سيستمهاي غشايي فناوري نوين در موتورهاي درونسوز
سيستمهاي غشايي فناوري نوين در موتورهاي درونسوز
نويسنده : سيد عباس موسوي، مرتضي صادقي
تأمين انرژي مورد نياز و حل مشكلات زيست‌محيطي، يكي از مهمترين دغدغه‌هاي بشر در قرن اخير است. اين امر باعث شده است تا همواره در پي يافتن منابع جديد توليد انرژي با حداقل آلودگيهاي زيست‌محيطي باشيم. اهم گزينه‌هاي مطرح در خصوص منابع جديد انرژي، عبارتند از: انرژي اتمي، انرژي‌هاي تجديدپذير نظير انرژي خورشيدي، انرژي باد، استفاده از پيل هاي سوختي و... به رغم پيشرفتهاي تكنولوژيكي قابل توجه، هنوز هم اين روشها فاقد سهم قابل ملاحظهاي در تأمين انرژي بوده و سوختهاي فسيلي بهترين گزينه مطرح هستند. اين نوع سوخت‌ها بيشترين سهم را در توليد انرژي دارند. نكته قابل توجه در مورد استفاده از سوختهاي فسيلي، محدوديت منابع و آلودگيهاي زيست‌محيطي ناشي از مصرف آنهاست. لذا استفاده بهينه از اين منابع به منظور دستيابي به چگالي انرژي بالاتر و كاهش آلودگيهاي ناشي از به‌كارگيري آنها، بسيار حائز اهميت است. براي دستيابي به اين مهم، بسته به نوع كاربرد سوخت مورد استفاده، روشهاي مختلفي ارائه شده است. يكي از مهمترين اين روشها، تغيير تركيب هواي مورد استفاده است. به‌طوري كه با افزايش غلظت اكسيژن در هواي ورودي، بازده احتراق افزايش يافته و چگالي انرژي مورد استفاده سوخت، افزايش مييابد. از سوي ديگر، با توجه به افزايش غلظت اكسيژن ورودي، احتراق كاملتري انجام گرفته و در نتيجه هيدروكربنهاي نسوخته، ذرات جامد معلق، گاز مونواكسيد كربن و... كاهش مييابد. گفتني است كه استفاده از هواي غني شده از اكسيژن، ميتواند به افزايش ميزان اكسيدهاي نيتروژن بينجامد كه اين آلاينده را نيز ميتوان با اعمال تكنيكهاي خاص، كاهش داد.
هواي غني شده از اكسيژن را ميتوان با افزودن اكسيژن خالص به هواي معمولي و يا به صورت Onboard از هواي معمولي تهيه كرد. روش اول براي تهيه هواي غني شده از اكسيژن، چندان مناسب نيست زيرا گران بوده و در كاربردهايي نظير بهبود احتراق سيستمهاي متحرك (خودروها) قابل استفاده نيست. براي توليد اكسيژن غني شده به صورت Onboard دو روش PSAا1 و غشايي وجود دارد. با توجه به مباحثي كه در بخشهاي بعدي خواهد آمد، روش غشايي بر روش PSA برتري دارد و از اين رو، در سالهاي اخير تمام توجهات در حوزه جداسازي گازها، به سمت اين روش (غشايي) جلب شده و تحقيقات متعددي در زمينه اين فناوري صورت گرفته است.
تغيير تركيب هواي مورد استفاده در فرايند احتراق
اكسيژن و نيتروژن، از اجزاي اصلي هوا هستند. در شرايط معمولي، هواي ورودي به سيستم احتراق، شامل 21 درصد اكسيژن و 79 درصد حجمي، نيتروژن است. مي توان با جدا كردن اين دو گاز، تركيب هواي ورودي به فرايند احتراق را تغيير داد. تغيير تركيب هواي مورد استفاده در احتراق، ميتواند بسته به نوع كاربرد آن و اهداف مورد نظر انجام گيرد. به طور كلي تغيير تركيب هواي ورودي با دو هدف انجام ميگيرد كه عبارتند از:
1. افزايش غلظت اكسيژن به منظور دستيابي به هواي غني شده از اكسيژن
2. افزايش غلظت نيتروژن به منظور دستيابي به هواي غني شده از نيتروژن
اگر هدف ما دستيابي به بازده بالاتر در احتراق باشد، غلظت اكسيژن در هواي مصرفي را افزايش ميدهيم. استفاده از هواي غني شده از اكسيژن، ميتواند زمينه‌ساز كاهش برخي از آلودگيها نظير ذرات معلق و Co شود. البته بايد به اين نكته توجه داشت كه افزايش غلظت اكسيژن منجر به افزايش آلودگيهايي نظير NOx ميشود زيرا دماي احتراق بالا رفته و به‌دليل حضور بيشتر اكسيژن، احتمال تشكيل NOx افزايش مييابد. ميزان اين آلودگي را ميتوان با كمك تكنيكهايي خاص كاهش داده و يا به كلي حذف كرد.
استفاده از هواي غني شده از نيتروژن، در كاهش آلودگيهاي ناشي از تشكيل NOx در موتورهاي ديزلي مؤثر است زيرا با افزودن هواي غني شده از نيتروژن در اين نوع موتورهاي درونسوز از دماي احتراق كاسته ميشود. ميزان NOx تشكيل شده تا حد زيادي كاهش مييابد. كاهش دماي احتراق بايد به‌گونه‌اي انجام گيرد كه تأثيري برچگالي انرژي نداشته وباعث افزايش آلودگيها نشود.
تهيه هواي غني شده از اكسيژن
اكسيژن يكي از اجزاي اصلي هواست كه 21 درصد حجم آن را تشكيل ميدهد. در برخي شرايط براي بعضي از كاربردها، به اكسيژن نسبتاً خالص و يا هوايي با غلظت بالاي اكسيژن نياز است. هوا، بهترين و ارزانترين منبع تأمين اكسيژن مورد نياز است. اكسيژن يا هواي غني شده از اكسيژن، داراي كاربردهاي فراواني است كه مهمترين آنها عبارتند از: كاهش مصرف سوخت در موتورهاي درنسوز و كوره‌هايي كه از سوختهاي هيدروكربني به عنوان منبع تأمين انرژي استفاده ميكنند. كاهش سوخت مصرفي كه به واسطه كاملتر شدن فرايند سوختن پديد ميآيد، منجر به كاهش آلودگيهاي حاصله خواهد شد. استفاده از اكسيژن يا هواي غني شده از اكسيژن در دو حوزه احتراقهاي داخلي (موتورهاي درونسوز) و احتراقهاي خارجي (مشعلها) ميتواند مطرح باشد.
موتورهاي درونسوز
اين نوع موتورها دو نوع سوخت بنزيني و ديزلي دارند. موتورهاي ديزلي شامل دو نوع تزريق مستقيم (DI) و تزريق غيرمستقيم (IDI) هستند. موتورهاي بنزيني عمدتاً در خودروهاي سبك و موتورهاي ديزلي در خودروهاي نيمه‌سنگين يا سنگين مورد استفاده قرار ميگيرند. موتورهاي ديزلي، به دليل برخورداري از نسبت تراكم بالا، بازده حرارتي فوقالعادهاي دارند. از اينرو موتورهاي ديزلي داراي پتانسيل خوبي براي كاهش مصرف سوخت هستند. نقطه ضعف اين نوع موتورها، پايين بودن چگالي توان و آلايندگي است كه مانع از استفاده آنها در خودروهاي سبك شده است. در حال حاضر، امريكا سعي دارد طي انجام برنامهاي به نام PNGV، نواقص موتورهاي ديزلي را برطرف كند. موتورهاي ديزلي اصلاح شده به‌عنوان يكي از كانديداهاي مهم براي استفاده در خودروهاي سبك امريكايي مطرح شدهاند . يكي از روشهاي برنامه يادشده براي برطرف كردن نواقص موتورهاي ديزلي، استفاده از هواي غني شده از اكسيژن است.
پيشتر گفته شد كه حضور هواي غني شده از اكسيژن باعث، كاملتر شدن فرايند سوختن ميشود. سوختن كامل، به بهبود بازده احتراق ميانجامد. استفاده از اكسيژن موجب كاهش آلودگيهايي نظير: دوده، ذرات معلق(PM)، هيدروكربنهاي نسوخته و مونواكسيد كربن ميشود.
از سوي ديگر، به دليل افزايش دماي احتراق، ميزان تشكيل NOx افزايش مييابد كه به نوبه خود، نوعي نقطه ضعف تلقي ميشود .
براي برطرف كردن اين نقيصه، راهكارهاي متعددي پيشنهاد شده كه مهمترين آنها استفاده از Post–Treatment بر روي گازهاي توليدي است. اين سيستم منجر به از بين رفتن NOx ميشود.
از هواي غني شده از اكسيژن، ميتوان براي موتورهاي بنزيني و موتورهاي ديزلي استفاده كرد. استفاده از اكسيژن در هر دو مورد، ميتواند موجب افزايش توان توليدي و كاهش آلودگيهاي زيست‌محيطي شود. شكل1 ، تغييرات توان توليدي و آلودگيهاي PM را با افزايش غلظت اكسيژن در هواي ورودي نشان ميدهد.
تهيه هواي غني شده از نيتروژن
يكي از روشهاي كنترل آلودگي ناشي از NOx، بهرهگيري از كاهش دماي احتراق با استفاده از افزايش حرارتي گاز ورودي و يا كاهش غلظت O2 است. در مورد روشهاي به‌كار رفته براي اين منظور، ميتوان به برگشت گاز خروجي (EGR) اشاره كرد كه در آن، گاز خروجي با هواي ورودي مخلوط ميشود ـ اجراي اين روش براي موتورهاي احتراق جرقهاي (SI) هزينهبر است. تحقيقات فراواني براي استفاده از EGR در موتورهاي احتراق ناشي از فشردگي (CI) انجام شده، اما تمام اين تلاشها بينتيجه ماندهاند. اين روش هنوز هم براي موتورهاي ديزلي نامطمئن بوده و با مشكلات فراواني نظير افزايش ذرات جامد معلق، دوده، كاهش دوام موتور و امكان آلودگي روغن به موادي نظير SO2 همراه است. همچنين، برگشت جريان گاز ورودي، موجب افزايش سرعت احتراق و در نتيجه افزايش تشكيل NOx ميشود. لذا استفاده از يك مبدل حرارتي ضروري است. كه به پيچيدگي سيستم ميافزايد.
از ديگر روشهايي كه براي كاهش آلودگي ناشي از NOx پيشنهاد شده است، استفاده از هواي غني شده از نتيروژن است. در اين روش، با رقيق شدن گاز ورودي، غلظت اكسيژن كاهش مييابد. استفاده از هواي غني شده از نتيروژن همانند EGR است با اين تفاوت كه به حذف مشكلات زير منتهي ميشود:
- وجود اجزاي ناخواسته در هواي ورودي
- نياز به مبدل حرارتي براي خنك كردن گازها
- استفاده ضعيف از هواي تازه
- آلودگي روغن، نقص در رينگ و پيستون و فرسودگي آنها
از جمله مشكلات استفاده از هواي غني شده از نتيروژن به عنوان رقيق‌كننده، ميتوان به افزايش ذرات جامد در گاز خروجي بر اثر كاهش دماي احتراق و همچنين كاهش بازده احتراق اشاره كرد.
http://www.sanatekhodro.com/CrThumb....pg&X=437&Y=262
