Alternatívy skúšobnej jazdy: 2. ČASŤ - Autá
Ak máte možnosť v noci preletieť západnú Sibír, cez okno uvidíte groteskný pohľad, ktorý pripomína kuvajtskú púšť po stiahnutí Saddámových vojsk počas prvej vojny v Iraku. Krajina je posiata obrovskými horiacimi „fakľami“, čo je jasným dôkazom toho, že mnoho ruských producentov ropy stále považuje zemný plyn za vedľajší produkt a nepotrebný produkt v procese hľadania ropných polí ...
Odborníci sa domnievajú, že tento odpad bude v blízkej budúcnosti zastavený. Po mnoho rokov sa zemný plyn považoval za nadbytočný produkt a spaľoval sa alebo sa jednoducho vypúšťal do atmosféry. Odhaduje sa, že zatiaľ iba Saudská Arábia vyhodila alebo spálila viac ako 450 miliónov kubických metrov zemného plynu počas ťažby ropy ...
Zároveň je proces obrátený – väčšina moderných ropných spoločností spotrebúva zemný plyn už dlhší čas, uvedomujúc si hodnotu tohto produktu a jeho význam, ktorý môže v budúcnosti len narastať. Tento pohľad na vec je príznačný najmä pre USA, kde sa na rozdiel od už vyčerpaných zásob ropy stále nachádzajú veľké ložiská plynu. Posledná okolnosť sa automaticky premieta do priemyselnej infraštruktúry obrovskej krajiny, ktorej práca je nemysliteľná bez áut a ešte viac bez veľkých nákladných áut a autobusov. V zahraničí je čoraz viac dopravných spoločností, ktoré modernizujú dieselové motory svojich vozových parkov tak, aby fungovali ako s kombinovanými systémami plyn-nafta, tak len s modrým palivom. Stále viac lodí prechádza na zemný plyn.
Na pozadí cien kvapalných palív znie cena metánu fantasticky a mnohí začínajú pochybovať, že je tu nejaký háčik – a majú na to dobrý dôvod. Ak vezmeme do úvahy, že energetický obsah kilogramu metánu je vyšší ako kilogram benzínu a jeden liter (t. j. jeden kubický decimeter) benzínu váži menej ako kilogram, každý môže dospieť k záveru, že kilogram metánu obsahuje oveľa viac. energie ako liter benzínu. Je jasné, že aj bez tejto zjavnej spleti čísel a nejasných rozdielov vás bude prevádzka auta na zemný plyn alebo metán stáť oveľa menej peňazí ako prevádzka auta na benzín.
Ale je tu klasické veľké „ALE“... Pretože keď je „podvod“ taký veľký, zemný plyn u nás takmer nikto nepoužíva ako palivo a autá prispôsobené na jeho použitie v Bulharsku sú zriedkavejšie. úkaz od kengury po borovicovú horu Rodopy? Odpoveď na túto úplne normálnu otázku nedáva fakt, že plynárenský priemysel na celom svete sa rozvíja zbesilým tempom a v súčasnosti je považovaný za najbezpečnejšiu alternatívu kvapalných ropných palív. Technológia vodíkových motorov má stále neistú budúcnosť, riadenie vo valcoch vodíkových motorov je mimoriadne náročné a zatiaľ nie je jasné, aká je ekonomická metóda získavania čistého vodíka. Na tomto pozadí je budúcnosť metánu, mierne povedané, brilantná – najmä preto, že v politicky bezpečných krajinách sú obrovské ložiská zemného plynu, že nové technológie (spomínané v predchádzajúcom čísle kryogénne skvapalňovanie a chemická premena zemného plynu na kvapaliny) sú stále lacnejšie, zatiaľ čo cena klasických uhľovodíkových produktov rastie. Nehovoriac o tom, že metán má všetky šance stať sa hlavným zdrojom vodíka pre palivové články budúcnosti.
Skutočným dôvodom upustenia od uhľovodíkových plynov ako pohonných látok sú stále nízke ceny ropy po celé desaťročia, čo posúva vývoj automobilovej technológie a súvisiacej cestnej dopravnej infraštruktúry smerom k poskytovaniu energie pre benzínové a naftové motory. Na pozadí tohto všeobecného trendu sú pokusy o použitie plynného paliva skôr sporadické a nepodstatné.
Aj po skončení druhej svetovej vojny viedol nedostatok tekutých palív v Nemecku k vzniku automobilov vybavených najjednoduchšími systémami na používanie zemného plynu, ktoré sa síce oveľa primitívnejšie nelíšia od systémov, ktoré dnes používajú bulharské taxíky. z plynových fliaš a redukcií. Plynné palivá získali väčší význam počas dvoch ropných kríz v rokoch 1973 a 1979-80, ale aj potom môžeme hovoriť iba o krátkych zábleskoch, ktoré zostali takmer bez povšimnutia a neviedli k výraznému rozvoju v tejto oblasti. Už viac ako dve desaťročia od tejto poslednej akútnej krízy zostávajú ceny tekutých palív trvalo nízke a v rokoch 1986 a 1998 dosiahli absurdne nízke ceny na úrovni 10 dolárov za barel. Je zrejmé, že takáto situácia nemôže mať stimulačný účinok na alternatívne druhy plynových palív ...
Na začiatku 11. storočia sa situácia na trhu postupne, ale isto uberá iným smerom. Po teroristických útokoch zo septembra 2001 na burze XNUMX došlo k postupnému, ale stabilnému rastúcemu trendu cien ropy, ktorý naďalej stúpal v dôsledku zvýšenej spotreby v Číne a Indii a ťažkostí pri hľadaní nových ložísk. Automobilové spoločnosti sú však oveľa nepríjemnejšie v smere hromadnej výroby automobilov prispôsobených na plynné palivá. Dôvody tejto ťažkopádnosti možno hľadať jednak v zotrvačnosti myslenia väčšiny spotrebiteľov zvyknutých na tradičné kvapalné palivo (pre Európanov napríklad najrealistickejšou alternatívou k benzínu zostáva nafta), jednak v potrebe obrovských investícií do potrubnej infraštruktúry. a kompresorové stanice. Keď sa to pridá k zložitým a nákladným systémom na skladovanie paliva (najmä stlačeného zemného plynu) v samotných automobiloch, začne sa celkový obraz vyjasňovať.
Na druhej strane, plynové pohonné jednotky sú čoraz diverzifikovanejšie a nasledujú technológiu svojich benzínových náprotivkov. Plynové podávače už používajú rovnaké sofistikované elektronické komponenty na vstrekovanie paliva do kvapalnej (stále vzácnej) alebo plynnej fázy. Stále viac a viac sériových modelov vozidiel je továrensky nastavených na monovalentné zásobovanie plynom alebo s možnosťou duálneho zásobovania plynom/benzínom. Čoraz častejšie sa realizuje ďalšia výhoda plynných palív - plyny sú vďaka svojej chemickej štruktúre plne oxidované a úroveň škodlivých emisií vo výfukových plynoch automobilov, ktoré ich používajú, je oveľa nižšia.
Nový začiatok
Prielom na trhu si však bude vyžadovať cielené a priame finančné stimuly pre konečných užívateľov zemného plynu ako paliva pre vozidlá. Na prilákanie zákazníkov už predajcovia metánu v Nemecku poskytujú kupujúcim vozidiel na zemný plyn špeciálne bonusy, ktorých povaha sa niekedy zdá byť jednoducho neuveriteľná – napríklad hamburská plynárenská spoločnosť prepláca jednotlivcom nákup plynu. autá od určitých predajcov na obdobie jedného roka. Jedinou podmienkou užívateľa je nalepiť si na auto reklamnú nálepku sponzora...
Dôvod, prečo je zemný plyn v Nemecku a Bulharsku (v oboch krajinách prevažná väčšina zemného plynu pochádza z Ruska potrubím) oveľa lacnejší ako iné palivá, treba hľadať v množstve právnych priestorov. Trhová cena plynu je logicky prepojená s cenou ropy: so stúpajúcou cenou ropy rastie aj cena zemného plynu, no rozdiel v cenách benzínu a plynu pre konečného spotrebiteľa je spôsobený najmä nižším zdanením zemného plynu. plynu. Napríklad v Nemecku je cena plynu legálne fixovaná do roku 2020 a schéma tejto „fixácie“ je nasledovná: počas tohto obdobia môže cena zemného plynu rásť spolu s cenou ropy, ale jej proporcionálna výhoda oproti iným zdrojom energie sa musí udržiavať na konštantnej úrovni. Je jasné, že pri takto regulovanom právnom rámci, nízkych cenách a absencii akýchkoľvek problémov pri konštrukcii „plynových motorov“ zostáva jediným problémom pre rast tohto trhu nerozvinutá sieť čerpacích staníc – v obrovskom Nemecku napr. Napríklad takýchto bodov je len 300 av Bulharsku je ich oveľa menej.
Vyhliadky na vyplnenie tohto deficitu infraštruktúry momentálne vyzerajú skvele – v Nemecku má združenie Erdgasmobil a francúzsky ropný gigant TotalFinaElf v úmysle masívne investovať do výstavby niekoľkých tisícok nových čerpacích staníc a v Bulharsku sa k podobným prípadom prihlásilo niekoľko spoločností. úloha. Je možné, že čoskoro bude celá Európa využívať rovnako rozvinutú sieť čerpacích staníc na zemný a skvapalnený ropný plyn ako spotrebitelia v Taliansku a Holandsku – krajinách, o ktorých vývoji v tejto oblasti sme vám hovorili v minulom čísle.
Honda Civic GX
Na frankfurtskom autosalóne v roku 1997 Honda predstavila Civic GX a vyhlásila, že je to najekologickejšie auto na svete. Ukázalo sa, že ambiciózne vyhlásenie Japoncov nie je len ďalší marketingový ťah, ale čistá pravda, ktorá je aktuálna dodnes a v praxi ju možno vidieť aj v najnovšom vydaní Civicu GX. Vozidlo je skonštruované len na pohon na zemný plyn a motor je navrhnutý tak, aby plne využíval výhody vysokého oktánového čísla plynného paliva. Nie je prekvapením, že vozidlá tohto typu dnes môžu ponúkať úrovne emisií výfukových plynov nižšie, ako sú požadované v budúcej európskej ekonomike Euro 5, alebo o 90 % nižšie ako americké ULEV (vozidlá s ultranízkymi emisiami). . Motor Honda beží mimoriadne hladko a vysoký kompresný pomer 12,5:1 kompenzuje nižšiu objemovú energetickú hodnotu zemného plynu v porovnaní s benzínom. 120-litrová nádrž je vyrobená z kompozitného materiálu a ekvivalentná spotreba plynu je 6,9 litra. Známy systém variabilného časovania ventilov VTEC od Hondy dobre spolupracuje so špeciálnymi vlastnosťami paliva a ďalej zlepšuje plnenie motora. Kvôli nižšej rýchlosti horenia zemného plynu a skutočnosti, že palivo je „suché“ a nemá mazacie vlastnosti, sú sedlá ventilov vyrobené zo špeciálnych žiaruvzdorných zliatin. Piesty sú tiež vyrobené z pevnejších materiálov, keďže plyn pri odparovaní ako benzín nedokáže ochladiť valce.
Hadice Honda GX v plynnej fáze sú vstrekované zemným plynom, ktorý je 770-krát väčší ako ekvivalentné množstvo benzínu. Najväčšou technologickou výzvou pre inžinierov Hondy bolo vytvoriť správne vstrekovače pre prácu v takýchto podmienkach a predpokladoch – na dosiahnutie optimálneho výkonu sa vstrekovače musia vyrovnať s neľahkou úlohou súčasne dodať požadované množstvo plynu, na čo v zásade vstrekuje sa kvapalný benzín. To je problém všetkých motorov tohto typu, keďže plyn zaberá oveľa väčší objem, vytláča časť vzduchu a vyžaduje vstrekovanie priamo do spaľovacích komôr.
V tom istom roku 1997 Fiat predviedol aj podobný model Honda GX. „bivalentná“ verzia Marea môže využívať dva druhy paliva – benzín a zemný plyn, pričom plyn je čerpaný druhým, úplne nezávislým palivovým systémom. Motor vždy štartuje na kvapalné palivo a potom sa automaticky prepne na plyn. 1,6-litrový motor má výkon 93 koní. s plynovým palivom a 103 hp. s. pri použití benzínu. V zásade ide motor hlavne na plyn, s výnimkou prípadu, keď sa ten posledný minie alebo má vodič jasnú túžbu použiť benzín. Žiaľ, „dvojaký charakter“ bivalentnej energie neumožňuje naplno využiť výhody vysokooktánového zemného plynu. Fiat v súčasnosti vyrába verziu Mulipla s týmto typom PSU.
Postupom času sa podobné modely objavili v ponuke modelov Opel (Astra a Zafira Bi Fuel pre verzie LPG a CNG), PSA (Peugeot 406 LPG a Citroen Xantia LPG) a VW (Golf Bifuel). Volvo je v tejto oblasti považované za klasiku a vyrába varianty motorov S60, V70 a S80, ktoré môžu poháňať zemný plyn, ako aj bioplyn a LPG. Všetky tieto vozidlá sú vybavené systémami vstrekovania plynu pomocou špeciálnych dýz, elektronicky riadenými technologickými postupmi a mechanickými komponentmi kompatibilnými s palivom, ako sú ventily a piesty. Palivové nádrže na CNG sú navrhnuté tak, aby odolali tlaku 700 barov, aj keď samotný plyn je tam skladovaný pri tlaku maximálne 200 barov.
BMW
BMW je známym zástancom udržateľných palív a už mnoho rokov vyvíja rôzne pohonné jednotky pre vozidlá s alternatívnymi zdrojmi. Ešte začiatkom 90. rokov bavorská spoločnosť vytvorila modely sérií 316g a 518g, ktoré využívajú ako palivo zemný plyn. Vo svojom najnovšom vývoji sa spoločnosť rozhodla experimentovať so zásadne novými technológiami a spolu s nemeckou chladiarenskou skupinou Linde, spoločnosťou Aral oil a energetickou spoločnosťou E.ON Energy vyvinula projekt na využitie skvapalnených plynov. Projekt sa rozvíja dvoma smermi: prvým je rozvoj dodávok skvapalneného vodíka a druhým je využívanie skvapalneného zemného plynu. Využitie skvapalneného vodíka sa stále považuje za perspektívnu technológiu, o ktorej si povieme neskôr, no systém skladovania a využívania skvapalneného zemného plynu je celkom reálny a v automobilovom priemysle ho možno v najbližších rokoch zaviesť do praxe.
Súčasne sa zemný plyn ochladzuje na teplotu -161 stupňov a pri prechode do kvapalnej fázy kondenzuje pri tlaku 6 - 10 barov. Nádrž je v porovnaní s fľašami na stlačený plyn oveľa kompaktnejšia a ľahšia a je to prakticky kryogénna termoska vyrobená zo superizolačných materiálov. Vďaka modernej technológii Linde sa napriek veľmi tenkým a ľahkým stenám nádrže dá tekutý metán v tomto stave bez problémov skladovať dva týždne, a to aj v horúcom počasí a bez potreby chladenia. Prvá čerpacia stanica LNG, do ktorej výstavby bolo investovaných 400 XNUMX EUR, už funguje v Mníchove.
Spaľovacie procesy v motoroch na plynné palivo
Ako už bolo spomenuté, zemný plyn obsahuje najmä metán a skvapalnený ropný plyn - propán a bután v pomeroch, ktoré závisia od ročného obdobia. So zvyšujúcou sa molekulovou hmotnosťou klesá odolnosť parafínových (s priamym reťazcom) uhľovodíkových zlúčenín, ako je metán, etán a propán, molekuly sa ľahšie rozpadajú a hromadí sa viac peroxidov. Naftové motory teda používajú skôr naftu ako benzín, pretože teplota samovznietenia je v prvom prípade nižšia.
Metán má najvyšší pomer vodíka / uhlíka zo všetkých uhľovodíkov, čo v praxi znamená, že pri rovnakej hmotnosti má metán najvyššiu energetickú hodnotu spomedzi uhľovodíkov. Vysvetlenie tejto skutočnosti je zložité a vyžaduje si určité vedomosti o chémii a energii vzťahov, takže sa tým nebudeme zaoberať. Stačí povedať, že stabilná molekula metánu poskytuje oktánové číslo asi 130.
Z tohto dôvodu je rýchlosť spaľovania metánu oveľa nižšia ako rýchlosť spaľovania benzínu, malé molekuly umožňujú úplnejšie spaľovanie metánu a jeho plynný stav vedie k menšiemu úniku oleja zo stien valcov v studených motoroch v porovnaní so zmesami benzínu. ... Propan má zase oktánové číslo 112, čo je stále viac ako väčšina benzínov. Zlé zmesi propán-vzduch horia pri nižšej teplote ako benzín, ale bohaté môžu viesť k tepelnému preťaženiu motora, pretože propán nemá chladiace vlastnosti benzínu v dôsledku jeho vstupu do valcov v plynnej forme.
Tento problém už bol vyriešený použitím systémov s priamym vstrekovaním kvapalného propánu. Pretože propán ľahko skvapalňuje, je ľahké vybudovať systém na jeho uskladnenie v aute a nie je potrebné ohrievať sacie potrubie, pretože propán nekondenzuje ako benzín. To následne zlepšuje termodynamickú účinnosť motora, kde je bezpečné použiť termostaty, ktoré udržujú nižšiu teplotu chladiacej kvapaliny. Jedinou podstatnou nevýhodou plynných palív je fakt, že metán ani propán nemajú mazací účinok na výfukové ventily, takže podľa odborníkov ide o „suché palivo“, ktoré je dobré pre piestne krúžky, ale zlé pre ventily. Nemôžete sa spoliehať na to, že plyny dodajú väčšinu aditív do valcov motora, ale motory bežiace na tieto palivá nepotrebujú toľko aditív ako benzínové motory. Riadenie zmesi je pri plynových motoroch veľmi dôležitým faktorom, pretože bohaté zmesi majú za následok vyššie teploty výfukových plynov a preťaženie ventilov, zatiaľ čo chudobné zmesi spôsobujú problém tým, že znižujú už aj tak nízku rýchlosť spaľovania, čo je opäť predpokladom tepelného preťaženia ventilov. Kompresný pomer v propánových motoroch možno ľahko zvýšiť o dve alebo tri jednotky a v metáne ešte viac. Výsledný nárast oxidov dusíka je kompenzovaný celkovo nižšími emisiami. Optimálna zmes propánu je o niečo „chudobnejšia“ – 15,5:1 (vzduch k palivu) oproti 14,7:1 pri benzíne, s tým sa počíta pri navrhovaní výparníkov, dávkovacích zariadení či vstrekovacích systémov. Pretože propán aj metán sú plyny, motory nepotrebujú obohacovať zmesi pri studených štartoch alebo akcelerácii.
Uhol predbehu zapaľovania sa počíta na inej krivke ako benzínové motory - pri nízkych otáčkach by mal byť predbeh zapaľovania vyšší z dôvodu pomalšieho spaľovania metánu a propánu, ale pri vysokých otáčkach potrebujú benzínové motory väčšie zvýšenie. zmesi (rýchlosť horenia benzínu je znížená v dôsledku krátkeho času reakcií predplameňa - teda tvorby peroxidov). Preto majú elektronické riadiace systémy zapaľovania plynových motorov úplne odlišný algoritmus.
Metán a propán tiež zvyšujú požiadavky na elektródy zapaľovacích sviečok s vysokým napätím – „suchšia“ zmes sa „ťažšie“ prepichne ako iskra, pretože ide o menej vodivý elektrolyt. Preto je vzdialenosť medzi elektródami zapaľovacích sviečok vhodných pre takéto motory zvyčajne iná, napätie je vyššie a vo všeobecnosti je problematika zapaľovacích sviečok zložitejšia a subtílnejšia ako u benzínových motorov. Lambda sondy sa používajú v najmodernejších plynových motoroch pre optimálne dávkovanie zmesi z hľadiska kvality. Mať zapaľovacie systémy na dvoch samostatných krivkách je obzvlášť dôležité pre vozidlá vybavené bivalentnými systémami (pre zemný plyn a benzín), pretože riedka sieť plniacich miest zemného plynu často vyžaduje nútené používanie benzínu.
Optimálny kompresný pomer zemného plynu je asi 16:1 a ideálny pomer vzduchu a paliva 16,5:1 stratí asi 15% svojho potenciálneho výkonu. Pri použití zemného plynu sa množstvo oxidu uhoľnatého (CO) a uhľovodíkov (HC) vo výfukových plynoch zníži o 90 % a oxidov dusíka (NOx) približne o 70 % v porovnaní s emisiami konvenčných benzínových motorov. Interval výmeny oleja pri plynových motoroch sa zvyčajne zdvojnásobuje.
Plyn-nafta
V posledných niekoľkých rokoch sú systémy dodávky paliva s dvoma palivami čoraz populárnejšie. Ponáhľam sa poznamenať, že nehovoríme o „bivalentných“ motoroch poháňaných striedavo na plyn alebo benzín, ktoré majú sviečky, ale o špeciálnych systémoch nafta-plyn, v ktorých je časť motorovej nafty nahradená zemným plynom dodávaným samostatným energetickým systémom. Táto technológia je založená na štandardných naftových motoroch.
Princíp činnosti je založený na tom, že metán má teplotu samovznietenia nad 600 stupňov – t.j. nad teplotou približne 400-500 stupňov na konci kompresného cyklu naftového motora. To zase znamená, že zmes metánu so vzduchom sa pri stlačení vo valcoch sama od seba nezapáli a vstreknutá motorová nafta, ktorá sa vznieti asi pri 350 stupňoch, sa použije ako akási sviečka. Systém by mohol bežať úplne na metán, ale v tomto prípade by bolo potrebné nainštalovať elektrický systém a zapaľovaciu sviečku. Typicky sa percento metánu zvyšuje so zaťažením, pri voľnobehu auto jazdí na naftu a pri vysokom zaťažení pomer metán/nafta dosahuje 9/1. Tieto proporcie môžu byť tiež zmenené podľa predbežného programu.
Niektoré firmy vyrábajú naftové motory s tzv. „Mikropilotné“ energetické systémy, v ktorých je úloha dieselového systému obmedzená na vstrekovanie malého množstva paliva potrebného len na zapálenie metánu. Preto tieto motory nemôžu fungovať autonómne na naftu a používajú sa zvyčajne v priemyselných vozidlách, autách, autobusoch a lodiach, kde je ekonomicky opodstatnená nákladná prestavba – po jej opotrebení dochádza k výraznej úspore, životnosti motora. výrazne stúpa a emisie škodlivých plynov sa výrazne znižujú. Stroje Micropilot môžu pracovať so skvapalneným aj stlačeným zemným plynom.
Typy systémov používaných na ďalšiu inštaláciu
Rozmanitosť systémov dodávania plynu pre plynné palivá neustále rastie. V zásade možno druhy rozdeliť do niekoľkých typov. Ak sa použije propán a metán, jedná sa o zmiešané systémy a systémy atmosférického tlaku, systémy vstrekovania plynnej fázy a systémy vstrekovania kvapalnej fázy. Z technického hľadiska možno systémy na vstrekovanie propán-butánu rozdeliť do niekoľkých generácií:
Prvou generáciou sú systémy bez elektronického ovládania, v ktorých sa plyn mieša v jednoduchom mixéri. Tie sú zvyčajne vybavené starými karburátorovými motormi.
Druhá generácia je vstrekovanie s jednou tryskou, analógovou lambda sondou a trojcestným katalyzátorom.
Tretia generácia je vstrekovanie s jednou alebo viacerými dýzami (jedna na valec), s mikroprocesorovým riadením a prítomnosťou samoučiaceho sa programu a samodiagnostickej kódovej tabuľky.
Štvrtá generácia je sekvenčné (valcové) vstrekovanie v závislosti od polohy piestu, s počtom dýz rovným počtu valcov a so spätnou väzbou cez lambda sondu.
Piata generácia - viacbodové sekvenčné vstrekovanie so spätnou väzbou a komunikáciou s mikroprocesorom na riadenie vstrekovania benzínu.
V najmodernejších systémoch „plynový“ počítač plne využíva údaje z hlavného mikroprocesora na riadenie parametrov benzínového motora vrátane času vstrekovania. Prenos dát a ovládanie je tiež plne prepojené s hlavným benzínovým programom, vďaka čomu nie je potrebné vytvárať celé XNUMXD mapy vstrekovania plynu pre každý model auta – inteligentné zariadenie jednoducho načíta programy z benzínového procesora. a prispôsobuje ich vstrekovaniu plynu.
