Alternativy zkušební jízdy: ČÁST 2 - Auta

Pokud máte příležitost přeletět v noci přes západní Sibiř, oknem uvidíte groteskní pohled, připomínající kuvajtskou poušť po stažení Saddámových vojsk během první války v Iráku. Krajina je poseta obrovskými hořícími „pochodněmi“, což je jasným důkazem toho, že mnoho ruských producentů ropy stále považuje zemní plyn za vedlejší produkt a zbytečný produkt v procesu hledání ropných polí ...

Odborníci se domnívají, že tento odpad bude v blízké budoucnosti zastaven. Po mnoho let byl zemní plyn považován za nadbytečný produkt a byl spalován nebo jednoduše vypouštěn do atmosféry. Odhaduje se, že doposud samotná Saúdská Arábie během těžby ropy vyložila nebo spálila více než 450 milionů metrů krychlových zemního plynu ...

Zároveň je proces obrácený – většina moderních ropných společností spotřebovává zemní plyn již dlouhou dobu, přičemž si uvědomuje hodnotu tohoto produktu a jeho význam, který může v budoucnu jen narůstat. Tento pohled na věc je charakteristický zejména pro Spojené státy, kde se na rozdíl od již vyčerpaných zásob ropy stále nacházejí velká ložiska plynu. Posledně jmenovaná okolnost se automaticky promítá do průmyslové infrastruktury obrovské země, jejíž práce je nemyslitelná bez aut, a tím spíše bez velkých kamionů a autobusů. V zahraničí je stále více dopravních společností, které modernizují dieselové motory svých vozových parků tak, aby fungovaly jak s kombinovanými systémy plyn-nafta, tak pouze s modrým palivem. Stále více lodí přechází na zemní plyn.

Na pozadí cen kapalných paliv zní cena metanu fantasticky a mnozí začínají pochybovat, že v tom je nějaký háček – a má to dobrý důvod. Vzhledem k tomu, že energetický obsah kilogramu metanu je vyšší než kilogram benzínu a jeden litr (tedy jeden decimetr krychlový) benzínu váží méně než kilogram, může každý dojít k závěru, že kilogram metanu obsahuje mnohem více. energie než litr benzínu. Je jasné, že i bez této zdánlivé změti čísel a nejasných rozdílů vás provoz auta na zemní plyn nebo metan bude stát mnohem méně peněz než provoz auta na benzín.

Ale tady je klasické velké „ALE“… Protože když je „podvod“ tak velký, téměř nikdo u nás nepoužívá zemní plyn jako palivo a auta upravená pro jeho použití v Bulharsku jsou vzácnější. fenomén od klokana po borovou horu Rodopy? Odpověď na tuto zcela normální otázku nedává fakt, že plynárenský průmysl se po celém světě rozvíjí zběsilým tempem a v současnosti je považován za nejbezpečnější alternativu kapalných ropných paliv. Technologie vodíkových motorů má stále nejistou budoucnost, řízení válců vodíkových motorů je extrémně obtížné a zatím není jasné, jaká je ekonomická metoda těžby čistého vodíku. Na tomto pozadí je budoucnost metanu mírně řečeno brilantní – zejména proto, že v politicky bezpečných zemích jsou obrovská ložiska zemního plynu, že nové technologie (zmíněné v minulém čísle o kryogenním zkapalňování a chemické přeměně zemního plynu na kapaliny) zlevňují, zatímco cena klasických uhlovodíkových produktů roste. Nemluvě o tom, že metan má všechny šance stát se hlavním zdrojem vodíku pro palivové články budoucnosti.

Skutečným důvodem pro upuštění od uhlovodíkových plynů jako automobilových paliv jsou stále nízké ceny ropy v průběhu desetiletí, které posunuly vývoj automobilové technologie a související infrastruktury silniční dopravy směrem k poskytování energie pro benzínové a naftové motory. Na pozadí tohoto obecného trendu jsou pokusy o použití plynného paliva spíše sporadické a nevýznamné.

Dokonce i po skončení druhé světové války vedl nedostatek kapalných paliv v Německu ke vzniku automobilů vybavených nejjednoduššími systémy pro používání zemního plynu, které, i když jsou mnohem primitivnější, se od systémů používaných bulharskými taxíky dnes liší jen velmi málo. z plynových lahví a reduktorů. Plynová paliva nabyla na důležitosti během dvou ropných krizí v letech 1973 a 1979-80, ale i tak můžeme hovořit pouze o krátkých výbojích, které byly téměř bez povšimnutí a nevedly k významnému rozvoji v této oblasti. Po více než dvě desetiletí od této poslední akutní krize zůstaly ceny kapalných paliv trvale nízké a v letech 1986 a 1998 dosáhly absurdně nízkých cen 10 USD za barel. Je zřejmé, že taková situace nemůže mít stimulační účinek na alternativní typy plynných paliv ...

Na začátku 11. století se situace na trhu postupně, ale jistě, ubírá jiným směrem. Od teroristických útoků 2001 v září XNUMX došlo k postupnému, ale stálému vzestupnému trendu cen ropy, který nadále rostl v důsledku zvýšené spotřeby Číny a Indie a obtíží při hledání nových ložisek. Automobilové společnosti jsou však mnohem nepříjemnější ve směru hromadné výroby automobilů přizpůsobených pro provoz na plynná paliva. Důvody této těžkopádnosti lze najít jak v setrvačnosti myšlení většiny spotřebitelů zvyklých na tradiční kapalná paliva (pro Evropany zůstává nejrealističtější alternativou k benzinu například nafta), tak v potřebě obrovských investic do infrastruktury potrubí. a kompresorové stanice. Když se to přidá ke složitým a nákladným systémům skladování paliva (zejména stlačeného zemního plynu) v samotných automobilech, začne se celkový obraz vyjasňovat.

Na druhou stranu se pohonné jednotky na plynná paliva stále více diverzifikují a navazují na technologii svých benzinových protějšků. Podavače plynu již používají stejné sofistikované elektronické součástky pro vstřikování paliva do kapalné (stále vzácné) nebo plynné fáze. Stále více sériově vyráběných modelů vozidel je také továrně nastaveno na monovalentní přívod plynu nebo s možností duálního přívodu plynu/benzinu. Stále častěji se realizuje další výhoda plynných paliv - plyny jsou díky jejich chemické struktuře plně oxidovány a úroveň škodlivých emisí ve výfukových plynech automobilů, které je používají, je mnohem nižší.

Nový začátek

Průlom na trhu však bude vyžadovat cílené a přímé finanční pobídky pro koncové uživatele zemního plynu jako pohonné hmoty pro vozidla. Aby přilákali zákazníky, prodejci metanu v Německu již poskytují kupujícím vozidel na zemní plyn speciální bonusy, jejichž povaha se někdy zdá být prostě neuvěřitelná - například hamburská plynárenská distribuční společnost proplácí jednotlivcům nákup plynu. vozů od určitých prodejců po dobu jednoho roku. Jedinou podmínkou uživatele je nalepit si na auto reklamní samolepku sponzora...

Důvod, proč je zemní plyn v Německu a Bulharsku (v obou zemích naprostá většina zemního plynu pochází z Ruska potrubím) mnohem levnější než jiná paliva, je třeba hledat v řadě právních prostor. Tržní cena plynu je logicky provázána s cenou ropy: s rostoucí cenou ropy roste i cena zemního plynu, ale rozdíl v cenách benzinu a plynu pro konečného spotřebitele je způsoben především nižším zdaněním zemního plynu. plyn. Například v Německu je cena plynu právně fixována do roku 2020 a schéma této „fixace“ je následující: v tomto období může cena zemního plynu růst spolu s cenou ropy, ale její úměrná výhoda oproti jiným zdrojům energie musí být udržována na konstantní úrovni. Je jasné, že při takto regulovaném právním rámci, nízkých cenách a absenci jakýchkoliv problémů při stavbě „plynových motorů“ zůstává jediným problémem pro růst tohoto trhu nerozvinutá síť čerpacích stanic – v obrovském Německu, např. Například takových bodů je pouze 300 a v Bulharsku je jich mnohem méně.

Vyhlídky na naplnění tohoto deficitu infrastruktury v tuto chvíli vypadají skvěle – v Německu má sdružení Erdgasmobil a francouzský ropný gigant TotalFinaElf v úmyslu masivně investovat do výstavby několika tisíc nových čerpacích stanic a v Bulharsku několik společností přijalo podobnou úkol. Je možné, že již brzy bude celá Evropa využívat stejně rozvinutou síť čerpacích stanic na zemní a zkapalněný ropný plyn jako spotřebitelé v Itálii a Nizozemsku – zemích, o jejichž vývoji v této oblasti jsme vás informovali v minulém čísle.

Honda Civic GX

Na frankfurtském autosalonu v roce 1997 Honda představila Civic GX a prohlásila, že jde o nejekologičtější auto na světě. Ukázalo se, že ambiciózní prohlášení Japonců není jen dalším marketingovým tahem, ale čistou pravdou, která zůstává aktuální dodnes a v praxi je vidět na nejnovějším vydání Civicu GX. Vůz je konstruován pro provoz pouze na zemní plyn a motor je navržen tak, aby plně využíval výhody vysokého oktanového čísla plynného paliva. Není divu, že vozidla tohoto typu dnes mohou nabízet úrovně emisí výfukových plynů nižší, než jaké požaduje budoucí evropská ekonomika Euro 5, nebo o 90 % nižší než americká vozidla ULEV (Ultra Low Emission Vehicles). . Motor Honda běží mimořádně hladce a vysoký kompresní poměr 12,5:1 kompenzuje nižší objemovou energetickou hodnotu zemního plynu ve srovnání s benzínem. Nádrž o objemu 120 litrů je vyrobena z kompozitního materiálu a ekvivalentní spotřeba plynu je 6,9 ​​litru. Slavný systém variabilního časování ventilů Honda VTEC dobře spolupracuje se speciálními vlastnostmi paliva a dále zlepšuje plnění motoru. Vzhledem k nižší rychlosti hoření zemního plynu a skutečnosti, že palivo je „suché“ a nemá mazací vlastnosti, jsou sedla ventilů vyrobena ze speciálních žáruvzdorných slitin. Písty jsou také vyrobeny z pevnějších materiálů, protože plyn nemůže válce chladit, když se odpařuje jako benzín.

Hadice Honda GX v plynné fázi jsou vstřikovány zemním plynem, který je 770krát větší než ekvivalentní množství benzínu. Největší technologickou výzvou pro inženýry Hondy bylo vytvořit správné vstřikovače pro práci v takových podmínkách a předpokladech – pro dosažení optimálního výkonu se musí vstřikovače vyrovnat s nelehkým úkolem současně dodávat potřebné množství plynu, pro které v zásadě platí, je vstřikován kapalný benzín. To je problém pro všechny motory tohoto typu, protože plyn zabírá mnohem větší objem, vytlačuje část vzduchu a vyžaduje vstřikování přímo do spalovacích prostor.

Ve stejném roce 1997 předvedl Fiat také podobný model Honda GX. „bivalentní“ verze Marea může používat dva druhy paliva – benzín a zemní plyn, přičemž plyn je čerpán druhým, zcela nezávislým palivovým systémem. Motor vždy startuje na kapalné palivo a poté se automaticky přepne na plyn. Motor o objemu 1,6 litru má výkon 93 koní. s plynovým palivem a 103 hp. S. při použití benzínu. Motor v zásadě běží hlavně na plyn, kromě případů, kdy ten druhý dojde nebo má řidič jasnou touhu použít benzín. Bohužel „dvojitá povaha“ bivalentní energie neumožňuje plné využití výhod vysokooktanového zemního plynu. Fiat v současné době vyrábí verzi Mulipla s tímto typem PSU.

Postupem času se podobné modely objevily v nabídce Opel (Astra a Zafira Bi Fuel pro verze LPG a CNG), PSA (Peugeot 406 LPG a Citroen Xantia LPG) a VW (Golf Bifuel). Volvo je v této oblasti považováno za klasiku a vyrábí varianty S60, V70 a S80, schopné provozu na zemní plyn i bioplyn a LPG. Všechna tato vozidla jsou vybavena systémy vstřikování plynu využívajícím speciální trysky, elektronicky řízenými technologickými postupy a mechanickými součástmi kompatibilními s palivem, jako jsou ventily a písty. Palivové nádrže na CNG vydrží tlak 700 barů, přestože samotný plyn je v nich uložen pod tlakem nejvýše 200 barů.

BMW

BMW je známým zastáncem udržitelných paliv a již řadu let vyvíjí různé pohonné jednotky pro vozidla s alternativními zdroji. Ještě na počátku 90. let vytvořila bavorská společnost modely řad 316g a 518g, které jako palivo využívají zemní plyn. Ve svém posledním vývoji se společnost rozhodla experimentovat se zásadně novými technologiemi a společně s německou chladicí skupinou Linde, společností Aral oil a energetickou společností E.ON Energy vyvinula projekt využití zkapalněných plynů. Projekt se rozvíjí dvěma směry: prvním je rozvoj dodávek zkapalněného vodíku a druhým je využití zkapalněného zemního plynu. Využití zkapalněného vodíku je stále považováno za perspektivní technologii, o které si povíme později, ale systém skladování a využití zkapalněného zemního plynu je zcela reálný a lze jej v nejbližších letech uvést do praxe v automobilovém průmyslu.

Současně je zemní plyn ochlazen na teplotu -161 stupňů a kondenzuje při tlaku 6 až 10 barů, přičemž přechází do kapalné fáze. Nádrž je mnohem kompaktnější a lehčí ve srovnání s lahvemi na stlačený plyn a je to prakticky kryogenní termoska vyrobená ze superizolačních materiálů. Díky moderní technologii Linde lze přes velmi tenké a lehké stěny nádrže tekutý metan v tomto stavu bez problémů skladovat po dobu dvou týdnů, a to i v horkém počasí a bez nutnosti chlazení. První čerpací stanice LNG, do výstavby které bylo investováno 400 XNUMX EUR, již funguje v Mnichově.

Spalovací procesy v motorech na plynná paliva

Jak již bylo zmíněno, zemní plyn obsahuje především metan a zkapalněný ropný plyn - propan a butan v poměru, který závisí na ročním období. S rostoucí molekulovou hmotností klesá odolnost parafinických (s přímým řetězcem) uhlovodíkových sloučenin, jako je metan, etan a propan, odolnost proti klepání, molekuly se snadněji rozpadají a hromadí se více peroxidů. Vznětové motory tedy používají motorovou naftu spíše než benzín, protože teplota samovznícení je v prvním případě nižší.

Metan má nejvyšší poměr vodík / uhlík ze všech uhlovodíků, což v praxi znamená, že při stejné hmotnosti má metan nejvyšší energetickou hodnotu mezi uhlovodíky. Vysvětlení této skutečnosti je složité a vyžaduje určité znalosti chemie a energie vztahů, takže se tím nebudeme zabývat. Stačí říci, že stabilní molekula metanu poskytuje oktanové číslo asi 130.

Z tohoto důvodu je rychlost spalování metanu mnohem nižší než u benzinu, malé molekuly umožňují úplnější spalování metanu a jeho plynný stav vede k menšímu úniku oleje ze stěn válců u studených motorů ve srovnání se směsmi benzinu. ... Propan má zase oktanové číslo 112, což je stále vyšší hodnota než u většiny benzínů. Špatné směsi propan-vzduch hoří při nižší teplotě než benzín, ale bohaté směsi mohou vést k tepelnému přetížení motoru, protože propan nemá chladicí vlastnosti benzínu kvůli jeho vstupu do válců v plynné formě.

Tento problém byl již vyřešen použitím systémů s přímým vstřikováním kapalného propanu. Vzhledem k tomu, že propan snadno zkapalňuje, je snadné sestavit systém pro jeho uskladnění v autě a není třeba zahřívat sací potrubí, protože propan nekondenzuje jako benzín. To zase zlepšuje termodynamickou účinnost motoru, kde je bezpečné používat termostaty udržující nižší teplotu chladicí kapaliny. Jedinou významnou nevýhodou plynných paliv je fakt, že metan ani propan nemají mazací účinek na výfukové ventily, takže podle odborníků jde o „suché palivo“, které je dobré pro pístní kroužky, ale špatné pro ventily. Nemůžete se spoléhat na to, že plyny dodají většinu aditiv do válců motoru, ale motory na tato paliva nepotřebují tolik aditiv jako benzínové motory. Řízení směsi je u plynových motorů velmi důležitým faktorem, protože bohaté směsi mají za následek vyšší teploty výfukových plynů a přetížení ventilů, zatímco špatné směsi způsobují problém tím, že snižují již tak nízkou rychlost spalování, což je opět předpokladem tepelného přetížení ventilů. Kompresní poměr v propanových motorech lze snadno zvýšit o dvě nebo tři jednotky a v metanu - ještě více. Výsledný nárůst oxidů dusíku je kompenzován celkově nižšími emisemi. Optimální směs propanu je o něco „chudší“ – 15,5:1 (vzduch k palivu) oproti 14,7:1 u benzínu a s tím se počítá při návrhu výparníků, dávkovacích zařízení nebo vstřikovacích systémů. Protože propan i metan jsou plyny, nemusí motory při studených startech nebo akceleraci obohacovat směsi.

Úhel předběhu zážehu se počítá na jiné křivce než u benzínových motorů - při nízkých otáčkách by měl být předběh kvůli pomalejšímu spalování metanu a propanu vyšší, ale ve vysokých otáčkách potřebují benzínové motory větší zvýšení. směsi (rychlost hoření benzínu je snížena v důsledku krátké doby předhořlavých reakcí - tedy tvorby peroxidů). To je důvod, proč elektronické řídicí systémy zapalování plynových motorů mají zcela odlišný algoritmus.

Metan a propan také zvyšují požadavky na vysokonapěťové elektrody zapalovacích svíček – „sušší“ směs se „hůře“ prorazí než jiskra, protože jde o méně vodivý elektrolyt. Vzdálenost elektrod zapalovacích svíček vhodných pro takové motory je proto obvykle jiná, napětí je vyšší a obecně je problematika svíček složitější a jemnější než u benzínových motorů. Lambda sondy se používají v nejmodernějších plynových motorech pro optimální dávkování směsi z hlediska kvality. Mít zapalovací systémy na dvou samostatných křivkách je zvláště důležité pro vozidla vybavená bivalentními systémy (pro zemní plyn a benzín), protože řídká síť plnících míst zemního plynu často vyžaduje nucené použití benzínu.

Optimální kompresní poměr zemního plynu je asi 16:1 a ideální poměr vzduch-palivo je 16,5:1, ztratí asi 15 % svého potenciálního výkonu. Při použití zemního plynu se množství oxidu uhelnatého (CO) a uhlovodíků (HC) ve výfukových plynech sníží o 90 % a oxidů dusíku (NOx) asi o 70 % ve srovnání s emisemi konvenčních zážehových motorů. Interval výměny oleje u plynových motorů je obvykle dvojnásobný.

Plyn-nafta

V posledních několika letech jsou systémy dodávky paliva s dvojím palivem stále populárnější. Spěšně musím poznamenat, že nemluvíme o „bivalentních“ motorech běžících střídavě na benzín nebo benzín, které mají zapalovací svíčky, ale o speciálních systémech nafta-plyn, ve kterých je část motorové nafty nahrazována zemním plynem dodávaným samostatným energetickým systémem. Tato technologie je založena na standardních vznětových motorech.

Princip fungování je založen na tom, že metan má teplotu samovznícení nad 600 stupňů - tzn. nad teplotou přibližně 400-500 stupňů na konci kompresního cyklu vznětového motoru. To zase znamená, že směs metanu a vzduchu se při stlačení ve válcích sama od sebe nezapálí a vstřikovaná motorová nafta, která se vznítí asi při 350 stupních, se použije jako jakási zapalovací svíčka. Systém by mohl běžet celý na metan, ale v tomto případě by bylo nutné nainstalovat elektrický systém a zapalovací svíčku. Obvykle se procento metanu zvyšuje se zatížením, při volnoběhu auto jezdí na naftu a při vysokém zatížení dosahuje poměr metanu a nafty 9/1. Tyto proporce lze také změnit podle předběžného programu.

Některé firmy vyrábějí naftové motory s tzv. "Mikropilotní" energetické systémy, ve kterých je role dieselového systému omezena na vstřikování malého množství paliva potřebného pouze k zapálení metanu. Tyto motory proto nemohou pracovat autonomně na naftu a používají se obvykle v průmyslových vozidlech, automobilech, autobusech a lodích, kde je finančně opodstatněné nákladné převybavení - po jeho opotřebení to vede k výrazným úsporám, životnosti motoru. výrazně vzrůstá a emise škodlivých plynů se výrazně snižují. Stroje Micropilot mohou pracovat jak na zkapalněný, tak na stlačený zemní plyn.

Typy systémů používaných pro další instalaci

Rozmanitost systémů dodávek plynu pro plynná paliva neustále roste. Druhy lze v zásadě rozdělit do několika typů. Pokud se používá propan a metan, jedná se o smíšené a atmosférické tlakové systémy, systémy vstřikování plynné fáze a systémy vstřikování kapalné fáze. Z technického hlediska lze systémy pro vstřikování propan-butanu rozdělit do několika generací:

První generací jsou systémy bez elektronického ovládání, ve kterých se plyn míchá v jednoduchém směšovači. Ty jsou obvykle vybaveny starými karburátorovými motory.

Druhá generace je vstřikování s jednou tryskou, analogovou lambda sondou a třícestným katalyzátorem.

Třetí generací je vstřikování s jednou nebo více tryskami (jedna na válec), s mikroprocesorovým řízením a přítomností jak samoučícího se programu, tak samodiagnostické kódové tabulky.

Čtvrtá generace je sekvenční (válcové) vstřikování v závislosti na poloze pístu, s počtem trysek rovným počtu válců a se zpětnou vazbou přes lambda sondu.

Pátá generace - vícebodové sekvenční vstřikování se zpětnou vazbou a komunikací s mikroprocesorem pro řízení vstřikování benzínu.

V nejmodernějších systémech „plynový“ počítač plně využívá data z hlavního mikroprocesoru pro řízení parametrů benzinového motoru včetně doby vstřiku. Přenos dat a ovládání je také plně propojeno s hlavním benzínovým programem, čímž odpadá nutnost vytvářet celé XNUMXD mapy vstřikování plynu pro každý model vozu – chytré zařízení jednoduše načte programy z benzínového procesoru. a přizpůsobuje je vstřikování plynu.