بررسی روش‌های مختلف گازسوز کردن خودرو‌های دیزلی

بررسی روش‌های مختلف  گازسوز کردن خودرو‌های دیزلی

مدت‌ها است اتوبوس‌های درون شهری گازسوز چهره خیابان‌های شهر‌های بزرگ کشور را تغییر داده‌اند و این روز‌ها تقریباً به دیدن آن‌ها عادت کرده‌ایم. این اتوبوس‌ها آلایندگی بسیار کمی دارند و در چند سال اخیر به خوبی توانسته‌اند وظایف خود را انجام دهند اما آیا تا به حال به روند گازسوز کردن موتور خودرو‌های دیزل فکر کرده‌اید؟ آیا در این موتور‌ها تنها گاز جایگزین گازوییل شده است و یا موتور این خودرو‌ها تغییرات بیشتری را شاهد بوده‌اند؟ آیا همه موتور‌های دیزل گازسوز شده مشابه هم هستند؟ آیا گازسوز کردن موتور‌های دیزل مخصوص ایران است یا در کشور‌های دیگر نیز به کار گرفته می‌شود؟ پاسخ تمام این سئوالات را در ادامه مرور خواهیم کرد.

هر چند به طور عمومی استفاده از سوخت گاز (به شکل مختلف آن)  بیشتر برای خودرو‌های سواری معمول است، اما خودرو‌های سنگین و به ویژه خودرو‌های ویژه حمل و نقل عمومی نیز یکی از مهمترین مشتریان سیستم‌های گازسوز هستند. علت اصلی این مسأله پاک بودن سوخت گاز نسبت به سوخت دیزل است. خودرو‌های خدمات شهری و حمل و نقل عمومی درون شهری، به دلیل آنکه به طور پیوسته در محیط‌های شهری و مناطق پر جمعیت در حال رفت و آمد هستند می‌توانند اثرات آلایندگی بسیار زیادی از خود به جای بگذارند و به همین دلیل توجه به کاهش آلایندگی آن‌ها ‌بسیار حائز اهمیت است. در کنار این، در کشور ما به دلیل وجود منابع بسیار عظیم گازی، برنامه‌ریزان سوخت کشور استفاده از گاز به جای گازوییل را برای ناوگان شهری توصیه کرده‌اند و این روند در چند سال اخیر به اجرا گذاشته شده است. از سوی دیگر ارزان‌تر بودن سوخت گاز نسبت به گازوییل در کشور‌های مختلف باعث شده ‌ایده استفاده از گاز (با وجود تمام محدودیت‌هایی که در گذشته به آن‌ها اشاره شده) به جای گازوییل حتی در کامیون‌ها و کشنده‌ها نیز مطرح شود.
تبدیل خودرو‌های دیزل به خودرو‌هایی با قابلیت حرکت با گاز، فرآیند پیچیده‌ای است و علت اصلی این پیچیدگی نیز به ماهیت بسیار متفاوت گازوییل و گاز به ویژه در زمینه اکتان باز می‌گردد. به طور کلی سه روش اصلی برای تبدیل یک موتور دیزل به یک موتور با قابلیت مصرف سوخت گاز وجود دارد که در ادامه مرور خواهیم کرد.
استفاده کامل از گاز
در این روش گاز به طور کامل جانشین گازوییل در موتور خودرو می‌شود و عملاً خودرو دیگر توانایی استفاده از سوخت گازوییل را نخواهد داشت. هر چند این روش بیش از سایر روش‌ها در کشور‌های مختلف به کار گرفته شده اما واقعیت آن است که مطلوب‌ترین روش برای گازسوز کردن موتور‌های دیزلی نیست و برعکس، همان‌گونه که خواهیم دید روشی پر هزینه و پیچیده است. در این روش اساس کاری موتور دیزل به طور کامل تغییر می‌کند و عملاً سیکل کاری موتور دیگر سیکل دیزل نبوده و به سیکل اتو تبدیل می‌شود. در این روش مسأله اصلی مشتعل کردن گاز است. موتور‌های گازوییل‌سوز به گونه‌ای طراحی شده‌اند که نیازی به شمع نداشتند و با تزریق سوخت گازوییل به داخل سیلندر در زمان مناسب، مخلوط آتش گرفته و تولید نیرو می‌کند اما این روش را نمی‌توان در مورد سوخت گاز به کار برد و به همین دلیل برای شعله‌ور کردن مخلوط هوا و گاز باید از شمع استفاده کرد.
برای تبدیل موتور دیزل به موتور گازسوز در این روش تغییرات زیر در موتور اعمال می‌شود:
-
به دلیل تفاوت ماهیت سوخت گاز و گازوییل، سیستم سوخت‌رسانی دیزل شامل پمپ انژکتور، لوله‌های سوخت، انژکتور‌ها و ... باید به طور کامل از موتور خودرو حذف شود.
-
نسبت تراکم موتور برای استفاده از گاز باید کاهش پیدا کند. به همین دلیل پیستون‌ها باید مجدداً ماشین‌کاری شوند و شکل اتاقک احتراق با عملکرد سیکل اتو سازگار شود.
-
با حذف سیستم انژکتور‌های دیزلی، سیستم تغذیه گاز باید در موتور نصب شود که مهمترین بخش آن قسمت مربوط به مخلوط کردن گاز و هوا است.
-
سر سیلندر باید اصلاح شود تا امکان نصب شمع‌ها بر روی آن وجود داشته باشد.
-
شمع‌ها نیاز به تأمین برق برای جرقه‌زنی دارند و به همین دلیل سیستم جرقه‌زنی شامل کویل و دلکو و ... باید بر روی موتور نصب شود.
این روش با وجود نیاز به تغییرات گسترده، مزایایی دارد که استفاده از آن را در بعضی موارد توجیه‌پذیر می‌کند. از مهمترین این مزایا، بی‌نیازی از سوخت گازوییل در این خودروها است و به این ترتیب برای کشور‌هایی که منابع سوخت کافی در زمینه گاز دارند روش مناسبی به شمار می‌رود. از سوی دیگر حذف سیستم سوخت‌رسانی دیزل که مجموعه‌ای پیچیده و گران قیمت است، باعث می‌شود هزینه‌های تولید این موتور‌ها بر‌خلاف پیچیدگی، قابل قبول باشد. البته مجموعه تغییرات انجام گرفته بر روی موتور خودرو آنقدر گسترده است که عملاً نمی‌توان آن را گازسوز کردن موتور دیزل نامید بلکه شرکت‌های سازنده معمولاً بر اساس موتور‌های دیزل خود، موتوری گازسوز طراحی و تولید می‌کنند. همین تغییرات گسترده یکی از معایب این سیستم است. با تغییر از سیکل دیزل به سیکل اتو، مزایای زیادی از موتور گرفته می‌شود چرا که موتور‌های سیکل دیزل، بازدهی حرارتی بالاتری نسبت به موتور‌های سیکل اتو دارند و مصرف سوختشان نیز پایین‌تر است اما در موتور‌های تبدیل شده، این مزایا از میان می‌رود هر چند در مقابل گاز معمولاً ارزان‌تر از دیزل است. با تغییرات انجام گرفته، بالانس تمامی قطعات متحرک موتور باید بار دیگر مورد بررسی قرار گیرد. در نهایت با این تغییرات، امکان استفاده از سوخت دیزل در آینده وجود نخواهد داشت و موتور خودرو به طور کامل به گاز طبیعی وابسته می‌شود.
استفاده از سوخت مخلوط
در حالت اول سوخت گاز به عنوان تنها سوخت مورد استفاده در خودرو بود اما در روش دوم، سوخت گاز تنها نقش کمکی را برای سوخت دیزل دارد به این معنی که موتور خودرو در اصل با سوخت دیزل کار می‌کند اما سوخت گاز بخشی از تأمین انرژی را بر عهده می‌گیرد تا مصرف سوخت دیزل و آلایندگی کاهش پیدا کند. در این روش مقدار گازوییل پاشیده شده درون سیلندر به حدود 60 تا 70‌درصد کاهش پیدا می‌کند و این اختلاف از طریق گاز جبران می‌شود. گاز پیش از ورود به سیلندر، به وسیله کاربراتوری با هوا مخلوط می‌شود و سپس در مرحله تراکم وارد سیلندر می‌شود. در مرحله تراکم مخلوط گاز و هوا متراکم می‌شود اما گاز به طور خود به خود مشتعل نخواهد شد. در زمانی که پیستون به نقطه مرگ بالایی رسید، گازوییل نیز به موتور پاشیده می‌‌شود و به این ترتیب احتراق انجام شده و با انفجار مخلوط، پیستون پایین می‌آید و سیکل کاری موتور پی گرفته می‌شود.
به این ترتیب مشخص است در این روش گازوییل همچنان نقش اصلی را دارد و گاز تنها به عنوان یک عامل کمکی وارد میدان می‌‌شود و نبود آن را هم می‌توان با افزایش میزان گازوییل پاشیده شده جبران کرد. یکی از مهمترین خصوصیات این سیستم، بی‌نیازی از تغییرات گسترده است که قیمت تولید این موتور‌ها را پایین می‌آورد. از سوی دیگر بررسی‌ها نشان داده است قدرت بیشینه خروجی موتور و نمودار‌های گشتاور، در این روش تقریباً با حالت مصرف گازوییل خالص یکسان است و به این ترتیب یکی از بزرگترین مشکلات موتور‌های نوع یک که بحث کاهش توان بود از میان می‌رود. میزان دوده تولید شده توسط موتور در این حالت حدود 50درصد کاهش پیدا می‌کند که برای مباحث زیست‌محیطی و آلودگی شهری بسیار با اهمیت است. مصرف سوخت گازوییل هر چند در این موتور‌ها کمتر است اما در نهایت با توجه به قدرت تولید شده نمی‌توان این موتور‌ها را کم مصرف‌تر دانست ولی به دلیل پاک بودن موتور‌های مطلوبی هستند ضمن آنکه همواره می‌توان بدون گاز نیز از آن‌ها استفاده کرد.
در مقابل اگر هدف جایگزینی گازوییل با گاز باشد این روش مناسب نیست چرا که نمی‌توان درصد گاز را از حدود 40درصد بالاتر برد ضمن آنکه در مقایسه با موتور‌هایی با سوخت خالص گاز، همچنان میزان آلایندگی بالاتر است. به همین دلیل این راه حل در زمانی که منابع گازی و گازوییل اختلاف قیمت و دسترسی چندانی نداشته باشند مقرون به صرفه است. از سوی دیگر در این روش به دلیل مسایل تکنیکی که در ادامه بررسی خواهیم کرد، استفاده از گاز نفتی مایع (LPG) عمومی‌تر و معقول‌تر است.
استفاده از سوخت آتش زا
در روش قبلی، سوخت اصلی موتور همچنان گازوییل بود و از سوخت گاز به عنوان سوخت کمکی استفاده می‌شد. در روش اول نیز هر چند گاز سوخت اصلی بود، اما موتور برای استفاده از گاز نیاز به تغییرات زیادی داشت که علت اصلی آن لزوم وجود سیستم جرقه‌زنی در موتور‌های گازسوز بود. نکته مهم همان‌گونه که پیش از این اشاره کردیم، چگونگی شعله‌ور کردن مخلوط هوا و گاز است چرا که نمی‌توان از ساختار موتور‌های دیزل برای این منظور استفاده کرد. به همین دلیل شکل سومی از موتور‌های گازسوز توسعه پیدا کرده است که در آن‌ها ترکیب بسیار مناسبی از توانایی‌های موتور گازسوز در کنار عدم نیاز به تغییرات گسترده در موتور خودرو وجود دارد. در این موتور‌ها، از گازوییل به عنوان عاملی برای شعله‌ور کردن مخلوط گاز و هوا استفاده می‌شود. در این موتور‌ها، سوخت اصلی گاز است و مخلوط گاز و هوا پس از مخلوط شدن وارد سیلندر می‌شوند. در این حالت در مرحله تراکم و زمانی که پیستون در نقطه مرگ بالایی است، باید مخلوط مشتعل شود و در غیاب شمع‌ها، گازوییل این وظیفه را بر عهده دارد. انژکتور‌های موتور در نقطه مرگ بالا مقدار اندکی گازوییل را به داخل محفظه احتراق می‌پاشند. این گازوییل هر چند اندک است اما مانند تمام موتور‌های گازوییل‌سوز، به دلیل پاشیده شدن در هوای فشرده مشتعل می‌شود.
اشتعال این مخلوط آنقدر قوی نیست که بتواند موتور را به حرکت در آورد ولی مشتعل شدن آن باعث می‌شود مخلوط هوا و گاز نیز مشتعل شود و اشتعال این مخلوط است که توان موتور را تأمین می‌کند. در این روش گازوییل تنها 10 تا 20‌درصد سوخت خودرو را تشکیل می‌دهد و سوخت اصلی موتور گاز است هر چند نمی‌توان گازوییل را به طور کامل حذف کرد چرا که در این صورت مخلوط برای مشتعل شدن دچار مشکل می‌شود. البته مخلوط هوا و گاز هم مانند گازوییل می‌تواند قابلیت خود اشتعالی داشته باشد اما مشکل آن جا است که این اتفاق تنها در نسبت‌های تراکم بسیار بالا رخ می‌دهد ضمن آنکه موتور در این حالت دچار پدیده ضربه می‌شود چون گاز باید قبل از ورود به محفظه احتراق با هوا ترکیب شود و نمی‌توان آن را مانند گازوییل به داخل سیلندر پاشید.
در این موتور‌ها معمولاً از گاز طبیعی (CNG) استفاده می‌کنند چون این گاز را می‌توان با هر نسبتی به کار گرفت اما گاز نفتی مایع (LPG) در نسبت‌های بالای ترکیب با هوا در مرحله تراکم موتور دچار انفجار ضربه‌ای می‌شود و به همین علت است که LPG بیشتر برای موتور‌های نوع دوم مناسب است.
استفاده از این نوع موتور‌ها باعث می‌شود یکی از مشکلات اصلی موتور‌های دیزل که تولید دود سیاه است مرتفع شود و این موتور‌ها تقریباً هیچ‌گاه دچار این پدیده نمی‌شوند. یکی از مهمترین مزایای این موتور‌ها تغییرات اندکی است که باید بر روی موتور خودرو‌های دیزلی اعمال شود ضمن آنکه پاک بودن این موتور‌ها نیز مسأله بسیار مهمی است. از سوی دیگر از نظر تئوری این موتور‌ها توانی برابر با موتور‌های دیزل مشابه خود دارند و حتی قدرت خروجی آن‌ها نیز می‌تواند بیشتر باشد.
در این موتور‌ها به دلیل میزان اندک گازوییل استفاده شده، عملاً می‌توان گفت سوخت گاز جایگزین سوخت دیزل شده است. این موتور‌ها در مواقع خاص می‌توانند به موتور‌های  دیزلی تبدیل شوند که این مسأله نیز یکی از مزایای آن‌ها است. در مقابل این موتور‌ها در بار‌های کم، بازده حرارتی کمی دارند و مقادیر آلایندگی آن‌ها افزایش پیدا می‌کند هر چند در بارهای بالا توان خرجی آن‌ها بسیار مناسب است. به همین دلیل از این روش بیشتر در موتور‌های زمینی استفاده می‌شود (به عنوان مثال موتور‌های دیزل ژنراتور‌ها) چرا که این موتور‌ها را می‌توان همواره در بار ایده‌آل قرار داد. البته استفاده از آن‌ها در موتور‌های خودرو‌های سنگین هم عمومیت دارد