Document Type : Original Article
Subjects
در 100 سال گذشته، سوختهای مبتنی بر نفت بهعنوان مهمترین و تنها منبع انرژی برای وسایل نقلیه و صنایع استفاده شده است. سوختهای مشتق شده از نفت از منابع فسیلی استخراج میشوند [1،2]. افزایش نگرانی جهانی در مورد آلودگی ناشی از استفاده از موتورهای احتراق داخلی منجر به گرایش و علاقه به استفاده از سوختهای سازگار با محیطزیست شده است. در طول دو دهه گذشته، محققان و سازندگان موتورهای احتراق داخلی راهحلهای مختلفی را برای کاهش سطح آلایندههای تولید شده توسط موتور ارائه کردهاند [3].
امروزه منابع انرژی و حفاظت از محیطزیست یکی از مهمترین مسائل حملونقل و صنعت است. برای برآوردن این الزامات، شرکتهای بزرگ خودروسازی و بسیاری از مؤسسات تحقیقاتی در حال توسعه فناوریهای موتور جدید برای رعایت مقررات آلایندگی هستند. موتور احتراق داخلی اگرچه بازده احتراق بالایی دارد و از مزیت کاهش مصرف انرژی برخوردار است، اما از نظر آلایندگی دارای معایبی است [4-6].
موتورهای اشتعال جرقهای (SI) سنگ بنای حملونقل مدرن هستند که عمدتاً در وسایل نقلیه بنزینی استفاده میشود [4،7]. با تشدید مقررات زیستمحیطی، فشار فزایندهای برای کاهش انتشار گازهای گلخانهای و در عین حال حفظ عملکرد موتور وجود دارد [8، 9]. افزودنیهای سوخت با افزایش راندمان احتراق و کاهش آلایندهها، نقش مهمی در دستیابی به این تعادل دارند. در میان این افزودنیها، اکسیژنها به دلیل پتانسیل آنها برای افزایش احتراق و کاهش انتشار مورد توجه قرار گرفتهاند [5].
افزودنیهای اکسیژندار ترکیبات شیمیایی حاوی اکسیژن هستند که برای بهبود احتراق و کاهش انتشارات مضر مانند مونوکسید کربن (CO) و هیدروکربنهای نسوخته (HC) به سوخت وارد میشوند [5،10،11]. با ارائه اکسیژن اضافی، این افزودنیها میتوانند احتراق کاملتری را تقویت کنند که منجر به افزایش راندمان موتور و کاهش آلایندههای خاص میشود [12،13]. افزودنیهای اکسیژندار متداول شامل اتانول، متانول و متیل ترت بوتیل اتر ([1]MTBE) است که هر کدام دارای خواص و تأثیرات منحصر به فردی بر عملکرد موتور هستند.
افزودنیهای اکسیژندار پرکاربرد نوع افزودنیها در بنزین هستند که به دلیل عدد اکتان بالا و توانایی بهبود عملکرد موتور شناخته شدهاند. این افزودنیها بهطور گسترده در برآوردن الزامات نظارتی برای سوختهای اکسیژندار و کاهش انتشار گازهای گلخانهای از موتورهای SI استفاده میشوند [5].
بابازاده و همکاران مطالعه (1392) ترت بوتیل الکل و متیل ترت بوتیل اتر را با بنزین پایه پالایشگاهی با نسبت حجمی 2.5، 5، 7.5، 10، 15 و 20 مخلوط کردند و رفتار فراریت سوخت را ارزیابی کردند. مطابق با استانداردهای ASTM، نتایج نشان داد که در صورت استفاده از اتانول بهعنوان افزودنی سوخت، باید در فرمول پایه بنزین تغییراتی ایجاد شود که به خودی خود بر سایر مشخصات سوخت از جمله اکتان تأثیر منفی خواهد داشت. تعداد و فشار افزودن ترت بوتیل الکل به بنزین این امر مقدار بخار بنزین را اندکی افزایش میدهد و برای کاهش فشار بخار بنزین نیازی به جایگزینی ترکیبات سبکتر بنزین پایه با ترکیبات سنگینتر نیست.
بلپوگی و همکاران (1995) اثرات متیل تربوتیل اتر بهعنوان یک افزودنی بنزین را بر عملکرد موتور جرقهزنی و انتشار گازهای گلخانهای بررسی کرد.
مطالعهای که توسط قبادیان و همکاران (2008) انجام شد، تأثیر اتانول افزوده شده بر رفتار خورنده فلزات در سیستم سوخت خودرو را بررسی کرد. آزمون خوردگی بر روی بنزین با نسبتهای مختلف اتانول با استفاده از روش کاهش وزن و همچنین روش طیفسنجی امپدانس الکتروشیمیایی انجام شد. سطح نمونههای مورد آزمایش پس از صد و چهل و چهار روز غوطهور شدن در محلولهای مورد بررسی توسط میکروسکوپ الکترونی مورد بررسی قرار گرفت. محصولات خوردگی نیز با استفاده از روش EDX آنالیز شدند. اثر هیدراتاسیون با افزودن مقدار ثابت 1 درصد به تمام محلولهای آزمایش شده با استفاده از روش EIS بررسی شد. نتایج افزایش هماهنگ در نرخ خوردگی فلز سیستم سوخت با افزایش نسبت اتانول و آب در بنزین را نشان داد. نتایج آزمایش نشان داد که آلیاژهای جوشکاری و آلیاژهای آلومینیوم از خوردگی کمتری نسبت به آلیاژهای سیستم سوخت متحمل شدند. همچنین کلر و گوگرد بهعنوان اجزای اصلی اکثر محصولات خوردگی شناخته شدهاند، بنابراین کنترل این دو جزء در سیستم تأمین سوخت ضروری است.
با این حال، استفاده از این افزودنیها به دلیل نگرانیهای زیستمحیطی، بهویژه در مورد آلودگی آبهای زیرزمینی، بحثبرانگیز بودهاند. با وجود این مسائل نمیتوان نقش آن را در افزایش عملکرد موتور و کاهش آلودگی هوا نادیده گرفت.
MTBE بهدلیل عدد اکتان بالا میتواند مورد استفاده قرار گیرد. علاوه بر این، توانایی آن در افزایش محتوای اکسیژن در بنزین میتواند منجر به احتراق کاملتر و در نتیجه کاهش انتشار CO و HC شود. این مزایا به استفاده گسترده از آن در فرمولاسیون بنزین، بهویژه در مناطقی با استانداردهای دقیق کیفیت هوا کمک کرده است.
علیرغم مزایای آن، MTBE به دلیل خطرات زیستمحیطی و بهداشتی با انتقادات قابلتوجهی مواجه شده است. حلالیت بالای آن در آب و ماندگاری در محیط، آن را بهعنوان یک آلاینده بالقوه آبهای زیرزمینی و منابع آب آشامیدنی تبدیل میکند. این خطرات منجر به اقدامات نظارتی محدود یا ممنوعیت استفاده از MTBE در برخی مناطق شده است. بنابراین، ارزیابی چرخه حیات بهکارگیری از MTBE برای درک ردپای کامل محیطی آن و هدایت تصمیمات سیاست آتی بسیار مهم است.
چالش صنعت خودرو و سوخت ایجاد تعادل بین افزایش عملکرد موتور و به حداقل رساندن آسیبهای زیستمحیطی است. در حالی که MTBE مزایای عملکردی را ارائه میدهد، پتانسیل آن برای ایجاد آسیب زیستمحیطی سؤالاتی را در مورد پایداری آن بهعنوان یک افزودنی سوخت ایجاد میکند. ارزیابی چرخه عمر اثرات MTBE میتواند دید جامعی از تأثیر آن ارائه دهد و به سهامداران کمک کند تا تصمیمات آگاهانهای در مورد استفاده از آن در بنزین بگیرند.
ارزیابی چرخه حیات ([2]LCA) یک رویکرد سیستماتیک برای ارزیابی اثرات زیستمحیطی یک محصول یا فرآیند از گهواره تا گور است. با بررسی هر مرحله از چرخه عمر MTBE - از تولید و استفاده تا دفع و سرنوشت محیطی - LCA میتواند بینشهایی را در مورد تأثیر کلی این افزودنی بر عملکرد موتور، انتشار گازهای گلخانهای و سلامت محیط ارائه دهد. این دیدگاه کلنگر برای درک مبادلات و هدایت استراتژیهای فرمولاسیون سوخت در آینده ضروری است [12، 14-16].
این مطالعه با هدف ارزیابی اثر MTBE بهعنوان یک افزودنی اکسیژن بر عملکرد موتور SI و آلودگی از طریق رویکرد چرخه عمر انجام میشود. با تجزیهوتحلیل تأثیر افزودنی بر راندمان موتور، انتشار گازهای گلخانهای و آلودگی محیطی بالقوه، این مطالعه به دنبال ارائه یک ارزیابی متعادل از نقش MTBE در سوختهای مدرن است. این یافتهها به درک بهتری از مزایا و خطرات افزودنی کمک میکند و به سیاستها و شیوههای صنعت آینده اطلاع میدهد.
این مطالعه برای بررسی ابعاد مختلف تأثیر MTBE بر موتورهای SI و محیط طراحی شده است. این مقاله با بررسی جامع نقش MTBE در فرمولاسیون سوخت و اثرات آن بر عملکرد موتور آغاز میشود. در مرحله بعد، خطرات زیستمحیطی مرتبط با MTBE را بررسی میکند و بر پتانسیل آن برای آلودگی و اثرات بهداشتی تمرکز میکند. این مطالعه با بحث در مورد معاوضه بین عملکرد و ایمنی محیطی به پایان میرسد و توصیههایی برای تحقیقات و سیاستهای آینده ارائه میدهد.
مواد و روشها
این بخش از مطالعه از سه قسمت اصلی تشکیل شده است. بخش اول به ارائه آمادهسازی نمونههای سوخت میپردازد. بخش دوم آزمونهای موتور مقتضی را انجام میدهد و بخش سوم به ارائه نحوه انجام فرایند مربوط به ارزیابی چرخه حیات میپردازد.
آمادهسازی نمونههای سوخت
در این بخش جزییات آمادهسازی نمونه سوختها ارائه میگردد. سوخت بنزین بهعنوان سوخت شاهد و درصدهای پایین MTBE (شامل ۰، ۳، ۶ و ۹ درصد) بهعنوان افزودنی سوخت بنزین استفاده شد. جدول ۱ به ارائه مقادیر مربوط به هر نمونه سوخت میپردازد. مطابق با جدول ۱، نمونه سوختها در حجمهای ۵۰۰ میلیلیتر آماده شد.
|
جدول 1- جزئیات آمادهسازی نمونه سوختها Table 1- Details of fuel samples preparation |
||||||
|
Total volume (mL) |
MTBE |
Gasoline |
Index |
order |
||
|
500 |
0 |
500 |
GM0 |
1 |
||
|
500 |
|
15 |
|
485 |
GM3 |
2 |
|
500 |
|
30 |
|
470 |
GM6 |
3 |
|
500 |
|
45 |
|
455 |
GM9 |
4 |
برای همگن کردن نمونههای سوخت از هموژنایزر (Polytron®) در دمای ۲۵ درجه سانتیگراد به مدت ۳۰ دقیقه استفاده شد. در همین راستا ترکیب سورفکتانت توئین به اسپن 80 با نسبت 1 به 2 استفاده شد. پایداری نمونه سوختهای آماده شده، حاوی غلظتهای مختلف افزودنیها با قرار دادن نمونه سوختها در دمای اتاق به مدت ۳۰ روز بدون جابجایی مطابق با روش ارائه شده توسط فیض اله زاده اردبیلی و همکاران (۲۰۲۱) مورد مطالعه قرار گرفت [17]. افزودنیهای سوخت در طول دوره آزمایشی پایدار بودند و هیچگونه رسوبی مشاهده نشد.
خواص فیزیکی-حرارتی نمونه سوختها، از جمله تأثیرگذارترین عوامل در عملکرد و انتشار آلایندگی موتور است. از جمله این پارامترها، میتوان به چگالی، ویسکوزیته، و ارزش حرارتی، اشاره کرد (جدول ۲). در این مطالعه، چگالی نمونههای سوخت در دمای 15 درجه سانتیگراد با بهکارگیری دستگاه اندازهگیری چگالی مدل DA-130N اندازهگیری شد. در ادامه ویسکوزیته نمونههای سوخت با استفاده از ویسکومتر بروکفیلد مدل DV-II Prime در دمای 40 درجه سانتیگراد اندازهگیری شد. ارزش حرارتی نمونههای سوخت با بهکارگیری دستگاهی به نام بمب کالریمتر Par-PM52 اندازهگیری شد روش کار به این شکل است که پس از اندازهگیری دمای اولیه و ثانویه، مقادیر در رابطه 1 قرار داده میشوند تا میزان ارزش حرارتی سوخت حاصل شود.
|
(1) |
گرمای نهان سوخت- (میزان کربنات+3/2×طول سیم)-2426×(دمای اولیه-دمای ثانویه)=ارزش حرارتی سوخت |
در این رابطه، اعداد 2426 و 3/2 اعداد ذاتی مربوط به نوع دستگاه بمب کالریمتر بوده که ممکن است برای وسیلهای از نوع دیگر صادق نباشد.
انجام آزمون موتور
نمونه سوختهای آماده شده داخل بطریهای نیم لیتری ریخته شدند سپس بهطور تجربی در یک موتور احتراق جرقهای تک سیلندر چهار زمانه، مدلrme1000 ، با حجم جابجایی cc98 و حداکثر توان W800 مورد آزمون قرار گرفتند. در این تحقیق به منظور استفاده از نمونه سوختها در موتور ژنراتورrme1000 و همچنین اندازهگیری میزان سوخت مصرفی با تعبیهی یک مجرای مجزا در پشت کاربراتور، و تعبیه یک شیر در مسیر انتقال سوخت، تلاش بر ایجاد کنترل روی سوخت مصرفی شد. به این صورت که سوخت از یک مخزن مجزا و با عبور از یک لوله شیشهای مدرج به روش جابجایی قابلیت اندازهگیری داشت و همچنین توسط مخزن اولیه و شیر تعبیه شده، هر لحظه میتوانستیم به سوخت شاهد دسترسی پیدا کنیم. برای تحت بار قرار دادن موتور از یک مقاومت متغیر نوع TDGC2-5kVA و یک هیتر kW 1 استفاده شد. با اندازهگیری توان موتور مقدار آمپر و ولتاژ برق اندازهگیری شد (حاصلضرب آمپر و ولتاژ برق مستقیم (DC) نشاندهنده میزان توان مصرفی است). از آلاینده سنج مدل QRO-401 ساخت شرکت QROTECH، برای اندازهگیری مقادیر آلایندههای خروجی از اگزوز موتور استفاده شد (شکل ۱).
در هنگام آزمون موتور، ابتدا موتور توسط سوخت شاهد راهاندازی شد و پس از 5 دقیقه و گرم شدن موتور، مسیر سوخت شاهد بسته شده و همزمان مسیر ورود نمونه سوختها باز شد. در این حالت مقدار نمونه سوخت و هوای ورودی طوری تنظیم میشد که شرایط کاری موتور به حالت پایدار برسید. پس از پایداری، دادههای مربوط به توان برق تولید شده و انتشار گازهای آلاینده CO، CO2 و UHC اندازهگیری و یادداشت میشد.
|
شکل ۱- محل ورودی سوخت و ورودی هوا به موتور تحت آزمون Figure 1- Location of fuel inlet and air inlet to the engine under test |
ارزیابی چرخه حیات
ارزیابی چرخه حیات یک رویه تخصصی است که برای ارزیابی منابع، فرآیندها و خدمات مورد استفاده در طول چرخه تولید، از اکتساب مواد خام، تولید و مراحل تا سیستمهای مختلف تولید و اثرات بالقوه زیستمحیطی آن فعالیتها استفاده میشود. در ابتدا، ارزیابی چرخه حیات از روشی استفاده میکند که چگونه آیتمهای مختلف بر محیط تأثیر میگذارند. ارزیابی چرخه حیات یک رویکرد استاندارد برای ارائه یک پایه علمی محکم برای پایداری محیطی برای کسب و کارها و دولتها است [12]. ارزیابی چرخه حیات اثرات اکولوژیکی مواد کامپوزیتی را در مورد ماهیت قابل بازیافت آنها تجزیهوتحلیل میکند [18]. تجزیهوتحلیل از گهواره تا گور اثرات زیستمحیطی یک محصول یا خدمات را از زمان تصور تا زمان دور انداختن آن، از جمله تمام مراحل ساخت، حملونقل، مصرف کاربر نهایی و دفع زباله بررسی میکند [12]. ارزیابی چرخه حیات دارای چهار مرحله است: تعریف اهداف و دامنه، انجام تجزیهوتحلیل موجودی، انجام ارزیابی تأثیر و تفسیر نتایج.
روش ارزیابی چرخه حیات شامل مرزهای سیستم و میزان جزئیات موردنیاز است که میتواند بر اساس کاربرد خاص و موضوع تحقیق متفاوت باشد. عمق و دامنه یک مطالعه ارزیابی چرخه حیات بسته به اهداف مطالعه میتواند بهطور قابلتوجهی متفاوت باشد. برای مطالعه حاضر، مرزهای سیستم شامل آمادهسازی نمونه سوخت و مرحله احتراق نمونههای سوخت میشود [16]. هدف اصلی این مطالعه ارزیابی چرخه حیات انجام یک ارزیابی جامع از اثرات زیستمحیطی آمادهسازی نمونه سوختهای حاوی بنزین و افزودنی اکسیژندار، و تولید و استفاده از انرژی برای افزایش راندمان موتور و به حداقل رساندن آلایندهها است.
در ارزیابی چرخه حیات، واحد عملکردی به مجموعهای از مراجع برای دادههای موجودی اشاره دارد [16]. واحد عملکردی معمولاً در خروجی سیستم توضیح داده میشود [12]. در این مطالعه، واحد عملکردی نهایی برای هر مخلوط سوخت 1 گیگاژول از توان شفت تولید شده توسط احتراق تعیین میشود. علاوه بر این، برای درک اثرات زیستمحیطی هر مرحله، زیرسیستمهای متعددی مستقل از مراحل قبل بررسی میشوند. در واقع، این نوع محاسبات در ارزیابی چرخه حیات میتواند بینش بیشتری در مورد ماهیت عملیاتی هر مرحله از منظر اثرات محیطی ارائه دهد.
سیاهه چرخه حیات بخش مهمی از فرآیند ارزیابی چرخه عمر است که هدف آن کمی کردن تمام ورودیها و خروجیهای یک سیستم است. این مرحله شامل چهار مرحله فرعی است که بهصورت همزمان انجام میشود [12]. در مرحله اول، تمام عملیات درگیر در چرخه عمر محصول، از برداشت انرژی و مواد خام از محیطزیست، باید شناسایی شوند. مرحله دوم چالش برانگیزترین مرحله است و نیاز به استخراج دادههای ضروری برای هر روش دارد. دادهها را میتوان از مطالعات علمی، انتشارات متخصص ارزیابی چرخه حیات، و سوابق تجاری و دولتی به دست آورد. مرحله سوم شامل بازنگری مرزهای سیستم برای شناسایی بردارهای مهم مرزهای سیستم و حذف فرآیندهایی است که از مرزهای سیستم فراتر میروند [19]. در نهایت، تمام ورودیها و خروجیهای فرآیندها توسط واحد عملکردی تنظیم میشوند [16]. ارزیابی چرخه حیات بهطورکلی از دو جزء کلیدی، انتشار مستقیم و غیرمستقیم تشکیل شده است.
انتشار مستقیم از منابعی میآید که کسبوکار گزارش دهنده مالک یا کنترل آنها است. این مطالعه انتشار مستقیم را با مرحله احتراق، که بهعنوان انتشار اگزوز شناخته میشود، مرتبط میکند. تحقیقات قبلی NOx، O2، CO2 و CO را بهعنوان آلایندههای اصلی اگزوز موتور احتراق تراکمی شناسایی کردند [16].
انتشار غیرمستقیم آنهایی هستند که از عملیات سازمان گزارشدهنده میآیند، اما از منابعی میآیند که متعلق به سایر طرفها هستند یا توسط آن اداره میشوند. در واقع، این انتشارات مربوط به ایجاد مواد شیمیایی متعدد در اجزای مختلف سیستم تولید برق است. مقدار هر ورودی موردنیاز برای این انتشارات. جدول ۲ سیاهه تهیه شده برای این مطالعه را نشان میدهد.
|
Table 2- Life cycle inventory |
||
|
Item |
Value |
Unit |
|
Fuel sample preparation (FU= 1 kg of fuel sample) |
||
|
Ethanol |
Based on fuel sample requirement |
kg |
|
Span |
Based on fuel sample requirement |
kg |
|
Tween |
Based on fuel sample requirement |
kg |
|
Water |
Based on fuel sample requirement |
kg |
|
Gasoline |
Based on fuel sample requirement |
kg |
|
MTBE |
Based on fuel sample requirement |
kg |
|
Steel |
0.00024 |
kg |
|
Polyethylene |
0.0008 |
kg |
|
Acrylonitrile Butadiene Styrene |
0.0013 |
kg |
|
Electricity |
0.38 |
kWh |
|
Combustion of fuel samples (FU= 1 MJ shaft power produced) |
||
|
Indirect emissions |
||
|
Gasoline |
According to PF sample |
kg |
|
Engine body |
0.000025 |
kg |
|
Direct emissions |
||
|
NOx |
Measured for each scenario |
kg |
|
UHC |
Measured for each scenario |
kg |
|
CO2 |
Measured for each scenario |
kg |
|
CO |
Measured for each scenario |
kg |
هدف ارزیابی سیاهه چرخه حیات ارائه اطلاعات بیشتر در مورد اثرات سیاهه چرخه حیات یک سیستم محصول است تا اهمیت آنها برای محیطزیست بهتر درک شود. هدف ارزیابی سیاهه چرخه حیات این است که به مردم کمک کند تا بر اساس نتایج ارزیابی سیاهه چرخه حیات درک کنند که تأثیرات محیطی ممکن برای سیستمهای تولیدی چقدر حیاتی است. ارزیابی سیاهه چرخه حیات باید به اثرات بالقوه روی "مناطق حفاظت شده" از جمله چشمانداز اکولوژیکی[3]، سلامت انسان[4]، تغییرات آب و هوایی[5] و کیفیت منابع[6] نگاه کند. در ده سال گذشته، روشهای بسیاری برای ارزیابی اثرات بر محیطزیست بهبود یافته است. برای اندازهگیری بارهای محیطی در این تحقیق از Impact2002+ استفاده شده است.
از سوی دیگر، شاخص نقطه پایانی مناطق حفاظت شده را توصیف میکند، در حالی که شاخص نقطه میانی نشان میدهد که نتایج موجودی و نقاط پایانی چگونه بر یکدیگر تأثیر میگذارند. استراتژی نقطه پایانی بسیار کمتر واضح است اما میتواند نتایج کاملاً واضحی داشته باشد و تصمیمگیری را آسانتر میکند.
آخرین مرحله از فرآیند ارزیابی چرخه حیات، تفسیر چرخه حیات است. این روند جایی است که اثرات سیاهه چرخه حیات، ارزیابی سیاهه چرخه حیات یا هر دو خلاصه میشود تا بتوان نتیجهگیری، پیشنهادات و تصمیماتی را اتخاذ کرد که با اهداف هماهنگ باشد.
تجزیهوتحلیل حساسیت همه چیز در مورد تجزیهوتحلیل منابع عدم قطعیت در ورودیهای یک مدل یا سیستم ریاضی و اثرات آنها بر خروجی مدل یا سیستم است [16]. با ایجاد تغییرات 10 درصدی در اطلاعات و ضریب خروجی، میتوانیم تجزیهوتحلیل حساسیت چهار دسته آسیب را انجام دهیم. چهار پیامد آسیب بهعنوان متغیرهای وابسته در نظر گرفته میشوند و متغیرهای مستقل ترکیبات سوخت شامل درصد بیواتانول و بنزین، در فرآیند احتراق هستند. پارامترها و چندین تجزیهوتحلیل با استفاده از صفحه گسترده Excel 2019 محاسبه میشوند. علاوه بر این، از نرمافزار SimaPro V8.2.3 برای انجام تحقیقات بر روی دستهبندی ارزیابی چرخه حیات استفاده میشود.
نتایج و بحث
این بخش از مقاله به ارائه نتایج به دست آمده از مرحله آزمون تجربی میپردازد. بخش اول نتایج به ارائه نتایج مربوط به خواص فیزیکی-حرارتی سوخت، بخش دوم به ارائه نتایج آزمون تجربی موتور و بخش سوم به ارائه نتایج مربوط به ارزیابی چرخه حیات و تحلیل زیستمحیطی میپردازد.
نتایج اندازهگیری خواص فیزیکی-حرارتی نمونه سوختها
جدول ۳ نتایج مربوط به خواص نمونههای سوخت را ارائه میدهد. مطابق با جدول، ارزش حرارتی نمونههای سوخت با اضافه کردن افزودنی سوخت کاهش مییابد. زیرا ارزش حرارتی افزودنی MTBE از ارزش حرارتی بنزین کمتر است. از طرفی دیگر، با اضافه کردن افزودنیها به نمونه سوخت حاوی بنزین، ویسکوزیته و دانسیته نمونه سوختها نیز کاهش مییابد. زیرا ویسکوزیته و دانسیته MTBE کمتر از بنزین است (جدول ۳).
جدول ۳- خواص سوخت
Table 3- Fuel properties
|
Order |
Index |
Density (g/cm3) |
LHV (Mj/kg) |
Viscosity (cSt) |
|
1 |
GM0 |
0.77 |
46.00 |
0.75 |
|
2 |
GM3 |
0.76 |
45.54 |
0.74 |
|
3 |
GM6 |
0.74 |
44.62 |
0.72 |
|
4 |
GM9 |
0.73 |
43.70 |
0.71 |
شکل ۲ روند تغییرات خواص فیزیکی-حرارتی نمونه سوختها را بهصورت گرافیکی نشان میدهد.
|
|
|
|
Viscosity |
Density |
|
|
|
|
Calorific value |
|
|
شکل ۲- روند تغییرات خواص فیزیکی-حرارتی نمونههای سوخت Figure 2- Changes in physical-thermal properties of fuel samples |
|
نتایج آزمون موتور
در این بخش نتایج به دست آمده از مرحله آزمون موتور ارائه میگردد. بخش اول به ارائه نتایج عملکرد موتور و بخش دوم به ارائه نتایج انتشار آلایندههای موتور میپردازد. مطابق با شکل ۳ میتوان مشاهده کرد، افزودن MTBE به بنزین بهطور تقریبی توانسته است حدود ۱۰ الی ۲۰ درصد توان ترمزی را افزایش دهد. تنها در نمونه سوخت GM3 توان ترمزی در حدود ۸ درصد کاهش داشته است. یکی از دلایل این افزایش توان، بالا بودن عدد اکتان افزودنی MTBE نسبت به نمونه سوخت بنزین است. از طرفی دیگر با توجه به کم بودن ویسکوزیته افزودنی MTBE نسبت به بنزین، عمل اتمیزه شدن و اختلال نمونه سوخت با هوای ورودی به پیستون نیز میتواند تحت تأثیر قرار گرفته و موجب بهبود توان خروجی از موتور شود.
|
|
|
Brake power |
|
|
|
Fuel consumption |
|
شکل ۳- روند تغییرات پارامترهای عملکردی موتور بنزینی در حضور نمونه سوختها Figure 3- Trend of engine performance parameters in the presence of fuel samples |
از طرفی دیگر مطابق با شکل ۳ میتوان نتیجه گرفت با افزایش توان ترمزی، مصرف سوخت موتور کاهش داشته است. بهطوریکه با افزایش درصد MTBE در نمونه سوختها با توجه به بهبود بازدهی و توان ترمزی موتور، میزان مصرف سوخت کاهش نسبی داشته است.
شکل ۴ به ارائه نتایج مربوط به انتشار آلایندگی موتور در حضور نمونه سوختها میپردازد. مطابق با شکل ۴ میتوان نتیجه گرفت، با افزودن MTBE انتشار دیاکسید کربن افزایش یافته است. این روند میتواند نشان از بهبود کیفیت احتراق با افزودن MTBE در موتور تحت آزمون باشد. این ادعا در روند انتشار مونوکسیدکربن در شکل ۴ نیز مشاهده میشود. بهطوریکه با افزایش MTBE انتشار مونوکسیدکربن تا حدودی کاهش یافته است.
مطابق با شکل ۴، انتشار اکسیدهای نیتروژن با افزایش درصد MTBE کاهش یافته است. یکی از دلایل این کاهش، افزایش عدد اکتان سوخت با افزودن MTBE و بهبود احتراق که میتواند دمای داخل محفظه احتراق را تحت تأثیر قرار داده و به تبع آن انتشار اکسیدهای نیتروژن را تحت تأثیر قرار دهد.
در این حوزه مطالعات متعددی انجام شده است و نتایج مشابهی در شرایط کاری مختلف موتور به دست آمده است. در مطالعه توپگول و همکاران، آزمایشها در دور موتور 1500-5000 دور در دقیقه با افزایش 500 دور در دقیقه در بار کامل و نسبت تراکم 10:1 انجام شد. نتیجه آزمایشات موتور نشان داد که توان موتور مشابه یا نزدیک به بنزین بدون سرب (MTBE0) در درصد MTBE تا 10٪ است. علاوه بر این، ترکیبات MTBE مصرف سوخت را بهبود بخشید و مصرف انرژی ویژه ترمز را کاهش داد. با توجه به انتشار اگزوز، انتشار CO و NOx با افزایش محتوای MTBE در سوخت مخلوط کاهش یافت. این یافته تقریباً مشابه با نتایج به دست آمده از مطالعه حاضر بود. علاوه بر این، غلظت NO برای مخلوطهای MTBE به دلیل غنیسازی اکسیژن افزایش یافت. که کاملاً منطبق با یافتههای مطالعه حاضر است [20].
|
|
|
Carbon dioxide |
|
|
|
Carbon monoxide |
|
|
|
Nitrogen monoxide |
|
|
|
Nitrogen oxides |
|
شکل ۴- روند تغییرات انتشار آلایندههای موتور بنزینی در حضور نمونه سوختها Figure 4- Trend of engine emission parameters in the presence of fuel samples |
مطالعه انجام شده توسط حسین و همکاران با هدف بررسی استفاده از MTBE بهعنوان یک تقویتکننده اکتان با بنزین معمولی با اکتان پایین در نسبت اضافه 5٪، 10٪ و 15٪ بر اساس حجم علاوه بر بنزین خالص محلی ضریب تغییرات در شرایط کارکرد ثابت دور موتور 4000 دور در دقیقه محاسبه شده است. نتایج نشان میدهد که توان ترمزی موتور با افزودن MTBE افزایش یافت و مصرف سوخت نیز کاهش یافت که میتوان عنوان کرد روند تغییرات پارامترهای عملکردی موتور منطبق با یافتههای مطالعه حاضر بود [21]. نتایج مشابه در مطالعه سزار و همکاران نیز به دست آمد [22]. یکی از اصلیترین دلایل این تغییرات در پارامترهای عملکردی و آلایندگی موتور بنزینی در حضور MTBE محتوای اکسیژن این افزودنی اشاره شده است. در این حوزه مطالعات متعددی انجام گرفته است که بسیاری از آنها به استفاده از درصدهای مختلف و تیمارهای مختلف MTBE بهعنوان افزودنی سوخت بنزین در راستای یافتن بهترین ترکیب سوخت با بالاترین ضریب بهبود و کمترین هزینه تولید توان اشاره کردهاند [23].
نتایج ارزیابی چرخه حیات
این بخش از نتایج به ارائه نتایج مربوط به خروجی ارزیابی چرخه حیات میپردازد. نتایج ارزیابی چرخه حیات در دستهبندی تأثیرات پایانی (شکل ۵) است. شکل ۵ روند تغییرات تأثیرات پایانی را نسبت به نمونه سوخت شاهد ارائه میدهد. مطابق با شکل ۵، افزودن MTBE بهطور نسبی موجب کاهش متغیرهای مربوط به تأثیرات زیستمحیطی شده است.
|
|
|
Endpoint impacts |
|
شکل ۵- روند تغییرات پارامترهای زیستمحیطی خروجی از ارزیابی چرخه حیات نسبت به نمونه سوخت شاهد Figure 5- Trend of the environmental parameters output from the life cycle assessment compared to the control fuel sample |
MTBE حاوی اکسیژن است که باعث احتراق کاملتر در موتورهای جرقهزنی میشود. این احتراق تقویتشده میتواند انتشار هیدروکربنهای نسوخته (HC) و مونوکسید کربن (CO) (شکل ۴) را کاهش دهد، که هر دو عامل مهمی در تغییرات پارامترهای زیستمحیطی و تشکیل دود هستند. با بهبود راندمان احتراق، MTBE میتواند به کاهش بار کلی محیطی مرتبط با انتشارات موتور کمک کند. از طرفی دیگر، MTBE دارای درجه اکتان بالایی است که به جلوگیری از ضربه زدن موتور کمک میکند و امکان عملکرد نرمتر موتور را فراهم میکند. این مزیت میتواند منجر به راندمان بهتر موتور و کاهش احتمال احتراق ناقص شود. در نتیجه، خودرو میتواند با آلایندگی کمتر و بازده سوخت بهتر کار کند، که به کاهش اثرات زیستمحیطی در طول چرخه عمر موتور کمک میکند.
با ترویج احتراق کاملتر، MTBE میتواند بهطور غیرمستقیم تشکیل برخی از ترکیبات مضر مانند هیدروکربنهای آروماتیک چند حلقهای (PAHs) و اکسیدهای نیتروژن (NOx) (شکل ۴) را کاهش دهد. این کاهش در انتشارات سمی به کاهش اثرات زیستمحیطی ناشی از آلودگی هوا و خطرات بهداشتی مرتبط کمک میکند.
MTBE میتواند پایداری بنزین را افزایش داده و از تبخیر و تخریب آن در طول زمان جلوگیری کند. این پایداری به کاهش انتشار ترکیبات آلی فرار (VOC) از ذخیرهسازی و جابجایی بنزین کمک میکند. VOCها پیش سازهای ازن سطح زمین هستند و به مسائل کیفیت هوا کمک میکنند. با کاهش این انتشارات، MTBE به کاهش ردپای محیطی کمک میکند. همچنین با بهبود راندمان احتراق و کاهش نیاز به سایر افزودنیهای بالقوه آلایندهتر، MTBE میتواند به کاهش انتشار گازهای گلخانهای چرخه زندگی (GHG) مرتبط با تولید، حملونقل و استفاده بنزین کمک کند. در حالی که هنوز انتشار گازهای گلخانهای مرتبط با تولید و استفاده MTBE وجود دارد، اثر خالص ممکن است کاهش انتشار کلی در مقایسه با بنزین بدون اکسیژن باشد.
شکل ۶ به ارائه نتایج مربوط به تحلیل حساسیت میپردازد. مطابق با شکل ۶، از میان تمام نهادهها، میتوان مراحل آمادهسازی نمونه سوخت و مصرف انرژی در تهیه نمونه سوختها را عواملی با بالاترین تأثیر در پارامترهای زیستمحیطی شناسایی کرد. برای این منظور لزوم بهینهسازی مراحل آمادهسازی نمونههای سوخت در وسعت کلان برای تولید انواع سوختهای پایدار احساس میشود. همچنین، با توجه به اینکه مصرف انرژی نیز جزو مؤلفههای تأثیرگذار شناسایی شده است، حرکت به سمت تولید و استفاده از انرژیهای پاک که رد پای کمی از انتشار کربن را دارند، توصیه میشود.
|
|
|
شکل ۶- نتایج تحلیل حساسیت Figure 6- Sensitivity analysis results |
ارزیابی زیستمحیطی و چرخه حیات در موتورهای بنزینی بهطور محدود مورد مطالعه قرار گرفته است که هنوز پتانسیل وسیعی برای مطالعات بیشتر وجود دارد. با این حال مطابق با مطالعه انجام شده توسط هاشمی و همکاران و هاشمی نژاد و همکاران، یکی از پارامترهای مؤثر در تغییرات نتایج مربوط به ارزیابی چرخه حیات، نحوه تهیه سیاهه چرخه حیات و شرایط آزمایشگاهی انجام مراحل آزمون موتور است. بر این اساس در مقالات مختلف میتواند نتایج متفاوتی بر اساس نحوه انجام آزمونهای آزمایشگاهی و آمادهسازی سیاهه چرخه حیات به دست آید [16، 24].
مطالعه یانگ و همکاران با ارزیابی چرخه حیات تولید توان از موتور بنزینی در حضور MTBE و اتانول به این نتیجه رسیدند که بالاترین میزان تأثیر بر اساس تحلیل حساسیت مربوط به سیاهه چرخه حیات تولید توان از MTBE است که توصیه افزودن درصد پایینی از اتانول برای کاهش این اثرات را ارائه دادند [23].
MTBE بهعنوان یک افزودنی اکسیژندار در ترکیب با نمونه سوختها شناخته میشود. بهکارگیری افزودنیهای اکسیژندار به دلیل محتوای اکسیژن و بهبود عملکرد موتور و کاهش آلایندههای اگزوز از نقطهنظر ارزیابی زیستمحیطی نیز در مطالعات مختلف توصیه شده است [16،25،26]. بر این اساس میتوان عنوان کرد نتایج به دست آمده در مطالعه حاضر میتواند قابل اعتماد بوده و دارای ضریب اطمینان بالایی باشد.
مطالعات آینده میتواند در راستای بهینهسازی زیستمحیطی و اقتصادی تولید توان در حضور افزودنیهای اکسیژندار برای رسیدن به تولید توان پایدار باشد.
نتیجهگیری
ارزیابی چرخه عمر متیل ترت بوتیل اتر (MTBE) بهعنوان یک افزودنی اکسیژن در موتورهای جرقهزنی (SI) بینشهای ارزشمندی را در مورد تأثیر آن بر عملکرد موتور و انتشار گازهای گلخانهای ارائه کرده است. از طریق این تجزیهوتحلیل، ما مشاهده کردیم که MTBE نقش مهمی در افزایش راندمان احتراق، کاهش انتشار مونوکسید کربن (CO) و اکسیدهای نیتروژن (NOx) و بهبود عملکرد کلی موتور از طریق درجه اکتان بالای آن ایفا میکند. این مزایا به کاهش اثرات زیستمحیطی مرتبط با انتشار وسایل نقلیه و کاهش احتمالی انتشار گازهای گلخانهای چرخه زندگی (GHG) کمک میکند. با این حال، این مطالعه همچنین مبادلات حیاتی مربوط به استفاده از MTBE را برجسته میکند. در حالی که میتواند آلایندههای هوا را کاهش دهد، خطرات مرتبط با آلودگی آبهای زیرزمینی و تداوم زیستمحیطی نگرانیهای مهمی را ایجاد میکند. حلالیت بالا و پایداری طولانی مدت MTBE در محیط، آن را به یک تهدید بالقوه برای منابع آب تبدیل میکند، که نیاز به مدیریت و نظارت دقیق برای کاهش این خطرات دارد. با توجه به این یافتهها، واضح است که هنگام در نظر گرفتن استفاده از MTBE در بنزین، یک رویکرد متعادل موردنیاز است. سیاستگذاران و سهامداران صنعت باید مزایای احتراق بهبود یافته و کاهش انتشار گازهای گلخانهای را در برابر خطرات زیستمحیطی مرتبط با آلودگی MTBE بسنجید. این رویکرد باید شامل ارزیابی جامع خطر، اقدامات ایمنی سختگیرانه، و چارچوبهای نظارتی قوی باشد تا اطمینان حاصل شود که مزایای MTBE به قیمت سلامت محیطزیست تمام نمیشود. تحقیقات آینده باید بر روی توسعه اکسیژنهای جایگزین که مزایای عملکردی مشابهی را بدون خطرات زیستمحیطی ناشی از MTBE ارائه میکنند، تمرکز کند. بهعلاوه، پیشرفتها در فناوری موتور و سیستمهای کنترل انتشار ممکن است نیاز به افزودنیهای با اکسیژن بالا را مدیریت کرده و به فرمولهای سوخت پایدارتر از نظر زیستمحیطی دست یابد. نقش MTBE بهعنوان یک افزودنی اکسیژن در موتورهای SI چشمانداز پیچیدهای از مزایا و خطرات را ارائه میدهد. در حالی که پتانسیل آن برای کاهش آلودگی هوا و بهبود عملکرد موتور قابل توجه است، نگرانیهای زیستمحیطی مرتبط با استفاده از آن را نمیتوان نادیده گرفت. این ارزیابی چرخه عمر بر اهمیت یک دیدگاه جامع در هنگام ارزیابی تأثیر زیستمحیطی افزودنیهای سوخت، هدایت توسعه جایگزینهای ایمنتر و پایدارتر تأکید میکند
[1] Methyl tert-butyl ether
[2] Life cycle assessment
[3] Ecosystem quality
[4] Human health
[5] Climate change
[6] Resources
