בעירה מושלמת” של הבנזין מוגדרת כחימצון הפחמן ( C ) לפחמן דו חמצני (CO2 ), חימצון המימן (H2 ) למימן חמצני ( H20 ) ומעבר של החנקן (N2 ) דרך תהליך הבעירה ללא השפעה על הרכבו.
בפועל בעירה “מושלמת” זו לעולם לא מתקיימת במנוע בנזין( פירוט בהמשך ) , בואו נראה את התרכובות הנוצרות בתהליך זה ונפריד בין “הטובות” “לרעות”.
בבעירת הדלק בצילינדר , החנקן, מימן, חמצן, פחמן ואחוז החומרים הקטנטן המצטרף אליהם מתחילים את התהליך כ HC – O2 – N2 + כמה פיציפקס, ומסיימים אותו בהופכם לכמה וכמה חומרים ותרכובות, העיקריות שבהן –
1. H20 – המימן מתרכב עם חמצן ויוצר את המימן החמצני…המים.
2. CO – התרכבות חלקית של הפחמן עם החמצן ליצירת פחמן חמצני. שאיפת הפחמן היא להתחמצן לפחמן דו חמצני ( CO2 ),אך כאשר אין מספיק חמצן בסביבת הבעירה הפחמן מתרכב ליצירת הפחמן החמצני, גז רעיל ומסוכן.
3. CO2 – פחמן דו חמצני , “גז החממה” , בבעירה מלאה של הבנזין הפחמן מתחמצן כולו לפחמן דו חמצני.
4. HC – O2 – N2 – החומרים ההתחלתיים שלא הצליחו להתרכב עם חומרים אחרים , בנזין לא שרוף( HC ), חמצן( O2 ) וחנקן ( N2 ).
5. NOX – משפחת תחמוצות החנקן, נוצרות בהתחמצנות החנקן בהשפעת טמפ’ ולחצים גבוהים – מזהמים (ע”עOZONE ) , רעילים לנו,לבע”ח ולצמחייה ,לא טוב .
6. H/C ,אטומי פחמן ומימן שהתפרקו( בניגוד לHC שלא מתפרק ) ולא התרכבו עם חמצן בתהליך השריפה. H = מימן(ברוב המקרים לא כאטום בודד אלה בצירוף אטום אחר ).
C = פחמן בצורתו הטבעית. חלקיקי פחמן – העישון השחור הנראה לעין בתערובת עשירה, לא אהוד במיוחד על הירוקים ( SOOT – פליטת חלקיקי פחמן , פיח ).
7. SO2 ,דו תחמוצת הגופרית הנוצרת כתוצאה מחימצון שאריות הגופרית החומקות בתהליך השבחתו של הבנזין , כאשר יש ממיר קטליטי הוא מחמצן חלק נרחב יותר לתלת תחמוצת הגופרית SO3 שמתרכבת עם מים ליצירת חומצה גופרתית – H2SO4 ( מוכרת גם כ”חומצה סולפרית” ) חומצה זו נוצרת גם בתא השריפה בכמויות מינוריות מאוד ומאכלת את רכיבי המנוע ללא ההגנה המתאימה.
לבסוף החומצה הגופרתית מגיבה עם המימן הנותר בצנרת הפליטה ליצירת מימן גופרתי הגורם לעיתים לנינוח פליטה מרענן בריח ביצים סרוחות. התוצרים בכל שלב בתהליך בכלל לא ידידותיים לסביבה.
מלבד H2 ,H20 , CO2 , N2, O2 – כל שאר התוצרים הם מזהמי אויר ו/או רעילים לסביבה בצורה ישירה.
מערכות הזרקה…לפני שהן מחפשות ביצועים, הן “מחפשות” את האפשרות להיות בכלל מורכבות חוקית על הכלי, לכן השיקול הראשון במערכת הזרקה סטנדרטית היא עמידה בתקנות הזיהום.
תקנות זיהום האויר ההולכות ומחמירות מתייחסות בעיקרן לארבעה תרכובות – NOX,CO,HC ,SOOT כתרכובות שיש להפחיתן ומצד שני לCO2 כגז שיש להפחית את פליטתו ביחס לנסועה של הרכב(חיסכון בדלק) משום שנטען שהוא הגורם העיקרי לחימום כדור הארץ בשנים האחרונות. אמנם פליטתו באחוזים גבוהים מכלל הפליטה בבעירת הבנזין בצילינדר דווקא מראה על עליה ביעילות וירידה בזיהום האויר.
בתמונה לפניכם , ריכוז המזהמים המרכזיים.
בתמונה הבאה ריכוז גזים יותר נרחב.
אז כיצד אנו מפחיתים את התרכובות הללו?
האמת זה די פשוט , שליטה על היחס שבין החמצן לדלק בצילינדר יקבע את רמת החימצון של הבנזין הנכנס לצילינדר.
אחלה…אז איך קובעים כמה חמצן להכניס ליחידת דלק?
בעירה אסימטרית –
בעירת בנזין במנוע בעירה פנימית , לעולם לא תהיה מושלמת , הסיבות לכך מרובות ומגוונות.
* נתחיל בעובדה שהיכולת לנטר דינאמית יחס דלק/אויר קרוב מספיק “למושלם” היא בלתי אפשרית במערכות הזרקה מבחינת מוגבלות ניטור וביצוע מדוייק.
* נמשיך בעובדה שהיכולת לערבב דינאמית כך וכך חלקי אויר בכך וכך חלקי דלק באופן שקרוב “למושלם” בטווח נרחב של פעולות המנוע גם לא מתאפשר במערכות הזרקה מודרניות.
( 2 הסעיפים הנ”ל הן מטרות שאולי ניתן להשיג היום , אך הדבר ידרוש מערכת מתוחכמת ויקרה בעליל, שלא באה בחשבון בשלב זה )
הלאה לתנאים משתנים בתא השריפה –
* טמפ’ שונות בנקודות שונות בתא השריפה ובנקודות שונות על ציר זמן הבעירה.
* זמן מוגבל ביותר למפגש בין כל חלקיקי החומר הנמצאים בתוך הצילינדר.
* קוואנצ’ינג – בעירה לא מושלמת עקב כיבויה כתוצאה מטמפ’ נמוכה מידי, בסופה של הבעירה או במגע עם אלמנטים “קרים” בתא השריפה – למשל קירות התא.
* משקעים בצילינדר מבעירות קודמות , מוצקים, נוזליים ותוצרי פליטה גזיים.
נוסיף על כך משתנים אחרים כמו הרכב דלק מעט שונה בכל פעם( תרכובות שונות,משקלים שונים , יכולת עירבוב שונה, כמות מזהמים שונה), קומפרסיה וכדומה…
והגענו למצב שלא מאפשר לנו להגיע לבעירה קרובה לבעירה המושלמת, לבעירה המושלמת לא נגיע לעולם במנוע הבנזין אך השאיפה היא כמובן להגיע כמה שיותר קרוב , לעמדה בה פליטת המזהמים תהיה כמה שיותר קטנה.
כל סטייה מהבעירה המושלמת מייצרת תוצרי פליטה מזהמים ולא רצויים ולכן אנו שואפים להגיע כמה שיותר קרוב אליה.
בימים אלו אנו עוד רחוקים מהלפוך את פליטת המזהמים של מנוע הבנזין לכמעט זניחה ( הפליטה הסופית נקייה בהרבה תודות למערכות אנטי זיהום כמו הממיר הקטליטי עליו יפורט בהמשך ,מערכת הEGR ועוד…).
יחס “אידיאלי” , מעשה בניגודיות מעצבנת –
בפסקה הקודמת ראינו מספר סיבות לכך שנכון להיום אנו לא מסוגלים להגיע לבעירה מספיק טובה ואחידה כדי להשיל מעלינו את עניין הזיהום , למרות השיפור הענק שנעשה בשנים האחרונות
אנחנו עוד רחוקים מהמטרה הסופית.
בתוך המגבלות הללו כיצד אנו מצליחים בכל זאת להפחית את פליטת ה – NOX,CO,HC,SOOT ?
מברירה התחלתית באפשרויות נראה שאם פליטת הCO ו/או הHC גבוהה, נוסיף חמצן לתערובת ונוכל להפוך HC ו CO ל H20 וCO2 ,כך לא יהיה דלק שרוף למחצה ולכן גם לא תהיה פליטת חלקיקים גבוהה ( SOOT ).
פיס אוף קייק…חיסלנו 3 מתוך 4.
ומצד שני כדי להפחית פליטת תחמוצות של חנקן (NOX)פשוט נוריד את כמות החמצן בתערובת… 4 מתוך 4 ?
אההההה….אופס…. ניגודיות מעצבנת כבר אמרנו?
אם נוסיף מזה…נגרע מההוא…וההפך , אז היכן נקודת האמצע?
יחס סטוייכומטרי –
היחס ה”אידיאלי” למנוע בנזין במטרה להפחית את פליטת המזהמים ככל הניתן נקרא “היחס הסטוייכומטרי”.
כפי שעיניכם רואות בתמונה , נבדק ונמצא שהיחס הסטוייכומטרי הוא 14.7 חלקי אויר לחלק אחד של בנזין.
יחס זה הוא יחס משקלי ולא יחס נפחי !!!
כלומר 14.7 קילו של אויר ל- 1 קילו של דלק ולא 14.7 ליטר של אויר ל-1 ליטר דלק.
יחס זה מקבל אי שם בהיסטוריה את הכינוי “למבדה” ( נהגה “למדה” – LAMDA ) ואת המספר ” 1 ” נומרולוגית , כל סטייה עשירה מהיחס הסטוייכומטרי היא לכיוון ה0.9 וכל סטייה ענייה 1.05.
ומעכשיו אני מבקש את רשותכם לקצר סטוייכומטרי ב – סטויכ למען פרקי האצבעות שלי והשיניים שלכם.
יחס זה מבטא תיאורטית את כמות החמצן הדרושה במטרה לחמצן בדיוק את כל הדלק הפחמימני בצילינדר מבלי לחמצן את החנקן.
תסריט תיאורטי זה לעולם לא מתקיים במנוע בעירה פנימית מהסיבות המפורטות מעלה,לכן למעשה היחס מבטא בצורה מעשית את כמות החמצן שמאפשרת חימצון כמו שיותר מלא של הבנזין(הפחמימן) תו”כ שמירה על חימצון מינימלי של החנקן.
כל סטייה “ענייה” מהסטויכ תגרום לשריפת פחמימנים שלמה יותר ( פחות HC ,פחות SOOT, פחות CO , יותר CO2, הרבה יותר NOX ) אך בעת ובעונה אחת ליצירת הרבה הרבה יותר תחמוצות חנקן רעילות ( וניתן לראות את קיצוניות הדבר בצורה מעולה בתמונות ).
כל סטייה “עשירה” מהסטויכ תגרום לשריפת פחמימנים לא שלמה ( יותר HC , יותר SOOT , יותר CO , פחות CO2 , פחות NOX [שעולה ממש מעט בתנאי עומס קיצוניים] ) אך לכמות תחמוצות חנקן נמוכה בהרבה מפאת חוסר החמצן בתערובת ותנאי השריפה המתונים יותר ( לחמצן קל יותר להתרכב ביחד עם HC מאשר עם חנקן , הדורש תנאים קיצוניים יותר בכדי להתחמצן ).
קיצוניות תכולת החמצן החופשי באגזוז מחוץ לסטויכ , בין תערובת עניה לעשירה – היא זו שגורמת לחיישן החמצן עליו דיברנו בכתבה הקודמת לתפקד בדומה למתג ON/OFF.
חיישן אחר , המסוגל לנטר את התערובת ביתר דיוק נפגוש בכתבה הבאה – “חיישן ה – WIDEBAND”.
יחס דלק/ אויר – הכי יעיל/חסכוני ? הכי חזק? הכי נקי?
עד עכשיו למדנו על תהליך השריפה והשפעת יחס הדלק על זיהום האויר ולבסוף… על החובה של מערכות ההזרקה לעמוד בתקנים , מידע זה הכרחי בכדי להבין את צורת הפקת הכוח של מנוע הבנזין ואת האילוצים הגורמים למערכת ההזרקה הסטנדרטית לספק ביצועים נמוכים יותר בכל הקשור בהספק ומומנט.
מעתה והלאה חדל סדר כימיה ותחילת סדר “טיונינג” ( טוב בעצם עוד טיפל’הטיפל’ה כימיה , אתם סוחבים? ).
הלכנו מספיק סחור סחור אז ניגש ישר לעניין , אותנו מעניין איך מגיעים ליחס דלק / אויר שמייצר הכי הרבה כוח.
בכותרת מוצגות שלוש שאלות להן תשובות תיאורטיות מאוד , תיאורטיות ומעשיות – שונות לגמרי אחת מהשניה.
תיאורטית מאוד –
בעולם בו מתקיימת בעירה מושלמת במנוע בעירה פנימית היחס הסוייכומטרי הוא התשובה לכל השאלות.
מהסיבה הפשוטה שפשוט כל הדלק מתחמצן במלואו , אין הפסדים ואין בעירה לא מושלמת , כל חלקיק של דלק מחומצן עד תם.
תוצרי הפליטה נקיים ומאוזנים לגמרי – הכי נקי.
חימצון הדלק נעשה באופן מלא – הכי יעיל – הכי חזק.
תיאורטית –
מכיוון שאין לנו בעירה מושלמת אנחנו נאלצים להתחיל ולהפריד את כל הקטגוריות.
הכי יעיל – כדי להיות הכי יעילים אנחנו צריכים לשרוף כל פיסת דלק במלואה ולהרוויח את כל הערך הקלורי שלה , כלומר לחמצן את הדלק באחוזים גבוהים ביותר.
דבר זה קורה רק כאשר הצילינדר רווי בחמצן ביחס לכמות הדלק , אך לא רווי מידי בכדי לבזבז אפשרות לחימצון מלא של עוד כמה חלקיקי דלק( בזבוז פוטנציאל פעימת העבודה ) ומהצד השני לא עשיר מידי בדלק בכדי לגרום לביזבוז מיותר של דלק שלא נשרף עקב הבעירה הלא מושלמת – היחס מתאזן כפי שניתן לראות באיור באזור ה1-1/15.5.
מה שאנו רואים פה הוא בעצם שבעקבות הבעירה הלא מושלמת ,כדי להבטיח בעירה של רוב רובם של חלקיקי הדלק יש לגרום לתערובת ענייה מעט מהסטוייכ ( לספק יותר חמצן כדי להעלות את הסיכוי שהוא יפגש עם הדלק ).
יחס זה גורם להתחממות יותר גדולה של המנוע למרות הירידה בכוח – הסיבה לכך היא כמות החום ביחס לכמות הדלק , הידוע כמקרר וסופג חום.
התחמצנות מלאה יותר של מימן ופחמן בתערובת ענייה יוצרת הרבה יותר קלוריות ביחס לכמות הדלק משום שהבעירה יותר יעילה ויותר מלאה.
במספרים – בעירה של חלקיק פחמן והפיכתו לפחמן חד חמצני ( CO )בבעירה דלת חמצן משחררת כ- 26.5 אלף קלוריות ( בקירוב, קלוריה היא אמת מידה לאנרגיה ), בעוד חימצונו של הפחמן לפחמן דו חמצני (CO2 ) משחרר כ94 אלף קלוריות. ובתערובת ענייה יש יותר CO2.
( המימן משחרר בהתרכבותו למים – כ68.5 אלף קלוריות , נמוך מהפחמן בהתרכבותו לCO2. אך חלקיק המימן קטן בהרבה – כלומר בעירתו יעילה יותר ולכן הוא דלק “יותר טוב”. לידע כללי התרכבות כימית של פחמימן למטרת יצירת אנרגיה לא חייבת להיות תגובה עם חמצן, אך אז היא לא תוגדר כ”בעירה”.)
כמובן שעצם העובדה שבתערובת זו נשארים פחות חלקיקים לא שרופים גם לא תורמת לקירור המנוע.
כלומר יש תפוקת חום מקסימלית ביחס לכמות הדלק , אין הרבה דלק שיקרר את המנוע וגזי הפליטה חמים ביותר משום שאין בהם חלקיקים “קרים” לא שרופים – לכן המנוע מתחמם.
הכי נקי – אין בכלל ספק – יחס סטוייכומטרי , הרי הוא נקבע בעיקר ע”פ פרמטר זה, אין מה להרחיב, הגרפים מדברים בעד עצמם.
הכי חזק – כבר מרגישים בבית , רוצים דלק והרבה דלק ועוד דלק , ואם אפשר גם עוד קצת דלק בצלוחית בצד ואם ניתן אז גם תארוז לי עוד קצת דלק TAKE AWAY….אההה ואני מגדיל בשקל תשעים.
פה יש לנו בדיוק ההפך מ”הכי יעיל” – במטרה לייצר כמה שיותר לחץ בצילינדר אנחנו צריכים לנצל את החמצן בצילינדר במלואו , כלומר כל מולקולת חמצן שנכנסה לצילינדר צריכה “להפרות” ולחמצן בנזין.
בעוד במצב “הכי יעיל” אנחנו מחמצנים את רוב רובו של הדלק + משאירים עודף במטרה לנצל את הדלק במלואו ( אנרגיה פר כמות דלק ), פה אנחנו מנסים לנצל את כל המילוי הנפחי של הצילינדר למטרת הפקת כוח ( אנרגיה פר פעימת עבודה ) ולאו דווקא למטרת ניצול הדלק , בעצם מקריבים כמה חלקיקי דלק מיותרים במטרה לנצל את כל החמצן.
ככל שיותר בנזין יתחמצן במלואו נקבל יותר כוח , בגישה זו כל חמצן שישאר חופשי בצילינדר הוא בזבוז ויכולנו לדחוף עליו עוד חלקיק בנזין ולייצר עוד אנרגיה.
שוב , בכדי להגיע למצב זה הבעירה הלא מושלמת מאלצת אותנו לעבור על היחס הסטוייכמטרי ולהכניס יותר דלק מהחמצן היכול לחמצן אותו לגמרי באותו הרגע.
דבר המוביל להתכלות של רוב רובו של החמצן בצילינדר אך משאיר עודפים של דלק לא שרוף ופחמן חד חמצני, מסיבה זו ומהסיבה שמשתמשים ביותר דלק מלכתחילה תערובת זו פולטת תוצרי פליטה “קרים” יותר ומקררת את המנוע. עם זאת יש לזכור שהיא מפעילה יותר לחץ על חלקי המנוע , מה שמתורגם בסופו של דבר לחום.
פר פעימת עבודה תערובת זו יוצרת יותר אנרגיה.
פר כמות דלק – היא לא מנצלת את הערך הקלורי שלו באחוזים גבוהים.
היחס התיאורטי למקסימום תפוקה של כוח מתאזן באזור ה13.3.
יחס עשיר יותר יגרום לבעירה חלקית גדולה מהרצוי , לירידה בעוצמת המנוע ועליה חדה בצריכת הדלק ופליטת המזהמים.
מעשית – השינוי היחידי שמבוצע בפועל הוא תוצאה של חום ודטונציות , דהיינו תוספת דלק במטרה לקרר את המנוע ולמנוע דטונציות.
הדבר מתבטא בעיקר בהעלאה של יחס הדלק לביצועים מקסימליים לאזור ה1 / 1.12.6,
פשוט כי לא ניתן לעמוד ביחס “טוב” יותר מבלי לסבול מחימום יתר ודטונציות, אילוצים…
| מוצר אקולוגי ירוק המיוצר מרכיבים אורגניים בלבד
| הפחתה משמעותית של כ- 60% בזיהום האוויר
| חיסכון מוכח בשיעור של בין 40%-20% בתצרוכת הדלק
| משפר את פעולת בעירת הדלקים וביצועי המנוע
