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.