پایان نامه خودرو های گاز سوز

مقدمه

وجود منابع محدود سوختهای فسیلی و همچنین تصویب استانداردهای سختگیرانه آلایندگی توسط سازمانها و نهادهای زیست محیطی، باعث شد تا سازندگان و طراحان خودرو در کشورهای مختلف جهان به سمت استفاده از سوختها و مولدهای قدرت جایگزین روی بیاورند.

طراحی و تولید خودروهای الکتریکی و خورشیدی و همچنین استفاده از سوختهای جایگزین فسیلی از جمله اقداماتی بود که در این زمینه صورت گرفت.

به دلیل وجود مشکلاتی، چون محدودیت پیمایش، کم بودن عمر باتریها و سرعت حرکت، خودروهای الکتریکی و خورشیدی توسعه چندانی پیدا نکردند و تحقیقات بیشتر روی تولید سوختهای جایگزین متمرکز شد.

در این راستا کیفیت بنزینها بهبود یافت و سوختهای پاک تری چون بیودیزل، الکل، LPG، گاز طبیعی و هیدروژن تولید و به صورت آزمایشی و محدود مورد استفاده قرار گرفتند.

در این میان، مزایایی چون دسترسی آسانتر، فراوانی منابع،ارزانتر بودن و همچنین آلایندگی کمتر گاز طبیعی، باعث شد تا این سوخت نسبت به سایر سوختها، بیشتر مورد توجه متخصصان امر قرار گیرد و کاربرد آن در خودرو به عنوان سوخت مصرفی گسترس پیدا کند. بطوریکه  در سالهای اخیر بسیاری از کشورها چون ایتالیا،آرژانتین و برزیل استفاده از گاز طبیعی را توسعه داده و سعی نموده اند یک استراتژی مشخص جهت توسعه اهداف CNG تدوین نمایند.

در ایران نیز، متخصصان وکارشناسان به علت آلودگی بسیار بالای محیط زیست خصوصاً در شهرهای بزرگ و مصرف و تولید بالای خودرو و نتیجتاً‌ مصرف بالای سوخت، به دنبال سوختی ارزان و پاک برای کاربرد در کنار بنزین بودند، که در مجموع CNG مورد توجه قرار گرفت.

در این پروژه، ابتدا با بررسی انواع سوختها و مقایسه آنها با یکدیگر از جهات مختلف، بهترین سوخت برای مصرف در خودرو را معرفی می کنیم. سپس در ادامه با بیان تاریخچه مختصری از صنعت CNG در جهان و ایران، مزایا و معایب آن نسبت به سوختهای مایع نظیر بنزین و گازوئیل به تفسیر مورد بررسی قرار می گیرد. همچنین انواع ایستگاههای سوختگیری گاز طبیعی فشرده و خودروهای گازسوز به همراه کیت گازسوز آنها نیز مورد بررسی قرار گرفته اند. در پایان هم تجارب بعضی از کشورها در زمینه استفاده از خودروهای گازسوز بیان شده است.

در این بخش به معرفی انواع سوختهای رایج و مورد مصرف در خودروها و نیز گزینه های تحت مطالعه و تحقیق پرداخته و آنها را از جهات مختلف مورد بررسی و مطالعه قرار دهیم . سپس با توجه به اطلاعات و داده های به دست آمده برای هر سوخت و معیارهایی که سوختها را با آن می سنجند، بهترین سوخت را برای استفاده در خودرو معرفی  می کنیم.

قبل از این کار، به توضیح مفهوم «چاه تا چرخ» که در بررسی سوختها از آن استفاده می شود، می پردازیم :

در یک سوء تفاهم همگانی، عموم مردم به انرژی مربوط به سوخت یا آلایندگی آن، فقط هنگام سوختن در موتور و وسیله نقلیه توجه می کنند. همین سوء تفاهم درباره ایمنی و هزینه های سوخت نیز وجود دارد. در حالی که ممکن است سوختهایی که انتشار آلایندگی کمی از خودروها دارند، در مرحله تولید به شدت آلودگی ایجاد نمایند و یا حمل ونقل و ذخیره سازی سوختهایی که برای موتورهای درون سوز بسیارمناسب اند، دشوار و پر هزینه باشد.

در مقایسه سوخت خودروها، برخلاف این وضعیت، باید تمام پیشینه سوخت از مواد خام مصرفی تا استفاده از انرژی آن مد نظر قرار بگیرد. تمامی مراحل عرضه سوخت در زنجیره کامل«چاه تا چرخ» قرار می گیرد. این زنجیره دارای پنج مرحله است که عبارتند از:

- تولید ماده خام یا اولیه

- حمل ماده اولیه

- تولید سوخت

- توزیع سوخت

- مصرف در وسیله نقلیه

سوختها و ویژگیهای آنها

بنزین:

بنزین از پالایش نفت خام به دست می آید و بیشترین سهم را در میان سوختهای مصرفی در خودرو به خود اختصاص داده است، بطوریکه استفاده از آن در مقیاس وسیع موجب قیمت ارزان و توسعه تجهیزات و امکانات مربوط به آن مانند پالایشگاهها،موتور خودروها، کاتالیزگرهای اگزوز و زیر ساختهای خدماتی گردیده است.     

چگالی انرژی نسبتا بالا، آن را به عنوان سوختی بسیار مناسب در موتورهای SI معرفی کرده است. اما عدد اکتان آن(که در حدود 87 است) نسبت به سوختهای دیگری که در این موتورها استفاده می شود، کمتر است که این امر موجب محدود شدن نسبت تراکم (حداکثر میزان نسبت تراکم یازده است) و در نتیجه راندمان حرارتی در این گونه موتورها می گردد.

در مقایسه با سایر سوختها میزان مصرف انرژی چاه تا چرخ بنزین در خودروهای سبک کار در حد متوسط است. از نظر آلودگی، میزان انتشار NOX چاه تا چرخ در خودروهای بنزینی نسبتا کم، ولی انتشار CO در آنها نسبتا بالاست. همچنین ریختن بنزین روی زمین و یا تبخیر شدن آن درهوا، باعث ایجاد آلودگی درآب، خاک و هوا می گردد.

امروزه به منظور کاهش آلاینده های خروجی از اگزوز خودروهای بنزین سوز و انتشار تبخیری، از بنزین با فرمول بندی مجدد استفاده می کنند. برای این کار به طور همزمان چندین عامل بنزین رایج را تغییر داده، تا سوختی با ویژگیهای بهتر به دست آید. فرمول بندی مجدد عموما شامل دست کم افزودن مواد اکسیژن دار مانند MTBE و ETBE و کاهش آروماتیکها، بنزن، اولفینها و نیز کاهش دمای تبخیر است.

جهت ذخیره سازی بنزین در خودرو از مخازن فلزی و یا پلاستیکی استفاده می کنند، که نوع مواد استفاده شده در ساخت آنها، باید با سوخت سازگاری داشته باشد.

گازوئیل:

گازوئیل نیز از پالایش نفت خام به دست می آید و به لحاظ مصرف در خودرو بعد از بنزین دومین جایگاه را به خود اختصاص داده است. این سوخت در مقایسه با بنزین ارزانتر و ایمن تر است و دارای چگالی انرژی بالاتری هم می باشد. البته عدد ستان آن نسبت به سوختهای دیگر مورد استفاده در موتورهای CI کمتر است.

مصرف انرژی چاه تا چرخ گازوئیل کمتر از همه سوختها است و انتشار HC و CO آن نسبتا کم است، در حالی که انتشار NOX و PM مربوط به آن زیاد است.

کنترل انتشار آلاینده ها در مورد گازوئیل هم مانند بنزین موجب شده، که از گازوئیل با فرمول بندی جدید استفاده کنند. برای این کار محتوای گوگرد موجود در سوخت را کاهش می دهند، که  در نتیجه آن انتشار SO2 وpm  به طرز چشمگیری کاهش پیدا می کند.

برای ذخیره سازی گازوئیل در خودرو از مخازن فلزی استفاده می کنند، که اندکی کوچکتر از مخزن بنزین است، زیرا چگالی انرژی آن بالاتر از بنزین می باشد.

گاز مایع (C3H3)

LPG رایجترین سوخت جایگزین برای موتورهای SI می باشد ، ولی نقش اندکی در کل مصرف انرژی حمل ونقل جاده ای به خود اختصاص داده است. به علت اینکه میزان عرضه این سوخت بیشتر از نیاز بازار است، قیمت آن در سطح پایینی باقی مانده است.

عدد اکتان بالای آن موجب می شود موتورهای با سوخت LPG نسبت به موتورهای بنزینی نسبت تراکم بیشتر و در نتیجه بازده حرارتی بالاتری داشته باشند.، اما خودروهای سبک کار تبدیل یافته با سوخت LPG، این امتیاز را ندارند و دارای  بازده حرارتی کمتری نسبت به حالت بهینه هستند.

مصرف انرژی چاه تا چرخ مربوط به LPG کمتر از بنزین، و بیشتر از گازوئیل است. در خودروهای سبک کار انتشار NOX چاه تا چرخ نزدیک به ارقام مربوط به بنزین است، ولی انتشار آلاینده های دیگر مربوط به آن کمتر است. در خودروهای سنگین کار انتشار کم ذرات ریز بارزتر است.

چون LPG در دما فشار معمولی به صورت گاز است آن را در فشاری در حدود 6 تا 8 بار به مایع تبدیل می کنند و سپس در مخازن تحت فشار ذخیره می کنند. مخزن ذخیره LPG تقریبا دو برابر حجم و 1.5 برابر وزن مخزن بنزین برای یک میزان انرژی برابر را  دارد.

این سوخت به عنوان سوختی عموما ایمن تلقی نمی شود چرا که سنگیتر از هواست و در صورت نشتی ، بخار آن در سطح زمین پخش شده و خطر انفجار افزایش می یابد.

گاز طبیعی(CH4)

گاز طبیعی، که بخش عمده آن را متان تشکیل می دهد، تنها سوختی است که برای استفاده به عنوان سوخت خودرو، نیاز به هیچ نوع فراوری ندارد و توسط طبیعت در پوسته زمین به وجود آمده است. (تولید گاز طبیعی فقط نیاز به رطوبت گیری و حذف هیدروژن سولفید(H2S) از گاز ترش دارد).

با وجود اینکه کشورهایی چون ایتالیا، آرژانتین، روسیه، ایران و آمریکا دارای ناوگان خودرویی با سوخت گاز طبیعی اند، اما این سوخت هنوز هم سوخت مهم خودرو به شمار نمی رود.

گاز طبیعی مانند LPG، عدد اکتان بالایی دارد، که موجب افزایش نسبت تراکم  و بالا رفتن بازده گرمایی موتور به میزان 10 درصد نسبت به موتور بنزینی می شود. اما بازده خودروهای تبدیل یافته با سوخت گاز طبیعی 15 تا 20 درصد کمتر از خودروهای بنزینی است.

مصرف انرژی چاه تا چرخ آن در حد LPG است. انتشار آلاینده های چاه تا چرخ در این سوخت کم است، به جز هیدروکربنها، که ناشی از نشت گاز در طول زنجیره سوخت است.

گاز طبیعی از نظر ایمنی نسبت به LPG برتری دارد، زیرا سبکتر از هواست و دمای اشتعال آن نیز بالاست، و در صورت نشت خطر انفجار آن کمتر است.

چون گاز طبیعی در دما و فشار معمولی به صورت گاز است، دانسیته انرژی پائینی دارد که این باعث کاهش مسافت رانندگی می گردد، برای رفع این مشکل در حال حاضر سه روش ANG، LNG وCNG برای ذخیره سازی گاز طبیعی در خودرو به کار گرفته می شود. که در این میان CNG رایجترین روش مورد استفاده می باشد.

متانول(CH3OH)

متانول مایعی بی‌رنگ، بی بو، سمی و قابل اشتعال است که معمولا از گاز طبیعی تهیه می شود. متانول را از زیست توده (مواد سلولزی و بیشتر چوب) نیز می توان تولید کرد، ولی چون هنوز توجیه اقتصادی ندارد، این روش مورد استفاده قرار نمی گیرد.

  متانول خام بر حسب نوع استفاده، تا درجات مختلف از طریق عملیات تقطیر، خالص‌سازی  می گردد. مشتقات این ماده، فرمالدئید، متیل ترشری بوتیل اتر (MTBE) و اسید استیک می‌باشد. همچنین متانول مصارف پراکنده دیگری نیز به‌عنوان حلال، شوینده شیشه اتومبیل، سوخت و بازیافت‌کننده پساب‌ها، دارا است.

هزینه تولید متانول از بنزین بیشتر و چگالی آن هم کمتر است، اما عدد اکتان کاملا بالایی دارد. به عنوان یک سوخت مایع ، کاربرد آن در مخلوط با بنزین برای استفاده در خودروهای چندگانه سوز با موتورهای SI است. در موتورهای CI خودروهای سنگین کار به صورت تقریبا خالص قابل استفاده است، اما چون عدد ستان آن کم است، نیاز به سازگار کردن دارد.

مصرف انرژی چاه تا چرخ متانول نسبتا بالاست، به ویژه در حالتی که منشا آن زیست توده باشد. انتشار چاه تا چرخ هیدروکربنها هم، خصوصا برای متانول از گاز طبیعی بالاست. اما انتشار CO2 چاه تا چرخ متانول از زیست توده می تواند بسیار کم باشد.

در حال حاضر دو نوع متانول در بازار برای مصرف در خودرو وجود دارد:

 M85 که ترکیبی از 85 درصد متانول و 15 درصد بنزین بدون سرب است و M100 که 100 درصد متانول است.

M85 به عنوان سوخت جایگزین درخودروهای سبک مورد استفاده قرارمی گیرد، در حالی که ازM100 درخودروهای سنگین مانند کامیونها و اتوبوسها و همچنین خودروهای الکتریکی استفاده می شود.                                                                 

استفاده از متانول به عنوان سوخت جایگزین در موتورهای احتراق داخلی باعث کاهش راندمان حرارتی  و پوسیدگی در سیستم سوخت رسانی می شود، به همین علت امروزه از آن تنها برای تولید هیدروژن در FCEV ها استفاده می شود. بدین صورت که با گذشتن متانول ذخیره شده در مخزن خودرو از reformer هیدروژن تولید شده و از واکنش آن در پیل سوختی با اکسیژن انرژی الکتریکی لازم برای حرکت خودرو تولید می گردد.

طبق آمار به دست آمده تا سال 2004 در حدود 21800  خودرو سبک با سوخت M85 و بیش از 400 خودروی سنگین با سوخت M100 و همچنین 40000 خودرو با پیل سوختی متانولی توسط شرکتهای معتبر خودروسازی از جمله فورد، کرایسلرو بنز طراحی و ساخته شده است و بر اساس پیش بینی های صورت گرفته تا سال  2020 میلادی تعداد خودروهای با پیل سوختی متانولی به 35 میلیون دستگاه خواهد رسید.

اتانول(C2H5OH)

گرچه خواص اتانول بسیار شبیه متانول است، اما معمولا به جای گاز طبیعی از زیست توده تولید می شود.

هزینه های تولید اتانول سه تا پنج برابر تولید بنزین است، که بستگی زیاد به هزینه های ماده خام دارد. اتانول به دو شکل مورد استفاده قرار می گیرد:

هم به عنوان سوخت درموتورهای SI و CI کاربرد دارد، و هم پس از تبدیل به ETBE به عنوان افزودنی بدون کوبش به جای سرب به بنزین اضافه می شود.(منشا تجدید پذیر آن به عنوان زیست توده دلیل اصلی استفاده از این افزودنی به جای MTBE است)

اتانول نیاز به مخزنی 50 درصد بزرگتر و 65 درصد سنگین تر از بنزین دارد، تا معادل آن انرژی تولید کند. چگالی انرژی اتانول بیشتر از متانول است، اما در مقایسه با بنزین و گازوئیل کمتر است.

 چون اتانول عدد اکتان پایین تری نسبت به متانول دارد، راندمان حرارتی آن پایین تر است. 

  مصرف انرژی چاه تا چرخ اتانول، به ویژه زمانی که از مواد سلولزی تهیه می شود بالاست ، ولی چون از زیست توده تولید می شود، انتشار CO2 چاه تا چرخ آن از بنزین و گازوئیل کمتر است. انتشار CO  و HC آن در مقایسه با بنزین در خودروهای سبک کار کمتر و در مقایسه با گازوئیل در خودروهای سنگین کار بیشتر است.