Тест драйв альтернативы: ЧАСТЬ 2 – Автомобили

Если вам представится возможность пролететь ночью над Западной Сибирью, через иллюминатор вы увидите гротескную картину, напоминающую кувейтскую пустыню после вывода войск Саддама во время первой войны в Ираке. Пейзаж усеян огромными горящими «факелами», что является ярким доказательством того, что многие российские производители нефти до сих пор считают природный газ побочным и ненужным продуктом в процессе поиска нефтяных месторождений …

Эксперты считают, что в ближайшее время этот растрат будет остановлен. В течение многих лет природный газ считался избыточным продуктом и сжигался или просто выбрасывался в атмосферу. По оценкам, пока только Саудовская Аравия сбросила или сожгла более 450 миллионов кубометров природного газа при добыче нефти …

В то же время процесс обратный – большинство современных нефтяных компаний давно расходуют природный газ, осознавая ценность этого продукта и его важность, которая в будущем может только возрасти. Такой взгляд на вещи особенно характерен для США, где, в отличие от уже истощающихся запасов нефти, еще есть крупные месторождения газа. Последнее обстоятельство автоматически отражается на производственной инфраструктуре огромной страны, работа которой немыслима без автомобилей, а тем более без больших грузовиков и автобусов. За рубежом становится все больше и больше транспортных компаний, которые модернизируют дизельные двигатели своих грузовых автопарков для работы как с комбинированными газодизельными системами, так и только с голубым топливом. Все больше и больше судов переходят на природный газ.

На фоне цен на жидкое топливо цена на метан звучит фантастически, и многие начинают сомневаться в том, что здесь есть подвох – и не без оснований. Учитывая, что содержание энергии на килограмм метана выше, чем на килограмм бензина, а один литр (т.е. один кубический дециметр) бензина весит менее килограмма, любой может сделать вывод, что килограмм метана содержит намного больше энергии, чем литр бензина. Понятно, что даже без этого очевидного беспорядка цифр и неопределенного неравенства эксплуатация автомобиля, работающего на природном газе или метане, будет стоить вам гораздо меньше денег, чем эксплуатация автомобиля, работающего на бензине.

Но вот классическое большое «НО»… Почему, поскольку «афера» настолько велика, почти никто в нашей стране не использует природный газ в качестве автомобильного топлива, а автомобили, адаптированные для его использования в Болгарии, встречаются реже. феномен от кенгуру до сосновой горы Родопы? Ответ на этот совершенно нормальный вопрос не дает тот факт, что газовая промышленность во всем мире развивается бешеными темпами и в настоящее время считается самой безопасной альтернативой жидкому нефтяному топливу. Технологии водородных двигателей все еще имеют неясные прогнозы на будущее, управление процессами в цилиндрах «водородных» двигателей чрезвычайно сложно, и вопрос о том, какой экономичный метод извлечения чистого водорода еще не ясен. На этом фоне будущее метана, мягко говоря, блестящее – тем более что в политически безопасных странах существуют огромные залежи природного газа, что новые технологии (упомянутые в предыдущем выпуске криогенного сжижения и химического преобразования природного газа в жидкости) дешевеют, при этом цена на классические углеводородные продукты растет. Не говоря уже о том, что у метана есть все шансы стать основным источником водорода для топливных элементов будущего.

Настоящей причиной отказа от углеводородных газов в качестве автомобильного топлива до сих пор являются низкие цены на нефть на протяжении десятилетий, которые способствовали развитию автомобильных технологий и сопутствующей дорожно-транспортной инфраструктуры в направлении обеспечения энергией бензиновых и дизельных двигателей. На фоне этой общей тенденции попытки использования газового топлива довольно единичны и незначительны.

Даже после окончания Второй мировой войны нехватка жидкого топлива в Германии привела к появлению автомобилей, оснащенных самыми простыми системами для использования природного газа, которые, хотя и намного более примитивны, но мало чем отличаются от систем, используемых сегодня болгарскими такси. от газобаллонных баллонов и редукторов. Газовое топливо приобрело большее значение во время двух нефтяных кризисов в 1973 и 1979-80 годах, но даже тогда мы можем говорить только о коротких вспышках, которые остались почти незамеченными и не привели к значительному развитию в этой области. Более двух десятилетий после этого последнего острого кризиса цены на жидкое топливо оставались стабильно низкими, достигнув абсурдно низких цен в 1986 и 1998 годах на уровне 10 долларов США за баррель. Понятно, что такая ситуация не может оказать стимулирующего воздействия на альтернативные виды газового топлива…

В начале 11 века рыночная ситуация постепенно, но уверенно движется в другом направлении. После терактов 2001 сентября XNUMX года наблюдалась постепенная, но устойчивая тенденция к повышению цен на нефть, которая продолжала расти в результате увеличения потребления Китаем и Индией и трудностей с поиском новых месторождений. Однако автомобильные компании гораздо более неуклюже идут в направлении массового производства автомобилей, адаптированных для работы на газообразном топливе. Причины такой громоздкости можно найти как в инерции мышления большинства потребителей, привыкших к традиционному жидкому топливу (для европейцев, например, дизельное топливо остается наиболее реальной альтернативой бензину), так и в необходимости огромных инвестиций в инфраструктуру трубопроводов. и компрессорные станции. Когда к этому добавляются сложные и дорогие системы хранения топлива (особенно сжатого природного газа) в самих автомобилях, общая картина начинает проясняться.

С другой стороны, силовые установки для газообразного топлива становятся все более разнообразными и следуют технологии своих бензиновых аналогов. В питателях газа уже используются такие же сложные электронные компоненты для впрыска топлива в жидкую (пока еще редко) или газовую фазу. Также все чаще появляются модели серийных автомобилей с заводской настройкой на моновалентную подачу газа или с возможностью двойной подачи газа / бензина. Все чаще реализуется еще одно преимущество газообразного топлива – благодаря его химической структуре газы более полно окисляются, а уровень вредных выбросов в выхлопных газах автомобилей, использующих их, значительно ниже.

Новое начало

Однако для прорыва на рынок необходимо будет применить целевые и прямые финансовые стимулы для конечных пользователей природного газа в качестве автомобильного топлива. Чтобы привлечь клиентов, продавцы метана в Германии уже предоставляют покупателям, купившим газовые автомобили, специальные бонусы, характер которых иногда кажется просто невероятным – например, гамбургская газораспределительная компания возмещает физическим лицам расходы на покупку газа. автомобили от определенных дилеров сроком на один год. Единственное условие для пользователя – наклеить рекламный стикер спонсора на свою машину…

Причина, по которой природный газ в Германии и Болгарии (в обеих странах подавляющее большинство голубого топлива поступает по трубопроводу из России) намного дешевле, чем другие виды топлива, следует искать в ряде юридических предпосылок. Рыночная цена на газ логически связана с ценой на нефть: с повышением цены на нефть растет и цена голубого топлива, но разница в ценах на бензин и газ для конечного потребителя в основном связана с более низким налогообложением природного газа. В Германии, например, цена на газ законодательно зафиксирована до 2020 г., и схема этой «фиксации» следующая – в течение указанного периода цена на природный газ может расти вместе с ценой на нефть, но его пропорциональное преимущество перед другими источниками энергии должно поддерживаться на постоянном уровне. Понятно, что при такой регулируемой правовой базе, низких ценах и отсутствии каких-либо проблем при строительстве «газовых двигателей» единственной проблемой для роста этого рынка остается неразвитая сеть АЗС – в огромной Германии, например, всего 300 таких очков, а в Болгарии их намного меньше.

Перспективы устранения этого инфраструктурного дефицита на данный момент выглядят великолепно – в Германии ассоциация Erdgasmobil и французского нефтяного гиганта TotalFinaElf намерена вложить огромные средства в строительство нескольких тысяч новых АЗС, а в Болгарии несколько компаний взяли на себя аналогичную задачу. Не исключено, что в скором времени вся Европа будет пользоваться такой же развитой сетью АЗС для природного и сжиженного нефтяного газа, как и потребители в Италии и Нидерландах – странах, о развитии которых в этой сфере мы рассказывали вам в предыдущем выпуске.

Honda Civic GX

На автосалоне во Франкфурте в 1997 году Honda представила Civic GX, заявив, что это самый экологичный автомобиль в мире. Оказалось, что амбициозное заявление японцев – это не очередная маркетинговая уловка, а чистая правда, которая остается актуальной и по сей день, и ее можно увидеть на практике в последней редакции Civic GX. Автомобиль спроектирован для работы только на природном газе, а двигатель спроектирован таким образом, чтобы в полной мере использовать высокое октановое число газообразного топлива. Неудивительно, что сегодня автомобили этого типа могут предлагать уровни выбросов выхлопных газов ниже, чем те, которые требуются в будущей европейской экономике Euro 5, или на 90% ниже, чем американские ULEV (автомобили со сверхнизким уровнем выбросов). . Двигатель Honda работает чрезвычайно плавно, а высокая степень сжатия 12,5: 1 компенсирует меньшую объемную энергетическую ценность природного газа по сравнению с бензином. 120-литровый бак изготовлен из композитного материала, а эквивалент расхода бензина составляет 6,9 литра. Знаменитая система изменения фаз газораспределения Honda VTEC отлично работает с особыми свойствами топлива и дополнительно улучшает заряд двигателя. Из-за меньшей скорости горения природного газа и того, что топливо «сухое» и не обладает смазывающими свойствами, седла клапанов выполнены из специальных жаропрочных сплавов. Поршни также сделаны из более прочных материалов, так как газ не может охлаждать цилиндры, когда он испаряется, как бензин.

В шланги Honda GX в газовой фазе впрыскивается природный газ, объем которого в 770 раз больше, чем у эквивалентного количества бензина. Самой большой технологической трудностью для инженеров Honda было создание подходящих форсунок для работы в таких условиях и предпосылках – для достижения оптимальной мощности форсунки должны справляться со сложной задачей одновременной подачи необходимого количества газа, для чего В принципе, жидкий бензин впрыскивается. Это проблема для всех двигателей этого типа, поскольку газ занимает значительно больший объем, вытесняет часть воздуха и требует впрыска непосредственно в камеры сгорания.

В том же 1997 г. Fiat Также была продемонстрирована аналогичная модель Honda GX. «Двухвалентная» версия Marea может использовать два типа топлива – бензин и природный газ, причем перекачка газа осуществляется второй, полностью независимой топливной системой. Двигатель всегда запускается на жидком топливе, а затем автоматически переключается на газ. Двигатель объемом 1,6 литра имеет мощность 93 л.с. с газовым топливом и 103 л.с. с. при использовании бензина. В принципе, двигатель работает в основном на газе, за исключением тех случаев, когда последний заканчивается или у водителя есть явное желание использовать бензин. К сожалению, «двойственная природа» двухвалентной энергии не позволяет в полной мере использовать преимущества высокооктанового природного газа. Fiat в настоящее время производит версию Mulipla с этим типом блока питания.

Со временем похожие модели появились в ассортименте Opel (Astra и Zafira Bi Fuel для версий LPG и CNG), PSA (Peugeot 406 LPG и Citroen Xantia LPG) и VW (Golf Bifuel). Классикой в ​​этой области считаются Volvo, которые производят варианты S60, V70 и S80, способные работать как на природном газе, так и на биогазе и сжиженном нефтяном газе LPG. Все эти автомобили оснащены системами впрыска газа с помощью специальных форсунок, с электронным управлением технологическими процессами и совместимыми с топливом механическими компонентами, такими как клапаны и поршни. Топливные баки для сжатого природного газа выдерживают давление 700 бар, хотя сам газ хранится в них под давлением не более 200 бар.

BMW

BMW является известным сторонником экологически безопасных видов топлива и в течение многих лет разрабатывает различные силовые установки для автомобилей с альтернативными источниками. Еще в начале 90-х годов баварская компания создала модели серий 316g и 518g, в которых в качестве топлива используется природный газ. В своих последних разработках компания решила поэкспериментировать с принципиально новыми технологиями и вместе с немецкой холодильной группой Linde, нефтяной компанией Aral и энергетической компанией E.ON Energy разработала проект по использованию сжиженных газов. Проект развивается по двум направлениям: первое – это разработки по поставкам сжиженного водорода, а второе – использование сжиженного природного газа. Использование сжиженного водорода по-прежнему считается перспективной технологией, о которой мы расскажем позже, но система хранения и использования сжиженного природного газа вполне реальна и может быть применена на практике в автомобильной промышленности в ближайшие несколько лет.

При этом природный газ охлаждается до температуры -161 градус и конденсируется под давлением 6-10 бар, при этом переходит в жидкую фазу. Резервуар намного компактнее и легче по сравнению с баллонами со сжатым газом и практически представляет собой криогенный термос из суперизолирующих материалов. Благодаря современной технологии Linde, несмотря на очень тонкие и легкие стенки резервуара, жидкий метан может без проблем храниться в этом состоянии в течение двух недель, даже в жаркую погоду и без необходимости охлаждения. Первая заправочная станция СПГ, в строительство которой вложено 400 тысяч евро, уже работает в Мюнхене.

Процессы горения в двигателях на газообразном топливе

Как уже было сказано, природный газ содержит в основном метан, а сжиженный углеводородный газ – пропан и бутан в пропорциях, зависящих от сезона. По мере увеличения молекулярной массы устойчивость к детонации парафиновых (неразветвленных) углеводородных соединений, таких как метан, этан и пропан, снижается, молекулы легче распадаются и накапливается больше пероксидов. Таким образом, в дизельных двигателях используется дизельное топливо, а не бензин, поскольку в первом случае температура самовоспламенения ниже.

У метана самое высокое соотношение водорода / углерода из всех углеводородов, что на практике означает, что при одинаковом весе метан имеет самую высокую энергетическую ценность среди углеводородов. Объяснение этого факта сложное и требует определенных знаний о химии и энергии отношений, поэтому мы не будем этим заниматься. Достаточно сказать, что стабильная молекула метана обеспечивает октановое число около 130.

По этой причине скорость горения метана намного ниже, чем у бензина, небольшие молекулы позволяют метану сгорать более полно, а его газообразное состояние приводит к меньшему вымыванию масла из стенок цилиндров в холодных двигателях по сравнению с бензиновыми смесями. . Пропан, в свою очередь, имеет октановое число 112, что по-прежнему выше, чем у большинства бензинов. Плохие пропаново-воздушные смеси горят при более низкой температуре, чем бензиновые, но богатые могут привести к тепловой перегрузке двигателя, поскольку пропан не обладает охлаждающими свойствами бензина из-за его поступления в цилиндры в газообразном виде.

Эта проблема уже решена с использованием систем с непосредственным впрыском жидкого пропана. Поскольку пропан легко сжижается, построить систему для его хранения в автомобиле несложно, а нагрев впускных коллекторов просто не нужен, поскольку пропан не конденсируется, как бензин. Это, в свою очередь, улучшает термодинамический КПД двигателя, где безопасно использовать термостаты, поддерживающие более низкую температуру охлаждающей жидкости. Единственным существенным недостатком газообразного топлива является тот факт, что ни метан, ни пропан не оказывают смазывающего действия на выпускные клапаны, поэтому эксперты говорят, что это «сухое топливо», которое благоприятно влияет на поршневые кольца, но вредит клапанам. Нельзя полагаться на газы для передачи большей части присадок в цилиндры двигателя, но двигатели, работающие на таком топливе, не нуждаются в таком количестве присадок, как бензиновые двигатели. Регулирование качества смеси является очень важным фактором в газовых двигателях, так как богатые смеси приводят к повышению температуры выхлопных газов и перегрузке клапанов, а плохие смеси создают проблему из-за снижения и без того низкой скорости сгорания, что опять же является предпосылкой для теплового перегрузка клапана. Степень сжатия в пропановых двигателях легко можно увеличить на две-три единицы, а в метановых – даже больше. Возникающее в результате увеличение количества оксидов азота компенсируется более низким уровнем вредных выбросов в целом. Оптимальная смесь пропана немного «беднее» – 15,5: 1 (воздух к топливу) против 14,7: 1 для бензина, и это учитывается при проектировании испарителей, дозирующих устройств или систем впрыска. Поскольку и пропан, и метан являются газами, двигателям не нужно обогащать смеси при холодном запуске или ускорении.

Угол обгона зажигания рассчитан по другой кривой, чем у бензиновых двигателей – на низких оборотах обгон при зажигании должен быть выше из-за более медленного сгорания метана и пропана, но на высоких оборотах бензиновые двигатели нуждаются в большем увеличении. смеси (скорость сгорания бензина снижается из-за короткого времени предпламенных реакций – т. е. образования пероксидов). Именно поэтому в электронных системах управления зажиганием газовых двигателей совсем другой алгоритм.

Метан и пропан также повышают требования к высокому напряжению электродов свечи зажигания – более «сухую» смесь «труднее» пробить, чем искру, поскольку это менее проводящий электролит. Поэтому расстояние между электродами свечей зажигания, подходящих для таких двигателей, обычно другое, напряжение выше, и в целом вопрос свечей зажигания более сложен и тонок, чем для бензиновых двигателей. В самых современных газовых двигателях используется лямбда-зонд для оптимального дозирования смеси с точки зрения качества. Наличие систем зажигания на двух отдельных кривых особенно важно для автомобилей, оборудованных бивалентными системами (для природного газа и бензина), поскольку разреженная сеть точек заправки природным газом часто требует принудительного использования бензина.

Оптимальная степень сжатия природного газа – около 16: 1, а идеальной топливовоздушной смеси – 16,5: 1. Если газовый двигатель не приспособлен специально для достижения такой высокой степени сжатия, то высокооктановое число природного газа не может быть использовано в максимальной степени, и двигатель будет терять около 15% своей потенциальной мощности. При использовании природного газа количество оксида углерода (CO) и углеводородов (HC) в выхлопных газах снижается на 90%, а оксидов азота (NOx) – примерно на 70% по сравнению с выбросами обычных бензиновых двигателей. Интервал замены масла для газовых двигателей обычно увеличивается вдвое.

Газ-дизель

В последние несколько лет все большую популярность приобретают двухтопливные системы подачи топлива. Спешу отметить, что речь идет не о «двухвалентных» двигателях, работающих попеременно на газе или бензине и имеющих свечи зажигания, а о специальных дизель-газовых системах, в которых часть дизельного топлива заменяется природным газом, поставляемым раздельная система питания. В основе этой техники лежат стандартные дизельные двигатели.

Принцип действия основан на том, что метан имеет температуру самовоспламенения выше 600 градусов – т.е. выше температуры примерно 400-500 градусов в конце цикла сжатия дизельного двигателя. Это, в свою очередь, означает, что метановоздушная смесь не воспламеняется сама по себе при сжатии в цилиндрах, а впрыскиваемое дизельное топливо, воспламеняющееся примерно при 350 градусах, используется как своего рода свеча зажигания. Система могла бы работать полностью на метане, но в этом случае необходимо будет установить электрическую систему и свечу зажигания. Обычно процентное содержание метана увеличивается с нагрузкой, на холостом ходу автомобиль работает на дизельном топливе, а при высокой нагрузке соотношение метан / дизельное топливо достигает 9/1. Эти пропорции тоже можно изменить по предварительной программе.

Некоторые компании выпускают дизельные двигатели с т.н. Системы электропитания «микропилот», в которых роль дизельной системы ограничивается впрыском небольшого количества топлива, необходимого только для воспламенения метана. Поэтому эти двигатели не могут работать автономно на дизеле и обычно используются в промышленных машинах, автомобилях, автобусах и кораблях, где дорогостоящая переоборудование экономически оправдано – после его износа это приводит к значительной экономии, сроку службы двигателя. значительно увеличивается, а выбросы вредных газов значительно сокращаются. Машины «Микропилот» могут работать как на сжиженном, так и на сжатом природном газе.

Типы систем, используемых для дополнительной установки

Разнообразие систем газоснабжения газообразного топлива постоянно растет. В принципе, виды можно разделить на несколько типов. При использовании пропана и метана это системы со смесителем и атмосферным давлением, системы с впрыском газовой фазы и системы с впрыском жидкой фазы. С технической точки зрения системы впрыска пропан-бутана можно разделить на несколько поколений:

Первое поколение – системы без электронного управления, в которых газ смешивается в простом смесителе. Такими обычно комплектуются старые карбюраторные двигатели.

Второе поколение – впрыск с одной форсункой, аналоговым лямбда-зондом и трехкомпонентным катализатором.

Третье поколение – впрыск с одной или несколькими форсунками (по одной на цилиндр), с микропроцессорным управлением и наличием как программы самообучения, так и кодовой таблицы самодиагностики.

Четвертое поколение – последовательный (цилиндрический) впрыск в зависимости от положения поршня, с количеством форсунок, равным количеству цилиндров, и с обратной связью через лямбда-зонд.

Пятое поколение – многоточечный последовательный впрыск с обратной связью и связью с микропроцессором для управления впрыском бензина.

В самых современных системах «газовый» компьютер полностью использует данные главного микропроцессора для управления параметрами бензинового двигателя, в том числе временем впрыска. «Передача» данных и управление также полностью связаны с основной бензиновой программой, что позволяет избежать необходимости создавать целые трехмерные карты впрыска газа для каждой модели автомобиля – «умное» устройство просто считывает программы с «бензинового» процессора. и адаптирует их к впрыску газа.