Alternatives d'essai routier : PARTIE 2 - Voitures

Si vous avez l'occasion de survoler la Sibérie occidentale la nuit, par la fenêtre vous verrez un spectacle grotesque, rappelant le désert koweïtien après le retrait des troupes de Saddam lors de la première guerre en Irak. Le paysage est jonché d'énormes «torches» allumées, ce qui est une preuve éclatante que de nombreux producteurs de pétrole russes considèrent toujours le gaz naturel comme un sous-produit et un produit inutile dans la recherche de gisements de pétrole ...

Les experts estiment que ces déchets seront stoppés dans un proche avenir. Pendant de nombreuses années, le gaz naturel était considéré comme un produit excédentaire et était brûlé ou simplement rejeté dans l'atmosphère. On estime que jusqu'à présent, l'Arabie saoudite à elle seule a jeté ou brûlé plus de 450 millions de mètres cubes de gaz naturel pendant la production de pétrole ...

Dans le même temps, le processus s'inverse - la plupart des compagnies pétrolières modernes consomment depuis longtemps du gaz naturel, réalisant la valeur de ce produit et son importance, qui ne peut qu'augmenter à l'avenir. Cette vision des choses est particulièrement caractéristique des États-Unis où, contrairement aux réserves de pétrole déjà épuisées, il existe encore d'importants gisements de gaz. Cette dernière circonstance se reflète automatiquement dans l'infrastructure industrielle d'un immense pays, dont le travail est impensable sans voitures, et plus encore sans gros camions et bus. De plus en plus d'entreprises de transport à l'étranger modernisent les moteurs diesel de leurs flottes de camions pour fonctionner à la fois avec des systèmes combinés gaz-diesel et uniquement avec du carburant bleu. De plus en plus de navires passent au gaz naturel.

Dans le contexte des prix des carburants liquides, le prix du méthane semble fantastique, et beaucoup commencent à douter qu'il y ait un piège ici - et avec raison. Considérant que le contenu énergétique d'un kilogramme de méthane est supérieur à celui d'un kilogramme d'essence, et qu'un litre (c'est-à-dire un décimètre cube) d'essence pèse moins qu'un kilogramme, n'importe qui peut conclure qu'un kilogramme de méthane contient beaucoup plus d'énergie qu'un litre d'essence. Il est clair que même sans ce fouillis apparent de chiffres et de vagues disparités, conduire une voiture fonctionnant au gaz naturel ou au méthane vous coûtera beaucoup moins cher que de conduire une voiture fonctionnant à l'essence.

Mais voici le grand «MAIS» classique… Pourquoi, puisque «l'arnaque» est si grande, presque personne dans notre pays n'utilise le gaz naturel comme carburant automobile, et les voitures adaptées à son utilisation en Bulgarie sont plus rares. phénomène du kangourou au pin des Rhodopes ? La réponse à cette question parfaitement normale n'est pas donnée par le fait que l'industrie du gaz dans le monde se développe à un rythme effréné et est actuellement considérée comme l'alternative la plus sûre aux carburants pétroliers liquides. La technologie des moteurs à hydrogène a encore un avenir incertain, la gestion dans les cylindres des moteurs à hydrogène est extrêmement difficile et la méthode économique d'extraction de l'hydrogène pur n'est pas encore claire. Dans ce contexte, l'avenir du méthane est, pour le moins, brillant - d'autant plus qu'il existe d'énormes gisements de gaz naturel dans des pays politiquement sûrs, que les nouvelles technologies (évoquées dans le numéro précédent de la liquéfaction cryogénique et de la conversion chimique du gaz naturel en liquides) deviennent moins chers, tandis que le prix des produits hydrocarbures classiques augmente. Sans compter que le méthane a toutes les chances de devenir la principale source d'hydrogène des piles à combustible du futur.

La véritable raison de l'abandon des gaz d'hydrocarbures en tant que carburants automobiles est encore la faiblesse des prix du pétrole pendant des décennies, ce qui a contribué à développer la technologie automobile et les infrastructures de transport routier connexes en vue de la fourniture d'énergie pour les moteurs à essence et diesel. Dans le contexte de cette tendance générale, les tentatives d'utilisation du gaz combustible sont plutôt sporadiques et insignifiantes.

Même après la fin de la Seconde Guerre mondiale, la pénurie de carburants liquides en Allemagne a conduit à l'émergence de voitures équipées des systèmes les plus simples d'utilisation du gaz naturel, qui, bien que beaucoup plus primitifs, ne sont pas très différents des systèmes utilisés par les taxis bulgares aujourd'hui. des bouteilles de gaz et des réducteurs. Les carburants gaziers ont gagné en importance lors des deux crises pétrolières de 1973 et 1979-80, mais même alors, on ne peut parler que de courts éclairs qui sont passés presque inaperçus et n'ont pas conduit à un développement significatif dans ce domaine. Depuis plus de deux décennies depuis cette crise aiguë la plus récente, les prix des carburants liquides sont restés constamment bas, atteignant des prix absurdement bas en 1986 et 1998 à 10 dollars le baril. Il est clair qu'une telle situation ne peut pas avoir un effet stimulant sur d'autres types de gaz combustible ...

Au début du XIe siècle, la situation du marché évolue progressivement mais sûrement dans une direction différente. Depuis les attentats terroristes du 11 de septembre 2001, il y a eu une tendance à la hausse graduelle mais constante des prix du pétrole, qui a continué d'augmenter en raison de la consommation accrue de la Chine et de l'Inde et des difficultés à trouver de nouveaux gisements. Cependant, les constructeurs automobiles sont beaucoup plus gênants dans le sens de la production en série de voitures adaptées pour fonctionner aux carburants gazeux. Les raisons de cette lourdeur se trouvent à la fois dans l'inertie de la pensée de la majorité des consommateurs habitués au carburant liquide traditionnel (pour les Européens, par exemple, le diesel reste l'alternative la plus réaliste à l'essence), et dans la nécessité d'investissements massifs dans les infrastructures de canalisations. et les stations de compression. Lorsque cela est ajouté aux systèmes de stockage complexes et coûteux du carburant (en particulier du gaz naturel comprimé) dans les voitures elles-mêmes, la vue d'ensemble commence à s'éclaircir.

D'autre part, les centrales à carburant gazeux se diversifient et suivent la technologie de leurs homologues à essence. Les doseurs de gaz utilisent déjà les mêmes composants électroniques sophistiqués pour injecter du carburant dans la phase liquide (encore rare) ou gazeuse. Il existe également de plus en plus de modèles de véhicules de série réglés en usine pour une alimentation en gaz monovalent ou avec la possibilité d'une double alimentation gaz / essence. De plus en plus, un autre avantage des carburants gazeux est réalisé - en raison de sa structure chimique, les gaz sont plus complètement oxydés et le niveau d'émissions nocives dans les gaz d'échappement des voitures qui les utilisent est beaucoup plus faible.

Un nouveau départ

Cependant, une percée sur le marché nécessitera des incitations financières ciblées et directes pour les utilisateurs finaux du gaz naturel comme carburant automobile. Pour attirer les clients, les vendeurs de méthane en Allemagne offrent déjà aux acheteurs de véhicules au gaz naturel des primes spéciales, dont la nature semble parfois tout simplement incroyable - par exemple, la société de distribution de gaz de Hambourg rembourse les particuliers pour l'achat de gaz. voitures de certains concessionnaires pendant une période d'un an. La seule condition pour l'utilisateur est de coller l'autocollant publicitaire du sponsor sur sa voiture...

La raison pour laquelle le gaz naturel en Allemagne et en Bulgarie (dans les deux pays, la grande majorité du gaz naturel provient de Russie par gazoduc) est beaucoup moins cher que les autres combustibles, doit être recherchée dans un certain nombre de prémisses légales. Le prix de marché du gaz est logiquement lié au prix du pétrole : plus le prix du pétrole augmente, plus le prix du gaz naturel augmente, mais la différence de prix de l'essence et du gaz pour le consommateur final est principalement due à une moindre taxation du gaz naturel. gaz. En Allemagne, par exemple, le prix du gaz est légalement fixé jusqu'en 2020, et le schéma de cette « fixation » est le suivant : pendant cette période, le prix du gaz naturel peut croître avec le prix du pétrole, mais son avantage proportionnel par rapport aux autres sources d'énergie doit être maintenue à un niveau constant. Il est clair qu'avec un cadre juridique aussi réglementé, des prix bas et l'absence de problèmes dans la construction de "moteurs à gaz", le seul problème pour la croissance de ce marché reste un réseau sous-développé de stations-service - dans l'immense Allemagne, par exemple Par exemple, il n'y a que 300 points de ce type, et en Bulgarie, il y en a beaucoup moins.

Les perspectives de combler ce déficit infrastructurel s'annoncent pour l'instant excellentes - en Allemagne, l'association d'Erdgasmobil et du géant pétrolier français TotalFinaElf entend investir massivement dans la construction de plusieurs milliers de nouvelles stations-service, et en Bulgarie plusieurs entreprises ont entrepris une démarche similaire tâche. Il est possible que bientôt toute l'Europe utilise le même réseau développé de stations-service de gaz naturel et de pétrole liquéfié que les consommateurs en Italie et aux Pays-Bas, pays dont nous vous avons parlé dans le numéro précédent du développement dans ce domaine.

Honda Civic GX

Au salon de l'automobile de Francfort en 1997, Honda a présenté la Civic GX, affirmant qu'il s'agissait de la voiture la plus respectueuse de l'environnement au monde. Il s'est avéré que la déclaration ambitieuse des Japonais n'est pas simplement un autre stratagème marketing, mais la pure vérité, qui reste pertinente à ce jour, et peut être vue en pratique dans la dernière édition de la Civic GX. La voiture est conçue pour fonctionner uniquement au gaz naturel et le moteur est conçu pour tirer pleinement parti de l'indice d'octane élevé du carburant gazeux. Sans surprise, les véhicules de ce type peuvent aujourd'hui offrir des niveaux d'émissions d'échappement inférieurs à ceux requis dans une future économie européenne Euro 5, ou 90% inférieurs aux ULEV américains (Ultra Low Emission Vehicles). . Le moteur Honda fonctionne extrêmement bien et le taux de compression élevé de 12,5: 1 compense la valeur énergétique volumétrique inférieure du gaz naturel par rapport à l'essence. Le réservoir de 120 litres est en matériau composite, et la consommation de gaz équivalente est de 6,9 ​​litres. Le célèbre système de calage variable des soupapes VTEC de Honda fonctionne bien avec les propriétés spéciales du carburant et améliore encore la charge du moteur. En raison du taux de combustion plus faible du gaz naturel et du fait que le carburant est "sec" et n'a pas de propriétés lubrifiantes, les sièges de soupape sont constitués d'alliages spéciaux résistants à la chaleur. Les pistons sont également faits de matériaux plus résistants, car le gaz ne peut pas refroidir les cylindres lorsqu'il s'évapore comme l'essence.

Les tuyaux Honda GX en phase gazeuse sont injectés avec du gaz naturel, qui est 770 fois plus grand que la quantité équivalente d'essence. Le plus grand défi technologique pour les ingénieurs de Honda était de créer les bons injecteurs pour fonctionner dans de telles conditions et conditions préalables - afin d'atteindre une puissance optimale, les injecteurs doivent faire face à la tâche difficile de fournir simultanément la quantité de gaz requise, pour laquelle, en principe, de l'essence liquide est injectée. Ceci est un problème pour tous les moteurs de ce type, car les gaz occupent un volume beaucoup plus important, déplacent une partie de l'air et nécessitent une injection directement dans les chambres de combustion.

Dans le même 1997, Fiat a également présenté un modèle Honda GX similaire. La version "bivalente" de Marea peut utiliser deux types de carburant - l'essence et le gaz naturel, et le gaz est pompé par un deuxième système de carburant complètement indépendant. Le moteur démarre toujours au carburant liquide puis passe automatiquement au gaz. Le moteur de 1,6 litre a une puissance de 93 ch. avec carburant au gaz et 103 ch. Avec. lors de l'utilisation de l'essence. En principe, le moteur fonctionne majoritairement à l'essence, sauf en cas d'épuisement de celui-ci ou lorsque le conducteur a une volonté manifeste d'utiliser de l'essence. Malheureusement, la "double nature" de l'énergie bivalente ne permet pas d'utiliser pleinement les avantages du gaz naturel à indice d'octane élevé. Fiat produit actuellement une version Mulipla avec ce type de bloc d'alimentation.

Au fil du temps, des modèles similaires sont apparus dans la gamme Opel (Astra et Zafira Bi Fuel pour les versions GPL et CNG), PSA (Peugeot 406 GPL et Citroën Xantia GPL) et VW (Golf Bifuel). Volvo est considéré comme un classique dans ce domaine, produisant des variantes des S60, V70 et S80, capables de fonctionner au gaz naturel ainsi qu'au biogaz et au GPL. Tous ces véhicules sont équipés de systèmes d'injection de gaz utilisant des buses spéciales, des processus technologiques à commande électronique et des composants mécaniques compatibles avec le carburant tels que des soupapes et des pistons. Les réservoirs de GNC sont conçus pour résister à une pression de 700 bars, bien que le gaz lui-même y soit stocké à une pression ne dépassant pas 200 bars.

BMW

BMW est un défenseur bien connu des carburants durables et développe depuis de nombreuses années divers groupes motopropulseurs pour les véhicules avec des sources alternatives. Au début des années 90, la société bavaroise a créé des modèles des séries 316g et 518g, qui utilisent le gaz naturel comme carburant. Dans ses derniers développements, l'entreprise a décidé d'expérimenter des technologies fondamentalement nouvelles et, en collaboration avec le groupe de réfrigération allemand Linde, la compagnie pétrolière Aral et la société d'énergie E.ON Energy, a développé un projet d'utilisation de gaz liquéfiés. Le projet se développe dans deux directions : la première est le développement des approvisionnements en hydrogène liquéfié, et la seconde est l'utilisation du gaz naturel liquéfié. L'utilisation de l'hydrogène liquéfié est toujours considérée comme une technologie prometteuse, dont nous parlerons plus tard, mais le système de stockage et d'utilisation du gaz naturel liquéfié est bien réel et peut être mis en pratique dans l'industrie automobile dans les prochaines années.

Dans le même temps, le gaz naturel est refroidi à une température de -161 degrés et se condense à une pression de 6 à 10 bars, en passant dans la phase liquide. Le réservoir est beaucoup plus compact et plus léger que les bouteilles de gaz comprimé et est pratiquement un thermos cryogénique fait de matériaux super-isolants. Grâce à la technologie Linde moderne, malgré les parois très fines et légères du réservoir, le méthane liquide peut être stocké dans cet état pendant deux semaines sans problème, même par temps chaud et sans besoin de réfrigération. La première station de remplissage de GNL, dans la construction de laquelle 400 XNUMX € ont été investis, est déjà opérationnelle à Munich.

Processus de combustion dans les moteurs à carburant gazeux

Comme déjà mentionné, le gaz naturel contient principalement du méthane et du gaz de pétrole liquéfié - propane et butane dans des proportions qui dépendent de la saison. À mesure que le poids moléculaire augmente, la résistance au cognement des composés d'hydrocarbures paraffiniques (à chaîne droite) tels que le méthane, l'éthane et le propane diminue, les molécules se séparent plus facilement et davantage de peroxydes s'accumulent. Ainsi, les moteurs diesel utilisent du carburant diesel plutôt que de l'essence, car la température d'auto-inflammation est plus faible dans le premier cas.

Le méthane a le rapport hydrogène / carbone le plus élevé de tous les hydrocarbures, ce qui signifie en pratique que pour le même poids, le méthane a la valeur énergétique la plus élevée parmi les hydrocarbures. L'explication de ce fait est complexe et nécessite une certaine connaissance de la chimie et de l'énergie des relations, nous ne traiterons donc pas de cela. Il suffit de dire que la molécule de méthane stable fournit un indice d'octane d'environ 130.

Pour cette raison, le taux de combustion du méthane est bien inférieur à celui de l'essence, de petites molécules permettent au méthane de brûler plus complètement, et son état gazeux conduit à moins de lessivage d'huile des parois des cylindres dans les moteurs froids par rapport aux mélanges d'essence. ... Le propane, à son tour, a un indice d'octane de 112, ce qui est encore plus élevé que la plupart des essences. Les mauvais mélanges propane-air brûlent à une température plus basse que l'essence, mais les mélanges riches peuvent entraîner une surcharge thermique du moteur, car le propane n'a pas les propriétés de refroidissement de l'essence en raison de son entrée dans les cylindres sous forme gazeuse.

Ce problème a déjà été résolu avec l'utilisation de systèmes à injection directe de propane liquide. Parce que le propane se liquéfie facilement, il est facile de construire un système pour le stocker dans une voiture, et il n'est pas nécessaire de chauffer les collecteurs d'admission car le propane ne se condense pas comme le fait l'essence. Cela améliore à son tour l'efficacité thermodynamique du moteur, où il est sûr d'utiliser des thermostats qui maintiennent une température de liquide de refroidissement plus basse. Le seul inconvénient majeur des carburants gazeux est le fait que ni le méthane ni le propane n'ont d'effet lubrifiant sur les soupapes d'échappement. Les experts disent donc qu'il s'agit d'un "carburant sec" qui est bon pour les segments de piston mais mauvais pour les soupapes. Vous ne pouvez pas compter sur les gaz pour fournir la plupart des additifs aux cylindres du moteur, mais les moteurs fonctionnant avec ces carburants n'ont pas besoin d'autant d'additifs que les moteurs à essence. Le contrôle du mélange est un facteur très important dans les moteurs à gaz, car les mélanges riches entraînent des températures de gaz d'échappement plus élevées et une surcharge des soupapes, tandis que les mélanges pauvres créent un problème en abaissant le taux de combustion déjà faible, ce qui est à nouveau une condition préalable à la surcharge thermique des soupapes. . Le taux de compression dans les moteurs au propane peut facilement être augmenté de deux ou trois unités, et dans le méthane - encore plus. L'augmentation des oxydes d'azote qui en résulte est compensée par une baisse globale des émissions. Le mélange optimal de propane est légèrement "plus pauvre" - 15,5: 1 (air-carburant) contre 14,7: 1 pour l'essence, et cela est pris en compte lors de la conception des évaporateurs, des dispositifs de dosage ou des systèmes d'injection. Étant donné que le propane et le méthane sont tous deux des gaz, les moteurs n'ont pas besoin d'enrichir les mélanges lors des démarrages à froid ou des accélérations.

L'angle de dépassement d'allumage est calculé sur une courbe différente de celle des moteurs à essence - à bas régime, le dépassement d'allumage devrait être plus élevé en raison d'une combustion plus lente du méthane et du propane, mais à des vitesses élevées, les moteurs à essence ont besoin d'une plus grande augmentation. mélange (le taux de combustion de l'essence est réduit en raison de la courte durée des réactions avant la flamme - c'est-à-dire la formation de peroxydes). C'est pourquoi les systèmes de contrôle d'allumage électronique des moteurs à essence ont un algorithme complètement différent.

Le méthane et le propane augmentent également les exigences pour les électrodes de bougie d'allumage à haute tension - un mélange "plus sec" est "plus difficile" à percer qu'une étincelle car il s'agit d'un électrolyte moins conducteur. Par conséquent, la distance entre les électrodes des bougies d'allumage adaptées à ces moteurs est généralement différente, la tension est plus élevée et, en général, le problème des bougies d'allumage est plus complexe et subtil que pour les moteurs à essence. Les sondes lambda sont utilisées dans les moteurs à gaz les plus modernes pour un dosage optimal du mélange en termes de qualité. Avoir des systèmes d'allumage sur deux courbes distinctes est particulièrement important pour les véhicules équipés de systèmes bivalents (pour le gaz naturel et l'essence), car le réseau clairsemé de points de remplissage de gaz naturel nécessite souvent l'utilisation forcée d'essence.

Le taux de compression optimal du gaz naturel est d'environ 16: 1 et le rapport air-carburant idéal est de 16,5: 1. perdra environ 15% de sa puissance potentielle. Lors de l'utilisation de gaz naturel, la quantité de monoxyde de carbone (CO) et d'hydrocarbures (HC) dans les gaz d'échappement est réduite de 90 %, et les oxydes d'azote (NOx) d'environ 70 % par rapport aux émissions des moteurs à essence conventionnels. L'intervalle de vidange d'huile pour les moteurs à essence est généralement doublé.

Gaz-diesel

Au cours des dernières années, les systèmes de distribution de carburant bicarburant sont devenus de plus en plus populaires. Je m'empresse de noter que nous ne parlons pas de moteurs "bivalents" fonctionnant en alternance au gaz ou à l'essence et équipés de bougies d'allumage, mais de systèmes spéciaux diesel-gaz dans lesquels une partie du carburant diesel est remplacée par du gaz naturel fourni par un système d'alimentation séparé. Cette technologie est basée sur des moteurs diesel standard.

Le principe de fonctionnement est basé sur le fait que le méthane a une température d'auto-inflammation supérieure à 600 degrés - c'est-à-dire au-dessus d'une température d'environ 400-500 degrés à la fin du cycle de compression du moteur diesel. Ceci, à son tour, signifie que le mélange méthane-air ne s'enflamme pas tout seul lorsqu'il est comprimé dans les cylindres, et le carburant diesel injecté, qui s'enflamme à environ 350 degrés, est utilisé comme une sorte de bougie d'allumage. Le système pourrait fonctionner entièrement au méthane, mais dans ce cas il faudrait installer un système électrique et une bougie d'allumage. Typiquement, le pourcentage de méthane augmente avec la charge, au ralenti la voiture roule au diesel, et à charge élevée le rapport méthane/diesel atteint 9/1. Ces proportions peuvent également être modifiées selon le programme préliminaire.

Certaines entreprises produisent des moteurs diesel avec ce qu'on appelle. Les systèmes d'alimentation "Micropilot", dans lesquels le rôle du système diesel se limite à l'injection d'une petite quantité de carburant nécessaire uniquement pour enflammer le méthane. Par conséquent, ces moteurs ne peuvent pas fonctionner de manière autonome au diesel et sont généralement utilisés dans les véhicules industriels, les voitures, les bus et les navires, où un rééquipement coûteux est économiquement justifié - après son usure, cela entraîne des économies importantes, la durée de vie du moteur. augmente considérablement et les émissions de gaz nocifs sont considérablement réduites. Les machines Micropilot peuvent fonctionner aussi bien au gaz naturel liquéfié qu'au gaz naturel comprimé.

Types de systèmes utilisés pour une installation supplémentaire

La variété des systèmes d'alimentation en gaz pour les combustibles gazeux ne cesse de croître. En principe, les espèces peuvent être divisées en plusieurs types. Lorsque le propane et le méthane sont utilisés, il s'agit de systèmes à pression atmosphérique mélangés, de systèmes d'injection en phase gazeuse et de systèmes d'injection en phase liquide. D'un point de vue technique, les systèmes d'injection de propane-butane peuvent être divisés en plusieurs générations:

La première génération sont des systèmes sans contrôle électronique, dans lesquels le gaz est mélangé dans un simple mélangeur. Ceux-ci sont généralement équipés de vieux moteurs à carburateur.

La deuxième génération est une injection avec une buse, une sonde lambda analogique et un catalyseur à trois voies.

La troisième génération est une injection à une ou plusieurs buses (une par cylindre), avec contrôle par microprocesseur et présence à la fois d'un programme d'auto-apprentissage et d'une table de codes d'auto-diagnostic.

La quatrième génération est l'injection séquentielle (cylindrique) en fonction de la position du piston, avec un nombre de gicleurs égal au nombre de cylindres, et avec retour par sonde lambda.

Cinquième génération - injection séquentielle multipoint avec rétroaction et communication avec un microprocesseur pour contrôler l'injection d'essence.

Dans les systèmes les plus modernes, l'ordinateur "gaz" utilise pleinement les données du microprocesseur principal pour contrôler les paramètres du moteur à essence, y compris le temps d'injection. La transmission et le contrôle des données sont également entièrement liés au programme principal d'essence, ce qui évite d'avoir à créer des cartes d'injection de gaz XNUMXD complètes pour chaque modèle de voiture - l'appareil intelligent lit simplement les programmes du processeur d'essence. et les adapte à l'injection de gaz.