خودروفنّی

احتمالاً بر روی بسیاری از پمپ بنزین‌ها عبارت «بنزین بدون سرب» را دیده‌اید. بعید است کم‌سن‌و‌سال‌ها دورانی غیر از بنزین بدون سرب را به‌خاطر داشته باشند، اما روزگاری در کشور سه نوع بنزین معمولی (دارای ترکیبات سرب)، سوپر، و بدون سرب عرضه می‌شد تا اینکه در اوایل دهه‌ی ۸۰، عرضه‌ی بنزین بدون سرب به‌صورت سراسری آغاز شد و بنزین‌های معمولی از چرخه‌ی سوخت کشور حذف شدند.

اما سرب از کجا وارد بنزین شده بود و چرا حذف شد و اکنون چه چیزی جایگزین سرب در بنزین شده است؟ این‌ها سؤالاتی است که در این بخش به آن‌ها پاسخ خواهیم داد.

سرب در بنزین؛ چرا؟
قبل از اینکه به حذف سرب از بنزین و سایر مسائل مربط به آن برسیم، در ابتدا بهتر است پاسخ این سؤال را بررسی کنیم که اصولاً سرب چرا باید در بنزین وجود داشته باشد، درحالی‌که بنزین یکی از مشتقات نفتی است؟

سرب موجود در بنزین پس از پروسه‌ی تولید و به‌عنوان یک افزودنی به بنزین اضافه می‌شده است. البته سرب به‌طور طبیعی یک فلز جامد است و نمی‌توان آن را به‌طور مستقیم به بنزین وارد کرد. سربی که در بنزین وجود داشته ناشی از افزودن ماده‌ای به‌نام «تترا اتیل سرب» بوده که ماده‌ای بسیار سمی و خطرناک است. علت افزودن این ماده به بنزین، کاهش پدیده‌ای موسوم به «کوبش» یا «ناک» در موتور و افزایش اکتان سوخت است.

پدیده‌ی ناک ناشی از مصرف بنزین با اکتان پایین در موتورهای با ضریب تراکم بالاتر است. هرچه اکتان بنزین پایین‌تر باشد، در مقابلِ فشرده شدن در داخل سیلندر مقاومت کمتری از خود نشان می‌دهد و زودتر مشتعل می‌شود. به‌این‌ترتیب اگر از بنزین با اکتان پایین در موتور خودرویی با ضریب تراکم بالا استفاده شود، پیش از آنکه پیستون به نقطه‌ی مرگ بالا برسد، در اثر فشرده شدن مخلوط سوخت و هوا، بنزین مشتعل می‌شود و ضربه‌ای به پیستون وارد می‌کند. این ضربه به‌دلیل آنکه زودتر از موقع مناسب وارد می‌شود نمی‌تواند منجر به حرکت پیستون به سمت پایین شود و چون در زمان حرکت پیستون به سمت بالا وارد می‌شود، به‌صورت یک کوبش در موتور احساس شده و در نهایت منجر به آسیب به موتور می‌شود. برای جلوگیری از این پدیده، از سال‌ها قبل استفاده از تترا اتیل سرب معمول بود.

حتی در زمان جنگ جهانی دوم هم استفاده از این ماده بود که به موتور هواپیماهای جنگی امکان داد به قدرت‌های بالای هزار اسب بخار دست پیدا کنند، چرا که اکتان بنزین مورد استفاده‌ی آنها را به عددی در حدود ۱۵۰ می‌رساند و به‌این‌ترتیب این موتورها می‌توانستند با ضریب تراکم بالا ساخته شوند و ضریب تراکم بالا به معنی قدرت بیشتر است. این ماده همچنین مانع از چسبندگی سوپاپ دود و نشیمنگاه آن می‌شود. البته اروپایی‌ها در سال‌های دور برای کمک به ارتقای اکتان بنزین مصرفی خود از اتانول نیز استفاده می‌کردند.

اتانول هرچند می‌توانست تا حدودی به افزایش اکتان کمک کند، اما مشکلات خود را نیز داشت که مهم‌ترین‌شان جذب رطوبت توسط آن بود که باعث آسیب به مجاری سوخت‌رسانی خودرو می‌شد، ضمن آنکه میزان حل شدن آن در بنزین نیز کمتر از تترا اتیل سرب بود و به‌این‌ترتیب استفاده از آن در اروپا کنار گذاشته شد.

دردسرهای سرب آغاز می‌شود
با وجود تمامی این مزایا، وجود ترکیبات سرب داخل بنزین مشکلاتی را به‌دنبال داشت که به آرامی آشکار شدند و توجهات را به سمت یافتن جانشینی برای آن جلب کردند. 

انتشار سرب ناشی از احتراق بنزین‌های سرب‌دار یکی از بزرگ‌ترین تهدیدات برای سلامتی افراد جامعه است. سرب قابلیت نفوذپذیری و ماندگاری در سیستم عصبی را دارد و تحقیقات نشان داده وجود مقادیر بسیار اندکی از این ماده در خون کودکان، سبب کاهش هوش آن‌ها می‌شود. با در نظر گرفتن این موضوعات و انبوهی از بیماری‌های دیگر مرتبط با سرب بود که از اواخر دهه‌ی ۸۰، روند حذف سرب از بنزین‌های تولیدی آغاز شد و ماده‌ای موسوم به MTBE جایگزین آن شد.

یکی دیگر از مضرات بنزین‌های سرب‌دار، اثر مخربی است که ترکیبات سرب بر کاتالیزورهای این خودروها برجای می‌گذارند و به‌این‌ترتیب دولت‌ها ناچار شدند استفاده از بنزین‌های حاوی افزودنی سرب را متوقف کنند چرا که پیش از آن استفاده از کاتالیزور در بسیاری از کشورها الزامی شده بود و بنزین بدون سرب هم در کنار بنزین‌های دارای سرب عرضه می‌شد و تناقض استفاده از بنزین دارای ترکیبات سرب و کاتالیزور برطرف شد.

البته روند استفاده از این مکمل به اواخر دهه‌ی ۷۰ بازمی‌گشت، اما حدود یک‌دهه طول کشید تا کشورها قوانین محدودکننده را بر ضد استفاده از تترا اتیل سرب وضع کنند و استفاده از MTBE الزامی شود و بنزین‌های بدون سرب پا به میدان بگذارند.

ماده MTBE
پس از حذف افزودنی‌های سرب از بنزین، ماده‌ای موسوم به MTBE جایگزین شد که مخفف عبارت Methyl Tertiary Ether است. اگر از دیدن نام طولانی‌اش تعجب کرده‌اید بهتر است نگاهی به فرمول 3COCH3 (CH3) بیندازید. دانشمندان در دهه ۳۰ میلادی به خاصیت افزایش اکتان و ترکیباتی از این دست پی‌بردند، اما به‌دلیل وجود افزودنی‌های مبتنی بر سرب و عدم شناخت مشکلات سرب، استفاده از آنها عمومیت پیدا نکرد، اما از دهه‌ی ۷۰ به مرور جانشین سرب شدند. البته نام کامل و یا فرمول MTBE مهم نیست، بلکه کارایی آن مهم است.

این ماده که امروزه در بنزین ویژه‌ی خودروها به‌طور کامل جانشین ترکیبات سرب شده، دو وظیفه‌ی مهم را در زمان احتراق بر عهده دارد. نخستین وظیفه‌ی MTBE بدون شک افزایش اکتان بنزین است تا بنزین بتواند با ضریب تراکم بالای موتورها سازگار شود. در کنار این، MTBE به‌دلیل آنکه در ترکیب خود اکسیژن دارد، وقتی واکنش نشان می‌دهد از خود اکسیژن آزاد می‌کند. این اکسیژن آزاد شده در محفظه‌ی احتراق به سوختن بهتر هیدروکربن‌ها کمک می‌کند و به‌این‌ترتیب میزان کمتری هیدروکربن نسوخته از موتور خارج می‌شود که خود کمک مؤثری در زمینه‌ی کاهش آلایندگی خودروها است. دقیقاً همین خاصیت MTBE است که برای علاقه‌مندان محیط زیست و البته مسؤولین سازمان‌های حفاظت از محیط زیست کشورها جذاب است و به‌همین‌دلیل در بسیاری از کشورها تنها تأکید شده است که تولیدکنندگان بنزین باید از افزودنی‌ای استفاده کنند که تولید اکسیژن کند تا از میزان هیدروکربن‌های نسوخته‌ی موتور کم شود و به‌نام MTBE اشاره نشده است.

درحال‌حاضر چند افزودنی دیگر نیز در این زمینه تولید شده است، اما MTBE ارزان‌تر از سایر افزودنی‌ها است و به‌همین‌دلیل درحال‌حاضر جانشینی ندارد. البته اتانول که پیش از این اشاره شد نیز یک ترکیب اکسیژنه است، اما به‌دلیل مشکلاتی که قبلاً به آن اشاره کردیم، نمی‌توان آن را جایگزین MTBE کرد.

به‌طورکلی با افزودن MTBE تا ۱۵ درصد حجمی به بنزین موتور، می‌توان انتشار هیدروکربن‌های نسوخته را تا ۷.۵ درصد و مونواکسیدکربن را تا ۱۴.۵ درصد کاهش داد، ضمن اینکه به‌دلیل جلوگیری از پدیده‌ی ناک، از آسیب به موتور هم جلوگیری می‌شود.

دردسرهای MTBE
هرچند MTBE اثرات زیان‌بار تترا اتیل سرب را بر سلامت انسان ندارد، اما احتمال آلودگی زیست‌محیطی توسط آن بسیار بالا است. MTBE با نسبت بالا در آب حل می‌شود و می‌تواند منابع آب‌های زیرزمینی را آلوده کند. نشتی بنزین از مخازن زیرزمینی پمپ بنزین‌ها، خطر اصلی در این‌زمینه است. هر چند تحقیقات نشان داده MTBE اثرات سرطانی ندارد، اما محدوده‌ی مجازی برای میزان MTBE موجود در آب آشامیدنی وضع شده است. از سوی دیگر تماس این ماده با پوست می‌تواند منجر به بروز حساسیت‌های پوستی شود و به‌همین‌دلیل اکیداً توصیه می‌شود از بنزین برای شست‌وشوی دست‌ها و ماشین‌آلات استفاده نشود.

این ماده به‌طور خالص خاصیت خوردگی داشته و به‌همین‌دلیل حمل‌ونقل آن نیاز به مراقبت‌های ویژه‌ای دارد، ضمن اینکه قابل اشتعال نیز هست. با وجود این معایب و البته این نکته که استفاده از آن اندکی قیمت بنزین را بالا می‌برد، درحال‌حاضر بهترین مکمل برای افزایش اکتان همین ماده است و در سرتاسر جهان نیز از آن استفاده می‌شود.

MTBE و خودروهای قدیمی
درحال‌حاضر تمامی خودروهای تولید داخل، حتی آنهایی که از تکنولوژی‌های قدیمی بهره می‌برند قابلیت استفاده از بنزین بدون سرب را دارند. در مورد خودروهایی با تکنولوژی قدیمی، بهینه‌سازی‌های لازم انجام شده است و تمامی آن‌ها از دهه‌ی ۷۰ به این سو برای استفاده از بنزین بدون سرب مشکلی ندارند. 

خودروهای اروپایی از اواسط دهه‌ی ۸۰ میلادی و خودروهای آمریکایی و ژاپنی از اواسط دهه‌ی ۷۰ به این سو می‌توانند بدون مشکل از بنزین بدون سرب استفاده کنند. برای سایر خودروها که موتور آنها برای استفاده از بنزین دارای ترکیبات سرب طراحی شده است، نیاز به تعویض قطعاتی مانند شلنگ‌ها و واشرها وجود دارد ضمن آنکه سوپاپ‌های آنها نیز در معرض آسیب تدریجی است، هرچند مکمل‌هایی برای این منظور پیشنهاد شده است.

مهندس بابک وفایی، هفته‌نامه‌ی دنیای خودرو، شنبه یک مهر ۱۳۹۱.