا با استفاده از رويكردهاي مختلف ( از قبيل استفاده از سيستم كنترل سوخت، فيلترهاي جذب ذرات و فعل و انفعالات شيميايي)، انتشار ذرات ريز ( PM ) و اكسيد نيتروژن(NOx)، را از موتورهاي ديزلي كاهش دهند. فناوريهاي مختلفي به كار گرفته شد كه از نظر اقتصادي مقرون به صرفه بود. دانشمندان در كنترل PM نسبت به NOx موفقتر بودند؛ اما فشار قوانين جديد و سختگيرانة دولتي، ايجاب ميكرد كه ظرف 5 سال آينده، از انتشار NOx به ميزان قابل توجهي كاسته شود.
پژوهشگران آزمايشگاه ملي ريج اوك تحقيق كردهاند كه آيا فناوري پيشرفتة كنترل دود اگزوز ( معروف به فناوري Stretch emissions cintrol) ، ميتواند آلايندگي موتورها را به صفر نزديكتر كند؛ يا خير. گروه پژوهشي اين آزمايشگاه با استفاده از يك موتور ISB، 9/5 ليتري 6 سيلندر ( توليد شركت كامينز ) كه از طريق بازگشت مجدد دود اگزوز ( EGR ) خنككاري داخلي ميشود، به همراه سيستم سوخترساني، تأثير فناوريهاي جديد را همراه
سوختي با سولفور اندك، را بررسي كردند. ذرات جامد كربن، مهمترين جزء PM را تشكيل ميدهند كه به علت احتراق افشانهاي سوخت ديزل، در سيلندرها به وجود ميآيند. NOx نيز، به علت دماي بالاي احتراق در موتورهاي ديزلي ايجاد ميشود. بزرگترين تفاوت بين PM و NOx آن است كه PM از ذرات جامد يا مايع تشكيل شده كه ميتوان آنها را به طور مكانيكي، يعني با كمك صافي و فيلتر از دود اگزوز جدا نمود؛ در حالي كه Nox نوعي گاز است و فقط از طريق تجزيه شيميايي ميتوان آن را حذف كرد. فناوريهايي از قبيل EGR ، به كاهش دماي احتراق كمك ميكنند؛ اين كار از طريق بازگشت مجدد مقداري از دود اگزوز به منيفولد ورودي انجام ميشود كه در نتيجة آن تركيب هوا و سوخت، رقيق ميشود؛ اين امر به نوبة خود، توليد Nox را كاهش ميدهد.
پژوهشگران اميدوارند با شناخت بهتر تأثير متقابل ميان، موتور و فناوريهاي پيشرفتة كنترل آلايندگي دود اگزوز، به توليدكنندگان موتور كمك كنند تا سطوح آلايندگي PM و Nox تعيين شده توسط دولت را برآورده سازند.
نتايج و طرحهاي آينده
پژوهشگران با استفاده از استاندارد صنعتي ، يعني آزمون در 8 حالت مختلف در وضعيتش پايدار (Steady State)، از آلايندگي موتور در هر يك از اين حالات نمونهگيري كردند . نتايج نشان داد كه ميزان انتشار PM تاحدودي به استانداردهاي 2007 نزديك شده است ؛ اما در مورد Nox چنين نبود. علت اصلي امر احتمالاً آن بود كه كاتاليزوري كه مورد استفاده قرارگرفته بود در دماهاي پائين كه توسط سيستم EGR پيشرفته ايجاد ميگرديد نميتوانست NOX را به N2 تبديل نمايد اين حالت در وضعيتي كه موتور قدرت كمي توليد ميكند رخ ميداد. كاتاليزورهايي كه براي استفاده در دماي زير 280 درجة فارنهايت طراحي شده بودند به راحتي ميتوانستند در چنين شرايطي Nox را حذف كنند. يافتن شيوههايي براي افزايش دماي اگزوز، در شرايط عملكرد قدرت پايين موتور، ميتواند تاحدودي اين مشكل را بر طرف كند. به همين دليل، پژوهشگران در مرحلة دوم اقدامات خود ، تلاش كردند
شيوههاي احتراق و روشهاي كنترل جديدي ابداع كنند كه با كمك آنها بتوانند انتشار Nox در دماهاي پايينتر را نيز را كاهش دهند و يا اينكه دماي موتور را در حالت عملكرد در قدرتهاي پايين افزايش دهند.
2-4-2- كاهش آلايندگي موتورهاي ديزلي با استفاده از تزريق مستيم هوا به مخزن احتراق
كاهش ذرات آلاينده در دود اگزوز وسايل نقلية ديزلي با استفاده از هواي تزريق شده در مراحل بعدي احتراق (Late- Cycle Air)يا استفاده از هواي غني شده با اكسيژن از اهداف اين طرح ميباشد.
اتاقك جديد آزمون موتور كاميونهاي ويژة كارهاي سنگين، متعلق به آزمايشگاه ملي آرگون، به پژوهشگران امكان ميدهد تا شيوههاي كاهش ذرات آلاينده در موتورهاي ديزلي را از طريق تكنيك تزريق هوا در مراحل بعدي احتراق يا هواي غني شده با اكسيژن، بررسي اتاقك جديد، به پيشرفتهترين ابزارهاي اندازهگيري آلايندههاي گازي و جامد مجهز ميباشد.
اين اتاقك، بخشي از يك برنامة سه ساله است كه هزينة 2/1 ميليون دلاري آن را شركتهاي آرگون، كاترپيلار و DOE-OHVT تأمين ميكنند.
پژوهشگران نظام كنترل را توسعه دادند تا آلايندههاي جامد ( دوده ) را بدون افزايش NOx، كاهش دهند. NOx باعث از بين رفتن ازن ميشود و در ايجاد مهدود ( Smog )، نقش مهمي دارد.
تزريق هوا يا هواي غني شده با اكسيژن، در آخرين مراحل احتراق، اكسيداسيون ذرات جامد را در همان زمان شكلگيري افزايش ميدهد. NOx نيز در ابتداي فرايند احتراق ايجاد ميشود، به طوري كه افزودن هوا يا هواي غني شده با اكسيژن در آخرين مرحله احتراق ( پس از تشكيل NOx )، مقدار آن را افزايش نميدهد.
پژوهشگران در نخستين بخش پروژه، از مدلهاي شبيهسازي كامپيوتري استفاده ميكنند. رامش پولا، مهندس مكانيكي كه نظام كنترل موتور را توسعه داده است، ميگويد:«مدلهاي ديناميك سيالات محاسباتي نشان ميدهند كه از زمانبندي، جهت پاشش هوا و فشار هوا يا هواي غني شده با اكسيژن، برنحوه عملكرد مهم هستند». داگ لانگمن، دستيار پژوهشي پولا معتقد است:«اين روشها نشان ميدهند كه تركيب اكسيژن در هوا، كمتر از آنچه فكر ميكرديم، مهم است».
مهندسان آرگون به منظور شناخت تأثيرات مختلف زمانبندي، جهت پاششهوا، فشار، مقدار و تركيب هوا در ايجاد ذرات آلاينده، شاخصهاي مدل كامپيوتري را اصلاح ميكنند. در ارزيابي و شبيهسازيهاي آينده، تغيير زاويه انژكتور (زاويه پاشش) بررسي ميشود؛ مدلهاي كامپيوتري آينده، براي موتورهايي با قطر كوچك سرعت بالا، احتراق تراكمي و موتوري با سيستم مستقيم تزريق سوخت، توسعه خواهند يافت.
2-4-3- بررسي اثرات سولفور در عملكرد فناوريهاي كنترل آلايندگي
هدف از اجراي اين برنامه،تعيين ميزان تأثير سولفور عملكرد فناوريهاي كنترل آلايندگي موتورهاي ديزلي ميباشد.امروزه نسبت به گذشته، كاميونهاي بيشتري بر سطح جادهها حركت ميكنند؛ با اينكه آلايندگي موتورهاي ديزلي كمتر از آنچه است كه تصور ميشود، كاهش بيشتر آلايندگيهاي اين وسايل ضروري ميباشد. به همين دليل، سازمان حفاظت از محيط زيست امريكا ( EPA )، براي سال 2004 محدوديتهاي سختگيرانهاي وضع كرده است؛ حتي استانداردهاي قويتري براي سال 2007 تصويب كرده است. استانداردهاي 2007، حد مجاز انتشار ذرات ريز ( PM ) را تا 10% و( NOx ) را تا 5% پايينتر از سطوح مجاز فعلي تعيين كرده است.
رعايت اين استانداردها مستلزم كاهش سولفور موجود در سوخت و توسعة فناوريهاي پيشرفته موتور و كنترل آلايندگي است. سولفور موجود در سوخت ديزل، به سيستم كنترل آلودگي صدمه وارد ميكند و موجب توليد دياكسيد سولفور نيز ميشود. وزارت نيروي آمريكا در سپتامبر 1998، برنامة «تأثيرات سولفور موجود در سوخت ديزل بر روي كنترل آلايندگي ديزل» ( DECSE ) را تصويب نمود؛ اين برنامه به عنوان رابط بين دولت و صنعت، تأثيرات سطوح سولفور موجود در سوخت بر عملكرد فناوريهاي مربوط به كاهش انتشار PM و Nox ( در وسايل نقلية ديزلي ويژة كارهاي سبك و سنگين ) را بررسي ميكرد.
برنامة DECSE به منظور رفع كمبود اطلاعات فني مهم در اين زمينه ( براي كمك به توليدكنندگان در توسعة محصولاتي با آلايندگي كمتر و ارائه بخشي از اصول فني براي استانداردهاي دولتي در ارتباط با سولفور موجود در سوخت ديزل )، طراحي شده است.
مرحلة اول برنامة DECSE، بررسي تأثير مقادير مختلف سولفور موجود در سوخت ديزل بر عملكرد سيستمهاي كاهش آلايندگي از قبيل كاتاليزورهاي جذب كنندة NOx، فيلترهاي ذرات و كاتاليزورهاي اكسيداسيون ديزل توجهداشت همچنين پژوهشگران (مستعمل شده) اين سيستمها تا مدت 250 ساعت را در دود حاوي سولفور ارزيابي كردند.
مرحلة دوم، توسعة كاتاليزورهاي جذب كنندة NOx را ادامه ميداد. كارايي چنين تجهيزاتي به هنگام اشباع شدن جذب كننده از NOx، بستگي به ايجاد گاز خروجي غني از سوخت بوسيله كنترل موتوردارد بنابراين كاليبراسيون سيستم مديريت موتور بسيار مهم است. در مرحله اول، كاليبراسيون سيستم مديريت موتور، وضعيت مطلوب براي تجهيزات جاذب آلايندهها را ايجاد نكرد. در مرحله دوم، كاليبراسيون به منظور كاهش NOX تا حدود 80% موفق بود.
دستاوردهاي برنامة DECSE، با ارائه مجموعهاي از گزارشها ( منتشره بين اگوست 1999 و اكتبر 2000 ) بيان شده است. يكي از برنامههاي آتي DECSE، پژوهش بيشتر دربارة سوختهاي جديد، موتورهاي وسايل نقليه و سيستمهاي كنترل آلايندگي است كه با استفاده از راهنماييهاي برنامة ( Advanced Petroleum – Based Fuels) انجام خواهد شد. هدف از اجراي اين برنامة، معرفي انواع سوخت ديزل، موتورهاي وسايل نقليه و سيستمهاي كنترل آلايندگي است كه با همكاري يكديگر ميتوانند وسايل نقليه را در تأمين استانداردهاي آلايندگي آينده ياري دهند.
2-5- توسعه تكنولوژي كاتاليزورهاي مرتبط با اكسيدهاي نيتروژن
هدف از اين تحقيق توسعه سيستمهاي كاتاليزوري به منظور حذف اكسيدهاي نيتروژن از اگزوز موتورهاي ديزلي ميباشد.
آلايندههاي NOX خارج شده از موتورهاي ديزلي سنگين و ديگر منابع آلاينده، به محيط زيست و سلامتي انسان آسيب ميرسانند؛ صدماتي چون و بارش بارانهاي اسيدي، ايجاد دود غليظ و بيماريهاي تنفسي. به همين دليل، آژانس حفاظت از محيطزيست آمريكا در حال وضع محدوديتهاي شديدتري براي آلايندههاي NOX ميباشد. تا سال 2002، ميزان آلايندههاي مجاز منتشره از خودروهاي سنگين به حدود 63% سطح مجاز فعلي كاهش خواهد يافت. محققان همچنين قصد دارند با توليد سوختهاي پاكيزهتر و تكنولوژيهاي مربوط به احتراق بهينه سوخت و رفتار خروجي موتور، كاهش آلايندههاي اگزوز را عملي نمايند.
محققان آزمايشگاه ملي اك ريج با همكاري شركاي تجاري خود براي توسعة روشهاي كاهش آلايندههاي اگزوز با استفاده از كاتاليزورها و ديگر تركيبات شيميايي، به شكلي قابل توجه آلايندههاي NOX منتشره از اگزوز موتورهاي ديزلي سنگين را كاهش دهند. به دنبال كشف شيوهاي بودهاند تا آنها قصد دارند يك سيستم كاتاليزوري درست كنند كه NOX را به گازهاي بي ضرر تبديل كند و در همان حال روي كاميونها، با بازدهي كاتاليزوري كامل براي صدها هزار مايل كار كنند.
طراحي كاتاليزور، به منظور كاهش NOX براي موتورهاي ديزلي دشوارتر از موتورهاي بنزيني است. نحوة احتراق سوخت ديزلي تفاوت بسياري با نحوة احتراق سوخت بنزيني دارد. به طور مثال، اگزوز ديزلي حاوي اكسيژن بيشتري است، زيرا ميزان هواي موجود در تركيب هوا- سوخت آن بيشتر است. اكسيژن مازاد، علاوه بر كاتاليزورها، استفاده از مواد شيميايي(كه اصطلاحاً كاهنده ناميده ميشوند) را ضروري ميسازد. چنين سيستمهايي از يك پلاسما و يك كاتاليزور استفاده ميكنند. مسأله ديگر درخصوص تكنولوژيهاي كاتاليزوري، عمر مفيد كاتاليزور است؛ خاطر دماي بالا يا فعل و انفعالات شيميايي تغيير نكند. اك ريج در تلاش است تا تغييراتي را كه در طول زمان در مواد كاتاليزوري رخ ميدهد شناسايي كند و ارتباط اين تغييرات را با كاهش بازدهي كاتاليزوري مشخص نمايد.
شركاي اك ريج، با بهرهگيري از روشهاي مختلفي چون ديدگاههاي نظري كارشناسان، مدلسازي كامپيوتري و آزمايشهاي تجربي، كاتاليزورهاي بالقوه مناسبي براي اگزوز ديزل شناسايي و كشف ميكنند. ابتدا نمونه كوچكي از كاتاليزورها به شكل پودر آزمايش ميشود. پس از آزمايشهاي موفقيت آميز پودر، كاتاليزورها روي مواد پايه قرار داده ميشوند و در مدلهاي نزديكتر به اندازه واقعي يك مبدل كاتاليزوري آزمايش ميشوند. از آنجا كه هر يك از ذرات معلق بينهايت كوچكاند، پژوهشگران از ميكروسكوپ الكتروني انتقالي (TEM) براي مشاهده آن ذرات، قبل و بعد از قرار گرفتن در معرض گازهاي اگزوز ديزلي (در فواصل زماني مختلف)، استفاده ميكنند. در ادامه آن ذرات در معرض گازهاي اگزوز ديزلي شبيهسازي شده در يك راكتور خاص قرار ميگيرند، كه براي انتقال نمونهها بين رآكتور و ميكروسكوپ TEM طراحي شدهاند؛ در اين حالت، احتمال آلودگي محيطي نمونهها به صفر ميرسد. تغييرات مشاهده شده در مواد كاتاليزوري، فرضيات جديدي درخصوص نحوه كاهش اثر كاتاليزورها مطرح ميكنند؛ فرضياتي كه منجربه آزمايش مواد مختلفي، كه ممكن است از دوام و كارآيي بيشتري برخوردار باشند، منجر ميشود.
از طريق اينترنت امكان استفاده از ميكروسكوپ TEM ميسر ميشود، به اين ترتيب محققان ميتوانند نمونهها را از راه دور آزمايش كنند. اين تكنيك «بررسي ميكروسكوپي از راه دور»، مناسب براي تحقيقات گروهي بر روي كاتاليزورهاي NOX در موتورهاي ديزلي است.
چند سيستم كاتاليزوري، با پخش ذرات فلزات گرانبهايي چون راديم و پلاتونيم بر روي مواد تقويتي چون اكسيد آلومينيوم، اكسيد تيتانيوم و تركيباتي از اين دو ماده، مورد بررسي قرار گرفتهاند. نتايج اين بررسيها، عملكرد كاتاليزوري را به شكلي چشمگير بهبود بخشيده است. پژوهشگران با انجام تحقيقي مشخص كردند كه تقويت عملكرد كاتاليزوري و پايداري طولاني مدت (كاتاليزورها) از طريق تغيير اندازه و شكل مواد تقويتي اكسيدي ميسر و ممكن است. اما قبل از كاتاليزورهاي NOX به بازار پيشرفتهاي بيشتري در اين زمينه بايد صورت بگيرد
بررسيهاي بعدي، روي سيستمهاي كاتاليزوري متمركز خواهند شد كه در آنها فلزات پايه ارزانتري روي مواد تقويتي اكسيد آلومينيوم قرار داده ميشود. سپس آثار روشهاي گرمايي بر روي ساختار و تركيب شيميايي كاتاليزورها، به ويژه باتوجه به توانايي آنها در حفظ رفتار كاتاليزوري پس از چند بار قرار گرفتن در معرض «سموم» موجود در جريان گاز اگزوز، بررسي خواهد شد. اين مطالعات و بررسيها با بهرهگيري از سلولهاي آزمايش كاتاليزوري انجام خواهند شد. اين سلولها، بهرهگيري از ابزارهاي بسيار پيچيده و پيشرفته را امكانپذير ميسازند. دادههاي سلول آزمايش با اطلاعات حاصل از بررسي كاتاليزور كه در معرض دود قراردارد و توسط ميكروسكوپ TEM جمعآوري شده، مقايسه ميشود.
2-6- نسل جديد نرمافزارهاي كامپيوتري براي نمايش جريان سيال در سيلندرها(معرفي نرمافزارKIVA)
هدف از اجراي اين تحقيق، توسعة بيشتر نسل جديدي از ابزارهاي كامپيوتري شبيهسازي، براي به تصوير كشاندن جريان سيال در سيلندر موتورهاي ديزلي ميباشد. در واقع هيچ راهي وجود ندارد كه از طريق آن عملكرد دروني موتورهاي ديزلي ايجاد شود.ضمن اينكه شرايط مفروض ارائه شده در آزمايشگاهها، پژوهشگران را به نتيجهاي مطلوب نميرساند.با اين وجود، ديدن عملكرد دروني موتور براي دانشمندان الزامي است و امروزه كامپيوترها اين امر را ميسر ساختهاند.در طول ساليان گذشته، برنامههاي شبيهسازي مختلفي توليد شده كه روشهاي جديدتري ارايه كرده و با استفاده از كامپيوترهاي سريع و قويتر، امكانات شبيهسازي را افزايش دادهاست.
حوزة كاري
پژوهشگران در آزمايشگاه لاسآلاموس بر روي نسل جديدي از نرمافزار شبيهسازي ديناميك جريان سيال به روش عددي براي مدلسازي عملكرد موتور ديزلي، موسوم به KIVA كار ميكنند. اين نرمافزار براي ايجاد مدلهاي شبيهسازي شدة واقعي از موتورهاي ديزلي احتراق تراكمي، با سيستم تزريق مستقيم سوخت ( CIDI )، طراحي ميشود.
پژوهشگران با استفاده از اين نرمافزار ميتوانند:
ـ چرخة كامل جريان را داخل سيلندر و مجراهاي متصل به هم ( Coupled Port )، بررسي جريان در سيلندر و پورتهاي ورودي و خروجي بطور يكپارچه شبيهسازي كنند.
ـ نتايج شبيهسازي را با مقادير حاصله از موتورهاي ديزلي واقعي، مقايسه نمايند.
تصوير فوق، شبيهسازي يك موتور ديزلي دوزمانه با دو پيستون مقابل است كه توسط نرمافزار KIVA انجام شده است. در اين شبيهسازي، جريان گازها، تزريق، نفوذ و تبخير سوخت، انتقال حرارت، احتراق و ايجاد آلايندهها به تصوير كشيده شده است. در اين تصوير، جريان گازها با ذراتي كه داراي سرعت مكاني گازها ميباشند، نشان داده ميشود. رنگ اين ذرات ريز بر اساس دماي محل تغيير ميكند؛ به اين ترتيب كه در K 400 به رنگ آبي و با افزايش دما به يشمي، سبز و زرد و بالاخره در K 1900 به رنگ قرمز تبديل ميشود. بنابراين رنگ آبي نشاندهندة محل ورود هواي سرد و رنگ قرمز بيانگر وجود گازهاي حاصل از احتراق است.
آزمايشگاه لاسآلاموس به منظور شبيهسازي جريان گازها در احتراق موتورها و ديگر موارد مربوطه، مجموعهاي از كدهاي KIVA را توسعه داده است. هرچند كه اين نرمافزار در صنايع، دانشگاهها و ديگر آزمايشگاههاي دولتي استفاده ميشود؛ ولي نياز به افزايش سرعت محاسبات و ارتقا قابليت كدهاي مدلسازي اين نرمافزار ميباشد.
در پاسخ به رفع اين معايب، لاسآلاموس يك شبكة بيسازمان ( Unstructured-Mesh ) و موازي براي KIVA توسعه داده است ( موسوم به KIVA-4 ، و براي استفادة شركتهاي توليدكنندة موتور ديزلي ). دانشمندان معتقدند كه صنعت خودروسازي، به ويژه توليدكنندگان ديزل ميتوانند از شبكة بيسازمان و موازي KIVA-4 فوايد بسياري به دست آورند. اكثر شركتها داراي پلاتفرمهاي ( Platform ) موازي از نوع ديگري هستند؛ اما نسخة جديد KIVA با كمك مترجم برنامههاي زبان C و FORTRAN، قابل حمل به هر پلاتفرمي است.شبكة بيسازمان، به ايجاد شبكه سرعت بخشيده و كيفيت آن را افزايش ميدهد. از آنجايي كه اين قبيل شبكهها داراي سلولهاي تغيير شكل يافته است به حالت مايعي هستند لذا دقت محاسبات عددي را افزايش ميدهد زيرا اين سلولها تطبيق بهتري با هندسه محفظه احتراق دارند. بايد به اين نكته اشاره كرد كه شبكههاي بيسازمان، تعمير يافته شبكههاي با سازمان ـ بلوكي نرمافزار فعلي KIVA ميباشند؛ از اين رو شبكة KIVA-3V در نسخة جديد KIVA قابل استفاده است.
برنامههاي آتي اين آزمايشگاه عبارتنداز:
ـ توليد نسخة آلفاي Kiva-4.
ـ توسعة يك راهبرد شبكهبندي ( آلمانبندي ) چرخة كامل براي نرمافزار KIVA-4.
ـ ايجاد مدل پاشش موازي ( Parallel Spray Model ) در KIVA-4.
امیدوارم که مفید بوده باشد.
) 
.
