شیوه کار خودرو های با سوخت گاز طبیعی

طراحی، پیش برد و بازاریابی خودروهای سبز (سازگار با محیط زیست) چندان کار ساده ای نیست. بهترین شاهد این مدعا این است که همچنان خودروهای بنزینی بر جاده ها فرمانروایی می کنند وسوخت های فسیلی تقریبا ۷۵ درصد از مصرف انرژی جهان را تشکیل می دهند.همزمان با بالا رفتن قیمت بنزین و نگرانی درباره اثرات زیان بار آن، خودروهای دو گانه سوز اهمیت ویژه ای می یابند. یک خودرو گاز سوز یا NGV نمونه ای کامل از یک خودرو دوگانه سوز است. بهره وری سوخت، سازگاری با محیط زیست و هزینه اشتراک به نسبت کمتر، از مزایای این خودرو هاست. این مقاله به تشریح اصول کلی NGV(Natural-gas Vehicles) ها می پردازد و با نگاهی به ادعا های بی نظیر در طراحی آنها، مزایای این تکنولوژی را بررسی می کند.
● کشف گاز طبیعی:
بعضی از محققان معتقدند، مردم خاورمیانه بین ۶۰۰۰ تا ۲۰۰۰ سال قبل از میلاد گاز طبیعی را کشف کرده بودند. آنها دیده بودند که وقتی صاعقه به منافذ خروجی گاز طبیعی از زمین برخورد می کند، گاز شعله ور می شود. در حدود ۲۱۱ سال قبل از میلاد چینی ها از سوزاندن گاز طبیعی برای خشک کردن سنگهای نمک موجود در سنگ آهک استفاده می کردند. آنها همچنین اولین چاههای گاز طبیعی را با دیرک هایی از جنس بامبو (خیزران) و با امکانات اولیه ساختند. البته فقط می توانستند تا عمق ۵۰۰ فوت حفاری کنند. واژه گاز کلمه ای مبهم است چرا که مواد با حالتی مشابه ولی خواصی متفاوت را در بر می گیرد. به طور مثال گازی که به عنوان سوخت در خودرو مورد استفاده قرار می گیرد یکی از مشتقات نفت خام است.
نفت خام ماده ای سیاه و چسبناک و ترکیبی چند جزئی است که در زیر زمین، بر اثر تجزیه بدن جانوران دریایی باستان و در سالیان دراز تشکیل می شود. گاز طبیعی هم از ترکیبات موجودات زنده در باستان به وجود می آید ولی به طور طبیعی به جای حالت مایع،،شکل گازی به خود میگیرد و معمولا همراه نفت خام خارج می شود.گاز طبیعی هم از گیاهان زمین و هم از مواد آلی بدن جانوران آبزی به وجود آمده است و روی سطح ذخایر نفتی و یا زیر آن قرار می گیرد. معمولا به علت فشار بالای موجود در مخازن، گاز در نفت خام حل می شود. البته مخازن گاز طبیعی که فقط شامل گاز بوده و نفت خام ندارند نیز وجود دارد. ترکیبات پایه گاز طبیعی متان و چند هیدروکربن گازی دیگر است.هیدرو کربن ها ترکیباتی آلی هستند که فقط از دو عنصر کربن و هیدروژن تشکیل شده اند. هیدرو کربن های موجود در گاز طبیعی جزو هیدرو کربن های سیر شده هستند چرا که در آن ها، اتم ها با پیوند یگانه به یکدیگر متصل شده اند. همانطور که در نمودار مشاهده می شود، متان ساده ترین هیدرو کربن سیر شده است. همانند بنزین، گاز طبیعی نیز قابل اشتعال است. یعنی می تواند همچون بنزین، در یک موتور احتراقی به کار رود. اما تا دهه ۱۹۳۰ از خودرو هایی که بتوانند از گاز طبیعی به عنوان سوخت استفاده کنند، خبری نبود. ما گاز طبیعی انباشته شده در مخازن زیر زمین را با حفاری به سطح خاک منتقل می کنیم. یک چاه مدرن که به مته های نوک الماسه مجهز شده باشد، توانایی حفاری تا عمق حدود ۷۶۰۰ متر را دارا است.
● عملیات استخراج و پالایش:
بیشتر چاههای جدید، همزمان نفت خام و گاز طبیعی استخراج می کنند.بعضی از گاز طبیعی بدون نیاز به عملیات پالایش قابل استفاده اند. اما در بیشتر موارد گاز طبیعی به عملیات پالایش احتیاج دارد. در این عملیات انواع هیدرو کربنها و مواد سیال از گاز طبیعی« مرطوب» تفکیک می شوند تا گاز طبیعی «خشک» به دست آید.گاز طبیعی خشک، متان خالص است که در بسیاری از موارد از جمله خودروهای گازسوز به کار گرفته می شود. در تمام طول قرن نوزدهم استفاده از گاز طبیعی به کاربری های محلی محدود شده بود. چرا که راهی برای انتقال حجم عظیم گاز در مسیر های طولانی وجود نداشت. در سال ۱۸۹۰ با اختراع اتصالات متراکم خط لوله، امکان انتقال گاز به مایل ها دورتر از منبع به وجود آمد. پیشرفت هایی که در دو دهه بعد در صنعت لوله کشی به وجود آمد، انتقال گاز در مسافت های بسیار طولانی را میسر کرد. از سال ۱۹۲۷ تا۱۹۳۱ در آمریکا بیش از ۱۰شبکه بزرگ انتقال گاز ساخته شد و به این ترتیب گاز طبیعی به عنوان یکی از منابع انرژی پر کاربرد شناخته شد. کمبود نفت در اواخر دهه ۱۹۶۰ و اوایل ،۱۹۷۰ باعث افزایش رغبت نسبت به استفاده از گاز به عنوان یک منبع سوخت به خصوص برای اتومبیل ها شد. در قسمت بعدی ما در مورد چگونگی طراحی خودروهای گاز سوز بحث خواهیم کرد.
● بیو گاز:
گازطبیعی تنها منبع متان نیست. متان همچنین می تواند از تخمیر مواد آلی همچون کود کشاورزی، در محیطی با اکسیژن کم به دست آید. در این شرایط، باکتریها مواد مغذی موجود در کود را به عنوان غذا استفاده کرده و متان و کربن دی اکسد به عنوان پسماند تولید می شود. این نوع متان که یک بیو گاز نامیده می شود، می تواند به عنوان سوخت به کار رود.
● طراحی خودرو های گازسوز:
اصول کلی خودرو های گاز سوز همان قواعد خودروهای بنزینی است. به عبارت دیگر سوخت (در اینجا گاز طبیعی) با هوا در یک موتور چهار زمانه مخلوط شده و با جرقه شمع مشتعل می شود تا پیستون را به بالا و پایین حرکت دهد. هر چند تفاوت هایی بین بنزین و گاز از نظر اشتعال پذیری و دمای احتراق وجود دارد ، ولی اساس طرز کار خودروهای گاز سوز مشابه خودروهای بنزینی است.البته هنوز تغییراتی برای بهبود عملکرد خودروهای گاز سوز احتیاج است. به طور کلی این تغییرات در تانک ذخیره سوخت، موتور و بدنه خودرو اعمال می شود.
● ذخیره سازی سوخت:
بیشتر خودرو های گاز سوز از گاز طبیعی فشرده شده CNG (compressed natural gas) استفاده می کنند تا مخزن حجم کمتری را اشغال کند. در یک جایگاه سوخت رسانی ، گاز با فشار ۳۵۰۰-۳۰۰۰ پوند بر اینچ مربع متراکم شده و درون مخزن استوانه ای شکل با فشار بالا پمپ می شود. مخزن معمولا در صندوق عقب یا جلو و یا در زیر بدنه خودرو قرار می گیرد. مخازن ذخیره در ابتدا بزرگ بوده و بیشتر فضای مربوط به بار را در خودرو اشغال می کردند. اما بعدها استوانه های سبکتر موسوم به مخازن یک پارچه تولید شدند. مخازن یک پارچه استوانه هایی از مواد مختلط (کامپوزیت ها) هستند که در داخل، شامل یک صفحه پشم شیشه و اسفنج ضربه گیر برای محافظت در تصادفات است. همچنین قطر استوانه ها کمتر شده، به گونه ای که فضای اشغال شده توسط سه مخزن گاز معادل فضایی است که باک یک خودرو بنزینی به طور معمول اشغال می کند.
● اصلاحات در موتور:
وقتی که موتور یک خودرو گاز سوز شروع به کار می کند، جریان گاز از مخزن استوانه ای به ریل سوخت حرکت می کند. نزدیک موتور، برا کاهش فشار، گاز وارد یک شیر تنظیم فشار می شود. سپس سیستم تزریق سوخت چند نقطه ای، سوخت را به درون سیلندرها هدایت می کند. حسگرها و کامپیوترها نسبت هوا به سوخت را در مخلوط تنظیم می کنند تا در هنگام جرقه شمع، کارکرد گاز بهتر باشد. یک موتور گاز طبیعی علاوه بر این، پیستون هایی متراکم و از آلومینیوم ریخته گری دارد. نشیمنگاه سوپاپ دود از جنس سخت آلیاژ نیکل- تنگستن بوده و دارای مبدل کاتالیزوری مخصوص متان است.
● تغییرات در شاسی و بدنه:
ممکن است اصلاحاتی در یک خودرو گاز سوز مورد نیاز باشد تا فضای کافی برای مخزن سوخت وجود داشته باشد. در عقب خودرو ممکن است سیستم تعلیق نیمه دنباله جایگزین حلقه عرضی سیستم شود که این در بسیاری ازخودرهای گازسوز به عنوان استاندارد شناخته شده است. این کار فضای بیشتری در صندوق عقب خودرو باز می کند و در عین حال سواری راحت وهمواری را ارائه می دهد. در این نوع از خودرو های گازسوز همچنین لاستیک زاپاس و جک که برای یک پنچری پیش بینی می شود، حذف شده است.به همین منظور لاستیک هایی استفاده می شود که با وجود پنچری می توان مدتی را با آنها رانندگی نمودRun-flat به این تایر ها. می گویند.
● تفاوت ها در سوخت گیری:
سوخت گیری یک خودرو گاز سوز کمی متفاوت است. دریچه سوخت گیری آن معمولا در جلو خودرو است. البته در بعضی از مدل ها همچون Honda Civic GX این دریچه در عقب قرار دارد. مدت زمان سوخت گیری گاز با یک پمپ سریع تقریبا مشابه زمان سوخت گیری بنزین یا گازوئیل است.اما در صورت به کار گیری یک پمپ کند، گاز بین ۵ تا ۸ ساعت پر کردن مخزن زمان می برد. روش دیگر، استفاده از گاز خانگی برای سوخت اتومبیل است که توسط شرکت هوندا ارائه می شود و سوخت گیری تمام شب طول می کشد.در قسمت بعدی به بررسی مزایا و معایب خودرو های گازسوز نسبت به خودروهای بنزینی می پردازیم.
● مزایا و معایب
بزرگترین مزیت خودروهای گازسوز، کاهش اثرات زیان بار حاصل از احتراق، در محیط زیست است. خودروهای گازسوز در مقایسه با خودروهای بنزینی، تا ۹۳ درصد کربن مونوکسید کمتری تولید می کنند. دستیابی به ۳۳ درصد کاهش تولید اکسیدهای مختلف نیتروژن و ۵۰ درصد هیدروکربنهای سیرنشده، ازدیگر مزایای خودروهای گازسوز در کاهش آلودگی هواست. علاوه بر اینه خودروهای گازسوز در آزادکردن ذرات معلق PM۱۰ امتیاز بیشتری کسب می کنند. ذرات PM۱۰ باعث رسوب و انتقال ذرات سمی موجود در هوا می شوند. خودروهای گاز سوز در کاربرد دیزل تا ۱۰ برابر ذرات PM۱۰ کمتری تولید می کنند.
دیگر مزایای خودروهای گاز سوز عبارتند از: این خودروها ایمن ترند. مخزن سوخت گاز ضخیم تر و محکم تر از مخازن (باک) بنزین و گازوئیل است.گاز طبیعی سوخت ارزان تری است.گاز طبیعی فراوان تر و دسترسی به آن آسان تر است. با بنا کردن یک سیستم خط لوله مناسب تقریبا می توان این سوخت را به مناطق شهری مختلف و حتی برون شهری انتقال داد.گاز طبیعی در مقایسه با نفت از ثبات قیمت بیشتری برخوردار است. تجربه نشان داده است که گاز طبیعی در مقایسه با سایر سوخت های با پایه نفت خام، تغییرات قیمت کمتری داشته است. این پایداری قیمت، برآورد هزینه و برنامه ریزی در استفاده دراز مدت از این سوخت را آسان تر می کند. هزینه تعمیر و نگهداری خودروهای گازسوز کمتر است. از آنجایی که گاز طبیعی تمیز می سوزد، بنا براین فرسودگی و استهلاک ناشی از ضایعات سوخت کمتر است و تعداد دفعات نیاز به تنظیم موتور و تعویض روغن را کاهش می دهد.
● معایب:
یکی از بیشترین شکایاتی که در مورد خودروهای گازسوز مطرح است، این است که این خودروها به اندازه خودروهای بنزینی جادار و وسیع نیستند. دلیل آن اینست که در خودروهای گازسوز به ناچار حجم قابل توجهی از قسمت بار و صندوق ماشین برای جاسازی سیلندرهای ذخیره گاز اختصاص می یابد. علاوه بر این، طراحی و ساخت این سیلندرها گران است و باعث می شود که به طور کلی، قیمت تمام شده یک خودروی گازسوز نسبت به نوع بنزینی آن بالاتر باشد. سیلندرهای جا سازی شده در قسمت زیرین خودرو مشکل دیگر، محدود بودن مسافت قابل طی کردن در خودروهای گازسوز است که تقریبا نصف یک خودرو بنزینی کارایی دارد. به عنوان مثال، خودرو گازسوز شرکت هوندا مدل Civic GX می تواند تا حداکثر۲۲۰ مایل بدون سوخت گیری حرکت کند. در حالی که نوع بنزینی آن تقریبا تا ۳۵۰ مایل بدون نیاز به سوخت گیری به حرکت خود ادامه می دهد. اگر یک خودرو که صرفا از گاز به عنوان سوخت استفاده می کند، در جاده سوختش تمام شود،به ناچار باید یا تا منزل صاحب خودرو و یا یک جایگاه سوخت گیری محلی گاز برای سوخت گیری یدک کشیده شود، که احتمالا سخت تر از یافتن یک پمپ بنزین به طور عادی است. در آخر باید متذکر این نکته شد که،گاز طبیعی همانند بنزین یک سوخت فسیلی است و جزو منابع غیر تجدید پذیر محسوب می شود. هر چند ذخایر گاز موجود در جهان هنوز مقدار قابل توجهی است، اما نباید فراموش کرد که این مقدار نیز بالاخره روزی به پایان خواهد رسید. طبق بعضی پیش بینی ها منابع گاز طبیعی کافی تا ۶۷‎/۱ سال دیگر وجود خواهد داشت.البته با این فرض که میزان تولید در سال ،۲۰۰۳ در سال های آتی نیز ادامه یابد. با وجود مزایای زیاد خودروهای گازسوز، انتظار می رود در دو دهه آینده استفاده از خودروهای گازسوز عمومیت بیشتری پیدا کند. به ویژه با بالا رفتن قیمت نفت.در این صورت کمک بزرگی به داشتن محیط زیستی پاک تر خواهد شد.
● خودروهای دو گانه سوز:
با توجه به مزایا و معایب خودروهای گاز سوز و بنزینی، در این میان، خودرو های دوگانه سوز که قادرند با هر دو نوع سوخت کار کنند ارزشمند خواهند بود. در خودروهای دوگانه سوز، راننده به آسانی می تواند در حال رانندگی نوع سوخت خودرو را از گازی به بنزین و یا بالعکس تغییر دهد.
● سیستم حمل ونقل عمومی گازسوز:
استفاده از گاز طبیعی در ناوگان حمل و نقل عمومی، یعنی تاکسی ها، اتوبوس های داخل شهری، سرویس های مدارس و خودروهای جمع آوری زباله رواج بیشتری دارد. تعداد زیاد خودرو در این سیستم ها باعث می شود که خرید خودروهای نوع گازسوز یا تبدیل مدل های دیگر به نوع گازی، مقرون به صرفه تر باشد. علاوه بر این، وجود یک واحد نگهداری و تعمیرات مرکزی و همچنین مساله سوخت گیری ساده تر و کاربردی تر، باعث رونق سیستم گازسوز در ناوگان های حمل و نقل عمومی است. بسیاری از کامیون های جاده ای و اتوبوس ها از نوع دیگری از گاز طبیعی به نام LNG یا گاز طبیعی مایع استفاده می کنند. گاز مایع از سرد کردن گاز طبیعی تا دمای منهای ۲۶۰ فارنهایت و متراکم شدن آن تا حالت مایع به وجود می آید. گاز مایع چگال تر است و بنابر این نسبت به فضایی که اشغال می کند مقدار بیشتری انرژی ذخیره شده دارد. این بدان معنی است که با حجم فضای ثابت، می توان مقدار بیشتری انرژی ذخیره کرد.

منبع : روزنامه ابرار اقتصادی