گاز طبیعی

مبحث استفاده از گاز طبیعی به عنوان سوخت در وسایل نقلیه، به بحث روز کشورهای خارجی و حتی ایران تبدیل شده است.

آیا گاز طبیعی قادر خواهد بود تا روزی جای بنزین و گازوئیل را بگیرد؟ ایا واقعاً صلاح است که این سوخت را جایگزین سوخت های مایع بکنیم ؟

گزارشی که مطالعه خواهید کرد، نقد کوتاهی است بر موضوع استفاده از گاز طبیعی یا همان CNG در وسائط نقلیه .

گاز طبیعی چیست؟

گاز طبیعی یا متان، سبک ترین هیدروکربن موجود در زمین است. فرمول شیمیایی این گاز CH4 است بدین معنا که هر ملکول متان از 1 اتم کربن و چهار اتم هیدروژن تشکیل شده است.

متان همانند نفت و ذغال سنگ یک سوخت فسیلی محسوب می شود با این تفاوت که متان از تجزیه بدن موجودات زنده توسط باکتری های غیر هوازی بوجود می آید.

متان به علت داشتن شکل گازی سریعاً با هوا ترکیب شده و در صورت محترق شدن، با شعله آبی رنگی می سوزد.

استفاده از متان در گرمایش ساختمان ها و کاربرد آن به عنوان سوخت در نیروگاه ها سال ها است که ادامه دارد ولی شاید به جرات بتوان گفت که استفاده از ان در صنعت حمل و نقل هیچگاه بصوت اصولی دنبال نشده است. دلیل این امر را می توان در نفوذ سیاسی و اقتصادی کمپانی های عظیم نفتی و سیاست های اشتباه خودروسازان جستجو کرد.

 

ولی جایگاه متان در کشور ما چگونه ارزیابی می شود؟

ایران به لحاظ دارا بودن منابع غنی گاز طبیعی در رتبه دوم ( و به عقیده بسیاری از کارشناسان در رتبه اول ) جهاتن قرار دارد و استفاده صحیح از منابع گاز طبیعی می تواند به رشد و شکوفایی اقتصاد آن بیانجامد.

متان و موتور اتومبیل:

همه ما کمابیش داستان های ضد و نقیضی در مورد گاز سوز کردن خودروها و مزایا و معیب آن شنیده ایم ولی واقعیت ماجرا از چه قرار است؟ گاز طبیعی بهتر است یا بنزین؟ کدامیک راندمان بالاتری دارد و کدامیک آسیب کمتری به موتور اتومبیل می رساند؟

مقایسه مولکولی متان و بنزین:

همانگونه که گفتیم هر ملکول متان از یک اتم کربن و چهار اتم هیدروژن تشکیل شده است. درمقابل هر ملکول بنزین با نام علمی "اکتان" از هشت اتم کربن و 18 اتم هیدروژن تشکیل شده است.

متان بسیار سبک بوده و به سرعت با هوا ترکیب می شود در حالی که برای ترکیب بنزین با هوا باید تدابیری چون ایجاد خلاء (اساس کار کاربراتور)، تزریق بنزین به درون منیفولد یا سیلندر (انژکتور) یا گرم کردن بنزین بیاندیشیم.

موتور گاز سوز و موتور بنزینی:

برای این که بتوانیم از گاز طبیعی در اتومبیل ها استفاده کنیم ابتدا باید آن را فشرده کنیم تا به حالت مایع در آید. به همین علت این نوع سوخت را CNG (Compressed Natural Gas) یا گاز طبیعی فشرده می نامند.

گاز طبیعی دارای عدد اکتان بالای 100 است یعنی از بهترین و مرغوب ترین بنزین هم راندمان بالاتری دارد. اکتان بالا یعنی قابلیت ایجاد تراکم بیشتر و تراکم بیشتر یعنی تو.ان فوق العاده و مصرف سوخت کمتر.

یک موتور گاز سوز نسبت به یک موتور بنزینی با حجم و تعداد سیلندر مشابه، قدرت بیشتری دارد و در مقابل سوخت کمتری مصرف می کند ولی چرا مرتباً شکایت و گلایه رانندگان تاکسی که ماشین خود را گاز سوز کرده اند به گوش می رسد؟

چرا بسیاری معتقدند که اتومبیل گاز سوز در مقایسه با اتومبیل بنزینی توان کمتر و استهلاک بالاتری دارد؟

باید توجه داشت که موتور اتومبیلی چون پیکان خود یک موتو کهنه با استهلاک بالاست و از ابتدای امر به عنوان یک موتور گاز سوز طراحی نشده است. موتور سمند که در واقع موتور پژو است و بسیاری دیگر از اتومبیل هایی که ما اقدام به گاز سوز کردن آن ها می کنیم همین مشخصه را دارا هستند.

گاز سوز کردن یک اتومبیل کاری تخصصی است و باید با توجه به اصول مهندسی و مکانیکی صحیح انجام پذیرد ولی بهترین راه برای نیل به یک راندمان بالا همانا طراحی موتور از بدو امر به عنوان یک موتور گاز سوز است.

گاز طبیعی بصورت خالص و بدون افزودن هر گونه ماده ای سوزانده می شود در حالی که بنزین با چندین نوع ماده افزودنی مخلوط می شود تا هم فراریت آن افزایش یابد و هم باعث کارکرد نرم تر قطعاتی چون سوپاپ ها بشود.

از جمله این مواد افزودنی که همگی سرطان زا و کشنده هستند می توان به تترا اتیل سرب (در بنزین های سرب دار) و بنزین (که باعث سرطان کبد می شود) اشاره کرد .

خوشبختانه استفاده از این مواد منسوخ و در بسیاری از کشورها ممنوع شده است ولی موادی که جایگزین بنزین و تترا اتیل سرب شده اند کماکان مضر و بیماری زا هستند. دلیل کارکرد خشک اتومبیل های گاز سوز همین است ولی باید یک نکته را در نظر داشت. زمانی که موتور اتومبیل سرد است، بنزین بر روی دیواره سیلندرها تقطیر می شود و به پایین یعنی به سمت کاتل روغن سرازیر می شود. این مقدار اگر چه بسیار نا چیز و غیر قابل اندازه گیری است ولی در دراز مدت باعث خراب شدن روغن و از بین رفتن خاصیت روانکاری روغن می شود در حالی که گاز طبیعی حتی در دمای 10 درجه زیر صفر هم تقطیر نمی شود و حتی اگر در مجاورت روغن قرار گیرد باعث خراب شدن آن نخواهد شد.

کارکرد خشک موتورهای گاز سوز بیشتر یک ذهنیت اشتباه است چرا که روغن موتور اتومبیل های گاز سوز دیرتر خراب می شود. با این حال استفاده از مکمل های روغن برای کاهش اصطحلاک جداره سیلندرها پیشنهاد می شود.

در خصوص کند شدن ماشین های گاز سوز و کاهش قدرت موتورها، همانطور که گفتیم عدد اکتان متان بسیار بالا است و برای احتراق صحیح و حصول راندمان کافی از آن باید هوای بیشتری به موتور رساند و البته باید کمی هم موتور را دستکاری کرد.

موتوری که گازسوز می شود در واقع ریتارد می شود. به همین علت احساس می کنیم که موتور کند شده است.

 یک موتور گاز سوز و توربو تا 2 برابر موتورهای بنزینی قدرت دارد ولی مصرف سوخت آن کمتر از موتور بنزینی است!

مهمترین مسئله ای که باعث شده تا دولت ایران به فکر گاز سوز کردن خودروها بیافتد یکی آلودگی هوا و دیگری کاهش واردات بنزین و جلوگیری از خروج ارز از کشور است.

اتومبیل های گاز سوز، اگر چنانچه موتور آن ها درست تنظیم شود، دارای مصرف بسیار کمی هستند و آلودگی آن ها به هیچ عنوان قابل مقایسه با اتومبیل های بنزینی نیست.

میزان اکسید ازت خارج شده از اگزوز اتومبیل های گاز سوز تا 75 درصد کمتر از انواع مشابه بنزینی است.

گاز طبیعی بر خلاف بنزین فاقد گوگرد است و دود حاصل از سوختن آن عاری از اکسید گوگرد است. میزان مونو اکسید کربن آن بسیار کمتر از سخت ترین استانداردهای موجود در آمریکا و اروپاست. مقدار ذرات معلق نیز عملاً به صفر می رسد.

بصورت خلاصه می توان اینچنین نتیجه گیری کرد که گاز سوز کردن تاکسی ها و اتوبوس های شهری چون تهران باعث آلودگی هوا تا میزان 40 درصد خواهد شد.

تاکنون تعدادی از اتوبوس ها و تعداد بیشتری از تاکسی ها و اتومبیل های سواری در ایران (بیشتر در تهران) گاز سوز شده اند که جای تقدیر و تشکر دارد ولی این مقدار هنوز کافی نیست.

مسئله دیگری که ما را به تفکر وا می دارد مصرف بنزین در کشور است. متاسفانه ایران از نظر سرانه مصرف بنزین رکورد دار است. این امر علاوه بر ایجاد آلودگی هوا باعث خروج مقادیر هنگفتی ارز برای واردات بنزین از کشورهای عربی می شود.

گاز سوز کردن تاکسی ها و اتوبوس های تهران علاوه بر کاهش آلودگی هوا، تا 30 درصد از واردات بنزین خواهدکاست. اعمال این سیاست در سراسر کشور نتایج بهتری نیز در پی خواهد داشت.

بودجه ای که به واردات بنزین اختصاص می یابد چیزی در حدود سالانه 2 میلیارد دلار است. اگر همین میزان بودجه را، تنها برای یک بار، صرف تاسیس ایستگاه های سوخت رسانی و گاز سوز کردن اتومبیل ها کنیم، برای همیشه مشکل کمبود بنزین که به وارد کردن آن و خروج ارز منجر می شود، و معضل آلودگی هوا را حل کرده ایم .

به امید روزی که دیگر بوی زننده دود اگزوز اتومبیل ها و اتوبوس مشام ما را آزار ندهد.

 

 

 انواع سوخت های گاز طبیعی

گاز طبیعی فشرده (CNG)

گاز طبیعی فشرده (Compress Natural Gas) به عنوان یکی از سوختهای جایگزین مورداستفاده قرار می گیرد. ترکیب عمده گاز طبیعی، متان (CH4) می باشد، معمولا گاز طبیعی شامل 85 الی 95 درصد متان و باقی آن دی اکسیدکربن،نیتروژن و مقدار کمی اتان،پروپان و بوتان است. در هنگام سوختگیری، سوخت توسط توزیع کننده ها به مخازن نصب شده بر روی خودرو متصل می گردد و سوخت تحت فشار  200bar تزریق می گردد.

از مزایای استفاده از گاز طبیعی در مقایسه با بنزین می توان به آلایندگی کمتر، عدد اکتان بالا (130)، افزایش راندمان 15 درصدی و فراوانی و قیمت مناسب نام برد. در مقابل، هزینه احداث ایستگاههای سوختگیری، وجود محدودیت فضا در نصب مخازن سوختگیری بر روی خودرو، کاهش پیمایش خودرو و نیاز به طراحی و تقویت بخشهای متعددی از خودرو نظیر شاسی، اکسل (بدلیل افزایش وزن)، سیستم خنک کاری و غیره در خوروهای تبدیلی، از معایب استفاده از این سوخت می باشد.

گاز طبیعی مایع (LNG)

(Liquid natural Gas) یا LNG یا گاز طبیعی مایع به عنوان یکی دیگر از سوخت های جایگزین می باشد.جهت تولید LNG، گاز طبیعی را تا دمای تقریبی 2/327- درجه فارنهایت یا 164- در جه سیلسیوس سرد کرده و سپس به مایع تبدیل می کنند.

آب، دی اکسید کربن، نیتروژن،اکسیژن و ترکیبات سولفور از جمله اجزای تشکیل دهنده گاز طبیعی هستند که طی مراحل تبدیل گاز به مایع، اکسیژن، دی اکسید کربن، آب و ترکیبات سولفور از آن جدا شده و مقدار متان موجود در LNG تقریباً به بیش از 98% می رسد که در آن مقادیر کمی اتان، پروپان و سایر هیدرو کربن های سنگین تر نیز وجود دارد.

در حالت گازی، انرژی گاز طبیعی فشرده (CNG) در حدود 200 برابر گاز طبیعی غیر فشرده است ولی در حالت مایع، انرژی گاز مایع طبیعی (LNG) در حدود 600 برابر گاز طبیعی غیر فشرده می باشد، که بدلیل هزینه های تبدیل گاز طبیعی به مایع و شرایط نگهداری آن، استفاده از گاز مذکور اقتصادی نمی باشد.

تکنولوژی ساخت موتورهای گازسوز

موتورهای پایه گازسوز (OEM)

موتورهای گازسوز کارخانه ای اصطلاحاً به موتورهایی گفته می شود که بصورت اولیه و پایه گازسوز در کارخانه تولید می شود و کلیه قطعات موتور جهت این نوع سوخت طراحی شده است، به این معنی که تغییراتی مانند، تغییر نسبت تراکم، مقاوم سازی بلوک سیلندر، سرسیلندر، تغییر در ساختار سیستم سوخت رسانی، سیستم جرقه، میل بادامک، سیستم خنک کاری، روغن کاری، جانمایی موتور، مخازن، کیت گازسوز و ... به صورت اولیه و اصلی در هنگام تولید درکارخانه طراحی گردیده است. در این نوع موتورها به دلیل تولید اولیه به صورت گازسوز مشکلات، افت توان، گشتاور، آلایندگی بالا، مشکل خنک کاری موتور و ... تا حدود بسیار زیادی مرتفع گشته است.

موتورهای گازسوز تبدیلی

موتورهای تبدیلی به موتورهایی گفته می شود که سیستم از حالت اولیه و اصلی دیزل و یا اتو به سیستم گازسوز تبدیل می گردد. در این موتورها بدلیل طراحی اولیه بر اساس سیکل دیزل و یا اتو، نمی توان از سوخت گاز طبیعی استفاده نمود. لذا بدین منظور می بایست تغییراتی در ساختار سیستم سوخت، سیستم خنک کاری و ... ایجاد گردد.

با وجود تغییرات ایجاد شده در موتور و سایر قسمت های خودرو، بدلیل اینکه ساختار اصلی و طراحی موتور همانند حالت اولیه می باشد لذا کارایی سیستم گازسوز تا حدی کاهش یافته، بطوریکه توان و گشتاور خودرو دچار افت 15 تا 20 درصدی گشته و آلاینده های خودرو به حد مطلوب نمی رسد و در اثر افزایش وزن خودرو به دلیل اضافه شدن تجهیزات کیت گازسوز، مصرف سوخت خودرو در حالت بنزینی نیز افزایش می یابد.

انواع موتورهای گاز طبیعی فشرده

موتورهای دوگانه سوز (Bi Fuel)

موتورهای دوگانه سوز دارای دو سیستم جداگانه سوخت رسانی بنزینی و گاز طبیعی می باشد که بصورت اختیاری امکان استفاده از یک سوخت را دارا می باشند. بدین شکل که راننده در صورت تمایل به استفاده از هر یک از سوخت ها با فشار کلید انتخابگر (Fuel select switch)، نوع سوخت مورد نظر خود را انتخاب کرده و موتور به کمک تجهیزات کیت گازسوز با سوخت مورد نظر کار خواهد کرد.

در حال حاضر خودروهای دو گانه سوز موجود در کشور از نوع تبدیلی می باشد.

در این قبیل خودروها طراحی اولیه خودرو برای استفاده از بنزین صورت گرفته است در نتیجه امکان بهره گیری از عدد اکتان و ضریب تراکم بالای گاز مقدور نمی باشد و غالباً موتور این خودروها با کاهش 15% توان مواجه می گردند. مصرف گاز معادل بنزین خودروهای گازسوز در هر کیلومتر مسافت، تقریباً معادل سوخت این خودروها در حالت بنزین سوز بوده و مسافت پیمایش خودرو بستگی به مشخصات خودرو، تعداد، حجم و نوع مخازن مورد استفاده دارد.

 

 

موتورهای دو سوخته دیزل و گاز طبیعی (Dual-Fuel)

در این موتورها سوخت خودرو بصورت ترکیبی از گاز طبیعی و گازوئیل می باشد و جهت تزریق گاز طبیعی به درون سیلندر دو روش وجود دارد :

تزریق مستقیم گاز

در این روش همزمان با تزریق سوخت دیزل، سوخت گاز نیز توسط شیرهای برقی سرعت بالا به داخل سیلندر تزریق می گردد. در این روش گاز تامین کننده بیشتر انرژی مورد نیاز موتور بوده و گازوئیل به عنوان سوخت آتش زا بکار می رود.

استفاده از کاربراتور برای مخلوط کردن هوا و گاز

در این روش با استفاده از از میکسر، همزمان با ورود هوا به داخل سیلندر، گاز نیز وارد شده و در سیلندر یک مخلوط همگن از گاز و هوا وجود خواهد داشت.

سپس در انتهای مرحله تراکم گازوئیل به عنوان سوخت آتش زا به درون سیلندر تزریق می گردد. در این روش با تغییر بار موتور نسبت ترکیب دو سوخت تغییر می کند.

موتورهای تک سوخته گازسوز (Dedicated)

این موتورها با یک سوخت کار کرده و بدلیل عملکرد موتور به لحاظ بازده، شتاب و صدای آرام موتور در مقایسه با نوع دوگانه سوز تبدیلی، بیشتر مورد توجه قرار گرفته اند. بطور کلی موتورهایی که با گاز طبیعی طراحی شده اند، بازده بیشتری نسبت به انواع بنزینی و دیزلی مشابه خود دارند. موتورهای تک سوخته CNG نسبت تراکم بالاتری در مقایسه با انواع مشابه بنزینی داشته که در عمل باعث کاهش مصرف سوخت و افزایش عملکرد خودرو می گردد.