کدام افزودنی‌های سوخت، بازده احتراق سوخت در موتورها را بهبود می‌بخشند؟

افزودنی‌های سوخت اکسیژن‌دار: تقویت احتراق کامل

مکانیسم: چگونه اتانول و ۱-بوتanol دسترسی به اکسیژن را افزایش داده و انتشار CO/HC را کاهش می‌دهند

هم اتانول (C2H5OH) و هم ۱-بوتanol (C4H9OH) دارای اکسیژن در مولکول‌های خود هستند، که این امر به معنای انتقال اکسیژن اضافی مستقیماً به داخل موتور هنگام اختلاط با سوخت معمولی است. اکسیژن اضافی موجود، احتراق سوخت را کامل‌تر می‌کند و در نتیجه مقادیر زیادی از محصولات نامطلوب باقی‌مانده از احتراق — که همه ما از آنها بیزاریم — را کاهش می‌دهد. در مقایسه مستقیم با بنزین معمولی، مخلوط‌های حاوی این الکل‌ها موجب کاهش ۲۰ تا ۳۰ درصدی انتشار مونوکسید کربن و کاهش ۱۵ تا ۲۵ درصدی هیدروکربن‌های نسوخته می‌شوند. این امر به دلیل احتراق پاک‌تر و کامل‌تر سوخت در اکثر موتورها در شرایط عادی کارکرد رخ می‌دهد. واقعاً قابل توجه است که چنین پدیده‌ای که ظاهراً بسیار فنی به نظر می‌رسد، چنین تأثیر مثبتی داشته باشد!

تداوم کارایی: تعادل بین افزایش بازده حرارتی ترمز و تشکیل NOx

افزودن ترکیبات اکسیژن‌دار به سوخت‌ها معمولاً بازده حرارتی ترمز را بین ۳ تا ۸ درصد افزایش می‌دهد، زیرا این ترکیبات به احتراق کامل‌تر سوخت کمک می‌کنند. اما این موضوع جنبهٔ دیگری نیز دارد که مهندسان باید به آن توجه کنند. هنگامی که دمای احتراق افزایش می‌یابد، تولید اکسیدهای نیتروژن حرارتی (NOx) نیز از طریق فرآیندی که «مکانیسم زلدوویچ» نامیده می‌شود، شتاب می‌گیرد. تحقیقات حاکی از آن است که در اینجا پدیدهٔ جالبی نیز رخ می‌دهد: هرگاه بازده حرارتی حدود ۱۰ درصد بدلیل استفاده از اکسیژن‌دارکننده‌های اتانولی افزایش یابد، انتشار NOx معمولاً بین ۱۲ تا حتی ۱۸ درصد بیشتر می‌شود. بنابراین، رعایت استانداردهای انتشار صرفاً با افزودن تصادفی برخی افزودنی‌ها محقق نمی‌شود. متخصصان باید با دقت بالا و با توجه به میزان افزودنی مصرفی، زمان دقیق تزریق آن در سیستم و کالیبراسیون مناسب موتورها، تنظیمات لازم را انجام دهند. امروزه افزودن تصادفی مواد بدون محاسبه و برنامه‌ریزی دقیق، کارایی لازم را نخواهد داشت.

کاتالیزورهای نانوذره‌ای: تقویت سینتیک واکنش در داخل سیلندر

کاتالیزورهای نانوذره‌ای، مرز جدیدی در بهینه‌سازی احتراق محسوب می‌شوند که در آن موادی مانند آلومینیوم اکسید (Al₂O₃) و سریم دی‌اکسید (CeO₂) به‌عنوان محرک‌های احتراق در سطح مولکولی عمل می‌کنند. نسبت بسیار بالای مساحت سطحی به حجم این ذرات، محل‌های فعال فراوانی ایجاد می‌کند که واکنش‌های کلیدی اکسیداسیون و حذف دوده را از طریق مسیرهای کاتالیز سطحی تسریع می‌نمایند.

نانوذرات Al₂O₃ و CeO₂ به‌عنوان محرک‌های احتراق: کاتالیز سطحی و مسیرهای اکسیداسیون دوده

نانوذرات اکسید آلومینیوم با جذب رادیکال‌های هیدروکربنی مزاحم، سرعت گسترش شعله را افزایش می‌دهند که این امر در نهایت انرژی مورد نیاز برای آغاز فرآیند اکسیداسیون را کاهش می‌دهد. از سوی دیگر، اکسید سریم ویژگی جالبی دارد: این ترکیب قادر است اکسیژن را ذخیره کرده و در حضور سوخت فراوان آن را آزاد کند؛ سپس در شرایط فقیرتر (کمبود سوخت)، اکسیژن را دوباره جذب می‌کند. این دو اثر در ترکیب با یکدیگر، انتشار ذرات معلق را در موتورهای دیزل بین ۱۵ تا ۳۰ درصد کاهش می‌دهند. علاوه بر این، فرآیند احتراق کمی کارآمدتر می‌شود، زیرا احتراق به‌طور کامل‌تری انجام می‌گیرد. برای تولیدکنندگانی که با مقررات انتشار آلاینده‌ها سروکار دارند، این بهبودها ارزش واقعی ایجاد می‌کنند، حتی اگر افزایش کارآیی نسبتاً جزئی باشد.

چالش‌های عملی: پایداری پراکندگی، تجمع‌پذیری و اعتبارسنجی مصرف سوخت در شرایط واقعی

دستیابی به آن نتایج چشمگیر آزمایشگاهی با نانوذرات و تبدیل آن‌ها به افزودنی‌های سوخت قابل استفاده روزانه هنوز کار دشواری است. زمانی که این ذرات در حین نگهداری یا در شرایط گرم شدن به هم می‌چسبند، اثربخشی خود را از دست می‌دهند، زیرا سطح تماس موجود برای واکنش‌ها کاهش می‌یابد. همچنین اگر این ذرات به‌درستی در سیستم سوخت پخش نشوند، ممکن است در بلندمدت منجر به مشکلاتی مانند انسداد نازل‌های تزریق سوخت شوند. اکثر مهندسانی که روی این موضوع کار می‌کنند، در حال حاضر رویکردهای مختلفی را آزمایش می‌کنند؛ عمدتاً به دنبال روش‌هایی برای حفظ پایداری ذرات با استفاده از مواد شیمیایی خاص و تکنیک‌هایی مانند امواج صوتی برای اختلاط بهتر آن‌ها هستند. با این حال، آنچه از آزمایش‌های انجام‌شده روی ناوگان واقعی خودروها مشاهده شده، داستانی متفاوت را روایت می‌کند. اگرچه نانوذرات در محیط‌های کنترل‌شده عملکرد خوبی دارند، اما عملکرد آن‌ها در موتورهای قدیمی‌تر — که با انواع مختلفی از کیفیت سوخت و شرایط رانندگی مواجه می‌شوند — بین ۸ تا ۱۲ درصد کاهش می‌یابد. این شکاف نشان‌دهنده این است که آزمایش‌های میدانی دقیق باید مدت‌ها پیش از اینکه هرگونه فروش تجاری از این محصولات آغاز شود، انجام گیرد.

تغییردهنده‌های اشتعال: بهینه‌سازی زمان اشتعال برای حداکثر بازده

افزودنی‌های سوخت که زمان اشتعال را تغییر می‌دهند، به‌گونه‌ای طراحی شده‌اند که با کنترل دقیق‌تر زمان اشتعال سوخت نسبت به موقعیت پیستون، بازده احتراق را افزایش دهند. چه موقع با پیش‌بردن یا تأخیر انداختن لحظه آغاز اشتعال، این ترکیبات به موتورها کمک می‌کنند تا در شرایطی نزدیک به حدود ترمودینامیکی کار کنند— بدین ترتیب بیشترین مقدار انرژی را از سوخت استخراج کرده و گرمای زائد و آلاینده‌ها را به حداقل برسانند.

افزاینده‌های عدد سیتان (مانند نیترات ۲-اتیل‌هگزیل) و کاهش‌دهنده‌های زمان تأخیر اشتعال در دیزل

افزایش‌دهنده‌های سیتان مانند نیترات ۲-اتیل‌هگزیل (۲-EHN) با تجزیه شدن به رادیکال‌های آزاد در اثر گرما و فشار شدید داخل موتورهای دیزل عمل می‌کنند. آنچه در ادامه رخ می‌دهد، در واقع بسیار جالب است: این فرآیند تجزیه، احتراق خودبه‌خودی را تسریع می‌کند و به همین دلیل راه‌اندازی این موتورها در شرایط سرد خارج از محیط بسیار آسان‌تر می‌شود. آزمایش‌ها نشان می‌دهند که این امر می‌تواند در شرایط سرد، انتشار مونوکسید کربن و هیدروکربن‌ها را حدود ۱۵ درصد کاهش دهد. با این حال، یک محدودیت وجود دارد: زمانی که تأخیر احتراق به‌طور قابل توجهی کاهش یابد، فشار داخل سیلندرها به‌طور چشمگیری افزایش می‌یابد. و اگر سیستم تزریق برای این تغییر به‌درستی تنظیم نشده باشد، انتشار اکسیدهای نیتروژن به‌جای کاهش، ۸ تا ۱۲ درصد افزایش می‌یابد. به همین دلیل، تنظیم دقیق موتور همچنان برای حفظ مزایای کنترل انتشار آلاینده‌ها در هنگام استفاده از این افزودنی‌ها امری کاملاً حیاتی است.

افزایش‌دهنده‌های اکتان (مانند MMT) که امکان استفاده از نسبت تراکم بالاتر را در موتورهای اشتعال جرقه‌ای (SI) فراهم می‌کنند

موتورهای اشتعال جرقه‌ای از ماده‌ای به نام تری‌کربونیل متیل‌سیکلوپنتادینیل منگنز، که معمولاً با نام MMT شناخته می‌شود، بهره می‌برند. این ماده با ثابت نگه داشتن اکسیداسیون سوخت در مراحل اولیه احتراق، از ضربه‌خوردن موتور جلوگیری می‌کند. در نتیجه، سازندگان می‌توانند به‌طور ایمن نسبت فشرده‌سازی را حدود ۱٫۵ تا ۲ واحد افزایش دهند که این امر منجر به بهبود بازده حرارتی ترمز در محدوده ۴ تا ۷ درصد می‌شود. آزمون‌های واقعی نشان می‌دهند که خودروهایی که از این سوخت‌های با عدد اوکتان بالاتر استفاده می‌کنند، در هر کیلومتر رانندگی حدود ۵ درصد کمتر دی‌اکسید کربن منتشر می‌کنند. با این حال، مقدار منگنز قابل استفاده محدودیت دارد، زیرا تجمع بیش از حد آن در طول زمان بر روی اجزای مهم موتور مانند سنسورهای اکسیژن و کاتالیزورهای خودرو ایجاد می‌شود؛ بنابراین اکثر مقررات سطح مجاز این افزودنی را محدود کرده‌اند.

بخش سوالات متداول

افزودنی‌های سوخت اکسیژن‌دار چیستند؟

افزودنی‌های سوخت اکسیژن‌دار ترکیباتی مانند اتانول و ۱-بوتanol هستند که حاوی اکسیژن در ساختار مولکولی خود می‌باشند. این ترکیبات با سوخت معمولی مخلوط می‌شوند تا کارایی احتراق را بهبود بخشند و انتشار آلاینده‌ها را کاهش دهند.

کاتالیزورهای نانوذره‌ای در موتورهای احتراقی چگونه کار می‌کنند؟

کاتالیزورهای نانوذره‌ای، مانند اکسید آلومینیوم و دی‌اکسید سریم، با فراهم‌آوردن سطوح فعال فراوانی که واکنش‌های اکسیداسیون و حذف دوده را تسریع می‌کنند، احتراق را بهبود می‌بخشند و منجر به انتشار پاک‌تری می‌شوند.

چالش‌های استفاده از کاتالیزورهای نانوذره‌ای چیست؟

چالش‌های اصلی شامل تضمین پایداری پراکندگی نانوذرات برای جلوگیری از تجمع آن‌ها و اعتبارسنجی عملکرد آن‌ها در سیستم‌های سوخت واقعی برای حفظ اثربخشی است.

مواد اصلاح‌کننده اشتعال چگونه احتراق را بهینه می‌کنند؟

مواد اصلاح‌کننده اشتعال زمان اشتعال سوخت را نسبت به موقعیت پیستون کنترل می‌کنند تا احتراق کارآمدتری ایجاد شده و هدررفت انرژی و انتشار آلاینده‌ها به حداقل برسد.