سوخت دیزل، یا آن طور که در ایران با نام گازوئیل شناخته می‌شود، از دیرباز مهمترین سوخت صنعت ریلی بوده است. قدمت آن به سال 1892 میلادی بازمیگردد، زمانی که مهندس آلمانی، رودولف دیزل، به دنبال سوخت مناسبی برای موتور احتراق داخلی خود، ترکیب آن را اختراع نمود. گرچه دیزل سوختهای دیگری (مانند چندین نوع روغن گیاهی) را نیز امتحان کرد، اما در نهایت این سوخت را برای موتور خود انتخاب کرد.
معمولترین نوع دیزل، گازوئیلی است که از نفت خام و با تقطیر جزء به جزء آن در دمای بین 200 تا 350 درجه سانتیگراد بدست میآید. ساختار آن یک مخلوط هیدروکربنی با زنجیرههای متعدد است که از 9 تا 25 اتم کربن در هر مولکول را شامل می‌شود. تولید آن چندان دشوار نیست و به فرآوری آنچنانی (در مقایسه با بسیاری از دیگر محصولات نفتی) نیاز ندارد و به همین دلیل عرضهکنندههای متعددی در سرتاسر جهان این سوخت را تولید میکنند. در ایران، تولیدکننده اصلی این محصول برای حمل و نقل ریلی، شرکت پالایش و پخش فرآوردههای نفتی ایران است که وظیفه تحویل آن به مجموعه ریلی را هم خود بر عهده دارد. بخش عمده این سوخت به همان شکلی که تحویل گرفته می‌شود مورد استفاده قرار می‌گیرد و به ندرت برای ارتقای آن درون مجموعههای ریلی تلاش می‌شود. دلیل مهم این امر شاید هزینههای تحقیقاتی آن است که متأسفانه در محیط دانشگاهی کشور چندان مورد تمرکز قرار نمیگیرد.
گازوئیل تولیدی شرکت پالایش و پخش گرچه جوابگوی نیازهای کشور است، اما نمیتوان آن را در سطح جهانی یک سوخت تراز اول به حساب آورد. این سوخت با قیمتی بسیار ارزانتر از بازارهای جهانی در اختیار صنعت ریلی قرار می‌گیرد (قیمتی که بخش اعظم آن به خاطر استخراج مستقیم نفت در کشور و فرآوری آن است)، اما کیفیت آن با رقبای خارجی هنوز فاصله دارد. آلمان (چه به خاطر اینکه این سوخت اختراع خود آنهاست و چه به خاطر پیشرو بودن در عرصه ریلی) یکی از بهترین انواع گازوئیل جهان را تولید میکند که علاوه بر احتراق مناسب، آلودگی محیطزیست و فرسایش کمتری برای موتور دارد. در ادامه به این موارد خواهیم پرداخت که چه عواملی کیفیت گازوئیل تولیدی را در صنعت ریلی مشخص میکند.
1. احتراق
اعداد ستان و اکتان، به عنوان تعیین کننده کیفیت و چگونگی احتراق سوخت، مهمترین عوامل این بخش هستند. رابطه میان این دو عدد برعکس همدیگر است. در حالی که عدد ستان نشان دهنده زمان تأخیر میان آغاز پاشش سوخت به داخل سیلندر و آغاز فرایند احتراق است، عدد اکتان نشان دهنده میزان مقاومت سوخت به اشتعال خود به خودی در سیلندر است. قابل ذکر است که در موتورهای دیزلی عدد ستان است که به عنوان معیار بررسی می‌شود و عدد اکتان برای موتورهای بنزینی و خودروها کاربرد دارد. به عبارت دیگر، طی تأخیر زمانی تا احتراق در عدد ستان، سوخت جمع می‌شود و سپس محترق می‌گردد و این احتراق به صورت انفجار صورت می‌گیرد تا بتواند یک ضربه قدرتمند تولید نماید و پیستون را به حرکت درآورد. هر چه زمان تاخیر کمتر باشد احتراق یکنواخت‌تر خواهد بود.
از جمله مشکلاتی که در خصوص احتراق وجود دارد، این امر است که احتراق پذیری سوخت رابطه مستقیمی با میزان سیالیت آن دارد. سوخت هر چقدر گرانروی بیشتری داشته باشد، سختتر مشتعل می‌شود. موتور لکوموتیو دیزل برای فرایند احتراق باید سوخت را از طریق پمپ پرفشار به سمت سیلندرها بفرستد و سپس آن را به داخل سیلندر با فشار بالا تزریق کند. انژکتورها که وظیفه تزریق سوخت را بر عهده دارند، فشار سوخت را باز هم بالاتر میبرند (در برخی نمونههای جدیدتر لکوموتیو، این فشار تا حدی بالا میرود که سوخت به شکل پودری وارد سیلندر می‌شود). سپس پیستون بالا آمده و فرایند احتراق با فشرده سازی سوخت و هوای موجود در محفظه صورت می‌گیرد.
تا همین جا مشخص است که گرانروی سوخت چه اندازه در عملکرد موتور موثر است. گرچه افزایش عدد ستان مطلوب مصرف کنندگان است، به علت اثر بسیار قابل توجه گرانروی در مراحل پیش از احتراق، نمیتوان با افزایش سیالیت عملکرد موتور را بهینه نمود. در این حالت، افزایش نیروی مورد نیاز برای افزایش فشار سوخت تا حد مورد نیاز (به دلیل تغییر عمده چگالی سوخت) در کل بهره وری موتور را کاهش میدهد و نه افزایش. بنابراین، گرچه این گزینه وجود دارد، اما تولیدکنندگان محصولات نفتی قادر نبودهاند به روشهای شیمیایی پیشین از آن استفاده کنند.
از طرف دیگر، نگه داشتن دمای سیلندر در یک حد مشخص، کمک شایانی هم در بخش مدار خنک کاری و هم در بخش احتراق خواهد کرد. موتور سرد قادر نیست نیروی بهینه تولید کند، در حالی که موتور داغ فشار زیادی به مدار خنک کاری وارد کرده و احتراق صحیحی هم ارائه نمیکند. این هم بخش دیگری است که طی سالها ذهن طراحان لکوموتیو را درگیر خود کرده است.
2. آلودگی و فرسایش
فرآوردههای اصلی فرایند احتراق دیزل، دوده (شامل ترکیبهای هیدروکربنی مازاد) و گاز (مانند کربن مونوکسید و گوگرد اکسید) هستند که از سیلندر خارج میشوند. بسته به افزودنیهای سوخت و کیفیت آن، موارد دیگری نیز به این فهرست افزوده میشوند. این فرآوردهها به صورت دود از طریق خروجی موتور و پس از طی فرایندهای بسیار خارج میشوند. به جز صدماتی که به دلیل رسوب دوده و تبدیل گوگرد اکسید به اسید به خاطر وجود رطوبت، در مدار خروج به موتور وارد شده و موجبات فرسایش تدریجی آن را فراهم میکنند، در انتها همه موادی که از موتور خارج میشوند برای محیطزیست مضر هستند. گاز کربن مونوکسید یک گاز سمی مشهور است که در حجم بالایی وارد محیطزیست می‌شود. دوده، به خاطر ساختار هیدروکربنی خود، به سختی با مواد دیگر واکنش داده و عملاً زباله محسوب می‌گردد.
مشکلات نگهداری هم مزید بر علت می‌شود تا هزینهها بالاتر بروند. از این موارد میتوان به نمونههای زیر اشاره نمود:
- شستشوی نامناسب موتور میتواند منجر به باقی ماندن رطوبت در مدار سوخت شود که احتراق را ناقص کرده و باعث ایجاد اسید پس از فرایند احتراق می‌شود که فضای داخلی سیلندر را فرسوده میکند.
- مدار روغنی که به خاطر فرسودگی به داخل مدار سوخت نشت داشته باشد سوخت را چرب میکند که هم فرایند احتراق و هم نگهداری سیلندر و مدار خروج دود را تحت تأثیر قرار میدهد.
3. فیلترهای هوا و خنککاری موتور
بسیاری از لکوموتیوهای جدید مجهز به سیستم کمپرسور هستند که وظیفه تأمین هوای مورد نیاز موتور را بر عهده داشته و دارای سیستم فیلتر هوا هستند. این فیلترها بسته به آب و هوایی که قطار در آن فعالیت میکند، عمر عملیاتی متفاوتی دارند و دچار معضلات مختلفی هم میشوند. جنس الیاف آنها به گونهای است که مانع ورود گرد و خاک و آلودگی می‌شود، اما با تجمع و چسبندگی این مواد در فیلتر در نهایت نیاز به تعویض آنها به وجود میآید.
همچنین، سیستمهای خنککننده موتور مجهز به مواد کولانت هستند که برای فرایند خنککاری استفاده میشوند. این بخش در لکوموتیوها بسته به مدل، روش کارکرد متفاوتی دارد، اما در همه آنها در نهایت گرما باید از طریق یک سیال منتقل شده و فرایند خنککاری صورت گیرد. لکوموتیوهای دیزل باید با دماهای بسیار بالا دست و پنجه نرم کنند که نیازمند بازدهی بالای سیستم خنککننده است، اما نمیتوان فضای زیادی را به این سیستم اختصاص داد که از جمله مشکلات طراحی موتور محسوب می‌شود.
فرصتهای فناوری نانو
همان طور که از مطالب فوق مشخص است، فرصتهای متعددی در اختیار فناوری نانو است که وارد مبحث سوخت ریلی شود. پیش از این در جهان و حتی در ایران فعالیت بر روی انواع فیلتر و کولانت نانو انجام شده است که به نسبت موفق بودهاند. انتقال این تجارب برای به کارگیری در صنعت ریلی کار دشواری نخواهد بود و تنها باید شرایط عملکردی قطار و محدودیتهای آن اعمال گردد.
برای بحث پوشش فضای درونی موتور به منظور جلوگیری از فرسایش و خروج آلودگی، در سطح بینالمللی فعالیتهایی صورت گرفته است. اما چنین پوششهایی میبایست در برابر حرارت دائمی و مواد ذکر شده در مدار دود مقاوم باشند. تمرکز در این بخش میتواند بر روی فضای داخلی سیلندرها گذاشته شود که به نسبت دیگر اجزای ذکر شده دچار فرسایش بیشتری میشوند و هزینههای تعمیر و نگهداری بالاتری دارند. از طرف دیگر، پیش از فعالیتهایی برای جلوگیری از تولید گازهای سمی در فرایند احتراق از طریق افزودن افزونههای نانو به سوخت برای اصلاح ساختار و فرآوردههای احتراق صورت گرفته است که کمک شایانی به کاهش ضررهای محیطزیستی موتورهای دیزل کردهاند. با این حال، بحث دوده همچنان باقی است و جای کار دارد.
فناوری نانو در حمل و نقل ریلی ایران
شاید در کشور، مهمترین معضل سد راه گسترش استفاده از محصولات نانو در صنعت ریلی بحث هزینه باشد. حمل و نقل ریلی صنعتی پرهزینه و متأسفانه در ایران، کهنسال محسوب می‌شود. بخش عمده ناوگان ریلی ایران نیازمند جایگزینی با نمونههای جدید و مدرن هستند و این امر هزینههای تعمیراتی را بالاتر میبرد. از طرف دیگر، راه آهن در ایران هنوز از نظر توسعه به حد ایدهآل نرسیده است، بنابراین تمرکز کارفرمایان ریلی بر روی اولویتهای دیگری به جز فناوری نانو است. بحث سوخت به علت اهمیت و حضور دائمیآن، میتواند هدف مناسبی برای فعالان این حوزه در کشور باشد.
