مقاله بررسی روند رشد فن آوري در موتورهاي ديزلي، بنزيني و موضوع گازسوز

دسته بندي : فنی و مهندسی » مکانیک
مقاله بررسي روند رشد فن آوري در موتورهاي ديزلي، بنزيني و موضوع گازسوز در 27 صفحه ورد قابل ويرايش

چكيده:

محدوديت هاي اعمال شده از طرف سازمانهاي زيست محيطي، تدوين قوانين و استانداردهاي جديد در كنترل ميزان آلاينده هاي خروجي از موتورهاي بنزيني و ديزلي موجب شده فن آوري موتورهاي ديزلي و بنزيني به سوي سيستم هاي تغذيه و احتراق پيشرفته پاشيدن سوخت و احتراق با كنترل ECU گرايش يابد.

اين حركت علاوه بر دستاوردهاي چشم گير زيست محيطي موجب رضايت دارندگان اتومبيل و دستيابي به شتاب و قدرت برتر و بهره برداري اقتصادي تر از نظر مصرف سوخت شده است. طبق آخرين گزارشهاي دريافتي از مراكز تحقيقاتي و كارخانه هاي سازنده خودروها، برنامه زمان بندي براي دستيابي به آلودگي در حدود صفر تا سال 2010 به طور جدي پيگيري شده و هم اكنون موتورهاي بنزيني و ديزلي مرحله استاندارد EURO II را پشت سرگذاشته و توليدات را به سطح استاندارد EURO III رسانده اند. موضوع به كارگيري سوختهاي همگام با رشد فن آوري طراحي و توليد موتورهاي پيشرفته همچنان پيگيري، و تطبيق فن آوري سوختهاي گازي همگام، به طوري كه باز هم از نظر سطح آلاينده هاي برتري هاي چشم گير خود را نسبت به حالت گازوئيل و بنزني سوز حفظ كرده اند. خصوصا با تاكيد دانشمندان به اثر مخرب CO2 توليدي از احتراق موتورهاي بر لايه اوزون سوختهاي گازي LPG و به ويژه CNG با، تعداد كم كربن در ساختمان مولكولي و در نتيجه توليد CO2 كمتر و همراه نداشتن ناخالصي ها به عنوان سوختهاي پاك مطرح هستند.

روند رشد فن آوري موتورها در دو دهه گذشته از سرعت چشمگيري برخوردار بوده و رقابت سازنده اي با هدف توليد خودرو ديزلي و بنزيني و گازسوز با آلودگي كمتر در سطح كشورهاي صنعتي وجود دارد. در اين دو دهه صنعت خودرو كشور ما در اين رقابت حضور نداشته و لذا مترادف با سطح فن آوري مورتوهاي ديزلي و بنزيني در مورد گاز سوز نيز از قديمي ترين سيستم تبديل و تجهيزات مربوطه استفاده نموده است.

متاسفانه گزارشهاي دريافتي نمايانگر اين واقعيت تلخ است كه به دليل عدم رضايت مباني طراحي و تبديل خودروهاي سبك به سوخت گازي با روش مهندسي اهداف نيست محيطي طرح بهره گيري از سوختهاي گازي نيز يا كمرنگ و يا نا موفق بوده است و توليد اين مجموعه هاي كيت هاي گاز سوز قديمي و ناموفق همچنان ادامه دارد.

عطف به حركت جديد صنايع خودروسازي به سوي توليد خودروهاي به روز در سطح جهاني و ساخت خودروهاي مشترك با كمپاني هاي صاحب نام، ارائه دهنده مقالة روند رشد فن آوري موتور و خودروها را در زمينه گاز سوز منطبق يا برتر از حالت گازوئيلي و بنزيني به بحث و تحليل علمي مي گذارد وبه ترتيب شش نسل تكاملي تجهيزات گازسوز بر روي خودروها را از سال 1980 الي 2000 به شرح ذيل پژوهش عمل و فن مي‎كند:

1. سيستم گازسوز موتورها به روش كاربراسيون با ونتوري ثابت كه هم اكنون دركشورها متداول است.
2. سيستم گازسوز موتورها به روش كاربراسيون، مخلوط كن متغير.
3. سيستم گازسوز موتورها به روش كاربراسيون با شير متغير و كنترل الكترونيكي و كاتاليست دو راهه نوع رقيق سوز.
4. سيستم گاز سوز با روش كاربراسيون و شير كنترل به روش ECU با كاتاليست سه راهه مدار بسته.
5. سيستم گازسوز با پاشيدن متمركز با كنترل ECU و مدار بسته و كاتاليست سه راهه TBI.
6. سيستم گازسوز با پاشيدن چند نقطه اي و كنترل ميكرو پروسسوري MPFI و كاتاليست سه راهه مدار بسته.

اميد اينكه صنايع خودروكشور در زمينه فن آوري گازسوز نيز مترادف با برنامه هاي توليدات جديد همگام شوند.


مقدمه:

بهره گيري از سوختهاي جايگزين در دهه اخير مورد توجه مراكز پژوهشي و صنايع موتور در سطح جهاني قرار گرفته است، زيرا با كاهش ذخاير نفت، موتورهاي صنعتي در حال گردش، و در برنامه توليد كه از نظر اصول طراحي و فن آوري به سوختهاي هيدروكربوري وابسته اند، راهي جز استفاده از سوختهاي گازي ندارند متخصصان امر پيش بيني مي كنند كه با تقليل توليد نفت خام، بخش رو به رشد سوخت مورد نياز خودروها بايد پس از سال 2000 با روندي رو به رشد از گاز مايع و پس از گاز طبيعي تأمين شود. وابستگي اصول طراحي موتورها به مشخصات فيزيكي و شيميايي و در نتيجه سازگاري سوخت با طراحي موتور روند رشد خودروهاي گاز سوز را تا سه دهه آينده به طرف LPG و سيكل اتور و پس با كاهش توليد نفت خام و در نتيجه كاهش توليد LPG به طرف CNG و LNG با سيكل اتوسوق خواهد داد.

هر دو سوخت LPG و CNG در تبديل خودروهاي سواري مجهز به موتورهاي SI و سيكل ترموديناميكي OTTO مي توند به ترتيب با حفظ مشخصات طراحي و با تغييراتي بسيار جزئي با توجيه فني و اقتصادي مورد بهره برداري قرار گيرد. موضوع توسعه رو به افزايش وسايط نقليه عمومي در سطح شهرها از طرفي و از طرف ديگر محدوديت هاي رو به تاكيد حد آلاينده هاي اگزوز اين وسايل كه عموما از نوع ديزلي هستند بهره گيري از سوختهاي گاز بر روي ديزلها را تضمين مي‎كند.

هر چند كار بر روي موتورهاي ديزلي با سوخت گازوئيل با آلودگي هاي كمتري از نظر گازهاي اگزوز صداي موتور شديدا توسط كمپاني هاي صاحب نام دنبال مي‎شود و به موفقيت هايي نيز دست يافته‎اند ولي بايد با صراحت اعلام داشت كه پس از كاهش توليد نفت خام و توسعه بازار سوختهاي گاز احتمال قوي وجود دارد كه ديزل سازها نيز الزاما به طرف سيكل اتو OTTO سوق پيدا نمايد.

زيرا سيكل به دليل مشخصات ويژه خودرو و طراحي موتور آن در آينده توجيه فني و اقتصادي و زيست محيطي برتري دارد. محدوديت هاي اعمال شده براي گازهاي اگزوز بهره گيري از كاتاليست هاي سه منظوره را الزامي ساخته و در نتيجه روش صد در صد گاز سوز و سيكل اتور از ارجحيت برخوردار خواهد بود. مراكز پژوهشي وابسته به صنايع كه كار هماهنگي بين صنعت و سازمانهاي محيط زيست را كرده اند كه جواب گوي محدوديت هاي رو به رشد در تدوين استانداردهاي كنترل آلودگي اگزوز وسايل نقليه بهره گيري از سوختهاي به روش صد در صد و استفاده از سيكل اتو هستند.





روند توسعه فن آوري گاز سوز همگام با صنايع خودرو

سوختهاي گازي LPG با فرمول مخلوطي از پروپان C3H­8 وبوتان C4H4 و يا متان CH4 سوختهاي بدون سربي هستند كه از نظر مشخصات فيزيكي و شيميايي خصوصا از ديدگاه اصلي ترين پارامتر درسيكل اتو OTTO يعني عدد اكتان RON در حدود 120-100 قرار دارند، مزاياي سوختهاي گازي از نظر احتراق و ميزان آلاينده ها برتري هاي بنزين بدون سرب را همراه با نداشتن مشكل هيدروكربورهاي خطرناك و مقام در مقابل اكسيداسيون به همراه دارد، پس صحبت از سوخت گازي يعني سوخت پاك قابل تطبيق با موتور و نياز طراحان و قابل تطبيق با روند توسعه فن آوري موتورهاي با پرفورمانس بالا و آلودگي كم نقطه ضعف اساسي در توسعه فن آوري گاز سوز عدم وجود پشتوانه فن آوري و داراي سابقه وسيع در ساخت موتور و خودروست و اصولاً تا اين تاريخ در كلاس موتورهاي جرقه اي OTTO همواره سوخت گازي با موتور تطبيق داده شده و موتور براي گاز سوز توليد انبوه نشده است. مسلماً عطف به مزاياي سوختهاي گازي و روند توليد رو به نزول و گازوئيل موتور و خودروهاي ويژه گازسوز توسعه سريع خواهند يافت.





گامهاي فن آوري در موتورهاي گازسوز

دياگرام مرجع كنترل آلودگي در مورد موتورهاي گاز سوز نيز دقيقا صادق است. يعني موتورهاي گازسوز هم با وجود مزاياي عدم داشتن سرب مشخص بودن ساختمان هيدروكربوري و نداشتن هيدروكربورهاي مضر وقتي مي‎توانند در محدوده استاندارد آلودگي عمل كنند كه نسبت هوا به سوخت در محدوده استركيومتريك قرار داشته باشد. لذا روشهاي كاربراسيون و يا تبديل به وسيله مخلوط كن هاي ثابت و نتوري و بدون كنترل شانس قرار گرفتن را در محدوده story duonutic نخواهد داشت پس روشهاي متداول و در اجرا در داخل كشور نسل قديمي و مربوط به دهه زير سالها 1975 است كه استانداردهاي آلودگي ابلاغ نشده بود و در صورتي كه بخواهيم حتي استاندارد آلودگي ECE15-04 را پاسخ گو باشيم ملزم به حذف سيستم ونتوري ثابت بوده و الزاما بايد در مدار گاز شير كنترل Actuator با كنترلECU داشته باشيم. فن آوري گاز سوز شانس بهره گيري از كاتاليست سه راهه را بالا مي‎برد زيرا از نظر عدم وجود مواد ناخالص راندمان كاتاليست در موتورهاي گازسوز بسيار بالاست و طول عمر بيشتري نيز در مقايسه با موتورهاي بنزيني خواهد داشت ولي لازمه استفاده ازيك سيستم كامل كنترل مدار گاز و حفظ نسبت هوا و گاز در محدوده و سيستم مدار بسته با كاتاليست سه راهه و سنسور اكسيژن بهره گيري از ميكروپروسسور ECU است. سيستم فوق پاسخ گوي استانداردهاي EURO I نيز بوده و كاملاً موفق است. اگر هدف از فن آوري گاز رسيدن به حدود آلاينده هاي برتر از EURO II باشد روش MPFI در مورد گاز نيز عينا مثل حالت بنزين سوز الزامي است. لذا آخرين نسل فن آوري سيستم گازسوز براي پاسخ گويي به استاندارد سال 2000 بهره گيري از سيستم گازسوز با كنترل ECU و روش پاشش MPFI است كه اصطلاحا به نسل Generation III معروف است. امروزه حساسيت سازمان هاي زيست محيطي نه تنها بدون گازهاي مسموم حاصل از اگزوز مثل NOX ، SOX ، CO و HC دور مي زند، بلكه ميزان گاز خنثي و بي ضرر CO2 نيز زير سوال رفته است و يكي از عوامل پديده گلخانه اي شناخته شده است. مزيت اصلي سوختهاي گازي خصوصا گاز طبيعي CH4 دارا بودن تعداد كربن كم در مقابل انرژي حرارتي توليدي است كه عملا ميزان توليد CO2 در مورتورهاي گازسوز تا 25 درصد نسبت به موتورهاي بنزيني و تا 35 درصد نسبت به گازوئيل سوزها كمتر است و لذا براي پيشگيري از پديده گلخانه اي بهره گيري از سيستم هاي پيشرفته گاز سوز توصيه مي‎شود.

روند توسعه فن آوري موتورهاي ديزلي و موضوع گازسوز

موتورهاي ديزلي تا دهه 1980 از نظر سيستم تغذيه و كنترل احتراق وضعيت ثابتي داشتند و گامهاي فن آوري در مورد كاهش صدا با كنترل كوبش ديزلي
Diesel knock و بهره گيري از پمپ انژكتوري آسيايي رو به كاهش و از نظر مصرف ويژه سوخت و ميزان آلودگي حساسيت بر روي سوخت ديزلي و كاهش ميزان گوگرد حاوي گازوئيل متمركز بوده است به طوري كه در دهه 1990 محدوديت هايي براي كاهش ميزان گوگرد تا ميزان 0.1 درصد اعمال شده ولي از نظر كاهش ميزان دوره نيز گامهاي موثري از نظر طراحي شكل محفظه احتراق و طراحي سوخت پاشها و افزايش فشار پمپ انژكتور پاسخ گوي نياز استانداردهاي ابلاغي و اصولاً از نظر توليد ميزان CO و HC در وضعيت مناسبت و ميزان NOX نيز در دست كنترل بوده است.

با ابلاغ استانداردهاي R49 و استانداردهاي EURO II و اخيرا EURO III موتورهاي ديزلي نيز جدا در پي بهره گيري از كنترل الكترونيكي بر آمدند. وارد شدن به سيستم كنترل بر روي سيستم سوخت پاشي و زمان بندي در موتورهاي ديزلي به ترتيب نسل 2 موتورهاي ديزلي با كنترل ECU را كه به ديزلهاي با فشار پمپ بالاي 600 bar و با ريل مشترك را بوجود آورد به طوري كه كليه انژكتورها تحت فرمان ميكروپروسسور ميزان پاشش سوخت را تنظيم مي نمايند. در نسل III موتورهاي ديزلي به دليل نياز به افزايش فشار پمپ انژكتور و فشار پاشيدن سوخت در سوخت پاشها در محدوده بالاتر از 1200 bar به سيستم پمپ هاي مستقل جداگانه براي هرسيلندر مجهز شدند (unit pump) دستاوردهاي برتر اين سيستم افزايش توان بر حجم وتوان بر وزن موتورهاي ديزلي از حدود 0.25 hp/l و 0.2 hp/kg در موتورهاي قديمي و تغذيه طبيعي به حدود 50 hp/L و حدود 0.5 hp/kg با تغذيه توربوسارژ تبديل شد. از نظر ميزان آلاينده هاي اگزوز با محدوديت هاي اعمال شده بر روي ميزان گوگرد كه امروز به زير 0.05 درصد رسيده مشكل ايجاد بارانهاي اسيدي را حل نموده ولي مسئله همچنان مشكل اصلي موتورهاي ديزلي پيشرفته است.