Tesztvezetési alternatívák: 2. RÉSZ – Autók
Ha lehetősége van éjszaka Nyugat-Szibéria fölött repülni, az ablakon keresztül egy groteszk látvány jelenik meg, amely a kuvaiti sivatagra emlékeztet, miután Szaddam csapatai kivonultak az első iraki háború idején. A tájat hatalmas égő "fáklyák" borítják, ami élénk bizonyíték arra, hogy sok orosz olajtermelő továbbra is mellékterméknek és felesleges terméknek tekinti a földgázt az olajmezők keresése során ...
Szakértők úgy vélik, hogy ezt a pazarlást a közeljövőben leállítják. Sok éven át a földgázt felesleges terméknek tekintették, és elégették vagy egyszerűen kibocsátották a légkörbe. Becslések szerint eddig csak Szaúd-Arábia több mint 450 millió köbméter földgázt dobott le vagy égetett el az olajtermelés során ...
Ugyanakkor a folyamat megfordul - a legtöbb modern olajtársaság már régóta fogyaszt földgázt, felismerve ennek a terméknek az értékét és jelentőségét, amely a jövőben csak növekedhet. Ez a szemléletmód különösen jellemző az Egyesült Államokra, ahol az amúgy is kimerült olajkészletekkel szemben még mindig nagy gázlelőhelyek vannak. Ez utóbbi körülmény automatikusan tükröződik egy hatalmas ország ipari infrastruktúrájában, amelynek munkája elképzelhetetlen autók, és még inkább nagy teherautók és buszok nélkül. Egyre több olyan fuvarozó cég van külföldön, amely kamionflottájának dízelmotorjait korszerűsíti, hogy kombinált gáz-dízel rendszerrel és kizárólag kék üzemanyaggal is működjenek. Egyre több hajó tér át földgázra.
A folyékony üzemanyagárak hátterében a metán ára fantasztikusan hangzik, és sokan kezdenek kételkedni abban, hogy itt van valami fogás – és jó okkal. Figyelembe véve, hogy egy kilogramm metán energiatartalma nagyobb, mint egy kilogramm benziné, és egy liter (azaz egy köbdeciméter) benzin kevesebb, mint egy kilogramm, bárki arra a következtetésre juthat, hogy egy kilogramm metán sokkal többet tartalmaz. energia, mint egy liter benzin. Nyilvánvaló, hogy még a számok e látszólagos zűrzavara és a homályos eltérések nélkül is egy földgázzal vagy metánnal működő autó üzemeltetése sokkal kevesebb pénzbe kerül, mint egy benzinüzemű autó üzemeltetése.
De itt van a klasszikus nagy „DE”… Miért, mivel az „átverés” akkora, hazánkban szinte senki sem használ földgázt autóüzemanyagként, és ritkábbak a bulgáriai használatra alkalmas autók. jelenség a kengurutól a fenyő Rodop hegyig? Erre a teljesen normális kérdésre nem az ad választ, hogy a gázipar világszerte rohamosan fejlődik, és jelenleg a folyékony kőolaj-üzemanyagok legbiztonságosabb alternatívájának tartják. A hidrogénmotor-technológiának még mindig bizonytalan a jövője, a hidrogénmotorok hengeren belüli kezelése rendkívül nehéz, és még nem világos, hogy mi a gazdaságos módszer a tiszta hidrogén kinyerésére. Ennek fényében a metán jövője enyhén szólva is zseniális – különösen azért, mert a politikailag biztonságos országokban hatalmas földgázlelőhelyek vannak, az új technológiák (amelyeket a kriogén cseppfolyósítás és a földgáz kémiai átalakítása előző számában említettünk) folyadékok) egyre olcsóbbak, miközben a klasszikus szénhidrogén termékek ára nő. Arról nem is beszélve, hogy a metánnak minden esélye megvan arra, hogy a jövő üzemanyagcelláinak fő hidrogénforrásává váljon.
A szénhidrogén-gázok jármű-üzemanyagként való felhagyásának valódi oka az évtizedekig tartó alacsony olajár, amely az autóipari technológia és a kapcsolódó közúti közlekedési infrastruktúra fejlődését a benzin- és dízelmotorok energiaellátása felé tolta. Ezen általános tendencia hátterében a gázüzemanyagok felhasználására tett kísérletek meglehetősen szórványosak és jelentéktelenek.
A németországi folyékony üzemanyagok hiánya a második világháború befejezése után is a földgáz felhasználásának legegyszerűbb rendszereivel felszerelt autók megjelenéséhez vezetett, amelyek bár sokkal primitívebbek, de alig különböznek a bolgár taxik által ma alkalmazott rendszerektől. gázpalackokból és reduktorokból. A gázüzemanyagok nagyobb jelentőségre tettek szert a két olajválság során, 1973-ban és 1979-80-ban, de akkor is csak olyan rövid robbanásokról beszélhetünk, amelyek szinte észrevétlenek voltak, és nem vezettek jelentős fejlődéshez ezen a területen. A legutóbbi akut válság óta több mint két évtizede a folyékony üzemanyagok ára állandóan alacsony maradt, és 1986-ban és 1998-ban abszurd módon alacsony árat ért el hordónként 10 dollárért. Nyilvánvaló, hogy egy ilyen helyzetnek nem lehet stimuláló hatása az alternatív típusú gázüzemanyagokra ...
A 11. század elején a piaci helyzet fokozatosan, de biztosan más irányba halad. A 2001. szeptemberi XNUMX terrortámadásokat követően az olajárak fokozatos, de folyamatos emelkedő tendenciát mutattak, amely a növekvő kínai és indiai fogyasztás és az új betétek megtalálásának nehézségei miatt tovább emelkedett. Az autógyártók azonban sokkal kényelmetlenebbek a gázüzemű üzemelésre adaptált autók tömeggyártásának irányában. Ennek a nehézkességnek az okai megtalálhatók mind a hagyományos folyékony üzemanyaghoz szokott fogyasztók többségének gondolkodási tehetetlenségében (például az európaiak számára továbbra is a dízel üzemanyag marad a legreálisabb alternatíva a benzin számára), másrészt a csővezeték infrastruktúrájába irányuló hatalmas beruházások szükségességében. és kompresszor állomások. Ha ez hozzáadódik az összetett és drága üzemanyagok (különösen a sűrített földgáz) tárolási rendszereihez magukban az autókban, az összkép tisztázódni kezd.
Másrészt a gázüzemű erőművek egyre diverzifikáltabbak, és követik a benzines társaik technológiáját. A gázadagolók már ugyanazokat a kifinomult elektronikus alkatrészeket használják az üzemanyag befecskendezésére a folyékony (még ritka) vagy gázfázisba. Egyre több a sorozatgyártású járműmodell, amely gyárilag be van állítva monovalens gázellátásra vagy kettős gáz/benzin ellátás lehetőségével. Egyre inkább megvalósul a gáznemű tüzelőanyagok másik előnye - kémiai szerkezetének köszönhetően a gázok teljesebben oxidálódnak, és az ezeket használó autók kipufogógázaiban a károsanyag-kibocsátás mértéke jóval alacsonyabb.
Egy új kezdet
A piaci áttöréshez azonban célzott és közvetlen pénzügyi ösztönzőkre lesz szükség a földgáz, mint járműüzemanyag végfelhasználói számára. A németországi metánárusítók az ügyfelek vonzására már most is speciális bónuszt biztosítanak a földgázüzemű járművek vásárlóinak, amelyek természete olykor egyszerűen hihetetlennek tűnik – a hamburgi gázelosztó cég például magánszemélyeknek fizet gázvásárlást. bizonyos kereskedőktől egy évre. A felhasználó egyetlen feltétele, hogy a szponzor reklámmatricáját felragassza az autójára...
Annak okát, hogy Németországban és Bulgáriában (mindkét országban a földgáz túlnyomó része Oroszországból érkezik vezetéken) sokkal olcsóbb, mint más üzemanyagok, számos jogi helyen kell keresni. A gáz piaci ára logikusan összefügg az olaj árával: az olaj árának növekedésével a földgáz ára is emelkedik, de a benzin és a gáz végfelhasználói árának különbsége elsősorban a földgáz alacsonyabb adózásából adódik. gáz. Németországban például 2020-ig törvényesen rögzítették a gáz árat, ennek a „rögzítésnek” a sémája a következő: ebben az időszakban a földgáz ára az olaj árával együtt nőhet, de ennek arányos előnye. más energiaforrásokkal szemben állandó szinten kell tartani. Nyilvánvaló, hogy az ilyen szabályozott jogi keretek, az alacsony árak és a „gázmotorok” gyártása során felmerülő problémák hiányában a piac növekedésének egyetlen problémája továbbra is a benzinkút-hálózat fejletlensége marad - a hatalmas Németországban, Például csak 300 ilyen pont van, Bulgáriában pedig sok, kevesebb.
Ennek az infrastrukturális hiánynak a pótlására jelenleg nagyszerűek a kilátások – Németországban az Erdgasmobil és a TotalFinaElf francia olajóriás szövetsége több ezer új benzinkút építésébe szándékozik komoly beruházásokat végrehajtani, Bulgáriában pedig több cég is vállalt hasonlót. feladat. Elképzelhető, hogy hamarosan egész Európa ugyanazt a fejlett töltőállomás-hálózatot fogja használni a természetes és cseppfolyósított kőolajgáz töltőállomásaihoz, mint Olaszország és Hollandia fogyasztói – amelyeknek e téren való fejlődéséről az előző számban számoltunk be.
Honda Civic GX
Az 1997-es Frankfurti Autószalonon a Honda bemutatta a Civic GX-et, azt állítva, hogy ez a világ legkörnyezetbarátabb autója. Kiderült, hogy a japánok ambiciózus kijelentése nem csak egy újabb marketingfogás, hanem a tiszta igazság, amely a mai napig aktuális, és a gyakorlatban is meglátszik a Civic GX legújabb kiadásában. Az autót kizárólag földgázüzemre tervezték, a motort pedig úgy tervezték, hogy teljes mértékben kihasználja a gáz-halmazállapotú üzemanyag magas oktánszámát. Nem meglepő, hogy az ilyen típusú járművek manapság alacsonyabb kipufogógáz-kibocsátási szintet kínálnak, mint egy jövőbeli Euro 5-ös európai gazdaságban, vagy 90%-kal alacsonyabbak, mint az amerikai ULEV-k (Ultra Low Emission Vehicles). . A Honda motor rendkívül simán működik, a magas, 12,5:1-es kompressziós arány pedig kompenzálja a földgáz benzinhez képest alacsonyabb térfogati energiaértékét. A 120 literes tartály kompozit anyagból készült, az ezzel egyenértékű gázfogyasztás 6,9 liter. A Honda híres VTEC változó szelepvezérlési rendszere jól működik az üzemanyag speciális tulajdonságaival, és tovább javítja a motor töltését. A földgáz alacsonyabb égési sebessége, valamint az üzemanyag „száraz” és kenési tulajdonságainak hiánya miatt a szelepülések speciális hőálló ötvözetekből készülnek. A dugattyúk is erősebb anyagokból készülnek, mivel a gáz nem tudja lehűteni a hengereket, ha elpárolog, mint a benzin.
A Honda GX gázfázisú tömlőibe földgázt fecskendeznek be, amely 770-szer nagyobb, mint az egyenértékű benzinmennyiség. A Honda mérnökei számára a legnagyobb technológiai kihívást a megfelelő befecskendezők megalkotása jelentette, hogy ilyen körülmények között és feltételek mellett is működjenek – az optimális teljesítmény elérése érdekében a befecskendezőknek meg kell birkózni azzal a nehéz feladattal, hogy egyidejűleg biztosítsák a szükséges mennyiségű gázt, amihez elvileg folyékony benzint fecskendeznek be. Ez minden ilyen típusú motornál probléma, mivel a gáz sokkal nagyobb térfogatot foglal el, kiszorítja a levegő egy részét, és közvetlenül az égésterekbe kell befecskendezni.
Ugyanebben az 1997-ben a Fiat is bemutatott egy hasonló Honda GX modellt. A Marea "bivalens" változata kétféle üzemanyagot - benzint és földgázt - használhat, és a gázt egy második, teljesen független üzemanyagrendszer szivattyúzza. A motor mindig folyékony üzemanyaggal indul, majd automatikusan gázüzemre kapcsol. Az 1,6 literes motor teljesítménye 93 LE. gázüzemanyaggal és 103 LE-vel. Val vel. benzin használatakor. A motor elvileg főként gázzal működik, kivéve, ha az utóbbi elfogy, vagy a vezetőnek egyértelmű a vágya, hogy benzint használjon. Sajnos a bivalens energia "kettős természete" nem teszi lehetővé a magas oktánszámú földgáz előnyeinek teljes kihasználását. A Fiat jelenleg egy Mulipla változatot gyárt ilyen típusú tápegységgel.
Idővel hasonló modellek jelentek meg az Opel (Astra és Zafira Bi Fuel LPG és CNG változatokhoz), PSA (Peugeot 406 LPG és Citroen Xantia LPG) és VW (Golf Bifuel) kínálatában. A Volvo ezen a területen klasszikusnak számít, az S60, V70 és S80 változatokat gyártja, amelyek képesek földgázzal, valamint biogázzal és LPG -vel működni. Mindezeket a járműveket speciális fúvókákat használó gázbefecskendező rendszerekkel, elektronikusan vezérelt technológiai eljárásokkal és üzemanyaggal kompatibilis mechanikus alkatrészekkel, például szelepekkel és dugattyúkkal szerelték fel. A CNG üzemanyagtartályokat úgy tervezték, hogy ellenálljanak a 700 bar nyomásnak, bár magát a gázt ott tárolják legfeljebb 200 bar nyomáson.
BMW
A BMW a fenntartható üzemanyagok jól ismert szószólója, és évek óta fejleszt különféle hajtásláncokat alternatív forrásokkal rendelkező járművekhez. A 90-es évek elején a bajor cég megalkotta a 316 g-os és 518 g-os sorozatú modelleket, amelyek földgázt használnak üzemanyagként. Legújabb fejlesztései során a cég alapvetően új technológiákkal való kísérletezés mellett döntött, és a Linde német hűtőipari konszernnel, az Aral olajtársasággal és az E.ON Energy energiacéggel közösen kidolgozott egy projektet a cseppfolyósított gázok felhasználására. A projekt két irányban fejlődik: az első a cseppfolyósított hidrogén ellátás fejlesztése, a második pedig a cseppfolyósított földgáz felhasználása. A cseppfolyósított hidrogén felhasználása még mindig ígéretes technológiának számít, amelyről később még szó lesz, de a cseppfolyósított földgáz tárolásának és felhasználásának rendszere meglehetősen reális, és a következő években az autóiparban is gyakorlatba ültethető.
Ugyanakkor a földgázt -161 fokos hőmérsékletre hűtjük, és 6-10 bar nyomáson kondenzálódik, miközben átjut a folyadékfázisba. A tartály sokkal tömörebb és könnyebb a sűrített gázpalackokhoz képest, és gyakorlatilag egy kriogén termosz szuperszigetelő anyagokból. A modern Linde technológiának köszönhetően a nagyon vékony és könnyű tartályfalak ellenére a folyékony metán ebben az állapotban két hétig gond nélkül tárolható, akár meleg időben is, hűtés nélkül is. Münchenben már működik az első LNG-töltőállomás, amelynek építésében 400 XNUMX euró beruházás történik.
Égési folyamatok gázüzemű motorokban
Mint már említettük, a földgáz főként metánt, valamint cseppfolyósított kőolajgázt - propánt és butánt - tartalmaz az évszaktól függő arányokban. A molekulatömeg növekedésével a paraffinos (egyenes láncú) szénhidrogén vegyületek, például a metán, az etán és a propán ütésállósága csökken, a molekulák könnyebben szétesnek, és több peroxid halmozódik fel. Így a dízelmotorok benzin helyett dízel üzemanyagot használnak, mivel az előbbi esetben az öngyulladási hőmérséklet alacsonyabb.
A metán hidrogén / szén aránya az összes szénhidrogén közül a legmagasabb, ami a gyakorlatban azt jelenti, hogy azonos tömeg esetén a metánnak van a legnagyobb energiaértéke a szénhidrogének között. Ennek a ténynek a magyarázata bonyolult és némi ismeretet igényel a kapcsolatok kémiai és energiájáról, ezért ezzel nem foglalkozunk. Elég azt mondani, hogy a stabil metánmolekula körülbelül 130 oktánszámot ad.
Emiatt a metán égési sebessége jóval alacsonyabb, mint a benziné, a kis molekulák lehetővé teszik a metán teljesebb égését, és gáznemű állapota a benzinelegyekhez képest kevesebb olajat szűr le a hengerfalakból a hideg motorokban. ... A propán viszont oktánértéke 112, amely még mindig magasabb, mint a legtöbb benziné. A rossz propán-levegő keverékek alacsonyabb hőmérsékleten égnek, mint a benzin, de a gazdag keverékek a motor hőterheléséhez vezethetnek, mivel a propán nem rendelkezik hűtő tulajdonságokkal a benzin miatt, mivel gáz formában kerül a hengerekbe.
Ezt a problémát már megoldották a folyékony propán közvetlen befecskendezéses rendszerek használatával. Mivel a propán könnyen cseppfolyósodik, könnyen fel lehet építeni egy rendszert az autóban való tároláshoz, és nem kell fűteni a szívócsonkot, mert a propán nem kondenzál, mint a benzin. Ez viszont javítja a motor termodinamikai hatásfokát, ahol biztonságosan használhatók olyan termosztátok, amelyek alacsonyabb hűtőfolyadék-hőmérsékletet tartanak fenn. A gáz-halmazállapotú üzemanyagok egyetlen jelentős hátránya, hogy sem a metánnak, sem a propánnak nincs kenő hatása a kipufogószelepekre, így a szakemberek szerint ez egy "száraz üzemanyag", ami jó a dugattyúgyűrűknek, de rossz a szelepeknek. Nem bízhat a gázokban, hogy a legtöbb adalékanyagot a motor hengereibe juttatják, de az ilyen üzemanyaggal működő motorokhoz nincs szükség annyi adalékanyagra, mint a benzinmotoroknál. A keverékszabályozás nagyon fontos tényező a gázmotoroknál, mivel a dús keverékek magasabb kipufogógáz-hőmérsékletet és szeleptúlterhelést eredményeznek, míg a rossz keverékek az amúgy is alacsony égési sebesség csökkentésével okoznak problémát, ami szintén előfeltétele a termikus szelep túlterhelésének. A sűrítési arány propánmotorokban könnyen növelhető két-három egységgel, a metánban pedig még többel. A nitrogén-oxidok ebből eredő növekedését az összességében alacsonyabb kibocsátás ellensúlyozza. Az optimális propán keverék valamivel "szegényebb" - 15,5:1 (levegő-üzemanyag) szemben a 14,7:1 benzinnel, és ezt figyelembe veszik az elpárologtatók, adagolókészülékek vagy befecskendező rendszerek tervezésekor. Mivel a propán és a metán is gáz, a motoroknak nem kell dúsítaniuk keverékeket hidegindításkor vagy gyorsításkor.
A gyújtás előzési szögét más görbén számítják ki, mint a benzinmotoroknál - alacsony fordulatszámon a gyújtás előzésének nagyobbnak kell lennie a metán és a propán lassabb égése miatt, de nagy fordulatszámon a benzinmotoroknál több növelésre van szükség. keverék (a benzin égési sebessége csökken a láng előtti reakciók rövid ideje - azaz peroxidok képződése miatt). Éppen ezért a gázmotorok elektronikus gyújtásvezérlő rendszerei teljesen más algoritmussal rendelkeznek.
A metán és a propán szintén növeli a nagyfeszültségű gyújtógyertya-elektródákkal szemben támasztott követelményeket – a "szárazabb" keveréket "nehezebb" átszúrni, mint a szikrát, mert kevésbé vezető elektrolit. Ezért az ilyen motorokhoz alkalmas gyújtógyertyák elektródái közötti távolság általában eltérő, a feszültség magasabb, és általában a gyújtógyertyák kérdése összetettebb és finomabb, mint a benzinmotoroknál. A lambda szondákat a legmodernebb gázmotorokban használják a minőség szempontjából optimális keverékadagolás érdekében. A két külön görbén lévő gyújtásrendszer különösen fontos a bivalens rendszerrel (földgáznál és benzinnél) felszerelt járműveknél, mivel a földgáztöltő helyek ritka hálózata gyakran megkívánja a benzin kényszerhasználatát.
A földgáz optimális sűrítési aránya körülbelül 16:1, az ideális levegő-üzemanyag arány pedig 16,5: 1, potenciális teljesítményének körülbelül 15%-át veszíti el. Földgáz használatakor a kipufogógázokban a szén-monoxid (CO) és a szénhidrogének (HC) mennyisége 90%-kal, a nitrogén-oxidok (NOx) mennyisége pedig körülbelül 70%-kal csökken a hagyományos benzinmotorok kibocsátásához képest. A gázmotorok olajcsere intervallumát általában megduplázzák.
Gáz-dízel
Az elmúlt években a kettős üzemanyag-ellátó rendszerek egyre népszerűbbek. Sietek megjegyezni, hogy nem "kétértékű" motorokról beszélünk, amelyek váltakozva járnak benzinnel vagy benzinnel és gyújtógyertyákkal rendelkeznek, hanem olyan speciális dízel-gáz rendszerekről, amelyekben a dízel üzemanyag egy részét külön energiaellátó rendszer szállítja. Ez a technológia a szokásos dízelmotorokon alapszik.
A működési elv azon alapul, hogy a metán öngyulladási hőmérséklete 600 fok feletti - azaz. körülbelül 400-500 fok feletti hőmérséklet a dízelmotor kompressziós ciklusának végén. Ez viszont azt jelenti, hogy a hengerekben összenyomva a metán-levegő keverék nem gyullad meg magától, és a befecskendezett, mintegy 350 fokban meggyulladó gázolaj egyfajta gyújtógyertyaként kerül felhasználásra. A rendszer teljes egészében metánnal működhetne, de ebben az esetben elektromos rendszer és gyújtógyertya beépítésére lenne szükség. Jellemzően a metán százalékos aránya növekszik a terheléssel, alapjáraton dízellel jár az autó, nagy terhelésnél a metán/dízel arány eléri a 9/1-et. Ezek az arányok az előzetes program szerint is változtathatók.
Egyes cégek dízelmotorokat gyártanak az ún. „Mikropilóta” energiarendszerek, amelyekben a dízelrendszer szerepe a metán meggyújtásához szükséges kis mennyiségű üzemanyag befecskendezésére korlátozódik. Ezért ezek a motorok nem tudnak önállóan dízel üzemanyaggal működni, és általában ipari járművekben, autókban, buszokban és hajókban használatosak, ahol a költséges újrafelszerelés gazdaságilag indokolt - elhasználódása után ez jelentős megtakarítást, motor élettartamot eredményez. jelentősen megnő, és a káros gázok kibocsátása jelentősen csökken. A mikropilóta gépek cseppfolyósított és sűrített földgázzal is működhetnek.
A kiegészítő telepítéshez használt rendszerek típusai
A gáznemű tüzelőanyagok gázellátási rendszereinek változata folyamatosan növekszik. Elvileg a fajok több típusra oszthatók. Propán és metán alkalmazása esetén ezek kevert légköri nyomású rendszerek, gázfázisú befecskendező rendszerek és folyadékfázisú injektáló rendszerek. Műszaki szempontból a propán-bután befecskendező rendszerek több generációra oszthatók:
Az első generáció az elektronikus vezérlés nélküli rendszerek, amelyekben a gázt egy egyszerű keverőben keverik össze. Ezek általában régi karburátoros motorokkal vannak felszerelve.
A második generáció egy fúvókával, analóg lambda szondával és háromutas katalizátorral ellátott befecskendezés.
A harmadik generációs befecskendezés egy vagy több fúvókával (hengerenként egy), mikroprocesszoros vezérléssel és öntanuló program és öndiagnosztikai kódtábla jelenlétével.
A negyedik generáció a dugattyú helyzetétől függő szekvenciális (hengeres) befecskendezés, a fúvókák száma megegyezik a hengerek számával, és lambda szondán keresztül visszacsatolt.
Ötödik generáció - többpontos szekvenciális befecskendezés visszajelzéssel és mikroprocesszorral való kommunikációval a benzinbefecskendezés vezérléséhez.
A legmodernebb rendszerekben a "gáz" számítógép teljes mértékben felhasználja a fő mikroprocesszorból származó adatokat a benzinmotor paramétereinek szabályozására, beleértve a befecskendezési időt is. Az adatátvitel és a vezérlés is teljes mértékben kapcsolódik a fő benzines programhoz, így nem kell teljes XNUMXD gázbefecskendezési térképeket készíteni minden autómodellhez – az okoseszköz egyszerűen beolvassa a programokat a benzinprocesszorból. és a gázbefecskendezéshez igazítja őket.
