تشکیل اکسیدهای نیتروژن (NOx) در موتور خودروها و روش‌های کاهش آن

آلودگی هوا یکی از مهم‌ترین چالش‌های زیست‌محیطی قرن حاضر به شمار می‌رود و نقش وسایل نقلیه موتوری در این میان بسیار پررنگ است. موتورهای درون‌سوز، به‌ویژه موتورهای بنزینی و دیزلی، در کنار تولید دی‌اکسید کربن و هیدروکربن‌های نسوخته، گازهای خطرناکی موسوم به اکسیدهای نیتروژن یا NOx را نیز منتشر می‌کنند. این ترکیبات سهم قابل‌توجهی در ایجاد مه‌دود فتوشیمیایی، باران اسیدی و مشکلات تنفسی انسان دارند.

از این رو، شناخت فرآیند تشکیل NOx در موتور خودروها و بررسی روش‌های مؤثر کاهش آن، هم از منظر فنی و هم از دیدگاه زیست‌محیطی، اهمیتی اساسی دارد. بر همین اساس تصمیم گرفتیم به بررسی سازوکار تشکیل اکسیدهای نیتروژن و راهکارهای مهندسی کاهش آن‌ها در موتورهای خودرو بپردازیم. همراه ما باشید.

اصطلاح NOx به مجموعه‌ای از ترکیبات شیمیایی شامل نیتریک اکسید (NO) و نیتروژن دی‌اکسید (NO₂) اطلاق می‌شود که در فرآیند احتراق در دماهای بالا تشکیل می‌شوند. در موتور خودروها، بیش از ۹۰ درصد NOx تولیدشده به‌صورت NO است که در اتمسفر به‌تدریج به NO₂ تبدیل می‌شود. این گازها بی‌رنگ یا قهوه‌ای مایل به قرمز بوده و بوی تند و تحریک‌کننده‌ای دارند. تحقیقات آژانس حفاظت محیط‌زیست آمریکا نشان می‌دهد که NOx یکی از عوامل اصلی تحریک سیستم تنفسی، تشدید آسم و کاهش عملکرد ریه‌هاست.

مهم‌ترین عامل تشکیل اکسیدهای نیتروژن در موتور خودرو، دمای بالای احتراق است. زمانی که دمای محفظه احتراق از حدود ۱۸۰۰ درجه سانتی‌گراد فراتر می‌رود، نیتروژن موجود در هوا با اکسیژن واکنش داده و NO تشکیل می‌شود. هرچه دما و فشار اوج احتراق بیشتر باشد، نرخ تشکیل NOx نیز افزایش می‌یابد. به همین دلیل موتورهایی با نسبت تراکم بالا یا بار کاری زیاد، پتانسیل بیشتری برای تولید این آلاینده دارند.

تشکیل اکسیدهای نیتروژن در موتورهای درون‌سوز از سه مکانیسم اصلی پیروی می‌کند. نخست، NOx حرارتی که مهم‌ترین نوع محسوب می‌شود و در اثر دمای بالای احتراق شکل می‌گیرد. دوم، NOx سوختی که ناشی از وجود ترکیبات نیتروژن‌دار در سوخت، به‌ویژه در موتورهای دیزلی سنگین، است. سوم، NOx سریع یا Prompt NOx که در شرایط غنی از سوخت و در مراحل ابتدایی احتراق ایجاد می‌شود. در خودروهای سواری، سهم NOx حرارتی بسیار غالب‌تر از دو نوع دیگر است.

موتورهای دیزلی به دلیل نسبت تراکم بالاتر و احتراق در دما و فشار بیشتر، ذاتاً NOx بیشتری نسبت به موتورهای بنزینی تولید می‌کنند. در مقابل، موتورهای بنزینی به‌واسطه کارکرد نزدیک به نسبت استوکیومتریک و استفاده از مبدل کاتالیستی سه‌راهه، کنترل مؤثرتری بر انتشار NOx دارند. با این حال، پیشرفت فناوری‌های احتراق و پس‌پالایش باعث شده اختلاف میان این دو نوع موتور تا حدی کاهش یابد.

شرایط عملکردی موتور نقش مهمی در میزان تولید اکسیدهای نیتروژن ایفا می‌کند. بار بالا، شتاب‌گیری شدید و رانندگی در سرعت‌های بالا معمولاً باعث افزایش دمای احتراق و در نتیجه افزایش NOx می‌شود. در مقابل، کارکرد موتور در دور و بار متوسط، میزان تولید این آلاینده را کاهش می‌دهد. همچنین کیفیت سوخت، زمان‌بندی جرقه و نسبت هوا به سوخت از عوامل تعیین‌کننده در این زمینه هستند.

یکی از مؤثرترین راهکارهای کاهش NOx، کنترل فرآیند احتراق در داخل موتور است. بازگردانی گازهای خروجی یا سیستم EGR با وارد کردن بخشی از گازهای اگزوز به محفظه احتراق، دمای اوج احتراق را کاهش داده و تشکیل NOx را محدود می‌کند. همچنین تأخیر در زمان جرقه در موتورهای بنزینی و بهینه‌سازی زمان تزریق سوخت در موتورهای دیزلی می‌تواند نقش قابل‌توجهی در کاهش این آلاینده داشته باشد. استفاده از احتراق لایه‌ای و نسبت‌های هوا به سوخت رقیق نیز از دیگر راهکارهای مؤثر محسوب می‌شوند.

در کنار اصلاحات داخل موتور، استفاده از سیستم‌های پس‌پالایش نقش کلیدی در کاهش NOx دارد. مبدل کاتالیستی سه‌راهه در خودروهای بنزینی، با تبدیل هم‌زمان NOx، CO و HC به ترکیبات کم‌ضرر، یکی از موفق‌ترین فناوری‌ها در این حوزه به شمار می‌رود. در موتورهای دیزلی، سیستم‌های SCR با استفاده از محلول اوره یا ادبلو، اکسیدهای نیتروژن را به نیتروژن و بخار آب تبدیل می‌کنند. همچنین تله‌های NOx یا LNT در برخی خودروهای دیزلی سبک به کار می‌روند.

استانداردهای سخت‌گیرانه آلایندگی مانند یورو ۶ و یورو ۷ نقش مهمی در توسعه فناوری‌های کاهش NOx داشته‌اند. این مقررات خودروسازان را ملزم کرده‌اند تا از ترکیبی از راهکارهای احتراقی و پس‌پالایشی استفاده کنند. نتیجه این فشارهای قانونی، کاهش چشمگیر میزان NOx در خودروهای مدرن نسبت به نسل‌های قدیمی‌تر بوده است.

با گسترش خودروهای هیبریدی و برقی، انتظار می‌رود سهم موتورهای درون‌سوز در آلودگی هوا به‌تدریج کاهش یابد. با این حال، موتورهای احتراق داخلی در آینده نزدیک همچنان نقش مهمی در حمل‌ونقل ایفا خواهند کرد. به همین دلیل، توسعه احتراق‌های کم‌دما، سوخت‌های جایگزین و سیستم‌های هوشمند کنترل آلایندگی، مسیر اصلی کاهش NOx در سال‌های آینده خواهد بود.

اکسیدهای نیتروژن از مهم‌ترین آلاینده‌های تولیدشده توسط موتورهای خودرو هستند که پیامدهای جدی زیست‌محیطی و بهداشتی دارند. تشکیل این ترکیبات به‌طور مستقیم به دمای بالای احتراق و شرایط عملکردی موتور وابسته است. ترکیبی از راهکارهای مهندسی شامل کنترل احتراق، استفاده از سیستم‌های EGR، به‌کارگیری مبدل‌های کاتالیستی و فناوری‌های پیشرفته پس‌پالایش، نقش تعیین‌کننده‌ای در کاهش NOx ایفا می‌کند. آینده صنعت خودرو نیز بر پایه کاهش هرچه بیشتر این آلاینده و حرکت به‌سوی حمل‌ونقل پاک‌تر شکل خواهد گرفت.