فیلتر جاذب دوده (DPF)

آلودگی هوا در شهرهای بزرگ ایران یکی از مهمترین چالشهای مقامات مرتبط با بهداشت عمومی است. شهر تهران با حدود 10 میلیون نفر ساکن ، طی دهه های گذشته با مشکلات کیفیت هوا بیشتر و بیشتری روبرو شده است.آلاینده های معیار موجود در تهران PM2.5 ، PM10 است. ذرات و به ویژه ذرات فوق ریز به عنوان سمی ترین ترکیبات آلایندگی شناخته می شوند. با در نظر گرفتن مفاهیم عملکرد موتور دیزل ، این نوع موتورها یکی از اصلی ترین منبع انتشار ذرات فوق ریز در مناطق شهری هستند. بنابراین کنترل ذرات انتشار یافته از این منابع ، جزو اولین قدم ها برای بهبود کیفیت هوا است. فیلترهای جاذب دوده (DPF) روش شناخته شده و موثری برای کاهش تعداد و جرم ذرات معلق است. اخیراً ، دولت ایران تصمیم به قانونگذاری در راستای نصب DPF برای وسایل نقلیه دیزلی سنگین (HDV) گرفت. هم اکنون متخصصان صنایع خودروسازی داخلی و خارجی مجاب هستند که مطابق با استانداردهای جدید عمل کنند.

1

پروژه امکان سنجی نصب فیلترهای جاذب دوده بر روی اتوبوس های شهری تهران

آصا اولین شرکت خصوصی است که در اولین پروژه DPF ایران شرکت کرده است. در دی ماه 1392، شورای شهر تهران تصمیم گرفت که دستور دهد ناوگان اتوبوسرانی عمومی پایتخت رتروفیت شود. بنابراین پروژه امکان سنجی DPF توسط شرکت کنترل کیفیت هوای تهران (AQCC) سازماندهی شد. این پروژه از دو فاز تشکیل شده است. فاز یک آزمایش فیلتر ذرات در آزمایشگاه موتور برای تأیید DPF در ایران بود که در تبریز انجام شد. در طی این مرحله ، انواع مختلف DPF از شرکتهای مختلف طبق روش آزمون [1]VTF1 توسط [2]FCE تحت نظارت انجمن VERT مورد آزمایش قرار گرفتند.

پس از تجزیه و تحلیل نتایج فاز یک ، DPF های تأیید شده برای انجام آزمایش های میدانی به تهران ارسال شدند. 18 اتوبوس بی آر تی [3] از خطوط مختلف با مسیرهای مختلف کاری ، توسط شرکت آصا انتخاب و مجهز به دستگاه داده بردار شدند [4]. کارکرد عملیاتی اتوبوس های انتخاب شده برای امکان نصب DPF ارزیابی و تحلیل شد. بدین منظور تعداد هشت DPF از انواع مختلف توسط شرکت آصا روی نمونه ها نصب شد و اطلاعات آنها از تاریخ نصب جمع آوری و تحلیل شد. در این راستا نرم افزار آنالیز داده شرکت آصا (ADAS) برای این منظور ایجاد و استفاده شد. داده های تجزیه و تحلیل شده نیز به صورت گزارش های ماهانه منتشر شده و برای سایر شرکت های ذینفع مانند AQCC ، VERT و شرکت های تولید کننده DPF خارجی ارسال شد. علاوه بر داشتن متخصصان مرتبط با پروژه ، ارتباط خوب با شرکت های تولید کننده DPF موجب شد تا شرکت آصا در پروژه های مرتبط با DPF منحصر به فرد باشد.

وظایف شرکت آصا در فاز دوم پروژه امکان سنجی نصب فیلتر جاذب دوده:

  • نصب داده بردار
  • تحلیل پارامتر های اصلی عملکرد اتوبوس ها
  • نصب فیلتر جاذب دوده
  • پایش عملکرد فیلتر جاذب دوده
  • تهیه پایگاه داده
  • گردآوری اطلاعات تحلیل شده پروژه در قالب گزارش های منظم ماهیانه
  • مسائل مرتبط با تمیزکاری و نگهداری فیلتر جاذب دوده

[1]تست فیلتراسیون انجمن VERT

[2]گروه سوخت ، احتراق و آلاینده ها

[3]اتوبوس سریع حمل و نقل (Bus rapid transit)

[4]آزمون صنعت آروین

نصب فیلتر جاذب دوده

گزارشات ماهیانه

تمیزکاری و تعمیر فیلتر جاذب دوده

ذرات دوده منتشر شده از یک موتور دیزلی می توانند به طور موثری از گازهای خروجی اگزوز حذف شوند. فرآیندهای احتراق ناهمگن در موتورهای دیزل بالاترین غلظت آلایندگی را ایجاد می کنند. علی رغم تلاش های شدید مهندسی، میزان انتشار تعداد نانوذرات از موتورهای جدید دیزلی کاهش نیافته است. در سال های اخیر پیکربندی های مختلفی ایجاد شده است و در حال حاضر DPF به دلیل کاهش جرم و تعداد ذرات معلق به خوبی شناخته شده است و به عنوان بهترین فناوری موجود (BAT) برای حل مسئله ذرات معلق در هوا تلقی می شود.

020801

فناوری فیلتر جاذب دوده چیست؟

020802

همانطور که از نام آن پیداست ، فیلترهای جاذب دوده با فیلتر کردن گاز خروجی اگزوز از موتور، ذرات معلق در اگزوز دیزل را از بین می برند. این فیلتر ها میتوانند روی وسایل نقلیه یا موتورهای دیزلی ثابت نصب شوند. از آنجا که یک فیلتر می تواند به مرور پر شود ، مهندسانی که سیستم های فیلتر را طراحی می کنند باید وسیله ای برای سوزاندن یا از بین بردن ریزگردهای جمع شده فراهم کنند. یک روش مناسب برای دفع ذرات معلق جمع شده ، سوختن یا اکسید کردن آن در فیلتر در صورت مناسب بودن دمای اگزوز است. با سوزاندن مواد به دام افتاده ، فیلتر تمیز یا احیاء می شود. فیلترهایی که به این روش احیاء می شوند در هر شرایطی قابل استفاده نیستند.

جنس هسته فیلتر جاذب دوده: مواد مختلفی در هسته فیلترهای جاذب دوده استفاده شده است از جمله: مواد سرامیک و کاربید سیلیکون، کارتریج های الیاف تابیده شده، سیم پیچ های الیاف سیلیس بافت شده، فوم سرامیک ، مفتول سیم ، سازه های فلزی متخلخل و کاغذ مقاوم در برابر دما در صورت استفاده از فیلترهای یکبار مصرف. بازده جمع آوری این فیلترها از 50 تا بیش از 90 درصد است. بازده فیلترهای ذکر شده در بالا به ندرت با مشکل روبرو می شود، اما جهت بهبود هرچه بیشتر مواردی چون: 1) بهینه سازی بازده فیلتر و به حداقل رساندن فشار برگشتی، 2) بهبود جریان شعاعی اکسیداسیون در فیلتر در هنگام احیاء و 3) بهبود قدرت مکانیکی فیلترها در دستور کار است.

020803

گونه های فیلتر جاذب دوده

سیستم فیلتر جاذب دوده در انواع ساختار و با تکنولوژی های احیاء مختلف طراحی می شوند. طبقه بندی سیستم های فیلتر جاذب دوده بر اساس اصل احیاء در نمودار زیر نشان داده شده است. سیستم فیلتر جاذب دوده باید روش قابل اطمینانی برای احیاء ، ترجیحاً احیاء کاملاً خودکار بدون مداخله (یا حتی دانش) اپراتور خودرو فراهم کند. در این میان گزینه جایگزین استفاده از فیلترهای یکبار مصرف است - راه حلی که فقط در برخی از کاربردهای بازار تخصصی بسیار خاص پذیرفته شده است.

020804

شکل 1- دسته بندی سیستم های فیلتر جاذب دوده بر اساس روش احیاء

اکثر سیستم های احیاء در فیلتر جاذب دوده از روش احیاء حرارتی استفاده می کنند که طی آن ذرات اکسید می شوند و محصولات گازی تولید می کنند. با این حال، دمای گازهای خروجی اگزوز برای پایداری احیاء خودکار فیلتر بسیار کم است. این مسئله ممکن است از دو طریق (1) کاهش دمای اکسیداسیون دوده مورد نیاز توسط مواد افزودنی مایع تا حد دمای موتور در حین کارکرد منظم پایین بیاید یا (2) افزایش دما در فیلتر تا جایی که دوده اکسید شود. رویکرد اول در سیستم های فیلتر غیرفعال و رویکرد دوم در سیستم های فیلتر فعال استفاده می شود.

سیستم های غیر فعال

پایه این سیستم بر اساس واکنش های شیمیایی است که در سیستم پسا پالایش اگزوز موتور اتفاق می افتد. در وهله اول، دی اکسید نیتروژن (NO2) در کاتالیزور اکسیداسیون از مونوکسید نیتروژن (NO) موجود در گاز خروجی تولید می شود. در فیلتر جاذب دوده، روند معکوس می شود و دوده رسوب شده در فیلتر به طور مداوم از طریق سوختن از بین می رود که به اطلاح به آن "فیلتر احیاء مداوم" (CRT) میگویند، یعنی یک فیلتر بصورت مداوم احیاء می شود. از این اثر به عنوان احیاء غیر فعال نیز یاد می شود. در این فرآیند بر خلاف احیاء فعال، واکنش به انرژی اضافی نیاز ندارد.

020805

در سیستم های غیرفعال ، دمای اکسیداسیون دوده تا حدی که امکان احیاء خودکار در حین کارکرد منظم خودرو را فراهم می کند کاهش می یابد. لازم به ذکر است این کار که معمولاً با تزریق کاتالیزور اکسیداسیون به سیستم حاصل می شود. کاتالیزور می تواند اکسیداسیون کربن را از طریق دو مکانیزم تقویت کند:

  1. مکانیسم اکسیژن - اکسیداسیون کاتالیزوری کربن توسط اکسیژن ، یا
  2. مکانیسم دی اکسید نیتروژن - اکسیداسیون کاتالیزوری NO به NO2 و به دنبال آن اکسیداسیون کربن توسط دی اکسید نیتروژن.

بنا بر نحوه قرارگیری متفاوت کاتالیزور و پیکربندی سیستم، می توان از یکی از این مکانیزم ها یا از ترکیب آنها استفاده کرد. در این راستا از سه روش عمده استفاده شده است: (الف) افزودن پیش ماده کاتالیست به سوخت به عنوان ماده افزودنی ، (ب) قرار دادن کاتالیزور مستقیماً روی سطح فیلتر یا (ج) استفاده از کاتالیزور تولید کننده NO2 در بالادست فیلتر.

 

سیستم های فعال

روش دوم این است که با افزایش درجه حرارت دوده گرفتار در فیلتر از طریق استفاده از یک منبع انرژی خارجی ، به صورت فعال موجب احیاء فیلتر شد.

اگر یک موتور تحت بار بسیار کم کار کند ، دمای گاز اگزوز می تواند تا حدی کاهش یابد که فرآیند احیاء مداوم دیگر به طور کامل انجام نشود. به منظور جلوگیری از پر شدن فیلتر جاذب دوده در چنین شرایطی وقتی طولانی مدت کار کند، باید انرژی گرمایی اضافی را برای مدت کوتاهی وارد گاز خروجی کرد. این عمل می تواند به عنوان مثال با تزریق سوخت به محفظه احتراق در یک یا چند توالی پس از تزریق یا تزریق مستقیم سوخت به سیستم اگزوز انجام شود. سپس این سوخت به طور کامل در مبدل کاتالیزوری اکسیداسیون موتور سوزانده می شود. در این فرآیند، هیتر گرمای کافی آزاد می کند تا دمای اگزوز در قسمت فیلتر جاذب دوده را به بیش از 550 درجه سانتیگراد برساند. در این رابطه، استفاده از مشعل نیز امکان پذیر است. در نتیجه ، دوده دیزل رسوب یافته با اکسیژن مازاد موجود در گاز خروجی اکسید می شود. روش احیاء فعال فیلتر جاذب دوده در درجه اول در اتومبیل ها و وسایل نقلیه تجاری دیزلی با سطح بالای انتشار دوده خاص استفاده می شود.

020806

دو منبع انرژی مشخص در خودرو وجود دارد: سوخت دیزل و برق. از طریق انرژی حاصل از احتراق سوخت می توان دمای اگزوز را بالا برد؛ (1) روش مدیریت احتراق درون محفظه سیلندر موتور مانند تزریق دیرتر مقادیر اضافی سوخت درون محفظه (2) تزریق و احتراق سوخت در گاز خروجی. در صورت استفاده از روش احتراق گازهای خروجی، سوخت می تواند در یک مشعل سوخت سوزانده شود و یا در اثر احتراق کاتالیزوری از طریق کاتالیزور اکسیداسیون اکسید شود.

از گرمایش الکتریکی می توان در اشکال مختلفی استفاده کرد، مانند - قرار دادن هیتر در جریان بالادست فیلتر، قرار دادن هیتر در محیط محفظه فیلتر یا استفاده از محیط رسانای الکتریکی که می تواند هم به عنوان فیلتر و هم هیتر عمل کند. همچنین می توان از جریان هوای گرم به جای گازهای خروجی حرارت داده شده، برای فرآیند احیاء استفاده کرد.

دسته سوم سیستم هایی که در شکل 1 نشان داده شده از ترکیب فرآیند های احیاء غیر فعال و فعال استفاده می کنند ، جایی که در آن یک فیلتر مبتنی بر کاتالیزور به یک نوع سیستم احیاء فعال نیز مجهز است. برخی از محققان از این رویکرد به عنوان سیستم غیر فعال-فعال یاد می کنند، برخی دیگر آن را فیلتر نیمه فعال می نامند و در نهایت برخی دیگر آن را هنوز نوعی سیستم بازسازی فعال می دانند. استفاده از کاتالیست در مقایسه با سیستم های فعال غیر کاتالیزوری امکان انجام احیاء را در دمای پایین تر می دهد که موجب کوتاه شدن زمان احیاء فیلتر می شود. در هر صورت هزینه سوخت مصرفی مرتبط با احیاء فعال می تواند به حداقل برسد (با هزینه اضافه شده کاتالیزور). احیاء در دمای پایین نیز منجر به کاهش تنش گرمایی و افزایش طول عمر محیط فیلتر می شود.

روش غیرفعال-فعال ، بسته به نوع و بارگذاری کاتالیزور ، ممکن است بتوانند عملکرد کاملاً غیرفعال خود را در دوره بالا بودن دمای اگزوز حفظ کنند. به عنوان مثال، یک فیلتر کاتالیز در یک اتومبیل مسافری ممکن است در هنگام رانندگی سریع در بزرگراه به صورت غیرفعال احیا شود، اما به احیاء فعال - که می تواند توسط یک استراتژی مدیریت موتور ایجاد شود - در هنگام رانندگی در شهر با سرعت پایین وابسته باشد.

 

 

 

 

فرآیند احیاء

از تکنیک های بسیاری می توان برای احیاء فیلتر جاذب دوده استفاده کرد. برخی از این تکنیک ها برای دستیابی به فرآیند احیاء کارآمد در سیستم فیلتر بصورت توامان استفاده می شوند. دو نوع سیستم احیاء یکپارچه و مجزا برای فیلترهای جاذب دوده وجود دارد. بدین منظور تکنیک های اصلی احیاء فیلتر جاذب دوده در زیر ذکر شده است.

  • احیاء مبتنی بر کاتالیست با استفاده از کاتالیست بکار رفته بر روی سطح فیلتر. بدین منظور یک پوشش فلز پایه یا فلز گرانبها بر روی سطح فیلتر اعمال می شود تا دمای اشتعال لازم برای اکسیداسیون ذرات تجمع یافته را کاهش دهد.
  • بازسازی مبتنی بر کاتالیست با استفاده از یک کاتالیزور اکسیداسیون در جریان بالای فیلتر. در این روش ، یک کاتالیزور اکسیداسیون در بالادست فیلتر قرار می گیرد تا اکسیداسیون نیتروژن اکسید (NO) به دی اکسید نیتروژن (NO2) را تسهیل کند. در این حالت واکنش اکسید نیتروژنی با ذرات جمع آوری شده، به طور قابل توجهی درجه حرارت مورد نیاز برای احیاء فیلتر را کاهش می دهد.
  • کاتالیزورهای افزودنی به سوخت. کاتالیزورهای افزودنی به سوخت، دمای مورد نیاز برای احتراق ذرات به دام افتاده را کاهش می دهند. این نوع کاتالیست ها را می توان در سیستم های فیلترغیرفعال و فعال استفاده کرد.
  • کنترل هوای ورودی. کنترل هوای ورودی یک یا چند سیلندر موتور می تواند دمای خروجی را افزایش داده و احیاء فیلتر را تسهیل کند.
  • تزریق سوخت پس از نقطه مرگ بالا (TDC). تزریق مقادیر کم سوخت در سیلندرهای یک موتور دیزل پس از رسیدن پیستون ها به TDC، مقدار کمی سوخت احتراق نیافته در گازهای خروجی موتور وارد می کند. همچنین سوخت می تواند به لوله اگزوز تزریق شود. این سوخت نسوخته سپس می تواند در فیلتر ذرات اکسید شود تا ذرات معلق انباشته شده را بسوزاند.
  • مشعل های سوختی یا هیترهای برقی آن-بُرد. اینگونه مشعل های سوختی یا هیترهای برقی در بالادست فیلتر می توانند دمای خروجی کافی را برای اشتعال ذرات جمع شده و احیاء فیلتر فراهم کنند.
  • هیتر های برقی آف-بُرد. ایستگاه های احیاء آف-بُرد از طریق دمیدن هوای گرم از در داخل سیستم فیلتر، ذرات معلق به دام افتاده را می سوزانند.

گونه بندی دیگری برای فیلتر های جاذب دوده

فیلترجاذب دوده جریان کامل

در مورد فیلتر ذرات دیزل جریان کامل، کل جریان اگزوز از دیواره های سرامیکی متخلخل فیلتر عبور می کند. این باعث می شود نرخ تصفیه ذرات معلق بسیار بالا و بیش از 90 درصد باشد. با این حال، برای جلوگیری از گرفتگی، احیاء فیلتر باید در طیف گسترده ای از کارکرد های موتور امکان پذیر باشد. باید دقت داشت که فشار زیاد پشت اگزوز منجر به مصرف سوخت بیشتر و در بدترین حالت آسیب به فیلتر و موتور می شود. در نتیجه، بکارگیری اقدامات مدیریت حرارتی موتور از اهمیت ویژه ای در توسعه این سیستم برخوردار است. سیستم های فیلتر ذرات جریان کامل می توانند هم با روش های احیاء منفعل و هم فعال ترکیب شوند.

020807

فیلتر جاذب دوده جریان ناقص

اگر بخواهیم به طور دقیق صحبت کنیم، فیلتر جاذب دوده جریان ناقص، یک جدا کننده ذرات است. عملکرد جداسازی بر اساس انحراف شدید جریان گاز خروجی است که منجر به جدا شدن ذرات معلق می شود. در مقایسه با فیلتر جاذب دوده جریان کامل، این گونه فشارهای پشت اگزوز مشابه و در برخی موارد بالاتر تولید می کند. فیلتر جاذب دوده جریان ناقص نمی تواند مسدود شود. با این حال، میزان فیلتراسیون اینگونه در مقایسه با فیلتر جاذب دوده جریان کامل فقط 30 تا 40 درصد است.

020808

فیلتر جریان کامل چگونه کار می کند؟

شکل 2 تصویری از یک سیستم فیلتر جریان کامل با کارایی بالا را ارائه می دهد. فیلترهای جریان کامل با بازده بالا، توانایی کاهش انتشار ذرات دیزل را تا بیش از 90 درصد دارند.

در این شکل، خروجی گاز پر از ذرات از سمت چپ وارد فیلتر می شوند. از آنجا که سلولهای فیلتر در انتهای پایین دست بسته می شوند، گاز خروجی نمی تواند مستقیماً از سلول خارج شود. در عوض، گاز خروجی از دیواره های متخلخل سلول های فیلتر عبور می کند. در این فرآیند ، ذرات معلق در سمت بالادست دیواره سلول رسوب می کند. همچنین گازهای خروجی تمیز شده از فیلتر به سمت راست خارج می شوند.

020809

یک فیلتر جاذب دوده لازم است تا دو عملکرد عمده را انجام دهد: اولین مورد فیلتر کردن حداکثر ذرات معلق از گازهای خروجی است. دوم پشتیبانی از استراتژی های مختلف احیاء سیستم DPF، به منظور حذف دوده از فیلتر است. بنابراین فیلتراسیون و احیاء فیلتر مهمترین عناصر در یک فیلتر جاذب دوده هستند. ضمناً این فیلتر نیاز به مقاومت در دمای بالا دارد، به خصوص هنگامی که انباشت دوده با روش احیاء فعال سوزانده می شود. ذرات معلق دیزل حاصل از احتراق موتور برای انسان سرطان زا هستند. بدلیل اینکه ابعاد آنها در حد نانومتر است، به راحتی می توان آنها را استشمام کرد. هدف اصلی از ساختار یک فیلتر جاذب دوده پیشرفته، فیلتر کردن حتی کوچکترین ذرات است، بدون اینکه فشار برگشت به طور قابل توجهی افزایش یابد. تجربه ما در استفاده از انواع فیلتر در سراسر جهان نشان می دهد که مواد سیلیکون کاربید (SiC) برای برآورده کردن تمام الزامات در سطح بالا مناسب تر است.

020810

چرا فیلتر جاذب دوده؟

ذرات دیزل معلق حاصل از احتراق موتور قطعاً سرطان زا هستند. در گذشته این موضوع اغلب نادیده گرفته می شد. در ژوئن 2012 ، سازمان بهداشت جهانی (WHO) خطرناک بودن ذرات معلق دیزل را تأیید کرد و در نتیجه آنها را به عنوان ماده مضر "گروه 1: قطعاً سرطان زا برای انسان" طبقه بندی کرد. از این رو، ذرات دیزل در رده مواد سرطان زا همچون آزبست قرار گرفت.

ذرات دیزل برای سلامتی انسان خطرناک است. بنابراین میزان انتشار PM هم برای موتورهای وسایل نقلیه جدید و هم موتورهای قدیمی یک کمیت مهم است. به منظور محافظت از انسانها، برنامه های رتروفیت با هدف ارتقا موتورهای قدیمی به آخرین فناوری انتشار آغاز شد.

سوئیس کانون اصلی تمام جنبش های کاهش انتشار PM بوده است. محققین سوئیسی در دهه 80 بین انتشار PM و بیماریهای تنفسی کارگران ارتباط مشخصی برقرار کردند. بیمه جبران خسارت سوئیس (SUVA) مطالعه ای را برای یافتن رابطه بین هزینه های رتروفیت و هزینه های پزشکی برای افراد بیمار تعیین کرد. نتیجه قابل توجه بود و از آن زمان به خصوص ماشین آلات ساختمانی باید دارای سیستم DPF باشند. در نتیجه سوئیس اولین کشوری بود که تصمیم خود را در مورد استاندارد DPF گرفت. هدف ایجاد یک رویه فنی برای آزمایش سیستم رتروفیتDPF در جهت مطابقت با استاندارهای صنعتی و جنبه های بهداشتی بود.

امروزه استاندارد VERT (فناوری های تایید شده کاهش انتشار) یکی از سخت گیرانه ترین و مقبول ترین استانداردهای بین المللی است. ریشه بسیاری از قوانین ملی در رویه تأیید انجمن VERT است.

چرا به فیلتر جاذب دوده نیاز است؟
مشکل اساسی تشدید خطرات بهداشت سلامت در تمامی مناطق شهری به دلیل افزایش سریع ترافیک موتوری طی 50 سال گذشته است. ذرات ریزی که در محدوده ورود به کیسه هوایی قرار می گیرند "ماده سمی درجه1" نام دارند. این ذرات جامد فوق ریز در محدوده اندازه <500 نانومتر منحصراً حاصل فعالیت انسانها هستند و در نتیجه فرآیند احتراق و از همه مهمتر از موتورهای احتراقی بوجود می آیند. تمام موتورها این ذرات ریز را تولید می کنند، هم بصورت دوده و هم اکسیدهای فوق ریز فلزی حاصل از سایش قطعات موتور و افزودنی های روغن موتور. با این حال، این فرآیندهای احتراق ناهمگن در موتورهای دیزل هستند که بالاترین غلظت آلایندگی را ایجاد می کنند. علی رغم تلاشهای زیاد در زمینه مهندسی، انتشار تعداد ذرات معلق از موتورهای جدید احتراق داخلی کاهش نیافته است. در واقع، با وجود اینکه موتورهای درونسوز کنونی انتشار آلایندگی کمتری نسبت به مدلهای قدیمی دارند اما این نقص هنوز هم مشاهده می شود. یکی از شاخص ترین مطالعات تحقیقاتی صورت گرفته بر روی 6 شهرهای ایالات متحده (Dockery 1993) تأثیر شدید ذرات معلق بسیار ریز بر مرگ و میر ساکنان و نیز از عواقب سرطان زایی و مشکلات قلب و عروقی را نشان داد. بدین منظور WHO آمار میزان تأثیر این ذرات را در کشورهای مختلف بصورت کمی درآورده است. آمار مربوط به سوئیس میزان این خطر را نشان می دهد که اکنون حداقل 6 برابر بیشتر از خطر سوانح رانندگی است. این نماینده برای تمام کشورهای صنعتی دیگر است.

12

دو شکل بالا نشان می دهد که عمدتاً ذرات بسیار ریز به ریه نفوذ و از ریه به سایر اندام های بدن منتقل می شوند. در این میان بدن به ذرات > 1 میکرون پاسخ دیگری می دهد. این ذرات بزرگتر به لطف مکانیسم پاک سازی تنفسی، که به طور طبیعی تکامل یافته است، به طور موثری جلوگیری و دفع می شوند. بنابر این واضح است که اندازه ذرات عامل بسیار مهمی است. از این رو ، رویکرد های نوین بر ذرات جامد در محدوده اندازه ورود به کیسه هوایی دستگاه تنفسی متمرکز است. WHO این نوع انتشار ذرات را از سال 1988 به عنوان انتشار سرطان زا طبقه بندی کرده است. این واقعیت باعث شده است که در بسیاری از کشورها، مقررات زیست محیطی با هدف به حداقل رساندن این میزان انتشار با استفاده از بهترین فناوری موجود ، پیش بینی شود چرا که هیچ آستانه مطمئنی برای مواد سرطان زا وجود ندارد. این الزامات نقش تحقیقات مهندسی را مشخص می کند: تعیین اینکه کدام یک از سیستم های پساپالایش گازهای خروجی مشمول "بهترین فناوری موجود" می شود و اینکه این فناوری در چه مقیاسی باید بکار برده شود تا منجر به کاهش انتشار آلاینده از موتورهای احتراق داخلی شود. این مسئولیت شامل هم موتورهای جدید و هم موتورهایی است که در حال حاضر استفاده می شود. تعمیم این موضوع به موتورهای موجود، به عنوان مثال انجام رتروفیت، به انتخاب نوع فن آوری و تکنیک های استفاده محدود می شود.

از نظر تاریخی، قوانین محدود به قوانین مربوط به وسایل نقلیه جدید است. قانون انتشار از طریق اعمال محدودیت های انتشار آلایندگی به تدریج دقیق تر، خطرات بهداشتی شناخته شده را بهبود می بخشد. این قانون تشدید کننده گازهای خروجی یک چالش بزرگ برای تولیدکنندگان موتور است چرا که فرآیند مهندسی پر هزینه ای را می طلبد. شکل 3 پیشرفت قانون گازهای خروجی را برای وسایل نقلیه جاده ای و وسایل نقلیه آفرود (ماشین آلات ساختمانی، تراکتور و غیره) در اروپا نشان می دهد.

3

این مقادیر محدود کننده ذرات معلق به عنوان جرم کل ذرات (PM ، g /kWh) تعریف می شوند. هرچند این معیار برای EUR04 / EUR05 کافی نیست زیرا PM آنها به مرزهای تشخیص نزدیک می شود. در اینجا این سوال نیز پیش می آید که آیا معیار PM اهمیت اندازه ذرات را که در بالا توضیح داده شد ، نشان می دهد؟. ذرات فوق ریز در محدوده 100 نانومتر دارای جرم بسیار کمی در ترکیب ذرات کوچک و بزرگ هستند. موتورهای جدید نهایتا محدودیت های قانونی را برآورده کردند اما همچنان غلظت های زیادی از ذرات فوق العاده ریز سمی منتشر می کنند که قابل پیشگیری هستند. با این وجود توجه داشته باشید که این فناوری مدرن معایبی نیز دارد. مبدلهای کاتالیزوری اکسیداسیون با پوشش پلاتین، می تواند No2 نامطلوب را افزایش دهد. و فناوری SCR می تواند باعث گریز آمونیاک شده و سموم دیگری را آزاد کند که هنوز به اندازه کافی بررسی نشده اند. اینها انتشارهای ثانویه ای هستند که هنگام معرفی فناوری های جدید باید از آنها جلوگیری شود (آزمایش اجباری در سوییس و در ایالات متحده آمریکا). تحقیقات متعدد در دهه های گذشته در مورد روش های محدود کردن انتشار ذرات از موتورهای دیزل تحقیق کرده است. در این تحقیقات روش های زیر بررسی شد:

  • مبدلهای کاتالیزوری اکسیداسیون
  • افزودنی سوخت
  • سوخت بدون سولفور
  • زیست سوخت
  • امولسیون آب-گازوئیل
  • بهبود روغن موتور
  • بهینه سازی احتراق، پاشش سوخت و سوپرشارژینگ

بسیاری از این روش ها می توانند توده PM، شامل مواد جامد و میعانات را کاهش دهند. ذرات فوق ریز در بیشترین حالت از طریق این روش ها یک مرتبه کاهش می یابند. این میزان در مقایسه با فیلترهای خوب جاذب دوده که می تواند ذرات فوق ریز را با اندازه 3 تا 5 مرتبه کاهش دهد کافی نیست. کارایی این فیلترها برای ذرات با انداره کوچکتر بیشتر است که این موضوع از نظر ویژگی های سمی بودن دارای اهمیت است. این اثر به دلیل رفتار انتشار ذرات فوق ریز از نظر فیزیکی قابل قبول است. بنابراین غلظت ذرات گازهای خروجی نسبت به غلظت ذرات معلق محیط بیرون کاهش می یابد. همچنین علاوه بر ذرات دوده، از خروج تمامی ذرات فلزات سنگین حاصل از سایش و روغن کاری نیز جلوگیری می شود. همچنین به دلیل اینکه این سیستم بجای منبع اگزوز قرار میگیرد، ذرات معدنی و ذرات فیبر را فیلتر می کند. این ویژگی برجسته فیلتر جاذب دوده جدید برای مدت زمان طولانی پایدار مانده است. هیچ نشانه ای از خرابی ناشی از افزایش عمر فیلتر وجود ندارد. تمام فیلترهای ذرات نه تنها ذرات جامد را محدود می کنند، بلکه همچنین غلظت هیدروکربنهای آروماتیک چند حلقه ای که به ذرات می چسبند را محدود می کنند. بسیاری از فیلترها، هنگامی که با کاتالیزور پوشش داده می شوند، از CO و HC نیز می کاهند. برخی از فیلتر های جاذب دوده محتوای NO2 گاز خروجی را افزایش می دهند. انتخاب فناوری مناسب تر برای احیاء فیلتر می تواند از اثر نامطلوب NO2 جلوگیری کند.

نسبت هزینه به فایده

شکل 4 هزینه های نصب بر اساس فرانک سوئیس به کیلو وات را نشان می دهد، این قیمت بر اساس قیمت های بازار در سالهای گذشته مشخص شده است که عمدتا تحت تأثیر نحوه بکار گیری در ماشین آلات سایت های ساختمانی است.

4

هزینه های بالایی در این میان وجود دارد. شیب منحنی شرایط نامطلوبی را برای ماشین های کوچکتر نشان می دهد چرا که هزینه های ویژه بسیار بالایی دارند. اگر هزینه تاثیر بر حسب هزینه بر کیلوگرم دوده دفع شده (Cost/Kg) فرموله شود، آنگاه منحنی تقریباً افقی خواهد بود. ضمناً هزینه های رتروفیت را نیز نباید دست کم گرفت. معمولاً رتروفیت سفارشی بیشتر ضروری است که منجر به هزینه بیشتر می شود. از سوی دیگر درصورت که حجم بالایی از این فیلتر ها وجود داشته باشد، به دلیل آنکه هزینه اتصالات پایین می آید، هزینه کیت های رتروفیت منطقی تر می شود که نهایتا منجر به کاهش بیشتر هزینه ها می شود. با این وجود ناهمگونی ماشین آلات، هزینه ها را بالا نگه می دارد. در این میان، وسایل نقلیه خدماتی بطور امیدوار کننده ای هزینه های کمتری نیاز دارند. این کاهش هزینه عموماً بخاطر این است که این گونه وسائل از یکنواختی بیشتر، دامنه استقرار و وضعیت استقرار مشابه بهره مند می شوند. به هر طریق باید خاطر نشان شد اینگونه هزینه های بالا از نظر اقتصادی کلان هنگامی که با منافع مالی صرفه های هزینه های پزشکی مقایسه میشوند، توجیح اقتصادی دارند. جدول زیر ضریب هزینه/فایده را برای شرایط مختلفی که سیستم فیلتر مستقر است محاسبه کرده است. برای مثال در این جدول هزینه های جلوگیری از نشر 1 کیلو گرم دوده با استفاده از فیلترهای جریان کامل با کارایی بالا برای کاربرد در کامیون ها در مقایسه با فیلتر های جریان ناقص برای کاربری موتوری سبک و همچنین برای ماشین آلات آفرود / ساخت و ساز نشان داده شده است.

5

واضح است که نسبت هزینه / فایده رتروفیت فیلترهای جریان کامل با کارایی بالا در خودروهای سنگین (HDV) که هزینه های بالایی ایجاد میکند مقرون به صرفه تر از استفاده از فیلترهای جریان ناقص است زیرا اینگونه فیلتر ها در واقع برای رتروفیت وسائل نقلیه موتوری سبک (LDV) مناسب است. در نهایت باید عنوان نمود نسبت هزینه/فایده استفاده از فیلترهای جاذب دوده چه در وسایل نقلیه سنگین و سبک و چه وسایل نقلیه جاده ای و خارج جاده ای بسیار مقرون به صرفه است. علاوه بر این، استفاده از فیلترهای جریان ناقص بر روی اتومبیل ها نسبت هزینه / فایده بسیار ضعیفی دارد، به همین دلیل باید از چنین محصولاتی به طور قطع جلوگیری شود. یک معیار مفید برای ارزیابی این نسبت های هزینه / فایده، آمار سازمان WHO برای به اصطلاح هزینه های بهداشت خارجی است که 280 یورو برای هر کیلوگرم دوده است.