63
64
65
67
70
75
فصل 5: نتیجه‌گیری و پیشنهادات 80
81
83
مراجع 84
پیوست‌ها 89

• تاریخچه

کشف این واقعیت که بسیاری از کشورها دارای منابع فراوان گاز طبیعی هستند و این که آلودگی CNG  در مقایسه با سوخت‌های مایع بسیار کمتر می‌باشد، باعث گسترش بیش از پیش خودروهای گازسوز گردید.  موتورهای بنزینی که گازسوز می شدند، توان کمتری نسبت به نمونه بنزینی داشتند، ولی با طراحی موتورهای اختصاصی CNG  این مشکل رفع شد.  امروزه به دلایل اقتصادی و زیست محیطی که در بالا بیان شد، صنعت خودروهای CNG سوز بسیار گسترش یافته است[1]. 
صنعت خودرو، خواهان تولید مخازن سبک‌تر بود تا اثر آن را به روی عملکرد وسایل نقلیه کم کند.  بدین ترتیب در اواخر دهه70 تولید و توسعه مخازن کم وزن آغاز گردید و تاکنون در بسیاری از کشورها این مخازن مورد استفاده قرار گرفته می‌شود.
 اولین مخازن کامپوزیتی در سال 1977 وارد بازار شدند.  این سیلندرها از یک لاینر[1] فلزی که با الیاف شیشه پیچیده شده بود و قبلاً کاربردهای فضایی داشت، ساخته شده بودند. در سال 1982 مخازن با لاینر آلومینیومی با پیچش محیطی الیاف شیشه در صنعت  CNGمورد استفاده قرار گرفت.
 این روند سبک‌سازی مخازن تا سال 1985 و با ارائه مخازن لاینر فولادی و الیاف شیشه ادامه داشت. گاز CNG برای استفاده در خودروها می بایست در فشار 200 بار یا 20 مگاپاسکال نگهداری شود که این امر اهمیت فراوان مخازن تحت فشار نگهدارنده گاز و همچنین استانداردهای موجود در این زمینه را نشان می‌دهد[2].
در اواخر دهه 80 طرح‌های کاملاً پیچیده شده با لاینرهای فلزی و پلاستیکی در سوئد، روسیه و فرانسه تولید شد. در آمریکا پس از توسعه استانداردها، تولید طرح‌های کامل رشته‌پیچی شده با لاینرهای نازك آلومینیومی و یا پلاستیکی با پوشش الیاف شیشه و یا الیاف کربن در سال 1992 آغاز شد[3].
به منظور کاهش هرچه بیشتر وزن مخازن CNG طرح‌های کامپوزیتی کاملاً پیچیده با لاینرهای  فلزی یا پلاستیکی ارائه گردید. در این طرح‌ها الیاف به طور کامل به دور مخزن پیچیده شده بودند. وظیفه اصلی تحمل بار ناشی از فشار بر عهده الیاف‌پیچیده شده بود. بدین­سان لاینرها دارای ضخامت کمی بودند. ساخت لاینر فلزی مخازن به شکل مستطیلی(جعبه ای)، عایق کاری آن را مشکل می کند و همچنین از استحکام کمتری به علت جوشکاری در درزها برخوردار می‌باشد. در مخازن استوانه‌ای در دو سر انتهایی، دو نیم کره عدسی شکل به روش‌های خاص شکل‌دهی ایجاد می‌گردند که نیاز به جوشکاری را از میان بر می‌دارد. البته بخش عمده‌ای از هزینه ساخت مخازن استوانه‌ای را هزینه همین قسمت‌های نیمکره‌ای تشکیل می‌دهد.

• معرفی انواع مخازن CNG

 به طورکلی مخازن  CNG به شکل استوانه‌های یک پارچه و بدون درز می‌باشند که ابتدا و انتهای آن‌ها با قسمت‌های بیضوی شکل که دم[2] نام دارند، بسته می‌شود. طبق استاندارد ISO 11439  مخازن  CNGبه چهار دسته تقسیم می‌شوند که عبارتند از : [2]

1. مخازن کاملاً فلزی[3]
2. مخازن با لاینر فلزی و الیاف کامپوزیتی رشته‌پیچی شده به دور قسمت استوانه‌ای[4]
3. مخازن با لاینر فلزی و الیاف کامپوزیتی رشته‌پیچی شده به دور کل مخزن[5]
4. مخازن کاملاً کامپوزیتی با لاینر پلاستیکی[6]

 مخازن نوع اول، مخزن تمام فلزی
این مخازن بدون درز و از جنس فولاد یا آلومینیوم می‌باشند. گرچه نوع آلیاژ مورداستفاده و همچنین تنش‌های طراحی این گونه مخازن در استاندارد مشخص نگردیده است ولیكن این گونه مخازن فولادی یا آلومینیومی باید آزمون‌های كارایی را بگذرانند. آزمون‌ها به دلیل اطمینان از چقرمگی و مقاومت در برابر تنش، خوردگی و ترك در جنس به كار رفته، صورت می‌گیرند. همچنین آزمون‌های سختی و فشار هیدرواستاتیك جهت اطمینان از استحكام مخزن نیز انجام می‌گیرند.
تولید این مخازن با استفاده از روش اسپینینگ[7] یا کشش عمیق[8]  می‌باشد.  وزن این مخازن نسبت به دیگر نمونه‌ها بیشتر می‌باشد. در این نوع مخازن، نسبت جرم به حجم آن‌ها بین 2/1 تا 5/1 کیلوگرم بر لیتر می‌باشد[3]. نمونه‌هایی از مخازن CNG نوع اول در شکل (1-1) نشان داده شده‌است.

• مخزن نوع اول [1]

این مخازن از فولاد كروم – مولیبدن یا فولاد كربن – منگنز ساخته می‌شوند و طبق استانداردهای موجود این مخازن باید در فرآیندی بدون استفاده از جوش و به صورت بدون درز ساخته شوند. لذا این كپسول‌ها برای تحمل فشار كاری200 بار باید توان تحمل فشار تا 450 بار را داشته باشند. فشار تركیدن در حداقل باید450 بار باشد و به همین دلیل ضخامت بدنه این مخازن بالاست. در شكل (1-2) یك مخزن نوع اول نمایش داده شده‌است.

• مخزن نوع اول

• مخازن نوع دوم، مخزن کمرپیچ

این نوع مخازن دارای یک لایه‌داخلی از جنس فولاد یا آلومینیوم بدون درز است و قسمت استوانه‌ای این لایه‌داخلی، توسط الیاف شیشه، آرامید، کربن یا مخلوطی از آن‌ها که آغشته به رزین است به صورت محیطی پیچیده شده‌است (شكل (1-3)) [2].  ساختار كامپوزیتی این مخازن، این امكان را به وجود می‌آورد كه بتوان از ضخامت قسمت فلزی كاست و درنتیجه مخزن سبك‌تری بدست آورد. این مخازن در جهت شعاعی به جز دو قسمت ابتدایی و انتهایی تقویت شده‌اند.
بنا به محاسبات مكانیكی دو انتهای مخزن به علت شكل كروی آن‌ها تحمل تنش بیشتری را نسبت به قسمت استوانه‌ای مخازن دارند ولی در فرآیند تولید در حال حاضر نمی‌توان ضخامت كمتری را در آن ایجاد كرد. به این ترتیب محاسبات طراحی بر اساس قسمت نازك‌تر مخازن انجام می‌شود. در مخازن نوع دوم از ضخامت كمتری برای ساخت مخزن استفاده‌شده و قسمت استوانه‌ای آن برای رسیدن به سطح تحمل تنش و فشار موردنظر با مواد كامپوزیت كه بسیار سبك‌تر از فولادند تقویت شده و به این ترتیب مخازن سبك‌تری تولید می‌شود. در این نوع مخازن، نسبت جرم به حجم آن‌ها بین 7/0 تا 4/1 کیلوگرم بر لیتر می‌باشد[3]. 
مبنای طراحی این نوع مخازن بر توانایی آستر فولادی یا آلومینیومی در تحمل فشار بالا می‌باشد. در این مورد این نوع مخازن  CNGاین نكته شایان توجه است كه فشار اضافی و دمای بالاتر باعث ازبین رفتن كیفیت پوشش كامپوزیت نخواهدشد. این نوع مخازن از الیاف‌پیچی پیوسته[9] ساخته می‌شوند كه برای ساخت آن‌ها از آسترهای فولادی یا آلومینیومی استفاده می‌گردد و به آن‌ها مخازن پیچش محیطی[10] گفته می‌شود. این مخازن از  سال 1980 میلادی ساخته می‌شوند و مبنای طراحی آن‌ها توانایی آسترهای فولادی در تحمل بیشینة فشار پرشدن مخزن می‌باشد. این امر به طراحان اجازة استفاده از آسترهایی با تحمل تنش بیشتر از حد معمول را می‌دهد.