أقرأ أيضاً
التاريخ: 2023-10-29
722
التاريخ: 13-1-2016
29268
التاريخ: 2023-12-17
817
التاريخ: 2023-10-28
1097
|
تنتج محركات الاحتراق الداخلية المستخدمة في الآليات الصغيرة والشاحنات، كل من الفحوم الهيدروجينية وأكاسيد النيتروجين، وهما المكونان الرئيسيان من المكونات الثلاثة المطلوبة لتشكل الضباب الدخاني. ففي شروط الحرارة والضغط المرتفعين ضمن محركات الاحتراق الداخلي، تخضع نواتج الاحتراق غير التام للوقود إلى تفاعلات احتراق مرحلية، ينتج عنها عدة مئات من الفحوم الهيدروجينية المختلفة، والتي يكون العديد منها ذو فعالية عالية في تشكيل الضباب الدخاني. إن أهم نقاط انبعاث الملوثات الهيدروكربونية عن السيارة، إضافة للعادم Exhaust، هي علبة ذراع التدوير Crankcase ، ونظام الوقود Fuel System. إن أول ما السيطرة عليه هو كمية الإصدارات الهيدروكربونية الناتجة عن علبة ذراع التدوير، والتي تتألف من زيت المحرك الممتزج مع الغاز العادم والمزيج وقود هواء غير المؤكسد الذي يدخل علبة ذراع التدوير من غرف الاحتراق حول المكابس (البسطونات)، وذلك بإعادة تدوير هذه الإصدارات ضمن المحرك وبواسطة صمام تهوية خاص.
أما المصدر الرئيسي الثاني للانبعاثات الهيدروكربونية عن السيارة فهو نظام الوقود (خزان الوقود ومنافذ تبريد المحرك، والبخاخ). حيث يتبخر وينطلق الوقود الخام إلى الجو، قبيل دخوله إلى غرف الاحتراق ضمن المحرك، وذلك نتيجة التعرض لحرارة المحرك. تم تخفيض مثل هذه الانبعاثات بانتقاء وقود أقل تطايراً، بالإضافة إلى تجهيز السيارات في الوقت الحاضر بعلب خاصة تحتوي على حبيبات الكربون والتي تقوم بتجميع الوقود المتبخر من نظام الوقود، ليتم تنقيته وحرقه أثناء عمل المحرك.
لفهم عملية الإنتاج والتحكم بالانبعاثات الهيدروكربونية لعوادم السيارات، فإنه من المفيد فهم المبادئ الأساسية لمحرك الاحتراق الداخلي. يوضح الشكل (3-18) دورة كاملة لذراع التدوير في المحرك، والمؤلفة من أربع مراحل تتلخص بالتالي:
-1 مرحلة السحب :(Intake) : يتم سحب الهواء إلى داخل الأسطوانة من خلال صمام السحب المفتوح، حيث يتم إدخال الوقود إلى أسطوانة الاحتراق إما بحقنه مع الهواء المسحوب أو بحقنه بشكل منفصل داخل الأسطوانة.
-2 مرحلة ضغط الهواء (Compression) : يضغط المزيج القابل للاحتراق، الوقود والهواء (بالنسبة 7:1 تقريبا). يؤدي ارتفاع نسبة الوقود في مزيج الاحتراق، كفاءة حرارية أفضل واحتراق كامل للمركبات الهيدروكربونية، وبالتالي ارتفاع درجة الحرارة، مما يؤدي إلى إنتاج أكاسيد النيتروجين ، NOx، بتراكيز مرتفعة.
-3 مرحلة الاحتراق :(Ignition) بضغط المزيج هواء والوقود داخل الأسطوانة ويتم إشعاله بواسطة شمعة الإشعال الموجودة ضمن أسطوانة الاحتراق، مما يؤدي وبشكل سريع جدا إلى بلوغ درجة حرارة حوالي 2500. بازدياد حجم الغاز مع تحرك الأسطوانة باتجاه الأسفل، فإن درجة الحرارة تنخفض خلال بضعة أجزاء من الألف من الثانية. يساعد هذا التبريد السريع على عدم تفكك NO.
-4 مرحلة الطرد :(Exhaust تكتمل دورة الأسطوانة بطرد الغازات الداخلية والتي تتألف بشكل رئيسي من CO2 و N2 ، مع آثار من CO و NO والمركبات الهيدروكربونية و O2، إلى خارج المحرك عبر صمام الطرد المفتوح ومن ثم إلى العادم.
يعود السبب الرئيسي لإنتاج الفحوم الهيدروجينية غير المحترقة من أسطوانة المحرك إلى جدار التخميد (Wall Quench)، لكون الجدار بارد نسبياً، والذي يحيط بأسطوانة الاحتراق، يتم تخميد اللهب عند أبعاد عدة أجزاء بالألف من السنتيمتر قرب الجدار. يحتجز جزء من الفحوم الهيدروجينية كغاز متبقي ضمن الأسطوانة، وجزء آخر قد يتأكسد ضمن نظام العادم، أما الكمية المتبقية فتنطلق إلى الغلاف الجوي الخارجي كفحوم هيدروجينية ملوثة. يؤدي الضبط غير الملائم والتباطؤ إلى فشل المحرك مما يزيد الانبعاثات الهيدروكربونية. من الممكن عملياً إضعاف تأثير جدار التخميد، وذلك بتسخين جدار أسطوانة الاحتراق (كما هو الحال في المحركات التوربينية).
للتقليل من كمية الانبعاثات الهيدروكربونية للعادم يجب أن تتوافر عدة صفات في تصميم المحرك. حيث يمكن التقليل من فعل جدار التخميد بتصميم يُنقص من النسبة، سطح حجم غرف الاحتراق، وذلك بالتقليل من نسبة الضغط بالإضافة إلى زيادة الإزاحة لأسطوانة المحرك وزيادة زمن الدورة مقارنةً بكمية الوقود المحملة. يساهم تأخر شرارة الاشتعال أيضاً، بتخفيض نسبة الانبعاثات الهيدروكربونية للعادم، ففي المحركات الاقتصادية، وذات القدرة المثالية، ينبغي لعملية الإشعال أن تطلق لتشعل اللهب قبل بلوغ أسطوانة الاحتراق إلى قمة مرحلة الضغط وبدء مرحلة الاحتراق. حيث لوحظ أن تأخر الشرارة حتى وصول الأسطوانة إلى نقطة أقرب من شمعة الاشتعال (النقطة الميتة العليا ينقص من الانبعاثات الهيدروكربونية بشكل ملحوظ. يعود سبب هذا النقصان إلى نقصان فعالية النسبة سطح / حجم لغرف الاحتراق، وذلك يخفف من فعل جدار التخميد أما السبب الثاني، فهو أنه عند تأخر الشرارة سوف تنظف نواتج الاحتراق من الاسطوانات بشكل أسرع بعد الاحتراق. ولذلك يكون غاز العادم أكثر سخونةً وبالتالي تُحفز تفاعلات تحطم المواد الهيدروكربونية في نظام العادم.
تم مناقشة تأثير تغيير النسبة هواء وقود في فقرة سابقة (دراسة أكاسيد النيتروجين في الغلاف الجوي، وتم توضيح تأثير زيادة أو نقصان كمية الوقود في حجرة الاحتراق على انبعاث الفحوم الهيدروجينية حيث تتناقص الانبعاثات الهيدروكربونية بتناقص نسبة الوقود وزيادة نسبة الاحتراق الكامل للفحوم الهيدروجينية مترافقاً مع زيادة بانبعاث غاز أول أوكسيد النيتروجين.
أما بالنسبة لغازات العادم، فيستخدم مؤخراً وسائط مخففة للتلوث (محولات وساطية Catalytic converters)، ومساعدة على تحطيم الملوثات في غازات العادم. ومن أكثر الوسائط المستخدمة شيوعاً هي المحولات الوساطية الثلاثية ( Three-way conversion catalyst)، ودعيت بذلك كونها تتألف من وحدة مفردة تستخدم لتحطيم الأصناف الرئيسية الثلاثة لملوثات عوادم السيارات (المركبات الهيدروكربونية وCO و ( NOx . يعتمد هذا الوسيط على حساس دقيق لمستويات الأوكسجين في العادم والمرتبط مع جهاز ضبط إلكتروني للمحرك والذي يقوم بتدوير المزيج هواء / وقود ضمن نسب محددة مؤكسداً أحادي أوكسيد الكربون والهيدروجين والمركبات الهيدروكربونية (CcHh)، حسب التالي:
أما أكاسيد النيتروجين فيتم تحفيز تحولها إلى N2 بواسطة أحادي أوكسيد الكربون أو المركبات الهيدروكربونية أو الهيدروجين، كما هو موضح في التفاعل التالي مع:CO
تثبت عادة الوسائط ضمن العادم على ركيزة ذات مساحة سطحية كبيرة، والتي تتألف بشكل عام من الكورديريت (cordierite)، وهي عبارة عن مادة سيراميكية تتألف من الألومينا (Al2O3) والسيليكا وأوكسيد المغنيزيوم. تشبه الركيزة بشكلها قرص العسل، مما بتأمين سطح تماس أكبر ما يمكن مع غازات العادم. تصمم يسمح الركيزة وما فيها من وسائط بحيث تقاوم الضغط واختلاف الحرارة المفاجئ من درجة حرارة المحيط إلى الدرجة °C900 تقريباً) خلال فترة دقيقتين تقريباً أثناء عملية الإقلاع.
تتألف المادة الوسيطة من مزيج معادن ثمينة البلاتين والبلاديوم والروديوم، بحيث تكون نسبتها ( %0.15-0.10) من جسم الركيزة. يساهم كل من Pt و Pd بشكل فعال بأكسدة المركبات الهيدروكربونية وأول أوكسيد الكربون، ويلعب Rh دور الوسيط المرجع لأكاسيد النيتروجين. تتأثر عادة هذه الوسائط بالرصاص والكبريت، لذلك يتطلب أن يكون الوقود خال من الرصاص والذي أصبح وقود المحركات المعياري. أما بالنسبة للكبريت، فهناك جدل كبير، منذ عام 1999، حول اقتراح تغيير القوانين لتخفيض كبير في مستويات تواجد الكبريت في الوقود.
|
|
تفوقت في الاختبار على الجميع.. فاكهة "خارقة" في عالم التغذية
|
|
|
|
|
أمين عام أوبك: النفط الخام والغاز الطبيعي "هبة من الله"
|
|
|
|
|
قسم شؤون المعارف ينظم دورة عن آليات عمل الفهارس الفنية للموسوعات والكتب لملاكاته
|
|
|