سه سال از گردآوری نخستین کتاب مربوط به قوانین پیشگیری از انتشار آلاینده های زیست محیطی در ایالات متحده آمریکا می گذرد و تاکنون تغییرات عمده ای در آن مشاهده نشده است. مهم ترین مسئله، عملی بودن این قوانین سختگیرانه است. با آن که به دلیل فشارهای عمومی گاه تخفیف هایی در زمینه میزان خروجی مجاز آلاینده ها داده شده است، از نظر اقتصادی امکان تعبیه ارزان قیمت دستگاه های تستی که بتوانند انواع آلاینده های خروجی را اندازه گیری کنند، وجود ندارد. عوامل موثر در این زمینه آن قدر زیادند که هنوز در هیچ کشوری قوانینی یک دست در زمینه استاندارد اندازه گیری این آلاینده ها وضع نشده است و هنگامی که روند این کار مشخص شود، باید تضمینی برای تغییر نکردن آن در درازمدت به تولیدکنندگان اتومبیل داده شود. طراحی سلول تست و عملکرد آن: کاربری تست آلاینده ها برای آینده مهندسان تستی که تا پیش از این با شیوه های تست آلاینده ها آشنایی نداشتند، باید به نکاتی توجه کنند که در تست های جاری موتور و یا تست های معمول خودرو مطرح نمی شوند، از قبیل: - مشاهده هرگونه نشانه ای از آلودگی های خارجی در هوای مورد نیاز احتراق که می توانند از عواملی همچون گاز خروجی دیگر موتورها و یا بخار کارخانه های صنعتی، رنگ ها، حلال ها و ... حاصل شوند، نتیجه تست ها را مخدوش خواهد کرد. - ضرورت دارد که عملیاتی روی هوای مصرفی احتراق صورت پذیرد. ازآنجاکه بیشتر تست های آلاینده های خروجی شامل استارت سرد موتور می شوند و کارکرد در سرمای زمستان نیز برای سلول های تست ضروری است، محدوده کاربری 10 درجه سانتی گراد و پایین تر مورد نیاز است. - نحوه نگهداری از سوخت مصرفی نیز با اهمیت است و ضرورت دارد که به نحوه تولید، نگهداری و ذخیره سازی سوخت و آلودگی و تغییر خاصیت آن توجه ویژه ای شود. کنترل دمای سوخت و اندازه گیری ها در لحظه نیز امکان پذیر خواهند بود. - با نصب سیستمی روی اگزوز اتومبیل، افزایش سطح متوسط نمونه برداری را خواهیم داشت و رقیق بودن گازهای حاصل از احتراق و ازدیاد طول لوله های خروجی نیز مفید خواهند بود. - مرحله های تست، در بسیاری از موارد، شامل چهار دیناموتر کوادرانت گران قیمت و سیستم کنترلی دقیق خواهد بود. - از نشانگر قابل نصب روی اتومبیل باید استفاده کرد. - استانداردهای تعمیرات، نگهداری، تمیزکاری و کالیبراسیون و تعیین زیان های پزشکی آلاینده ها نیز باید برای این سیستم های تست تدوین شوند. بررسی زیان های آلودگی هوا اثرهای زیانبار سرب به ویژه روی سلامتی کودکان بر کسی پوشیده نیست و همین عامل سبب اعمال فشار برای حذف استفاده از آلکین های سربی که بسیار سمی هستند و برای افزایش عدد اکتان به کار می روند، از بیشتر چرخه های سوخت در جهان شده است. مواد معلق گازهای خروجی این موضوع پیچیدگی های زیادی دارد. در قوانین زیست محیطی آمریکا (1996) آمده است: هسته های کربنی که در گازهای خروجی دیزل یافت می شوند، پایه کربنی دارند. آخرین یافته های سم شناسی درباره سرطان زا بودن آنها مشکوک هستند. دلیل سمی بودن آنها سازگار نبودن ترکیبات آنها با بافت ها و ابعاد بزرگ آنها در مقایسه با ابعاد سلولی است. دانستن عبارت های زیر اهمیت دارند: Pm10: جرمی معلق با قطر آئرودینامیکی بزرگ تر از 10 میکرون. چنین ذراتی می توانند به درون بافت ریه وارد شوند. Pm2.5: جرم معلق با قطر آئرودینامیکی بزرگ تر از 5/2 میکرون که توان نفوذ به بخش تحتانی و عمیق ریه ها را دارند. Pm: کل جرمی که روی یک فیلتر استاندارد در طول عمر کاری اش گرد می آید. بیشترین میزان ذرات معلق خروجی از هر دو موتورهای دیزل و بنزینی، ذراتی به قطر 1/0 میکرون هستند. تحقیقات پزشکی نشان می دهند که این ذرات هم برای سلامتی انسان مضرند. انجمن تحقیقات صنایع موتوری (MIRA) مطالعات ویژه ای روی انواع متنوع تجهیزات اندازه گیری و نمونه برداری ازگازهای خروجی موتورها انجام داده اند و هیچ کدام از آنها برای استفاده در خارج محیط آزمایشگاه مناسب نیستند. درصد سختگیری قوانین زیست محیطی بیش از توان و دقت ابزار کنترل و اندازه گیری است. ذراتی که از محوطه لوله های خروجی موتور اتومبیل خارج می شوند، پیش از سرد شدن و ترکیب با اتمسفر تحت فرآیندهای شیمیایی پیچیده ای قرار می گیرد. تست های تصویب شده شامل دستگاه هایی (تونل های رقیق کننده) است که هوایی را که انسان های در حال تردد در پیاده روها تنفس می کنند، ایجاد می کنند. باران های اسیدی: از اوایل دهه 70 باران اسیدی که اثرهای مخربی روی درختان و دیگر گونه های گیاهی دارند، توجه همگان را به خود جلب کرد. با آن که اثرهای مخرب آن از سال 1872 آشکار شده، هیچ گونه اقدامی در این زمینه انجام نشده است. سازکار شکل گیری باران اسیدی شامل واکنش های شیمیایی می شود که در طبقات بالای جو شکل می گیرند. مهم ترین تشکیل دهنده های باران اسیدی دی اکسید سولفور SO2 و اکسید نیتروژن NO هستند که براثر فعالیت های بشر به وجود آمده اند. دی اکسید سولفور با سولفات معلق در هوا واکنش می دهد و با حضور رادیکال و هیدروکسیل در هوا OH، واکنشی پیچیده برای تشکیل اسید انجام می شود. بخش اعظم سولفور خروجی به جو از سوزانیدن زغال سنگ و موتورهای احتراق داخلی ناشی می شود، اما سهم موتورهای احتراق داخلی بسیار پایین تر از چیزی است که قوانین به سازندگان آنها تحمیل می کنند. اکسید نیتریک باز هم اکسیده می شود تا دی اکسید نیتروژن تولید کند. این عمل در تروپوسفر صورت می پذیرد و واکنش با ازون که خود براثر فرآیندهای پیچیده ای از منواکسیدکربن، هیدروکربن ها، بخار آب و نور خورشید تولید می شود به تولید دی اکسید نیتروژن می انجامد. خود ازون که کاهش میزان آن در استراتوسفر قابل توجه است، اثرهایی بر لایه های پایین تر اتمسفری گذارده است.آلاینده های خروجی و هیدروکربن های نسوخته سبب اصلی باران می شوند. پدیده فتوشیمیایی (Smog): این پدیده ابتدا در لس آنجلس مشاهده شد. این اثر بیشتر در شهرهایی که زغال سنگ کمی در آنها می سوزد و فعالیت های صنعتی کمی در اطراف آنها جریان دارند و در همین حال خودروهای بسیاری در آنها وجود دارد، دیده می شود. گرمایش جهانی (تاثیرهای گلخانه ای): این موضوع نیز مورد توجه همگان است، در حالی که درک آن قدری دشوارتر ازموارد پیشین است. مشهور است که حیات روی کره زمین به قابلیت گازهای خاصی در اتمسفر زمین بستگی دارد که بخش عمده از تابش های مادون قرمز را جذب و بازتابش می کند. این کمربند، گرمای حاصل از تابش خورشید و انعکاس آن روی سطح زمین را در خود نگاه می دارد. بخار آب یکی از مهم ترین گازهای طبیعی گلخانه ای است، اما میزان تمرکز آن به تغییرات آب و هوایی بستگی دارد و فعالیت های انسانی اثری برآن ندارند. گازهای گلخانه ای که فعالیت های بشری در آنها تاثیرگذار هستند، عبارتند از: دی اکسید کربن و متان (CH4). مهم ترین کلروفلروکربن که عمر 100 ساله در اتمسفر دارد و به وسیله انسان وارد جو می شود، در پروتکل مونترال تعریف شده است. گازهای خروجی آلاینده متان که براثر ازدیاد جمعیت و فرآیندهای تهیه غذا ایجاد می شوند از جمله آنها هستند. موتورهای احتراق داخلی منبع آلودگی مهمی به شمار نمی روند. دی اکسید کربن مشخص ترین ضرری است که موتورهای احتراق داخلی آن را تولید می کنند و تخمین زده می شود که مقدار دی اکسید کربن جو به 280 واحد بر میلیون حجم (p.p.m.v) افزایش یافته است. سالیانه 2/1 p.p.m.v دی اکسید کربن جوی افزایش می یابد. دی اکسید ورودی به جو بیشتر براثر مصرف سوخت های فسیلی ایجاد می شود؛ در نتیجه بیشتر محدودیت ها و قوانین زیست محیطی برای کاهش میزان دی اکسید کربن خروجی به جو وضع می شوند. تهی شدن لایه ازون: لایه ازونی استراتوسفریک، بخش اعظم تابش ماورای بنفش خورشید را جذب می کند و خالی شدن لایه ازونی اثرهای زیانباری بر انسان ها و زندگی جانوری خواهد گذاشت. کلروفلوروکربن ها تهدیدی جدی برای لایه ازون هستند، اما هیدروکربن ها و اکسیدهای نیتروژن نیز بسیار مضر هستند. گازهای آلاینده خروجی ناشی از موتورهای با استارت جرقه ای: مهم ترین گام رفع این آلودگی ها طراحی مرحله به مرحله اجزای احتراق است تا اثرهای نامطلوب و آلودگی را بتوان از فرآیند حذف کرد. با این کار، یکنواختی آلودگی کم و به آلودگی دیگر افزوده می شود. موتور خودرو در سال های اخیر روی موضوع موتورهای استوکیومتریک متمرکز شده است که به همراه 3 کاتالیست اگزوز ارائه می شوند و آلاینده ها را به دی اکسید کربن و نیتروژن تبدیل می کنند. می دانیم که توان موتور شمع دار به حداکثر 9/0 می رسد و با اختلاط (1/1 درصد) صرفه اقتصادی دارد. پیش از آن که آلودگی هوا به دغدغه ای برای طراحان موتور تبدیل شود، رسیدن به چنین درصدی برای طراحان اتومبیل امکان پذیر بود. در چنین شرایطی توان خروجی Co و NOx و هیدروکربن های نسوخته بالا خواهد بود. کاتالیزور مورد استفاده در موتورهای کنونی باید بتواند در عین کنترل دقیق آلاینده ها، حدود استوکیومتری را 5% (+و-) نگاه دارد. دریچه های ورودی برای همگون سازی ورودی ها به محفظه احتراق (ترکیب هوا و سوخت)، ایجاد تلاطم در مقیاس کوچک و منظم سازی عمل احتراق، از عوامل مهم در کاهش میزان آلاینده های خروجی هستند. از دیگر روش ها، یکسان سازی مخلوط سوخت هوا و پیش گرم کردن هوای مکیده شده به داخل موتور و کاهش لایه نازک مایع روی راه های ورودی است. مورد دیگر که تحقیقات در باره آن ادامه دارد، نحوه طراحی سیستم جرقه شمع و محل جاگیری آن است. تمام این موارد بر عمل احتراق موتور اثر می گذارند. استفاده از شمع های حافظ انرژی به علاوه استفاده از چندین شمع در هر سیلندر، راه حل های پیشنهادی اند. برای حفظ توان موتور و هم زمان کاهش آلودگی با تاخیر در زمان جرقه می توان به این هدف رسید. تولید NOx و هیدروکربن های نسوخته هم کمتر خواهد شد، اما مصرف سوخت افزایش خواهد یافت. طرح موتورهای آدیاباتیک به دلیل حساسیت تولید NOx به تغییرات درجه حرارت، با بی میلی روبه رو شده است. طرح دیگر، موتورهای با سوخت سبک هستند که در مقادیر 104 و بیشتر کار می کنند و مقادیر NOx تولیدی در این موتورها و مصرف سوخت آنها پذیرفتنی است. برای چنین موتورهایی تزریق مستقیم سوخت به داخلی سیلندر، برای کارکرد منظم الزامی است. روش های مراقبت از گازهای حاصل از احتراق نیز، فرآیندی همواره در حال پیشرفت است و کار اصلی، کاهش زمان رسیدن کاتالیزورها به دمای کاری است، زیرا بیشتر آلودگی ها در هنگام استارت سرد خودرو ایجاد می شوند. خروجی های خودروهای دیزل: در موتورهای دیزل خروجی Co چندانی نداریم و کنترل نسبت سوخت به هوا به آسانی انجام می شود. همچنین تولید NOx به میزان زیادی در آنها صورت می پذیرد. تزریق سوخت غیرمستقیم می تواند راه حلی در این زمینه باشد، اما مصرف بالای سوخت در این حالت همگان را وادار به بازگشت به روش تزریق مستقیم سوخت کرده است، البته با سرسیلندر چهارسوپاپه. اکنون توان تزریق به مدد فناوری های روز به 1500 بار رسیده است. با استفاده از توربوشارژرهای مرحله ای و پس-خنک کاری های لازم می توان به نتایج خوبی رسید. ابعاد بزرگ ذرات معلق حاصل از سوخت دیزل، هنوز هم مشکل عمده ای به شمار می رود. با طراحی بهینه محفظه احتراق و سیستم پایش سوخت می توان این عیب را نیز کاهش داد. به علاوه، با کاهش مصرف روغن روانکار و کاهش قله درجه حرارت پیستون، آینده بهتری را نوید می دهد. مشکل نهایی با این گونه موتورها دی اکسید سولفور 2So تولیدی است که تنها می توان آن را به زیر حد مجاز استاندار شده در قوانین کاهش داد و حذف آن ناشدنی است. برگردان از کتاب موتور خودرو و آلاینده ها، نویسنده: یان- ای- کروگر