سیستم سوخت رسانی گاز طبیعی یا CNG

مقدمه

سابقه استفاده از گاز طبیعی به عنوان سوخت خودرو به سال های اولیه دهه ۱۹۳۰ میلادی در ایتالیا برمی گردد. بحران های نفتی ، تلاش برای امنیت انرژی ، ارزانی گاز طبیعی در مقایسه با سوخت های فسیلی مایع ، بحران آلودگی هوای شهرهای بزرگ و عوامل متعدد دیگر مهمترین دلایل روی آوردن به این سوخت از سوی برخی از کشورها به عنوان رایج ترین سوخت جایگزین در خودروها بوده است. هم اکنون نزدیک به ۴/۷۰۰/۰۰ خودروی گاز طبیعی سوز (CNG) در سراسر جهان تردد می کنند که آرژانتین با ۱/۵ میلیون ، برزیل با ۱ میلیون ، پاکستان با ۷۰۰ هزار و ایتالیا با ۳۸۲ هزار خودروی گازسوز دارای بالاترین آمار خودروهای گازسوز درحال تردد در جهان می باشند.

در ایران نیز سابقه استفاده از گاز طبیعی فشرده در خودروها به سال ۱۳۵۴ برمی گردد که با تبدیل ۱۲۰۰ دستگاه تاکسی در شیراز آغاز و در سال ۱۳۶۲ با تبدیل ۱۲۰۰ دستگاه دیگر تاکسی در مشهد ادامه یافت. در همان سال ها در شهرهای مزبور جایگاه هایی نیز برای عرضه گاز طبیعی احداث گردید. با تاسیس سازمان بهینه سازی مصرف سوخت کشور در سال ۱۳۷۹ در مجموعه وزارت نفت ، مطالعات مقدماتی طرح گازسوز نمودن خودروها در این سازمان انجام و به منظور دستیابی به کاهش مصرف بنزین و کاهش آلاینده های هوا ، طرح مزبور با انعقاد قراردادهایی با خودروسازان و بخش خصوصی برای تولید و تبدیل خودروهای گازسوز از یک طرف و همچنین ایجاد زیرساخت های لازم و احداث جایگاه های CNG از طرف دیگر ، وارد مرحله اجرایی گردید.

اجرای طرح به رغم مشکلات موجود روند رو به رشدی داشته و هم اکنون با مشارکت خودروسازان و بخش خصوصی بیش از ۸۶ هزار خودروی CNG سوز در کشور تردد دارند. مشارکت بخش خصوصی با احداث بیش از ۸۰ کارگاه تبدیل در سراسر کشور و تبدیل نزدیک به ۷۱ هزار خودرو قابل توجه بوده است. زیرساخت های لازم برای تولید خودروهای گازسوز کارخانه ای و خودروهای پایه گازسوز در شرکت های خودروسازی نیز از پیشرفت خوبی برخوردار بوده است و امید می رود تولید انبوه محصولات گاز طبیعی سوز در این شرکت ها نیز به سرعت قابل قبولی برسد. در همین راستا تاکنون بیش از ۱۲۰ جایگاه گاز طبیعی در کشور به بهره برداری رسیده است و تعداد زیادی جایگاه نیز در دست ساخت بوده یا برنامه ریزی شده است.

با تصریح تبصره ۱۱ قانون بودجه سال ۱۳۸۴ کل کشور و آیین نامه اجرایی مصوب هیات وزیران در اوایل سال جاری که خودروسازان را در قبال کمک های دریافتی از وزارت نفت مکلف به تولید نزدیک به ۲۰ درصد محصولات خود به صورت دوگانه سوز (بنزین + CNG) یا گازسوز می نماید ، انتظار می رود ، روند افزایش خودروهای گازسوز رشد سریعی داشته باشد. شایان ذکر است در سایر کشورهای جهان حرکت به سمت این خودروها رو به افزایش است ، چنانچه اتحادیه اروپا سهم خودروهای گازسوز را در سال ۲۰۲۰ میلادی ، ۱۰ درصد کل خودروهای آن اتحادیه مصوب نموده است.

خودروهای گازسوز با ایمنی بالا

برخلاف تصور عمومی ، خودروهای گاز طبیعی سوز (CNG) دارای ایمنی بالایی می باشند. به سبب مشخصه های ذاتی گاز طبیعی نظیر سبک بودن آن نسبت به هوا ، دمای بالاتر خود اشتعالی گاز طبیعی نسبت به بنزین ، امکان اشتعال گاز طبیعی درصورت وجود نشتی های احتمالی در خودروهای گازسوز را کاهش می دهد. مخازن گاز طبیعی فشرده بدون هیچ گونه فرآیند جوشکاری از لوله های بدون درز و با روش های پیشرفته صنعتی ساخته می شوند. این مخازن دارای استانداردهای سختگیرانه ای بوده و آزمون های متعددی نظیر آزمون آتش ، آزمون گلوله ، پرتاب از ارتفاع ، خستگی و غیره … را می گذرانند و برای استفاده در دوره عمر مخزن که معمولا ۲۰ سال است ، ایمنی کامل را دارا می باشند.

مخازن در طول عمر خود بنا به توصیه های استاندارد و رویه های موجود به طور مرتب و در دوره های منظم مورد بازرسی و کنترل قرار می گیرند تا درصورت وجود هرگونه آسیب احتمالی راهکار مناسب جهت رفع عیب یا تعویض آنها اتخاذ گردد. تجربه استفاده از گاز طبیعی فشرده در خودروها ، در دنیا که نزدیک به ۸۰ سال می رسد ، شاهد این مدعاست که استفاده صحیح و رعایت الزامات استاندارد در نصب و نگهداری این سیستم ها ، موجب عدم بروز هر حادثه ای می گردد. موارد ایجاد حادثه انفجار و آتش سوزی در این خودروها گزارش نشده است مگر در موارد معدودی که با دستکاری سیستم از سوی مالکان این گونه خودروها همراه بوده است.

این موضوع به نوبه خود حاکی از ایمنی بالاتر خودروهای گازسوز نسبت به خودروهای بنزین سوز و LPG سوز می باشد. تعبیه شیرهای مجهز به سیستم ایمنی دمایی و فشاری روی مخازن CNG این امکان را فراهم می آورد تا حتی در صورت قرارگیری مخزن در آتش و ایجاد فشارهای غیرمعمول داخل مخزن ، موجب تخلیه گاز و جلوگیری از هرگونه انفجاری گردد. قطعات (کیت های) CNG نیز استانداردهای بسیار سختگیرانه ای را گذرانده و گواهی ایمنی دریافت می کنند. همچنین خودروهایی که در کارخانجات خودروسازی به صورت گازسوز تولید می شوند نیز جهت اخذ مجوزهای تولید انبوه ملزم به رعایت کلیه استانداردهای مرتبط هستند. الزامات ایمنی نصب مخزن و سیستم گاز ، ایمنی در تصادفات ، ایمنی در آتش سوزی ، عدم نشتی ، اصلاح و تغییر برخی مشخصه های خودرو که تحت تاثیر وزن افزوده مخزن قرار می گیرند از جمله مواردی است که در این خودروها رعایت می گردد. در کارگاه های تبدیل نیز ابتدا نمونه ای از هر نوع خودرو تبدیل و گواهینامه ایمنی اخذ می شود سپس برای تبدیل سایر خودروها اقدام می گردد.

رعایت الزامات نصب مخزن و کیت گاز روی خودرو توسط تکنسین های تبدیل آموزش دیده در کارگاه های تبدیل ، بازرسی منظم از کارگاه ها و بازرسی دوره ای مخزن و سیستم گاز خودرو باعث می شود که ایمنی خودروهای CNG تضمین گردد. اشغال فضای مفید صندوق عقب ناشی از نصب مخازن گاز و کاهش توان در موتورهای پایه بنزینی گازسوز می شوند ، ممکن است در بعضی موارد باعث نارضایتی مالکان خودروهای گازسوز گردد ، ولی می توان گفت معایب مزبور برای دوره گذار بوده و با توسعه و اصلاح سیستم های متاثر این معایب قابل رفع می باشند. جا نمایی مخزن در داخل شاسی و بدنه خودرو ، اصلاحات در سیستم تعلیق و ترمز و طراحی موتورهای پایه گازسوز که فقط در شرایط اضطراری با بنزین کار می کنند باعث خواهد شد که خودروی گازسوز یک خودروی کاملا مطلوب درنظر استفاده کنندگان تلقی گردد.

گاز طبیعی ، یک سوخت اقتصادی و کاهش دهنده آلاینده های زیست محیطی

صرفه جویی های اقتصادی قابل توجه ناشی از کاهش مصرف بنزین و پاک تر بودن این خودروها نسبت به خودروهای با سوخت های بنزین و دیزل از نتایج بسیار مهم و اساسی طرح گازسوزکردن خودروهاست که در شرایط کنونی یکی از راه های کنترل مصرف بی رویه سوخت های بنزین و دیزل و کاهش آلاینده های مضر زیست محیطی می باشد. مصرف روز افزون سوخت های فسیلی مایع (بنزین و سوخت دیزل) در خودروها و هزینه بالای استخراج و پالایش آنها از یک طرف و پایین آوردن سهم عمده موتورهای درون سوز در نشر آلاینده های مضر محیط زیست از طرف دیگر ، مهمترین چالش های فراروی پژوهشگران صنعت خودرو در سال های اخیر بوده است.

استفاده از گاز طبیعی به عنوان سوخت جایگزین در موتورهای احتراق داخلی یکی از راهکارهای مورد توجه برای پرداختن به چالش فوق می باشد. ذخایر عظیم گاز طبیعی در ایران ، ارزان بودن آن نسبت به سوخت های مایع ، شبکه گسترده گاز رسانی در کشور و مصرف بسیار بالای سوخت های معمول ، انتخاب این سوخت را به عنوان سوخت جایگزین از لحاظ اقتصادی توجیه پذیر می سازد. کاهش هزینه های درمان و مرگ و میر ناشی از کاهش آلاینده ها در صورت استفاده از گاز طبیعی در خودروها را که بالغ بر میلیون ها دلار می گردد را نباید فراموش کرد.

کاهش آلاینده های محیط زیست به خصوص در شهرهای بزرگ یکی دیگر از اثرات استفاده از سوخت گاز طبیعی می باشد که نباید ازنظر دور داشت. از آنجایی که درصد بسیار بالایی از گاز طبیعی را متان تشکیل می دهد ، هیدروکربن های نسوخته در موتورهای گاز طبیعی سوز نیز عمدتا متان می باشند که گازی بی اثر بوده و میل به واکنش دهی بسیار پایین آن باعث کاهش واکنش هایی می گردد که منجر به تولید مه دود فتوشیمیایی (smog) در محیط می شود. نسبت کربن به هیدروژن (H/C) در متان از هر هیدروکربن دیگری پایین تر است که موجب کاهش انتشار منواکسیدکربن (CO) (۵۰ تا ۷۰ درصد) گردیده و نشر دی اکسید کربن (CO2) را به میزان حدود ۲۵ درصد موتور گازسوز نسبت به موتور پایه بنزینی در یک بازده یکسان موتور پایین می آورد. لذا کاهش انتشار این گاز گلخانه ای ، در روند نزولی پدیده گرم شدن زمین می تواند موثر واقع شود. قابلیت کاهش اکسیدهای نیتروژن (NOx) بسته به طراحی موتور و مبدل شیمیایی کاتالیستی به کار رفته نسبت به مشابه بنزینی آن ۲۰ تا ۵۰ درصد است.

دوده و آلاینده های ذره ای و اکسیدهای سولفوردار در موتورهای گازسوز قابل اغماض است. گاز طبیعی با مشخصات گاز ایران دارای نزدیک به "ppm ۱۰" (قسمت در میلیون) سولفور می باشد که ضمن کاهش اثرات تخریبی بر روی مبدل های کاتالیستی ، انتشار ذرات سولفوردار که برای سلامتی انسان و محیط زیست مضر است کاهش می یابد.

اجزای سیستم سوخت گاز طبیعی

– معرفی قسمت های مختلف

برای استفاده از سوخت گاز طبیعی فشرده نیاز به تجهیزات و قطعات زیر داریم :

۱- مخزن گاز طبیعی فشرده در سیستم

۲- متعلقات نصب شده بر روی مخزن در سیستم

۳- رگولاتور فشار در سیستم

۴- شیر خودکار در سیستم

۵- شیر دستی در سیستم

۶- وسیله تامین گاز در سیستم

۷- تنظیم کننده جریان گاز در سیستم

۸- خط لوله انعطاف پذیر سوخت در سیستم

۹- خط لوله انعطاف ناپذیر سوخت در سیستم

۱۰- پرکن در سیستم

۱۱- شیر یک طرفه یا برگشت ناپذیر در سیستم

۱۲- شیر اطمینان تخلیه فشار در سیستم

۱۳- وسیله اطمینان تخلیه فشار در سیستم

۱۴- فیلتر در سیستم

۱۵- سنسور فشار یا دما در سیستم

۱۶- شیر کنترل جریان اضافی در سیستم

۱۷- شیر سرویس در سیستم

۱۸- واحد کنترل الکترونیکی در سیستم

۱۹- محفظه گاز بندی در سیستم

۲۰- اتصالات در سیستم

۲۱- شیلنگ تهویه در سیستم

بسیاری از قطعات بالا می توانند به صورت یک قطعه چند کاره به یکدیگر مونتاژ و وظیفه خاصی را بر عهده بگیرند.

بررسی اجمالی تفاوت های بنزین و CNG

در این گفتار سعی بر این شده است که به تفاوت دو سوخت متداول در کشور یعنی بنزین و CNG از منظرهای مختلف پرداخته شود و مزایا و معایب هر دو به اختصار ذکر گردد.

– مقایسه از نظر زیست محیطی

گاز CNG ، گازی به مراتب تمیزتر نسبت به سوخت بنزین از نظرآلاینده های خروجی اگزوز بوده است. میزان آلاینده های خروجی از اگزوز که اندازه گیری شده نشان می دهد CNG سوختی به مراتب سالم تر از بنزین است. مقایسه سالم تر بودن گاز CNG نسبت به بنزین از این دیدگاه حائز اهمیت است که به واسطه حوادث مرگبار به وجود آمده ناشی ازآلودگی ، جان انسان های زیادی گرفته شده که می توان به عنوان نمونه از حادثه "دره میور بلژیک" در سال ۱۹۳۰ نام برد که به واسطه تجمع آلودگی های ناشی ازکارخانجات در یک روز ۴۰ نفر به خاطر آلودگی ناشی از مه شدید که این شهر را در بر گرفته بود جان خود را از دست دادند و یا در سال ۱۹۵۲ در شهر لندن تجمع آلودگی های واقع شده بر روی شهر لندن باعث از دست رفتن جان ۴۰۰۰ نفر گردید ، اشاره نمود و همین عوامل باعث شد تا توجه جهانی نسبت به سمت حفاظت محیط زیست و مسایل ناشی از جلب شده بر روی شهر لندن باعث از دست رفتن با آلودگی هوا و حفاظت محیط زیست بسته و مقررات خاصی در رابطه با انتشار آلاینده ها به خصوص در زمینه خودروها وضع گردد.

– مقایسه از نظر اقتصادی

کشور ما در آینده نزدیک ، دیگر یک کشور نفت خیز نبوده ، اما میزان ذخایر گاز طبیعی در کشور حدود ۲۵ تریلیون متر مکعب بوده که برای مصرف ۲۵۰ ساله است و از این نظر مقام دوم ذخایر گازی دنیا را دارا بوده و چون این گاز به راحتی قابل پمپاژ کردن است ، بنابراین خیلی سریع در اختیار مصرف کننده قرار می گیرد و احتیاج به هزینه حمل و نقل بالایی ندارد.

وجود شبکه عظیم خط لوله گاز طبیعی در اقصی نقاط ایران وجود این گاز را در همه جا در دسترس قرار داده است. بنابراین هزینه حمل و نقل این گاز نیز به شدت کاهش یافته است. همچنین مقایسه قیمت های میانگین CNG و بنزین در بازارهای جهانی نشان می دهد که قیمت یک لیتر بنزین ۴۷ سنت و قیمت معادل گاز CNG این مقدار سوخت بنزین ۱۰ سنت بوده که به وضوح نشانی ارزانی سوخت CNG نسبت به سوخت بنزین می باشد. البته باید به این نکته توجه داشت که استفاده از سوخت CNG به جای بنزین نیاز به سرمایه گذاری اولیه بیشتری داشته و هزینه ابعاد هر ایستگاه سوختگیری CNG حدود ۸ برابر هزینه ایجاد یک جایگاه سوختگیری و بنزین بوده که مطابق با برنامه های سازمان بهینه سازی مصرف سوخت کشور قرار بر این گرفته است که در پایان سال ۱۳۸۴ ، ۳۰۰ جایگاه سوختگیری CNG در نقاط مختلف کشور احداث و به بهره برداری برسد که در این صورت امکان سوختگیری در سراسر کشور امکان پذیر خواهد بود.

– مقایسه از نظر فنی و موتوری

در خودروی گازسوز به علت کاهش قابل ملاحظه رسوبات کربن در منطقه احتراق ، ورودی سوپاپ ها ، سرپیستون ها و شیارهای رینگ ها ، امکان گریپاژ کردن قطعات به مراتب کاهش یافته و همچنین به علت کاهش قابل ملاحظه رسوبات کربن و آلاینده های خروجی ، روغن موتور و فیلتر آن نسبت به سوخت بنزین تمیزتر باقی مانده و زمان تعویض آنها و در نتیجه هزینه عملیاتی موتور گاز سوز نیز کاهش می یابد.

– مقایسه از نظر پیمایش خودرو

برای به کارگیری گاز طبیعی به عنوان سوخت خودرو باید آن را در جایگاه سوختگیری تا فشار ۲۰۰ تا ۲۲۰ بار متراکم نوده که در چنین فشاری دانسیته انرژی حجمی گاز طبیعی یک چهارم بنزین بوده و در نتیجه یک خودرو تجهیز شده به سوخت گاز طبیعی فشرده با حجم مخزن گاز معادل با حجم مخزن بنزین و ۴ برابر یک خودرو بنزینی برای همان مسافت نیاز به مراجعه به جایگاه سوختگیری دارد و می توان نتیجه گرفت که برد عملیاتی خودروهای با سوخت بنزین به مراتب بیشتر از خودروی با سوخت گاز طبیعی فشرده شده می باشد.

– نتیجه گیری

در حالت کلی هر کدام از دو نوع سیستم سوخت بنزین و CNG دارای مزایا و معایبی بوده که باید با در نظر گرفتن این موارد نسبت به ارجعیت داشتن یکی نسبت به دیگری اقدام کرد که در زیر به پاره ای از این موارد اشاره شده است.

– معایب استفاده از CNG نسبت به بنزین

– سنگین بودن تجهیزات
– گرانی تجهیزات مربوطه
– طی نمودن مسافت کمتر به ازاء یک بار سوختگیری

– مزایای استفاده از CNG نسبت به بنزین

– به مراتب ارزان بودن سوخت CNG
– آلودگی کمتر محیط زیست
– افزایش عمر مفید خودرو