Алтернативи за тест драйв: ЧАСТ 2 - Автомобили

Ако имате възможност да летите над Западен Сибир през нощта, през прозореца ще видите гротескна гледка, напомняща кувейтската пустиня след изтеглянето на войските на Саддам по време на първата война в Ирак. Пейзажът е осеян с огромни горящи "факли", което е ясно доказателство, че много руски производители на петрол все още смятат природния газ за страничен продукт и ненужен продукт в търсенето на петролни полета ...

Експертите смятат, че тези отпадъци ще бъдат спрени в близко бъдеще. Дълги години природният газ се считаше за излишен продукт и се изгаряше или просто се изпускаше в атмосферата. Смята се, че досега само Саудитска Арабия е изхвърлила или изгорила повече от 450 милиона кубически метра природен газ по време на производството на петрол ...

В същото време процесът е обратен - повечето съвременни петролни компании отдавна консумират природен газ, осъзнавайки стойността на този продукт и неговото значение, което може само да нараства в бъдеще. Този поглед върху нещата е особено характерен за САЩ, където, за разлика от вече изчерпаните петролни запаси, все още има големи залежи на газ. Последното обстоятелство автоматично се отразява в индустриалната инфраструктура на огромна страна, чиято работа е немислима без автомобили и още повече без големи камиони и автобуси. В чужбина има все повече транспортни фирми, които модернизират дизеловите двигатели на своите автопаркове, за да работят както с комбинирани системи газ-дизел, така и само със синьо гориво. Все повече и повече кораби преминават към природен газ.

На фона на цените на течните горива, цената на метана звучи фантастично и мнозина започват да се съмняват, че тук има уловка – и то с основание. Като се има предвид, че енергийното съдържание на килограм метан е по-високо от това на килограм бензин и че един литър (т.е. един кубичен дециметър) бензин тежи по-малко от килограм, всеки може да заключи, че килограм метан съдържа много повече енергия от литър бензин. Ясно е, че дори и без тази очевидна бъркотия от числа и неясни несъответствия, работата с кола, работеща на природен газ или метан, ще ви струва много по-малко пари, отколкото работата с кола, работеща на бензин.

Но ето класическото голямо „НО“… Защо, след като „измамата“ е толкова голяма, почти никой у нас не използва природен газ като автомобилно гориво, а пригодените за него автомобили в България са по-рядко срещани. феномен от кенгуруто до боровата Родопа? Отговор на този съвсем нормален въпрос не дава фактът, че газовата индустрия по света се развива с бясна скорост и в момента се смята за най-безопасната алтернатива на течните петролни горива. Технологията на водородните двигатели все още има неясно бъдеще, управлението в цилиндрите на водородните двигатели е изключително трудно и все още не е ясно какъв е икономичният метод за извличане на чист водород. На този фон бъдещето на метана е, меко казано, блестящо - особено след като има огромни находища на природен газ в политически безопасни страни, че новите технологии (споменати в предишния брой за криогенно втечняване и химическо превръщане на природен газ в течности) поевтиняват, докато цените на класическите въглеводородни продукти растат. Да не говорим за факта, че метанът има всички шансове да се превърне в основен източник на водород за горивните клетки на бъдещето.

Истинската причина за изоставянето на въглеводородните газове като гориво за превозни средства са все още ниските цени на петрола в продължение на десетилетия, които тласкат развитието на автомобилните технологии и свързаната с тях инфраструктура за автомобилен транспорт към осигуряване на енергия за бензинови и дизелови двигатели. На фона на тази обща тенденция опитите за използване на газово гориво са доста спорадични и незначителни.

Дори след края на Втората световна война недостигът на течни горива в Германия доведе до появата на автомобили, оборудвани с най-простите системи за използване на природен газ, които, макар и много по-примитивни, се различават малко от системите, използвани от българските таксита днес. от газови бутилки и редуктори. Газовите горива придобиват по-голямо значение по време на двете петролни кризи през 1973 и 1979-80 г., но дори тогава можем да говорим само за кратки изблици, които остават почти незабелязани и не водят до значително развитие в тази област. В продължение на повече от две десетилетия от последната остра криза цените на течните горива остават упорито ниски, достигайки абсурдно ниски цени през 1986 и 1998 г. на стойност 10 долара за барел. Ясно е, че подобна ситуация не може да има стимулиращ ефект върху алтернативни видове газови горива ...

В началото на XI век пазарната ситуация постепенно, но сигурно се движи в различна посока. След терористичните атаки на 11 от септември 2001 г. се наблюдава постепенна, но стабилна тенденция към покачване на цените на петрола, които продължават да нарастват в резултат на увеличеното потребление от Китай и Индия и трудностите при намирането на нови находища. Автомобилните компании обаче са много по-неудобни в посока на масовото производство на автомобили, пригодени да работят на газообразни горива. Причините за тази тромавост могат да се търсят както в инерцията на мисленето на повечето потребители, които са свикнали с традиционните течни горива (например за европейците дизеловото гориво остава най-реалистичната алтернатива на бензина), така и в необходимостта от огромни инвестиции в тръбопроводната инфраструктура. и компресорни станции. Когато това се добави към сложните и скъпи системи за съхранение на гориво (особено сгъстен природен газ) в самите автомобили, голямата картина започва да се изяснява.

От друга страна, електроцентралите с газово гориво стават все по-разнообразни и следват технологията на своите бензинови събратя. Газовите захранващи устройства вече използват същите сложни електронни компоненти за впръскване на гориво в течната (все още рядка) или газовата фаза. Има и все повече и повече производствени модели превозни средства, фабрично настроени за моновалентно захранване с газ или с възможност за двойно захранване газ/бензин. Все повече се осъзнава още едно предимство на газовите горива - поради химичната си структура газовете се окисляват по-пълно, а нивото на вредните емисии в отработените газове на използващите ги автомобили е много по-ниско.

Ново начало

Пробивът на пазара обаче ще изисква целеви и директни финансови стимули за крайните потребители на природен газ като гориво за превозни средства. За да привлекат клиенти, продавачите на метан в Германия вече предоставят на купувачите на превозни средства на природен газ специални бонуси, чийто характер понякога изглежда просто невероятен - например газоразпределителната компания в Хамбург възстановява разходите на физически лица за закупуване на газ. автомобили от определени търговци за период от една година. Единственото условие към потребителя е да залепи на автомобила си рекламен стикер на спонсора...

Причината, поради която природният газ в Германия и България (и в двете страни по-голямата част от природния газ идва от Русия по тръбопровод) е много по-евтин от другите горива, трябва да се търси в редица правни предпоставки. Пазарната цена на газа е логично свързана с цената на петрола: с увеличаването на цената на петрола расте и цената на природния газ, но разликата в цените на бензина и газа за крайния потребител се дължи главно на по-ниското данъчно облагане на природния газ. газ. В Германия например цената на газа е законово фиксирана до 2020 г. и схемата на това „фиксиране“ е следната: през този период цената на природния газ може да расте заедно с цената на петрола, но пропорционалното му предимство в сравнение с други енергийни източници трябва да се поддържа на постоянно ниво. Ясно е, че при така регламентираната правна рамка, ниските цени и липсата на каквито и да било проблеми при конструирането на "газови двигатели", единственият проблем за растежа на този пазар остава неразвитата мрежа от бензиностанции - в огромна Германия, за например има само 300 такива точки, а в България са много.по-малко.

Перспективите за запълване на този инфраструктурен дефицит в момента изглеждат големи - в Германия асоциацията на Erdgasmobil и френския петролен гигант TotalFinaElf възнамерява да инвестира сериозно в изграждането на няколко хиляди нови бензиностанции, а в България няколко компании са се заели с подобна задача. Възможно е скоро цяла Европа да използва същата развита мрежа от бензиностанции за природен и втечнен нефтен газ като потребителите в Италия и Холандия – страни, за чието развитие в тази област ви разказахме в предишния брой.

Honda Civic GX

На автомобилното изложение във Франкфурт през 1997 г. Honda представи Civic GX, твърдейки, че е най-екологичният автомобил в света. Оказа се, че амбициозното изказване на японците не е просто поредният маркетингов трик, а чистата истина, която остава актуална и до днес, и може да се види на практика в последното издание на Civic GX. Автомобилът е проектиран да работи само с природен газ, а двигателят е проектиран да се възползва напълно от високото октаново число на газообразното гориво. Не е изненадващо, че превозните средства от този тип днес могат да предложат нива на емисии на отработени газове, по-ниски от тези, изисквани в бъдеща европейска икономика Euro 5, или 90% по-ниски от американските ULEV (превозни средства с ултра ниски емисии). . Двигателят на Honda работи изключително гладко, а високото съотношение на компресия от 12,5:1 компенсира по-ниската обемна енергийна стойност на природния газ в сравнение с бензина. Резервоарът от 120 литра е изработен от композитен материал, а еквивалентният разход на газ е 6,9 литра. Известната система за променливо газоразпределение VTEC на Honda работи добре със специалните свойства на горивото и допълнително подобрява заряда на двигателя. Поради по-ниската скорост на изгаряне на природния газ и факта, че горивото е "сухо" и няма смазочни свойства, леглата на клапаните са изработени от специални топлоустойчиви сплави. Буталата също са направени от по-здрави материали, тъй като газта не може да охлади цилиндрите, когато се изпарява като бензина.

Маркучите на Honda GX в газовата фаза се впръскват с природен газ, който е 770 пъти по-голям от еквивалентното количество бензин. Най-голямото технологично предизвикателство пред инженерите на Honda беше да създадат правилните инжектори, които да работят в такива условия и предпоставки – за да постигнат оптимална мощност, инжекторите трябва да се справят с нелеката задача едновременно да подадат необходимото количество газ, за ​​което по принцип впръсква се течен бензин. Това е проблем за всички двигатели от този тип, тъй като газта заема много по-голям обем, измества част от въздуха и изисква впръскване директно в горивните камери.

През същата 1997 г. Fiat също демонстрира подобен модел Honda GX. "Двувалентната" версия на Marea може да използва два вида гориво - бензин и природен газ, като газта се изпомпва от втора, напълно независима горивна система. Двигателят винаги стартира на течно гориво и след това автоматично превключва на газ. 1,6-литровият двигател е с мощност 93 к.с. с гориво газ и 103 к.с. с. при използване на бензин. По принцип двигателят работи предимно на газ, освен когато последната свърши или водачът има явно желание да използва бензин. За съжаление "двойствената природа" на двувалентната енергия не позволява да се използват пълноценно предимствата на високооктановия природен газ. Fiat в момента произвежда версия Mulipla с този тип захранване.

С течение на времето подобни модели се появиха в гамата на Opel (Astra и Zafira Bi Fuel за LPG и CNG версии), PSA (Peugeot 406 LPG и Citroen Xantia LPG) и VW (Golf Bifuel). Volvo се счита за класика в тази област, като произвежда варианти на S60, V70 и S80, способни да работят както на природен газ, така и на биогаз и пропан -бутан. Всички тези превозни средства са оборудвани със системи за впръскване на газ, използващи специални дюзи, електронно контролирани технологични процеси и съвместими с гориво механични компоненти като клапани и бутала. Резервоарите за CNG гориво могат да издържат на налягане от 700 bar, въпреки че самият газ се съхранява в тях при налягане не повече от 200 bar.

BMW

BMW е добре известен защитник на устойчивите горива и от много години разработва различни задвижвания за превозни средства с алтернативни източници. В началото на 90-те години баварската компания създава модели от сериите 316g и 518g, които използват природен газ като гориво. В последните си разработки компанията реши да експериментира с фундаментално нови технологии и заедно с германската хладилна група Linde, нефтената компания Aral и енергийната компания E.ON Energy разработи проект за използване на втечнени газове. Проектът се развива в две посоки: първата е развитието на доставките на втечнен водород, а втората е използването на втечнен природен газ. Използването на втечнен водород все още се счита за обещаваща технология, за която ще говорим по-късно, но системата за съхранение и използване на втечнен природен газ е съвсем реална и може да бъде приложена на практика в автомобилната индустрия през следващите няколко години.

В същото време природният газ се охлажда до температура от -161 градуса и се кондензира при налягане от 6-10 бара, докато преминава в течна фаза. Резервоарът е много по-компактен и по-лек в сравнение с бутилките със сгъстен газ и на практика представлява криогенен термос от суперизолационни материали. Благодарение на модерната технология Linde, въпреки много тънките и леки стени на резервоара, течният метан може да се съхранява в това състояние в продължение на две седмици без проблеми, дори в горещо време и без нужда от охлаждане. Първата бензиностанция за LNG, в изграждането на която инвестиция от 400 XNUMX евро, вече работи в Мюнхен.

Процеси на горене в двигатели с газообразно гориво

Както вече споменахме, природният газ съдържа основно метан, а втечненият нефтен газ - пропан и бутан в пропорции, които зависят от сезона. С увеличаването на молекулното тегло устойчивостта на удар на парафинови (правоверижни) въглеводородни съединения като метан, етан и пропан намалява, молекулите се разпадат по-лесно и се натрупват повече пероксиди. Така дизеловите двигатели използват дизелово гориво, а не бензин, тъй като в първия случай температурата на самозапалване е по-ниска.

Метанът има най-високото съотношение водород / въглерод от всички въглеводороди, което на практика означава, че за същото тегло метанът има най-висока енергийна стойност сред въглеводородите. Обяснението на този факт е сложно и изисква известни познания по химията и енергията на взаимоотношенията, така че няма да се занимаваме с това. Достатъчно е да се каже, че стабилната молекула на метан осигурява октаново число от около 130.

Поради тази причина скоростта на горене на метана е много по-ниска от тази на бензина, малките молекули позволяват на метана да изгаря по-пълно, а в газообразно състояние се получава по-малко извличане на масло от стените на цилиндъра при студени двигатели в сравнение с бензиновите смеси. ... Пропанът от своя страна има октанов клас 112, който все още е по-висок от повечето бензини. Слабите пропан-въздушни смеси изгарят при по-ниска температура от бензина, но богатите могат да доведат до термично претоварване на двигателя, тъй като пропанът няма охлаждащите свойства на бензина поради навлизането му в цилиндрите в газообразна форма.

Този проблем вече е решен с използването на системи с директно впръскване на течен пропан. Тъй като пропанът се втечнява лесно, лесно е да се изгради система за съхранението му в кола и няма нужда да се нагряват всмукателните колектори, тъй като пропанът не кондензира като бензина. Това от своя страна подобрява термодинамичната ефективност на двигателя, където е безопасно да се използват термостати, които поддържат по-ниска температура на охлаждащата течност. Единственият значителен недостатък на газообразните горива е фактът, че нито метанът, нито пропанът имат смазващ ефект върху изпускателните клапани, така че експертите казват, че това е "сухо гориво", което е добро за буталните пръстени, но лошо за клапаните. Не можете да разчитате на газовете за доставяне на повечето от добавките към цилиндрите на двигателя, но двигателите, работещи с тези горива, не се нуждаят от толкова много добавки, колкото бензиновите двигатели. Контролът на сместа е много важен фактор при газовите двигатели, тъй като богатите смеси водят до по-високи температури на отработените газове и претоварване на клапаните, докато бедните смеси създават проблем, като намаляват и без това ниската скорост на горене, което отново е предпоставка за термично претоварване на клапаните. Коефициентът на сгъстяване при двигателите с пропан може лесно да се увеличи с две-три единици, а при метановите - дори повече. Полученото увеличение на азотните оксиди се компенсира от по-ниски емисии като цяло. Оптималната пропанова смес е малко "по-бедна" - 15,5:1 (въздух към гориво) срещу 14,7:1 за бензина и това се взема предвид при проектирането на изпарители, измервателни устройства или инжекционни системи. Тъй като и пропанът, и метанът са газове, двигателите не се нуждаят от обогатяване на смеси по време на студен старт или ускорение.

Ъгълът на изпреварване при запалване се изчислява на различна крива от тази на бензиновите двигатели - при ниски обороти изпреварването при запалване трябва да е по-високо поради по-бавното изгаряне на метан и пропан, но при високи скорости бензиновите двигатели се нуждаят от повече увеличение. смес (скоростта на горене на бензина се намалява поради краткото време на реакциите преди пламъка - т.е. образуването на пероксиди). Ето защо електронните системи за управление на запалването на газовите двигатели имат съвсем различен алгоритъм.

Метанът и пропанът също повишават изискванията към електродите за свещи с високо напрежение - "по-сухата" смес е "по-трудна" за пробиване от искрата, тъй като е по-малко проводим електролит. Следователно разстоянието между електродите на запалителните свещи, подходящи за такива двигатели, обикновено е различно, напрежението е по-високо и като цяло въпросът със свещите е по-сложен и фин, отколкото при бензиновите двигатели. Ламбда сондите се използват в най-модерните газови двигатели за оптимално качествено дозиране на сместа. Наличието на системи за запалване на две отделни криви е особено важно за превозни средства, оборудвани с двувалентни системи (за природен газ и бензин), тъй като рядката мрежа от точки за зареждане с природен газ често изисква принудително използване на бензин.

Оптималното съотношение на компресия на природния газ е около 16: 1, а идеалното съотношение въздух-гориво е 16,5: 1. ще загуби около 15% от потенциалната си мощност. При използване на природен газ количеството въглероден оксид (CO) и въглеводороди (HC) в отработените газове се намалява с 90%, а азотните оксиди (NOx) с около 70% в сравнение с емисиите на конвенционалните бензинови двигатели. Интервалът за смяна на маслото при газови двигатели обикновено се удвоява.

Газ-дизел

През последните няколко години системите за доставка на гориво с двойно гориво стават все по-популярни. Бързам да отбележа, че не говорим за "двувалентни" двигатели, работещи редуващи се на газ или бензин и имащи свещи, а за специални дизелово-газови системи, при които част от дизеловото гориво се заменя с природен газ, доставян от отделна енергийна система. Тази технология се основава на стандартни дизелови двигатели.

Принципът на действие се основава на факта, че метанът има температура на самозапалване над 600 градуса - т.е. над температура от приблизително 400-500 градуса в края на цикъла на компресия на дизеловия двигател. Това от своя страна означава, че сместа метан-въздух не се запалва сама при компресиране в цилиндрите, а за своеобразна свещ се използва впръсканото дизелово гориво, което се запалва при около 350 градуса. Системата може да работи изцяло на метан, но в този случай ще е необходимо инсталирането на електрическа система и свещ. Обикновено процентът на метан се увеличава с натоварване, на празен ход колата работи на дизел, а при голямо натоварване съотношението метан/дизел достига 9/1. Тези пропорции могат да се променят и според предварителната програма.

Някои компании произвеждат дизелови двигатели с т.нар. „Микропилотни“ енергийни системи, при които ролята на дизеловата система е ограничена до впръскването на малко количество гориво, необходимо само за запалване на метан. Поради това тези двигатели не могат да работят автономно с дизел и обикновено се използват в индустриални превозни средства, автомобили, автобуси и кораби, където скъпото преоборудване е икономически оправдано - след износването му това води до значителни икономии, живот на двигателя. нараства значително, а емисиите на вредни газове значително намаляват. Микропилотните машини могат да работят както с втечнен, така и с компресиран природен газ.

Видове системи, използвани за допълнителна инсталация

Разнообразието от системи за доставка на газ за газообразни горива непрекъснато нараства. По принцип видовете могат да бъдат разделени на няколко вида. Когато се използват пропан и метан, това са смесени системи и системи с атмосферно налягане, газофазни инжекционни системи и инжекционни системи с течна фаза. От техническа гледна точка системите за инжектиране на пропан-бутан могат да бъдат разделени на няколко поколения:

Първото поколение са системи без електронно управление, при които газът се смесва в обикновен смесител. Те обикновено са оборудвани със стари карбураторни двигатели.

Второто поколение е инжекцион с една дюза, аналогова ламбда сонда и трипътен катализатор.

Третото поколение е инжекцион с една или повече дюзи (по една на цилиндър), с микропроцесорно управление и наличие както на програма за самообучение, така и на кодова таблица за самодиагностика.

Четвъртото поколение е последователно (цилиндрично) впръскване в зависимост от положението на буталото, с брой дюзи, равен на броя на цилиндрите, и с обратна връзка чрез ламбда сонда.

Пето поколение - многоточково последователно впръскване с обратна връзка и комуникация с микропроцесор за управление на бензиновия инжекцион.

В най-модерните системи "газовият" компютър използва пълноценно данните от главния микропроцесор за управление на параметрите на бензиновия двигател, включително времето за впръскване. Предаването на данни и управлението също е напълно свързано с основната бензинова програма, което избягва необходимостта от създаване на цели XNUMXD карти на газовия инжекцион за всеки модел автомобил - смарт устройството просто чете програмите от бензиновия процесор. и ги адаптира към газов инжекцион.