Alternative di test drive: PARTE 2 - Automobili

Se hai la possibilità di sorvolare la Siberia occidentale di notte, attraverso la finestra vedrai uno spettacolo grottesco, che ricorda il deserto del Kuwait dopo il ritiro delle truppe di Saddam durante la prima guerra in Iraq. Il paesaggio è disseminato di enormi "torce" accese, che è una chiara prova che molti produttori di petrolio russi considerano ancora il gas naturale un sottoprodotto e un prodotto non necessario nella ricerca di giacimenti petroliferi ...

Gli esperti ritengono che questo spreco verrà fermato nel prossimo futuro. Per molti anni il gas naturale è stato considerato un prodotto in eccesso ed è stato bruciato o semplicemente rilasciato nell'atmosfera. Si stima che finora la sola Arabia Saudita abbia scaricato o bruciato più di 450 milioni di metri cubi di gas naturale durante la produzione di petrolio ...

Allo stesso tempo, il processo è invertito: la maggior parte delle moderne compagnie petrolifere consuma gas naturale da molto tempo, rendendosi conto del valore di questo prodotto e della sua importanza, che può solo aumentare in futuro. Questa visione delle cose è particolarmente caratteristica degli Stati Uniti, dove, in contrasto con le già esaurite riserve di petrolio, ci sono ancora grandi giacimenti di gas. Quest'ultima circostanza si riflette automaticamente nell'infrastruttura industriale di un enorme paese, il cui lavoro è impensabile senza automobili, e ancor di più senza grandi camion e autobus. Sono sempre di più le aziende di trasporto all'estero che stanno aggiornando i motori diesel delle loro flotte di camion per lavorare sia con sistemi combinati gas-diesel che solo carburante blu. Sempre più navi stanno passando al gas naturale.

Sullo sfondo dei prezzi dei combustibili liquidi, il prezzo del metano sembra fantastico e molti iniziano a dubitare che qui ci sia un problema, e con buone ragioni. Considerando che il contenuto energetico di un chilogrammo di metano è superiore a quello di un chilogrammo di benzina, e che un litro (cioè un decimetro cubo) di benzina pesa meno di un chilogrammo, chiunque può concludere che un chilogrammo di metano ne contiene molto di più energia di un litro di benzina. È chiaro che anche senza questo apparente miscuglio di numeri e vaghe disparità, guidare un'auto a gas naturale oa metano ti costerà molto meno che guidare un'auto a benzina.

Ma ecco il classico grande "MA"... Perché, poiché la "truffa" è così grande, quasi nessuno nel nostro paese utilizza il gas naturale come carburante per auto e le auto adattate per il suo utilizzo in Bulgaria sono più rare. fenomeno dal canguro al pino dei monti Rodopi? La risposta a questa normalissima domanda non è data dal fatto che l'industria del gas in tutto il mondo si sta sviluppando a un ritmo frenetico ed è attualmente considerata l'alternativa più sicura ai combustibili derivati ​​dal petrolio liquido. La tecnologia dei motori a idrogeno ha ancora un futuro incerto, la gestione in-cilindro dei motori a idrogeno è estremamente difficile e quale sia un metodo economico per estrarre idrogeno puro non è ancora chiaro. In questo contesto, il futuro del metano è, a dir poco, brillante - tanto più che ci sono enormi giacimenti di gas naturale in paesi politicamente sicuri, che le nuove tecnologie (citate nel numero precedente di liquefazione criogenica e conversione chimica del gas naturale in liquidi) stanno diventando più economici, mentre il prezzo dei classici prodotti a base di idrocarburi sta crescendo. Per non parlare del fatto che il metano ha tutte le possibilità di diventare la principale fonte di idrogeno per le celle a combustibile del futuro.

La vera ragione per l'abbandono degli idrocarburi come carburanti per auto è ancora il basso prezzo del petrolio nel corso dei decenni, che ha spinto lo sviluppo della tecnologia automobilistica e delle relative infrastrutture di trasporto su strada verso la fornitura di energia per motori a benzina e diesel. Sullo sfondo di questa tendenza generale, i tentativi di utilizzare il gas combustibile sono piuttosto sporadici e insignificanti.

Anche dopo la fine della seconda guerra mondiale, la scarsità di combustibili liquidi in Germania ha portato alla nascita di automobili dotate dei sistemi più semplici per l'utilizzo del gas naturale, che, sebbene molto più primitivi, differiscono poco dai sistemi utilizzati dai taxi bulgari oggi. da bombole di gas e riduttori. I combustibili a gas hanno acquisito maggiore importanza durante le due crisi petrolifere del 1973 e del 1979-80, ma anche allora si può parlare solo di brevi lampi che sono passati quasi inosservati e non hanno portato a uno sviluppo significativo in questo settore. Per più di due decenni da questa crisi acuta più recente, i prezzi dei combustibili liquidi sono rimasti costantemente bassi, raggiungendo prezzi assurdamente bassi nel 1986 e nel 1998 a $ 10 al barile. È chiaro che una situazione del genere non può avere un effetto stimolante su tipi alternativi di gas combustibile ...

All'inizio dell'XI secolo, la situazione del mercato si sta gradualmente ma inesorabilmente muovendo in una direzione diversa. Dagli attacchi terroristici 11 del settembre 2001, c'è stata una graduale ma costante tendenza al rialzo dei prezzi del petrolio, che ha continuato a crescere a causa dell'aumento dei consumi da parte di Cina e India e delle difficoltà nel trovare nuovi depositi. Tuttavia, le case automobilistiche sono molto più a disagio nella direzione della produzione di massa di automobili adattate per funzionare con combustibili gassosi. Le ragioni di questa ingombro possono essere ricercate sia nell'inerzia di pensare alla maggioranza dei consumatori, abituati ai tradizionali combustibili liquidi (per gli europei, ad esempio, il gasolio resta l'alternativa più realistica alla benzina), sia nella necessità di ingenti investimenti nelle infrastrutture dei gasdotti. e stazioni di compressione. Quando questo si aggiunge ai complessi e costosi sistemi di stoccaggio del carburante (in particolare il gas naturale compresso) nelle auto stesse, il quadro generale inizia a chiarirsi.

D'altra parte, i propulsori a combustibile gassoso stanno diventando più diversificati e seguono la tecnologia delle loro controparti a benzina. Gli alimentatori di gas utilizzano già gli stessi sofisticati componenti elettronici per iniettare carburante nella fase liquida (ancora rara) o gassosa. Sono inoltre sempre più numerosi i modelli di veicoli di serie predisposti di fabbrica per alimentazione monovalente a gas o con possibilità di doppia alimentazione gas/benzina. Sempre più si sta realizzando un altro vantaggio dei combustibili gassosi: a causa della sua struttura chimica, i gas sono più completamente ossidati e il livello di emissioni nocive nei gas di scarico delle auto che li utilizzano è molto più basso.

Un nuovo inizio

Tuttavia, una svolta nel mercato richiederà incentivi finanziari mirati e diretti per gli utenti finali del gas naturale come carburante per autotrazione. Per attirare i clienti, i venditori di metano in Germania stanno già offrendo agli acquirenti di veicoli a gas naturale bonus speciali, la cui natura a volte sembra semplicemente incredibile: ad esempio, la società di distribuzione del gas di Amburgo rimborsa le persone per l'acquisto di gas. automobili di determinati concessionari per un periodo di un anno. L'unica condizione per l'utente è di attaccare l'adesivo pubblicitario dello sponsor sulla propria auto...

Il motivo per cui il gas naturale in Germania e Bulgaria (in entrambi i paesi la stragrande maggioranza del gas naturale proviene dalla Russia tramite gasdotto) è molto più economico di altri combustibili, dovrebbe essere ricercato in una serie di premesse legali. Il prezzo di mercato del gas è logicamente legato al prezzo del petrolio: all'aumentare del prezzo del petrolio aumenta anche il prezzo del gas naturale, ma la differenza di prezzo di benzina e gas per il consumatore finale è principalmente dovuta alla minore tassazione del gas naturale gas. In Germania, ad esempio, il prezzo del gas è legalmente fissato fino al 2020 e lo schema di questa "fissazione" è il seguente: durante questo periodo il prezzo del gas naturale può crescere insieme al prezzo del petrolio, ma il suo vantaggio proporzionale rispetto ad altre fonti di energia deve essere mantenuto a un livello costante. È chiaro che con un quadro giuridico così regolamentato, prezzi bassi e l'assenza di problemi nella costruzione di "motori a gas", l'unico problema per la crescita di questo mercato rimane una rete di distributori di benzina non sviluppata - nell'enorme Germania, per ad esempio, ci sono solo 300 di questi punti, e in Bulgaria ce ne sono molti meno.

Le prospettive per colmare questo deficit infrastrutturale sembrano ottime al momento: in Germania, l'associazione di Erdgasmobil e il colosso petrolifero francese TotalFinaElf intende investire pesantemente nella costruzione di diverse migliaia di nuove stazioni di servizio, e in Bulgaria diverse società hanno intrapreso un simile compito. È possibile che presto l'intera Europa utilizzi la stessa rete sviluppata di stazioni di rifornimento di gas naturale e liquefatto di cui sono consumatori in Italia e nei Paesi Bassi, paesi di cui vi abbiamo parlato sullo sviluppo in quest'area nel numero precedente.

Honda Civic GX

Al Salone dell'automobile di Francoforte del 1997, Honda presentò la Civic GX, sostenendo che fosse l'auto più ecologica del mondo. Si è scoperto che l'affermazione ambiziosa del giapponese non è solo un altro stratagemma di marketing, ma la pura verità, che rimane rilevante fino ad oggi, e può essere vista in pratica nell'ultima edizione della Civic GX. L'auto è progettata per funzionare solo a gas naturale e il motore è progettato per sfruttare appieno l'elevato numero di ottani del carburante gassoso. Non a caso, oggi veicoli di questo tipo possono offrire livelli di emissioni di scarico inferiori a quelli richiesti in una futura economia europea Euro 5, ovvero inferiori del 90% rispetto agli ULEV (Ultra Low Emission Vehicles) statunitensi. . Il motore Honda funziona in modo estremamente fluido e l'elevato rapporto di compressione di 12,5:1 compensa il valore energetico volumetrico inferiore del gas naturale rispetto alla benzina. Il serbatoio da 120 litri è realizzato in materiale composito e il consumo di gas equivalente è di 6,9 litri. Il famoso sistema di fasatura variabile delle valvole VTEC di Honda funziona bene con le proprietà speciali del carburante e migliora ulteriormente la carica del motore. A causa della minore velocità di combustione del gas naturale e del fatto che il carburante è "secco" e non ha proprietà lubrificanti, le sedi delle valvole sono realizzate con speciali leghe resistenti al calore. Anche i pistoni sono realizzati con materiali più resistenti, poiché il gas non può raffreddare i cilindri quando evapora come la benzina.

I tubi Honda GX in fase gassosa vengono iniettati con gas naturale, che è 770 volte più grande della quantità equivalente di benzina. La più grande sfida tecnologica per gli ingegneri Honda è stata creare gli iniettori giusti per lavorare in tali condizioni e prerequisiti: per ottenere una potenza ottimale, gli iniettori devono affrontare il difficile compito di fornire contemporaneamente la quantità richiesta di gas, per la quale, in linea di principio, viene iniettata benzina liquida. Questo è un problema per tutti i motori di questo tipo, poiché il gas occupa un volume molto maggiore, sposta parte dell'aria e richiede l'iniezione direttamente nelle camere di combustione.

Nello stesso 1997, la Fiat dimostrò anche un modello Honda GX simile. La versione "bivalente" di Marea può utilizzare due tipi di carburante: benzina e gas naturale, e il gas viene pompato da un secondo sistema di alimentazione completamente indipendente. Il motore si avvia sempre con carburante liquido e poi passa automaticamente a gas. Il motore da 1,6 litri ha una potenza di 93 CV. con alimentazione a gas e 103 CV. Con. quando si usa la benzina. In linea di principio, il motore funziona principalmente a gas, tranne quando quest'ultimo si esaurisce o il guidatore ha un chiaro desiderio di utilizzare la benzina. Sfortunatamente, la "doppia natura" dell'energia bivalente non consente di sfruttare appieno i vantaggi del gas naturale ad alto numero di ottano. Fiat sta attualmente producendo una versione Mulipla con questo tipo di alimentatore.

Nel tempo, modelli simili sono comparsi nella gamma di Opel (Astra e Zafira Bi Fuel per versioni GPL e CNG), PSA (Peugeot 406 GPL e Citroen Xantia GPL) e VW (Golf Bifuel). Volvo è considerata un classico in questo settore, producendo varianti della S60, V70 e S80, in grado di funzionare sia a gas naturale che a biogas e GPL. Tutti questi veicoli sono dotati di sistemi di iniezione del gas mediante ugelli speciali, processi tecnologici a controllo elettronico e componenti meccanici compatibili con il carburante come valvole e pistoni. I serbatoi di carburante CNG possono resistere a una pressione di 700 bar, sebbene il gas stesso sia immagazzinato in essi a una pressione non superiore a 200 bar.

BMW

BMW è un noto sostenitore dei carburanti sostenibili e da molti anni sviluppa vari propulsori per veicoli con fonti alternative. All'inizio degli anni '90, l'azienda bavarese ha creato modelli delle serie 316g e 518g, che utilizzano il gas naturale come combustibile. Nei suoi ultimi sviluppi, l'azienda ha deciso di sperimentare tecnologie fondamentalmente nuove e, insieme al gruppo tedesco di refrigerazione Linde, alla compagnia petrolifera Aral e alla compagnia energetica E.ON Energy, ha sviluppato un progetto per l'utilizzo di gas liquefatti. Il progetto si sta sviluppando in due direzioni: la prima è lo sviluppo delle forniture di idrogeno liquefatto e la seconda è l'utilizzo del gas naturale liquefatto. L'uso dell'idrogeno liquefatto è ancora considerato una tecnologia promettente, di cui parleremo più avanti, ma il sistema per lo stoccaggio e l'utilizzo del gas naturale liquefatto è abbastanza reale e può essere messo in pratica nell'industria automobilistica nei prossimi anni.

Allo stesso tempo, il gas naturale viene raffreddato a una temperatura di -161 gradi e si condensa ad una pressione di 6-10 bar, mentre passa alla fase liquida. Il serbatoio è molto più compatto e leggero rispetto alle bombole di gas compresso ed è praticamente un thermos criogenico realizzato con materiali super isolanti. Grazie alla moderna tecnologia Linde, nonostante le pareti molto sottili e leggere del serbatoio, il metano liquido può essere conservato in questo stato per due settimane senza problemi, anche con tempo caldo e senza bisogno di refrigerazione. La prima stazione di rifornimento GNL, nella cui costruzione sono stati investiti 400 euro, è già operativa a Monaco.

Processi di combustione nei motori a combustibile gassoso

Come già accennato, il gas naturale contiene principalmente metano e gas di petrolio liquefatto - propano e butano in proporzioni che dipendono dalla stagione. All'aumentare del peso molecolare, la resistenza all'urto dei composti idrocarburici paraffinici (a catena lineare) come metano, etano e propano diminuisce, le molecole si rompono più facilmente e si accumulano più perossidi. Pertanto, i motori diesel utilizzano gasolio anziché benzina, poiché nel primo caso la temperatura di autoaccensione è inferiore.

Il metano ha il più alto rapporto idrogeno / carbonio di tutti gli idrocarburi, il che in pratica significa che a parità di peso, il metano ha il valore energetico più alto tra gli idrocarburi. La spiegazione di questo fatto è complessa e richiede una certa conoscenza della chimica e dell'energia delle relazioni, quindi non ci occuperemo di questo. Basti pensare che la molecola di metano stabile fornisce un numero di ottano di circa 130.

Per questo motivo, il tasso di combustione del metano è molto inferiore a quello della benzina, piccole molecole consentono al metano di bruciare in modo più completo e il suo stato gassoso comporta una minore lisciviazione dell'olio dalle pareti dei cilindri nei motori freddi rispetto alle miscele di benzina. ... Il propano, a sua volta, ha un numero di ottani di 112, che è ancora superiore alla maggior parte delle benzine. Miscele povere di propano-aria bruciano a una temperatura inferiore rispetto alla benzina, ma quelle ricche possono portare al sovraccarico termico del motore, poiché il propano non ha le proprietà di raffreddamento della benzina a causa del suo ingresso nei cilindri in forma gassosa.

Questo problema è già stato risolto con l'utilizzo di sistemi ad iniezione diretta di propano liquido. Poiché il propano si liquefa facilmente, è facile costruire un sistema per conservarlo in un'auto e non è necessario riscaldare i collettori di aspirazione perché il propano non si condensa come fa la benzina. Questo a sua volta migliora l'efficienza termodinamica del motore, dove è sicuro utilizzare termostati che mantengono una temperatura del liquido di raffreddamento più bassa. L'unico svantaggio significativo dei combustibili gassosi è il fatto che né il metano né il propano hanno un effetto lubrificante sulle valvole di scarico, quindi gli esperti dicono che è un "carburante secco" buono per le fasce elastiche ma cattivo per le valvole. Non puoi fare affidamento sui gas per fornire la maggior parte degli additivi ai cilindri del motore, ma i motori che funzionano con questi carburanti non hanno bisogno di tanti additivi come i motori a benzina. Il controllo della miscela è un fattore molto importante nei motori a gas, poiché le miscele ricche provocano temperature dei gas di scarico più elevate e sovraccarico delle valvole, mentre le miscele povere creano un problema abbassando la già bassa velocità di combustione, che è di nuovo un prerequisito per il sovraccarico termico delle valvole. Il rapporto di compressione nei motori a propano può essere facilmente aumentato di due o tre unità, e nel metano anche di più. Il conseguente aumento degli ossidi di azoto è compensato da minori emissioni complessive. La miscela ottimale di propano è leggermente più "povera" - 15,5:1 (aria-carburante) rispetto a 14,7:1 per la benzina, e questo viene preso in considerazione durante la progettazione di evaporatori, dispositivi di misurazione o sistemi di iniezione. Poiché sia ​​il propano che il metano sono gas, i motori non hanno bisogno di arricchire le miscele durante gli avviamenti a freddo o l'accelerazione.

L'angolo di sorpasso dell'accensione è calcolato su una curva diversa rispetto ai motori a benzina: a bassi regimi, il sorpasso dell'accensione dovrebbe essere maggiore a causa della combustione più lenta di metano e propano, ma a velocità elevate, i motori a benzina richiedono un aumento maggiore. miscela (la velocità di combustione della benzina è ridotta a causa del breve tempo delle reazioni pre-fiamma, ovvero la formazione di perossidi). Ecco perché i sistemi di controllo dell'accensione elettronica dei motori a gas hanno un algoritmo completamente diverso.

Metano e propano aumentano anche i requisiti per gli elettrodi delle candele ad alta tensione: una miscela "più secca" è "più difficile" da perforare rispetto a una scintilla perché è un elettrolita meno conduttivo. Pertanto, la distanza tra gli elettrodi delle candele adatte a tali motori è solitamente diversa, la tensione è maggiore e in generale il problema delle candele è più complesso e sottile rispetto ai motori a benzina. Le sonde lambda sono utilizzate nei più moderni motori a gas per un dosaggio ottimale della miscela in termini di qualità. La presenza di impianti di accensione su due curve separate è particolarmente importante per i veicoli dotati di impianti bivalenti (per metano e benzina), in quanto la scarsa rete di rifornimenti di metano richiede spesso l'uso forzato di benzina.

Il rapporto di compressione ottimale del gas naturale è di circa 16:1 e il rapporto aria-carburante ideale è di 16,5:1, perderà circa il 15% della sua potenza potenziale. Quando si utilizza il gas naturale, la quantità di monossido di carbonio (CO) e idrocarburi (HC) nei gas di scarico è ridotta del 90% e gli ossidi di azoto (NOx) di circa il 70% rispetto alle emissioni dei motori a benzina convenzionali. L'intervallo di cambio dell'olio per i motori a gas è solitamente raddoppiato.

Gas-diesel

Negli ultimi anni, i sistemi di erogazione del carburante a doppia alimentazione sono diventati sempre più popolari. Mi affretto a notare che non stiamo parlando di motori "bivalenti" che funzionano alternativamente a gas o benzina e dotati di candele, ma di speciali sistemi diesel-gas in cui parte del gasolio viene sostituito da gas naturale fornito da un sistema di alimentazione separato. Questa tecnologia si basa su motori diesel standard.

Il principio di funzionamento si basa sul fatto che il metano ha una temperatura di autoaccensione superiore a 600 gradi, ovvero sopra una temperatura di circa 400-500 gradi alla fine del ciclo di compressione del motore diesel. Questo, a sua volta, significa che la miscela metano-aria non si accende da sola quando viene compressa nei cilindri e il gasolio iniettato, che si accende a circa 350 gradi, viene utilizzato come una sorta di candela. L'impianto potrebbe funzionare interamente a metano, ma in questo caso sarebbe necessario installare un impianto elettrico e una candela. Tipicamente la percentuale di metano aumenta con il carico, al minimo l'auto va a gasolio, e ad alto carico il rapporto metano/gasolio arriva a 9/1. Queste proporzioni possono anche essere modificate secondo il programma preliminare.

Alcune aziende producono motori diesel con il cosiddetto. Sistemi di alimentazione "micropilota", in cui il ruolo del sistema diesel è limitato all'iniezione di una piccola quantità di carburante necessaria solo per l'accensione del metano. Pertanto, questi motori non possono funzionare autonomamente con il diesel e sono solitamente utilizzati su veicoli industriali, automobili, autobus e navi, dove il costoso riequipaggiamento è economicamente giustificato - dopo la sua usura, ciò porta a risparmi significativi, durata del motore. aumenta in modo significativo e le emissioni di gas nocivi sono notevolmente ridotte. Le macchine Micropilot possono funzionare sia con gas naturale liquefatto che compresso.

Tipi di sistemi utilizzati per installazioni aggiuntive

La varietà di sistemi di fornitura di gas per combustibili gassosi è in costante crescita. In linea di principio, le specie possono essere suddivise in diversi tipi. Quando vengono utilizzati propano e metano, si tratta di sistemi a pressione atmosferica miscelati, sistemi di iniezione in fase gassosa e sistemi di iniezione in fase liquida. Da un punto di vista tecnico, i sistemi di iniezione propano-butano possono essere suddivisi in più generazioni:

La prima generazione sono sistemi senza controllo elettronico, in cui il gas viene miscelato in un semplice miscelatore. Questi sono solitamente dotati di vecchi motori a carburatore.

La seconda generazione è un'iniezione con un ugello, una sonda lambda analogica e un catalizzatore a tre vie.

La terza generazione è un'iniezione a uno o più ugelli (uno per cilindro), con controllo a microprocessore e presenza sia di un programma di autoapprendimento che di una tabella codici di autodiagnosi.

La quarta generazione è l'iniezione sequenziale (cilindrica) dipendente dalla posizione del pistone, con numero di ugelli pari al numero di cilindri, e con feedback tramite sonda lambda.

Quinta generazione: iniezione sequenziale multipunto con feedback e comunicazione con un microprocessore per il controllo dell'iniezione di benzina.

Nei sistemi più moderni, il computer "gas" sfrutta appieno i dati del microprocessore principale per controllare i parametri del motore a benzina, compreso il tempo di iniezione. La trasmissione e il controllo dei dati sono inoltre completamente collegati al programma benzina principale, il che evita la necessità di creare intere mappe di iniezione gas XNUMXD per ogni modello di auto: il dispositivo intelligente legge semplicemente i programmi dal processore benzina. e li adatta all'iniezione di gas.