انواع سيستم هاي احتراق در موتورهای دوگانه‌سوز:
به‌طور كلي سه نوع سيستم احتراق در موتورهاي دوگانه‌سوز استفاده مي‌شود:
• موتورهاي دوگانه‌سوز معمولی
• موتورهاي دوگانه‌سوز با آلایندگی NOx
• موتورهاي دوگانه‌سوز با پاشش مستقیم
• موتورهاي دوگانه‌سوز معمولی:
• این نوع موتورها در ابتدا از نوع مكش طبيعی بودند و گاز به وسیله میکسچر با هوا تركيب مي‌شد. اما امروزهاز توربوشارژر استفاده می كنند و گاز درون راهگاه ورودی تزريق مي‌شود. فشار تزريق گاز بايد اندكي بالاتر از فشار مکش هوا باشد. بنابراين فشار تقريبي تزريق درحدود bar 5- 3 مي‌باشد.
• براي تبديل يك موتوردیزل به دوگانه‌سوز، سيستم تزريق به‌جز اصلاحاتي كه ممكن است روي پمپ انژكتور و شكل نازل‌ها ايجاد شود، احتیاج به تغيير خاصي ندارد. با توجه به ترکیب گاز مورد استفاده، نسبت تراكم ممكن است پايين‌تر بيايد تا پديده كوبش اتفاق نيفتد. اما اين مقدار نبايد تا حدي باشد که خاصيت خود اشتعالي گازوئيل بي‌اثر شود. كمترين نسبت تراكم درحدود 11 تا 12 مي‌باشد. حداکثر قدرت خروجی معمولاً 10 تا 20 درصد کمتر از موتور دیزل مشابه می‌باشد. اين كاهش با خاصيت كوبش سوخت محدود مي‌شود و به عدد متان گاز بستگي دارد.
• در بارهاي كم و هنگام راه‌اندازي، موتور روي سوخت گازوئيل كار مي‌كند و هنگامي‌كه نياز به قدرت بيشتري مي‌باشد، ميزان سوخت گازوئيل كمتر شده (كه تقريباً برابر حالت کارکرد درجا يا حتي كمتر از آن) و توان اضافي مورد نياز با غنی کردن مخلوط ورودی (افزایش مقدار گاز) تـأمين مي‌گردد. در اين مرحله كاهش قدرت موتور نيز با رقیق کردن مخلوط ورودی (کاهش مقدار گاز) صورت مي‌گيرد. نهایتاً مخلوط هوا و گاز توسط يك افشانه کاملاًاتميزه شده, سوخت ديزل كه حدود 5 تا 8 درصد سوخت در حالت بار کامل را شامل مي‌شود، مشتعل مي‌گردد.
• با تنظیم سيستم كنترلي حاكم، می‌توان کاری کرد که موتور در حالت بار كامل هم به‌صورت يك موتوردوگانه‌سوز کار کند یا این‌که فقط سوخت دیزل مصرف کند. همچنين اگر گاز تمام شده باشد مي‌توان موتور را روي سوخت دیزل تنظيم كرد كه در اين‌صورت موتور به يك موتور ديزل كامل تبديل مي‌شود. اين امر بسيار مهم است زيرا در موتورهاي دوگانه‌سوز ممکن است كه مخزن گاز، تخليه گردد و موتور روي سوخت گازوئيل به‌تنهایی به حركت ادامه دهد.
موتورهاي دوگانه‌سوز با آلایندگی NOx کم:
موتورهاي دوگانه‌سوز با آلایندگی NOx کم، رقیق‌سوز می‌باشند، در نتیجه در این موتورها دمای بیشینه احتراقپایین آمده ومیزان تولید NOx نسبت به موتورهاي ديزل کاهش می یابد.
مقدار NOx تولید شده بستگی به مقدار گازوئیل پیلوت دارد. دستيابي به NOx خيلي كم نيازمند آن است كه نسبت هم‌ارزی بسيار پايين (درحدود 4/0) باشد. براي داشتن يك احتراق كامل و مطمئن، حداقل 5% سوختگازوئیل در حالت بار کامل به‌عنوان سوخت پيلوت نياز می‌باشد. اما با بهینه کردن سيستم تزريق سوختپیلوت، مي‌توان اين ميزان را تا حدود 2% كاهش داد كه اين کار به طور چشم‌گيري در كاهش NOx، مؤثر مي‌باشد. بهينه‌كردن پاشش سوخت پيلوت به‌معناي بالا بردن فشار تزريق و كاهش قطر سوراخ انژكتورها مي‌باشد كه باعث بالا رفتن قدرت نفوذ و اتميزه شدن سوخت مي‌باشد. درنتيجه يك سوخت با انرژی مناسب دركل محفظه احتراق، آمادگي اشتعال خواهد داشت.
موتورهاي دوگانه‌سوز با پاشش مستقیم:
در آنها گاز و سوخت پیلوت (آتش‌زنه) توام با هم و به طور مستقیم، به داخل سیلندر توسط انژکتور تزریق می‌شوند.
این نوع موتورهای دوگانه‌سوز به موتور "دیزل- گاز" معروف هستند.
برای شروع عمل احتراق، سوخت گازوئیل پیلوت همانند موتورهای دوگانه‌سوز معمولی به داخل سیلندر تزریق می‌شود. مقدار سوخت پیلوت تزریق شده لازم در حدود 3 تا 5 درصد می‌باشد. میزان NOx تولید شده همانند موتورهای دوگانه‌سوز می‌باشد. از آن جا که احتراق در این موتورها از نوع پخشی است و نه پیش‌‌آمیخته، مشکلاتی مانند کوبش و کنترل نسبت هوا به سوخت در حالت بار جزئی تا حد زیادی خودبهخود مرتفع شده‌است. همچنین راندمان بار جزئی و قدرت (BMEP) حالت تمام بار با تغییر وضعیت موتور از دیزل به دوگانه‌سوز با پاشش مستقیم تا حد زیادی بدون تغییر باقی می‌ماند و به تغییرات کیفیت گاز حساس نمی‌باشد.
شکل زیر نحوه پاشش گاز و گازوئیل رابه داخل سیلندر درانتهای زمان تراکم نشان می‌دهد:
در این سیستم به دلیل تزریق مستقیم گاز به داخل محفظه احتراق، فشار پاشش خیلی بالایی نیاز می باشد (در حدود bar 350-250)که این موضوع دارای تبعاتی است، که برخی از آنها عبارتند از:
هزینه کمپرسور مورد نیاز برای پاشش سوخت بسیار زیاد خواهد شد که قسمت عمده افزایش قیمت این‌گونه موتورها از همین امر ناشی می‌شود.
برای به حرکت درآوردن این کمپرسور، چیزی حدود 5% از قدرت موتور صرف می‌شود.
سیستم ایمنی لازم برای این کمپرسور بسیار پرهزینه می‌باشد.
قدرت خروجی و راندمان بیشتر این موتور باعث بالا رفتن قیمت آن می‌گردد.
برای تزریق گاز و گازوئیل از انژکتور استفاده می‌شود که یک نمونه از این انژکتورها با نازل دوگانه (برای پاشش هم زمان گاز و گازوئیل) در شکل زیر نشان داده شده است.
در مجموع مزایای موتورهای دوگانه‌سوز را می‌توان به صورت زیر خلاصه نمود:
توليد دود و ذرات معلق کمتر
امکان تغییر وضعیت به حالت ديزل و استفاده از قدرت موتور ديزل
عدم نياز به اصلاحات در اجزای داخلی موتور
هزينه کمتر سوخت مصرفی
گشتاور بالاتر موتور
موتورهای دیزل اختصاصا گازسوز:
برای تبدیل خودروهای دیزلی به خودروهای گازسوز،علاوه بر دوگانه سوزکردن که در قسمتهای قبل توضیح داده شد، می توان آنها را به خودروهای اختصاصا گازسوز نیز تبدیل کرد.
در این روش بر خلاف روش قبل باید تغییرات بسیار زیادی را در موتور ایجاد کرد.
برای این کار باید سیستم سوخت رسانی گازوئیل(مخازن، پمپ انژکتور و انژکتورها) را برداشته و به جای آن سیستم احتراق جرقه ای را به موتور اضافه کرد. این امر به دلیل آن است که گاز طبیعی، یک سوخت خودسوز نیست و دمای خوداشتعالی آن بالا است. گاز طبیعی با عدد ستان 2 باید تا دمای oC1000 گرم شود تا خودبهخود منفجر شود و این به معنی نسبت تراکم 32 در سیکل دیزل است که عملاً امکان‌پذیر نیست.
همچنین برای جلوگیری از پدیده کوبش با تراشکاری سرسیلندر و پیستونها، باید نسبت تراکم را تا حدود 14 کاهش داد.
موتورهای تبدیل یافته به این روش نسبت به موتورهای دیزلی منحنی گشتاور مناسبتری را ایجاد می کنند. چون در طراحی موتورهای دیزلی، برای ایجاد احتراقی کاملتر ومحدود نمودن میزان انتشار دود، همیشه 25 درصد هوای اضافی در نظرگرفته می شود، در حالی که هنگام استفاده از سوخت گاز در گازهای خروجی هیچ دودی وجود ندارد، و از نظر تئوری همیشه 25 درصد هوای اضافی وجود دارد، که این امر باعث تولید میزان گشتاور بیشتری می شود. در عمل به این میزان گشتاور نمی توان رسید، لکن انعطاف پذیری در شکل منحنی گشتاور وجود دارد.
از معایب این موتورها می توان به کاهش توان خروجی به علت کاهش نسبت تراکم وهمچنین افزایش مصرف ویژه سوخت نسبت به موتورهای دیزل اشاره کرد.البته با تنظیم مناسب آوانس جرقه(MBT) و استفاده از انژکتور برای پاشش گاز به درون سیلندر می توان میزان کاهش توان را تا حدودی بهبود بخشید.
3) موتورهای دوسوخته (Bifuel):
خودروهای دوسوخته، به آن دسته از خودروهایی اطلاق می‌شود که با استفاده از کیت تبدیل، از بنزین‌سوز به گازسوز تبدیل شده‌اند.
این مسأله که این موتورها برای کار با گاز طراحی نشده‌اند، بزرگترین مشکل آنها می‌باشد. لذا به هنگام کار با سوخت گاز معمولاً بین 8 تا 20 درصد افت توان به وجود می‌آید. اصلی‌ترین دلیل این امر، حجم حدود 10 درصد از هوای ورودی است که به وسیله گاز اشغال می‌شود. بعلاوه اثر تبخیر سوخت که باعث کاهش دمای ورودی و افزایش چگالی می‌شود، در سوخت گازی وجود ندارد. موارد دیگری مانند زمان‌بندی جرقه و سوپاپ‌ها، طراحی منیفولد و طراحی محفظه احتراق، از جمله مسائلی می‌باشند که در هنگام تغییر نوع سوخت از بنزین به گاز باعث کاهش راندمان می‌شوند.
تهيه كننده:
محسن حصير باف و مرتضي سپاهي
www.gerdavari.com
به‌طور كلي سه نوع سيستم احتراق در موتورهاي دوگانه‌سوز استفاده مي‌شود:
• موتورهاي دوگانه‌سوز معمولی
• موتورهاي دوگانه‌سوز با آلایندگی NOx
• موتورهاي دوگانه‌سوز با پاشش مستقیم
• موتورهاي دوگانه‌سوز معمولی:
• این نوع موتورها در ابتدا از نوع مكش طبيعی بودند و گاز به وسیله میکسچر با هوا تركيب مي‌شد. اما امروزهاز توربوشارژر استفاده می كنند و گاز درون راهگاه ورودی تزريق مي‌شود. فشار تزريق گاز بايد اندكي بالاتر از فشار مکش هوا باشد. بنابراين فشار تقريبي تزريق درحدود bar 5- 3 مي‌باشد.
• براي تبديل يك موتوردیزل به دوگانه‌سوز، سيستم تزريق به‌جز اصلاحاتي كه ممكن است روي پمپ انژكتور و شكل نازل‌ها ايجاد شود، احتیاج به تغيير خاصي ندارد. با توجه به ترکیب گاز مورد استفاده، نسبت تراكم ممكن است پايين‌تر بيايد تا پديده كوبش اتفاق نيفتد. اما اين مقدار نبايد تا حدي باشد که خاصيت خود اشتعالي گازوئيل بي‌اثر شود. كمترين نسبت تراكم درحدود 11 تا 12 مي‌باشد. حداکثر قدرت خروجی معمولاً 10 تا 20 درصد کمتر از موتور دیزل مشابه می‌باشد. اين كاهش با خاصيت كوبش سوخت محدود مي‌شود و به عدد متان گاز بستگي دارد.
• در بارهاي كم و هنگام راه‌اندازي، موتور روي سوخت گازوئيل كار مي‌كند و هنگامي‌كه نياز به قدرت بيشتري مي‌باشد، ميزان سوخت گازوئيل كمتر شده (كه تقريباً برابر حالت کارکرد درجا يا حتي كمتر از آن) و توان اضافي مورد نياز با غنی کردن مخلوط ورودی (افزایش مقدار گاز) تـأمين مي‌گردد. در اين مرحله كاهش قدرت موتور نيز با رقیق کردن مخلوط ورودی (کاهش مقدار گاز) صورت مي‌گيرد. نهایتاً مخلوط هوا و گاز توسط يك افشانه کاملاًاتميزه شده, سوخت ديزل كه حدود 5 تا 8 درصد سوخت در حالت بار کامل را شامل مي‌شود، مشتعل مي‌گردد.
• با تنظیم سيستم كنترلي حاكم، می‌توان کاری کرد که موتور در حالت بار كامل هم به‌صورت يك موتوردوگانه‌سوز کار کند یا این‌که فقط سوخت دیزل مصرف کند. همچنين اگر گاز تمام شده باشد مي‌توان موتور را روي سوخت دیزل تنظيم كرد كه در اين‌صورت موتور به يك موتور ديزل كامل تبديل مي‌شود. اين امر بسيار مهم است زيرا در موتورهاي دوگانه‌سوز ممکن است كه مخزن گاز، تخليه گردد و موتور روي سوخت گازوئيل به‌تنهایی به حركت ادامه دهد.
موتورهاي دوگانه‌سوز با آلایندگی NOx کم:
موتورهاي دوگانه‌سوز با آلایندگی NOx کم، رقیق‌سوز می‌باشند، در نتیجه در این موتورها دمای بیشینه احتراقپایین آمده ومیزان تولید NOx نسبت به موتورهاي ديزل کاهش می یابد.
مقدار NOx تولید شده بستگی به مقدار گازوئیل پیلوت دارد. دستيابي به NOx خيلي كم نيازمند آن است كه نسبت هم‌ارزی بسيار پايين (درحدود 4/0) باشد. براي داشتن يك احتراق كامل و مطمئن، حداقل 5% سوختگازوئیل در حالت بار کامل به‌عنوان سوخت پيلوت نياز می‌باشد. اما با بهینه کردن سيستم تزريق سوختپیلوت، مي‌توان اين ميزان را تا حدود 2% كاهش داد كه اين کار به طور چشم‌گيري در كاهش NOx، مؤثر مي‌باشد. بهينه‌كردن پاشش سوخت پيلوت به‌معناي بالا بردن فشار تزريق و كاهش قطر سوراخ انژكتورها مي‌باشد كه باعث بالا رفتن قدرت نفوذ و اتميزه شدن سوخت مي‌باشد. درنتيجه يك سوخت با انرژی مناسب دركل محفظه احتراق، آمادگي اشتعال خواهد داشت.
موتورهاي دوگانه‌سوز با پاشش مستقیم:
در آنها گاز و سوخت پیلوت (آتش‌زنه) توام با هم و به طور مستقیم، به داخل سیلندر توسط انژکتور تزریق می‌شوند.
این نوع موتورهای دوگانه‌سوز به موتور "دیزل- گاز" معروف هستند.
برای شروع عمل احتراق، سوخت گازوئیل پیلوت همانند موتورهای دوگانه‌سوز معمولی به داخل سیلندر تزریق می‌شود. مقدار سوخت پیلوت تزریق شده لازم در حدود 3 تا 5 درصد می‌باشد. میزان NOx تولید شده همانند موتورهای دوگانه‌سوز می‌باشد. از آن جا که احتراق در این موتورها از نوع پخشی است و نه پیش‌‌آمیخته، مشکلاتی مانند کوبش و کنترل نسبت هوا به سوخت در حالت بار جزئی تا حد زیادی خودبهخود مرتفع شده‌است. همچنین راندمان بار جزئی و قدرت (BMEP) حالت تمام بار با تغییر وضعیت موتور از دیزل به دوگانه‌سوز با پاشش مستقیم تا حد زیادی بدون تغییر باقی می‌ماند و به تغییرات کیفیت گاز حساس نمی‌باشد.
شکل زیر نحوه پاشش گاز و گازوئیل رابه داخل سیلندر درانتهای زمان تراکم نشان می‌دهد:
در این سیستم به دلیل تزریق مستقیم گاز به داخل محفظه احتراق، فشار پاشش خیلی بالایی نیاز می باشد (در حدود bar 350-250)که این موضوع دارای تبعاتی است، که برخی از آنها عبارتند از:
هزینه کمپرسور مورد نیاز برای پاشش سوخت بسیار زیاد خواهد شد که قسمت عمده افزایش قیمت این‌گونه موتورها از همین امر ناشی می‌شود.
برای به حرکت درآوردن این کمپرسور، چیزی حدود 5% از قدرت موتور صرف می‌شود.
سیستم ایمنی لازم برای این کمپرسور بسیار پرهزینه می‌باشد.
قدرت خروجی و راندمان بیشتر این موتور باعث بالا رفتن قیمت آن می‌گردد.
برای تزریق گاز و گازوئیل از انژکتور استفاده می‌شود که یک نمونه از این انژکتورها با نازل دوگانه (برای پاشش هم زمان گاز و گازوئیل) در شکل زیر نشان داده شده است.
در مجموع مزایای موتورهای دوگانه‌سوز را می‌توان به صورت زیر خلاصه نمود:
توليد دود و ذرات معلق کمتر
امکان تغییر وضعیت به حالت ديزل و استفاده از قدرت موتور ديزل
عدم نياز به اصلاحات در اجزای داخلی موتور
هزينه کمتر سوخت مصرفی
گشتاور بالاتر موتور
موتورهای دیزل اختصاصا گازسوز:
برای تبدیل خودروهای دیزلی به خودروهای گازسوز،علاوه بر دوگانه سوزکردن که در قسمتهای قبل توضیح داده شد، می توان آنها را به خودروهای اختصاصا گازسوز نیز تبدیل کرد.
در این روش بر خلاف روش قبل باید تغییرات بسیار زیادی را در موتور ایجاد کرد.
برای این کار باید سیستم سوخت رسانی گازوئیل(مخازن، پمپ انژکتور و انژکتورها) را برداشته و به جای آن سیستم احتراق جرقه ای را به موتور اضافه کرد. این امر به دلیل آن است که گاز طبیعی، یک سوخت خودسوز نیست و دمای خوداشتعالی آن بالا است. گاز طبیعی با عدد ستان 2 باید تا دمای oC1000 گرم شود تا خودبهخود منفجر شود و این به معنی نسبت تراکم 32 در سیکل دیزل است که عملاً امکان‌پذیر نیست.
همچنین برای جلوگیری از پدیده کوبش با تراشکاری سرسیلندر و پیستونها، باید نسبت تراکم را تا حدود 14 کاهش داد.
موتورهای تبدیل یافته به این روش نسبت به موتورهای دیزلی منحنی گشتاور مناسبتری را ایجاد می کنند. چون در طراحی موتورهای دیزلی، برای ایجاد احتراقی کاملتر ومحدود نمودن میزان انتشار دود، همیشه 25 درصد هوای اضافی در نظرگرفته می شود، در حالی که هنگام استفاده از سوخت گاز در گازهای خروجی هیچ دودی وجود ندارد، و از نظر تئوری همیشه 25 درصد هوای اضافی وجود دارد، که این امر باعث تولید میزان گشتاور بیشتری می شود. در عمل به این میزان گشتاور نمی توان رسید، لکن انعطاف پذیری در شکل منحنی گشتاور وجود دارد.
از معایب این موتورها می توان به کاهش توان خروجی به علت کاهش نسبت تراکم وهمچنین افزایش مصرف ویژه سوخت نسبت به موتورهای دیزل اشاره کرد.البته با تنظیم مناسب آوانس جرقه(MBT) و استفاده از انژکتور برای پاشش گاز به درون سیلندر می توان میزان کاهش توان را تا حدودی بهبود بخشید.
3) موتورهای دوسوخته (Bifuel):
خودروهای دوسوخته، به آن دسته از خودروهایی اطلاق می‌شود که با استفاده از کیت تبدیل، از بنزین‌سوز به گازسوز تبدیل شده‌اند.
این مسأله که این موتورها برای کار با گاز طراحی نشده‌اند، بزرگترین مشکل آنها می‌باشد. لذا به هنگام کار با سوخت گاز معمولاً بین 8 تا 20 درصد افت توان به وجود می‌آید. اصلی‌ترین دلیل این امر، حجم حدود 10 درصد از هوای ورودی است که به وسیله گاز اشغال می‌شود. بعلاوه اثر تبخیر سوخت که باعث کاهش دمای ورودی و افزایش چگالی می‌شود، در سوخت گازی وجود ندارد. موارد دیگری مانند زمان‌بندی جرقه و سوپاپ‌ها، طراحی منیفولد و طراحی محفظه احتراق، از جمله مسائلی می‌باشند که در هنگام تغییر نوع سوخت از بنزین به گاز باعث کاهش راندمان می‌شوند.
تهيه كننده:
محسن حصير باف و مرتضي سپاهي
www.gerdavari.com
