روند رشد فن آوری در موتورهای دیزلی ،بنزینی و موضوع گاز سوز

روند رشد فن آوری در موتورهای دیزلی و بنزینی و موضوع گاز سوز
چکیده:
محدودیت های اعمال شده از طرف سازمانهای زیست محیطی، تدوین قوانین و استانداردهای جدید در کنترل میزان آلاینده های خروجی از موتورهای بنزینی و دیزلی موجب شده فن آوری موتورهای دیزلی و بنزینی به سوی سیستم های تغذیه و احتراق پیشرفته پاشیدن سوخت و احتراق با کنترل ECU گرایش یابد.
این حرکت علاوه بر دستاوردهای چشم گیر زیست محیطی موجب رضایت دارندگان اتومبیل و دستیابی به شتاب و قدرت برتر و بهره برداری اقتصادی تر از نظر مصرف سوخت شده است. طبق آخرین گزارشهای دریافتی از مراکز تحقیقاتی و کارخانه های سازنده خودروها، برنامه زمان بندی برای دستیابی به آلودگی در حدود صفر تا سال 2010 به طور جدی پیگیری شده و هم اکنون موتورهای بنزینی و دیزلی مرحله استاندارد EURO II را پشت سرگذاشته و تولیدات را به سطح استاندارد EURO III رسانده اند. موضوع به کارگیری سوختهای همگام با رشد فن آوری طراحی و تولید موتورهای پیشرفته همچنان پیگیری، و تطبیق فن آوری سوختهای گازی همگام، به طوری که باز هم از نظر سطح آلاینده های برتری های چشم گیر خود را نسبت به حالت گازوئیل و بنزنی سوز حفظ کرده اند. خصوصا با تاکید دانشمندان به اثر مخرب CO2 تولیدی از احتراق موتورهای بر لایه اوزون سوختهای گازی LPG و به ویژه CNG با، تعداد کم کربن در ساختمان مولکولی و در نتیجه تولید CO2 کمتر و همراه نداشتن ناخالصی ها به عنوان سوختهای پاک مطرح هستند.
روند رشد فن آوری موتورها در دو دهه گذشته از سرعت چشمگیری برخوردار بوده و رقابت سازنده ای با هدف تولید خودرو دیزلی و بنزینی و گازسوز با آلودگی کمتر در سطح کشورهای صنعتی وجود دارد. در این دو دهه صنعت خودرو کشور ما در این رقابت حضور نداشته و لذا مترادف با سطح فن آوری مورتوهای دیزلی و بنزینی در مورد گاز سوز نیز از قدیمی ترین سیستم تبدیل و تجهیزات مربوطه استفاده نموده است.
متاسفانه گزارشهای دریافتی نمایانگر این واقعیت تلخ است که به دلیل عدم رضایت مبانی طراحی و تبدیل خودروهای سبک به سوخت گازی با روش مهندسی اهداف نیست محیطی طرح بهره گیری از سوختهای گازی نیز یا کمرنگ و یا نا موفق بوده است و تولید این مجموعه های کیت های گاز سوز قدیمی و ناموفق همچنان ادامه دارد.
عطف به حرکت جدید صنایع خودروسازی به سوی تولید خودروهای به روز در سطح جهانی و ساخت خودروهای مشترک با کمپانی های صاحب نام، ارائه دهنده مقاله روند رشد فن آوری موتور و خودروها را در زمینه گاز سوز منطبق یا برتر از حالت گازوئیلی و بنزینی به بحث و تحلیل علمی می گذارد وبه ترتیب شش نسل تکاملی تجهیزات گازسوز بر روی خودروها را از سال 1980 الی 2000 به شرح ذیل پژوهش عمل و فن می‎کند:
1. سیستم گازسوز موتورها به روش کاربراسیون با ونتوری ثابت که هم اکنون درکشورها متداول است.
2. سیستم گازسوز موتورها به روش کاربراسیون، مخلوط کن متغیر.
3. سیستم گازسوز موتورها به روش کاربراسیون با شیر متغیر و کنترل الکترونیکی و کاتالیست دو راهه نوع رقیق سوز.
4. سیستم گاز سوز با روش کاربراسیون و شیر کنترل به روش ECU با کاتالیست سه راهه مدار بسته.
5. سیستم گازسوز با پاشیدن متمرکز با کنترل ECU و مدار بسته و کاتالیست سه راهه TBI.
6. سیستم گازسوز با پاشیدن چند نقطه ای و کنترل میکرو پروسسوری MPFI و کاتالیست سه راهه مدار بسته.
امید اینکه صنایع خودروکشور در زمینه فن آوری گازسوز نیز مترادف با برنامه های تولیدات جدید همگام شوند.

مقدمه:
بهره گیری از سوختهای جایگزین در دهه اخیر مورد توجه مراکز پژوهشی و صنایع موتور در سطح جهانی قرار گرفته است، زیرا با کاهش ذخایر نفت، موتورهای صنعتی در حال گردش، و در برنامه تولید که از نظر اصول طراحی و فن آوری به سوختهای هیدروکربوری وابسته اند، راهی جز استفاده از سوختهای گازی ندارند متخصصان امر پیش بینی می کنند که با تقلیل تولید نفت خام، بخش رو به رشد سوخت مورد نیاز خودروها باید پس از سال 2000 با روندی رو به رشد از گاز مایع و پس از گاز طبیعی تامین شود. وابستگی اصول طراحی موتورها به مشخصات فیزیکی و شیمیایی و در نتیجه سازگاری سوخت با طراحی موتور روند رشد خودروهای گاز سوز را تا سه دهه آینده به طرف LPG و سیکل اتور و پس با کاهش تولید نفت خام و در نتیجه کاهش تولید LPG به طرف CNG و LNG با سیکل اتوسوق خواهد داد.
هر دو سوخت LPG و CNG در تبدیل خودروهای سواری مجهز به موتورهای SI و سیکل ترمودینامیکی OTTO می توند به ترتیب با حفظ مشخصات طراحی و با تغییراتی بسیار جزئی با توجیه فنی و اقتصادی مورد بهره برداری قرار گیرد. موضوع توسعه رو به افزایش وسایط نقلیه عمومی در سطح شهرها از طرفی و از طرف دیگر محدودیت های رو به تاکید حد آلاینده های اگزوز این وسایل که عموما از نوع دیزلی هستند بهره گیری از سوختهای گاز بر روی دیزلها را تضمین می‎کند.
هر چند کار بر روی موتورهای دیزلی با سوخت گازوئیل با آلودگی های کمتری از نظر گازهای اگزوز صدای موتور شدیدا توسط کمپانی های صاحب نام دنبال می‎شود و به موفقیت هایی نیز دست یافته‎اند ولی باید با صراحت اعلام داشت که پس از کاهش تولید نفت خام و توسعه بازار سوختهای گاز احتمال قوی وجود دارد که دیزل سازها نیز الزاما به طرف سیکل اتو OTTO سوق پیدا نماید.
زیرا سیکل به دلیل مشخصات ویژه خودرو و طراحی موتور آن در آینده توجیه فنی و اقتصادی و زیست محیطی برتری دارد. محدودیت های اعمال شده برای گازهای اگزوز بهره گیری از کاتالیست های سه منظوره را الزامی ساخته و در نتیجه روش صد در صد گاز سوز و سیکل اتور از ارجحیت برخوردار خواهد بود. مراکز پژوهشی وابسته به صنایع که کار هماهنگی بین صنعت و سازمانهای محیط زیست را کرده اند که جواب گوی محدودیت های رو به رشد در تدوین استانداردهای کنترل آلودگی اگزوز وسایل نقلیه بهره گیری از سوختهای به روش صد در صد و استفاده از سیکل اتو هستند.

دیدگاههای جهانی در مورد آلاینده سوختهای فسیلی
افزایش تولید نفت خام برای جوابگویی به عطش رشد فزاینده فن آوری در چند دهه اخیر بشریت را با خطر فقر و گرسنگی ناشی از اتمام منابع سوخت فسیلی در قرن آینده مواجه ساخته است. به طوری که دهکده جهانی از هم اکنون به فکر چاره جویی در یافتن منابع ناشناخته انرژی در زمین وخارج جو افتاده است. واقعیت تلخ ناموفق بودن انرژی های جایگزین برای جواب گویی است زیرا تا این تاریخ هیچ منبع انرژی از نظر توجیه مسائل اقتصادی و فنی نتوانسته با سوختهای فسیلی رقابت نماید. دیاگرام نمایشگر نیاز امروز و آینده سوختهای فسیلی در قرن آینده است همان گونه که ملاحظه می‎شود نیاز کل انرژی به شکل خطی رو به افزایش و نقش انرژی مصرفی در حمل و نقل به شکل چشم گیری به موازات آن رشد می نماید. از طرفی از اوایل قرن آینده ذخایر نفت با سرعت زیاد رو به کاهش خواهد نهاد.

دیاگرام میزان درخواست و تولید سوختهای فسیلی تا سال 2100 میلادی
سوخت گاز مایع مشتق از نفت خام به تولید آن وابسته بوده و د رصورت بهره گیری از LPG در ترانسپورت می‎توان امیدوار بود که عمر منابع نفت خام تا سه الی چهار دهه افزایش یابد ولی در نهایت پایان پذیر خواهد بود. در نهایت کل انرژی فسیلی موجود در کره زمین می‎تواند حداکثر جواب گوی نیاز یک قرن آینده باشد پس تعیین راهبرد مشخص در جهت دادن به صنایع کشور جهت تدوین فن آوری در تولید پخش و مصرف سوختهای گاز به شکل مرحله ای از سوخت LPG و CNG از اهمیت حیاتی برخوردار است.
تدوین استانداردهای جدید در محدود کردن میزان گازهای آلاینده اگزوز
توسعه وسایز نقلیه خصوصی و عمومی با اشتیاق بشریت به زندگی همراه با آسایش و رفاه در چند دهه اخیر عامل اصلی افزایش خطر آفرین آلودگی هوا و محیط زیست را موجب شده به طوری که بشر قرن بیست و یکم انسانی خواهد بود که با مهمترین دوست خود یعنی طبیعت خصمانه رفتار می‎کند و از مواهب آن خود و نسلهای آتی را محروم می سازد، لذا سازمانهای بین المللی زیست محیطی با اختیارات بشتر به مقابله با غول آلودگی می پردازند. تدوین استانداردهای آلودگی اگزوز خودروها در دو دهه اخیر نمایانگر این واقعیت است که باید برای حل مساله حمل و نقل به طرف سوختهای پاک رفت. آنچه مسلم است در اوایل قرن آینده میزان هیدروکربورهای آزاد اگزوز باید زیر 0.1 gr/mile و میزان منواکسید کربن زیر 10 gr/mile و میزان NOX زیر 1gr/mile و میزان ذرات آزاد باید زیر حد 0.1 gr/mile برسد. میزان مواد زاینده اسید مثل اکسیدهای گوگرد الزاما باید در حد صفر باشند و با مراجعه به آرام و ارقام یقینا بهره گیری از سوختهای فسیلی گازی تنها راه حل محسوب می‎شود. از طرفی رسیدن به این محدودیتهای آلاینده در اگزوز با سوخت دیزلی به هیچ وجه با سوخت بنزین هم بسیار مشکل است لذا با تغییر ساختار سوخت فسیلی از سوختهای کلاسیک به سوختهای گازی مسلماً راهی جز سیکل اتو و بهره گیری از کاتالیست باقی نمی گذارد.
عملا استانداردهای تدوین شده در سال 1970 نتوانست اهداف زیست محیطی را جواب گو باشد. زیرا توسعه تعداد خودروها این اثر را خنثی می نمود. از سال 1980 استانداردهای شدیدترین بر حسب توان فن آوری و با توجیه فنی اقتصادی اعمال و عملا طول عمر عوامل موثر در کاهش آلاینده ها نصب شده بر روی خودروها جواب گوی اهداف محیط زیستی تا سال 2000 است. پس از سال 2000 باز هم روند رشد خودروها در گردش موجب می‎شود به شکل مرحله ای هر 10 سال یک بار قوانین جدید در مورد تولید خودروها با آلودگی کم تجدید و در نهایت خودروهای با آلودگی صفر هدف نهایی سال 2050 میلادی خواهد بود.
روند توسعه فن آوری در سیستم های تغذیه و احتراق موتورهای سیکل اتو (OTTO)
تمرکز بر روی طراحی سیستم های تغذیه و احتراق پیشرفته از سالهای 1976 با کاهش عرضه نفت نسبت به رشد تقاضا و سیر صعودی قیمت نفت و فرآورده های سوختی مثل گازوئیل و بنزین در کشورهای صنعتی به طور جدی مطرح شد. طراحی سیستم های تغذیه کاربراتوری و سیستم های احتراق الکترونیکی با هدف کاهش مصرف سوخت در مقابل افزایش دور و توان بر حجم موتورهای بنزینی فزونی گرفت. از سال 1984 جامعه صنعتی علاوه بر کاهش مصرف سوخت دست به ابلاغ استانداردهای میزان آلاینده های اگزوز و بخارهای خروجی از موتور و خودرو زد و عملا طراحان و سازندگان موتور و خودرو با زمانهای محدود مهلت های ابلاغ شده جهت پاسخ گویی به استانداردهای ابلاغی شدند که در اروپا به ECE معروف هستند. با ابلاغ استاندارد ECE 15-03 تحول اساسی در طراحی کاربراتورهای مجهز به چند مدار کنترل پارامترهای فیزیکی مخلوط و احتراق الکترونیکی و کاتالیست های دو راهه گردیدن (1984). استانداردهای ECE15-04 مقدمه ای جدی برای حذف کامل سیستم های تغذیه کاربراتوری و یا حفظ آن مشروط به تجهیز مدارها به سیستم های کنترل الکتریکی همراه با سیستم احتراق الکترونیکی و کاتالیست دو راهه در یک مدار بسته شدند (1990). سیستم های انژکتوری در کاربراتور به نام TBI مجهز به سیستم کنترل طراحی شد.
استانداردهای EURO I به شکل کامل حذب سیستم کاربراتور و اعمال سیستم های انژکتوری متمرکز و چند نقطه ای با کاتالسیت های سه راهه مجهز به سنسور را موجب شدند که به سیستم های L- jetronic و KE-Ke-jetronic و Ke K-jetronic معروف گردیدند که از روش MPFI بهره گرفتند. استانداردهای EURO II گام بلندی در جهت توسعه سیستم motronic مجهز به سیستم MPFI و احتراق کامل الکترونیکی مستقل از مکانیزم موتور و با کنترل کامپیوتری و کاتالیست سه راهه سرامیکی گردید.
تحلیل منحنی های مرجع شامل تغییرات میزان آلاینده های اگزوز CO و HC و NOX و مصرف ویژه سوخت b همراه با تغییرات گشتاور موتور نسبت به سوخت به هوا و یا ضریب نمایانگر این واقعیت است که اصولاً دست یابی به میزان آلاینده های کم در مقابل دریافت توان و گشتاور کافی و عملکرد اقتصادی موتور در محدوده 1 امکان پذیر است و این یک اصل کاملاً اثبات شده و اجتناب ناپذیر در کلیه موتورهای سیکل اتو (OTTO) می‎باشد. مسلماً پس از حفظ محدوده 1 در سیستم تغذیه همراه با تشکیل کانون شعله قوی در زمان مناسب آلاینده های خروجی از موتور به حد متعادلی رسیده و انجام هر گونه عملیاتی بر روی اگزوز در جهت رسیدن به استانداردها ابلاغی را امکان پذیر می کنند. نگهداری نسبت هوا به سوخت در محدوده ضریب اضافه هوا برای کلیه دورها و بارهایی که موتور در آن واقع می‎شود مسلماً به روش کاربراسیون امکان پذیر نبوده و لذا گامهای تکنولوژیک در توسعه سیستم های سوخت پاشی که قبلا نام برده شده الزامی و اجتناب ناپذیر بوده است. (دیاگرام شماره 1)
در محدوده 0.96-1.2 میزان CO به کمترین حد ممکن می رسد و این امر کمک شایان توجهی به کاهش عملیات و هزینه ها در عملیات کاتالیست کنوتور برای اکسیداسیون این گاز سمی می نماید. میزان HC هیدروکربورهای سوخته شده در محدوده ضریب اضافه هوایی یاد شده در حد پائینی قرار دارد که باز هم عملیات اکسیداسیون هیدروکربورهای سوخته نشده را در درون کاتالیست کوتاه و ساده می نماید. در حقیقت نگه داشتن نسبت سوخت به هوا در محدوده ضریب اضافه های 1، روشی است موفق در کاهش میزان اکسیژن مصرفی برای اکسیداسیون دو عامل اصلی آلودگی یعنی CO و HC. نکته جالب توجه بالا بودن میزان NOX در محدوده 1 مخلوط است که خود از گازهای کمی است، ولی در کاتالیست سه راهه نیاز به عملیات احیا جهت خنثی شدن و تبدیل به ازت دارد. در حقیقت از دیدگاه عملیات پس از خروج از موتور بر روی گازهای آلاینده به صلاح است. نخست عملیات احیای NOX و تبدیل به گاز خنثی انجام و اکسیژن حاصل از احیا جهت اکسیداسیون دو ماده آلاینده دیگر که CO و HC باشد استفاده شود. این شگرد یعنی نگه داشتن مخلوط در محدوده 1 کمک شایانی به کاهش هزینه ها و صرف انرژی برای عملیات پس از خروج از موتور را می نماید. (After treatment). تامین رضایت مصرف کنندگان خودرو که همواره به دنبال قدرت برتر و قابلیت مانور افزونتر خودرو هستند، مخلوط هوا و سوخت غلیظ با 1 را ایجاب می نماید، ولی محدودیتهای زیست محیطی و ارتقای فرهنگ حفاظت از محیط زیست موضوع را به مصالحه ای خردمندانه سوق می‎دهد. به طوری که در محدوده های زمانی کوتاه مدت و حسب نیاز راننده سوارهای توان ماکزیمم و گشتاور و شتاب برتر در سیستم رایانه ای کنترل خودرو پیش بینی و در آن مقاطع سوخت سخاوتمندانه وارد موتور می‎شود. ولی این لحظات و نیازهای کوتاه مدت و گذر است. طراحان ترافیک جاده های شهری و بین شهری جهت دست یابی به اهداف ملی سیکل ترافیکی را طوری طراحی که حتی الامکان از شتاب های لحظه ای و سبقت های مثبت و منفی جلوگیری شود اصطلاحا یک رانندگی با نرمش را برنامه ریزی می نماید (Gently). سیگنالهای ارسالی از اکسیژن سنسور قبل از کاتالیست جهت تزریق هوا و جبران کمبود اکسیژن عملیات اکسیداسیون نیز ارائه شده در مرحله قبل از کاتالیست حفظ محدوده 0/975…105 .
به سه بخش اساسی مخلوط غلیظ Rich= 0/975 .1 و محدوده استوی کیومتریک stoichiometric= 1.1/025 و محدوده فقیر یا Leun= 1/025- 1/05 تقسیم شده است. در محدوده غلیظ قبل از کاتالیست میزان HC و CO بالا ولی NOX متعادل است و پس از عملیات احیاء و اکسیداسیون درکاتالیست میزان CO و HC نسبتاً متعادل و میزان NOX کاهش چشمگیری دارد. سنسور اکسیژن میزان بالای اکسیژن حاصل از احیای NOX را نشان می‎دهد. در محدوده استووکیومتریک میزان HC و CO قبل از کاتالیست متعادل و پس از کاتالیست در اثر استفاده از اکسیژن تولید در مرحله 1 میزان CO و HC شدیدا پائین می‎آید و میزان NOX در حد متعادل و رو به افزایش است و سیگنال سنسور نمایانگر مصرف اکسیژن است. در محدوده فقیر Leun استمرار عملیات دستیابی به میزان CO و HC و NOX متعادل را نشان می‎دهد.
رابطه سوخت وآلاینده ها و روند توسعه فن آوری
کنترل محدود اکتان که اصلی ترین پارامتر فیزیکی و شیمیایی سوخت در سیکل اتو OTTO می باشد، در بنزین های معمولی با دو کلاس Regular و super به کمک ماده افزودنی تتراتیل سرب (C2H5)4 pb انجام می شود، ولی با توسعه فن آوری سیستم های MPFI و TBI و اصلاحات انجام شده در فن آوری مواد اجزای موتور در محفظه احتراق پاسخ گوی نیاز به حذف عوامل سرب در سوخت ودر نتیجه در گازهای اگزوز را موجب شد. پس در اصل نیاز به حذف عوامل سرب در سوخت و در نتیجه درگازهای اگزوز را موجب شد. پس در اصل نیاز به حذف عوامل سرب از ماده سوختی به عنوان مخرب محیط زیست و عدم امکان بهره گیری از سوخت های سرب دار در سیستم های مجهز به کاتالیست به دلیل اثر غیرفعال نمودن کاتالیست به واسطه وجود سرب در دور اگزوز تولید و توسعه و بهره گیری از سوختهای بنزین بدون سرب الزامی می سازد.
بنزینهای بدون سرب که یا به روش شکستن هیدروکربورهای با عدد اکتان پائین و تبدیل به هیدروکربورهای اکتان بالا و یا به طریق افزودن توام بنزین عملیات شده در راکتور و ماده MTBE به بازار ارایه می‎شوند عملا عوامل سرب را به همراه ندارند، ولی از دیدگاه احتراق ساختمان شیمیایی سوخت به سوی آروماتها و هیدروکربورهای مقاوم در مقابل اکسیداسیون پیش می رود. این مهم موجب می‎شود که اولا نیاز مبرم به تشکیل کانون شعله قوی تک نقطه یا چند نقطه ای داریم تا تضمین کننده احتراق کامل باشد ثانیا مخلوط حتما باید در محدوده اقرار داشته باشد. پس ارائه دهنده مقاله صراحتا اعلام می دارد که استفاده از بنزین بدون سرب در موتورهای قدیمی جدا از مسئله ایجاد تنش در اجزای داخلی اتاق احتراق به دلیل حذف عامل روان کاوی فلزی سرب Metalt lubricant با احتراق ناقص و افزایش چشمگیر و خطرناک هیدروکربورها و آن هم از انواع مضرترین آن و افزایش میزان CO ختم می‎شود و جدا از مسئله حذف سرب اهداف زیست محیطی را پاسخ گو نیست. پس تولید و توسعه بنزین بدون سرب باید همگام با توسعه تولید موتورهای مجهز به سیستم MPFI و TBI با کاتالیست کنوتور sensor و کنترل ECU باشد ودر غیر این صورت عوامل آلاینده شدیدا بالا خواهد رفت.
روند توسعه فن آوری گاز سوز همگام با صنایع خودرو
سوختهای گازی LPG با فرمول مخلوطی از پروپان C3H8 وبوتان C4H4 و یا متان CH4 سوختهای بدون سربی هستند که از نظر مشخصات فیزیکی و شیمیایی خصوصا از دیدگاه اصلی ترین پارامتر درسیکل اتو OTTO یعنی عدد اکتان RON در حدود 120-100 قرار دارند، مزایای سوختهای گازی از نظر احتراق و میزان آلاینده ها برتری های بنزین بدون سرب را همراه با نداشتن مشکل هیدروکربورهای خطرناک و مقام در مقابل اکسیداسیون به همراه دارد، پس صحبت از سوخت گازی یعنی سوخت پاک قابل تطبیق با موتور و نیاز طراحان و قابل تطبیق با روند توسعه فن آوری موتورهای با پرفورمانس بالا و آلودگی کم نقطه ضعف اساسی در توسعه فن آوری گاز سوز عدم وجود پشتوانه فن آوری و دارای سابقه وسیع در ساخت موتور و خودروست و اصولاً تا این تاریخ در کلاس موتورهای جرقه ای OTTO همواره سوخت گازی با موتور تطبیق داده شده و موتور برای گاز سوز تولید انبوه نشده است. مسلماً عطف به مزایای سوختهای گازی و روند تولید رو به نزول و گازوئیل موتور و خودروهای ویژه گازسوز توسعه سریع خواهند یافت.

گامهای فن آوری در موتورهای گازسوز
دیاگرام مرجع کنترل آلودگی در مورد موتورهای گاز سوز نیز دقیقا صادق است. یعنی موتورهای گازسوز هم با وجود مزایای عدم داشتن سرب مشخص بودن ساختمان هیدروکربوری و نداشتن هیدروکربورهای مضر وقتی می‎توانند در محدوده استاندارد آلودگی عمل کنند که نسبت هوا به سوخت در محدوده استرکیومتریک قرار داشته باشد. لذا روشهای کاربراسیون و یا تبدیل به وسیله مخلوط کن های ثابت و نتوری و بدون کنترل شانس قرار گرفتن را در محدوده story duonutic نخواهد داشت پس روشهای متداول و در اجرا در داخل کشور نسل قدیمی و مربوط به دهه زیر سالها 1975 است که استانداردهای آلودگی ابلاغ نشده بود و در صورتی که بخواهیم حتی استاندارد آلودگی ECE15-04 را پاسخ گو باشیم ملزم به حذف سیستم ونتوری ثابت بوده و الزاما باید در مدار گاز شیر کنترل Actuator با کنترلECU داشته باشیم. فن آوری گاز سوز شانس بهره گیری از کاتالیست سه راهه را بالا می‎برد زیرا از نظر عدم وجود مواد ناخالص راندمان کاتالیست در موتورهای گازسوز بسیار بالاست و طول عمر بیشتری نیز در مقایسه با موتورهای بنزینی خواهد داشت ولی لازمه استفاده ازیک سیستم کامل کنترل مدار گاز و حفظ نسبت هوا و گاز در محدوده و سیستم مدار بسته با کاتالیست سه راهه و سنسور اکسیژن بهره گیری از میکروپروسسور ECU است. سیستم فوق پاسخ گوی استانداردهای EURO I نیز بوده و کاملاً موفق است. اگر هدف از فن آوری گاز رسیدن به حدود آلاینده های برتر از EURO II باشد روش MPFI در مورد گاز نیز عینا مثل حالت بنزین سوز الزامی است. لذا آخرین نسل فن آوری سیستم گازسوز برای پاسخ گویی به استاندارد سال 2000 بهره گیری از سیستم گازسوز با کنترل ECU و روش پاشش MPFI است که اصطلاحا به نسل Generation III معروف است. امروزه حساسیت سازمان های زیست محیطی نه تنها بدون گازهای مسموم حاصل از اگزوز مثل NOX ، SOX ، CO و HC دور می زند، بلکه میزان گاز خنثی و بی ضرر CO2 نیز زیر سوال رفته است و یکی از عوامل پدیده گلخانه ای شناخته شده است. مزیت اصلی سوختهای گازی خصوصا گاز طبیعی CH4 دارا بودن تعداد کربن کم در مقابل انرژی حرارتی تولیدی است که عملا میزان تولید CO2 در مورتورهای گازسوز تا 25 درصد نسبت به موتورهای بنزینی و تا 35 درصد نسبت به گازوئیل سوزها کمتر است و لذا برای پیشگیری از پدیده گلخانه ای بهره گیری از سیستم های پیشرفته گاز سوز توصیه می‎شود.
روند توسعه فن آوری موتورهای دیزلی و موضوع گازسوز
موتورهای دیزلی تا دهه 1980 از نظر سیستم تغذیه و کنترل احتراق وضعیت ثابتی داشتند و گامهای فن آوری در مورد کاهش صدا با کنترل کوبش دیزلی
Diesel knock و بهره گیری از پمپ انژکتوری آسیایی رو به کاهش و از نظر مصرف ویژه سوخت و میزان آلودگی حساسیت بر روی سوخت دیزلی و کاهش میزان گوگرد حاوی گازوئیل متمرکز بوده است به طوری که در دهه 1990 محدودیت هایی برای کاهش میزان گوگرد تا میزان 0.1 درصد اعمال شده ولی از نظر کاهش میزان دوره نیز گامهای موثری از نظر طراحی شکل محفظه احتراق و طراحی سوخت پاشها و افزایش فشار پمپ انژکتور پاسخ گوی نیاز استانداردهای ابلاغی و اصولاً از نظر تولید میزان CO و HC در وضعیت مناسبت و میزان NOX نیز در دست کنترل بوده است.
با ابلاغ استانداردهای R49 و استانداردهای EURO II و اخیرا EURO III موتورهای دیزلی نیز جدا در پی بهره گیری از کنترل الکترونیکی بر آمدند. وارد شدن به سیستم کنترل بر روی سیستم سوخت پاشی و زمان بندی در موتورهای دیزلی به ترتیب نسل 2 موتورهای دیزلی با کنترل ECU را که به دیزلهای با فشار پمپ بالای 600 bar و با ریل مشترک را بوجود آورد به طوری که کلیه انژکتورها تحت فرمان میکروپروسسور میزان پاشش سوخت را تنظیم می نمایند. در نسل III موتورهای دیزلی به دلیل نیاز به افزایش فشار پمپ انژکتور و فشار پاشیدن سوخت در سوخت پاشها در محدوده بالاتر از 1200 bar به سیستم پمپ های مستقل جداگانه برای هرسیلندر مجهز شدند (unit pump) دستاوردهای برتر این سیستم افزایش توان بر حجم وتوان بر وزن موتورهای دیزلی از حدود 0.25 hp/l و 0.2 hp/kg در موتورهای قدیمی و تغذیه طبیعی به حدود 50 hp/L و حدود 0.5 hp/kg با تغذیه توربوسارژ تبدیل شد. از نظر میزان آلاینده های اگزوز با محدودیت های اعمال شده بر روی میزان گوگرد که امروز به زیر 0.05 درصد رسیده مشکل ایجاد بارانهای اسیدی را حل نموده ولی مسئله همچنان مشکل اصلی موتورهای دیزلی پیشرفته است.
روند توسعه فن آوری گاز سوز در تبدیل موتورهای دیزلی
1. حفظ سیکل دیزل و به کارگیری درصد هر چه بالاتر از گاز و درصد کمی از سوخت دیزلی برای احتراق که خود دارای روند رشدی از حدود 10 درصد گاز و 90 درصد گازوئیل تا سقف 80 درصد گاز و 10 درصد گازوئیل پیش رفته است این روش تبدیل هر چند مزیت حفظ سیکل دیزلی و عدم تغیر محفظه احتراق را در بر دارد، ولی به هر مقدار که میزان درصد در مخلوط بالا رفته، به کارگیری کنترل میکروپروسسوری در حفظ نسبت های ورود گاز و پاشیدن گازوئیل شدیدتر شده است به طوری که در نسل های اولیه از روش کاربراسیون در ورود گاز همراه با پاشیدن گازوئیل استفاده می شده ولی به ترتیب به سوی شیر کنترل Actuator و تزریق گاز با کنترل ECU گام برداشته شد. مشکل اصلی این روش تبدیل که به دیزل گاز معروف است عدم تطبیق طبیعت سوخت گازی با سیکل ترمودینامیکی دیزلی است زیرا گاز دارای عدد اکتان مناسب و عدد ستان بسیار نامناسبی است و عملا با افزایش درصد گاز سیکل دیاگرامی مشابه سیکل اتور پیدا کرده و راندمان شدیدا کاهش پیدا می کند، پیچیدگی دو سیستم تغذیه گازی و گازوئیلی و تست بالا از مشکلات طراح بوده و دستاوردهای زیست محیطی مناسبی نیز نداشته است و لذا عملا از طرف سازندگان موتور روش دیزل گاز کنار گذاشته است.
2. تبدیل سیکل دیزلی به سیکل اتو با احتراق جرقه ای در این روش موتور از حالت دیزلی خارج و به صد درصد گاز سوز تبدیل می‎شود. این روش با موفقیت های چشمگیری رو به رو بوده به طوری که کمپانیهای صاحب نام مثل بنز و ولوو و رنو با این روش موتورهای دیزلی را به گازسوز تبدیل می کنند. این روش توسط ارائه دهنده مقاله از سالهای 1368 بر روی انواع موتورهای دیزلی ساخت داخل اجرا و در برخی از مدلها به تولید موتور گازسوز انجامیده است مثل موتور گازسوز 4-236 ویژه لیفت تراک و مینی بوس و موتور گازسوز 314 ویژه مینی بوس و کامیونت زباله کش و اتوبوسهای 302 و 355 گازسوز روند رشد فن آوری در تبدیل موتورهای دیزلی به سوخت گازی در سطح جهانی به روش صد درصد گازسوز از گامهای شیر کنترل Actuaton با کنترل میکروپروسسوری و سیستم مدار بسته با کاتالیست سه راهه و هم اکنون به سیستم سوخت پاش گازی با کنترل ECU و کاتالیست سه راهه و کنترل کامل پیش رفته است. موتورهای گازسوز با موفقیت توانسته اند برتری خود را نسبت به سایر انواع از نظر کاهش کلیه پارامترهای آلاینده نشان دهند.
روند اجرای پژوهش و توسعه موتورهای گازسوز با روش 2
1. توجه دقیق به ویژه به مصوبات شورای عالی محیط زیست برنامه و بودجه شورای عالی انرژی.
2. پیگیری برنامه ریزی انجام شده در وزارت صنایع خصوصا در معاونت تحقیقات توسط سیستم اجرایی.
3. شناسایی و تشکیل سیستم مشترک بین سازمان پژوهشهای علمی و صنعتی ایران و کارخانه های ایدم و موتور سازان.
4. تعریف طرح و ارایه آن به معاونت تحقیقات وزارت صنایع.
5. تامین سریع بودجه پژوهش توسط مدیران علاقه مند و عدم اتلاف وقت تا بازگشت آن از وزارتخانه.
6. بهره گیری از اطلاعات جهانی و تماس با مراکز پژوهشی صاحب تجربه در سطح جهانی.
7. کار تیمی در مرحله پژوهش و انتقال دانش پژوهشی صاحب تجربه در سطح جهانی.
8. اجرای طرح پژوهشی و انتقال دانش پژوهش و طراحی بدین نسبت بین سازمان پژوهش ها و صنایع موتور.
9. کنترل هر مرحله از طراحی با متخصصان واحدهای مهندسی و توسعه طرح در کارخانه.
10. تشکیل جلسات توجیهی با خط تولید و تطبیق طراحی با امکانات تولید.
11. اجرای مراحل نمونه سازی توسط تیم مشترک در کارخانه.
12. نظارت دقیق بر روند اجرای طرح توسط کارشناسان دو طرف و گزارش مستمر به مدیران سازمان و کارخانه.
13. انجام کلیه آزمایشهای استاندارد بر روی بسترهای آزمایش در مرحله نمونه سازی آزمایشگاهی.
14. اصلاح نمونه سازی در مرحله تبدیل به نمونه سازی صنعتی در محل کارخانه و توسط تیم مشترک.
15. نصب و راه اندازی توسط تیم سه جانبه پژوهش موتورسازی و خودروسازی.
16. انجام آزمایشهای جاده پر فورمانس و دراز مدت.
17. بهره برداری از نمونه های اتوبوس و مینی بوس های گازسوز توسط واحد حمل و نقل کارخانه تحت نظارت متخصصان.
18. بررسی فنی و اقتصادی طرح در خط تولید در خلال آزمایش نمونه ها.
19. تهیه گزارشهای علمی و فنی در کلیه مراحل.
20. شناساندن طرح در سطح سازمانها و ارگانهای ذیربط.
21. تشکیل جلسات تخصصی در برنامه ریزی و توسعه طرح گازسوز در وزارت صنایع و وزارت نفت.
22. پیش بینی و برنامه ریزی در جهت ارائه خدمات پس از فروش و آموزش قبل از مرحله توسعه طرح.
شرح عناوین طرح های موفق از پژوهش تا توسعه و بهره بردرای طبق برنامه ریزی وزارت صنایع
1. طرح تبدیل موتور 4-236 صنعتی ویژه لیفتراکهای گازسوز LPG توسط سازمان پژوهش های علمی و صنعتی ایران و کارخانه موتور سازان.
2. طرح تبدیل موتور OM 360 اتوبوس 302 شهری به گازسوز LPG توسط سازمان پژوهش های علمی و صنعتی ایران و کارخانه ایدم.
3. طرح تبدیل موتور OM 314 مینی بوسهای شهری به گازسوز LPG توسط سازمان پژوهش های علمی و صنعتی ایران کارخانه ایران ایدم.
4. طرح تبدیل موتور 4-236 خودرو ویژه مینی بوس به گازسوز LPG توسط سازمان پژوهش های علمی و صنعتی ایران و کارخانه موتور سازان.
5. طرح تبدیل موتور OM 355 اتوبوس بزرگ شهری به گازسوز به سوخت LPG و CNG توسط سازمان پژوهش های علمی و صنعتی ایران و کارخانه ایدم.
شرح عناوین طرحهای موفق پژوهشی اجرا شده و در انتظار توسعه تحت حمایت وزارت صنایع
1. طرح تبدیل موتور فیات 8040 ویژه مینی بوس IVECO با سوخت LPG مهندسان مشاور خودرو و سازمان پژوهش های علمی و صنعتی ایران و خودروسازان.
2. طرح تبدیل موتور کافیز توربو اتوبوس شهاب خودرو با سوخت LPG مهندسان مشاور خودرو شرکت شهاب خودرو و سازمان پژوهش علمی و صنعتی ایران.
نتیجه گیری:
موارد مستدل ارایه شده در مقاله در مورد روند رشد طراحی و فن آوری کنترل در موتورهای بنزینی و دیزلی و نقش و اهمیت سوختهای گازی در حل مشکل محیط زیست نتیجه گیری تخصصی زیر را ارایه می نماید:
1. مدیریت و کنترل الکترونیکی موتورهای بنزینی و دیزلی امری است اجتناب ناپذیر و تنها راه پاسخ گویی استاندارهای ECE15-04 و بالاتر می‎باشد.
2. سیستم های کاربراتوری تغذیه و احتراق کلاسیک پاسخ گویی استاندارد
ECE 15-04 و بالاتر نمی باشد.
3. در هر دو سیستم دیزلی و بنزینی تغذیه و احتراق باید کنترل شده و نسبت به سوخت هوا در محدوده نزدیک به I باید نگه داشته شوند.
4. در تبدیل موتورها به گاز سوز حتما باید از روشهای جدید یعنی نسل 3 به بالا استفاده شود یعنی روشهای کنترل شیر مدار گاز برای کنترل و یا روشهای سوخت پاش گازی باید توسعه یابد.
5. دراستفاده از بنزین بدون سرب حتما باید موتور مجهز به سیستم ECU و ترجیحا TBI یا NPFI باشد و الزاما از کاتالیست کنورتورسه راهه با مدار بسته و نسوز بهره گرفته شود.
6. نظر به افزایش میزان NOX در شرایط 1 باید ازروش EGR در کاهش NOX بهره گرفته شود.
7. به صلاح است در تبدیل موتورهای بنزینی و دیزلی به گازسوز از شورش صد درصد گازسوز و با سیکل اتو OTTO بهره گرفته شود.
8. میزان گوگرد و ذرات معلق بهر گازوئیل باید سریعا به حدود استاندارد اروپایی برسد تا دیزلهای با فن آوری بالا دچار مشکل نشوند.

منابع تخصصی و علمی مقاله
1. T. N. O Comblustion Engines 1994.
2. T. N. O Engine management system 1992.
3. Symposium on the use of ga fuel for I. C. E kier 1991.
4. A. V. L. Engine and Enviroment 1994.
5. مجموعه گزارشها و مقالات دانشگاه تبریز در زمینه موتورهای گازسوز به روش دو گانه آقای دکتر پیروز پناه 1373-1368.
6. گزارشهای مرکز پژوهشی و خدمات علمی وزارت نفت – گروه سوخت و احتراق، 1373.
7. گزارشهای دانشگاه تهران دانشکده فنی، آقای دکتر ابتکار 56-1353.
8. مجموعه مقالات همایش سراسری مراکز تحقیق و توسعه صنایع کشور- ل – سواد کوهی- 1379.

فهرست مطالب
چکیده: 1
مقدمه: 4
دیدگاههای جهانی در مورد آلاینده سوختهای فسیلی 6
تدوین استانداردهای جدید در محدود کردن میزان گازهای آلاینده اگزوز 7
روند توسعه فن آوری در سیستم های تغذیه و احتراق موتورهای سیکل اتو (OTTO) 9
رابطه سوخت وآلاینده ها و روند توسعه فن آوری 13
روند توسعه فن آوری گاز سوز همگام با صنایع خودرو 15
گامهای فن آوری در موتورهای گازسوز 16
روند توسعه فن آوری موتورهای دیزلی و موضوع گازسوز 17
روند توسعه فن آوری گاز سوز در تبدیل موتورهای دیزلی 19
روند اجرای پژوهش و توسعه موتورهای گازسوز با روش 2 21
شرح عناوین طرح های موفق از پژوهش تا توسعه و بهره بردرای طبق برنامه ریزی وزارت صنایع 23
شرح عناوین طرحهای موفق پژوهشی اجرا شده و در انتظار توسعه تحت حمایت وزارت صنایع 24
نتیجه گیری: 24
منابع تخصصی و علمی مقاله 26

موضوع مقاله:

روند رشد فن آوری در موتورهای دیزلی،
بنزینی و موضوع گاز سوز

استاد راهنما:

گردآورنده:

1

28