گاز طبیعی و موتورهای دیزل

كاربرد گازطبیعی در موتورهای دیزل دارای ابعاد مكانیكی است, با این حال, كاركردن بر روی آلاینده های سیستم گازطبیعی در حیطه تخصص مهندسی شیمی قرار می گیرد

كاربرد گازطبیعی در موتورهای دیزل دارای ابعاد مكانیكی است، با این حال، كاركردن بر روی آلاینده های سیستم گازطبیعی در حیطه تخصص مهندسی شیمی قرار می گیرد.مقاله زیر خلاصه ی رساله دكترای ناصر سلامی است كه در یك پروژه بین المللی با مشاركت دانشگاه صنعتی شریف، دانشگاه كالگری كانادا، دانشگاه آلبرتای كانادا و چند شركت صنعتی دیگر كانادایی نگاشته شده است. در این مقاله به فعالیت های علمی در زمینه مبدل های كاتالیستی سیستم گازطبیعی و همچنین مواد افزودنی سوخت توسط مؤلف انجام گردیده، اشاره شده است

در تیم تحقیقاتی این پروژه، گروهی مسئولیت موتور و سیستم گازسوز و گروهی دیگر مسئولیت مطالعه و فعالیت روی مبدل كاتالیستی را برعهده داشتند. مبدل كاتالیستی برای بیش از سه دهه در دنیا روی خودروهای بنزینی مورد استفاده قرار گرفته است. به خصوص تجربه های زیادی در این مقوله برای خودروهای بنزینی وجود دارد. گرچه مرزهای دانش دائما در حال توسعه است و تجربه های جدیدی در زمینه های گوناگون مرتبط با مبدل های كاتالیستی طرح می شود و به كار می روند، ولی مبدل كاتالیستی سیستم گازطبیعی دارای ساختار ویژه ای می باشد. در خروجی موتورهای گازسوز، اعم از سیستم سوخت دو گانه ای (Dual Fuel) و سیستم اختصاصی (Dedicated)، متان به عنوان عمده ترین هیدروكربن نسوخته خروجی وجود دارد. در خانواده هیدروكربن ها، مقاوم ترین هیدروكربن در مقابل اكسیداسیون متان است اگر چه در حال حاضر، در برخی از استانداردهای زیست محیطی، متان به عنوان عامل آلاینده محسوب نمی شود،این دیدگاه همه گیر نیست و مطالعاتی روی تبدیل بهینه متان در خروجی موتورها انجام می گیرد. ما اولین گروهی بودیم كه در این زمینه در مقوله سوخت دوگانه كار كردیم و بخشی از فناوری هایی را كه پیش از این در صنایع شیمیایی مورد استفاده قرار گرفته بود، برای اولین بار در این زمینه مورد ارزیابی قرار دادیم. از جمله بهره گیری از ایجاد شرایط گذرای برنامه ریزی شده برای افزایش عملكرد رآكتورها در برخی از موارد به اثبات رسیده است.

مشكل اساسی در سیستم سوخت دوگانه این است كه دمای خروجی موتور برای تبدیل متان در اغلب مبدل های كاتالیستی كافی نیست. شاید از منظر تئوری و با آزمایش روی متان خالص در آزمایشگاه این تبدیل دشوار نباشد، ولی ماهیت خروجی موتور سوخت دوگانه با حضور سایر تركیبات پیچیده ناشی از احتراق از جمله انواع رادیكال های آزاد و مولكول های گوناگون، مانع تبدیل مناسب متان می شود. از طرفی معمولا عمر مبدل های كاتالیستی كه در این زمینه مورد استفاده قرار می گیرند، چندان طولانی نیست. طی آزمایش های متعدد روی این سیستم تلاش كردیم تا به كمك ایجاد شرایط ناپایدار، دمای خروجی موتور سوخت دوگانه را به صورت كنترل شده و بدون تغییر در موتور، در ساختار مبدل كاتالیستی افزایش دهیم. این تجربه جدید بعدها به صورت پتنت در آمد.باتوجه با دانسیته پایین گازطبیعی، حتی در فشارهای بالا، نیاز به حجم ذخیره سازی بیشتری وجود دارد. به عنوان مثال، ارزش حرارتی حجمی گازوئیل پنج برابر بیش از گازطبیعی در فشار ۲۰۰ بار است. به همین دلیل، حجم مورد نیاز برای موتور گازسوز برای مسافت معادل پیمایش حدود پنج برابر خواهد بود.در حال حاضر شركت های متعددی در این زمینه در ایران و جهان مشغول فعالیت هستند.

• طرح ساختاری مبدل های كاتالیستی

مبدل كاتالیستی سیستم گازطبیعی از نظر اصولی تفاوتی با سایر مبدل های موجود در بازار ندارد.به عبارت دیگر، معمولا از قالب های متفاوت و متداول سرامیكی و فلزی بدین منظور استفاده می شود. نوع اجزای فعال كه در ساختار سیستم كاتالیستی این مبدل تعبیه شده ویژه اجزایی است كه در خروجی موتورهای گازسوز یافت می شود. برمبنای نوع موتور مورد نظر، ویژگی هایی به طور اجتناب ناپذیر تحمیل خواهد شد.از جمله حدود دمای اگزوز، میزان دبی خروجی از اگزوز (كه معمولا روی زمان اقامت اجزا در مبدل كاتالیستی اثر خواهد گذاشت)، نوع اجزای موجود در این سیستم و غلظت این اجزا از جمله پارامترهایی هستند كه تابع نوع و مشخصات موتور است.در مقوله موتورهای گازسوز، بسیاری از كلیات اساسی مشترك هستند.ولی اگر قرار باشد مبدل كاتالیستی برای یك موتور خاص طراحی شود، لازم است پس از شناسایی دقیق موتور، مبدل كاتالیستی مناسب برای آن طراحی شود. از جمله حجم مبدل كاتالیستی به صورت بسیار قابل توجهی به موتور و میزان خروجی موتور بستگی دارد.مثلا موتوری با حجم دو تا سه لیتر با موتوری كه چند برا بر آن حجم دارد از نظر میزان و غلظت گازهای خروجی و مشخصات مبدل كاتالیستی با هم تفاوت دارند.مهم ترین بخش در هر مبدل كاتالیستی، اجزای فعال كاتالیستی آن است كه باید بتواند در زمان اقامت محدود اجزای آلاینده در مبدل ، تبدیلات مطلوب را انجام دهد.از سوی دیگر ثبات عملكرد مبدل كاتالیستی در فواصلی مثل ۸۰ هزار كیلومتر یا بیشتر (برای یك وسیله سواری شخصی) یا ۱۵۰ هزار كیلومتر(برای یك كامیون حمل و نقل بین شهری)، از جمله ضروریات غیرقابل انكار محسوب می شوند كه در استانداردهای جهانی كم و بیش مورد توافق است.

در كشور ما سیستم گاز طبیعی اختصاصی مورد توجه بیشتری قرار گرفته است. به این مفهوم كه گازطبیعی به عنوان تنها سوخت در چرخه اتو (Otto Cycle) و طی احتراق به كمك شمع تولید توان خروجی موتور را میسر می سازد.بدین ترتیب موتور را می توان از ابتدا بر مبنای استفاده از گازطبیعی طراحی كرد یا نظیر آنچه در ناوگان اتوبوسرانی شركت واحد ملاحظه می شود، با نصب شمع و اعمال تغییرات لازم از جمله تبدیل مكانیزم احتراق از چرخه دیزل به سیكل اتو موتور آماده مصرف گاز طبیعی می شود. در این نوع طراحی ، موتور به مصرف گازطبیعی وابسته خواهد شد. در طرح های جدید در كشور، برای خودروهای سواری هم از همین سیستم اختصاصی، البته با حفظ قابلیت مصرف بنزین استفاده می شود.از جمله دلائلی كه برای توسعه نیافتن سیستم سوخت دوگانه در ایران ذكر می شود، كیفیت نامناسب گازوئیل، به ویژه از جهت میزان گوگرد است.مزیت ویژه موتور سوخت دوگانه امكان عملكرد با سوخت گازوئیل تنها در مناطق دور از ایستگاه های گاز، عملیات بر مبنای چرخه كارآمد دیزل وعملكرد مناسب در بارگذاری كامل و هزینه به مراتب پایین تر موتورهای مستعمل دیزل است. متأسفانه، توجه سزاواری به این روش در كشور ما نشده است.

• مواد افزودنی سوخت

از جمله دیگر فعالیت ها، مشاركت در یكی از پروژه هایی است كه در سازمان بهینه سازی مصرف سوخت كشور تعریف شده و در حال اجرا است. در این پروژه ، تلاش به منظور كاهش میزان مصرف سوخت بر مبنای حداقل تغییرات، یعنی استفاده از مواد افزودنی در ساختار سوخت می باشد. درصورت موفقیت، به عنوان روش حل كوتاه مدت یا میان مدت می توان با صرف هزینه ناچیز میزان مصرف سوخت ناوگان كل كشور را در حد سه تا پنج درصد كاهش داد. با درنظر گرفتن میزان چشمگیر مصرف روزانه سوخت در كشور كه بالغ بر چند ده میلیون لیتر است، این میزان صرفه جویی به عدد قابل ملاحظه ای تبدیل خواهد شد. از طرفی، تغییرات اساسی در ناوگان خودروهای كشور مستلزم صرف هزینه سنگین و وقت فراوان است. شاید در شرایط كنونی، به كارگیری این افزودنی ها یكی از انتخاب های قابل تأمل باشد . لازم به ذكر است كه به طور معمول دو تلقی از لفظ مواد افزودنی وجود دارد.یكی افزودنی (Additive) كه در مقادیر بسیار ناچیز در حدود p.p.m مورد استفاده قرار می گیرد و دیگر عامل اختلاط (Blending Agent) كه در حد چند درصد به سوخت افزوده می شود. در این پروژه گروه اول از مواد افزودنی موردنظر است، حال آنكه از گروه دوم می توان به MTBE اشاره كرد كه به عنوان جایگزین تترا اتیل سرب برای بهبود عدد اكتان مورد استفاده قرار می گیرد. ماهیت عملكرد این مواد افزودنی بهبود عملكرد احتراق به صورت مستقیم یعنی با دخالت در واكنش های احتراقی یا با ایجاد تغییرات در عواملی است كه قادرند از طریق تغییر در خواص فیزیكی منجر به افزایش راندمان احتراق شوند. در این مرحله، شناسایی كارآیی مواد افزودنی گوناگونی موردنظر است كه در سطوح ملی و جهانی و از طریق فراخوان شناسایی شده اند. چون پیش از این انگیزه ای در سطح ملی برای سرمایه گذاری در این زمینه وجود نداشته است، توقع گرفتن پاسخ از داخل كشور كمتر است و عمده پیشنهادها از طریق شركت های توانمند بین المللی دریافت شده اند.بی تردید درصورت رسیدن به نتایج مثبت، امكان برنامه ریزی برای تولید داخلی در آینده وجود دارد.برنامه بر اساس اجرای آزمایش های كنترلی تدوین شده است كه بتوان ضمن كاهش مصرف ، از عملكرد صحیح موتور با سوخت حاوی ماده افزودنی از جهات مختلف، از جمله توان خروجی، جنبه های زیست محیطی،عدم تأثیر سوء در دراز مدت و موارد مشابه اطمینان حاصل نمود.

• سخن آخر

سخن آخر، لزوم مشاركت بخش های گوناگون صنعت با دانشگاه برای رسیدن به موفقیت است. صنعت و دانشگاه نمی توانند به صورت منفرد داعیه موفقیت داشته باشند. وظیفه دانشگاه نه تنها مشاركت در توسعه علمی و صنعتی است، بلكه تربیت نیروهای كارآمدی است كه بتوانند در عرصه صنعت كوشا باشند. این مهم تنها با حضور فعال دانشجویان مستعد در پروژه های واقعی صنعتی مقدور است، تجربه ای كه دنیای صنعتی به خوبی طعم شیرین ثمرات آن را چشیده است. نكته دیگر آنكه سپردن بودجه های صنعتی به دست سازمان ها و شركت هایی كه فاقد انگیزه لازم برای صرف مناسب آن هستند به تضییع این بودجه ها خواهد انجامید و بالاخره باید توجه داشت كه صرف همكاری دانشگاه با صنعت، بدون حضور مستمر متخصصان صنعت در بطن پروژه های پژوهشی ثمری نخواهد داشت. مشاركت كارشناسان زبده صنعت،منجر به هدایت پروژه ها در مرحله اجرا به سوی نیازهای اساسی صنعت خواهد گردید

نویسنده : دكتر ناصر اسلامی