چرا موتور بیشترین انتشار آلایندگی را در دقایق اول تولید می‌کند؟

تا زمانی که کاتالیزور به دمای عملکرد خود برسد، موتور برای ایمنی با مخلوط غنی کار می‌کند و چندین برابر گازهای آلاینده تولید می‌کند.
تا زمانی که کاتالیزور به دمای عملکرد خود برسد، موتور برای ایمنی با مخلوط غنی کار می‌کند و چندین برابر گازهای آلاینده تولید می‌کند.

این صفحه را به اشتراک بگذارید

موتور سرد در نخستین دقیقه‌های پس از روشن شدن، در مقایسه با موتور گرم چند برابر آلاینده بیشتر تولید می‌کند؛ زیرا کاتالیزور هنوز به دمای عملکرد نرسیده است، موتور برای حفظ ایمنی با مخلوط غنی کار می‌کند و سوخت کاملاً تبخیر نمی‌شود. بر اساس اندازه‌گیری‌ها، بخش عمده انتشار گازهای مضر یک سفر، در همان یک-دو دقیقه اول پس از قرارت Contact و روشن کردن موتور شکل می‌گیرد. در این صفحه سازوکار آن دقیقه‌های اول و راه‌حل‌های تولیدکنندگان را همراه با اعدادشان بررسی می‌کنیم.

نکات برجسته

  • کاتالیزور تا زمانی که به دمای روشن‌شدگی حدود 200 درجه سلسیوس (400 درجه فارنهایت) نرسد، نمی‌تواند گازهای مضر را تبدیل کند.
  • بیش از 70 درصد از انتشار گازهای مضر در یک رانندگی معمولی، در لحظه استارت سرد رخ می‌دهد.
  • خودرو بنزینی مدرنی که در دمای منفی 4 درجه فارنهایت روشن می‌شود، در مقایسه با دمای 73 درجه فارنهایت حدود 15 برابر CO بیشتر و 35 برابر HC بیشتر منتشر می‌کند.
  • در موتور سرد، انتشار CO حدود 3 برابر موتور گرم و هیدروکربن نسوخته حدود 4 برابر به سطح می‌رسد.
  • در سیستم‌های هیبرید پلاگین، کاتالیزور به لطف جریان قوی اگزوز می‌تواند در حدود 90 ثانیه کاملاً فعال شود.

چرا موتور سرد آلایندگی بیشتری دارد؟

هسته مشکل یک مسئله گرمایی است. کاتالیزوری که مونوکسید کربن (CO)، اکسیدهای نیتروژن (NOx) و هیدروکربن‌های نسوخته (HC) موجود در گاز اگزوز را به ترکیبات بی‌ضرر تبدیل می‌کند، مانند یک راکتور شیمیایی کار می‌کند و این واکنش‌ها تنها بالای یک دمای مشخص آغاز می‌شوند. به این آستانه که کاتالیزور از آن به بعد کارآمد عمل می‌کند، دمای روشن‌شدگی (light-off) می‌گویند و در خودروهای بنزینی مقدار معمول آن حدود 200 درجه سلسیوس یعنی حدود 400 درجه فارنهایت است. در چند دقیقه اول پس از استارت سرد، کاتالیزور زیر این آستانه قرار دارد؛ هر گرم آلاینده‌ای که وارد اگزوز می‌شود تقریباً بدون هیچ تبدیلی به جو می‌رسد.

ابعاد عددی ماجرا روشن است: یک خودرو بنزینی مدرن که در هوای معتدل روشن می‌شود، هنگام استارت در منفی 4 درجه فارنهایت حدود 15 برابر CO بیشتر و 35 برابر HC بیشتر منتشر می‌کند. در همین راستا، انتشار CO اندازه‌گیری‌شده در موتور سرد به حدود سه برابر موتور گرم و هیدروکربن کل به حدود چهار برابر می‌رسد. باید این برآورد را نیز به تصویر افزود که هر 20 درجه فارنهایت کاهش دمای محیط، انتشار ذرات در استارت سرد را به‌ازای هر مایل تقریباً دو برابر می‌کند.

سهم این فاز اول در بودجه کل یک سفر چشمگیر است. بر اساس اندازه‌گیری‌های سمت تولیدکنندگان، بیش از 70 درصد از انتشار گازهای مضر یک رانندگی معمولی در لحظه استارت سرد شکل می‌گیرد؛ در خودروهای معمولی، پنجره 30-40 ثانیه‌ای که کاتالیزور گرم‌شده وارد عمل می‌شود، می‌تواند به 80-90 درصد انتشار کل چرخه کمک کند. معروف‌ترین مقایسه این موضوع نیز از همین‌جا می‌آید: زمانی که در یک روز سرد زمستانی سوار خودرو می‌شوید، کمربند ایمنی را می‌بندید و آینه‌ها را تنظیم می‌کنید، می‌تواند گازهای مضر بیشتری نسبت به یک سفر بزرگراهی 200 مایلی تولید کند.

در دقیقه‌های اول چه اتفاقی می‌افتد؟ دلایل مکانیکی اوج آلایندگی

Soğuk motorun ilk dakikalarında ECU'nun bilinçli olarak zenginleştirdiği karışım, tam yanamayan yakıtın CO ve hidrokarbon olarak egzoza çıkmasına yol açar.

اوج انتشار آلاینده‌ها در استارت سرد نه از یک دلیل، بلکه از همپوشانی چند مکانیسم که یکدیگر را تقویت می‌کنند سرچشمه می‌گیرد. اگر بخواهیم آن‌ها را یکی‌یکی باز کنیم:

مخلوط غنی و احتراق ناقص

در موتور سرد، وقتی سوخت به دیواره‌های سیلندر برخورد می‌کند بخار نمی‌شود؛ مایع ماندن آن احتراق را تضعیف می‌کند و می‌تواند به خاموش شدن موتور منجر شود. برای جلوگیری از این وضعیت، ECU در دقیقه‌های اول سوخت بیشتری نسبت به حالت عادی پاشش می‌کند، یعنی مخلوط را آگاهانه غنی می‌سازد. نتیجه طبیعی مخلوط غنی این است که بخشی از سوختی که به دلیل کمبود اکسیژن کامل نمی‌سوزد، به صورت CO و هیدروکربن نسوخته از اگزوز خارج می‌شود. پس از گرم شدن موتور و مایع خنک‌کننده، کامپیوتر مخلوط را به مقدار اسمی برمی‌گرداند، اما تا آن نقطه، آسیب به بودجه انتشار افزوده شده است.

اثر اصطکاک و نشتی روغن سرد

گرانروی روغن به شدت به دما وابسته است. روغن سرد غلیظ‌تر است؛ اصطکاک داخلی موتور افزایش می‌یابد و آب‌بندی اطراف رینگ‌های پیستون و بوش سوپاپ‌ها ضعیف می‌شود. نتیجه، احتراقی با راندمان پایین‌تر و آلوده‌تر در دقیقه‌های اول است. به همین دلیل، پیش از رسیدن موتور به دمای کارکرد کامل، کیفیت احتراق به استاندارد موتور گرم نمی‌رسد.

تأخیر در تبخیر و سطوح سرد

بند دیگری از جدول انتشار، تأخیر در تبخیر است. برای تبخیر کامل سوخت، گرمای کافی درون سیلندر لازم است؛ در موتور سرد این گرما وجود ندارد و بخشی از سوخت بدون سوزاندن به اگزوز منتقل می‌شود. افزون بر این، منیفولد اگزوز و بدنه کاتالیزور نیز سرد هستند، به همین دلیل گازهای ورودی با اتلاف گرما سردتر می‌شوند و بازدهی از پیش پایین کاتالیزور کمی بیشتر افت می‌کند.

استارت سرد چقدر طول می‌کشد؟ چرا تعریف مدت زمان تغییر می‌کند؟

یک نکته فنی جالب: در متون علمی تعریف مشترکی درباره مدت فاز استارت سرد وجود ندارد. در مطالعات اندازه‌گیری مختلف، فاز سرد 120 ثانیه، 165-230 ثانیه، به طور میانگین 1 کیلومتر (حداکثر 3 کیلومتر) یا به طور میانگین 5.2 کیلومتر تعریف شده است. رویکرد رایج دیگر، فاز را تا زمانی که مایع خنک‌کننده به 70 درجه سانتی‌گراد برسد محاسبه می‌کند. علت تفاوت، تعریف است: برخی مطالعات روشن شدن کاتالیزور، برخی گرم شدن مایع خنک‌کننده و برخی بازگشت قطع سوخت به حالت عادی را معیار قرار می‌دهند.

مدت توقف نیز مهم است. سرد شدن کامل موتور ممکن است تا 12 ساعت طول بکشد، اما بخش عمده اتلاف گرما در 2 ساعت اول رخ می‌دهد. پس از یک توقف 45 دقیقه‌ای ، کاتالیزور به میزان قابل توجهی سرد می‌شود؛ انتشار CO و HC به نصف سطوح استارت سرد و بیش از 85٪ تفاوت NOx بازمی‌گردد. حتی یک توقف کوتاه 15 دقیقه‌ای برای افزایش انتشار آلاینده‌های استارت کافی است. در عمل این بدان معناست که وسایل نقلیه‌ای که در طول روز سفرهای کوتاه با توقف‌های مکرر انجام می‌دهند، بودجه کل انتشار خود را به شکل محسوسی بالا می‌برند.

سازندگان چگونه این مشکل را حل می‌کنند؟

هدف مهندسی را می‌توان در یک جمله خلاصه کرد: رساندن کاتالیزور در کوتاه‌ترین زمان ممکن به دمای روشن شدن و کاهش انتشار ایجادشده در همان مدت. راه‌های رسیدن به این هدف به چند استراتژی مکمل تقسیم می‌شود.

کاتالیزور نزدیک‌به‌موتور (close-coupled)

مستقیم‌ترین راه‌حل از نظر هندسه: انتقال کاتالیزور از زیر شاسی به منیفولد اگزوز، یعنی نزدیک‌کردن آن تا جای ممکن به موتور. گازهای اگزوز داغ با اتلاف حرارتی کمتری به کاتالیزور می‌رسند و زمان روشن‌شدن (light-off) کوتاه‌تر می‌شود؛ کاتالیزوری که نزدیک موتور قرار دارد، در مقایسه با کاتالیزور زیر شاسی می‌تواند به دمای بسیار بالاتری برسد. اما بهای این رویکرد، بسته‌بندی و مدیریت حرارت است: نزدیکی کاتالیزور به موتور، خطر انتقال ناخواسته گرما به محفظه سرنشین را ایجاد می‌کند و عایق‌بندی حرارتی مسیر اگزوز اهمیتی حیاتی پیدا می‌کند.

کاتالیزور با گرمایش الکتریکی (EHC)

راه دوم، به‌جای انتظار از کاتالیزور، گرم‌کردن فعال آن است. در کاتالیزورهای با گرمایش الکتریکی، یک المنت گرم‌کننده شبیه به مقاومت برقی، کاتالیزور را بلافاصله پس از استارت به دمای روشن‌شدن می‌رساند. نسل نخست این کاربردها به دلیل نگرانی‌های بازدهی انرژی و دوام فراگیر نشدند؛ اما قوی‌ترشدن معماری‌های برقی خودروها، به‌ویژه باتری‌های بزرگ در خودروهای هیبریدی و پلاگین هیبریدی، این فناوری را با مصرف سوخت اضافی بسیار اندک قابل اجرا کرد. امروزه سیستم Rapid Catalyst Heating شرکت Bosch و راه‌حل Lamella Heater شرکت Eberspächer با تسریع فعال‌سازی کاتالیزور هدفشان کاهش انتشارات در فاز استارت سرد است. در سمت دیزلی نیز ترکیب SCR نزدیک‌به‌موتور و EHC پتانسیل جدی در کاهش انتشارات دارد. ساختار سابستریت FLORA شرکت Corning از زاویه دیگری به مسئله نزدیک می‌شود: چون کاتالیزور با انرژی کمتری به دمای روشن‌شدن می‌رسد، نیاز به سوخت اضافی در استارت سرد کاهش می‌یابد.

مدیریت حرارت و تله‌های HC در سیستم‌های هیبریدی

خودروهای هیبریدی مشکل استارت سرد را از دو جهت حل می‌کنند. نخست، تغذیه EHC توسط باتری قوی؛ دوم، جریان اگزوز قوی‌تر که هنگام ورود موتور به مدار، کاتالیزور را به‌سرعت گرم می‌کند. در اندازه‌گیری‌های پلاگین هیبریدی، کاتالیزور پس از حدود 90 ثانیه به سطحی می‌رسد که تمام گازهای اگزوز را پاکسازی می‌کند؛ درحالی‌که یک کاتالیزور سردشده، حتی با حرارت باقیمانده حدود 90 درجه سانتی‌گراد، برای گرم‌شدن کامل به سه دقیقه نیاز دارد. ذخیره‌سازی گرما نیز راهکاری مؤثر است: یک کاتالیزور نمونه اولیه با مواد تغییرفاز که گرمای کاتالیزور را نگه می‌دارند، به‌جای 25 دقیقه توانسته دمای بالا را تا 17 ساعت حفظ کند؛ پیش‌گرمایش 500 ثانیه‌ای در این سیستم کاهش 64 درصدی در CO و 15 درصدی در HC به همراه داشته است.

برای از بین‌بردن انتشارات تولیدشده تا زمان روشن‌شدن کاتالیزور، فناوری جداگانه‌ای نیز وجود دارد: تله‌های هیدروکربنی. این ساختارها که از ترکیب نقره و زئولیت استفاده می‌کنند، هیدروکربن‌های افزایش‌یافته در موتور سرد را به‌صورت موقت به دام می‌اندازند؛ و هنگامی که کاتالیزور گرم می‌شود، هیدروکربن‌های محبوس‌شده را آزاد کرده و تبدیل آن‌ها را به کاتالیزور می‌سپارند. در سمت موتور نیز زاویه جرقه تأخیری، با افزایش دمای گازهای اگزوز، به‌عنوان یک اهرم کلاسیک برای تسریع گرم‌شدن کاتالیزور در کنار گزینه گرمایش الکتریکی ارزیابی می‌شود. هر رویکرد یک بده‌بستان دارد: گرمایش الکتریکی سریع است اما قطعه اضافی و نقطه خرابی ایجاد میکند؛ کاتالیزور close-coupled انرژی اضافی نمیخواهد اما مدیریت حرارت را دشوار میکند.

حسگر لامبدا دوم چه کاری انجام میدهد؟

پرسش رایج رانندگان درباره وظیفه حسگر اکسیژن دوم اگزوز است. کار اصلی حسگر لامبدای بالادست، یعنی قبل از کاتالیزور، کنترل سوخت است: با اندازهگیری اکسیژن اگزوز، ECU را قادر میسازد مخلوط را در مقدار استوکیومتری نگه دارد. حسگر دوم در پایین‌دست، پس از کاتالیزور را پایش میکند و وظیفه اصلی آن سنجش بازدهی کاتالیزور است. با مقایسه سیگنالهای دو حسگر، ظرفیت ذخیره اکسیژن و تبدیل کاتالیزور ارزیابی میشود؛ اگر بازدهی از حد تعریفشده پایینتر بیاید، ECU چراغ check engine را روشن میکند. در زمینه استارت سرد، این حسگر دوم سازوکار نظارتی است که تایید میکند آیا کاتالیزور پس از روشن شدن چراغ واقعا کارش را انجام میدهد یا نه.

به عنوان راننده چه باید کرد؟ چرا گرم کردن در حالت درجا غلط است؟

یکی از رایجترین اشتباهات، گرم کردن خودرو در حالت درجا در هوای سرد است. اندازهگیریها دقیقا خلاف آن را پیشنهاد میکنند: در هوای معتدل، درجا زدن موتور انتشار بیشتری نسبت به رانندگی گرمایشی تولید میکند و تجهیزات کنترل آلایندگی را به سرعت رانندگی گرم نمیکند. چون در حالت درجا جریان اگزوز و بار موتور پایین است، کاتالیزور به کندی گرم میشود؛ در حالی که با یک رانندگی ملایم، هم موتور و هم کاتالیزور بسیار سریعتر به دمای کاری میرسند. تنها وضعیتی که گرم کردن با درجا زدن موتور قابل قبول است، هوای بسیار سرد مثل یخبندان و نیاز به یخزدایی شیشهها و محافظت از موتور است.

نکات کاربردی دیگر نیز بر همین منطق استوارند:

  • توقفهای کوتاه روز را تا حد امکان با هم ادغام کنید؛ پس از توقفهای 15 تا 45 دقیقهای، انتشار در استارت به طور محسوسی افزایش مییابد.
  • بعد از روشن کردن خودرو بلافاصله، با دور موتور پایین و گاز ملایم حرکت کنید؛ زمان انتظار طولانی در حالت درجا را حذف کنید.
  • اگر چراغ check engine به ویژه در هوای سرد روشن شد، حسگر دمای مایع خنککننده را بررسی کنید؛ این حسگر اطلاعات مورد نیاز ECU برای تنظیمات سوخت و زمانبندی استارت سرد را فراهم میکند و خرابی آن میتواند مخلوط را مختل کند.

چرا استارت سرد در عصر Euro 7 بحرانیتر میشود؟

مقررات مربوط به آلایندهها مستقیماً به مسئله استارت سرد مرتبط است. Euro 7 محدودیتهایی مانند حدود 25٪ پایینتر به صورت اسمی برای خودروهای دیزلی و کاهش ضریب انطباق از 1,43 به 1 را اعمال میکند؛ فناوری کنترل آلایندگی بهروزترین میتواند NOx کامیون را تا میزان ٪75-96 و NOx خودروهای بنزینی را تا میزان ٪40-64 نسبت به استاندارد قبلی کاهش دهد. با تنگتر شدن حدود، کوتاه کردن فاز استارت سرد که بخش عمده کل انتشار را تشکیل میدهد، ناگزیر در مرکز مهندسی قرار میگیرد. گسترش خودروهای هیبریدی نیز وضعیت را تغییر میدهد: پیشبینی میشود سهم انتشار استارت سرد هیبریدها از کل انتشار CO و HC و NOx در سال 2035 به ترتیب ٪14 و ٪25 و ٪13 باشد؛ یعنی برقری سازی این مشکل را از بین نمیبرد، بلکه آن را بازتعریف میکند.

نتیجه یک معادله ساده است: تا وقتی کاتالیزور گرم نشود، خودرو نمی‌تواند تمیز کار کند و همان دقیقه‌های اول، سرنوشت انتشار آلایندگی کل سفر را تعیین می‌کند. کاتالیزورهای نزدیک به موتور، گرمایش الکتریکی، ذخیره‌سازی گرما و تله‌های HC همگی راهکارهایی قفل‌شده بر یک هدف واحدند؛ سهم راننده هم از رها کردن دور آرام و حرکت دادن نرم خودرو به راه می‌گذرد.

منابع