آلایندگی خودروهای گازسوز

 (Pollutant)

به منظور بررسی تاثیر گازسوز نمودن خودروها برمحیط زیست و بهداشت جامعه، ابتدا بهتراست برداشت درستی از تعریف آلودگی هوا، مواد آلاینده و منابع آنها و همچنین تاثیر آلاینده ها بر بدن انسان و محیط زیست، داشته باشیم.

طبق تعریف انجمن مهندسین آلودگی هوای آمریکا، آلودگی هوا عبارتست از وجود مواد آلوده کننده در محیط اطراف نظیر دوده، گرد و غبار، گازهای سمی ((NOx,CO,HC,…، تشعشع رادیواکتیویته، صدا، ذرات معلق شیمیایی، بخار و مایعات اسیدی ….. که برای انسان، حیوانات و گیاهان مضر می باشد.

منظور از آلوده کردن محیط زیست عبارتست از مخلوط شدن مواد فوق با آب، هوا و خاک به نحوی که کیفیت فیزیکی و شیمیایی یا بیولوژیکی آنرا تغییر داده و اثر زیانباری برای موجودات زنده داشته باشد.

در این قسمت، پس از توضیح آلاینده های اصلی خودروئی و اثرات سوء آنها بر سلامت بدن و محیط زیست، به معرفی مزایای خودروهای گازسوز در کاهش مقدار آلاینده ها می پردازیم.

انواع آلاینده های منتشره از خودرو:

1) مونو اکسید کربن(CO):

منواکسید کربن یک محصول واسطه در احتراق می‌باشد که درصورت اکسید نشدن کامل (CO به CO₂) این گاز، در گازهای خروجی باقی می‌ماند. از لحاظ تئوری می‌توان CO را از گاز خروجی موتور بنزینی با کارکردن در نسبت هوا به سوخت 14.7:1حذف کرد، ولیکن همواره مقداری CO، در حدود 1% حتی در مخلوطهای رقیق در گاز خروجی موجود است.

در هر شرایط کاری از بار، سرعت و نسبت هوا به سوخت ممکن نیست که CO به ‌طور کامل حذف شود. بنابراین رسیدن به 5/0% یک هدف منطقی به ‌نظر می‌رسد. آلودگی CO در هنگام کارکرد درجای موتور، زیاد و در هنگام کم‌ کردن شتاب، حداکثر می‌شود. این آلودگی در هنگام شتاب و سرعت‌های ثابت حداقل می‌باشد. کم‌کردن شتاب از سرعت‌های بالا، به‌علت بسته شدن نسبی دریچه گاز و کم ‌شدن ناگهانی مقدار O₂، موجب تولید بیشترین مقدار CO می‌شود.

2) اکسیدهای نیتروژن(NOx ):

اکسیدهای نیتروژن معمولاً به ‌صورت NO و NO₂ می‌باشند. البته بسیاری دیگر از سایر اکسیدهای نیتروژن مانند N₂O₄، N₂O، N₂O₃ و N₂O₅ در مقادیر کم تولید می‌شوند، ولی سریعاً در شرایط متعارفی به NO₂ تجزیه می‌شوند.

دمای بالای محفظه احتراق و در دسترس بودن O₂ آزاد از مهمترین عوامل تولید NO و NO₂ به شمار می روند. حداکثر مقدارNO_x  در خروجی هنگامی مشاهده می‌شود که نسبت هوا به سوخت حدوداً 10% بیشتر ازمقداراستوکیومتری ‌باشد. مقدار هوای بیشتر از این مقدار، دمای بیشینه را کاهش می‌دهد و بنابراین غلظتNO_x حتی با وجود اکسیژن آزاد کاهش می‌یابد.

مهمترین فاکتورهایی که در تشکیل NO_x اثر دارند عبارتند از:

–         نسبت هوا به سوخت

–         زاویه آوانس

–         فشار منیفولد ورودی

–         بار موتور

–         نسبت تراکم

میزان تولید NO_xبا افزایش فشار منیفولد ورودی، بار موتور و نسبت تراکم، زیاد می‌شود.

اثر نسبت هوا به سوخت در دو سرعت مختلف موتور و همچنین زاویه آوانس، در تولید اکسیدهای نیتروژن در شکلهای زیرنشان داده شده‌اند.

3) دی اکسید گوگرد(SO2 ):

دی‌اکسید گوگرد گازی است بی‌رنگ که بیشتر از سوختن سوخت‌های حاوی گوگرد مانند زغال‌سنگ و نفت و گازوئیل به ‌وجود می‌آید. منابع مولد، نیروگاه‌ها، وسایل گرم‌کننده، کارخانجات ذوب فلزات، پالایشگاه‌های نفت و صنایع کاغذسازی و خودروهای گازوئیل سوز می‌باشند. همچنین این گاز می‌تواند توسط آتشفشان‌ها و در اثر برخورد آب اقیانوس‌ها با صخره‌ها و اسپری شدن آنها به‌ صورت ذرات سولفات وارد جو شود. دی‌اکسید گوگرد می‌تواند اکسید شود و آلاینده ثانویه‌ای مانند تری‌اکسید گوگرد (SO₃) را به‌وجود آورد. همچنین از ترکیب این گاز با آب موجود در هوای مرطوب، اسید بسیار خورنده H₂SO₄ تشکیل می‌شود. باران اسیدی و اثر خورندگی این اسید از دیگر تبعات این آلاینده می‌باشند.

4) ذرات معلق(PM):

عنوان ذرات معلق به گروهی از ذرات جامد یا مایع اطلاق می‌شود که به ‌اندازه کافی برای معلق ماندن در هوا سبک هستند و به‌ طورعمومی به‌ نام هوامیز شناخته می‌شوند. برخی از آلاینده‌ها مانند ذرات آهن، مس، نیکل، سرب، فیبرهای آزبست و ارسنیک، ذرات جامد و کوچک کربن و دوده در این گروه جای دارند.

از آنجا که این نوع آلودگی معمولاً باعث کاهش دید در محیط زیست می ‌شود، مهمترین نوع آلودگی تلقی می‌شود. مهمترین مشکل در مورد این نوع  آلودگی باقی ماندن آنها برای مدتی در جو می‌باشد، که با توجه به اندازه آنها و مقدار بارش باران وبرف،  این مدت زمان تغییر می‌کند. برای مثال ذرات بزرگتر و سنگین‌تر با قطر بیشتر از 10 میکرون ( mm01/0) بعد از یک یا چند روز پس از انتشار به زمین می‌نشینند، در حالی ‌که ذرات کوچکتر‌ و سبکتر با قطر کمتر از یک میکرون ( mm001/0) می‌توانند در لایه‌های پایین جو برای چندین هفته به‌ طورمعلق باقی بمانند.

بسیاری از ذرات معلق نم‌گیر می‌باشند و وقتی لایه نازک آب روی این ذرات می‌نشیند، اندازه این ذرات بزرگتر می‌شود و هنگامی ‌که قطر این ذرات به 1/0 تا 10 میکرون رسید، اشعه ورودی خورشید را پخش می‌کنند که به آسمان، ظاهری شیری رنگ می‌دهد. این ذرات معمولاً ذرات سولفات یا نیترات حاصل از احتراق موتورهای دیزل و نیروگاه‌ها می‌باشند و هنگامی‌که با آب باران واکنش شیمیایی می‌دهند، باران‌های اسیدی را به‌ وجود می‌آورند.

5) ازن(O3 ):

ازن یک ماده سمی ‌با بوی بسیار بد است که چشم‌ها و لایه‌های مخاطی سیستم تنفسی را اذیت می‌کند. ازن همچنین از رشد درختان کاسته و به محصولات کشاورزی آسیب می‌رساند.

ازن به ‌طور طبیعی در استراتوسفر (استراتوسفر قسمتی از جو می‌باشد که بالای تروپوسفر قرار دارد و بین 10 تا 50 کیلومتر بالاتر از سطح زمین قرار دارد) توسط واکنش بین مولکول و اتم اکسیژن تشکیل می‌شود. در آنجا استراتوسفر یک لایه محافظ در برابر اشعه مضر ماوراء بنفش تولید می‌کند. با این حال نزدیک سطح زمین در هوای آلوده، ازن (که معمولاً ازن تروپوسفر نامیده می‌شود) یک آلاینده ثانویه است که مستقیماً وارد جو نمی‌شود، بلکه این گاز توسط یک سری واکنش‌های پیچیده شیمیایی که شامل آلاینده‌هایی مانند اکسید نیتروژن و ترکیبات آلی فرّار (هیدروکربن‌ها) می‌باشد، تشکیل می‌شود. از آنجا که نور خورشید برای تولید ازن لازم است، غلظت ازن در تروپوسفر معمولاً در بعد ازظهرها و در ماه‌های تابستانی بیشتر می‌شود.

در هوای آلوده تولید ازن هنگامی ‌آغاز می‌شود که مطابق واکنش زیر نور خورشید (با طول موج کمتراز41/0 میکرومتر) دی اکسید نیتروژن را به اکسید نیتروژن و اتم اکسیژن تجزیه‌ کند:

NO₂+ Solar Radiation → NO +O

سپس اتم اکسیژن با مولکول اکسیژن (در حضور مولکول سوم M) ترکیب می‌شود و ازن را به ‌وجود می‌آورد:

O₂+O+M → O₃+M

ازن سپس با ترکیب ‌شدن با اکسید نیتروژن تجزیه می‌گردد:

O₃+NO → NO₂+O₂

پس در هوای آلوده تولید ازن با شدت نور خورشید نسبت مستقیم دارد، به همین علت در زمستان مقدار ازن به حداقل می رسد. اگر نور خورشید وجود داشته باشد، دی‌اکسید نیتروژن تازه تشکیل شده، به اکسیدنیتروژن و اتم اکسیژن تجزیه می‌شود. اتم اکسیژن سپس با مولکول اکسیژن ترکیب می‌شود و مجدداً ازن تشکیل می‌گردد.

6) هیدروکربن‌های نسوخته(HC):

آلودگی هیدروکربن‌های نسوخته به‌ علت ایجاد احتراق ناقص درمحفظه احتراق می‌باشد. مقدار آلودگی هیدروکربن‌ها بسیار وابسته به پارامترهای طراحی مانند سیستم مکش و محفظه احتراق و پارامترهای کاری مانند نسبت هوا به سوخت، سرعت، بار و مُدهای مختلف کاری مانند در جا کارکردن، حرکت یا شتاب گرفتن می‌باشد. 

در این میان تاثیرطراحی محفظه احتراق بسیار مهم می‌باشد چرا که مخلوط هوا و سوخت ممکن است با دیواره برخورد ‌کند و نسوزد. این مخلوط نسوخته در مرحله تخلیه بیرون برده می‌شود و غلظت هیدروکربن‌های نسوخته در گازهای خروجی افزایش می یابد.

7) گازهای گلخانه ای:

گازهایی چون دی‌اکسید کربن (CO₂)، متان (CH₄) و دی‌اکسید نیتروژن (NO₂) که از خودرو منتشر می شوند، جزء گازهای گلخانه ای به شمار می روند، که وجود آنها در جو زمین باعث افزایش گرمای زمین و در نتیجه از بین رفتن گیاهان، ذوب شدن یخچالهای طبیعی و….        می گردد.

 در این میان، CO₂  بیشترین سهم را در صنعت حمل و نقل به خود اختصاص داده است، چرا که این گاز محصول احتراق سوخت‌های کربن‌دار مانند بنزین و گازوئیل(که هر دو نسبت به گاز طبیعی، کربن بیشتری دارند) می‌باشد.

متان (CH₄) نیز گاز گلخانه‌ای مهمی در ارتباط با صنعت حمل و نقل می‌باشد، زیرا این گاز در بسیاری از سوخت‌ها موجود است (به‌عنوان مثال در حدود 95% گاز طبیعی با توجه به نوع مخلوط از متان تشکیل شده است). همچنین انتقال آن به جو از طریق نشت از زیربناها و سیستم‌های انتقال سوخت نیز صورت می‌گیرد. این انتقال شامل نشت از خودرو نیز می‌باشد. علاوه بر این، CH₄، 23 برابر CO₂ پتانسیل گرم‌ شدن جهانی (GWP) دارد و بنابراین در طول 100 سال حجم کمتر این گاز نسبت به CO₂ می‌تواند چند برابر آلودگی‌ ایجاد کند.

NO₂  نیز گازی گلخانه‌ای است که به آلودگی تولیدی در سیستم حمل و نقل مربوط می‌باشد، ولی مسئول درصد کمتری از آلودگی می‌باشد، با این که  GWP آن 210 برابر CO₂ می‌باشد.

اثرات آلاینده ها بر سلامتی بشر:

در جدول زیر ، اثرات سوء آلاینده‌های خطرناک بر سلامتی انسان

و آن ‌دسته از انسان‌ها که بیشتر در معرض خطرات آن قرار دارند،

به‌ صورت مختصر آورده شده است:

حال با آگاهی از انواع آلاینده های منتشره از خودرو و تاثیر آنها بر سلامتی انسان، به بررسی مزایای خودروهای گازسوز از نظر آلایندگی نسبت به خودروهای دیزلی و بنزینی می پردازیم .

مزایای عمده خودروهای گازسوز نسبت به خودروهای با سوخت فسیلی:

الف) با توجه به آنکه 99-80 درصد سوخت CNG شامل متان است، تولید هیدروکربنهای  غیر متانی در خودروهای  گازسوز به میزان 89% کاهش می یابد.

ب) به‌علت نسبت کمتر کربن به هیدروژن در گاز طبیعی، میزان تولید CO2 درموتورهای گازسوز، نسبت به موتورهای دیزلی 10% و موتورهای بنزینی 24% کاهش یافته است.

پ) گازطبیعی به خاطر گاز بودن، نسبت به سوختهای مایع، اختلاط بهتری با هوا دارد، در نتیجه در خودروهای گازسوز میزان انتشار هیدروکربن های نسوخته تا 45% و منوکسید کربن تا 66% کاهش خواهد یافت. البته لازم به ذکر است که در دورهای بالا به‌ علت سرعت پایین احتراق گاز، احتراق تا باز شدن سوپاپ دود ادامه می‌یابد، که منجر به افزایش HC می‌شود. حدود 85 درصد آلایندۀ HC در این موتورها، متان می‌باشد.

ت) ذرات معلق گاز طبیعی نسبت به دیزل و بنزین بسیارکمتراست، به همین علت رسوب روی شمع های اتومبیل از بین رفته و عمر شمع ها و عمر روغن موتور بسیار افزایش می یابد.

ث) آلودگی ناشی از تبخیر سوخت که در موتورهای بنزینی در اثر تبخیر از باک، کاربراتور و نیز تبخیر و خروج بخار سوخت هنگام سوختگیری وجود دارد، در موتورهای گازسوز تقریبا صفر می باشد.

ج) توزیع سوخت CNG به خودروها به نحوی است که نشتی در سیستم وجود ندارد، بنابراین آلودگی سیستم توزیع نیز برابر صفر است.

چ) سوخت CNG در هوا تبخیر می شوند و قابلیت حل شدن در آب و یا نفوذ در خاک را ندارد، ولی سوختهایی چون بنزین علاوه بر تبخیر، قادرند با حل شدن در آب سبب آلودگی و سمی شدن آب شوند وهمچنین با نفوذ درخاک می توانند سبب آلودگی خاک شوند.

خ) از نقطه نظر بارانهای اسیدی وجود مقدار کمی سولفور در سوخت سبب ایجاد دی اکسید سولفور در گازهای خروجی می شود که خود نیز سبب ایجاد بارانهای اسیدی می شود، از این نظر CNG به علت اینکه دارای مقادیر بسیار کمی سولفور هستند، دارای اهمیت است.

د) خودروهای CNG به علت احتراق آرامتر نسبت به موتورهای دیزلی صدای کمتری تولید می کنند، همچنین به علت حذف گوگرد، میزان SO2 کمتری نیز منتشر می کنند.

ذ) گاز طبیعی غیر سمی و بی اثر می باشد و از لحاظ تنفسی مشکلی ایجاد نمی کند.

     این نکته شایان ذکر است که میزان تولید NOX در خودروهای گاز سوز به مراتب بیشتر است. علت آن دمای بالا و زیاد بودن زمان احتراق است. متان نسبت گرمای ویژه بالایی دارد که این امرمنجر به بالاتر رفتن دمای مخلوط سوخت و هوا در پایان مرحلۀ تراکم می‌شود. علاوه بر این، آوانس کردن موتور برای گرفتن توان و بازدۀ حرارتی بالاتر، افزایش دما را به دنبال دارد.

همانطور که گفته شد افزایش دما منجر به افزایش میزان تولید NOX  می شود

راهی برای کاهش بیشتر آلایندگی CNG:

آخرین تحقیقات نشان می دهد که ترکیب هیدروژن و گاز طبیعی فشرده ترکیبی موسوم به HCNG است که به طور قابل توجهی علاوه بر کاهش بیشتر میزان آلودگی های ناشی از ذرات معلق و ترکیبات مونوکسید و دی اکسید کربن دی، اکسید گوگرد و اکسیدهای نیتروژن مقدار انرژی واحد حجم بیشتری را هم تأمین می نماید.

طبق آخرین نتایج منتشر شده حاصل از تحقیقات دپارتمان انرژی آمریکا در تاریخ ژانویه 2003    استفاده از HCNG به جای گازوئیل در اتوبوسهای مورد بررسی نشان می دهد که درصد کاهش آلودگی منوکسید کربن تا حد 3/43% و ترکیبات نیتروژن تا 97% و دی اکسید کربن تا 7/16% می باشد.

البته ترکیب حجمی هیدروژن و CNG که به تولید HCNG می انجامد عموماً با درصدهای 15%، 30% و 50% حجم هیدروژن به حجم کل ترکیب HCNG انجام می گیرد.

منبع: www.minomechanic.persianblog.ir