سوخت گاز ميتواند در هر دو نوع موتورهاي احتراق تراكمي، كه بر مبناي سيكل ديزل ميباشند و احتراق جرقهاي، كه برمبناي سيكل اتو كار ميكنند، به كار گرفته شود. با اين حال هيچكدام از موتورهاي ديزل يا جرقه اي كه روي خودروهاي معمولي وجود دارند، براي استفاده از سوخت گاز طبيعي، طراحي نشده اند. بدون شك اصلي ترين موضوع مورد بحث در موتورهاي احتراق داخلي، مسألة احتراق ميباشد. بيشتر مشخصات يك موتور درونسوز به احتراق درون سيلندر بستگي دارد. يك احتراق مناسب ميتواند تمامي مشخصات يك موتور از قبيل راندمان، انتقال حرارت، آلودگي و ديگر مسائل آن را تحت تأثير قرار دهد. براي داشتن يك درك كلي از عملكرد گاز طبيعي در موتورهاي درونسوز، لازم است تا مسائلي از قبيل سيكلهاي هوايي در موتور، خواص سوخت و بررسی انواع سوخت های موتور مورد بررسي قرار گيرند. در ادامه، ابتدا به نكاتي پيرامون بررسي سيكلهاي موتور، خواص سوخت گاز طبيعي و مسأله احتراق ميپردازيم. بعد از آن نكاتي پيرامون سيستمهاي مختلف موتورهاي گازسوز و مسائل مربوط به آنها مطرح ميگردد. دراينجا پيش از ورود به مبحث اصلي، ضروري است تا به نكتهاي اشاره شود. با بررسي كلي و اجمالي منابع و مراجع فارسي موجود در ارتباط با موتورهاي گازسوز كه توسط مؤلفين، محققين و مترجمين محترم كشور تهيه شدهاند، ميتوان نوعي عدم هماهنگي را در نحوة نامگذاري موتورهاي گازسوز مشاهده نمود. از آنجا كه لازم است تا در سطح ملي يك توافق همه جانبه دربارة تعريف هر موتور گازسوز وجود داشته باشد، لذا در اين مجموعه سعي شده تا اسامي هركدام از موتورها با توجه به تعريف دقيق آنها در متن گنجانده شود.

سيكل هاي استاندارد هوايي اتو و ديزل

اين سيكلها بيانگر چرخه هاي ترموديناميكي در موتورهاي رفت و برگشتي با استفاده از سيستمهاي احتراق و سوخت متفاوت ميباشند. در ادامه به توضيح سيكلهاي مختلف ميپردازيم.

سيكل استاندارد هوايي اتو

سيكل استاندارد هوايي اتو يكي از سيكلهاي مهم در موتورهاي احتراق داخلي ميباشد كه به SI نيز معروف است. سيكل SI سيكل موتورهاي SI بيشتر شبيه سيكل استاندارد اتو ميباشد. نسبت تراكم در اين سيكل، توسط عدد اكتان سوخت و شرايط كاركرد موتور، محدود ميشود.
سيكل اتو از چهار فرايند تشكيل شده است كه عبارتند از
فرايند 1 تا 2 :تراكم آيزنتروپيك
فرايند 2 تا 3 :افزودن گرما در حجم ثابت
فرايند 3 تا 4 :انبساط آيزنتروپيك
فرايند 4 تا 1 :گرفتن گرما در حجم ثابت
شكل 3 مراحل سيكل يك موتور چهار زمانه SI را نشان ميدهد. اين مراحل عبارتند از: الف: مرحله مكش ب: مرحله تراكم ج: مرحله انبساط يا قدرت د: مرحله تخليه

سيكل استاندارد هوايي ديزل
يكي ديگر از سيكلهاي استاندارد هوايي، سيكل ديزل ميباشد. اين سيكل به عنوان يكي از سيكلهاي بسيار مهم در موتورهاي احتراق داخلي مورد استفاده قرار ميگيرد. مراحل كار موتورهاي ديزل چهارزمانه در شكل زیر نشان داده شده است.

مراحل اين سيكل عبارتند از
فرايند 1 تا 2 :تراكم آيزنتروپيك
فرايند 2 تا 3 :اضافه كردن گرما در فشار ثابت
فرايند 3 تا 4 :انبساط آيزنتروپيك
فرايند 4 تا 1 :گرفتن گرما در حجم ثابت
گاز طبيعي ميتواند در هر دو سيكل معروف ديزل و اتو كار كند. نحوة عملكرد گاز در هر يك از اين سيكلها در قسمتهاي بعدي ارائه خواهد شد. با اينحال اين دو سيكل از نظر راندمان با يكديگر تفاوتهايي دارند. اگر نسبت تراكم در دو سيكل اتو و ديزل مساوي باشد، راندمان سيكل اتو بيشتر خواهد بود. اما از آنجاييكه در سيكل ديزل عملاً نسبت تراكم بالاتر است، راندمان موتورهايي كه با اين سيكل كار ميكنند بالاتر از راندمان موتورهاي SI است.

پديده كوبش

در محفظه احتراق به دليل اشتعال خود به خودي مخلوط سوخت و هواي پيش آميخته، قبل از رسيدن جبهه شعله به آن، به وجود ميآيد. اين پديده در موتورهاي SI اتفاق ميافتد و هنگامي رخ ميدهد كه قسمتي از مخلوط سوخت و هوا كه هنوز جبهه شعله به آن نرسيده است، بر اثر گرماي ناشي از تراكم و پيشروي جبهه شعله، به طور خود به خود منفجر شود. اين انفجار بسيار شديد بوده و ميتوان آن را كاملاً حجم ثابت فرض كرد. اين مسأله باعث افزايش ناگهاني فشار در قسمتي از محفظه احتراق و به وجود آمدن يك موج فشاري شديد و حركت آن در داخل محفظه احتراق ميشود.
عوامل مؤثر در پديدة كوبش به دو دسته تقسيم ميشوند:
عوامل مربوط به موتور
عوامل مربوط به سوخت
عوامل موتوري كه باعث افزايش احتمال كوبش ميشوند عبارتند از:
• افزايش نسبت تراكم
• آوانس كردن زمان جرقه
• افزايش دماي مكش
• كم بودن آشفتگي جريان در هنگام احتراق
• كاهش دور موتور
اثر نوع سوخت در بروز پديده كوبش، با عدد اكتان سوخت ارتباط دارد. مقاومت سوخت در برابر احتراق خود به خودي را با عدد اكتان سوخت نمايش ميدهيم. براي به دست آوردن عدد اكتان هر سوخت، قابليت تحمل هر سوخت در برابر پديدة خود اشتعالي با سوختهاي اكتان و هپتان نرمال مقايسه ميشود. مقاومت سوخت اكتان در برابر خوداشتعالي بالاست و عدد اكتان آن را 100 قرار ميدهيم. ازسوي ديگر، هپتان نرمال در برابر خود اشتعالي مقاومت بسيار كمي داشته و عدد اكتان آن صفر است. بقيه سوختها عموماً بين اين دو سوخت قرار ميگيرند. سوختهاي گازي مانند گاز طبيعي، عدد اكتان بالاي 100 دارند. در مورد اينگونه سوخت ها شاخص متان تعريف ميشود. عدد اكتان سوخت، نسبت تراكم موتور را محدود ميكند. بهطور مثال بنزين در موتورهاي معمولي در نسبت تراكمهاي حدود 8 تا 10 كار ميكند، در حاليكه گاز ميتواند در نسبت تراكمهاي بالاي 12 نيز براحتي به عنوان سوخت مصرف شود. بالا بردن نسبت تراكم به بالا رفتن راندمان موتور ميانجامد كه استفاده از سوخت CNG اين امكان را بهتر فراهم ميكند.

مشخصات گاز طبيعی

سوختهاي بسياري در موتورهاي معمولي مورد استفاده قرار ميگيرند كه اين امر بستگي زيادي به مشخصات جغرافيايي محل استفاده موتور و ميزان فراواني آن سوخت در آن منطقه دارد. گاز طبيعي اساساً از متان تشكيل شده است. بسته به محل جغرافيايي چاه گاز ، مقدار متان موجود در گاز طبيعي بين 80 تا 98 درصد ميباشد (گاز طبيعي ايران تقريباً داراي 5/96 درصد متان است). بنابراين خواص اين گاز بسيار مشابه با گاز متان است. همچنين نسبت تركيبات ديگر گازها نيز در عملكرد گاز طبيعي مؤثر ميباشد.
به غير از متان، مواد ديگر موجود در اين گاز به ترتيب اهميت عبارتند از
اتان (بين 1 تا 8 درصد)
پروپان (تا 2 درصد)
بوتان و پنتان (كمتر از يك درصد)
همچنين موادي مانند نيتروژن (N2 (و دي اكسيدكربن (CO2 (نيز ممكن است در گاز طبيعي يافت شود. واضح است كه درصدهاي بيان شده بهطور كلي صحيح ميباشند ولي براي هر چاه گاز، بايد تركيب خاص آن را شناسايي كرد. بهعنوان مثال در چاه گاز Uch در پاكستان بيش از 40 درصد CO2 و بيش از 25 درصد نيتروژن وجود دارد. شايان ذكر است كه براي استفاده در موتور خودروها، از گاز طبيعي كه بيش از 80 درصد متان دارد استفاده ميشود. البته بديهي است كه از ساير سوختهاي گازي نيز ميتوان در موتورهاي گازسوز استفاده كرد، اما عموماً اين گازها تحت عنوان گاز طبيعي كم انرژي شناخته ميشوند.

ارزش حرارتی سوخت

ارزش حرارتي يك سوخت كه بر واحد جرم يا حجم بيان ميشود ، بيانگر مقدار انرژي آزادشده بر واحد جرم يا حجم سوخت در يك واكنش شيميايي كامل، كه فقط منجر به توليد CO2 و H2O ميشود، ميباشد. اگر در اين واكنش شيميايي H2O بهصورت مايع درنظر گرفتهشود، ارزش حرارتي كلي (GHV مقدار انرژي آزادشده به نام ارزش حرارتي بالايي (HHV( ناميده ميشود. اگر مقداري از انرژي آزادشده صرف تبديل آب مايع به بخار درنظر گرفته شود، ارزش حرارتي پائيني (LHV به مقدار انرژي آزادشده ارزش حرارتي خالص (NHV( ميگوييم.
در مورد گاز طبيعي، متداول است كه ارزش حرارتي برحسب كيلووات ساعت بر مترمكعب kWh/Nm ) 3 ) تحت شرايط نرمال فشار و دما (فشار 101325 پاسكال و دماي صفر درجه . اما هنگامي كه از گاز طبيعي بهعنوان سوخت موتور ياد ميشود مقادير ارزش حرارتي خالص (NHV (و ارزش حرارتي كلي (GHV (برحسب مگاژول بر كيلوگرم (kg/MJ (بيان شوند.