cng قسمت اول  

 

مقدمه

گاز طبیعی سوخت بسیار مناسبی برای استفاده در خودروها می باشد .  مشخصه های آلایندگی و احتراق آن در مقایسه با سایر سوختها بهتر است به دلیل تفاوت خواص گازطبیعی با سوختهای دیزلی و بنزینی هیچ کدام از موتورهای دیزلی و بنزینی بدون انجام تغییراتی قابلیت استفاده از گاز طبیعی را ندارند .

گاز طبیعی برای استفاده در موتورهای دیزلی دارای عدد ستان بسیار بالایی بوده لذا اگر چنین موتوری بر اساس سیستم SPARK IGNITION برای سوخت CNG  استفاده شود نسبت تراکم(CR) آن بالا بوده و با KNOCK  بالایی همراه خواهد بود بر عکس به هنگام استفاده در موتورهای بنزینی به دلیل پایین بودن نسبت تراکم آن بر روی مشخصه های عملکردی موتور اثر منفی دارد 

 

معرفی 4 نسل از خودروها

1- خودروهای کاربراتوری با سیستم کنترل مکانیکی(وجود پلاتین در سیستم دلکو)

2- خودروهای کاربراتوری با دلکوی مگنتی

3- خودروهای انژکتوری COTINUIS

4- خودروهای انژکتوری SEQUENTIAL,SEMISEQUENTIAL

 

سیکل اتو

بازده تئوری سیکل اتو به پارامترهای مختلفی بستگی دارد یکی از مهمترین آنها نسبت تراکم (CR) می باشد به طوریکه با افزایش نسبت تراکم بازده تئوری سیکل نیز افزایش می یابد نسبت تراکم موتورهای بنزینی در محدوده 5/9-5/8 می باشد و برای گاز طبیعی این عدد در محدوده 15 می باشد که این اعداد بر اساس شرایط کارکرد موتور و ترکیب سوخت متغیر می باشد

 

صنعت تبدیل 

علیرغم مشکلات مطرح شده رشد صنعت تبدیل ، موتورهای بنزینی و دیزلی را برای استفاده از گاز طبیعی مناسب ساخته است .

مشکلات موجود در تبدیل با اعمال یک سری تغییرات در موتور BASE  امکان استفاده از سوخت CNG را برای چنین موتورهایی فراهم می کند

مثلا در موتور های دیزلی برای تبدیل به صرف استفاده از CNG با انجام عملیات ماشین کاری نسبت به کم کردن نسبت تراکم می توان اقدام نمود .

با وجود آنکه تغییرات صورت گرفته بر روی موتور خودروها کاملا با سوخت CNG هماهنگ نشده ولی برنامه تبدیل بر روی میلیونها خودرو در سطح جهان به صورت کاملا موفقیت آمیز و ایمن صورت گرفته و سوخت CNG را در سطح وسیعی جهت تبدیل OEMمطرح کرده است .

 

بازده گرمایی موتور

به لحاظ تئوری با افزایش نسبت تراکم بازده گرمایی موتور افزایش می یابد در عمل به دلیل وجود نیروی اصطکاک ماکزیمم بازده گرمایی در شرایطی که نسبت تراکم در محدوده 18-15 می باشد رخ می دهد.

از آنجا که گاز طبیعی دارای عدد اکتان بالایی می باشد مقاومت در برابر KNOCK در آن بالا است و می تواند با نسبت تراکمی که به OPTIMUM نزدیک است کار کند اما در سوخت بنزین به دلیل محدودیت KNOCK نمی تواند با هر نسبت تراکمی بیشترین راندمان را بدهد و محدوده نسبت تراکم آن می بایستی در بازه 10-8 باشد .

نسبت تراکم در موتورهای دیزل بازده حرارتی بالایی را بدست می آورد این بازده عموما    می تواند با سیکل اتویی که در حالت تمام بار با سوخت گاز کار می کند هماهنگ گردد در این حالت به دلیل کم شدن و محدود شدن KNOCK  نسبت تراکم به میزان OPTIMUM  نزدیک شده و در شراط با بار کمتر سیستم کنترل دریچه گاز باعث کم شدن نسبت تراکم شده و این یک امتیاز در موتورهای دیزل محسوب می شود .

افزایش درجه حرارت ورودی به علت تغییر شرایط محیطی و یا وجود توربو شارژ تمایل به افزایش KNOCK  را بالا می برد که لازم است سیستمی روی خودرو نصب گردد که در این شرایط جرقه را ریتارد نموده تا باعث صدمه زدن به موتور و بروز مشکلات دیگر نشود.

 

نسبت هوا به سوخت

یکی از پارامترهای مهم در طراحی موتور نسبت هوا به سوخت ورودی به محفظه احتراق   می باشد که عموماً با اعداد بدون بعد بیان می شود .حالت بهینه آن عدد یک می باشد که نسبت هوا به سوخت واقعی برابر میزان استوکیومتریک می باشد زمانی که این مقدار از یک بیشتر شود مخلوط رقیق (LEAN) می باشد مثلا مقدار 15/1 بدان مفهوم است که میزان هوای ورودی 15 درصد بیشتر است و زمانی که این مقدار از یک کمتر است مخلوط غنی (RICH) می باشد .

بهترین مقدار به هنگام نصب بودن کاتالیست عددی بین 1-98/0 می باشد در حالتی که مخلوط غنی می باشد e.g=0/98 ماکزیمم توان موتور بدست می آید اگر مخلوط از این میزان بیشتر غنی شود سبب کاهش توان خروجی و کاهش بازده حرارتی می شود .و اگردر این شرایط مخلوط رقیق گردد سبب افت تدریجی توان شده ولی راندمان حرارتی تا زمان شروع احتراق ناقص افزایش می یابد .

با رقیق کردن مخلوط درجه حرارت محفظه احتراق پایین آمده و میزان NOX  کاهش   می یابد

 

 

CNG قسمت دوم

ترکیبات مختلف گاز طبیعی و اثر آن بر روی نسبت هوا به سوخت

 

نمودار نسبت هوا به سوخت در مقایسه با آلاینده ها

 

کنترل توان خروجی

در موتور های دیزلی توان خروجی موتور با تغییر در میزان مخلوط (غنی یا رقیق بودن ) صورت می گیرد این کار در موتورهای با سیکل اتو از سیستم دریچه جهت کنترل هوای ورودی استفاده می شود بستن دریچه مذکور باعث افت توان خروجی شده و این عمل با رقیق کردن مخلوط همراه است .

موتور استوکیومتریک حالتی است که e.g=1 باشد با نصب کاتالیست و سنسور اکسیژن بر روی مانیفولد خروجی می توان نسبت هوا به سوخت را کنترل نمود و به حالت استوکیومتریک نزدیک شد

افزایش نسبت هوا به سوخت یعنی حالت (LEAN) موجب کاهش NOX می شود و درجه حرارت موتور با افزایش هوای ورودی کاهش می یابد اگر چه میزان NOX کاهش می یابد ولی اگر لامبدا از 4/1 بالاتر رود مقدار هیدروکربنها بیشتر می شود

 

قابلیت تراکم سوخت CNG

تغییر در مواد تشکیل دهنده گاز بر روی قابلیت تراکم موثر است چرا که گاز متان بالاترین قابلیت تراکم را دارد مواد دیگر نظیر بوتان و پروپان دارای مقادیر پایین تر از لحاظ قابلیت تراکم می باشند

تمامی مواد ذکر شده حتی در فشارهای بالاتر و درجه حرارتهای پایین تر نیز به نقطه میعان نمی رسند که این امر به صورت غیر مستقیم بر روی حد ماکزیمم آن در مخلوط موثر است

 

اثر ترکیبات گاز بر روی عملکرد موتور

ترکیبات گاز طبیعی بسته به مکان استخراج آن متفاوت می باشد ارتباط مستقیمی بین خواص گاز و عملکرد موتور وجود دارد مثلا مواردی نظیر KNOCK, EMISSION بسته به محل استخراج گاز متفاوت است

با وجود ادامه عملیات بهبود در خطوط گاز ولی استانداردهابرای سازندگان اتومبیل چندان امیدبخش نیست این بدان معنی است که بهبود در پیشرفت سیستمهای کنترل سوخت جهت ثابت کردن این تغییرات در ترکیبات سوخت مورد نیاز است .

اطلاعات جزیی در خصوص خواص گاز طبیعی که عملاً در خودروهای گاز سوز استفاده می شود در گزارش IGU/IANGV سال 1995 عنوان شده استاطلاعات عنوان شده در این بخش خلاصه گزارش فوق می باشد.

میزان آلاینده های خروجی و همچنین عملکرد موتور بستگی به مواردی نظیر احتراق خوب، نسبت احتراق بهینه،مقاومت کافی در مقابل ضربه و تولید انرژی کافی برای مخلوط سوخت و هوا می باشد.

خواص گاز که در زیر عنوان می شود ارتباط مستقیم با عملکرد موتور دارد .

1-دانسیته گاز                                                       2- ارزش حرارتی                                                     3- نسبت هوا به سوخت استوکیومتریک               4- مقاومت در برابر ضربه

 

ترکیبات شیمیایی بنزین

 

ترکیب شیمیایی CNG

چگالی انرژی CNGوبنزین و سایر سوختها

 

چگالی انرژی CNGوبنزین و سایر سوختها

بنزین= 83/3 مگا ژول بر کیلوگرم

CNGA(99/0 متان +پروپان+گازهای بی اثر)=40/3

CNG B(84% متان+8% پروپان+5% اتان+3% گازهای بی اثر)=32/3

CNG C(84%متان+15%پروپان+1%اتان)=45/3

 

مقایسه آلایندگی گازهای گلخانه ای سوختهای CNG و بنزین

گاز متان جزو گازهای گلخانهای قوی محسوب میشود به طوریکه 28 بار از گاز دی اکسید کربن قوی تر است ولی آلودگی گازهای گلخانه ای ناشی از گاز متان در موتور های مدرن امروزی که با گاز طبیعی کار می کنند بسیار پایین تر می باشد.

مثال از یک خودروی تاکسی با سوخت CNG

 

استانداردهای EURO1,2,3,4

محدودیتهای عنوان شده در خصوص آلاینده ها برای سوختهای بنزین و گاز یکسان می باشد

 

مشخصات احتراق سوختهای CNGو بنزین

سرعت شعله در سوخت CNGبه میزان 10 درصد پایین تر است

قابلیت اشتعال         CNG     15-10 درصد

                             بنزین     6/7-1 درصد

نسبت هوا به سوخت استوکیومتریک  گاز طبیعی 2/17-7/15

نسبت هوا به سوخت استوکیومتریک بنزین       7/14-5/14

CNG  در شرایط معمولی به صورت گاز بوده فقط در درجه حرارت زیر 200- سانتیگراد به صورت مایع می باشد.

قابلیت انتشار گاز CNG در هوا 2/0 سانتیمتر مربع بر ثانیه

ترکیب سوخت و هوا در حالت گازی شکل بهتر صورت می گیرد .

 

 

مشخصات احتراق سوختهای CNGو بنزین

سوخت CNGدر فشار بالا (بالای 200بار) در مخازن فلزی یا کامپوزیتی ذخیره می شود ولی سوخت بنزین در فشار محدود نگهداری می شود لذا در تصادفات و ضربات ناشی از آن مخازن CNG دارای ایمنی بالاتری می باشد

سوخت CNGقابلیت اشتعال بالاتری دارد بنابراین با قدرت بیشتری با هوا ترکیب و مشتعل می گرددولی انرژی حاصل از احتراق آن با بنزین مشابه است و چندان تفاوتی نمیکند .

CNGاز هوا سبکتر می باشد بنابراین هنگامی که نشتی رخ می دهد به سرعت از خودرو خارج می شود

در مخازن CNG یک قطعه زودگداز وجود دارد که در تصادفاتی که منجر به آتش سوزی می شود موجب افزایش ایمنی می گردد.

 

شمع و احتراق

زمان احتراق و جرقه زدن شمع بر روی عملکرد موتور و همچنین گازهای خروجی موتور موثر می باشد . شمع موتور بر خلاف ظاهر ساده از لحاظ فنی قطعه بسیار مهمی می باشد . انتخاب نوع شمع پارامتر مهمی می باشد . شمعها در یک تقسیم بندی به دو نوع سرد و گرم تقسیم می شوند .

شمعهای گرم مانع ایجاد رسوب بر روی دهانه شمع شده و میزان ضربه را نیز دمپ می کند .

در گاز طبیعی به دلیل خواصی که دارد اولا رسوبات کمتری بر روی شمع ایجاد می کند ثانیا میزان ضربه نیز پایین تر بوده و میزان گرمانیز کمتر است لذا از شمع های سرد استفاده می شود به دلیل مقاومت بالا در برابر ضربه می توان در نسبت تراکم شرایط مطلوب  را ایجاد نمود لذا زمان جرقه را آوانس می کنند

قسمت چهارم

 

KNOCK

آوانس نمودن زمان جرقه راه حلی جهت کاهش NOX می باشد ولی هر چه زمان جرقه بیشتر آوانس گردد امکان تولید KNOCKبالا خواهد رفت .و با افزایش KNOCK پیک فشار نیز بالا می رود . در ضمن با افزایش میزان آوانس جرقه درجه حرارت گاز پایین می آید.

 

آلاینده های بی خطر

گازهای خروجی از موتور خودرو به قرار زیر است :

1) گاز نیتروژن : 77% هوا شامل گاز نیتروژن بوده و بیشترین مقدار خروجی از موتور خودرو را شامل می شود

2) دی اکسید کربن: یکی از محصولات احتراق بوده به صورتی که کربن موجود در سوخت با اکسیژن هوا ترکیب شده و گاز CO2  تولید می کند .

3) بخار آب : یکی دیگر از محصولات احتراق بوده که در اثر ترکیب هیدروژن موجود در سوخت با اکسیژن هوا حاصل می شود .

گازهای خروجی فوق عموماً بی خطر می باشند (اگر چه گاز دی اکسید کربن به عنوان گاز گلخانه ای سبب گرم شدن هوا می شود )

 

سایر آلاینده ها

فرآیند احتراق همواره به صورت کامل انجام نمی شود بعضی گازهای خروجی از موتور خودرو اگر چه به نسبت مقدار کمتری را شامل می شود ولی بسیار مضر و خطرناک می باشند و محدودیتهای عنوان شده برای آلاینده ها اصولاً برای چنین خروجی هایی می باشد.

مونواکسید کربن : گاز سمی بی رنگ و بی بو می باشد

هیدروکربنها(ترکیبات آلی فرار) : VOCs که از احتراق ناقص سوخت ایجاد شده که بر اثر تابش مستقیم نور خورشید اکسید شده و با اکسیدهای نیتروژن واکنش نشان می دهد و باعث مشکلاتی برای لایه ازن می گردد و عامل اصلی تشکیل مه و دود می باشد

اکسیدهای نیتروژن :(NO,NO2و ترکیباتی از آن که NOX نامیده می شود )که موجب تولید دود و باران اسیدی می شود و همچنین موجب ایجاد امراض و ناراحتی های مزمن می گردد.

 

کاتالیست کانورتور

کاتالیست کانورتور و سنسورهای اکسیژن مهمترین اجزای سیستم خروجی (اگزوز) می باشند که باعث کاهش گازهای آلاینده خروجی می شود .سنسورهای اکسیژن نسبت هوا به سوخت را حس کرده و اطلاعات رابه مدیریت موتور (ECU) ارسال می کنند

گاز طبیعی پتانسیل بالایی جهت کاهش آلاینده های NOX,HC,COداردحتی میزان CO2نیز تا حدودی کاهش می یابد(گاز دی اکسید کربن اگر چه سمی نیست اما جزو گازهای گلخانه ای محسوب می گردد)

 

اثرات گاز طبیعی CNG بر روی سیت سوپاپ

به هنگام استفاده از سوخت CNG پوشش سیت سوپاپ می بایستی تغییر کند و از مواد با کیفیت بهتر استفاده شود چرا که این پدیده با تشکیل رسوب مرتبط است .

سوختهای بنزین بدون سرب و گاز طبیعی در درجه حرارت بالای موتور یک لایه چسپنده بر روی سطح سیت سوپاپ ایجاد می کنند این پدیده با استفاده از مواد مناسب بر روی سیت سوپاپ قابل رفع کردن است برای این امر در سیت سوپاپ می بایستی از مواد با سختی بالا و غیر قابل جوش نظیر کاربید استفاده نمود

مواد دیگری نظیر نیکل با پایه اتونیت، تنگستن سنتر شده نمونه های دیگری از این مواد جهت کاهش یا حذف چسپندگی بر روی سیت سوپاپ می باشند .

 

شير سوخ تگيري

اين شير يك طرفه در ورودي مسير سيستم قرار دارد، كه نازل پمپ گاز به آن وصل گرديده و از طريق آن سوخ تگيري انجام مي شود.

دقت نمائيد كه پس از انجام سوختگيري به جهت جلوگيري از ورود گرد و غبار به شير مذكور دهانه آن را با درپوش، بپوشانيد. در پوشهاي مختلفي از نوع پيچي يا پلاستيكي وجود دارد.