آلودگی هوا و تاثیرش بر محیط

تاثیر اتومبیل بر آلودگی هوا:
جمعی به این نتیجه رسیدند که «نسبت تراکم» تاثیر مستقیمی بر روی بازده موتور دارد، ولی به دلیل مشکل «کوبش»، مقدار آن به کمتر از 4 محدود شده، در دهه 1880، با توسعه کاربراتور و سیستم جرقه، سرعت موتورها افزایش یافت، و امکان استفاده از موتور دراتومبیلها فراهم شد، در سال 1892، یک مهندس آلمانی به نام «رودلف دیزل»(1913 – 1858)، نوع جدیدی از موتور رابه ثبت رساند، در طرح وی، در مرحله تراکم، تنها هوا متراکم، و در انتهای این مرحله سوخت مایع به داخل هوای داغ پاشیده می شد، از آنجایی که در این طرح، هوا دچارکوبش نمی شود، لذا وی توانست تراکم را بالا ببرد، و بازده موتو را دو برابر کند، یکی از دیگر طرحهای موتور، موتور دورانی است، که اولین آنها توسط «فلیکسوانکل»، در سال 1957 به نتایج رضایتبخشی رسید .

سوختها نیز تاثیر فراوانی در توسعه موتورها داشته اند، اولین موتورها با سوختن گاز، توان مکانیکی تولید می کردند، بنزین در اواخر قرن نوزدهم، برای استفاده ازکاربراتورها مورد استفاده قرار گرفت، بنزینهای اولیه کاملاً فرار بودند و در نتیجه، امکان افزایش نسبت تراکم به بیش از 4 نبود، ولی در عوض راه اندازی موتور(استارت زدن)راحت بود، «ویلیام برتون»(1954 – 1865) توانست با «گراکینگ حرارتی» نفتهایسنگین، بنزینی تولید کند تا بتوان به تقاضاهای روز افزون بنزین پاسخ داد، البته بهدلیل بالا بودن نقطه جوش، استارت حالت سرد موتور مشکلتر بود، که این مشکل نیز با اخترع «استارتر برقی» در سال 1912 حل شد، تاثیر ضد کوبش « تترا اتیل سرب»، در سال 1923، توسط شرکت «جنرال موتورز» کشف شد و در دهه 1930، استفاده از کاتالیزو فعال به جایکراکینگ حرارتی، باعث تولید بنزینهای دارای کیفیت بالا شد.

مساله:
آلودگی هوا در دهه 1940 در لس آنجلس بروز کرد، در سال 1952، کشف شد که مشکل «مهدود»، از واکنش مابین اکسیدهای نیتروژن و ترکیبات هیدروکربنی در مجاورت نورخورشید صورت می گیرد، که موتورها از عوامل اصلی آن هستند، موتورهای دیزل نیزمنبع اصلی دوده و ذرات ریز هستند، لذا برای حفظ محیط ، در کشورهای پیشرفته، استانداردهایی در زمینه محدود ساختن آلاینده های خروجی موتور ارائه شد، همچنین درموتور از تجهیزاتی مانند: «مبدلهای کاتالیزوری»، و در سوخت از مواد افزودنی برایبهبود کیفیت آن و حذف سرب، برای این مهم استفاده شد، از دهه 1970، به دلیل افزایشبهای فراورده های نفتی، برای کاهش مصرف موتور، تلاش زیادی برای بالا بردن بازدهصورت گرفت، البته باید در نظر داشت که کنترل آلودگی موتور، باعث بالا رفتن مصرفسوخت می‌شود.

تلاش بسیاری نیز درباره سوختهای جایگزین بنزین و گازوییل صورت گرفته، که از بین آنهامی توان به گازطبیعی، متانول و اتانول اشاره کرد، هیدروژن، بنزین و گازوییل مصنوعی حاصل از سنگهای نفتی و زغال سنگ، نیز جایگزینهایی بلندمدت محسوب می شوند، بعد از گذشت بیش از یک قرن ، ممکن است به نظر برسد که موتورها به حداکثر توسعه خود رسیده اند، ولی در عمل موتورها همچنان به توان و بازده بالاتر و آلودگی کمتری می رسند، استفاده در موارد جدید باعث کاهش وزن، قیمت وتلفات حرارتی شده است، تزریق سوخت یکی از ایده های مدرن و با تکنولوژی بالابوده و در صورتیکه بخواهیم بیشترین بازدهی ر ا د اشته باشیم استفاده از آن یک پیشنیاز می باشد .ولی در حقیقت تزریق سوخت چندین دهه است که مورد استفاده قرار گرفته و از قبل از جنگ جهانی دوم روش استاندارد تحویل سوخت به موتور می باشد .

با بررسی کوتاهی در نقش وسایل نقلیهب خصوص سیستم سوخت رسانی آنها در آلوده کردن هوا اهمیت و سهم قابل توجه آنها در آلودگی هوا (بویژه شهرهای بزرگ) پی می بریم و با تحقیق در مورد‌ آلاینده هایی که بهاین صورت به محیط زیست ما انسان‌ها وارد می شوند ضرورت اصلاح وسایل نقلیه و بطور خاص به ضرورت تصحیح سیستم سوخت رسانی پی خواهیم برد .انژکتوری کردن سیستم های سوخت رسانی در راستای بهینه کردن مصرف سوخت و در نتیجه کاهش گازهای آلاینده‌ی خروجی از اگزوز می‌باشد .

نقش سوخت موتورها در رابطه با آلودگی هوا:
سوخت بیشتر اتومبیلها منبع فسیلی دارند و هنگام احتراق به مقدار زیادی هوا را آلوده میکنند . برای کاهش آلاینده های ناشی از احتراق موتورها بهتر است گاز مایع راجایگزین سوختهای فسیلی کرد و یا اینکه سیستم سوخت رسانیت صحیح شود که در این راستا از بهبود کیفیت کاربراتورها گرفته و تا این اواخر استفاده از تکنولوژی سیستم سوخت رسانی الکترونیکی (EFI) ، حرکت هایی بسیار مهم انجام شده است، که در این راستا بعضی از کشورهای صنعتی از جمله ژاپن وامریکا پیشتازان این طرحها بوده و به نتایج مطلوبی همرسیده اند، برآوردی که روی 20 هزار تاکسی و کرایهتبدیل شده به گاز مایع در رابطه با آلودگی محیط زیست هوای تهران صورت گرفته به شرحزیر است :

منو:
اکسید کربن CO 80%معادل 100 تن در روز کاهش دارد
اکسیدهای ازت NOX 40%معادل 5/2 تن در روز کاهش دارد
هیدروکربن های نسوخته HC 40%معادل 4 تن در روز کاهش دارد
ذرات دوده و سرب 100%معادل – کاهش دارد

بررسی هریک از این آلاینده ها از نظر منابع ، غلظت و تاثیرات :

کربن منوکسید: کربن منوکسید (CO) یکی از فراوانترین و گسترده ترین آلوده کننده ها است کهاتمسفر پایین یافت میشود کربن منوکسید گازی است که در تمام دماهای بالاتر از نقطةجوشش (C 192 ـ ) بیرنگ، بی بو و بیمزه است، چگالی آن 5/96 درصد هوا است و به طور قابل ملاحظه ای غیر قابل حل درآبمی باشد، این گاز قابل اشتعال است و با شعلة آبی می سوزد.

اهمیت CO ناشی از فعالیت های انسان ( منابع مصنوعی ): علیرغم سهم کوچکاین منابع در مقام مقاسیه با انتشار جهانی CO (4/9 درصد از کل )، تأثیر منابع مصنوعی نیز نباید نادیدهگرفته شود، اطلاعات قبلی، نمی توانند توجیه کننده این واقعیت مهم باشند که منابعطبیعی CO در سراسر جهان پخش شده اند، درحالی که منابع مصنوعی در مناطق بسیار کوچکی متمرکز شده اند، برای مثال: 95 تا 98درصد از CO اتمسفری در یک منطقه شهری ناشیاز فعالیت های انسانی حاصل می شود، ین مقادیر CO به طور معمول 50 تا 100 برابر از مقادیر مشخص جهانی (1/0 تا5/0 ppm ) بالاتر است، اثر منابع مصنوعی درمشکلات آلودگی هوا، به طور مقدماتی محصول دو خاصیت، موقعیت و سرعتبالای انتشار هستند، بنابراین باقیمانده بحث آلودگی CO دراین فصل روی منابع مصنوعی متمرکز خواهد بود .

غلظت وتوزیع CO: از آنجا که اتومبیل به تنهاییتولید کنندة بزرگترین منبع آلودگی CO می‌باشد (6/65 درصد)، مناطقپرجمعیت شهری غلظت بالایی از CO را نشان میدهند . در چنینمناطقی غلظت CO بستگی به وضعیت فعالیتهایروزانه جمعیت دارد، غلظت روزانه CO بستگی کامل به میزان ترافیکدارد .

چهار نظریه جهت کنترل آلودگی حاصل از اتومبیل ها مدنظر است:
1ـ اصلاحموتورهای احتراقی داخلی در جهت تقلیل مقدار تولید آلودگیها در حین احتراق سوخت .
2ـ پیشرفت راکتورهای سیستم اگزوزی که فرآیند سوخت را کامل نموده و آلودگیها را به موادی قابل قبول تر نماید .
3ـ ابداعو توسعه سوخت های مناسب تر که آلودگیهای کمتری را هنگام سوختن تولید نمایند .
4ـ اختراع امکانات و منابع تولید نیرویی که جهت جایگزینی موتورهای احتراق داخلی لودگی کمتری ایجاد نماید . ( نظیر موتورهای گاز سوز )

اصلاح کاربراتور، مانع می شود تا مخلوط هوا و سوخت که میزان سوخت آن بالا باشد به وجودمی آید، همانطور که در شکل 93 نشان داده شده، مخلوطی که مقدار سوخت آن زیاد باشدبه هنگام سوختن مقدار فراوانی CO و HC تولید می کند.
اکسیدهای نیتروژن: هشت نوع متفاوت اکسید ازت شناخته شده اند . ولی معمولاً فقط سه نوع آنها دراتمسفر یافت می شوند .

این سه نوع عبارت از : (نیتروس اکسید (N2O) نیتریک اکسید(NO) نیتروژن دی اکسید (NO2) است)
نیتروساکسید: گازی ، بیرنگ ، غیر قابل اشتعال و غیر سمی بامزه و بوی نسبتاً خوب است .
نیتریکاکسید: نیز ، بیرنگ و غیر قابل اشتعال ولی بی بو و سمی است .
نیتروژن دیاکسید: گازی است بارنگ قرمز ـ قهوه ای غیر قابل اشتعال و بی بوی شدیداً خفقان زا مشخص می شود .
اکسیدهای سولفور: سولفور اکسیدی که به بیشترین مقدار دراتمسفر انتشار می یابد سولفور دی اکسید SO2 می باشد . معمولاً مقدار کمی از سولفور تریاکسید SO3 همراه سولور دی اکسید است . ولی مقادیریبیشتر از حدود 1تا 2 درصد SO2نمی باشد . مجموعةاین دو نوع اکسیدبا Sox نشان داده می شود . سولفور دی اکسید گازی بیرنگ و غیر قابل اشتعال ، با نقطه ذوب و جوش به ترتیب c 5/75 ـ وc 0/10 ـ است. در غلظت های نزدیک به ppm بوی زننده و سوزش آوری دارد . سولفور تریاکسید گازی فوق العاده فعال و بی رنگ و به اسانی به صورت مایع متراکم می گردد (b.p =44/8c) . تحت شرایطمعمولی هیچ SO3 در اتمسفر یافت نمی شود . چون که سریعاً بارطوبت واکنش می دهد و سولفوریک اسید به وجود می آورد.(H2SO4تأثیرات Sox بر روی انسان ها :اغلب تأثیرات SO2 بر روی سلامتی انسان به ناراحتی های مستقیمتنفسی مربوط می شوند . در شکل 94 برخی تأثیرات ازغلظت های SO2 داده شده است، سطوح SO2 لازم برای تولید عکس العمل های قابل مشاهده در انسانها خیلی بیشتر از سطوحی است که باعث صدمه به گیاهان می شود، غلظت پایینتراز ppm 25تأثیر شدید و آزار دهندةSox عمدتاً به سطح فوقانی تنفسی و چشم ها محدودمی شود. تأثیرات تنفسی به سطح فوقانی از قابلیت انحلال SO2 در آب است .
ذرات معلق: آلودهکننده های هوا که در فصول گذشته مورد بحث قرارگرفتند، همگی گاز بودند نباید تصور کرد که تمامی ذرات آلوده کنندة هوا در حالت گازی هستند،به طور کلی به ذراتجامد کوچک و قطرات مایع ، ذرات معلق می‌گویند که در حال حاضر به شدت در آلودگیها ومسائل و مشکلات مربوط به آن سهیم می باشند . آب خالص به صورت قطره ای ، تنها مایعیاست که از این طبقه بندی مجزاست.

روشهای کاهش آلودگی: (سوخت ها به چند طریق محیط زیست را آلوده می کنند)
1- گازهای سوختهشده حاصل از احتراق در موتور به خصوص زمانی که احتراق ناقص باشد
2- ایجاد رسوب درسیستم سوخت رسانی به خصوص هنگامی که موتور تنظیم نباشد
3- تبخیر شدنسوخت ها و انتشار آنها در فضا البته حرارت محیط و موتور نقش موثری در افزایش تبخیر شدن سوخت دارد .
کاهش دمای احتراق:قبلا متوجهشدیم که افزایش دمای احتراق باعث تشکیل گازهای NOX میشود بنابراین از نقطه ظر کنترل آلودگی لازم است دماها ی احتراق کاهش یابد یکی از راهها تقلیل دادننسبتهای تراکم می باشد که با این روش دماهای بالای احتراق کاهش یافته در نتیجهمقدار گاز NOx تقلیل می یابد . در سالهای اخیر به همیندلیل نسبتهای تراکم در موتورها کاهش یافته است . که این کار با تصحیح کاربراتورها شروع و تا انژکتوری شدن موتورهای بنزینیادامه داشته است .

همچنین این عمل کارایی موتور و صرفه اقتصادیرا کم می کند . بهر حال شاید اینطور به نظر برسد پرداختن به تقلیل مقدار گازNOX در محیط ما خطا باشد .روشهای دیگری نیز برایکاهش گاز NOX مورد استفاده قرار می گیرند. یکی از آنهاکاهش تشکیل گاز NOX هنگام گردش عادی موتور بوسیله فرستادنمقداری از گازهای خروجی سوخته شده بدرون موتور می باشد این سیستم را گردش گازهایخروجی E. G. R گویند. سیستمهای دیگرکاهش تشکیل هنگام شتاب در دنده های سنگین و هنگام نیمه باز بودن دریچههای گاز و وضعیت خلاءزیاد می باشد .

کاهش اثر گازهای خروجی:
ممکن استگازهای خروجی از موتور بوسیله مخلوط سوخت و هوا مراحل احتراق و تمیز نمودن گازخروجی قابل کنترل باشد بعبارت دیگر امروزه اغلب موتورها از سیستمهای استانداردکنترل گازهای خروجی که مبتنی بر ترکیب هر سه روش ذکر شده اند قرار دارند تا بتواندمقادیر HC وCOو NOX را کاهش دهد .

کاهش اثرات گازهای خروجی به این معناست که باید عملتمیز کردن بعد از خروج گاز از سیلندرهای موتور و قبل از خروج از لوله اگزوز و ورودبه هوای آزاد صورت پذیرد . دو روش در دنیا برای کاهش اثرات گازهای خروجی مورداستفاده قرار می گیرد: یکی سیستم تزریق هوا و دیگری مبدلهای کاتالیزوری می باشند .

یکی از وسائل سیستم سوخترسانی کاربراتور است که تنظیم آن باید بعد از گرم شدن موتوربه وسیله سیستم سوخت رسانی پیچ کنترل دور آرام صورت گیرد کاربراتور باید طوری تنظیم شود که هنگام کار در دورآرام و نیز در هنگام شتاب که دریچة گاز نیمه باز می شود مخلوط بنزین و هوا با نسبت صحیح به موتور برسد همچنین در هنگام کشیدن ساسات (راه اندازی درهوای سرد) نیزکاربراتور باید نسبت سوخت به هوابیشتر باشد، با انجام تغییراتی در طرح کاربراتور وحتی تغییراتی در کاربراتورهای موجود می توان به هدفهای فوق رسید که در کاهش منواکسید کربن و هیدروکربورها در حالت کار در جا فوق العاده موثر باشد و برای اینکهاز قدرت موتور کاسته نشود لازم است هوای ورودی به کاربراتور را گرم نمود، اصل اینعمل مبتنی به یک مبدل حرارتی است به طوری که از یک وسیله ای که در مسیر لوله تخلیه موتور تعبیه می شود انجام می گیرد.

در سه دهه اخیر از سیستم های انژکتوری بر روی خودروها استفاده می‌شود، (متاسفانه این امر درکشور ما سابقه ای بسیار کوتاهتر از کشورهای پیشرفته دارد) همانطور که بررسی کردیم کارایی بسیار بالاتری از کاربراتور دارند که یکی دیگر ازاین عملکردهای مناسبتر انژکتور نسبت به کاربراتور کاهش بسیار خوب مقدار گازهای خروجی از اگزوز اتومبیل می‌باشد.