با افزایش قیمت سوختهای فسیلی، رشد تقاضای جهانی برای انرژی و تشدید نگرانیهای زیستمحیطی، استفاده از سوختهای جایگزین در صنعت حملونقل به یکی از مهمترین راهکارهای کاهش هزینهها و آلودگی هوا تبدیل شده است.
در میان انواع سوختهای جایگزین گاز طبیعی فشرده جایگاه ویژه ای دارد. این سوخت به دلیل فراوانی منابع گاز طبیعی و قیمت مناسب و همچنین ایمنی قابل قبول در بسیاری از کشور های جهان به ویژه ایران مورد استفاده قرار میگیرد
ایران با برخورداری از یکی از بزرگترین ذخایر گاز طبیعی جهان، از پیشگامان توسعه ناوگان حملونقل گازسوز محسوب میشود. طی دو دهه گذشته میلیونها CNGخودروی دوگانهسوز در کشور تولید یا تبدیل شدهاند و هزاران جایگاه عرضه نیز به بهرهبرداری رسیده است. این توسعه علاوه بر کاهش مصرف بنزین، موجب کاهش وابستگی به واردات سوخت، کاهش هزینههای حملونقل و بهبود کیفیت هوا شده است
در این مقاله به بررسی علمی و تخصصی گاز و ساختار سیستم سوخت رسانی و اجزای تشکیل دهنده و مزایای و معایب و استاندارد های ایمنی و اصول نگهداری و تفاوت آن با سایر سوختهای گازی خواهیم پرداخت
CNG چیست؟
CNG مخفف عبارت Compressed Natural Gas به معنای گاز طبیعی فشرده است. این سوخت در اصل همان گاز طبیعی مصرفی در شبکه شهری است که پس از حذف ناخالصیها و رطوبت، تا فشار بسیار بالا (معمولاً حدود ۲۰۰ تا ۲۵۰ بار) متراکم شده و در مخازن مخصوص خودرو ذخیره میشود.
برخلاف تصور برخی افراد، CNG یک گاز جدید یا ترکیب شیمیایی متفاوت نیست، بلکه همان گاز طبیعی است که تنها فشار آن افزایش یافته تا حجم کمتری اشغال کند و امکان ذخیرهسازی در خودرو فراهم شود.
ترکیب اصلی CNG را متان (CH₄) تشکیل میدهد و معمولاً بین ۸۵ تا ۹۸ درصد حجم آن متان است. مقادیر کمی اتان، پروپان، نیتروژن و دیاکسیدکربن نیز ممکن است در آن وجود داشته باشد که بسته به منبع استخراج و فرآیند پالایش متفاوت است.
ترکیب شیمیایی گاز CNG
گاز طبیعی عمدتاً از متان تشکیل شده است که سادهترین هیدروکربن اشباع محسوب میشود. فرمول شیمیایی متان CH₄ است؛ یعنی هر مولکول از یک اتم کربن و چهار اتم هیدروژن تشکیل شده است.
همین نسبت بالای هیدروژن به کربن سبب میشود در فرآیند احتراق، مقدار دیاکسیدکربن و ذرات آلاینده کمتری نسبت به بنزین یا گازوئیل تولید شود. همچنین متان دارای عدد اکتان بسیار بالایی است (حدود ۱۲۰ تا ۱۳۰)، که آن را در برابر احتراق خودبهخودی یا ناک مقاوم میکند.
تاریخچه استفاده از CNG
استفاده از گاز طبیعی بهعنوان سوخت خودرو سابقهای نزدیک به یک قرن دارد. نخستین خودروهای گازسوز در دهه ۱۹۳۰ در ایتالیا و برخی کشورهای اروپایی مورد استفاده قرار گرفتند. در دوران جنگ جهانی دوم، کمبود بنزین باعث شد استفاده از گاز طبیعی و گازهای قابل احتراق دیگر افزایش یابد.
از دهه ۱۹۸۰ با توسعه فناوری مخازن تحت فشار، شیرهای ایمنی و سامانههای الکترونیکی کنترل سوخت، استفاده از CNG در خودروها گسترش چشمگیری پیدا کرد. امروزه کشورهای ایران، پاکستان، هند، آرژانتین، برزیل و چین از بزرگترین مصرفکنندگان این سوخت هستند.
ویژگیهای فیزیکی و شیمیایی CNG
شناخت ویژگیهای فیزیکی و شیمیایی گاز طبیعی فشرده برای طراحی و بهرهبرداری ایمن از سامانههای سوخترسانی ضروری است
رنگ و بو: گاز طبیعی خالص بیرنگ و بیبو است. برای تشخیص نشت، در شبکه توزیع به آن مواد بودارکننده مانند مرکاپتان افزوده میشود
چگالی: چگالی متان کمتر از هوا است؛ بنابراین در صورت نشت، گاز به سمت بالا حرکت کرده و در فضای باز سریعتر پراکنده میشود. این ویژگی از نظر ایمنی یک مزیت مهم نسبت به گاز مایع (ال پی جی) محسوب میشود که از هوا سنگین تر است
عدد اکتان: عدد اکتان CNG.
عدد اکتان : عدد اکتان گاز سی ان جی حدود 120 تا 130 است. در حالی که بنزین معمولی عدد اکتانی حدود 87 تا 95 دارد. عدد اکتان بالاتر به معنای مقاومت بیشتر در برابر پدیده ناک و احتراق زودرس است.
دمای خوداشتعالی: دمای خوداشتعالی متان حدود ۵۴۰ درجه سانتیگراد است که نسبت به بنزین بالاتر است و احتمال اشتعال ناخواسته را کاهش میدهد.
تفاوت CNG، LPG و LNG
یکی از اشتباهات رایج، یکسان دانستن این سه سوخت است، در حالی که تفاوتهای اساسی با یکدیگر دارند.
CNG گاز طبیعی فشرده است که عمدتاً از متان تشکیل شده و در فشار بالا ذخیره میشود.
LPG یا گاز مایع، عمدتاً از پروپان و بوتان تشکیل شده و تحت فشار کمتر به حالت مایع درمیآید. این سوخت چگالی بیشتری نسبت به هوا دارد و در صورت نشت، در سطح زمین تجمع پیدا میکند
یا گاز طبیعی مایع، همان متان است که در دمای حدود منفی ۱۶۲ LNGدرجه سانتیگراد به حالت مایع تبدیل میشود. این سوخت بیشتر در حملونقل دریایی و خودروهای سنگین کاربرد دارد.
سیستم سوخت رسانی CNG چگونه کار میکند ؟
وظیفه ذخیره و کاهش فشار و کنترل و تزریق گاز CNGسیستم سوخترسانی به موتور را بر عهده دارد.این سامانه به گونه ای طراحی شده است که گاز با فشار بسیار بالا را به فشار مناسب برای احتراق در موتور تبدیل کند
- فرآیند عملکرد به صورت زیر است
- گاز با فشار حدود ۲۰۰ بار در مخزن ذخیره میشود
- پس از باز شدن شیر اصلی، گاز وارد لولههای فشارقوی میشود
- رگولاتور فشار گاز را در چند مرحله کاهش میدهد
- ECU گازسوز مقدار سوخت مورد نیاز را بر اساس اطلاعات حسگرها محاسبه میکند
- انژکتورهای گاز، سوخت را به مانیفولد ورودی یا مستقیماً به موتور تزریق میکنند
- مخلوط هوا و گاز در سیلندر متراکم شده و توسط شمع مشتعل میشود
- انرژی حاصل از احتراق، پیستون را به حرکت درمیآورد و توان تولید میشود
اجزای اصلی سیستم CNG
CNGمخزن
مخزن مهمترین بخش سیستم است و وظیفه ذخیره گاز با فشار بسیار بالا را بر عهده دارد. این مخازن از فولاد آلیاژی یا مواد کامپوزیتی ساخته میشوند و تحت آزمونهای سختگیرانه فشار، ضربه، آتش و خستگی قرار میگیرند
شیر مخزن
بر روی مخزن، شیری چندمنظوره نصب میشود که شامل شیر قطعکن، شیر اطمینان، سوپاپ تخلیه اضطراری و تجهیزات ایمنی است. این مجموعه در شرایط افزایش بیش از حد فشار یا دما از آسیب به مخزن جلوگیری میکند
لولههای فشارقوی
این لولهها گاز را از مخزن به رگولاتور منتقل میکنند و باید توان تحمل فشارهای بالا، خوردگی و ارتعاشات خودرو را داشته باشند
رگولاتور یا فشارشکن
رگولاتور یکی از مهمترین قطعات سیستم است. این قطعه فشار گاز را از حدود ۲۰۰ بار به چند بار کاهش میدهد تا امکان تزریق ایمن به موتور فراهم شود. بسیاری از رگولاتورها با استفاده از آب سیستم خنککننده موتور گرم میشوند تا از یخزدگی ناشی از افت فشار جلوگیری شود
انژکتورهای گاز
در خودروهای نسل جدید، گاز توسط انژکتورهای الکترونیکی با دقت بالا تزریق میشود. ECU بر اساس دور موتور، بار موتور، موقعیت دریچه گاز و اطلاعات حسگر اکسیژن، زمان و مقدار تزریق را کنترل میکند
گازسوز ECU
است. این واحد با دریافتCNG مغز سیستم ECUواحد کنترل الکترونیکی یا اطلاعات از حسگرهای مختلف بهترین نسبت هوا به سوخت را تنظیم میکند تا مصرف سوخت توان موتور و آلایندگی در شرایط مطلوب قرار گیرد.
انواع سیستمهای CNG
سیستمهای گازسوز طی سالهای گذشته پیشرفت قابل توجهی داشتهاند و امروزه در نسلهای مختلفی عرضه میشوند
نسل اول: مناسب موتورهای کاربراتوری
نسل دوم: دارای کنترل الکترونیکی محدود
نسل سوم: تزریق نیمهپیوسته
نسل چهارم: تزریق چندنقطهای (Sequential Injection)
و هماهنگی کامل با ECUنسل پنجم و ششم :تزریق پیشرفته با کنترل دقیق
سیستم مدیریت موتور .
هرچه نسل سیستم جدیدتر باشد، دقت تزریق، راندمان احتراق، توان موتور و کاهش آلایندگی بهتر خواهد بود
CNGمزایای استفاده از
مزایای متعددی دارد که مهم ترین آنها عبارتند از:CNGاستفاده از
- کاهش هزینه سوخت نسبت به بنزین
- و ذرات معلقHC CO آلایندگی کمتر و کاهش انتشار
- عدد اکتان بالا و کاهش احتمال ناک
- احتراق تمیزتر و تشکیل رسوبات کمتر در موتور
- افزایش عمر روغن موتور به دلیل آلودگی کمتر
- کاهش وابستگی به سوختهای مایع
- استفاده از منابع گسترده گاز طبیعی در کشور
جمعبندی
یکی از مهمترین سوختهای جایگزین در صنعت حملCNGگاز طبیعی فشرده یا
و نقل است که به دلیل قیمت مناسب آلایندگی کمتر و فراوانی منابع نقش مهمی در کاهش مصرف بنزین و توسعه حمل و نقل پاک ایفا میکند
شناخت ساختار این سوخت ویژگی های شیمیایی اجزای سیستم سوخت رسانی و نحوه عملکرد آن نخستین گام برای استفاده صحیح و ایمن از خودروهای گاز سوز است.