مقدمه:
گاز طبيعي اولين بار در سال ۱۷۷۶ ميلادي توسطAlessandro Volta كشف شد، اما استفاده از اين گاز به عنوان سوخت در خودروها به سالهاي بعد از آن بر ميگردد.
ايتاليا به عنوان اولين كشور استفاده كننده از گاز طبيعي شناخته م يشود، اين اقدام در اوايل سال ۱۹۱۰رخ داد از سال ۱۹۳۰ ميلادي استفاده از گاز طبيعي به طور چشمگيري گسترش يافت. از جمله كشورهاي پيشرو در اين حوزه مي توان به كشورهاي فرانسه، ايتاليا، آمريكا، برزيل، آرژانتين و نيوزلنداشاره نمود.
در ايران اولين بار در سال ۱۳۵۶ طرح گاز سوز كردن خودروها به صورت آزمايشي در شهر شيرازبا تبديل ۱۲۰۰دستگاه سواري به مرحله اجرا درآمد. مشابه اين طرح در مشهد نيز در سال ۱۳۶۶اجرا شد. شركت اتوبوسهاي تهران و حومه نيز در سال ۱۳۷۱ ، تحقيقاتي را در زمينه گاز سوز كردناتوبوسهاي درون شهري آغاز نمود كه در سال ۱۳۷۵ ، به بهره برداري رسيد
از سال ۱۳۸۳ شركت سايپا با هدف همراستا نمودن فعاليت ها و توليد محصولات مطابق با خط مشي هاي كل سازمان، شروع به توليد خودروهاي گازسوز نيسان وانت و پرايد نمود و اين روند با گذر زمان، رشدفزاينده داشته است.
هدف گذاري
۱ دستيابي به خودروهايي با ميزان توليد آلايند ههاي كمتر
۲ ايجاد محصولاتي با هزينه سوخت كمتر براي مشتريان و حضور در بازارهاي خودرو سالم
تعریف و طبقه‌بندی خودروهای گازسوز:
- به‌صورت اجمالی خودروهای گاز طبیعی، بسته به این که به چه صورت از گاز طبیعی استفاده می‌کنند، به سه دسته تقسیم می‌شوند. این تقسیم‌بندی عبارت است از:
- 1) صددرصد گازسوز(Dedicated):
- این خودروها از ابتدا برای کار با سوخت گاز طراحی شده‌اند. از آنجا که طراحی این خودورها برمبنای گاز بوده، تمام مسائل و مشکلات سوخت گاز در طراحی آنها مد نظر قرار گرفته است. بنابراین این خودروها از کیفیت و راندمان بهتری نسبت به خودروهای مشابه بنزینی برخوردار می‌باشند.
- 2) دوگانه‌سوز (Dual Fuel)
- این موتورها، موتورهایی هستند که اغلب از تبدیل یک موتور دیزل به گازسوز به دست می‌آید. اساس کار موتورهای دوگانه‌سوز، سيکلديزل است و سوخت اصلی اين موتورها گاز طبيعی می‌باشد. ولی طراحی آنها به گونه‌ای است که از سوخت ديزل به‌عنوان سوخت کمکی برای شروع احتراق گاز استفاده می‌نمايد.
- در این‌گونه موتورها، ابتدا گاز با نسبت 90 تا 95%از کل انرژی وارد محفظه احتراق می‌شود. هنگامی که مخلوط هوا و سوخت داخل محفظه احتراق تا حد مناسب فشرده و آماده احتراق شد، مقدار کمی گازوئیل توسط انژکتور پاشیده می‌شود. این فرایند باعث می‌شود تا احتراق، آغاز شده و موتور فعال شود. گازوئيل در اينجا به‌جای شمع عمل می‌کند و لذا به آن سوخت پيلوت و يا سوخت آتش‌زنه می‌گويند.
- چون در اين موتورها فرايند احتراق ابتدا به‌صورت اشتعال تراکمی و سپس احتراق شبيه مخلوط پيش‌آميخته می‌باشد، لذا دو نوع “اشتعال” و “سوختن” متفاوت رخ می‌دهد. به‌همين
دليل به اين گونه موتورها، موتورهای دوگانه‌سوز می‌گويند. در کلمه “دوگانه‌سوز” پسوند “سوز” بيان‌کننده سوختن است که در اين موتورها دو نوع مختلف سوختن اتفاق می‌افتد.
در ضمن کلمه “Dual” در انگليسی به معنای دوتايی می‌باشد، بدين معنی که هر کدام از اجزا به يکديگر وابسته بوده و بدون يکديگر نمی‌توانند عمل کنند. به‌همين صورت پيشوند “Bi” در انگليسی به معنای “دوتا” می‌باشد که هر کدام می‌توانند مستقل از ديگری عمل کنند. موتورهای دوسوخته (Bifuel) می‌توانند با هر کدام از سوخت‌ها به طور مستقل کار کنند. (در حال حاضر در صنایع خودروسازی، دو اصطلاح دوسوخته و دوگانه‌سوز سهواً به‌جای یکدیگر به‌کار برده می‌شوند.)
تبديل موتور ديزل به موتور دوگانه‌سوز نسبتاً ساده می‌باشد. زيرا تغييراتی در نسبت تراکم، سرسيلندرها يا در سيکل کاری که موتور ديزل براساس آن کار مي‌کند، صورت نمي‌پذيرد. حتی تکنولوژی سيستم کنترل کامپيوتری دو گانه‌سوز اين موتورها به‌گونه‌ای در حال توسعه است که اين سيستم را بتوان براحتی از موتور جدا نموده تا موتور به يک موتور ديزل معمولی تبديل گردد.
انواع سيستم‌هاي احتراق در موتورهای دوگانه‌سوز:
- به‌طور كلي سه نوع سيستم احتراق در موتورهاي دوگانه‌سوز استفاده مي‌شود:
- موتورهاي دوگانه‌سوز معمولی
- موتورهاي دوگانه‌سوز با آلایندگی NOx
- موتورهاي دوگانه‌سوز با پاشش مستقیم
- موتورهاي دوگانه‌سوز معمولی:
- این نوع موتورها در ابتدا از نوع مكش طبيعی بودند و گاز به وسیله كاربراتور با هوا تركيب مي‌شد. اما امروزهاز توربوشارژر استفاده می كنند و گاز درون راهگاه ورودی تزريق مي‌شود. فشار تزريق گاز بايد اندكي بالاتر از فشار مکش هوا باشد. بنابراين فشار تقريبي تزريق درحدود bar 5- 3 مي‌باشد.
- براي تبديل يك موتوردیزل به دوگانه‌سوز، سيستم تزريق به‌جز اصلاحاتي كه ممكن است روي پمپ انژكتور و شكل نازل‌ها ايجاد شود، احتیاج به تغيير خاصي ندارد. با توجه به ترکیب گاز مورد استفاده، نسبت تراكم ممكن است پايين‌تر بيايد تا پديده كوبش اتفاق نيفتد. اما اين مقدار نبايد تا حدي باشد که خاصيت خود اشتعالي گازوئيل بي‌اثر شود. كمترين نسبت تراكم درحدود 11 تا 12 مي‌باشد. حداکثر قدرت خروجی معمولاً 10 تا 20 درصد کمتر از موتور دیزل مشابه می‌باشد. اين كاهش با خاصيت كوبش سوخت محدود مي‌شود و به عددمتان گاز بستگي دارد.
- در بارهاي كم و هنگام راه‌اندازي، موتور روي سوخت گازوئيل كار مي‌كند و هنگامي‌كه نياز به قدرت بيشتري مي‌باشد، ميزان سوخت گازوئيل كمتر شده (كه تقريباً برابر حالت کارکرد درجا يا حتي كمتر از آن) و توان اضافي مورد نياز با غنی کردن مخلوط ورودی (افزایش مقدار گاز) تـأمين ميگردد. در اين مرحله كاهش قدرت موتور نيز با رقیق کردن مخلوط ورودی (کاهش مقدار گاز) صورت مي‌گيرد. نهایتاً مخلوط هوا و گاز توسط يكافشانه کاملاً اتميزه شده سوخت ديزل، كه حدود 5 تا 8 درصد سوخت در حالت بار کامل را شامل مي‌شود،مشتعل ميگردد.
- با تنظیم سيستم كنترلي حاكم، می‌توان کاری کرد که موتور در حالت بار كامل هم به‌صورت يك موتوردوگانه‌سوز کار کند یا این‌که فقط سوخت دیزل مصرف کند. همچنين اگر گاز تمام شده باشد مي‌توان موتور را روي سوخت دیزل تنظيم كرد كه در اين‌صورت موتور به يك موتور ديزل كامل تبديل مي‌شود. اين امر بسيار مهم است زيرا در موتورهاي دوگانه‌سوز ممکن است كه مخزن گاز، تخليه گردد و موتور روي سوخت گازوئيل به‌تنهایی به حركت ادامه دهد.
موتورهاي دوگانه‌سوز با آلایندگی NOx کم:
موتورهاي دوگانه‌سوز با آلایندگی NOx کم، رقیق‌سوز می‌باشند، در نتیجه در این موتورها دمای بیشینه احتراق پایین آمده ومیزان تولید NOx نسبت به موتورهاي ديزل کاهش می یابد.
مقدار NOx تولید شده بستگی به مقدار گازوئیل پیلوت دارد. دستيابي به NOx خيلي كم نيازمند آن است كه نسبت هم‌ارزی بسيار پايين (درحدود 4/0) باشد. كم شدن نسبت هم‌ارزی به‌معناي نیاز بیشتر به انرژی پیلوت (گازوئیل)، برای ایجاد احتراق مناسب و خوداشتعالی است. اما افزایش مصرف سوخت پیلوت (گازوئیل) به مفهوم افزایش NOx مي‌باشد. امروزه بعضي از شركت‌هاي موتورسازي، سيستم‌هايي طراحي كرده‌اند كه طي آن مصرف سوخت پيلوت بسيار كم مي‌باشد. که باعث كاهش آلاينده NOx شده‌است.
براي داشتن يك احتراق كامل و مطمئن، حداقل 5% سوخت گازوئیل در حالت بار کامل به‌عنوان سوخت پيلوت نياز می‌باشد. اما با بهینه کردن سيستم تزريق سوخت پیلوت، مي‌توان اين ميزان را تا حدود 2% كاهش داد كه اين کار به طور چشمگيري در كاهش NOx، مؤثر مي‌باشد. بهينه‌كردن پاشش سوخت پيلوت به‌معناي بالا بردن فشار تزريق و كاهش قطر سوراخ انژكتورها مي‌باشد كه باعث بالا رفتن قدرت نفوذ و اتميزه شدن سوخت مي‌باشد. درنتيجه يك سوخت با انرژی مناسب دركل محفظه احتراق، آمادگي اشتعال خواهد داشت.
موتورهاي دوگانه‌سوز با پاشش مستقیم: از دیگر سیستم‌هایی که در آن از گاز طبیعی در موتورهای دیزل استفاده می‌شود، موتور دوگانه‌سوز با پاشش مستقیم می‌باشد که در آنها گاز و سوخت پیلوت (آتش‌زنه) توام با هم و به طور مستقیم، به داخل سیلندر توسط انژکتور تزریق می‌شوند. اگرچه مفهوم طراحی این موتورها ساده می‌باشد، اما در عمل این موتورها با مشکلات و پیچیدگی‌های خاص خود همراه هستند. این
نوع موتورهای دوگانه‌سوز به موتور “دیزل- گاز” معروف هستند.
برای شروع عمل احتراق، سوخت گازوئیل پیلوت همانند موتورهای دوگانه‌سوز معمولی به داخل سیلندر تزریق می‌شود. مقدار سوخت پیلوت تزریق شده لازم در حدود 3 تا 5 درصد می‌باشد. میزان NOx تولید شده همانند موتورهای دوگانه‌سوز می‌باشد. از آن جا که احتراق در این موتورها از نوع پخشی است و نه پیش‌‌آمیخته، مشکلاتی مانند کوبش و کنترل نسبت هوا به سوخت در حالت بار جزئی تا حد زیادی خودبهخود مرتفع شده‌است. همچنین راندمان بار جزئی و قدرت (BMEP) حالت تمام بار با تغییر وضعیت موتور از دیزل به دوگانه‌سوز با پاشش مستقیم تا حد زیادی بدون تغییر باقی می‌ماند و به تغییرات کیفیت گاز حساس نمی‌باشد.
شکل زیر نحوه پاشش گاز و گازوئیل رابه داخل سیلندر درانتهای زمان تراکم نشان می‌دهد:
در این سیستم به دلیل تزریق مستقیم گاز به داخل محفظه احتراق، فشار پاشش خیلی بالایی نیاز می باشد (در حدود bar 350-250)که این موضوع دارای تبعاتی است، که برخی از آنها عبارتند از:
هزینه کمپرسور مورد نیاز برای پاشش سوخت بسیار زیاد خواهد شد که قسمت عمده افزایش قیمت این‌گونه موتورها از همین امر ناشی می‌شود.
برای به حرکت درآوردن این کمپرسور، چیزی حدود 5% از قدرت موتور صرف می‌شود.
سیستم ایمنی لازم برای این کمپرسور بسیار پرهزینه می‌باشد.
قدرت خروجی و راندمان بیشتر این موتور باعث بالا رفتن قیمت آن می‌گردد.
برای تزریق گاز و گازوئیل از انژکتور استفاده می‌شود که یک نمونه از این انژکتورها با نازل دوگانه (برای پاشش هم زمان گاز و گازوئیل) در شکل زیر نشان داده شده است. نازل مخصوص گازوئیل به گونه‌ای طراحی شده است که هم مقادیر کم سوخت پیلوت را به صورت مناسبی اتمیزه کرده و قطرات آن را به اندازه مناسب درمی آورد، هم این که برای حالت تمام بار با سوخت دیزل، کارایی مناسب را دارد.
کاربرد و مزایای موتورهای دوگانه‌سوز:
استفاده از موتورهای دوگانه‌سوز در بسياری از نقاط دنيا در حال توسعه مي‌باشد. پرهزينه‌ترين و کارآمدترين سيستم‌های کنترل کامپيوتری اين موتورها در آمريکای شمالی و استراليا در حال معرفی است و در اروپا نيز اين سيستم‌ها در حال آزمايش برای ورود به بازار مي‌باشند. ولی استفاده از آنها در ديگر نقاط دنيا مانند آمريکای لاتين، هند، پاکستان، چين و ديگر قسمتهای آسيا در حال توسعه مي‌باشد و از اين موتورها بیشتر در اتوبوس‌ها و ماشين‌های سنگين استفاده می‌کنند. ولی در موتور خودروهای ديزلی سواری نيز مي‌توانند کارآيی داشته باشند.
در مجموع مزایای موتورهای دوگانه‌سوز را می‌توان به صورت زیر خلاصه نمود:
توليد دود و ذرات معلق کمتر
امکان تغییر وضعیت به حالت ديزل و استفاده از قدرت موتور ديزل
عدم نياز به اصلاحات در اجزای داخلی موتور
هزينه کمتر سوخت مصرفی
گشتاور بالاتر موتور
موتورهای دیزل اختصاصا گازسوز:
برای تبدیل خودروهای دیزلی به خودروهای گازسوز،علاوه بر دوگانه سوزکردن که در قسمتهای قبل توضیح داده شد، می توان آنها را به خودروهای اختصاصا گازسوز نیز تبدیل کرد.
در این روش بر خلاف روش قبل باید تغییرات بسیار زیادی را در موتور ایجاد کرد.
برای این کار باید سیستم سوخت رسانی گازوئیل(مخازن، پمپ انژکتور و انژکتورها) را برداشته و به جای آن سیستم احتراق جرقه ای را به موتور اضافه کرد. این امر به دلیل آن است که گاز طبیعی، یک سوخت خودسوز نیست و دمای خوداشتعالی آن بالا است. گاز طبیعی با عدد ستان 2 باید تا دمای oC1000 گرم شود تا خودبهخود منفجر شود و این به معنی نسبت تراکم 32 در سیکل دیزل است که عملاً امکان‌پذیر نیست.
همچنین برای جلوگیری از پدیده کوبش با تراشکاری سرسیلندر و پیستونها، باید نسبت تراکم را تا حدود 14 کاهش داد.
موتورهای تبدیل یافته به این روش نسبت به موتورهای دیزلی منحنی گشتاور مناسبتری را ایجاد می کنند. چون در طراحی موتورهای دیزلی، برای ایجاد احتراقی کاملتر ومحدود نمودن میزان انتشار دود، همیشه 25 درصد هوای اضافی در نظرگرفته می شود، در حالی که هنگام استفاده از سوخت گاز در گازهای خروجی هیچ دودی وجود ندارد، و از نظر تئوری همیشه 25 درصد هوای اضافی وجود دارد، که این امر باعث تولید میزان گشتاور بیشتری می شود. در عمل به این میزان گشتاور نمی توان رسید، لکن انعطاف پذیری در شکل منحنی گشتاور وجود دارد.
از معایب این موتورها می توان به کاهش توان خروجی به علت کاهش نسبت تراکم وهمچنین افزایش مصرف ویژه سوخت نسبت به موتورهای دیزل اشاره کرد.البته با تنظیم مناسب آوانس جرقه(MBT) و استفاده از انژکتور برای پاشش گاز به درون سیلندر می توان میزان کاهش توان را تا حدودی بهبود بخشید.
3) موتورهای دوسوخته (Bifuel):
خودروهای دوسوخته، به آن دسته از خودروهایی اطلاق می‌شود که با استفاده از کیت تبدیل، از بنزین‌سوز به گازسوز تبدیل شده‌اند. در واقع طراحی اولیه این خودروها برمبنای سوخت بنزین بوده است. نحوه عملکرد این خودروها بدین گونه است که با استفاده از کیت گازسوز می‌توان به هنگام نیاز، سوخت را از بنزین به گاز تغییر داد. چون در اين موتورها از دو نوع سوخت (بنزين یا گاز) استفاده می‌شود به اين موتورها دوسوخته می‌گويند.
این مسأله که این موتورها برای کار با گاز طراحی نشده‌اند، بزرگترین مشکل آنها می‌باشد. زیرا در احتراق آنها مشخصات یک موتور گازسوز دیده نشده است و لذا به هنگام کار با سوخت گاز معمولاً بین 8 تا 20 درصد افت توان به وجود می‌آید. اصلی‌ترین دلیل این امر، حجم حدود 10 درصد از هوای ورودی است که به وسیله گاز اشغال می‌شود. بعلاوه اثر تبخیر سوخت که باعث کاهش دمای ورودی و افزایش چگالی می‌شود، در سوخت گازی وجود ندارد. موارد دیگری مانند زمان‌بندی جرقه و سوپاپ‌ها، طراحی منیفولد و طراحی محفظه احتراق، از جمله مسائلی می‌باشند که در هنگام تغییر نوع سوخت از بنزین به گاز باعث کاهش راندمان می‌شوند.
منبع: www.cngmag.ir