طبقه‌بندي خودروهاي گازسوز

به‌صورت اجمالي خودروهاي گاز طبيعي، بسته به اين كه به چه صورت از گاز طبيعي استفاده مي‌كنند، به سه دسته تقسيم مي‌شوند. اين تقسيم‌بندي عبارت ‌است ‌از:

 1) صددرصد گازسوز(Dedicated):

 اين خودروها از ابتدا براي كار با سوخت گاز طراحي شده‌اند. از آنجا كه طراحي اين خودورها برمبناي گاز بوده، تمام مسائل و مشكلات سوخت گاز در طراحي آنها مد نظر قرار گرفته است. بنابراين اين خودروها از كيفيت و راندمان بهتري نسبت به خودروهاي مشابه بنزيني برخوردار مي‌باشند.

• 2) دوگانه‌سوز (Dual Fuel)

• اين موتورها، موتورهايي هستند كه اغلب از تبديل يك موتور ديزل به گازسوز به ‌دست مي‌آيد. اساس كار موتورهاي دوگانه‌سوز، سيكل ديزل است و سوخت اصلي اين موتورها گاز طبيعي مي‌باشد. ولي طراحي آنها به‌ گونه‌اي است كه از سوخت ديزل به‌عنوان سوخت كمكي براي شروع احتراق گاز استفاده مي‌نمايد.

• در اين‌گونه موتورها، ابتدا گاز با نسبت 90 تا 95% از كل انرژي وارد محفظه احتراق مي‌شود. هنگامي‌ كه مخلوط هوا و سوخت داخل محفظه احتراق تا حد مناسب فشرده و آماده احتراق شد، مقدار كمي گازوئيل توسط انژكتور پاشيده مي‌شود. اين فرايند باعث مي‌شود تا احتراق، آغاز شده و موتور فعال شود. گازوئيل در اينجا به‌جاي شمع عمل مي‌كند و لذا به آن سوخت پيلوت و يا سوخت آتش‌زنه مي‌گويند.

• چون در اين موتورها فرايند احتراق ابتدا به‌صورت اشتعال تراكمي و سپس احتراق شبيه مخلوط پيش‌آميخته مي‌باشد، لذا دو نوع "اشتعال" و "سوختن" متفاوت رخ مي‌دهد. به‌همين

دليل به اين ‌گونه موتورها، موتورهاي دوگانه‌سوز مي‌گويند. در كلمه "دوگانه‌سوز" پسوند "سوز" بيان‌كننده سوختن است كه در اين موتورها دو نوع مختلف سوختن اتفاق مي‌افتد. در ضمن كلمه "Dual" در انگليسي به معناي دوتايي مي‌باشد، بدين معني كه هر كدام از اجزا به يكديگر وابسته بوده و بدون يكديگر نمي‌توانند عمل كنند. به‌همين صورت پيشوند "Bi" در انگليسي به معناي "دوتا" مي‌باشد كه هر كدام مي‌توانند مستقل از ديگري عمل كنند. موتورهاي دوسوخته (Bifuel) مي‌توانند با هر كدام از سوخت‌ها به طور مستقل كار كنند. (در حال حاضر در صنايع خودروسازي، دو اصطلاح دوسوخته و دوگانه‌سوز سهواً به‌جاي يكديگر به‌كار برده مي‌شوند.) تبديل موتور ديزل به موتور دوگانه‌سوز نسبتاً ساده مي‌باشد. زيرا تغييراتي در نسبت تراكم، سرسيلندرها يا در سيكل كاري كه موتور ديزل براساس آن كار مي‌كند، صورت نمي‌پذيرد. حتي تكنولوژي سيستم كنترل كامپيوتري دو گانه‌سوز اين موتورها به‌گونه‌اي در حال توسعه است كه اين سيستم را بتوان براحتي از موتور جدا نموده تا موتور به يك موتور ديزل معمولي تبديل گردد.

انواع سيستم‌هاي احتراق در موتورهاي دوگانه‌سوز:

• به‌طور كلي سه نوع سيستم احتراق در موتورهاي دوگانه‌سوز استفاده مي‌شود:

• موتورهاي دوگانه‌سوز معمولي

• موتورهاي دوگانه‌سوز با آلايندگي NOx

• موتورهاي دوگانه‌سوز با پاشش مستقيم

• موتورهاي دوگانه‌سوز معمولي:

• اين نوع موتورها در ابتدا از نوع مكش طبيعي بودند و گاز به ‌وسيله كاربراتور با هوا تركيب مي‌شد. اما امروزه از توربوشارژر استفاده مي كنند و گاز درون راهگاه ورودي تزريق مي‌شود. فشار تزريق گاز بايد اندكي بالاتر از فشار مكش هوا باشد. بنابراين فشار تقريبي تزريق درحدود bar 5- 3 مي‌باشد.

• براي تبديل يك موتورديزل به دوگانه‌سوز، سيستم تزريق به‌جز اصلاحاتي كه ممكن است روي پمپ انژكتور و شكل نازل‌ها ايجاد شود، احتياج به تغيير خاصي ندارد. با توجه به تركيب گاز مورد استفاده، نسبت تراكم ممكن است پايين‌تر بيايد تا پديده كوبش اتفاق نيفتد. اما اين مقدار نبايد تا حدي باشد كه خاصيت خود اشتعالي گازوئيل بي‌اثر شود. كمترين نسبت تراكم درحدود 11 تا 12 مي‌باشد. حداكثر قدرت خروجي معمولاً 10 تا 20 درصد كمتر از موتور ديزل مشابه مي‌باشد. اين كاهش با خاصيت كوبش سوخت محدود مي‌شود و به عدد متان 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 كاركرد درجا يا حتي كمتر از آن) و توان اضافي مورد نياز با غني كردن مخلوط ورودي (افزايش مقدار گاز) تـأمين مي‌گردد. در اين مرحله كاهش قدرت موتور نيز با رقيق كردن مخلوط ورودي (كاهش مقدار گاز) صورت مي‌گيرد. نهايتاً مخلوط هوا و گاز توسط يك افشانه كاملاً اتميزه شده سوخت ديزل، كه حدود 5 تا 8 درصد سوخت در حالت بار كامل را شامل مي‌شود، مشتعل مي‌گردد.

• با تنظيم سيستم كنترلي حاكم، مي‌توان كاري كرد كه موتور در حالت بار كامل هم به‌صورت يك موتور دوگانه‌سوز كار كند يا اين‌كه فقط سوخت ديزل مصرف كند. همچنين اگر گاز تمام شده باشد مي‌توان موتور را روي سوخت ديزل تنظيم كرد كه در اين‌صورت موتور به يك موتور ديزل كامل تبديل مي‌شود. اين امر بسيار مهم است زيرا در موتورهاي دوگانه‌سوز ممكن است كه مخزن گاز، تخليه گردد و موتور روي سوخت گازوئيل به‌تنهايي به حركت ادامه دهد. موتورهاي دوگانه‌سوز با آلايندگي NOx كم: موتورهاي دوگانه‌سوز با آلايندگي NOx كم، رقيق‌سوز مي‌باشند، در نتيجه در اين موتورها دماي بيشينه احتراق پايين آمده وميزان توليد NOx نسبت به موتورهاي ديزل كاهش مي يابد. مقدار NOx توليد شده بستگي به مقدار گازوئيل پيلوت دارد. دستيابي به NOx خيلي كم نيازمند آن است كه نسبت هم‌ارزي بسيار پايين (درحدود 4/0) باشد. كم شدن نسبت هم‌ارزي به‌معناي نياز بيشتر به انرژي پيلوت (گازوئيل)، براي ايجاد احتراق مناسب و خوداشتعالي است. اما افزايش مصرف سوخت پيلوت (گازوئيل) به مفهوم افزايش NOx مي‌باشد. امروزه بعضي از شركت‌هاي موتورسازي، سيستم‌هايي طراحي كرده‌اند كه طي آن مصرف سوخت پيلوت بسيار كم مي‌باشد. كه باعث كاهش آلاينده NOx شده‌است. براي داشتن يك احتراق كامل و مطمئن، حداقل 5% سوخت گازوئيل در حالت بار كامل به‌عنوان سوخت پيلوت نياز مي‌باشد. اما با بهينه كردن سيستم تزريق سوخت پيلوت، مي‌توان اين ميزان را تا حدود 2% كاهش داد كه اين كار 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 انرژي مناسب دركل محفظه احتراق، آمادگي اشتعال خواهد داشت. موتورهاي دوگانه‌سوز با پاشش مستقيم:

از ديگر سيستم‌هايي كه در آن از گاز طبيعي در موتورهاي ديزل استفاده مي‌شود، موتور دوگانه‌سوز با پاشش مستقيم مي‌باشد كه در آنها گاز و سوخت پيلوت (آتش‌زنه) توام با هم و به‌ طور مستقيم، به ‌داخل سيلندر توسط انژكتور تزريق مي‌شوند. اگرچه مفهوم طراحي اين موتورها ساده مي‌باشد، اما در عمل اين موتورها با مشكلات و پيچيدگي‌هاي خاص خود همراه هستند. اين

•

نوع موتورهاي دوگانه‌سوز به موتور "ديزل- گاز" معروف هستند. براي شروع عمل احتراق، سوخت گازوئيل پيلوت همانند موتورهاي دوگانه‌سوز معمولي به‌ داخل سيلندر تزريق مي‌شود. مقدار سوخت پيلوت تزريق ‌شده لازم در حدود 3 تا 5 درصد مي‌باشد. ميزان NOx توليد شده همانند موتورهاي دوگانه‌سوز مي‌باشد. از آن‌ جا كه احتراق در اين موتورها از نوع پخشي است و نه پيش‌‌آميخته، مشكلاتي مانند كوبش و كنترل نسبت هوا به سوخت در حالت بار جزئي تا حد زيادي خود‌به‌خود مرتفع شده‌است. همچنين راندمان بار جزئي و قدرت (BMEP) حالت تمام بار با تغيير وضعيت موتور از ديزل به دوگانه‌سوز با پاشش مستقيم تا حد زيادي بدون تغيير باقي مي‌ماند و به تغييرات كيفيت گاز حساس نمي‌باشد. شكل زير نحوه پاشش گاز و گازوئيل رابه داخل سيلندر درانتهاي زمان تراكم نشان‌ مي‌دهد: در اين سيستم به دليل تزريق مستقيم گاز به داخل محفظه احتراق، فشار پاشش خيلي بالايي نياز مي باشد (در حدود bar 350-250)كه اين موضوع داراي تبعاتي است، كه برخي از آن‌ها عبارتند از: هزينه كمپرسور مورد نياز براي پاشش سوخت بسيار زياد خواهد شد كه قسمت عمده افزايش قيمت اين‌گونه موتورها از همين امر ناشي مي‌شود. براي به حركت درآوردن اين كمپرسور، چيزي حدود 5% از قدرت موتور صرف مي‌شود. سيستم ايمني لازم براي اين كمپرسور بسيار پرهزينه مي‌باشد. قدرت خروجي و راندمان بيشتر اين موتور باعث بالا رفتن قيمت آن مي‌گردد. براي تزريق گاز و گازوئيل از انژكتور استفاده مي‌شود كه يك نمونه از اين انژكتورها با نازل دوگانه (براي پاشش هم‌ زمان گاز و گازوئيل) در شكل زير نشان داده شده است. نازل مخصوص گازوئيل به ‌گونه‌اي طراحي شده ‌است كه هم مقادير كم سوخت پيلوت را به‌ صورت مناسبي اتميزه كرده و قطرات آن را به اندازه مناسب درمي آورد، هم اين‌ كه براي حالت تمام بار با سوخت ديزل، كارايي مناسب را دارد.

كاربرد و مزاياي موتورهاي دوگانه‌سوز: استفاده از موتورهاي دوگانه‌سوز در بسياري از نقاط دنيا در حال توسعه مي‌باشد. پرهزينه‌ترين و كارآمدترين سيستم‌هاي كنترل كامپيوتري اين موتورها در آمريكاي شمالي و استراليا در حال معرفي است و در اروپا نيز اين سيستم‌ها در حال آزمايش براي ورود به بازار مي‌باشند. ولي استفاده از آنها در ديگر نقاط دنيا مانند آمريكاي لاتين، هند، پاكستان، چين و ديگر قسمت‌هاي آسيا در حال توسعه مي‌باشد و از اين موتورها بيشتر در اتوبوس‌ها و ماشين‌هاي سنگين استفاده مي‌كنند. ولي در موتور خودروهاي ديزلي سواري نيز مي‌توانند كارآيي داشته باشند. در مجموع مزاياي موتورهاي دوگانه‌سوز را مي‌توان به‌ صورت زير خلاصه نمود: توليد دود و ذرات معلق كمتر امكان تغيير وضعيت به حالت ديزل و استفاده از قدرت موتور ديزل عدم نياز به اصلاحات در اجزاي داخلي موتور هزينه كمتر سوخت مصرفي گشتاور بالاتر موتور موتورهاي ديزل اختصاصا گازسوز: براي تبديل خودروهاي ديزلي به خودروهاي گازسوز،علاوه بر دوگانه سوزكردن كه در قسمتهاي قبل توضيح داده شد، مي توان آنها را به خودروهاي اختصاصا گازسوز نيز تبديل كرد. در اين روش بر خلاف روش قبل بايد تغييرات بسيار زيادي را در موتور ايجاد كرد. براي اين كار بايد سيستم سوخت رساني گازوئيل(مخازن، پمپ انژكتور و انژكتورها) را برداشته و به جاي آن سيستم احتراق جرقه اي را به موتور اضافه كرد. اين امر به دليل آن است كه گاز طبيعي، يك سوخت خودسوز نيست و دماي خوداشتعالي آن بالا است. گاز طبيعي با عدد ستان 2 بايد تا دماي oC1000 گرم شود تا خودبه‌خود منفجر شود و اين به معني نسبت تراكم 32 در سيكل ديزل است كه عملاً امكان‌پذير نيست. همچنين براي جلوگيري از پديده كوبش با تراشكاري سرسيلندر و پيستونها، بايد نسبت تراكم را تا حدود 14 كاهش داد. موتورهاي تبديل يافته به اين روش نسبت به موتورهاي ديزلي منحني گشتاور مناسبتري را ايجاد مي كنند. چون در طراحي موتورهاي ديزلي، براي ايجاد احتراقي كاملتر ومحدود نمودن ميزان انتشار دود، هميشه 25 درصد هواي اضافي در نظرگرفته مي شود، در حالي كه هنگام استفاده از سوخت گاز در گازهاي خروجي هيچ دودي وجود ندارد، و از نظر تئوري هميشه 25 درصد هواي اضافي وجود دارد، كه اين امر باعث توليد ميزان گشتاور بيشتري مي شود. در عمل به اين ميزان گشتاور نمي توان رسيد، لكن انعطاف پذيري در شكل منحني گشتاور وجود دارد. از معايب اين موتورها مي توان به كاهش توان خروجي به علت كاهش نسبت تراكم وهمچنين افزايش مصرف ويژه سوخت نسبت به موتورهاي ديزل اشاره كرد.البته با تنظيم مناسب آوانس جرقه(MBT) و استفاده از انژكتور براي پاشش گاز به درون سيلندر مي توان ميزان كاهش توان را تا حدودي بهبود بخشيد. 3) موتورهاي دوسوخته (Bifuel): خودروهاي دوسوخته، به آن دسته از خودروهايي اطلاق مي‌شود كه با استفاده از كيت تبديل، از بنزين‌سوز به گازسوز تبديل شده‌اند. در واقع طراحي اوليه اين خودروها برمبناي سوخت بنزين بوده است. نحوه عملكرد اين خودروها بدين گونه است كه با استفاده از كيت گازسوز مي‌توان به هنگام نياز، سوخت را از بنزين به گاز تغيير داد. چون در اين موتورها از دو نوع سوخت (بنزين يا گاز) استفاده مي‌شود به اين موتورها دو‌سوخته مي‌گويند. اين مسأله كه اين موتورها براي كار با گاز طراحي نشده‌اند، بزرگترين مشكل آنها مي‌باشد. زيرا در احتراق آنها مشخصات يك موتور گازسوز ديده نشده‌ است و لذا به‌ هنگام كار با سوخت گاز معمولاً بين 8 تا 20 درصد افت توان به‌ وجود مي‌آيد.آموزش مكانيك خودرو اصلي‌ترين دليل اين امر، حجم حدود 10 درصد از هواي ورودي است كه به ‌وسيله گاز اشغال مي‌شود. بعلاوه اثر تبخير سوخت كه باعث كاهش دماي ورودي و افزايش چگالي مي‌شود، در سوخت گازي وجود ندارد. موارد ديگري مانند زمان‌بندي جرقه و سوپاپ‌ها، طراحي منيفولد و طراحي محفظه احتراق، از جمله مسائلي مي‌باشند كه در هنگام تغيير نوع سوخت از بنزين به گاز باعث كاهش راندمان مي‌شوند.

گرداوري : مهندس سيد محسن حصيرباف