Provkörningsalternativ: DEL 2 - Bilar

Om du har möjlighet att flyga över västra Sibirien på natten, genom fönstret kommer du att se en grotesk syn som påminner om Kuwaitiöknen efter Saddams truppers tillbakadragande under det första kriget i Irak. Landskapet är full av enorma brinnande "facklor", vilket är ett tydligt bevis på att många ryska oljeproducenter fortfarande anser att naturgas är en biprodukt och onödig produkt i sökandet efter oljefält ...

Experter tror att detta avfall kommer att stoppas inom en snar framtid. Under många år betraktades naturgas som en överskottsprodukt och brändes eller släpptes helt enkelt ut i atmosfären. Det uppskattas att Saudiarabien hittills ensamt har dumpat eller bränt mer än 450 miljoner kubikmeter naturgas under oljeproduktion ...

Samtidigt är processen omvänd - de flesta moderna oljebolag har konsumerat naturgas under lång tid och insett värdet av denna produkt och dess betydelse, som bara kan öka i framtiden. Denna syn på saker och ting är särskilt utmärkande för USA, där det, till skillnad från de redan uttömda oljereserverna, fortfarande finns stora gasfyndigheter. Den senare omständigheten återspeglas automatiskt i den industriella infrastrukturen i ett enormt land, vars arbete är otänkbart utan bilar, och ännu mer utan stora lastbilar och bussar. Det finns fler och fler transportföretag utomlands som uppgraderar dieselmotorerna i sina lastbilsflottor för att fungera med både kombinerade gas-dieselsystem och enbart blåbränsle. Allt fler fartyg går över till naturgas.

Mot bakgrund av priserna på flytande bränsle låter priset på metan fantastiskt, och många börjar tvivla på att det finns en hake här – och det med goda skäl. Med tanke på att energiinnehållet i ett kilogram metan är högre än i ett kilogram bensin, och att en liter (dvs. en kubikdecimeter) bensin väger mindre än ett kilogram, kan vem som helst dra slutsatsen att ett kilogram metan innehåller mycket mer energi än en liter bensin. Det är uppenbart att även utan detta uppenbara virrvarr av siffror och vaga skillnader, kommer det att kosta dig mycket mindre pengar att köra en bil som körs på naturgas eller metan än att köra en bil som körs på bensin.

Men här är det klassiska stora "MEN"... Varför, eftersom "bluffen" är så stor, använder nästan ingen i vårt land naturgas som bilbränsle, och bilar anpassade för dess användning i Bulgarien är sällsynta. fenomen från känguru till tall Rhodopeberget? Svaret på denna helt normala fråga ges inte av det faktum att gasindustrin runt om i världen utvecklas i rasande takt och för närvarande anses vara det säkraste alternativet till flytande petroleumbränslen. Vätgasmotortekniken har fortfarande en osäker framtid, vätgasmotorstyrningen i cylindrar är extremt svår och vad som är en ekonomisk metod att utvinna rent väte är ännu inte klart. Mot denna bakgrund är framtiden för metan milt uttryckt lysande - särskilt eftersom det finns enorma fyndigheter av naturgas i politiskt säkra länder, att nya teknologier (som nämndes i förra numret om kryogen kondensering och kemisk omvandling av naturgas till vätskor) blir billigare, samtidigt som priset på klassiska kolväteprodukter växer. För att inte tala om det faktum att metan har alla möjligheter att bli den främsta källan till väte för framtidens bränsleceller.

Den verkliga orsaken till att kolvätegaser överges som bilbränsle är fortfarande låga oljepriser under årtiondena, vilket har drivit utvecklingen av fordonsteknik och tillhörande vägtransportinfrastruktur mot att tillhandahålla energi för bensin- och dieselmotorer. Mot bakgrund av denna allmänna trend är försök att använda gasbränsle ganska sporadiska och obetydliga.

Även efter slutet av andra världskriget ledde bristen på flytande bränslen i Tyskland till att bilar utrustade med de enklaste systemen för naturgas, som, även om de är mycket mer primitiva, skiljer sig lite från de system som används av bulgariska taxibilar i dag. från gasflaskor och reducerare. Gasbränslen fick större betydelse under de två oljekriserna 1973 och 1979-80, men även då kan vi bara prata om korta blixtar som gick nästan obemärkt och inte ledde till någon betydande utveckling inom detta område. Sedan mer än två decennier sedan den senaste akuta krisen har priserna för flytande bränsle varit konstant låga och uppnått absurd låga priser 1986 och 1998 till 10 dollar per fat. Det är uppenbart att en sådan situation inte kan ha en stimulerande effekt på alternativa typer av bränsle ...

I början av 11-talet går marknadssituationen gradvis men säkert i en annan riktning. Sedan terrorattackerna 2001 XNUMX september XNUMX har det skett en gradvis men stadig uppåtgående trend i oljepriserna, som har fortsatt att stiga till följd av ökad konsumtion i Kina och Indien och svårigheter att hitta nya insättningar. Men bilföretag är mycket mer besvärliga i riktning mot massproduktion av bilar anpassade för att köra på gasformiga bränslen. Anledningarna till denna besvärlighet kan hittas både i trögheten att tänka hos de flesta konsumenter, vana vid traditionella flytande bränslen (för européer är till exempel dieselbränsle det mest realistiska alternativet till bensin) och i behovet av stora investeringar i rörinfrastruktur. och kompressorstationer. När detta läggs till de komplexa och dyra lagringssystemen för bränsle (särskilt komprimerad naturgas) i själva bilarna, börjar den stora bilden rensas upp.

Å andra sidan blir kraftverk för gasformigt bränsle mer diversifierade och följer tekniken hos sina bensinmotsvarigheter. Gasmatare använder redan samma sofistikerade elektroniska komponenter för att injicera bränsle i vätskan (fortfarande sällsynt) eller gasfasen. Det finns också fler och fler produktionsfordonsmodeller fabriksinställda för monovalent gasförsörjning eller med möjlighet till dubbel gas/bensinförsörjning. En annan fördel med gasformiga bränslen realiseras alltmer - på grund av dess kemiska struktur oxideras gaserna mer fullständigt, och nivån av skadliga utsläpp i avgaserna från bilar som använder dem är mycket lägre.

En ny början

Ett genombrott på marknaden kommer dock att kräva riktade och direkta ekonomiska incitament för slutanvändare av naturgas som fordonsbränsle. För att locka kunder ger metanförsäljare i Tyskland redan köpare av naturgasfordon speciella bonusar, vars natur ibland verkar helt otroligt - till exempel ersätter gasdistributionsföretaget i Hamburg enskilda för köp av gas. bilar från vissa återförsäljare under en period av ett år. Det enda villkoret för användaren är att klistra sponsorns reklamdekal på sin bil...

Anledningen till att naturgas i Tyskland och Bulgarien (i båda länderna kommer den stora majoriteten av naturgas från Ryssland via pipeline) är mycket billigare än andra bränslen, bör sökas i ett antal lagliga lokaler. Marknadspriset på gas är logiskt kopplat till oljepriset: i takt med att oljepriset ökar, ökar även priset på naturgas, men skillnaden i priser på bensin och gas för slutkonsumenten beror främst på lägre beskattning av naturgas. gas. I Tyskland, till exempel, är priset på gas lagligt fast till 2020, och schemat för denna "fixering" är som följer: under denna period kan priset på naturgas växa tillsammans med priset på olja, men dess proportionella fördel över andra energikällor måste hållas på en konstant nivå. Det är uppenbart att med en sådan reglerad rättslig ram, låga priser och frånvaron av några problem vid konstruktionen av "gasmotorer", är det enda problemet för tillväxten av denna marknad fortfarande ett outvecklat nätverk av bensinstationer - i det enorma Tyskland, för till exempel finns det bara 300 sådana poäng, och i Bulgarien finns det många färre.

Utsikterna för att fylla detta infrastrukturella underskott ser bra ut för tillfället - i Tyskland avser föreningen Erdgasmobil och den franska oljejätten TotalFinaElf att investera kraftigt i byggandet av flera tusen nya bensinstationer, och i Bulgarien har flera företag tagit på sig en liknande uppgift. Det är möjligt att hela Europa snart kommer att använda samma utvecklade nätverk av bensinstationer för naturgas och flytande gas som konsumenter i Italien och Nederländerna - länder vars utveckling på detta område vi berättade om i föregående nummer.

Honda Civic GX

På bilmässan i Frankfurt 1997 introducerade Honda Civic GX och hävdade att den var den mest miljövänliga bilen i världen. Det visade sig att japanens ambitiösa uttalande inte bara är ytterligare ett marknadsföringsknep, utan den rena sanningen, som förblir relevant än i dag, och kan ses i praktiken i den senaste upplagan av Civic GX. Bilen är konstruerad för att endast köras på naturgas och motorn är konstruerad för att dra full nytta av det höga oktantalet hos gasformigt bränsle. Inte överraskande kan fordon av denna typ idag erbjuda avgasemissionsnivåer lägre än de som krävs i en framtida Euro 5 europeisk ekonomi, eller 90 % lägre än amerikanska ULEV (Ultra Low Emission Vehicles). . Hondamotorn går extremt smidigt och det höga kompressionsförhållandet på 12,5:1 kompenserar för det lägre volymetriska energivärdet för naturgas jämfört med bensin. Tanken på 120 liter är gjord av kompositmaterial och motsvarande gasförbrukning är 6,9 liter. Hondas berömda VTEC variabla ventiltidssystem fungerar bra med bränslets speciella egenskaper och förbättrar motorns laddning ytterligare. På grund av den lägre förbränningshastigheten för naturgas och det faktum att bränslet är "torrt" och inte har smörjande egenskaper, är ventilsätena gjorda av speciella värmebeständiga legeringar. Kolvarna är också gjorda av starkare material, eftersom gasen inte kan kyla cylindrarna när den avdunstar som bensin.

Honda GX-slangarna i gasfasen injiceras med naturgas, vilket är 770 gånger större än motsvarande mängd bensin. Den största tekniska utmaningen för Hondas ingenjörer var att skapa rätt injektorer för att fungera under sådana förhållanden och förutsättningar - för att uppnå optimal effekt måste injektorer klara av den svåra uppgiften att samtidigt tillföra den erforderliga mängden gas, för vilket i princip, flytande bensin injiceras. Detta är ett problem för alla motorer av denna typ, eftersom gasen upptar en mycket större volym, tränger undan en del av luften och kräver insprutning direkt i förbränningskamrarna.

Samma 1997 visade Fiat också en liknande Honda GX-modell. Den "bivalenta" versionen av Marea kan använda två typer av bränsle - bensin och naturgas, och gasen pumpas av ett andra, helt oberoende bränslesystem. Motorn startar alltid på flytande bränsle och går sedan automatiskt över till gas. 1,6-litersmotorn har en effekt på 93 hk. med gasbränsle och 103 hk. Med. när du använder bensin. I princip går motorn huvudsakligen på gas, förutom när den senare tar slut eller föraren har en tydlig önskan att använda bensin. Tyvärr tillåter den "dubbla naturen" av bivalent energi inte fullt utnyttjande av fördelarna med högoktanig naturgas. Fiat producerar för närvarande en Mulipla-version med denna typ av PSU.

Med tiden dök liknande modeller upp i sortimentet av Opel (Astra och Zafira Bi Fuel för LPG- och CNG -versioner), PSA (Peugeot 406 LPG och Citroen Xantia LPG) och VW (Golf Bifuel). Volvo anses vara en klassiker inom detta område och producerar varianter av S60, V70 och S80, som kan köras på såväl naturgas som biogas och gasol. Alla dessa fordon är utrustade med gasinjektionssystem med speciella munstycken, elektroniskt styrda tekniska processer och bränslekompatibla mekaniska komponenter som ventiler och kolvar. CNG -bränsletankar är konstruerade för att klara ett tryck på 700 bar, även om själva gasen lagras där vid ett tryck på högst 200 bar.

BMW

BMW är en välkänd förespråkare för hållbara bränslen och har under många år utvecklat olika drivlinor för fordon med alternativa källor. Redan i början av 90-talet skapade det bayerska företaget modeller av 316g- och 518g-serien, som använder naturgas som bränsle. I sin senaste utveckling beslutade företaget att experimentera med i grunden ny teknik och tillsammans med den tyska kylgruppen Linde, oljebolaget Aral och energiföretaget E.ON Energy utvecklade ett projekt för användning av flytande gaser. Projektet utvecklas i två riktningar: den första är utvecklingen av flytande väte och den andra är användningen av flytande naturgas. Användningen av flytande väte anses fortfarande vara en lovande teknik, som vi kommer att prata om senare, men systemet för att lagra och använda flytande naturgas är ganska verkligt och kan omsättas i praktiken inom bilindustrin under de närmaste åren.

Samtidigt kyls naturgas till en temperatur av -161 grader och kondenseras vid ett tryck av 6-10 bar medan den passerar in i vätskefasen. Tanken är mycket mer kompakt och lättare jämfört med komprimerade gasflaskor och är praktiskt taget en kryogen termos tillverkad av superisolerande material. Tack vare modern Linde-teknik, trots de mycket tunna och lätta tankväggarna, kan flytande metan lagras i detta tillstånd i två veckor utan problem, även i varmt väder och utan behov av kylning. Den första LNG-tankstationen, där 400 XNUMX euro investerades, är redan i drift i München.

Förbränningsprocesser i gasformiga bränslemotorer

Som redan nämnts innehåller naturgas främst metan och flytande petroleumgas - propan och butan i proportioner som beror på årstid. När molekylvikten ökar minskar slaghållfastheten hos paraffiniska (rakkedjiga) kolväteföreningar som metan, etan och propan, molekylerna bryts lättare isär och fler peroxider ackumuleras. Således använder dieselmotorer dieselbränsle snarare än bensin, eftersom självantändningstemperaturen är lägre i det förra fallet.

Metan har det högsta förhållandet väte / kol av alla kolväten, vilket i praktiken innebär att för samma vikt har metan det högsta energivärdet bland kolväten. Förklaringen till detta är komplex och kräver viss kunskap om relationernas kemi och energi, så vi kommer inte att hantera detta. Det räcker med att säga att den stabila metanmolekylen ger ett oktantal på cirka 130.

Av denna anledning är förbränningshastigheten för metan mycket lägre än för bensin, små molekyler tillåter metan att brinna mer fullständigt och dess gasformiga tillstånd leder till mindre urlakning av olja från cylinderväggarna i kalla motorer jämfört med bensinblandningar. ... Propan har i sin tur ett oktantal på 112, vilket fortfarande är högre än de flesta bensiner. Dåliga propan-luft-blandningar brinner vid en lägre temperatur än bensin, men rika kan leda till termisk överbelastning av motorn, eftersom propan inte har bensinens kylningsegenskaper på grund av att det kommer in i cylindrarna i gasform.

Detta problem har redan lösts med användning av system med direktinsprutning av flytande propan. Eftersom propan lätt kondenserar är det lätt att bygga ett system för att lagra det i en bil, och det finns inget behov av att värma insugningsrören eftersom propan inte kondenserar som bensin gör. Detta förbättrar i sin tur motorns termodynamiska verkningsgrad, där det är säkert att använda termostater som håller en lägre kylvätsketemperatur. Den enda betydande nackdelen med gasformiga bränslen är det faktum att varken metan eller propan har en smörjande effekt på avgasventiler, så experter säger att det är ett "torrt bränsle" som är bra för kolvringar men dåligt för ventiler. Du kan inte lita på gaser för att leverera de flesta tillsatserna till motorns cylindrar, men motorer som körs på dessa bränslen behöver inte lika många tillsatser som bensinmotorer. Blandningskontroll är en mycket viktig faktor i gasmotorer, eftersom rika blandningar resulterar i högre avgastemperaturer och ventilöverbelastning, medan dåliga blandningar skapar problem genom att sänka den redan låga förbränningshastigheten, vilket återigen är en förutsättning för termisk ventilöverbelastning. Kompressionsförhållandet i propanmotorer kan enkelt ökas med två eller tre enheter, och i metan - ännu mer. Den resulterande ökningen av kväveoxider kompenseras av lägre utsläpp totalt sett. Den optimala propanblandningen är något "sämre" - 15,5:1 (luft till bränsle) jämfört med 14,7:1 för bensin, och detta beaktas vid konstruktion av förångare, mätanordningar eller insprutningssystem. Eftersom både propan och metan är gaser behöver motorer inte fylla blandningar vid kallstarter eller acceleration.

Tändningsövergångsvinkeln beräknas på en annan kurva än bensinmotorer - vid låga varvtal bör tändningsomkörningen vara högre på grund av långsammare förbränning av metan och propan, men vid höga varvtal behöver bensinmotorer öka mer. blandning (förbränningshastigheten för bensin reduceras på grund av den korta tiden för förflammningsreaktioner - det vill säga bildningen av peroxider). Det är därför de elektroniska tändningskontrollsystemen för gasmotorer har en helt annan algoritm.

Metan och propan ökar också kraven på högspänningständstiftselektroder - en "torrare" blandning är "svårare" att tränga igenom än en gnista eftersom det är en mindre ledande elektrolyt. Därför är avståndet mellan elektroderna på tändstift som är lämpliga för sådana motorer vanligtvis annorlunda, spänningen är högre och i allmänhet är frågan om tändstift mer komplex och subtil än för bensinmotorer. Lambdasonder används i de modernaste gasmotorerna för kvalitetsmässigt optimal dosering av blandningen. Att ha tändsystem på två separata kurvor är särskilt viktigt för fordon utrustade med bivalenta system (för naturgas och bensin), eftersom det glesa nätverket av naturgaspåfyllningsställen ofta kräver tvångsanvändning av bensin.

Det optimala kompressionsförhållandet för naturgas är cirka 16:1, och det ideala luft-bränsleförhållandet är 16,5:1, kommer att förlora cirka 15 % av sin potentiella effekt. Vid användning av naturgas minskar mängden kolmonoxid (CO) och kolväten (HC) i avgaserna med 90 % och kväveoxider (NOx) med cirka 70 % jämfört med utsläppen från konventionella bensinmotorer. Oljebytesintervallet för gasmotorer fördubblas vanligtvis.

Gas-diesel

Under de senaste åren har leveranssystem med dubbla bränslen blivit allt populärare. Jag skyndar mig att notera att vi inte talar om "bivalenta" motorer som växlar växelvis på gas eller bensin och har tändstift, utan om speciella dieselgassystem där en del av dieselbränslet ersätts med naturgas från ett separat kraftsystem. Denna teknik är baserad på standarddieselmotorer.

Funktionsprincipen bygger på att metan har en självantändningstemperatur över 600 grader - d.v.s. över en temperatur på cirka 400-500 grader i slutet av dieselmotorns kompressionscykel. Det gör i sin tur att metan-luftblandningen inte antänds av sig själv när den komprimeras i cylindrarna och det insprutade dieselbränslet, som antänds vid cirka 350 grader, används som ett slags tändstift. Systemet skulle kunna köras helt på metan, men i det här fallet skulle det vara nödvändigt att installera ett elsystem och ett tändstift. Vanligtvis ökar procentandelen metan med belastning, vid tomgång går bilen på diesel, och vid hög belastning når metan/diesel-förhållandet 9/1. Dessa proportioner kan också ändras enligt det preliminära programmet.

Vissa företag tillverkar dieselmotorer med sk. "Micropilot" kraftsystem, där dieselsystemets roll är begränsad till insprutning av en liten mängd bränsle som bara behövs för att antända metan. Därför kan dessa motorer inte arbeta autonomt på diesel och används vanligtvis i industrifordon, bilar, bussar och fartyg, där kostsam omutrustning är ekonomiskt motiverad - efter dess slitage leder detta till betydande besparingar, motorlivslängd. ökar avsevärt, och utsläppen av skadliga gaser minskar avsevärt. Mikropilotmaskiner kan arbeta på både flytande och komprimerad naturgas.

Typer av system som används för ytterligare installation

Mångfalden av gasförsörjningssystem för gasformiga bränslen växer ständigt. I princip kan arter delas in i flera typer. När propan och metan används är dessa blandade atmosfärstryckssystem, gasfasinsprutningssystem och flytande fasinsprutningssystem. Ur teknisk synvinkel kan propan-butaninsprutningssystem delas in i flera generationer:

Den första generationen är system utan elektronisk styrning, där gasen blandas i en enkel blandare. Dessa är vanligtvis utrustade med gamla förgasarmotorer.

Den andra generationen är en injektion med ett munstycke, en analog lambdasond och en trevägskatalysator.

Den tredje generationen är en injektion med ett eller flera munstycken (ett per cylinder), med mikroprocessorkontroll och närvaron av både ett självlärande program och en kodtabell för självdiagnos.

Den fjärde generationen är sekventiell (cylindrisk) injektion beroende på kolvens position, med antalet munstycken lika med antalet cylindrar och med återkoppling genom en lambdasond.

Femte generationen - flerpunkts sekventiell injektion med återkoppling och kommunikation med en mikroprocessor för att styra bensininsprutningen.

I de mest moderna systemen använder "gas"-datorn till fullo data från huvudmikroprocessorn för att styra bensinmotorns parametrar, inklusive insprutningstid. Dataöverföring och kontroll är också helt kopplat till bensinhuvudprogrammet, vilket undviker behovet av att skapa hela XNUMXD-gasinsprutningskartor för varje bilmodell – den smarta enheten läser helt enkelt programmen från bensinprocessorn. och anpassar dem till gasinsprutning.