سوخت

موتورهای احتراق داخلی می تواند با استفاده از انواع مختلفی از سوخت های گازی کار کند. این گازها عبارتند از:

گاز مایع (LPG) شامل پروپان و بوتان

گاز ترش شامل گاز طبیعی فراوری نشده
بیوگاز شامل گازهای قابل احتراق تولید شده از تخریب زباله های آلی مانند گاز چاه ضایعات، گاز فاضلاب و گاز فاضلاب حیوانات
گازهای تولیدی از زباله های صنعتی شامل گازهای مشعل و گازهای مربوط به پالایشگاه، کارخانه های شیمیایی و کارخانه های فولاد.
گازهای تولید شده به طور نمونه وار گازهای تولیدی از فرایندهای گازی شدن در فرایندهای پیرولیزی
فاکتورهایی که بر روی عملکرد موتورهای احتراق داخلی با سوخت های گازی دیگر استفاده می کند، عبارتند از:
ارزش حرارتی حجمی: از آنجایی که سوخت موتور به حجم موتور تحویل می گردد، حجم سوخت وارد شده به داخل موتور با کاهش حجم حرارتی، افزایش می یابد. این مسئله با کاهش ظرفیت موتور در هنگام استفاده از سوخت های با ارزش پایین می باشد. کاهش ظرفیت در موتورهای مکشی تشدید می شود و این مسئله ممکن است به طور جزئی با استفاده از توربوشارژر در موتورها، برطرف گردد.

ویژگی های احتراق اتوماتیک و تمایل به انفجار

آلودگی هایی که ممکن است بر روی عمر مفید اجزای موتور یا نگهداری موتور اثر گذارد. و یا موجب انتشار گازهای آلاینده ای شود که نیازمند اندازه گیری های کنترلی دیگر است.
مقدار هیدروژن که ممکن است برای اندازه گیری های خاص، مورد نیاز است (عموما اگر درصد هیدروژن بزرگتر از 5 % باشد). علت این موضوع این است که هیدروژن به طور قابل توجهی آتش گیر است. از جمله دیگر عوامل سرعت شعله و ویژگی های رهایش حرارتی آن است.
جدول 1 ترکیب شیمیایی مربوط به برخی از سوخت های گازی دیگر که جایگزین گاز طبیعی می شوند، را با هم مقایسه کنید. زباله های صنعتی و گازهای تولید شده در جدول زیر آورده نشده اند زیرا ترکیب شیمیایی آنها متغیر است. این ترکیب شیمیایی به منبع آنها وابسته است. مقادیرH_2 یا CO آنها به طور قابل توجهی بالاست. سایر اجزای شیمیایی آنها عبارتند از دی اکسید کربن، بخارآب، هیدروکربن های سبک، H_2 S و دی اکسید سولفور است.
آلودگی ها در بسیاری از سوخت های بدست آمده از زباله وجود دارند. در بین این آلودگی ها، آلودگی های اسیدی (مانند سولفید هیدروژن، اسیدهای هالوژنی، سیانید هیدروژن)، آمونیاک، نمک ها وسایر ترکیبات فلزی، مواد آلی هالوژن دار، گوگرد دار، نیتروژن دار، سیلیسیم دار و روغن ها بیشتر خود نمایی می کنند. در احتراق، ترکیبات هالوژن دار و گوگرد دار اسیدهای هالوژنی، SO_2 و مقداری SO_3تولید می کنند. همچنین امکان تولید اسید سولفوریک نیز وجود دارد. اگر دمای اگزوز کمتر از نقطه ی شبنم زنی اسیدها باشد، این اسیدها می توانند وسایل مربوط به سیستم اگزوز را دچار خوردگی کرده و عمر مفید روغن روان ساز را نیز کاهش می دهد. در طی احتراق، یک کسر قابل توجه از هر ترکیب سوختی نیتروژن دار، به NO_x تبدیل می شود. ذرات جامد باید غلظت پایینی داشته باشند تا بدین صورت از خوردگی و ایروژن محفظه ی احتراق و اجزای توربوشارژر، جلوگیری شود. اگر شاخص های آلودگی تدوین شده بوسیله ی تولید کننده، در سوخت وجود نداشته باشد، بخش های تمیزکننده ی سوخت، جداکننده ی قطرات و فیلترهای مختلف مورد نیاز است. مخصوصا در گازهای زمینی دارای ترکیبات کلردار، ترکیبات گوگرد دار، اسیدهای آلی و ترکیبات سیلیکونی هستند که این گازها باید پیش از استفاده، فرآوری شود.
وقتی سوخت های جایگزین عمل آوری شوند و به حدی از کیفیت برسد که برای استفاده در موتور مناسب باشد، نمودارهای کارایی این سوخت ها مشابه سوخت های متداول می شود.

گاز مایع

گاز مایع از پروپان و بوتان تشکیل شده است. پروپان می تواند در موتورهای با سوخت گاز طبیعی، مورد استفاده قرار گیرد. استفاده از این گاز می تواند زمان احتراق را تنظیم و ویژگی های تطبیق پذیری سوخت، افزایش یابد. گاز مایع اغلب به عنوان سوخت کمکی استفاده می شود. گاز مایع به صورت تبخیر شده به موتور تحویل می شود. استفاده از گاز مایع در موتورهای با فشار بالا، محدود است زیرا عدد اکتان این سوخت پایین است. عموما، گاز مایع مورد استفاده برای موتورها، دارای 95% حجمی پروپان با HHV برابر با 2500 Btu/scf می باشند. 5 % باقیمانده، دارای گازهای سنگین تر از بوتان نیست. برای کندانس کردن حجم های بالا از بوتان، نیاز به استفاده از سرمایش می باشد.
گاز مایع با مقادیر بالای بوتان تنها برای موتورهای مکشی طبیعی مناسب اند. تنظیم زمان احتراق باید به خوبی انجام شود تا از بروز ضربه جلوگیری شود.

گاز طبیعی فرآوری نشده

این نوع گاز دارای بیش از 5 % حجمی بوتان و سایر گازهای سنگین است. علاوه بر این گازها، آب، نمک ها و سولفید هیدروژن معمولا وجود دارد که این گازها باید پیش از استفاده از این گاز در موتور، زدایش یابد.
سرمایش ممکن است برای کاهش غلظت بوتان و سایر اجزای سنگین موجود در گاز، مورد استفاده قرار گیرد. این نوع گازها معمولا دارای مقادیری پروپان است و به طور نرمال در موتورهای با فشار پایین، مورد استفاده قرار می گیرد (هم موتورهای مکشی و هم موتورهای توربوشارژری). زمان احتراق معمولا باید به گونه ای تنظیم گردد که از ایجاد ضربه جلوگیری شود.

بیوگاز

بیوگازها عمدتا از مخلوط متان و دی اکسید کربن با HHV در گستره ی 300 تا Btu/scf 600 تشکیل شده است. بیوگازها در فشارهایی نزدیک به اتمسفر، تولید می شوند بنابراین، این گازها باید برای استفاده در موتورها، فشرده سازی شوند. بعد از اینکه فشرده سازی تکمیل شود، سرمایش و زدایش گازهای مضر ضروری است. با استفاده از این فرایند، امکان زدایش روغن های کمپرسور و ذرات جامد وجود دارد. زدایش ناخالصی ها با استفاده از یک محلول بازی در موردی نیاز است که گازهای اسیدی در این گازها وجود داشته باشند. به دلیل نیاز به استفاده از فرایندهای اضافی برای عمل آوری گازهای خام، موتورهایی که در آنها از بیوگاز استفاده می شود، هزینه برتر هستند. این هزینه بر بودن هم در زمینه ی ساختار و هم در زمینه هزینه های نگهداری می باشد.

گازهای تولید از ضایعات صنعتی

گازهای تولید از ضایعات صنعتی که یکی از سوخت های متداول موتورهای نوسانی است، شامل گازهای پالایشگاه و گازهای خارج شده از فرایندهای تولید می باشد. گازهای حاصل از پالایشگاه ها عموما دارای اجزایی مانند گاز هیدروژن، مونوکسید کربن، هیدروکربن های سبک، سولفید هیدروژن و آمونیاک به همراه دی اکسید کربن و نیتروژن می باشد. گازهای خارج شده از فرایندهای تولید، ممکن است دارای اجزای گازی مختلفی باشند. عموما گازهای ضایعاتی دارای مقادیر اندکی و متوسطی از Btu هستند. گازهای با مقادیر متوسط Btu عموما می تواند بدون تغییر سرعت موتور، مورد استفاده قرار گیرند اما برای گازهای با Btu کم، این مسئله ضروری است.
بسته به منشع، نوع و میزان آلودگی ها، گازهای صنعتی ممکن است برای استفاده شدن در موتورها، نیازمند عملیاتهای فرآوری باشند. این گازها معمولا دارای فشارهایی در حد چند اتمسفر هستند و از این رو این مقدار از فشار برای استفاده در موتورهای نوسانی مناسب هستند.

در دسترس بودن و دوام

اگر چه به نظر می رسد، موتورهای نوسانی نسبت به عملیات نگهداری، حساس هستند، در دسترس بودن آنها بالاست (حتی در کاربردهای با ضریب بار بالا. در حالی در دسترس بودن موتورهایی با سوخت گاز طبیعی، به نوع موتور، سرعت و کیفیت سوخت بستگی دارد، بیشتر تولیدکنندگان این موتورها، ظرفیتی برابر با 96 % را برای کاربردهای پیوسته، تخمین می زنند.
بهبود در تشخیص و کنترل موجب افزایش این مقدار تا 5/97 شده است. تولیدکنندگان همچنین تخمین زده اند که اکنون نسبت نرخ زمان قطع برق تحمیلی به نرخ زمان قطع برق زمان بندی شد، 2 به 1 است.
استفاده از واحدهای مضاعف یا واحدهای پشتیبان گیر در یک سایت می تواند در دسترس بودن و قابلیت اطمینان واحدهای تولید برق و حرارت را افزایش دهد. برخی از تولیدکنندگان موتور، برنامه های تبادلی برای موتورها یا سایر مواردی که در آنها نیاز به نگهداری وجود دارد، را ارائه کرده اند که قابلیت تحویل و نصب فوری واحدهای جانشینی را در مواردی که این مسئله نیاز داشته باشد، دارا می باشد.
عمر مفید سیستم های موتوری مکشی که بر پایه ی گاز طبیعی تولید می شوند، تقریبا 20 سال است. این مسئله در صورتی ایجاد می شود که در طی این مدت، حداقل چند بررسی و بازدید جزئی و یا یک بازدید کلی بر روی موتور انجام شود. هزینه های این تعمیر و بازرسی شامل نگهداری های غیر سوختی می شود که در ابتدای این گزارش به آنها اشاره شده است. عمر اقتصادی سیستم های موتوری بر پایه گاز طیبعی 20 سال تخمین زده شده است.

شاخص های انتشار

انتشار گاز از موتور یکی از دغدغه های اولیه در مورد موتورهای کششی است. مواد آلوده کننده ی اولیه عبارتند از اکسید نیتروژن، مونوکسید کربن و اجزای آلی فرار (VOCs). غلظت سایر مواد آلاینده مانند اکسیدهای گوگرد و ذرات معلق (PM) در ابتدا به سوخت مورد استفاده بستگی دارد. انتشار ترکیبات گوگرد دار، به صورت مستقیم به درصد گوگرد موجود در سوخت، بستگی دارد. موتورهایی که با گاز طبیعی یا سوخت دیزل کم گوگرد، کار می کنند، مقادیر اندکی اکسید گوگرد تولید می کنند. عموما، انتشار اکسید گوگرد موضوعی است که در موتورهای دیزل با سرعت پایین تر ایجاد می شود. ذرات جامد می توانند یکی از آلودگی های مهم برای موتورهایی باشد که از سوخت مایع استفاده می کنند. خاکستر و افزودنی های فلزی در سوخت و روغن های روان ساز موجب افزایش ذرات جامد در گازهای خروجی اگزوز می شود.

گزینه های کنترلی

انتشار اکسیدهای نیتروژنی معمولا یکی از دغدغه های اصلی برای موتورهایی که سوخت آنها گاز طبیعی است. اکسیدهای نیتروژنی در این گازها، در حد ppm است. سایر واحدهای متداول در موتورهای نوسانی به فاکتورهای انتشار گاز خروجی، وابسته است. در بین موتورهایی که از عملیات های فرآوری بعد از سوخت، استفاده می کنند، موتورهای با سوخت گاز طبیعی کمترین میزان از اکسید نیتروژن را تولید می کنند و موتورهای دیزل، میزان اکسید نیتروژن ماکزیمم را تولید می کنند (جدول 2).
کنترل دمای شعله از طریق کنترل شرایط سوختن در اصل میزان دی اکسید نیتروژن تولید در موتورهای گازی را کنترل می کند. موتورهای دیزل دارای دماهای احتراق بالاتر هستند و نسبت به موتورهای گاز سوز، دی اکسید نیتروژن بیشتری تولید می کنند (اگرچه موتورهای دیزل دارای نسبت هوا به سوخت کمی است). سه دلیل برای این موضوع وجود دارد:
احتراق شبه استوکیومتری غیر هموژن از قطرات سوخت
دمای شعله ی آدیاباتیک بالاتر سوخت نفتی

سوخت های نیتروژن دار

سوخت دیزل در انژکتور اتمیزه می شود و به داخل محفظه ی سوخت وارد می شود. احتراق به طور قابل توجهی به صورت استوکیومتری و از طریق احتراق قطرات سوخت با هوا، انجام می شود. این کار موجب تشکیل ماکزیمم دما و بیشترین مقدار دی اکسید نیتروژن می شود. در عوض، احتراق مخلوط هموژن سوخت و هوا در موتورهای گازی، موجب کاهش دمای ماکزیمم احتراق می شود و میزان تولید دی اکسید نیتروژن نیز مینیمم می شود.
برای هر موتور، عموما یک سبک، سنگین کردن میان انتشار اکسیدهای نیتروژن و بازده بالا، باید انجام شود. همچنین باید در زمینه ی انتشار اکسید نیتروژن و محصولات حاصل از احتراق ناقص محصولات سوختی، انجام شود. سه روش اصلی برای انجام این سبک، سنگین کردن ها، وجود دارد. اول اینکه، پایین ترین میزان انتشار اکسید نیتروژن در میزان بازده مناسب حاصل گردد و میزان انتشار مونوکسید کربن و هیدروکربن ها حداقل باشد. گزینه ی بعدی پیدا کردن یک تعادل بهینه میان انتشار گازهای آلاینده و بازده می باشد. گزینه ی سوم طراحی ماکزیمم بازده و انجام عملیات های ثانویه بر روی گازهای خروجی، به منظور کنترل انتشار گازهای آلاینده (در صورت نیاز) می باشد.
کنترل میزان اکسیدهای نیتروژن اولین زمینه ی تحقیقی است که در سال های اخیر بوسیله ی دانشمندان انتخاب شده است. در ادامه در مورد روش های کنترل میزان آلاینده ها، صحبت می کنیم.

کنترا میزان آلاینده ها

کنترل دمای فرایند انتشار گازهای آلاینده، یکی از زمینه های اصلی است که برای کنترل فرایند احتراق در موتورهای گازی، مد نظر قرار گرفته است. کنترل احتراق با سبک و سنگین کردن، همراه است. در دماهای بالا، احتراق سوخت به طور کامل انجام می شود ولی در دماهای پایین، هیدروکربن ها به طور کامل نمی سوزند و مونوکسید کربن تولید می کنند. البته این نکته را باید متذکر شویم که در دما بالا، تشکیل اکسیدهای نیتروژن تسریع می شود. احتراق بسیار آهسته فرایند احتراق را نیز تحت تأثیر قرار می دهد و دمای احتراق و تشکیل اکسیدهای نیتروژن را کاهش می دهد. این کار همچنین اجازه ی ایجاد نسبت های تراکمی بیشتر را به ما می دهد و باعث افزایش فرایند پخت مؤثر می شود که این مسئله میزان بازده را افزایش می دهد. به هر حال، اگر این مخلوط بسیار ضعیف باشد، احتراق و پخت به طور کامل انجام نمی شود و میزان انتشار CO و VCO افزایش می یابد.
تکنولوژی موتورهای lean-burn در طی دهه ی 1980 انجام شد و پاسخ مستقیمی به نیازهای موجود در زمینه ی کاهش انتشار آلاینده های گازی، .می باشد. تشکیل حرارتی اکسیدهای نیتروژن تابعی از دمای شعله و زمان اقامت می باشد. استفاده از این تکنولوژی نسبت سوخت به هوا را در نقاطی که اکسید نیتروژن تولید می شود، کاهش می دهد به نحوی که دمای ماکزیمم شعله کمتر از دمای شعله ی آدیاباتیک می شود و بنابراین، تشکیل اکسید نیتروژن افزایش می یابد. مخلوط های یکنواخت تر از سوخت و هوا ی، برخورد پیک های محلی در آم دما را کاهش می دهد که این مسئله نیز تأثیر قابل توجهی بر روی انتشار اکسید نیتروژن دارد. در بسیاری از موتورهای گاز سوز lean-burn، قبل از ورود قبل از ورود به محفظه ی احتراق، وارد توربوشارژر می شود. این موتورها به طور عمومی از 50 تا 100 % هوای اضافی استفاده می کنند. سرعت انتشار گاز در اکسید نیتروژن برای موتورها lean- burn گازی، برابر با 5/0 الیg/bhp-hr 0/2 است.
همانگونه که در بالا، بدان اشاره شد، یکی از مزیت های عملکرد در حالت lean- burn توان بالا و بازده بالای آن است که نتیجه ای از وجود نسبت های تمرکز بالاتر است. عملکرد lean- burn بهینه نیازمند انجام کنترل های پیچیده بر روی موتور می باشد تا بوسیله ی آنها اطمینان حاصل شود، احتراق پایدار است و میزان انتشار اکسید نیتروژن نیز کمینه است (در حالی که انتشار CO و VCO ها حداقل است). جدول 3 داده های مربوط به یک موتور گاز سوز lean- burn بزرگ را نشان می دهد و نشاندهنده ی فرایند سبک و سنگین کردن در زمینه ی میزان انتشار گاز های اکسید نیتروژن و بازده می باشد. برای بدست آوردن حداقل میزان اکسید نیتروژن، 3/1 درصد بازده کاهش می یابد.
دمای احتراق در موتورهای نوسانی را می توان به یک یا چند مورد از تکنیک های زیر، کنترل نمود:
به تعویق انداختن زمان احتراق یا تزریق سوخت و بنابراین کاهش فشار و دمای ماکزیمم سیلندر
رقیق سازی مخلوط سوخت و هوا با گازهای خروجی از اگزوز (EGR). این گازها دارای مقادیری بخار آب و هوای احتراق یافته هستند که دارای ظرفیت حرارتی بالایی هستند و بدین وسیله بخشی از حرارت احتراق بازگردانی می شود.
ورود مستقیم آب با تزریق مستقیم یا از طریق امولسیون سازی سوخت- تبخیر آب موجب سرد شدن مخلوط سوخت و هوایی می شود که به داخل شارژ شده است.
کاهش دمای هوای اگزوز با تبادل حرارت بعد از عبور از توربوشارژر یا با مرطوب سازی هوای اگزوز
اصلاح زمان باز و بسته شدن ولوها، نسبت احتراق، توربوشارژینگ و پیکربندی محفظه ی احتراق.
تزریق آب و EGR از متداول ترین روش ها مورد استفاده در موتورهای دیزلی است و بوسیله ی انها میزان انتشار اکسیدهای نیتروژن به میزان 30 تا 60 % کاهش می یابد. استفاده از تزریق آب و بالابردن EGR در موتورهای گازسوز lean- burn، یکی از زمینه های مد نظر بخش R&D برخی از تولیدکنندگان موتور و بخش های آکادمیک می باشد.

کنترل انتشار گازها بعد از احتراق

چندین نوع از فرایندد های کاهنده ی انتشار گاز با استفاده از اگزوزهای کاتالیزوری وجود دارد که می توان از آنها در موتورهای نوسانی استفاده کرد:
کاتالیزورهای سه راهه: فرایند کاتالیست با استفاده از کاتالیست های سه راهه (TWC) یک فرایند تبدیل است که در اتومبیل ها و به منظور کاهش غلظت سه آلاینده ی مهم اکسید نیتروژن، CO و VOC استفاده می شود. فرایند TWC همچنین کاهش کاتالیستی غیر انتخابی (NSCR) نیز نامیده می شود. در این سیستم ها کاهش اکسیدهای نیتروژن و CO بیش از 90 % است و VOC ها نیز در انواع جدید این سیستم هال تا 80 % کاهش می یابند. تبدیل اکسید نیتروژن به گاز نیتروژن و CO و هیدروکربن ها به دی اکسید کربن و آب، در اتمسفرهای با اکسیژن اضافی، انجام می شود. بنابراین، TWC ها تنها برای موتورهای با استوکیومتری یا با احتراق غنی شده (rich-burning) مناسب است. به طور مثال، فاکتور انتشار اکسیدهای نیتروژن برای موتورهای با احتراق غنی شده بین 10 تا 15 g/bhp-hrاست. انتشار گازهای اکسید نیتروژن با کنترل TWC می تواند به کمتر از 15/0 g/bhp-hr برسد. به هر حال، کارایی کاتالیست ممکن است در طی زمان، کاهش یابد. این کاهش در کارایی به نوع سوخت مورد استفاده، مصرف روغن و میزان انجام عملیات های نگهداری وابسته باشد.
موتورهای استوکیومتری و با احتراق غنی شده دارای بازده به نسبت پایین تر نسبت به موتورهای lean-burn هستند. تعویض دوره ای کاتالیست ها در سیستم های TWC همچنین هزینه های نگهداری را به میزان 25 % افزایش می دهد. TWC از فلزات گران قیمت تولید می شوند. این مواد در برخورد با برخی مواد شیمیایی مسموم می شوند. از این رو، استفاده از آنها محدود به موتورهایی می شود که از سوخت های تمیز استفاده می کنند. سوخت های احتراق نیافته، روغن های روان ساز و مواد جامد نیز می توانند بر روی عملکرد این کاتالیست ها اثر بگذارند. همچنین این موتورها باید از مواد روان سازی استفاده کنند که برای کاتالیست مضر نباشد. این تکنولوژی برای موتورهای lean-burn و دیزلی مناسب نیستند.
کاهش انتخابی کاتالیستی (SCR): این تکنولوژی با استفاده از عوامل کاهنده، اکسید نیتروژن را به گاز نیتروژن تبدیل می کند. کاهش 80% یا بیش از 90% با استفاده از این روش، قابل دستیابی است. کاهش بیشتر در صورتی امکان پذیر است که از کاتالیزور بیشتر استفاده شود و یا سرعت تغذیه ی عوامل کاهنده، افزایش یابد و یا از سیستم های بازخوردی حلقه بسته یا ترکیبی از این سیستم ها، استفاده شود. دو عامل کاهنده ی تجاری در این سیستم هاف آمونیاک و اوره ی مایع هستند. اوره در هنگام قرارگیری در گازهای گرم، تجزیه می شود و آمونیاک آزاد می کند. تقریبا 9/0 تا 0/1 مول آمونیاک برای تبدیل هر مول اکسید نیتروژن، ضروری است و بوسیله ی آن، کاهشی برابر با 80 تا 90 % حاصل می شود.
سیستم های SCR دارای هزینه ی نصب، نگهداری و عملیاتی بالایی هستند و این مسئله بر روی امکان عملی شدن طرح های مهندسی در این زمینه، اثرگذار است. SCR نیازمند ذخیره سازی اوره یا آمونیاک می باشد. این مواد، مواد شیمیایی خطرناکی هستند. علاوه بر مشکلات کار با آمونیاک، دغدغه های زیست محیطی نیز یکی از مسائل مهم می باشد.
کاتالیست های اکسایشی: این کاتالیست ها عموما ترکیبات فلزات گران بها هستند که اکسیداسیون CO و هیدروکربن های نیمه سوز را تسریع می کند و بواسطه ی این واکنش، آب و دی اکسید کربن تولید می شود. با استفاده از این روش، امکان تبدیل 98 تا 99 % از کربن های نسوخته و CO به آب و CO2 وجود دارد. تبدیل متان ممکن است تا 60 تا 70 % برسد. این سیستم ها به طور گسترده در موتورهای lean-burn مورد استفاده قرار می گیرند تا بوسیله ی آنها میزان CO و VOC کاهش یابد.
کاتالیست های دی اکسید نیتروژن lean: این کاتالیست ها از یک جریان هیدروکربنی به عنوان کاتالیست برای انجام واکنش کاهش اکسید نیتروژن، استفاده می کنند. در حالی که این روش هنوز در حد تحقیق و توسعه می باشد، این به نظر می رسد که توانایی کاهش 80 % از اکسید های نیتروژن، و کاهش 60 % CO و NMHC وجود دارد. به هر حال، آزمون های طولانی مدت مسائلی را در مورد کارایی این کاتالیست ها مطرح نموده است. کاتالیست های اکسید نیتروژن کنونی می توانند مسموم شوند. هم کاتالیزور و هم بخش فلزی پایه ی کاتالیست نسبت به گوگرد حساس هستند. این تکنولوژی به طور قابل توجهی میزان استفاده از سوخت را افزایش می دهد. در موتورهای دیزل استفاده از این سیستم ها 3 % مصرف سوخت را افزایش می دهد.

انتشار گازهای آلوده کننده در سیستم ها

جدول 4 انتشار گازهای نمونه وار را برای 5 سیستم نشان می دهد. انتشار گازها در سیستم های گاز سوز مورد بررسی قرار گرفته است. سیستم 1 که یک موتور با توان 100 کیلووات است، یک موتور با سرعت بالا و با احتراق غنی شده است.
استفاده از یک سیستم TWC می تواند انتشار اکسید نیتروژن را به میزان 0.15 g/bhp-hr، انتشار CO به میزان 0.6 g/bhp-hr و انتشار VOC را به میزان 0.15 g/bhp-hr کاهش دهد. سیستم 2 در بین 5 سیستم دیگر، دارای کمترین میزان انتشار گاز را دارد. استفاده از کاتالیست های اکسایشی می تواند انتشار CO و VOC از این موتورها را به میزان 98 تا 99 % کاهش دهد.
با تکنولوژی کنونی، بالاترین بازده و کمترین میزان انتشار اکسید نیتروژن قابل حصول است. بنابراین، با استفاه از این تکنولوژی، بسیاری از تولیدکنندگان نوع جدیدی از موتورهای گازی با احتراق رقیق شده را تولید کرده اند که علاوه بر بازده بالا، میزان انتشار اکسید نیتروژن در آنها پایین است. این تکنولوژی بر پایه ی تنظیمات مختلف در زمینه ی کنترل موتور و زمان های احتراق، کمک می گیرد. حصول بالاترین بازده عملیاتی در شرایطی ایجاد می شود که میزان اکسید نیتروژن تولید شده، دو برابر حالت کنونی باشد. علاوه بر این، انتشار CO و VOC عموما بالاتر از میزان گزارش شده برای موتورهای با انتشار اکسید نیتروژن بهینه، است.

اهداف فنی کلیدی

تولیدکنندگان موتورهای متغیر، هزینه های فراوانی را در زمینه ی R&D هزینه می کنند. تلاش ها بر روی کاهش میزان انتشار گاز ( اکسید های نیتروژن برای موتورهای دیزل و گازی) تمرکز دارد. همچنین تلاش هایی در زمینه ی افزایش بازده و توان، کاهش هزینه های موتور و افزایش زمان های مورد نیاز برای انجام عملیات های نگهداری، می باشد. حرکت در زمینه ی تولید موتورهای متغیر پیشرفته تر موجب شده است تا استفاده از تکنولوژی های احتراق بهبود یافته، سیستم های کنترل و حسگرهای مورد استفاده در موتورهای اتومبیل افزایش یابد، افزایش یابد.
تحقیقات اولیه و اهداف توسعه ای تولیدکنندگان موتورهای گازی عبارتند از:
اثر محیطی کاهش یافته: کاربرد تکنولوژی های پیشرفته و استفاده از سیستم های حسگر و کنترل بهبود یافته به منظور رسیدن به میزان قابل قبول از انتشار گاز بدون کاهش بازده سوخت و بدون نیاز به عملیات های جانبی بر روی سوخت.
هزینه های اولیه ی کمتر برای موتور: افزایش دانسیته ی توان و در نتیجه کاهش هزینه های
کاهش هزینه های نگهداری و عملیاتی: کاهش سایش موتور، ساده سازی سرویس های مورد نیاز، افزایش فواصل زمانی مورد نیاز برای انجام عملیات های نگهداری و مینیمم کردن نیروی کار مورد نیاز
افزایش بازده: استفاده از مواد با تحمل حرارتی بالاتر، سنسورهای موتور و بخش های کنترل کننده و بهبود احتراق

افزایش قابلبت اطمینان و در دسترس بودن

افزایش بازیابی حرارتی برای کاربردهای CHP از طریق استفاده از مدارهای سرمایشی با دمای پایین و استفاده از مدیریت بهبود یافته ی حرارتی
بهبود طراحی موتورهای گازی و بهینه سازی میزان انتشار گازهای آلاینده و بهینه سازی کارایی یکی از وظیفه های چالش برانگیز است. علت این مسئله روابط پیچیده ی میان متغیرهای فرایندی، پارامترهای عملیات های سیکلی، دینامیک موتور و طراحی مکانیکی، می باشد. موضوعات فنی اولیه در این زمینه، افزایش BMEP و سرعت موتور، بهبود کنترل های ایجادی بر روی موتور، بهبود مواد مورد استفاده، بهبود سیستم های احتراق و فرایندهای پیش از احتراق است که بر روی سوخت انجام می شود.

افزایش BMEP و سرعت موتور

افزایش BMEP و سرعت موتور موجب افزایش توان خروجی و دانسیته ی توان می شود. به هرحال، افزایش هر دوی این پارامترها، نیازمند بهبود خواص مواد وافزایش استحکام آنها است. همچنین این مسئله بر روی سایش، نیاز به روغن کاری، سایش، خوردگی، بار سرمایشی و انتشار گازهای آلاینده، اثر می گذارد.
افزایش BMEP موجب افزایش دمای ماکزیمم در داخل سیلندر می شود، مگر اینکه، دمای با استفاده از کنترلرها، تنظیم گردد. دما می تواند با تغییر مخلوط سوخت و هوا نیز تغییر کند. احتراق گرمتر عموما احتراقی پیچیده تر است و بازده آن نیز بالاتر است اما در این حالت، انتشار اکسید نیتروژن بیشتر است، عمرمفید شمع ها کاهش می یابد، عمر مفید سایر بخش های محفظه کاهش می یابد و میزان بازده روان سازی افت می کند.
افزایش سرعت موتور اغلب برای افزایش بازده یک طراحی معین، مورد استفاده قرار می گیرد. قابلیت بهبود توان موتورهای کنونی به ساختار موتور و طراحی آن وابسته است. بسیاری از موتورهای با شکل حفرات معین و کوبش های معین، برای سرعت های انتخاب شده، بهینه سازی شده اند. کار در سرعت های نزدیک به سرعت ماکزیمم طراحی، میزان سایش و نیاز به نگهداری موتور را افزایش می دهد و در برخی موارد، ریسک آسیب دیدن موتور را افزایش می دهد. سرعت یک موتور بدون طراحی مجدد و تغییر این پارامترها، افزایش یابد.

کنترل موتورهای بهبود یافته

وقتی نسبت هوا به سوخت و BMEP در موتورهای lean-burn با کارایی بالا، افزایش یابد، ناحیه ی عملیاتی میان انفجار و حالت سکون، باریک می شود به نحوی که کنترل دقیقی بر روی نسبت سوخت به هوا و زمان بندی احتراق برای هر سیلندر ایجاد می شود. عملکرد موتورهای گازی در نقطه ی فشرده سازی میان تفکیک و حالت تخلیه ی، دارای ریسک بالاتری هستند و تخریب و شکست بیشتر در این زمان رخ می دهد. الکترونیک پیشرفته ما را قادر می سازد تا احتراق سیلندرهای منفرد را کنترل نمود. این کار در موتورهای گازی ضروری است.
استفاده از مطالب این مقاله، با ذکر منبع راسخون، بلامانع می باشد.