مقبولترین تئوری برای تشکیل گاز طبیعی تئوری منشا آلی است که تشکیل آن را ناشی از مدفون شدن بقایای موجودات زنده در زیرزمین و تبدیلات شیمیایی آنها می داند. متان قسمت اصلی گاز طبیعی است .

CH4

گاز طبیعی عمدتاً از متان ( CH4 ) تشکیل یافته است. ( معمولاً ۸۸ تا ۹۶ درصد مولی) و مابقی ترکیبات آن را سایر آلکان ها ( نظیر : اتان، پروپان، بوتان، ….) با نسبت های کم شونده تشکیل می دهد.
سایر اجزایی که در گاز طبیعی یافت می شوند، عبارتند از : نیتروژن (N2) ، دی اکسید کربن (CO2)، آب ، اکسیژن و مقدار ناچیزی از روغن های روان کننده (حاصل از کمپرسورها )، سولفور به صورت سولفید هیدروژن (H2S ) و سایر ترکیبات سولفور.

اثر اجزاء متشکله گاز بر مجموعه قطعات سیستم :
آب ( H2O ) :
هنگامی که گاز طبیعی متراکم می شود، امکان تشکیل آب در سیلندر و لوله های ارتباطی بین اجزاء سیستم خودروهای گاز وجود دارد. در هوای سرد ( زمستان ) احتمال وقوع چنین پدیده ای بیشتر می باشد. وجود باعث خوردگی و همچنین تشکیل هیدرات می شود.

میزان غلظت مجاز آب بین ۵ تا ۱۰ میلی گرم
در متر مکعب می باشد.
دی اکسید کربن ( CO2 ) :
گاز کربنیک ذخیره شده در سیلندرهای از جنس کربن استیل با آب واکنش داده و ممکن است باعث تشکیل Feco3 در داخل سیلندرها شود.
سولفید هیدروژن ( H2S ) :
در هنگام حضور آب ، H2S می تواند محلول اسیدی تشکیل داده و باعث افزایش خوردگی روی استیل ها می شود.
گوگرد :
به دلیل میزان انحلال اندک گوگرد در آب این عنصر نقش بزرگی در تشکیل و میزان خوردگی نخواهد داشت.
بودار کننده گاز طبیعی ( مرکاپتان ) :
از آنجائیکه گاز طبیعی بدون بو می باشد، شرکت های توزیع کننده محلی مواد بوزای مرکاپتان ( نظیر ترشری بوتیل مرکاپتان) را به علت رعایت ایمنی ( آشکار ساختن حضور گاز ) به آن اضافه می کنند.

این ماده با غلظتی کمتر از حد پائینی اشتعال، قابل آشکار شدن باشد، اضافه می شود. این ماده بودار چندین قابل حل در آب نبوده و به میزان قابل توجهی در فرآیند خوردگی موثر نیست.
خواص و مزایای استفاده از گاز طبیعی:
عدد اکتان بالا :
گاز متان (CH4) خالص به عنوان یک سوخت با مقاومت ضربه آن بالا عدد متان ۱۰۰ را به خود اختصاص داده است و این در حالی است که گاز هیدروژن ( H2 )، نسبت به ضربه بسیار حساس بوده و عدد صفر را به خود نسبت می دهد.

با توجه به اینکه گاز طبیعی دارای ترکیبات دیگری بجز متان می باشد، عدد متان آن به طور معمول بین ۷۰ تا ۹۰ متغیر بوده و بستگی مستقیم به درصد ناخالصی های آن دارد.
همانطور که می دانیم پارامتر مشخصه میزان مقاومت بنزین عدد اکتان می باشد. در صورتی که بخواهیم میزان مقاومت گاز طبیعی را با بنزین و به کمک این عدد مقایسه کنیم، می توان به گاز طبیعی عدد اکتان ۱۳۰ را نسبت داد در حالی که عدد اکتان بنزین در حدود ۹۵ می باشد.
سرعت پخش شعله :

در محفظه های احتراق حاوی مخلوط هوا و گاز سرعت پخش شعله نسبت به مخلوط مشابه هوا – بنزین به میزان ۱۰ درصد پایین تر است، که به همین علت مقدار آوانس جرقه در موتورهای گازسوز بیشتر است.
خواص شیمیایی و تاثیر آن بر محیط زیست و عوامل انسانی :
در جدول های زیر، مقایسه ای بین دو سوخت گاز طبیعی و بنزین صورت گرفته است:

چگالی انرژی گاز طبیعی در مقایسه با دیگر سوخت ها :

 

میزان پخش آلاینده ها :
همانطور که از مقادیر جدول مشاهد می شود، گاز طبیعی کمترین میزان پخش آلاینده های مونوکسید کربن و ناکس را در مقایسه با سوخت های دیگر دارد.
قابلیت اشتعال :
گاز طبیعی با قابلیت بسیار بالاتری نسبت به بنزین در ترکیب با هوا مشتعل می شود.
پخش یکنواخت تر در محفظه احتراق :
با توجه به خاصیت ذاتی گاز طبیعی ( یعنی گاز بودن )، ترکیب آن با هوا راحت تر انجام شده و در تمام محفظه احتراق مخلوط یکنواخت تری وجود خواهد داشت.
افزایش طول عمر کارکرد سیلندر موتور:
با توجه به این که گاز طبیعی پس از ورود به محفظه احتراق به شکل مایع در نیامده و گازی شکل یاقی می امند، روغن موتور موجود بر روی دیواره سیلندر را نشسته و بدین ترتیب موجب فرسایش زودتر دیواره سیلندر نمی شود.
سبک بودن این گاز نسبت به هوا :
با توجه به سبک بودن این گاز نسبت به هوا، در صورت بروز نشتی در سیستم، گاز نشت یافته به بالا رفته و خطر انفجار و مشکلات مشابه کاهش می یابد.
اثرات عمده تغییر سوخت خودرو به گاز طبیعی :
در جدول زیر تاثیر تبدیل خودرو به یک خودروی گازسوز مشاهده می شود. همانطور که مشاهده می شود کاهش هزینه سوخت و نیز افزایش عمر موتور از جمله مزایای گازسوز کردن خودرو هاست.

کلیاتی در باره گاز CNG :
این گاز مخلوطی از متان ( حداقل ۸۲ درصد) و اتان ( حداکثر ۱۲ درصد)، پروپان ( حداکثر۴ درصد)، بوتان و هیدروکربن های سنگین تر و بقیه گازهای غیرسوختی ازت و دی اکسید کربن به میزان بسیار کم می باشد.این نوع گاز علاوه بر تامین سوخت منازل به عنوان سوخت موتور اتومبیل هم قابل استفاده است. CNG از این نظر نکات مثبت بسیاری را دارد و مهمتر از همه این که در ابعاد جغرافیایی وسیعی در جهان وجود دارد و با هزینه لوله کشی به کشورهای صنعتی جهان قابل انتقال است. اما چرا CNG با وجود فراوانی نتوانسته است بطور گسترده جایگزین سوخت های فسیلی بشود که در بیان علت آن می توان به تکنولوژی گران قیمت و دشوار ذخیره سازی آن در انواع خودرو ها اشاره کرد. برای ذخیره سازی CNG در

خودروها دو راه وجود دارد. شیوه نخست این که می شود این گاز را تحت فشار زیاد در داخل مخزن نگاهداری کرد و راه دوم، نگهداری آن تحت فشار کنترل شده در دمای بسیار پایین و در کپسول است. در صورت اول برای نگهداری از گاز طبیعی فشرده شده حداقل فشار باید ۲۰۰ بار باشد و در صورت رعایت کامل مقررات ایمنی، کپسول و متعلقات آ« باید حداقل قدرت تحمل ۴۵۰ بار را داشته باشد که در این صورت کپسول گاز سنگین و گران قیمت خواهد بود.

درجه اکتان گاز طبیعی فشرده CNG حدود ۱۳۰ است حال آنکه همین رقم در مورد بنزین سوپر بیش از ۹۶ نیست. در نتیجه این گاز نیازی به افزودن مواد خارجی برای پس مانده زایی یا از بین بردن کوبش یا KNOCK ندارد. CNG تمیز می سوزد و حداقل آلاینده را پدید می آورد و بالا بودن عدد اکتان CNG امتیازهای بزرگی را در بر دارد:

احتراق آن منظم و یکنواخت می باشد و در صورت طراحی صحیح و تنظیم دقیق موتور معمولاً اتومبیل های گاز سوز نرم تر از انواع بنزینی کار می کنند و دیگر آن که برخلاف بنزین، گاز نباید قبل از سوختن به صورت بخار درآید ( زیرا در حالت فیزیکی آن گاز است.) و نیز بر روی اجزاء سرد اتومبیل میعان نمی کند و در نتیجه روشن کردن اتومبیل در هوای سرد آسانتر است. جایگزینی CNG بجای سوخت های فسیلی در موتورهای احتراق داخلی از نظر فنی با اعمال تغییراتی در موتور امکان پذیر است.
واژه مهمی که معمولاً در مورد سوخت های جایگزینی بکار برده می شود واژه هم ارز گالن بنزین است که عبارت است از مقدار حجمی از گاز طبیعی که محتوای انرژی آن معادل محتوای انرژی یک گالن بنزین می باشد و این مفهوم به خاطر آن است که چون گاز طبیعی به صورت مایع نیست بنابراین حجم آن معمولاً به صورت فوت مکعب محاسبه و با واحد گالن گزارش نمی شود.

بنابراین تعریف GGE راهی برای ارزیابی هم ارزی حجم های سوخت های مبنا براساس انرژی نهفته به واحد بی تی یو ( BTU ) می باشد. میزان GGE برای CNG برابر ۹۲۱/۰ مترمکعب است که بیانگر این مفهوم است که ۱۲۳ فوت مکعب از CNG معادل یک لیتر بنزین، انرژی نهفته دارد.
عملیات تراکم گاز در ایستگاه سوخت گیری تا فشار ۲۰۰ برای مصرف خودرو انجام می گیرد.

گاز CNG یکی از سوخت های دوستدار طبیعت معرفی شده است CNG میزان CO2 کمتری نسبت به بنزین منتشر می کند، اما مقدار متان بیشتری نسبت به دیگر سوخت های جایگزین بنزین به محیط زیست وارد می کند. که می توان با استفاده از کاتالیست های خاص این مقدار را کاهش داد.
بطور متوسط ۹۲۱/۰ مترمکعب گاز طبیعی معادل با انرژی یک لیتر بنزین است. گاز طبیعی در دما و فشار محیط به صورت گاز است و به علت ماهیت گاز دارای چگالی انرژی خیلی پایینی در مقایسه با سایر سوخت ها است.

اهمیت کاربرد استفاده از سوخت CNG
استفاده از گاز طبیعی بعنوان سوخت وسایل نقلیه بیشتر از دو دیدگاه زیست محیطی و اقتصادی مورد بررسی قرار می گیرد و دلیل و انگیزه اجرای طرح گاز سوز کردن خودروها در تهران و دیگر شهرهای علاوه بر مسائل آلودگی هوا، دارا بودن توجیه اقتصادی و سیاسی طرح در سطح ملی است. کشور ما در آینده نزدیک دیگر یک کشور نفت خیز نخواهد بود. در ۱۵ سال آینده تبدیل نفت به بنزین و سوزاندن آن گناه غیرقابل بخشش خواهد بود چرا که آیندگان کمترین استفاده را از این نعمت خدادادی خواهند برد. اما در مقابل کشور ما دارای منابع گاز ۲۰۰ ساله است. بدیهی است که استفاده از گاز، این فرصت را به بشر می دهد تا از نفت خام برای تولیدات مهم تر و حیاتی تر استفاده کند. همچنین گاز به عنوان سوختی که نیاز به حداقل پالایش را دارد با بهای مناسب تر و ارزان تر از مواد مشتق شده از نفت، می تواند در دسترس بشر قرار گیرد و بدین طریق سالانه میلیون ها دلار که برای پالایش و واردات بنزین و گازوئیل هزینه می شود صرفه جویی خواهد شد.

مزیت نسبی گاز طبیعی در ایران و مقایسه موقعیت ایران با جهان:
ایران به تنهایی حدود ۵/۱۵ درصد از ذخایر گاز طبیعی دنیا را در اختیار داشته و از این نظر مقام دوم جهان را دارا می باشد.

در حال حاضر ایران جزو تولیدکنندگان عمده گاز در جهان است و برنامه های گسترده ای برای افزایش تولید گاز در منطقه پارس جنوبی در حال اجرا می باشد. ایران دارای شبکه گسترده خط لوله گاز است که نصب جایگاه سوخت رسانی را در اغلب نقاط کشور میسر می سازد. کل شبکه جاده های کشور حدود ۱۲۰۰۰ کیلومتر می باشد که خطوط لوله گاز در حاشیه ۹۷۰۰ کیلومتر از این جاده ها گسترده شده است. به علت طراحی قدیم و عمر خودروها، مصرف سرانه سوخت اتومبیل های ایران ( در ازای هر اتومبیل ) در مقایسه با معیار متوسط جهانی بسیار زیاد است و این در حالی است که نرخ داخلی گاز طبیعی ایران بسیار ارزان است.

فوائد عمده استفاده از گاز طبیعی به عنوان سوخت در بخش حمل و نقل :
۱ ) فواید و مزایای اقتصادی
۲ ) فواید زیست محیطی و انتشار آلاینده های کمتر
۳ ) کاهش گازهای گلخانه ای و اثرات مخرب و مضر
۴ ) ایمنی بالاتر
۵ ) ایجاد کار و اشتغال جدید
ابعاد اقتصادی استفاده از CNG در کشور

برای استفاده از CNG به جای بنزین و گازوئیل در ناوگان خودروهای کشور نیاز به سرمایه گذاری می باشد این سرمایه گذاری می بایست برای تامین و نصب ادوات تبدیل یک خودرو از بنزین سوز به CNG سوز و احداث جایگاه های توزیع CNG، صرف گردد برای مثال کل هزینه سرمایه گذاری به ازای هر سواری شخصی حدود ۸۵۰ دلار و برای هر یک تاکسی ۱۲۰۰ دلار می باشد. این سرمایه گذاری ها برای هر خودرو سواری شخصی در طی ۶/۱ سال برگشت خواهد بود. و نرخ سود این سرمایه گذاری ۶۴% می باشد. در مورد تاکسی زمان برگشت سرمایه گذاری تنها ۵/۸ ماه نرخ سود آن بالغ بر ۱۳۵% خواهد بود. بررسی های اقتصادی نشان می دهد که با گاز سوز کردن یک تاکسی در سال ۱۳۸۱ هزینه های ناشی از سوخت مصرفی آن بیش از ۴ میلیون ریال در سال کاهش خواهد یافت.

ابعاد زیست محیطی استفاده از CNG در کشور :
از نظر زیست محیطی CNG سوختی کاملاً پاک و سالم است و برای مثال در حالیکه برای اتومبیل های گازوئیلی کشور رعایت استانداردEUROlll هدف سریع الوصولی نیست. یک خودرو CNG سوز براحتی به حد استاندارد دست خواهد یافت.
فاکتورهایی موثر در عدد اکتان مورد نیاز خود رو ها:
فاکتورهای مرتبط با عملکرد و طراحی :
۱) نسبت تراکم
۲) زمانبندی جرقه
۳) نسبت هوا به سوخت

۴) دمای احتراق
۱-۴ ) دمای هوای ورودی به موتور
۲-۴ ) دمای سیال خنک کننده موتور

۵) آهنگ سیر کولاسیون مجدد گازهای اگزوز
۶) طراحی محفظه احتراق موتور
فاکتورهای مرتبط با شرایط کارکرد :
۱) فشار بارومتریک
۲) ارتفاع از سطح دریا
۳) دمای محیط
۴) رطوبت نسبی

۵) رسوبات محفظه احتراق
تأثیر فراریت ( قابلیت تبخیر ) بنزین بر عملکرد خودروها :
قابلیت تبخیر بنزین در دمای کم خیلی پایین است و پیامدهای زیر را به دنبال دارد :
۱- استارت سرد ضعیف موتور
۲- آلایندگی بالا در طی گرم شدن

۳- قابلیت رانندگی ضعیف در هوای سرد
۴- افزایش تشکیل رسوبات در موتور، محفظه لنگ ، محفظه احتراق و شمع ها
۵- توزیع نامناسب بنزین در سیلندر ها ( در خودروهای کاربراتوری )
قابلیت تبخیر بنزین در دمای بالای محیط و در شرایط کاری محفظه موتور پس از گرم شدن موتور، بسیار مناسب است و پیامدهای زیر را به همراه دارد:
۱- انتشارات و اتلاف تبخیری بالا

۲- گرفتگی و اعمال بار زیاد بر سیستم جذب بخارات هیدروکربوری
۳- ایجاد قفل گازی
۴- مشکلات و قابلیت رانندگی ضعیف در هوای داغ
۵- کاهش اقتصاد سوخت
عملکرد CNG در موتور خودرو :
علیرغم اختلاف زیاد در چگالی حجمی انرژی بین بنزین و CNG اثرات منفی چگالی انرژی CNG در موتور زیاد محسوس نیست. CNG به عنوان یک گاز مشکلات مربوط به استارت سرد را ندارد عدد اکتان بالاتر CNG اجازه طراحی نسبت تراکم بالاتر در موتور را نسبت به حالت بنزین می دهد.
افزایش نسبت تراکم منجر به افزایش توان و بالا رفتن راندمان سوخت می شود. به هر حال برای یک نسبت تراکم مساوی، میزان گاز طبیعی در مخلوط سوخت و هوا که می تواند در هر بار احتراق در سیلندر محترق شود ۱۰ تا ۱۵ درصد افت پیدا می کند.

وجود رطوبت و بخار آب در گاز طبیعی می تواند منجر به خوردگی شود. به همین جهت در ایستگاه های سوخت گیری، گاز طبیعی از خشک کن عبور داده می شود تا بخارات آن گرفته شود و خوردگی در مخازن گاز CNG و اجزاء دیگر به وجود نیاید.
در عملکرد یک خودروی CNG سوز هنگامی که توسط رگلاتور ، فشار CNG کاهش می یابد، درجه حرارت افت می کند و باعث می شود بخار آب موجود در گاز طبیعی مایع شود. آب مایع باعث اخلال در جریان سوخت می شود. معمولاً در جایگاه های سوخت گیری با CNG ، آب موجود در گاز طبیعی را جدا می کنند. در کل، استفاده از گاز طبیعی علاوه بر تمیزی باعث افزایش طول عمر موتور می شود و دوده کمتری در شمع ها، روغن موتور و سیلندرها ایجاد می شود. گاز طبیعی دارای دمای احتراق بالاتری نسبت به بنزین است و همین امر اهمیت نگهداری صحیح سیستم احتراق را نشان می دهد.

نکات ایمنی در مورد CNG
CNG نسبت به سوخت های مایع دارای ایمنی بیشتری است، وقتی در اثر تصادم یا نشتی CNG در محیط آزاد می شود چون از هوا سبک تر است سریعاً به طرف بالا پراکنده می شود. در حالیکه اکثر سوخت های مایع نظیر بنزین و LPG سنگین تر از هوا می باشند و هنگام تبخیر، بخارات بنزین و LPG تمایل به تجمع در اطراف منبع سوخت و سطح زمین دارند و خطر انفجار وجود دارد.