سوختهاي جايگزين مورد استفاده در خودروها

[محمد 1990]

سوخت‌هاي جايگزين مورد استفاده در خودروها

از آنجا كه بخش حمل و نقل سهم عمده‌اي را در مصرف انرژي و آلودگي محيط ‌زيست به خود اختصاص داده است. بنابراين بيش از پيش لزوم استفاده از سوخت‌هاي جايگزين ارزان اما با آلايندگي پايين احساس مي‌شود.
عمده‌ترين سوخت‌هاي جايگزين عبارتند از: 1. گاز مايع نفتي 2.گاز طبيعي LPG 3.متانول (الكل)NG 4. اتانول 5. بيوديزل 6. هيدروژن 7. دي ام اي
هر كدام از اين سوخت‌ها داراي محاسن و معايبي به شرح ذيل مي‌باشند كه بايد تواماً مدنظر قرار گيرند.

گاز مايع نفتي (LPG)
الف- محاسن: عدد اكتان بالا (نسبت تراكم بالا و بالطبع راندمان حرارتي بالا)، مصرف پايين انرژي از چاه تا چرخ (نسبت به بنزين)، انتشار بسيار پايين ذرات معلق و ديگر مواد آلاينده نسبت به بنزين (به جز اكسيدهاي نيتروژن).

ب- معايب: مخزن سوخت (باك) سنگين و حجيم‌تر نسبت به بنزين، ايمني كمتر نسبت به بنزين و گازوئيل، افت توان در موتورهاي دوگانه‌سوز و هزينه بالاي جايگاه‌هاي سوخت‌گيري و تجهيزات گازسوز كردن خودرو.

گاز طبيعي (NG)
الف- محاسن: عدد اكتان بالا (راندمان حرارتي بالا)، ميزان مصرف انرژي چاه تا چرخ كمتر از بنزين و گازوئيل، انتشار هيدرو كربن‌هاي غيرمتان كمتر از بنزين و انتشار بسيار كم ذرات معلق، منواكسيد و دي اكسيد كربن.

ب- معايب: هزينه‌هاي بالاي جايگاه‌هاي سوخت‌گيري و تجهيزات گازسوز كردن خودرو، افت توان در موتورهاي دوگانه‌سوز و سنگين و حجيم بودن مخازن سوخت.
متانول
الف- محاسن: عدد اكتان بالاتر از بنزين، قابليت تبديل به هيدروژن مورد استفاده در خودروهاي پيل سوختي، انتشار دي اكسيد كربن كم و انتشارات تبخيري پايين‌تر نسبت به بنزين.

ب- معايب: چگالي انرژي كمتر از بنزين، بهاي بالاتر از بنزين، عدد ستان پايين، سنگين و حجيم بودن مخزن سوخت نسبت به مخزن بنزين، دارا بودن اثر خورندگي بر تجهيزات سوخت‌رساني و سمي بودن بخارات سوخت.
اتانول:
ويژگي‌هاي اين سوخت بسيار شبيه متانول است، اما در مقايسه با آن داراي عدد اكتان كمتر و نيز بخارات غيرسمي مي‌باشد.

بيوديزل
الف- محاسن: ميزان مصرف انرژي چاه تا چرخ كمتر از بنزين، انتشار كمتر دي اكسيد كربن و هيدروكربن‌هاي نسوخته نسبت به گازوئيل، خطر بهداشتي كمتر نسبت به گازوئيل.

ب- معايب: نسبت به گازوئيل داراي مصرف بالاتر انرژي چاه تا چرخ، انتشار بيشتر اكسيدهاي نيتروژن و ذرات معلق و مخزن سنگين و حجيم‌تر مي‌باشد.

هيدروژن
الف- محاسن: (عدد اكتان بالا (سه برابر بنزين و بسيار پايين بودن تمامي آلاينده‌ها به جز اكسيدهاي نيتروژن.

ب- معايب: هزينه بالاي تجهيزات، مخزن بسيار حجيم سوخت و ايمني بسيار پايين.

DME)دي متيل اتر(
الف- محاسن: عدد ستان بالا (در حد گازوئيل)، مصرف انرژي چاه تا چرخ كمتر از بنزين و انتشار آلاينده‌هاي كم (منواكسيد كربن و هيدروكربن‌هاي نسوخته در حد گازوئيل- اكسيدهاي نيتروژن و ذرات معلق در حق بنزين.

ب- معايب:بهاي بسيار بالاتر از بنزين و مخزن سنگين و حجيم سوخت.

مقدمه
امروزه جهان در زمينه انرژي با دو بحران محدود بودن منابع سوخت‌هاي فسيلي و آلودگي محيط‌زيست روبه‌رو مي‌باشد. در اين ميان بخش حمل و نقل، سهم عمده‌اي را در مصرف انرژي و آلودگي محيط‌زيست به خود اختصاص داده است لذا در طول نيم قرن گذشته تحقيقات زيادي براي جايگزيني انواع انرژي در بخش حمل و نقل انجام شده و هنوز هم در حال انجام است.
اين تحقيقات بيشتر در زمينه خودروهاي برقي، پيل سوختي، هيدروژني، گازسوز (LPG, NG) و همچنين خودروهايي با سوخت DME، اتانول و انرژي خورشيدي مي‌باشد.
به لحاظ مواردي چون راندمان حرارتي، شتاب، حداكثر سرعت و برد (پيمايش) خودرو، آلايندگي، مصرف انرژي از چاه تا چرخ، هزينه‌هاي تعمير و نگهداري، در دسترس بودن سوخت (انرژي)، ذخيره‌سازي سوخت در خودرو و هزينه‌هاي مربوط به ايستگاه‌هاي سوخت‌گيري هر كدام از سوخت (انرژي‌)هاي مذكور داراي محاسن و معايبي است كه در بحث جايگزيني سوخت تواماً مد نظر قرار مي‌گيرند. براي مثال خودروهاي برقي با وجود مزاياي آلايندگي پايين (در حد صفر) كاركرد آرام و بي‌سروصدا، راه‌اندازي سريع و آسان، رانندگي راحت و قابل اطمينان و عدم نياز به كلاچ و جعبه‌دنده داراي معايبي نظير بالا بودن هزينه اوليه خودرو، محدود بودن سرعت خودرو (حدود 130 كيلومتر بر ساعت)، پايين بودن شتاب حركت، طولاني بودن زمان شارژ باطري و عدم امكان شارژ مجدد در جاده مي‌باشند.
بنابراين بايد با توجه به سطح فناوري، نوع سوخت در دسترس، نيازهاي روز جامعه و موارد متعدد ديگر سوختي را انتخاب كرد كه نسبت به ديگر سوخت‌ها امتيازات بيشتري داشته باشد.


گاز مايع نفتي (LPG)
LPG يا همان گاز مايع نفتي سوختي جايگزين براي موتورهاي SI مي‌باشد كه تاكنون نقش اندكي در تأمين انرژي حمل و نقل جاده‌اي دنيا ايفا كرده است، اما در بعضي كشورها اين سوخت، سهم قابل ملاحظه‌اي در بخش حمل و نقل دارد. براي مثال در كشور هلند 12 درصد از سهم انرژي مورد مصرف در خودروهاي سواري را سوخت LPG تشكيل مي‌دهد. عدد اكتان بالاي LPG (به‌خصوص نوع پروپان آن)، موجب شده است تا موتورهاي LPGسوز داراي نسبت تراكم بالاتري در مقايسه با موتورهاي بنزين‌سوز بوده و در نتيجه از راندمان حرارتي بالاتري نيز برخوردار باشند. از آنجا كه اغلب خودروهاي سبك LPGسوز، خودروهاي بنزيني مجهز به سيستم گازسوز هستند از اين مزيت برخوردار نبوده و داراي بازدهي پائين‌تري از حد بهينه‌اي كه مي‌توانند داشته باشند مي‌باشد. نسبت تراكم موتورهاي سنگين LPGسوز پايين‌تر از موتورهاي ديزل سنگين مي‌باشند.
ميزان مصرف انرژي چاه تا چرخ LPG كمتر از بنزين و بيشتر از گازوئيل است. همچنين در خودروهاي سبك ميزان انتشارات NOX چاه تا چرخ LPG تقريباً معادل بنزين بوده، اما ديگر مواد آلاينده و منتشره پايين‌تر مي‌باشند. در خودروهاي سنگين LPGسوز ميزان انتشار پايين ذرات معلق قابل توجه است.
LPG در فشار و دماي محيط به شكل گاز بوده و در مخزن سوخت تحت فشار متوسط 6 تا 8 بار به صورت مايع ذخيره مي‌شود. با در نظر گرفتن ميزاني از انرژي يكسان، مخزن سوخت LPG در مقايسه با مخزن بنزين داراي حجمي معادل دو برابر و وزني بيش از 5/1 برابر مي‌باشد.
شير اطمينان فشار مخزن LPG در فشار بالاتر از 20 بار عمل مي‌كند. اين در حالي است كه انفجار مخزن در فشارهاي بالاتر از 100 بار امكان‌پذير خواهد بود.
مخزن سوخت خودرو را نبايد بيشتر از 80 تا 85 درصد گنجايش پر كرد تا فضاي كافي براي انبساط سوخت وجود داشته باشد.
گاز LPG سنگين‌تر از هوا بوده و در صورت ريزش يا نشت بخارات آن در سطح زمين باقي مانده و ممكن است توسط يك عامل اشتعال‌زا منفجر شود. به اين دليل بايد از پارك كردن اين خودروها در پاركينگ‌هاي زيرزميني پيشگيري كرد.
LPG در هوا بسيار سهل‌تر از بنزين و گازوئيل مشتعل مي‌شود، اما از آنجا كه سعي مي‌شود مخازن سوخت LPG به‌گونه‌اي ساخته شوند كه ايمني و استحكام لازم را داشته باشند لذا احتمال نشت سوخت در هنگام تصادفات و خطرات احتمالي آن نسبت به مخازن بنزين و گازوئيل كمتر است. در مجموع LPG را مي‌توان سوختي ايمن در نظر گرفت.

گاز طبيعي(NG)
گاز طبيعي (CH4) كه از پوسته زمين استخراج مي‌شود، تنها سوختي است كه تقريباً نيازمند انجام هيچ فرايندي براي قابل استفاده شدن در خودرو نيست و تنها لازم است تا خشك شده و سولفيد هيدروژن (H2S) آن (از گاز ترش) جدا شود. گاز طبيعي تبديل شده به گاز تركيبي به عنوان منبع توليد متانول، DME و هيدروژن به كار گرفته مي‌شود.
در كشورهايي همچون ايتاليا، آرژانتين، روسيه و امريكا، خودروهاي NGسوز فراواني وجود دارد در كشور ايران نيز به‌تازگي استفاده از گاز طبيعي فشرده (CNG) مورد توجه قرار گرفته و سعي شده است تا در بخش نتيجه‌گيري به آن پرداخته شود. در حال حاضر اين سوخت به عنوان سوختي مهم براي استفاده در خودروهاي سراسر دنيا مطرح نمي‌باشد و تنها كشورهايي كه داراي شبكه توزيع كافي گاز طبيعي باشند مي‌توانند اين سوخت را به عنوان سوخت خودروهاي خود برگزينند و كشورهاي فاقد چنين زيرساخت‌هايي قطعاًَ چنين كاري را پرهزينه خواهند يافت. سوخت NG همانند LPG داراي عدد اكتان بالا بوده و در نتيجه با استفاده از آن مي‌توان به نسبت‌هاي تراكم بالاتري دست يافت. به اين لحاظ است كه بازدهي حرارتي يك موتور صد در صد NGسوز در حدود 10 درصد بيشتر از موتورهاي بنزيني است. البته بايد توجه داشت كه بازدهي موتور NGسوز در حدود 15 تا 20 درصد كمتر از موتورهاي سنگين گازوئيل‌سوز است.
ميزان مصرف انرژي چاه تا چرخ آن قابل قياس با LPG است (يعني كمتر از بنزين و گازوئيل). همچنين گاز طبيعي به غير از هيدروكربن‌ها داراي انتشارات چاه تا چرخ كمتري مي‌باشد.
گاز طبيعي كه سبك‌تر از هوا بوده و دماي اشتعال بالايي دارد، در مقايسه با LPG داراي خصوصيات و ويژگي‌هاي ايمني مناسب‌تري است.
NG در شرايط محيطي داراي محتواي انرژي پاييني مي‌باشد، اما زماني كه به شكل مايع تبديل گردد قابل مقايسه با LPG خواهد بود. مخازن سوخت نصب شده بر روي خودرو معمولاً داراي فشار بالا بوده (مانند مخازن CNG) و گاهي اوقات داراي دماهاي پايين مي‌باشند (مانند گاز طبيعي مايع LNG). معمولاً گاز CNG درون مخازن فولادي، كامپوزيتي و يا آلومينيمي تحت فشار 240-200 بار قرار دارد. اين مخازن براي دست يافتن به همان برد رانندگي خودروهاي بنزيني به وزني معادل پنج برابر و حجمي معادل 4 برابر نياز دارند. مخازن سوخت كامپوزيتي يا آلومينيمي داراي وزني معادل 50 درصد مخازن فولادي هستند، اما بهاي آنها نسبتاً گران است.
گاز LNG در مخازن نصب شده روي خودرو تحت فشار 2 تا 6 بار و دماي 161- درجه سلسيوس قرار دارد. يك مخزن LNG با در نظرگيري محتواي انرژي يكسان با مخزن گازوئيل داراي فضايي معادل دو برابر و وزني معادل 40 درصد بيشتر خواهد بود.
روش گاز طبيعي جذب شده روش ديگر استفاده از اين سوخت است كه همچنان در مرحله تحقيق مي‌باشد. در اين روش گاز متان در يك ساختار كربني متخلخل جذب مولكول‌هاي كربن شده و 12 درصد از حجم موجود را در برمي‌گيرد. با توجه به فشار آزمايشي 35 باري كه براي اين سوخت در نظر گرفته شده، جرم سوخت و مخزن آن در شرايط بينابيني سوخت‌هاي بنزين، گازوئيل و CNG قرار گرفته است. مخزن ANG نسبتاً ارزان و ايمن بوده و به خاطر فشار پايين آن و در نتيجه عدم نياز به استفاده از كمپرسورهاي گران‌قيمت، براي ايستگاه‌هاي سوخت‌گيري خانگي بسيار مناسب است.
متانول
سوخت مايع متانول (CH3OH) الكلي است كه معمولاً از گاز طبيعي ساخته مي‌شود. به اين صورت كه ابتدا با استفاده از بخار آب، گاز طبيعي به گاز تركيبي تبديل شده و سپس با تغيير نسبت CO/H2 بر روي اين گاز تغييراتي انجام مي‌شود.

CO + H2O= CO2 + H2 و CH4 + H2O = CO + 3H2

در مرحله بعد پس از خروج ناخالصي‌ها، اكسيدهاي كربن و هيدروژن با يكديگر واكنش داده و متانول ايجاد مي‌شود.

CO2 + 2H2 = CH3OH و CO2 + 3H2= CH3OH + H2O

همچنين توليد متانول از بيومس (مواد سلولزي، نشاسته‌اي و چوب) به لحاظ فني امكان‌پذير بوده، اما هنوز از ديد اقتصادي مقرون به صرفه نيست. در اين فرايند ابتدا بيومس به گاز تركيبي تبديل و سپس متانول توليد مي‌شود.
متانول نسبت به بنزين، داراي چگالي انرژي كمتر و عدد اكتان بيشتر مي‌باشد. همچنين بهاي آن از بنزين گران‌تر است. كاربرد متداول متانول در موتورهاي احتراق جرقه‌اي اغلب به صورت مخلوط با بنزين مي‌باشد، اما مي‌توان از آن در موتورهاي احتراق تراكمي به صورت خالص استفاده كرد. البته با توجه به پايين بودن عدد ستان آن بايد جهت ايجاد تطابق از تجهيزات كمك اشتعال يا افزودني‌ها استفاده كرد.
با توجه به پايين بودن چگالي انرژي متانول نسبت به بنزين بايد براي دستيابي به برد يكسان از مخزن سوختي با گنجايش 75 درصد بزرگ‌تر و تقريباً دو برابر وزن بيشتر استفاده كرد. از طرفي سيستم سوخت‌رساني اين نوع خودروها بايد از موادي ساخته شود كه در مقابل خوردگي و اثرات شيميايي الكل مقاوم باشد.
متانول به عنوان متداول‌ترين سوخت مورد مصرف براي خودروهاي پيل‌سوختي به‌كار مي‌رود به اين صورت كه متانول به هيدروژن تبديل شده و هيدروژن به عنوان سوخت استفاده مي‌شود. از جمله كاربردهاي ديگر متانول، تركيب آن با ايزوبوتان و توليد MTBE است كه به عنوان ماده افزودني ضدكوبش به بنزين افزوده مي‌شود و جايگزين افزودني‌هاي سرب‌دار است.
ميزان مصرف انرژي چاه تا چرخ متانول به‌خصوص زماني كه از بيومس تهيه مي‌شود بسيار بالا مي‌باشد. همچنين ميزان انتشار هيدروكربني چاه تا چرخ اين سوخت به‌خصوص در مورد متانول به دست آمده از گاز طبيعي بالا بوده و ميزان انتشار دي‌اكسيد كربن زماني كه اين سوخت از بيومس تهيه مي‌شود بسيار اندك مي‌باشد. سرعت تبخير متانول پايين است در نتيجه داراي انتشارات تبخيري كمتري نسبت به بنزين خواهد بود.

اتانول به عنوان سوخت
در وضعيت امروزي جهان که گازهاي گلخانه اي به سرعت در حال وارد شدن به جو هستند و مشکلات دستيابي به بنزين ، اين سوال پيش مي آيد که براي پاکيزگي محيط زيست و مصرف کامل بنزين در موتور راهي وجود دارد يا خير؟
بعضي سوخت هيدروژن را پيشنهاد مي کنند که بسيار پاکيزه و عالي است اما بدليل خاصيت انفجاري هيدروژن مشکلات ايمني استفاده از اين سوخت وجود دارد ، و نيرومحرکه هاي ديگر انرژي باد و خورشيد است ، اما يکي از سوخت هاي تجديد شدني اتانول است .
اما براي پاسخ به اين که آيا اين سوخت قابليت استفاده در ماشين بصورت عمده را دارد يا نه بايد بدانيم که اتانول چيست و از کجا بدست مي آيد.
اتانول نوعي الکل است که در آمريکا از غلات (معمولا ذرت ) بدست مي آيد و در برزيل از نيشکر بدست مي آيد همچنين مي توان آن را از بقيه غلات مثل گندم جو و يا حتي سيب زميني بدست آورد. 2 راه براي توليد اتانول از غلات وجود دارد يکي از آنها آسياب کردن آن بصورت خشک است .
1- ابتدا دانه هاي غلات را خرد کرده تا بصورت پودر در بيايد .
2- يک مخلوط بصورت نرم از آب و نوعي آنزيم و پودر بدست آمده درست مي کنيم اين آنزيم باعث تجزيه آن پودر مي شود .
3- آنزيم ديگري به آن اضافه مي کنيم که نشاسته داخل آن را به قند تبديل کند و طي عمليات تخمير آن قند به الکل تبديل مي شود .
4- مايه تخمير به مخلوط اضافه مي شود تا فرآيند تخمير رخ دهد و قند به الکل و دي اکسيد کربن تبديل شود .
5- مخمر عرق کرده و اتانول از ماده جامد جدا مي شود .
6- فرآيند دي هيدروژن يا خشک کردن باعث خارج شدن آب از اتانول مي شود .
7- مقداري بنزين به آن اضافه مي کنند تا غير قابل خوردن شود .
اتانول به عنوان ماده اضافه شده به سوخت ماشين استفاده مي شود ( 1 واحد اتانول و 9 واحد بنزين ) در اين صورت co و نيتروژن اکسيد کمتري وارد جو ميشود چون اتانول داراي اکسيژن بيشتري در ساختار خود است بنابراين بهتر مي سوزد همچنين بنزين کمتري مصرف خواهد شد .
اما ماشين هاي بسيار کمي به اين صورت تجهيز شده اند بنابر گفته ي آزمايشگاه بين المللي Argonne بر اثر استفاده از اتانول تنها در سال 2004 تقريبا 7 تن گاز گلخانه اي از جو کم شده است .
( اين استفاده در واقع اضافه کردن اتانول به بنزين براي بهتر سوختن است)

اما دو مشکل براي استفاده از اتانول به عنوان سوخت اصلي وجود دارد :
1- اترژي دريافتي از اتانول به اندازه بنزين نيست .
2- ساخت اتانول از مواد غذايي باعث از بين رفتن غذاهايي مي شود که براي مصرف مردم ضروري است
اما طرفداران محيط زيست و سياستمداران براي استفاده از اين سوخت پاک اين مشکلات را جدي نمي گيرند .
بنابر محاسبات آماري دکتر Pimental توليد اتانول بيشتر از سوزاندن آن انرژي مصرف مي کتد و اين يعني از دست دادن انرژي .
براي توليد مواد غذايي و حمل و نقل اتانول به سوخت فسيلي نياز داريم چون اتانول را نمي شود با لوله منتقل کرد زيرا قسمتهاي مختلف آن طي حرکت از هم جدا مي شود بنابراين طبق اين تحقيق اين راه توليد اتانول (استفاده از غلات ) به صرفه نيست .
يک روش توليد ديگر روش سلولزي است که اتانول را از چوب و گياهان بدست مي آورند اين طرز توليد اتانول مي تواند با بازده نسبتا بالاي خود باعث سازش بين اتانول و بنزين در سوخت ماشين ها شود .

بيوديزل
به گروهي از روغن‌هاي گياهي استري شده گفته مي‌شود كه از محصولات حاوي روغن به دست مي‌آيد. اين محصولات دامنه وسيعي از گياهان را شامل مي‌شود و مهم‌ترين آنها عبارتند از: دانه‌هاي روغني، سويا، آفتاب‌گردان و درخت نخل. براي توليد سوخت بيوديزل ابتدا گياه مورد نظر تحت فشار قرار گرفته و مايع روغني آن جدا مي‌شود.
در اين مرحله محصولي فرعي به نام كيك روغني توليد مي‌شود كه در دامداري‌ها مصرف دارد. سپس بعد از صاف نمودن مايع روغني، به كمك عمل استريفيكاسيون ساختار مولكولي پرانشعاب و پيچيده روغن‌ها به انشعابات كوچك‌تر با ساختار مولكولي راست زنجيره تبديل مي‌شود. در طول فرايند استريفيكاسيون الكل تك ظرفيتي (معمولاً متانول) جايگزين گليسيرين الكل سه ظرفيتي شده و متيل استر توليد و گليسيرين به عنوان دومين محصول فرعي آزاد مي‌شود كه از آن مي‌توان در صنايع آرايشي و دارويي استفاده كرد. ميزان مصرف انرژي چاه تا چرخ بيوديزل بيشتر از گازوئيل (ديزل فسيلي) و كمتر از بنزين است. ميزان انتشارات چاه تا چرخ بيوديزل بسيار نزديك به انتشارات گازوئيل، ميزان انتشارات NOX و ذرات معلق آن بيشتر اما CO و هيدروكربن‌هاي آن كمتر مي‌باشد. ميزان CO2 بيوديزل همچنان پايين است زيرا اين سوخت از بيوديزل تهيه مي‌شود. براي كسب برد رانندگي يكسان با گازوئيل، خودرويي با سوخت بيوديزل به 15 درصد وزن سوخت بيشتر و مخزني با 9 درصد حجم بيشتر نياز دارد.
بيوديزل در مقايسه با گازوئيل خطر بهداشتي كمتري براي انسان و حيوانات داشته و به خاطر تجزيه‌پذير بودن آن به محيط‌زيست، آسيب كمتري مي‌رساند.

هیدروژن(H2):

هیدروژن سوختی به صورت گاز است و تقریبا از تمام مواد اولیه حاوی هیدروژن می توان آن را به دست آورد. دو روش اصلی تولید آن، یکی الکترولیز آب و دیگری تبدیل به بخار یا گازی کردن مواد خام هیدروژن دار است. گاز طبیعی مهمترین ماده خام تولید هیدروژن به روش تبدییل با بخار است مواد خام دیگر برای تبدیل با بخار شامل LPG و نفت است. روغنهای سنگین، زغال سنگ و به صورت بالقوه زیست توده را می توان از طریق گازی کردن به هیدروژن تبدیل نمود.
هیدروژن به ویژه در مرحله تولید، بیشترین مصرف انرژی چاه تا چرخ را دارد. انتشار آلاینده - ها از چاه تا چرخ بستگی بسیار زیاد به روش تولید دارد، و انتشار آلاینده ها از خودرو،به جز NOX ، از موتورهای درون سوز قابل چشم پوشی است.
عدد اکتان هیدروژن بالاست و موتور هیدروژن سوز در مقایسه با نوع مشابه بنزینی بازده گرمایی بیشتری دارد. در موتورهای SI و پیل سوختی می توان از هیدروژن استفاده کرد، ولی هم سوخت و هم خودروها گرانتر از نوع رایج اند.
هیدروژن انرژی ا شتعال بسیار کمی نیاز دارد و حدود ا شتعال پذیری آن بسیار وسیع است، بنابراین ایمنی ذخیره سوخت در خودرو مسئله اصلی در فضاهای بسته است. در دامنه وسیعی از مخلوط سوخت – هوا ( از بسیار رقیق تا بسیار غنی ) به سرعت محترق می شود.
دو روش برای ذخیره سازی هیدروژن در خودرو فعلا مورد توجه جدی است: ذخیره هیدروژن به صورت هیدرید و هیدروژن مایع. گزینه سوم یعنی ذخیره سوخت به صورت گاز تحت فشار بالا در عمل برای خودرو مشکل ساز است، زیرا مخزن حجمی معادل بیست برابر مخزن بنزین خواهد داشت.

خصوصيات احتراقي هيدروژن
محدوده وسيع قابليت احتراق
انرژي مشتعل شدن كم
ضخامت كم لايه خاموش شدن(quench )
دماي خودسوزي بالا (اكتان زياد )
سرعت سوختن زياد در نسبت استوكيو متريك
ضريب پخش زياد
چگالي خيلي كم

محدوده وسيع قابليت اشتعال
هيدروژن در مقايسه با ديگر سوخت ها محدوده وسيعي در قابليت اشتعال دارد . يعني موتور ميتواند در نسبت هاي مختلفي از مخلوطهاي هوا به سوخت كار كند. يك مزيت مهم آن اين است كه هيدرژن مي تواند در يك مخلوط رقيق هم روشن باشد. اين همان علت آن ست كه موتور هيدروژني واقعا به آساني روشن مي شود.
انرژي مشتعل شدن كم
هيدروژن انرژي مشتعل شدن كمي دارد. ميزان انرژي مورد احتياج براي مشتعل شدن هيدروژن حدودا يك مرتبه بزرگي كمتر از بنزين است. اين موتور هيدروژني را توانا مي كند تا در مخلوطهاي رقيق روشن شود و روشن شدن سريع را اطمينان دهد.
ضخامت كم لايه خاموش شدن(quench )
هيدروژن ضخامت لايه خاموش شدن كمی دارد ،كمتر از بنزين. در نتيجه ، شعله هاي هيدروژن نسبت به سوخت هاي ديگر قبل از اينكه خاموش شوند به ديواره سيلندر نزديكتر مي شوند. بنابراين يك شعله هيدروژن سخت تر از بنزين خاموش مي شود.

دماي خودسوزي بالا)اكتان زياد(
هيدروژن دماي خود سوزی نسبتا بالايی دارد. اين وقتي مخلوط سوخت و هوا فشرده مي شود معنی خيلي مهمي دارد . در واقع ، دماي خود سوزي يك فاكتور مهم در تعيين نسبت تراكمي كه موتور ميتواند استفاده كند است ، چون دما هنگام تراكم بالا مي رود و هرچه نسبت تراكم بالا تر رود دماي نهايي تراكم نيز بالا تر خواهد بود . بالا رفتن دما بوسيله معادله زير نشان داده مي شود :
T2=T1(V1/V2)^γ-1
كه در آن:
V1/V2=نسبت تراكم
T1=دماي اوليه مطلق
T2=دماي نهايي مطلق
γ=نسبت گرماهاي ويژه
دما ممكن نيست از دماي خود سوزي هيدروژن متجاوز شود و احتراق پيش رس رخ ندهد . از اين رو ، دماي نهايي مطلق با نسبت تراكم مناسب محدود مي شود. دماي خودسوزي بالاي هيدروژن اجازه مي دهد تا از نسبت تراكم بالاتر از موتورهاي هيدروكربوري استفاده شود.
اين نسبت تراكم بالاتر خيلي مهم است زيرا آن به بازده حرارتي سيستم ربط دارد. از طرف ديگر ، هيدروژن به سختي در يك موتور ديزل يا احتراق تراكمي روشن مي شود ، زيرا دماي مورد احتياج براي اين نوع احتراق نسبتا بالا است.
سرعت سوختن زياد در نسبت استوكيو متريك
تحت شرايط استوكيو متريك، سرعت سوختن هيدروژن تقريبا يك مرتبه بزرگي بزرگتر از بنزين است . اين به اين معني است كه موتورهاي هيدروژني به سيكل ايده آل ترموديناميكي نزديكتر هستند . در مخلوطهاي رقيق تر ، هر چند ، سرعت شعله به طور چشمگيري كم مي شود.
ضريب پخش زياد
اين توانايي پراكنده شدن در هوا به طور قابل توجهي بزرگتر از بنزين است و اين مزيت است ، به دو دليل اصلي: اولا ، آن تشكيل مخلوط يكنواخت را آسان مي كند. ثانيا، اگر نشتي هيدروژن اتفاق بيفتد ، هيدروژن به سرعت پراكنده مي شود . از اين رو ، خطر انفجار مي تواند كم يا جلوگيري شود .
چگالي خيلي كم
اين دو عيب را در موقعي كه در موتورهاي احتراق داخلي استفاده مي شود بوجود مي آيد: اولا ، حجم زيادي براي ذخيره سازي هيدروژن كافي نياز است تا به خودرو محدوده لازم حركت را بدهد. ثانيا ، چگالي انرژي مخلوط هيدروژن-هوا ، و بنابراين قدرت خروجي كم مي شود .

DME )دي متيل اتر(
دير زماني نيست كه DME به عنوان سوخت مطرح شده است. نحوه توليد اين سوخت بسيار شبيه به متانول است كه در آن گاز طبيعي يا بيومس به گاز تركيبي تبديل شده و سپس در فرايند سنتز اكسيژنه، DME توليد مي‌گردد. حمل و نقل و اقدامات احتياطي اين سوخت مشابه LPG مي‌باشد.
DME در شرايط محيطي به صورت گاز بوده و در فشاري متوسط (6 بار) مي‌توان آن را به صورت مايع ذخيره كرد.
DME در مقايسه با بنزين بسيار گران‌قيمت‌تر است و احتمالاً تا مدت‌ها به اين صورت باقي خواهد ماند. اين سوخت داراي چگالي انرژي معادل 50 درصد گازوئيل است لذا به مخازن سوخت بزرگ بر روي خودرو نياز دارد. عدد ستان بالاي DME نسبت به گازوئيل آن را براي موتورهاي CI بسيار مناسب ساخته و بازده موتور را قابل رقابت با موتورهاي CI گازوئيل‌سوز كرده است. ميزان مصرف انرژي مربوط به خودرو اين سوخت (خودروهاي سبك) كمتر از بنزين است. به‌طوري كلي داده‌هاي مربوط به انتشار آلاينده‌هاي خودروهاي با سوخت DME نشانگر مقادير بسيار پايين آنها نسبت به ديگر سوخت‌ها مي‌باشد. ميزان انتشار CO و HC آن معادل گازوئيل و ميزان NOX و ذرات معلق آن معادل بنزين است. ذخيره DME در خودرو مانند LPG و در فشار 9 بار مي‌باشد. مخزن اين سوخت داراي حجمي حدود 66 درصد و وزني حدود 47 درصد بيشتر از مخزن سوخت بنزين است.
DME هيچ‌گونه مسموميتي براي انسان ايجاد نمي‌كند، اما مي‌تواند موجب تحريك چشم‌ها و سيستم تنفسي شود.
البته بايد توجه داشت كه خودروهاي با سوخت DME با باك حجيم و سنگيني نياز دارند.

خودروهای هوا سوز
این اتومبیل محصول شرکت ام دی ای است که در لوگزامبورگ سال 1991 تاسیس شد و موتور ان با هوای فشرده و بنزین کار می کند .
یعنی به صورت دوانرژی می باشد و خالق ان اقای گوی نگره است که وی قبلا در دهه 80 روی مو تورهای هواپیما کار می کـــــرد سپس با توسعه موتورهایی از نوع سوپاپ چرخشی با پیکر بندی مانند 12 سیلندر مسابقه ای فرمول 1 جایزه موسسه نفت فرانسه را برد .
این شرکت دارای 160سرمایه گذار 30 مهندس و نیز 30 ثبت اختراع در 120 کشور دنیا اسـت. نمونه های اولیه مدل جدید این شرکت در کارخانه ای واقع در جنوب فرانسه تحت نظارت 60 تکنسین در بخش تحقیق و توسعه ان در حال اتمام می باشد .
این شرکت دارای یک دفتر تجاری در بارسلونا است که بر روی گسترش بین المللی برنامه های خودکار میکند .

مشخصات فنی اتومبیل :

این اتومبیل دارای یک مخزن هوا با گنجایش 90 متر مکعب و فشار 300 بار است و بخاطر اینکه حاوی مواد اتش زا نمی باشد قابل انفجار نیست و اگر هم شکستگی در این مخزن ایجاد شود چون جنس ان از الیاف شیشه است در مسیر خود ترک خواهد خورد و فقط صدایی مهیبی می دهد و شیر مخزنی در وسط ان تعبیه شده است هنگام خروج هوا تکانه ای در اتومبیل ایجاد نکند .
این اتومبیل دارای یک کمپرسور کوچک است و طوری طراحی شده است که در مدت 3 تا 4 ساعت مخزن را پر می کند .


بدنه این اتومبیل همانند بسیاری از اتومبیل های دیگری که هم اکنون در بازار موجود است از الیاف شیشه می باشد و فوم به ان تزریق شده است که این تکنولوژی دارای دو مزیت است :
هزینه کمتر و وزن پایین تر. صدای موتور ان هم نسبت به موتور های معمولی پایین تر است . دامنه مسافتی که با هر بار پر نمودن مخزن می توان با ان طی نمود بستگی به سرعت حرکت دارد.
در سرعت 50 کیلومتر بر ساعت دامنه حرکت بیش از 300 کیلومتر است و در 100 کیلومتر بر ساعت دامنه حرکت ان به یک سوم ان میرسد. در محیط های درون شهری این اتومبیل قادر است بیش از 10 ساعت حرکت کند.

هزینه پر نمودن مخزن ها حدود 2 دلار است. در ایستگاه های شارژ مخزن بین 3 و 4 دقیقه زمان می برد تا کاملا پر شود.در خانه با برق 220 ولت (3.5)ساعت زمان برای پر شدن لازم است.
سیستم برق این اتومبیل بر مبنای تابش رادیویی است که توسط میکرو کنترلرهایی که بر روی هر یک از لوازم برقی اتومبیل نصب شده است دریافت می گردد که بدین ترتیب موجب می شود تنها یک کابل برق برای کل وجود داشته باشد .

دو مزیت مشخص این سیستم یکی سادگی نصب و تعمیر اسان سیستم و دیگری کاهش وزن به اندازه 22 کیلوگرم می باشد.این اتومبیل با عبور دادن اتمسفر از فیلترهای کر بنی و رفع گرد و خاک و ذرات ساینده فراوان موجود در هوای شهر از اسیب رسیدن به کمپرسور های نصب شده در هر اتومبیل جلوگیری می کند سپس کمپرسور هر اتومبیل ان را فشرده می سازد .
بنابراین این اتومبیل نه تنها هیچ گونه گاز سوخته شده و آلودگی به هوا اضافه نمی کند بلکه ازالاینده های هوا می کاهد بطوری که دارای الایندگی منفی است .پس از اگزوز ان هوای پاک با دمایی بین 5 تا 30 درجه سانتیگراد بیرون می اید

مخزن موتور( ام دی ای ) بخاطر بزرگ بودن ابعاد قابل نصب روی خودروهای متداول نمی باشد .


این اتومبیل یکبار در بیستم ژون سال 2000 در سالن گراند هتل بارسلونا و یکبار در بیست ونهم سپتامر سال2002 درنمایشگاه اتومبیل پاریس به نمایش گذاشته شد.
(articulated conrod)شرکت (هم دی ای) در قسمت شاتون مفصل داراختراعی را به ثبت رسانده که بدین شرح می باشد:

در این سیستم پیستون در زاویه 70 چرخش میل لنگ در قسمت نقطه مرگ بالا متوقف می شود ، بطوری که باعث می شود یک محفظه انبساط با حجم ثابت در درون سیلندر به وجود اید.

MDIچرخه ی موتور

(Compression phase)مرحله تراکم
در این موتور، هوای اتمسفری تا20بارتوسط پیستون فشرده می شود و در این فرایند تا 400 درجه سانتیگراد ،گرم می شود.


مرحله سیستم هوا رسانی:
وقتی پیستون می ایستد ، هوای متراکم که دارای دمای محیطی است از درون مخزن به درون سیلندر تزریق می گردد .

مرحله انبساط هوا :
تزریق هوا موجب یک افزایش سریع در فشار و انبساط هوا می شود که بدین ترتیب پیستون را عقب می راند،بنابراین موتور را میچرخاند
و در موتور نیرو ایجـاد می کند.

نحوه کار:
کل مخزن از الیاف کربن در هم تنیده شده ساخته شده که دارای آستری از مواد ترموپلاستیک می باشد و هر کدام قابلیت ذخیره 90مترمکعب هوا در فشار300 بار دارند. انبساط هوا در داخل سیلندر پیستون را به عقب می راند .
بخاطر عدم احتراق ، تعویض روغن (که از نوع روغن خوراکی است) ندرتاً انجام می شود بطوری که در هر 50000 کیلومتر تعویض روغن انجام می شود.
مبنای کار سیستم

اولین پیستون هوا را می مکد و ان را متراکم می کند. هوای مکیده شده متراکم شده گرم می شود ووقتی پیستون در نقطه مرگ بالا متوقف می شودهوابا فشار بالا ازمخزن ذخیره تزریق می شود انبساط مخلوط دو هوا پیستون را به عقب می راند و موتور را میچرخاند.
ویژگی های اصلی موتور تک انرژی هوای کمپرس شده :
ظرفیت سیلندر به سانتی متر مکعب 4×665
حداکثر قدرت :
25CVدر3500RPM
حداکثرگشتاور:
800AT-1300RPM
خوراک:تزریق الکترونیکی هوا
مقدار روغن و تناوب تعویض ان : (روغن سویا)به ازای هر5.8 لیتر50000 کیلومتر
کاربرد ها:
موتور قایق-به عنوان ذخیره کننده ایده آل انرژی سیستم های غیر الاینده مولد نیرونظیر انرژی خورشیدی یا نیروی هیدرولیک. به جای باتری های سنگین که بهره وری پایین و نگه داری مشکلی دارند این سیستم از هوای کمپرس شده بهره می گیرد که ایمن تر و سبک تر وتمیز تر هستند.
بحث و نتيجه‌گيري
ضرورت انجام اقداماتي حساب شده در جهت كاهش ميزان آلودگي ناشي از بخش حمل و نقل و هماهنگ شدن با فناوري‌هاي روز دنيا بر كسي پوشيده نيست. توجه به مسائل اقتصادي، فني و زيست محيطي در كنار لزوم استفاده از تجربه كشورهاي موفق و ناموفق در اين زمينه بايد جزء لاينفك اين اقدامات باشد.
امروزه در كشورهاي صنعتي بدون ايجاد محدوديت‌هاي تغيير نوع سوخت نظير تغيير و توسعه زيرساخت‌هاي سوخت‌رساني، تغيير سيستم احتراق موتور، ضرورت رفع مشكلات فني ايجاد شده در موتور، ضرورت آموزش عمومي در استفاده و تعمير و نگهداري اين سيستم‌ها؛ عوامل اصلي كاهش آلاينده‌ها مواردي چون طراحي بهينه موتورها و كاربرد سيستم‌هاي كاهش آلاينده اگزوز با راندمان بالا مي‌باشد.
اما در كشور ما به دليل عدم دسترسي به دانش فني لازم و فناوري‌هاي خاص صنعت خودرو به دلايل اقتصادي و فني ذكر شده در متن مقاله به نظر مي‌رسد تنها گزينه منطقي در راستاي اين هدف استفاده از گاز طبيعي به طرق مختلف در خودروهاست؛ همچنان كه در كشور برزيل يا برخورداري از مزارع وسيع نيشكر، بهترين انتخاب سوخت اتانول بوده است.
گاز طبيعي مي‌تواند براي خودروهايي كه فاقد سيستم‌هاي پيچيده تصفيه خروجي اگزوز هستند، سوخت مناسبي تلقي شود. تا آنجا كه آژانس بين‌المللي انرژي (IEA)در اجلاس 1995 توكيو رسماً گاز طبيعي را به عنوان سوخت جايگزين در صنعت حمل و نقل معرفي و اعلام كرد كه از سال 2020، گاز طبيعي بهترين جايگزين براي صنعت حمل و نقل زميني در كشورهاي داراي اين ذخاير است. البته همان‌طور كه در متن مقاله اشاره شد استفاده از گاز طبيعي تنها به روش CNG ختم نمي‌شود بلكه به صورت‌هاي ANG، LNG، تبديل گاز طبيعي به سوخت‌هاي متعارف مايع اما با فرمولاسيون بهينه (تكنولوژي GTL) و يا تبديل به هيدروژن و متانول استفاده مي‌شود. در پايان بايد گفت در بحث ورود گاز طبيعي به بخش حمل و نقل نبايد كوچك‌ترين شكي به خود راه داد، اما بايد در اين جايگزيني تمامي جوانب كار مدنظر قرار گرفته و به دور از هيجان در اين راه قدم برداريم.

[محمد 1990]

ک