Alternative de testare: PARTEA 2 - Mașini

Dacă ai ocazia să zbori peste Siberia de Vest noaptea, prin fereastră vei vedea o priveliște grotescă, care amintește de deșertul kuwaitian după retragerea trupelor lui Saddam în timpul primului război din Irak. Peisajul este plin de imense „făclii” aprinse, ceea ce este o dovadă clară că mulți producători ruși de petrol consideră în continuare gazul natural un produs secundar și un produs inutil în procesul de găsire a câmpurilor de petrol ...

Experții cred că aceste deșeuri vor fi oprite în viitorul apropiat. Timp de mulți ani, gazul natural a fost considerat un produs în exces și a fost ars sau pur și simplu eliberat în atmosferă. Se estimează că până acum numai Arabia Saudită a aruncat sau ars peste 450 de milioane de metri cubi de gaze naturale în timpul producției de petrol ...

În același timp, procesul este inversat - majoritatea companiilor petroliere moderne consumă de multă vreme gaze naturale, realizând valoarea acestui produs și importanța lui, care nu poate decât să crească în viitor. Această viziune asupra lucrurilor este caracteristică în special Statelor Unite, unde, spre deosebire de rezervele de petrol deja epuizate, există încă zăcăminte mari de gaze. Această din urmă împrejurare se reflectă automat în infrastructura industrială a unei țări uriașe, a cărei muncă este de neconceput fără mașini și cu atât mai mult fără camioane și autobuze mari. Există tot mai multe companii de transport în străinătate care modernizează motoarele diesel ale flotelor lor de camioane pentru a funcționa atât cu sisteme combinate gaz-diesel, cât și numai cu combustibil albastru. Tot mai multe nave trec la gaze naturale.

Pe fondul prețurilor combustibilului lichid, prețul metanului sună fantastic și mulți încep să se îndoiască că există o captură aici - și cu un motiv întemeiat. Având în vedere că conținutul energetic al unui kilogram de metan este mai mare decât cel al unui kilogram de benzină și că un litru (adică un decimetru cub) de benzină cântărește mai puțin de un kilogram, oricine poate trage concluzia că un kilogram de metan conține mult mai mult. energie decât un litru de benzină. Este clar că, chiar și fără acest amestec aparent de numere și disparități vagi, conducerea unei mașini care funcționează cu gaz natural sau metan vă va costa mult mai puțini bani decât să conduceți o mașină care funcționează pe benzină.

Dar iată clasicul mare „DAR”… De ce, din moment ce „escrocheria” este atât de mare, aproape nimeni în țara noastră nu folosește gazul natural ca combustibil auto, iar mașinile adaptate pentru utilizarea lui în Bulgaria sunt mai rare. fenomen de la cangur la pin muntele Rodopi? Răspunsul la această întrebare perfect normală nu este dat de faptul că industria gazelor din întreaga lume se dezvoltă într-un ritm frenetic și este considerată în prezent cea mai sigură alternativă la combustibilii petrolieri lichizi. Tehnologia motoarelor cu hidrogen are încă un viitor incert, gestionarea în cilindru a motoarelor cu hidrogen este extrem de dificilă și care este o metodă economică de extragere a hidrogenului pur nu este încă clară. Pe acest fundal, viitorul metanului este, ca să spunem ușor, strălucit - mai ales că există zăcăminte uriașe de gaze naturale în țări sigure din punct de vedere politic, că noile tehnologii (menționate în numărul anterior al lichefierii criogenice și conversiei chimice a gazelor naturale în lichide) devin mai ieftine, în timp ce prețul produselor clasice cu hidrocarburi crește. Ca să nu mai vorbim de faptul că metanul are toate șansele să devină principala sursă de hidrogen pentru pilele de combustibil ale viitorului.

Motivul real al abandonării gazelor de hidrocarburi ca combustibili auto este prețul scăzut al petrolului de-a lungul deceniilor, care a împins dezvoltarea tehnologiei auto și a infrastructurii de transport rutier aferente către furnizarea de energie pentru motoarele pe benzină și diesel. Pe fondul acestei tendințe generale, încercările de a utiliza combustibilul pe gaz sunt destul de sporadice și nesemnificative.

Chiar și după sfârșitul celui de-al doilea război mondial, lipsa combustibililor lichizi din Germania a dus la apariția mașinilor echipate cu cele mai simple sisteme de utilizare a gazului natural, care, deși sunt mult mai primitive, diferă puțin de sistemele utilizate astăzi de taxiurile bulgare. din buteliile și reductoarele de gaz. Combustibilii pe gaz au căpătat o importanță mai mare în timpul celor două crize petroliere din 1973 și 1979-80, dar chiar și atunci nu putem vorbi decât despre scurgeri scurte care au trecut aproape neobservate și nu au dus la o dezvoltare semnificativă în acest domeniu. De mai bine de două decenii de la cea mai recentă criză acută, prețurile combustibilului lichid au rămas constant scăzute, ajungând la prețuri absurd de mici în 1986 și 1998, la 10 dolari pe baril. Este clar că o astfel de situație nu poate avea un efect stimulativ asupra tipurilor alternative de combustibil gazos ...

La începutul secolului al XI-lea, situația pieței se deplasează treptat, dar sigur într-o altă direcție. De la atacurile teroriste din septembrie 11 din 2001, a existat o tendință ascendentă treptată, dar constantă a prețurilor petrolului, care a continuat să crească ca urmare a creșterii consumului de către China și India și a dificultăților în găsirea de noi depozite. Cu toate acestea, companiile auto sunt mult mai incomode în direcția producției în masă a automobilelor adaptate să funcționeze cu combustibili gazoși. Motivele acestei greutăți pot fi găsite atât în ​​inerția gândirii majorității consumatorilor, obișnuiți cu combustibilii lichizi tradiționali (pentru europeni, de exemplu, motorina rămâne cea mai realistă alternativă la benzină), cât și în necesitatea investițiilor uriașe în infrastructura conductelor. și stații de compresoare. Când acest lucru se adaugă sistemelor complexe și costisitoare de stocare a combustibilului (în special gaz natural comprimat) în mașini, imaginea de ansamblu începe să se lămurească.

Pe de altă parte, centralele cu combustibil gazos devin din ce în ce mai diversificate și urmează tehnologia omologilor lor pe benzină. Alimentatoarele de gaz folosesc deja aceleași componente electronice sofisticate pentru a injecta combustibil în faza lichidă (încă rar) sau gazoasă. Există, de asemenea, din ce în ce mai multe modele de vehicule de producție setate din fabrică pentru alimentarea cu gaz monovalent sau cu posibilitate de alimentare duală cu gaz/benzină. Din ce în ce mai mult, se realizează un alt avantaj al combustibililor gazoși - datorită structurii sale chimice, gazele sunt mai complet oxidate, iar nivelul emisiilor nocive din gazele de eșapament ale mașinilor care le folosesc este mult mai scăzut.

Un nou început

Cu toate acestea, o descoperire pe piață va necesita stimulente financiare direcționate și directe pentru utilizatorii finali de gaz natural ca combustibil pentru vehicule. Pentru a atrage clienți, vânzătorii de metan din Germania oferă deja cumpărătorilor de vehicule pe gaz natural bonusuri speciale, a căror natură uneori pare pur și simplu de necrezut - de exemplu, compania de distribuție a gazelor din Hamburg rambursează persoanele fizice pentru achiziția de gaz. mașini de la anumiți dealeri pe o perioadă de un an. Singura condiție pentru utilizator este să lipească autocolantul publicitar al sponsorului pe mașină...

Motivul pentru care gazele naturale din Germania și Bulgaria (în ambele țări marea majoritate a gazelor naturale provine din Rusia prin conducte) sunt mult mai ieftine decât alți combustibili, ar trebui căutat într-o serie de premise legale. Prețul de piață al gazelor este legat în mod logic de prețul petrolului: pe măsură ce prețul petrolului crește, la fel crește și prețul gazelor naturale, dar diferența de prețuri la benzină și gaz pentru consumatorul final se datorează în principal impozitării mai scăzute a gazelor naturale. gaz. În Germania, de exemplu, prețul gazului este fixat legal până în 2020, iar schema acestei „fixări” este următoarea: în această perioadă, prețul gazelor naturale poate crește odată cu prețul petrolului, dar avantajul său proporțional peste alte surse de energie trebuie menținută la nivel constant. Este clar că, cu un astfel de cadru legal reglementat, prețuri mici și absența oricăror probleme în construcția „motoarelor pe gaz”, singura problemă pentru creșterea acestei piețe rămâne o rețea nedezvoltată de benzinării - în Germania uriașă, pt. de exemplu, există doar 300 de astfel de puncte, iar în Bulgaria sunt multe.mai puțin.

Perspectivele pentru umplerea acestui deficit de infrastructură arată foarte bine în acest moment - în Germania, asociația Erdgasmobil și gigantul petrolier francez TotalFinaElf intenționează să investească masiv în construcția a câteva mii de benzinării noi, iar în Bulgaria mai multe companii au preluat o activitate similară. sarcină. Este posibil ca în curând întreaga Europă să folosească aceeași rețea dezvoltată de stații de alimentare pentru gaze naturale și lichefiate ca și consumatorii din Italia și Țările de Jos - țări despre a căror dezvoltare în acest domeniu v-am povestit în numărul precedent.

Honda Civic GX

La Salonul Auto de la Frankfurt din 1997, Honda a prezentat Civic GX, susținând că este cea mai ecologică mașină din lume. S-a dovedit că declarația ambițioasă a japonezilor nu este doar un alt strat de marketing, ci adevărul pur, care rămâne relevant până astăzi și poate fi văzut în practică în cea mai recentă ediție a lui Civic GX. Mașina este proiectată să funcționeze numai cu gaz natural, iar motorul este proiectat pentru a profita din plin de octanajul ridicat al combustibilului gazos. Deloc surprinzător, vehiculele de acest tip pot oferi astăzi niveluri de emisii mai mici decât cele cerute într-o viitoare economie europeană Euro 5, sau cu 90% mai mici decât ULEV-urile din SUA (Ultra Low Emission Vehicles). . Motorul Honda funcționează extrem de bine, iar raportul de compresie ridicat de 12,5:1 compensează valoarea energetică volumetrică mai mică a gazului natural în comparație cu benzina. Rezervorul de 120 de litri este realizat din material compozit, iar consumul echivalent de gaz este de 6,9 ​​litri. Faimosul sistem de sincronizare variabilă a supapelor VTEC de la Honda funcționează bine cu proprietățile speciale ale combustibilului și îmbunătățește încărcarea motorului. Datorită vitezei de ardere mai scăzute a gazelor naturale și a faptului că combustibilul este „uscat” și nu are proprietăți de lubrifiere, scaunele supapelor sunt realizate din aliaje speciale rezistente la căldură. Pistoanele sunt, de asemenea, fabricate din materiale mai rezistente, deoarece gazul nu poate răci cilindrii atunci când se evaporă ca benzina.

Furtunurile Honda GX în fază gazoasă sunt injectate cu gaz natural, care este de 770 de ori mai mare decât cantitatea echivalentă de benzină. Cea mai mare provocare tehnologică pentru inginerii Honda a fost crearea injectoarelor potrivite pentru a funcționa în astfel de condiții și condiții prealabile - pentru a obține o putere optimă, injectoarele trebuie să facă față sarcinii dificile de a furniza simultan cantitatea necesară de gaz, pentru care, în principiu, se injectează benzină lichidă. Aceasta este o problemă pentru toate motoarele de acest tip, deoarece gazul ocupă un volum mult mai mare, deplasează o parte din aer și necesită injecție direct în camerele de ardere.

În același 1997, Fiat a demonstrat și un model Honda GX similar. Versiunea „bivalentă” Marea poate folosi două tipuri de combustibil - benzină și gaz natural, iar gazul este pompat de un al doilea sistem de alimentare complet independent. Motorul pornește întotdeauna cu combustibil lichid și apoi trece automat pe gaz. Motorul de 1,6 litri are o putere de 93 CP. cu benzină și 103 CP. Cu. la folosirea benzinei. În principiu, motorul funcționează în principal pe gaz, cu excepția cazului în care acesta din urmă se epuizează sau șoferul are dorința clară de a folosi benzină. Din păcate, „natura duală” a energiei bivalente nu permite utilizarea pe deplin a avantajelor gazului natural cu octan ridicat. Fiat produce în prezent o versiune Mulipla cu acest tip de alimentare.

De-a lungul timpului, modele similare au apărut în gama Opel (Astra și Zafira Bi Fuel pentru versiunile GPL și CNG), PSA (Peugeot 406 LPG și Citroen Xantia LPG) și VW (Golf Bifuel). Volvo este considerat un clasic în această zonă, producând variante ale modelelor S60, V70 și S80 capabile să funcționeze pe gaz natural, precum și pe biogaz și GPL. Toate aceste vehicule sunt echipate cu sisteme de injecție a gazului care utilizează duze speciale, procese tehnologice controlate electronic și componente mecanice compatibile cu combustibilul, cum ar fi supapele și pistoanele. Rezervoarele de combustibil GNC sunt proiectate să reziste la o presiune de 700 bari, deși gazul în sine este stocat acolo la o presiune de cel mult 200 bari.

BMW

BMW este un susținător binecunoscut al carburanților durabili și a dezvoltat de mulți ani diverse sisteme de propulsie pentru vehicule cu surse alternative. La începutul anilor '90, compania bavareză a creat modele din seriile 316g și 518g, care folosesc gaz natural drept combustibil. În cele mai recente evoluții, compania a decis să experimenteze tehnologii fundamental noi și, împreună cu grupul german de refrigerare Linde, compania petrolieră Aral și compania energetică E.ON Energy, au dezvoltat un proiect pentru utilizarea gazelor lichefiate. Proiectul se dezvoltă în două direcții: prima este dezvoltarea rezervelor de hidrogen lichefiat, iar a doua este utilizarea gazului natural lichefiat. Utilizarea hidrogenului lichefiat este încă considerată o tehnologie promițătoare, despre care vom vorbi mai târziu, însă sistemul de stocare și utilizare a gazului natural lichefiat este destul de real și poate fi pus în practică în industria auto în următorii câțiva ani.

În același timp, gazul natural este răcit la o temperatură de -161 grade și se condensează la o presiune de 6-10 bari, în timp ce trece în faza lichidă. Rezervorul este mult mai compact și mai ușor în comparație cu buteliile de gaz comprimat și este practic un termos criogen din materiale superizolante. Datorită tehnologiei moderne Linde, în ciuda pereților rezervorului foarte subțiri și ușori, metanul lichid poate fi depozitat în această stare timp de două săptămâni, fără probleme, chiar și pe timp cald și fără a fi nevoie de refrigerare. Prima stație de alimentare cu GNL, în construcția căreia s-au investit 400 de euro, funcționează deja la München.

Procese de ardere la motoarele cu combustibil gazos

După cum sa menționat deja, gazul natural conține în principal metan și gaz petrolier lichefiat - propan și butan în proporții care depind de sezon. Pe măsură ce greutatea moleculară crește, rezistența la detonare a compușilor de hidrocarburi parafinice (cu lanț drept), cum ar fi metanul, etanul și propanul scade, moleculele se despart mai ușor și se acumulează mai mulți peroxizi. Astfel, motoarele diesel folosesc mai degrabă motorină decât benzină, deoarece temperatura de autoaprindere este mai mică în primul caz.

Metanul are cel mai mare raport hidrogen / carbon dintre toate hidrocarburile, ceea ce înseamnă, în practică, că pentru aceeași greutate, metanul are cea mai mare valoare energetică dintre hidrocarburi. Explicația acestui fapt este complexă și necesită o anumită cunoaștere a chimiei și energiei relațiilor, așa că nu ne vom ocupa de acest lucru. Este suficient să spunem că molecula stabilă de metan oferă un număr octanic de aproximativ 130.

Din acest motiv, rata de ardere a metanului este mult mai mică decât cea a benzinei, moleculele mici permit metanului să ardă mai complet, iar starea sa gazoasă duce la mai puțină levigare a uleiului de pe pereții cilindrilor la motoarele reci comparativ cu amestecurile de benzină. ... La rândul său, propanul are un rating octanic de 112, care este încă mai mare decât majoritatea benzinelor. Amestecurile slabe de propan-aer ard la o temperatură mai scăzută decât benzina, dar cele bogate pot duce la supraîncărcare termică a motorului, deoarece propanul nu are proprietățile de răcire ale benzinei datorită intrării sale în cilindri sub formă gazoasă.

Această problemă a fost deja rezolvată prin utilizarea sistemelor cu injectare directă de propan lichid. Deoarece propanul se lichefiază ușor, este ușor să construiți un sistem pentru a-l depozita într-o mașină și nu este nevoie să încălziți galeriile de admisie, deoarece propanul nu condensează la fel ca benzina. Acest lucru, la rândul său, îmbunătățește eficiența termodinamică a motorului, unde este sigur să folosiți termostate care mențin o temperatură mai scăzută a lichidului de răcire. Singurul dezavantaj semnificativ al combustibililor gazoși este faptul că nici metanul, nici propanul nu au un efect de lubrifiere asupra supapelor de evacuare, așa că experții spun că este un „combustibil uscat” care este bun pentru segmentele pistonului, dar rău pentru supape. Nu te poți baza pe gaze pentru a livra majoritatea aditivilor în cilindrii motorului, dar motoarele care funcționează cu acești combustibili nu au nevoie de atât de mulți aditivi ca motoarele pe benzină. Controlul amestecului este un factor foarte important în motoarele pe gaz, deoarece amestecurile bogate au ca rezultat temperaturi mai mari ale gazelor de eșapament și suprasarcina supapelor, în timp ce amestecurile slabe creează o problemă prin scăderea vitezei de ardere deja scăzută, care este din nou o condiție prealabilă pentru suprasarcina termică a supapelor. Raportul de compresie la motoarele cu propan poate fi crescut cu ușurință cu două sau trei unități, iar în metan - chiar mai mult. Creșterea rezultată a oxizilor de azot este compensată de emisii mai scăzute în ansamblu. Amestecul optim de propan este puțin „mai sărac” - 15,5:1 (aer-combustibil) față de 14,7:1 pentru benzină, iar acest lucru este luat în considerare la proiectarea evaporatoarelor, dispozitivelor de dozare sau sistemelor de injecție. Deoarece atât propanul, cât și metanul sunt gaze, motoarele nu au nevoie să îmbogățească amestecurile în timpul pornirilor la rece sau al accelerației.

Unghiul de depășire a aprinderii este calculat pe o altă curbă decât motoarele pe benzină - la turații mici, depășirea aprinderii ar trebui să fie mai mare din cauza arderii mai lente a metanului și propanului, dar la turații mari, motoarele pe benzină au nevoie de o creștere mai mare. amestec (viteza de ardere a benzinei este redusă din cauza timpului scurt al reacțiilor pre-flamare - adică formarea de peroxizi). De aceea, sistemele electronice de control al aprinderii motoarelor pe gaz au un algoritm complet diferit.

Metanul și propanul cresc, de asemenea, cerințele pentru electrozii bujiilor de înaltă tensiune - un amestec „uscat” este „mai greu” de străpuns decât o scânteie, deoarece este un electrolit mai puțin conductor. Prin urmare, distanța dintre electrozii bujiilor potrivite pentru astfel de motoare este de obicei diferită, tensiunea este mai mare și, în general, problema bujiilor este mai complexă și mai subtilă decât pentru motoarele pe benzină. Sondele lambda sunt utilizate în cele mai moderne motoare pe gaz pentru dozarea optimă a amestecului din punct de vedere calitativ. A avea sisteme de aprindere pe două curbe separate este deosebit de importantă pentru vehiculele echipate cu sisteme bivalente (pentru gaze naturale și benzină), deoarece rețeaua rară de puncte de alimentare cu gaze naturale necesită adesea utilizarea forțată a benzinei.

Raportul optim de compresie al gazelor naturale este de aproximativ 16:1, iar raportul ideal aer-combustibil este de 16,5:1, își va pierde aproximativ 15% din puterea potențială. Când se utilizează gaze naturale, cantitatea de monoxid de carbon (CO) și hidrocarburi (HC) din gazele de eșapament este redusă cu 90%, iar oxizii de azot (NOx) cu aproximativ 70% în comparație cu emisiile convenționale ale motoarelor pe benzină. Intervalul de schimbare a uleiului pentru motoarele pe gaz este de obicei dublat.

Gaz-motorină

În ultimii ani, sistemele de alimentare cu combustibil dual au devenit din ce în ce mai populare. Mă grăbesc să observ că nu vorbim despre motoare „bivalente” care funcționează alternativ pe benzină sau benzină și au bujii, ci despre sisteme speciale diesel-gaz în care o parte a combustibilului diesel este înlocuită cu gaz natural furnizat de un sistem de alimentare separat. Această tehnologie se bazează pe motoare diesel standard.

Principiul de funcționare se bazează pe faptul că metanul are o temperatură de autoaprindere peste 600 de grade - adică. peste o temperatură de aproximativ 400-500 de grade la sfârșitul ciclului de compresie al motorului diesel. Aceasta, la rândul său, înseamnă că amestecul metan-aer nu se aprinde singur atunci când este comprimat în cilindri, iar motorina injectată, care se aprinde la aproximativ 350 de grade, este folosit ca un fel de bujie. Sistemul ar putea funcționa în întregime pe metan, dar în acest caz ar fi necesară instalarea unui sistem electric și a unei bujii. De obicei, procentul de metan crește cu sarcina, la ralanti mașina funcționează cu motorină, iar la sarcină mare raportul metan/motorină ajunge la 9/1. Aceste proporții pot fi modificate și în funcție de programul preliminar.

Unele companii produc motoare diesel cu așa-numitele. Sisteme de putere „Micropilot”, în care rolul sistemului diesel este limitat la injectarea unei cantități mici de combustibil necesar doar pentru aprinderea metanului. Prin urmare, aceste motoare nu pot funcționa autonom pe motorină și sunt de obicei utilizate în vehicule industriale, mașini, autobuze și nave, unde reechiparea costisitoare este justificată din punct de vedere economic - după uzură, aceasta duce la economii semnificative, durata de viață a motorului. crește semnificativ, iar emisiile de gaze nocive sunt reduse semnificativ. Mașinile Micropilot pot funcționa atât cu gaz natural lichefiat, cât și cu gaz natural comprimat.

Tipuri de sisteme utilizate pentru instalarea suplimentară

Varietatea sistemelor de alimentare cu gaze pentru combustibili gazoși este în continuă creștere. În principiu, speciile pot fi împărțite în mai multe tipuri. Când se utilizează propan și metan, acestea sunt sisteme de presiune amestecată și atmosferică, sisteme de injecție în fază gazoasă și sisteme de injecție în fază lichidă. Din punct de vedere tehnic, sistemele de injecție propan-butan pot fi împărțite în mai multe generații:

Prima generație sunt sisteme fără control electronic, în care gazul este amestecat într-un simplu mixer. Acestea sunt de obicei echipate cu motoare vechi cu carburator.

A doua generație este o injecție cu o duză, o sondă lambda analogică și un catalizator cu trei căi.

A treia generație este o injecție cu una sau mai multe duze (una pe cilindru), cu control prin microprocesor și prezența atât a unui program de auto-învățare, cât și a unui tabel de coduri de autodiagnosticare.

A patra generatie este injectie secventiala (cilindrica) in functie de pozitia pistonului, cu numarul de duze egal cu numarul de cilindri, si cu feedback prin sonda lambda.

A cincea generație - injecție secvențială în mai multe puncte cu feedback și comunicare cu un microprocesor pentru controlul injecției de benzină.

În cele mai moderne sisteme, computerul „gaz” folosește pe deplin datele de la microprocesorul principal pentru a controla parametrii motorului pe benzină, inclusiv timpul de injecție. Transmisia și controlul datelor sunt, de asemenea, complet legate de programul principal de benzină, ceea ce evită crearea de hărți întregi XNUMXD de injecție de gaz pentru fiecare model de mașină - dispozitivul inteligent citește pur și simplu programele de pe procesorul pe benzină. și le adaptează la injecția de gaz.