Вход

Абонамент

Благодаря, че избрахте да се абонирате за auto motor und sport. Изберете вида абонамент и въведете нужните данни, а ние ще се погрижим списанията да достигнат до Вас максимално бързо.

Избери годишен абонамент и вземи 20% отстъпка.

Абонамент

Благодаря, че избрахте да се абонирате за auto motor und sport. Изберете вида абонамент и въведете нужните данни, а ние ще се погрижим списанията да достигнат до Вас максимално бързо.

Избери годишен абонамент и вземи 20% отстъпка.

Абонамент

Благодаря, че избрахте да се абонирате за auto motor und sport. Изберете вида абонамент и въведете нужните данни, а ние ще се погрижим списанията да достигнат до Вас максимално бързо.

Избери годишен абонамент и вземи 20% отстъпка.

Абонамент

Благодаря, че избрахте да се абонирате за auto motor und sport. Изберете вида абонамент и въведете нужните данни, а ние ще се погрижим списанията да достигнат до Вас максимално бързо.

Избери годишен абонамент и вземи 20% отстъпка.

0 продукта | 0 лв.

Абонамент

Благодаря, че избрахте да се абонирате за auto motor und sport. Изберете вида абонамент и въведете нужните данни, а ние ще се погрижим списанията да достигнат до Вас максимално бързо.

Избери годишен абонамент и вземи 20% отстъпка.

auto motor und sport Bulgaria logo

Алтернативите: ЧАСТ 2 - Автомобилите

15.02.2007 20:22
Туит

Ако имате шанс да летите нощем със самолет над Западен Сибир, през илюминатора ще видите гротескна картина, напомняща кувейската пустиня след изтеглянето на войските на Саддам по време на първата иракска война. Пейзажът е осеян с огромни горящи “факли”, представляващи нагледно доказателство за това, че доста от руските нефтодобивници все още считат природния газ за страничен и ненужен продукт в процеса на търсене на нефтени находища...

Специалистите смятат, че скоро това разточителство ще бъде спряно. В продължение на дълги години природният газ бе смятан за излишен продукт и се изгаряше или просто се изпускаше в атмосферата. Смята се, че досега само Саудитска Арабия е изхвърлила или изгорила над 450 милиона кубически метра природен газ при добива на нефт...

В същото време тече и обратен процес – повечето модерни петролни компании отдавна не прахосват природния газ, осъзнавайки ценността на този продукт и неговото значение, което в бъдеще може само да нараства. Подобен поглед върху нещата е особено характерен за САЩ, където за разлика от вече изчерпващите се нефтени залежи все още има големи находища на газ. Последното обстоятелство автоматично рефлектира и върху инфраструктурата на производството в огромната страна, чието функциониране би било немислимо без автомобилите и особено без големите товарни возила и автобуси. Все повече стават транспортните компании отвъд океана, които преоборудват дизеловите двигатели на товарните си флотилии за работа както с комбинирани системи газ –дизел така и само със синьото гориво. Все повече стават и морските съдове, преминаващи на  захранване с природен газ. 

На фона на цените на течните горива цената на метана звучи фантастично и мнозина започват да се съмняват, че в това има някова уловка – при това не без основание. Имайки предвид, че енергийното съдържание на килограм метан е по-високо от това на килограм бензин, а един литър (т.е. един кубически дециметър) бензин тежи по-малко от килограм, всеки може да достигне до извода, че килограм метан съдържа доста повече енергия от литър бензин. Ясно е, че и без тази привидна бъркотия от цифри и неясни неравенства, експлоатацията на автомобил, завижван с природен газ или метан, ще ви струва много по-малко средства, отколкото  експлоатацията на такъв, използващ бензин.

Само че тук идва на сцената излиза класическото голямо “НО”... Защо след като „далаверата” е толкова голяма, почти никой у нас не използва природен газ в качеството на автомобилно гориво, а возилата, пригодени за неговата употреба в България са по-рядко явление от кенгуру в родопска борова гора? Отговор на този напълно нормален въпрос не дава и отчитането на факта, че газовата промишленост в световен мащаб се развива с бясно темпо и в момента се счита за най-сигурната алтернатива на течните нефтени горива. Технологиите за задвижване на двигатели с водород  все още имат неясни проекции в бъдещето, контролът на процесите в цилиндрите на „водородните” мотори е изключително труден, а въпросът по какъв икономически ефективен метод ще се добива чистия водород още няма ясен отговор. На този фон бъдещето на метана е меко казано бляскаво – още повече като се има предвид, че има огромни находища на природен газ в сигурни от политическа гледна точка страни, че новите технологии (споменатите в предишния брой  криогенно втечняване и химическо превръщане на природния газ в течности) стават все по-евтини, а едновременно с това цената на класическите въглеводордни продукти расте. Да не говорим, че именно метанът има най-големи шансове да се превърне и в основен източник за получаване на водород за бъдещите горивни клетки.

Истинската причина за досегашното загърбване на въглеводородните газове в качеството им на автомобилно гориво са ниските цени на петрола в продължение на десетилетия, благоприятствали развитието на автомобилните технологии и съпътстващата автомобилния транспорт инфраструктура в посока на осигуряването на захранаване на моторите с бензин и дизел. На фона на тази обща тенденция опитите за използване на газообразните горива са по-скоро спорадични и незначителни.

Още след края на Втората световна война недостигът на течни горива в Германия води до появата на оборудвани с най-елементарни системи за използване на природен газ автомобили, които макар и доста по-примитивни, принципно не се различават много от използваните от днешните български таксита системи от газобалонни резервоари и редуктори. Газовото гориво придобива известна по-съществена значимост и по време на двете петролни кризи през 1973 и 1979-80 година, но и тогава можем да говорим само за кратки проблясъци, останали почти незабелязани и неуспели да доведат до съществено развитие в тази област. В продължение на повече от две десетилетия след този последен острокризисен период цените на течните горива се поддържат на постоянно ниски равнища, достигайки в през 1986 и през 1998 година до абсурдно ниската цена от 10 американски долара за барел. Ясно е, че подобна конюнктура не може да се отрази стимулиращо на алтернативните газови горива...

В началото на XXI век пазарната ситуация плавно, но сигурно поема в друга посока. След  атентатите на 11 септември 2001 година започна да се наблюдава постепенна, но трайна тенденция към повишаване цените на петрола, продължили да растата в резултат от увеличеното потребеление на Китай и Индия и все по-трудното откриване на новинаходища.  Автомобилните компании обаче се задвижват доста по-тромаво в посока масовото серийно производство на автомобили, пригодени за движение с газообразни горива. Причините за тази тромавост могат да се търсят както в инертността в мисленето на повечето потребители, свикнали с традиционните течни горива (за европейците например дизелът продължава да бъде най-реалната алтернатива на бензина) така и в необходимостта от огромни инвестиции в изграждането на инфраструктура от газопроводи и компресорни станции. Когато към това се добавят усложнените и скъпи системи за съхраняване на горивата (и най-вече на сгъстения природен газ) в самите автомобили, голямата картина започва да се изяснява.  

От друга страна системите за задвижване на двигатели с газообразни горива стават все по-разнообразни и следват технологиите на бензиновите си събратя. Хранителните уредби за газ вече използват същите сложни електронни компоненти за впръскване на горивото в течна (все още рядко) или газообразна фаза. Все по-често се появяват и модели серийни автомобили, фабрично пригодени за моновалентно газово захранване или с възможност за двойно захранване газ/бензин. Все по-често се осъзнава и едно друго предимство на газовите горива - благодарение на химическта им структура газовете се окисляват по-пълно и нивото на вредните емисии в отработилите газове на използващите ги автомобили е значително по-ниско.

Ново начало

За да бъде осъществен пазарен пробив обаче, ще бъде необходимо прилагането на целеви и директни финансови стимули за крайните потребители на природен газ в качеството на автомобилно гориво. В желанието си да привлекат клиенти продавачите на метан в Германия вече осигуряват на клиентите закупили автомобили работещи на газ специални бонуси, чиито характер понякога звучи просто невероятно - едно хамбургско предприятие за дистрибуция на природен газ например възстановява разходите за зареждане с газ на физически лица, закупили автомобили от определени търговци за период от една година. Единственото условие за потребителя е да залепи рекламен стикер на спонсора върху автомобила си...

Причината, поради която природният газ в Германия и България  (и в двете държави огромната част от синьото гориво идва по тръбопровод от Русия) е толкова по-евтин от другите горива, трябва да се търси в ред законови предпоставки. Пазарната цена на газа е логично свързана с цената на нефта - при поскъпване на суровия петрол расте и цената на синьото гориво, но разликата в цените на бензина и газа за крайния потребител произтича най-вече от по-ниското данъчно облагане на природния газ. В Германия например цената на газа е законодателно фиксирана чак до 2020 г., като схемата на тази „фиксация” е следната - през споменатия период цената на природния газ може да се покачва заедно с тази на нефта, но пропорционалното й предимство пред останалите енергоизточници трябва да се поддържа на постоянно равнище. Ясно е, че при подобна регулирана законова база, ниски цени и липса на каквито и да било проблеми при коструирането на “газови двигатели”, единственият проблем за  разрастване на този пазар остава именно слаборазвитата мрежа от газостанции – огромна Германия например разполага с едва  300 такива пункта, а в България те са много по-малко.

Изгледите за скорошно отстраняване на този инфраструктурен дефицит в момента изглеждат отлично – в Германия сдружението между Erdgasmobil и френския петролен гигант TotalFinaElf  възнамерява да инвестира огромни средства в построяването на няколко хиляди нови газостанции, а в България с подобна задача се заели няколко фирма. Възможно е в скоро време цяла Европа да се радва на също толкова добре развита мрежа от газостанции за природен и втечнен петролен газ, с каквато разполагат потребителите в Италия и Холандия – страни, за чието развитие в тази област ви разказахме в предишния брой.

Honda Civic GX

На изложението във Франкфурт през 1997 година Honda представи модела Civic GX с твърдението, че това е най-екологичният автомобил на света. Оказа се, че амбициозното заявление на японците не е поредният маркетингов трик, а чистата истина, която си остава валидна и до днес и може да се види на практика при последното издание на Civic GX. Автомобилът е предназаначен за захранване само с природен газ, а двигателят е специално конструиран с цял използване на предимствата, произтичащи от виското октаново число на газообразното гориво. Не е чудно, че автомобилите от този тип още днес са в състояние да предложат нива на емисиите в изгорелите газове, по-ниски от изискваните в бъдещата европейска еконорма Euro 5 или с 90% по-ниски от американската ULEV (Ultra Low Emission Vehicles). Двигателят на Honda работи изключително меко, а високата степен на сгъстяване от 12,5:1 компенсира по-ниската обемна енергийна стойност на природния газ в сравнение с бензина. 120-литровият резервоар е изработен от композитен материал, а еквивалента на разхода на бензин е 6,9 литра. Известната система за променливо газоразпределине на Honda VTEC се сработва идеално със специфичните свойства на горивото и подобрява допълнително пълненето на двигателя. Поради по-ниската скорост на горене на природния газ и факта, че горивото е „сухо” и без мазилни свойства, леглата на клапаните са изработени от специални по-издръжливи на термично натоварване сплави. Буталата също са  изработени от по-издържливи материали, тъй като газът няма свойството да охлажда цилиндрите при изпарениe както бензина.

Природния газ се впръсква в колекторните тръби на Honda GX в газова фаза, чийто обем е 770 пъти по-голям от този на еквивалентното количество бензин. Най-голямата технологична трудност за инженерите от Honda е било създаването на подходящи дюзи за работа в подобни условия и предпоставки - за да бъде достигната оптималната мощност, дюзите трябва да се справят с нелеката задача да осигурят необходимото количество газ за същото време, за което по принцип се впръсква течният бензин. Това е проблем за всички двигатели от този тип, тъй като газът заема значително по-голям обем и измества част от въздуха и налага впръскването да става директно в горивните камери.

През същата 1997 година Fiat също демострираха подобен на Honda GX модел. „Бивалентната” версия на Marea и може да използва два вида горива - бензин и природен газ, а впръркването на газа се осъществява от втора, напълно независима горивна уредба. Двигателят винаги се стартира с използване на течното гориво, а след това автоматично премина на газ. 1,6-литровият мотор разполага с мощност 93 к. с. при работа на газово гориво и 103 к. с. при използване на бензин. По принцип двигателят работи предимно с газ, освен в случаите когато последният привършва или водачът прояви изрично желание да използва бензин. За съжаление „двойнствената природа” на бивалентното захранването не позволява изцяло използването на предимствата на високото октаново число на природния газ. В момента Fiat произвежда версия на Mulipla с такъв вид захранване.

С течение на времето подобни модели се появиха в гамите на Opel (Astra и Zafira Bi Fuel във версии както с LPG, така и със CNG), на PSA (Peugeot 406 LPG и Citroen Xantia LPG), и на VW (Golf Bifuel). За класици в тази област се считат Volvo, които произвеждат варианти на S60, V70 и S80, способни да се движат както с природен газ и биогаз, така и с втеченен петролен газ LPG. Всички тези автомобили са оборудвани със системи за  впръскване на газа посредством специални инжектори, с електроннно управление на процесите и съобразени със изискванията на горивото механични компоненти като клапани и бутала. Горивните резервоари за сгъстен природен газ издържат налягане от 700 бара макар самият газ в тях да се съхранява с налягане от не повече от 200 бара.

BMW

 


BMW са известни радетели на екологичните горива и от години разработват различни системи за задвижване на автомобили с алтернативни източници. Още в началото на 90-те баварската фирма създаде серийните модели 316g и 518g, използващи за гориво природен газ. В последните си разработки компанията реши да експериментира с кардинално нови технологии и съвместно с германския концерн за хладилни агрегати Linde, нефтенета компания Aral и енергийната фирма E.ON Energy разработи проект за използуването на втечнени газове. Проектът се развива в две направления – първото се занимава с разработки за захранване с втечнен водород, а второто е концентрирано върху използването на втечнен природен газ. Използването на втечнен водород все още се счита за перспективна технология, за която ще ви разкажем по-нататък, но системата за съхранение и използване на втеченен природен газ е съвсем реална и може да бъде приложена на практика в автомобилната индустрия в следващите няколко години.

При нея природният газ се охлажда до температура от -161 градуса и сгъстява под налягане от 6-10 бара, при което преминава в течна фаза. Резервоарът е много по-компактен и лек в сравнение с резервоарите за сгъстен газ и на практика представлява криогенен термос, изработен от суперизолиращи материали. Благодарение на модерните технологии на Linde, въпреки съвсем тънките и леки стени на резервора, течният метан може да се съхранява в това си състояние без проблеми в продължение на две седмици дори и при горещо време и без необходимост от хладилна инсталация. Първата LNG-зарядна станция, в чиито строеж са вложени 400 хиляди евро вече работи в Мюнхен.

Горивни процеси при двигателите, използващи газообразни горива

Както вече сме споменавали, природният газ съдържа основно метан, а втеченият петролен газ -пропан и бутан в пропорции, зависещи от сезона. С увеличаване на молекулното тегло  детонационната стабилост на парафиновите (с права връзка ) въглеводородни съединения, каквито са метанът, етанът и пропанът се намалява, молекулите се разкъсват по-лесно и натрупват повече прекиси. Затова в дизеловите двигатели се използува дизелово гориво, а не бензин, защото първото  има по-ниска температура на съмовъзпламеняване.

Метанът има най-високото съотношение водород/въглерод от всички въглеводороди, което на практика означава, че при едно и също тегло метанът има най-висока енергийна стойност сред въглеводородите. Обяснението на този факт е сложно и изисква определени познания по химия и енергия на връзките затова няма да ви занимаваме с него. Достатъчно е да приемем за даденост факта, че стабилната метанова молекула му осигурява октаново число от около 130.

Поради тази причина скоростта на горене на метана е доста по-ниска от тази на бензините, малките молекули позволяват метанът да изгаря по-пълно, а газобразното му състояние води до намалено отмиване на маслото от стените на цилиндрите при студен мотор в сравнение с бензиновите смеси. Пропанът на свой ред има октаново число от 112, което все още е по-високо от това на повечето бензини. Бедните пропаново-въздушни смеси горят с по-ниска температура от бензиновите смеси, но богатите могат да доведат до термично претоварване на двигателя, тъй като пропанът няма и охлаждащите свойства на бензина, поради навлизането му в цилиндрите в газообразна форма.

Този проблем вече е разрешен с използването на системи с директно впръскване на течен пропан. Тъй като пропанът се втечнява лесно, изграждането на системата за съхранението му в автомобила не представлява трудност, а затоплянето на всмукателните колектори просто не необходимо, тъй пропанът не кондензира както бензина. Това обстоятелство на свой ред подобрява термодинамичната ефективност на двигателя, при който спокойно могат да се използват термостати, поддържащи по–ниска температура на охлаждащата течност. Като съществен недостатък на газообразните горива остава единствено фактът, че както метанът, така и пропанът нямат никакъв смазващ ефект върху изпускателните клапани и затова специалстите казват, че това са “сухи горива”, които се отнасят благосклонно към буталните пръстени, но вредят на клапаните. На газовете не може да се разчита и за пренасянето на повечето присадки към цилиндрите на двигателите, но работещите с такива горива мотори не се нуждаят от толкова много добавки, колкото бензиновите. Качественото регулиране на сместа е много важен фактор  при газовите двигатели, тъй като богатите смеси водят до повишаване на температурта на изгорелите газове и претоварват клапаните, а бедните смеси създават проблем поради намаляването на и без това ниската скорост на горене, което отново е предпоставка за термично претоварване на клапаните. Степента на сгъстяване при двигателите, работещи с пропан, спокойно може да се увелечи с две до три едници, а при тези, използващи метан - още повече. Увеличеното вследствие на това количество на азотните окиси се компенсира от по–ниските нива на вредните емисии като цяло. Оптималната  смес на пропана е малко “по- бедна” - 15,5:1 (въздух към гориво ) срещу 14,7:1 при бензина и това се отчита при проектирането на изпарителите, дозиращите устройства или системите за впръскване. Тъй като и пропана, и метана са газове, двигателите нямат нужда от обогатяване на смесите при студен старт или при ускорение.

Ъгълът на изпреварване на запалването се проектира по различна крива от тази на бензиновите двигатели - при ниски обороти изпреварването на запалването трябва да е по-голямо заради по-бавното горене на метана и пропана, но при високи обороти нужда от по-голям аванс имат бензиновите смеси (скоростта на горенето на бензина намалява поради малкото време за предпламенни реации - т.е. образуване на прекиси). Затова електронните системи за управление на запалванто на газови мотори са със съвсем различен алгоритъм.

Метанът и пропанът повишават и изскванията към високото напрежение на електродите на свещите - „по-сухата” смес се “пробива” по-трудно от искрата, тъй като е по-слабо проводим елетролит. Затова и разстоянието между електродите на подходящите за такива двигатели свещи обикновено е различно, напрежението е по-високо, а като цяло въпросът със свещите е по-сложен и по-деликатен отколкото при бензиновите мотори. Най–съвършените газови мотори използват ламбда-сондата за оптимално дозиране на сместа в качествено отношение. Наличието на уредби за запалване по две отделни криви са особено важни за автомобилите, оборудвани с бивалентни системи (за работа с природен газ и с бензин), тъй като рядката мрежа от точки за зареждане с природен газ често ще налага принудителното използване на бензин.

Оптималната степен на сгъстяване за природния газ е около 16:1, а идеалната смес въздух-гориво - 16,5:1. Ако работещият с газ двигател не е специално пригоден запостигане на подобна висока компресия, то виското октаново число на природния газ не може да се използва максимално и двигателят ще прахоса около 15% от потенциалната си мощност. При употребата на природен газ въглеродния моноокис (CO) и въглеводородите (HC) в отработилите газове намаляват с цели 90%, а азотните окиси (NOx) с около 70% в сравнение с емисиите на класическите бензинови мотори. Интервалът за смяна на маслото при газовите двигатели обикновено се удвоява.

Газ-дизел

През последните няколко години стават все по-актуални двойните системи за захранване с гориво. Веднага бързам да уточня, че тук не става дума за „бивалентните” двигатели, работещи алтернативно с газ или бензин и разполагащи със запалителни свещи, а за специални дизел-газови системи, при които част от дизеловото гориво се заменя със природен газ, подаван от отделна хранителна уредба. За база на тази техника се използват стандартни дизелови двигатели.

Принципът на действие се основава на обстоятелството, че метанът има темепература на самовъзпламеняване над 600 градуса – т.е. по-висока от темепературата от около 400-500 градуса в края на цикъла сгъстяване на дизеловия двигател. Това на свой ред означава, че метано-въздушната смес не се възпламенява самостоятелно при сгъстяване в цилиндрите, а впръсканото дизелово гориво, възпламеняващо се при около 350 градуса се използва като своеобразна запалителна свещ. Системата би могла да работи и изцяло с метан, но в този случай ще е необходимо да се монтира електрическа система и запалителна свещ. Обикновено процентното съдържание на метан се увеличава с натоварването, на празен ход автомобилът се захранва с дизелово гориво, а при голям товар пропоцията метан/дизелово гориво достига до 9/1. Тези пропорции могат да се променят и съобразно предварителна програма.

Някои фирми произвеждат дизелови двигатели с т.нар. системи за захранване “micro pilot”, при които ролята на дизеловата уредба се ограничава до впръскването на малко количество гориво, необходимо само за възпламеняването на метана. Поради това тези двигатели не могат да работят автономно с дизел и обикновено се използват от индустриални машини, леки товарни автомобили, автобуси и кораби, при които скъпата конверсия е икономически оправдана - след амортизацията си тя води до значителни икономии на средства, експлоатационният живот на мотора се увеличава чувствително, а емисиите на вредни газове се намаляват осезаемо. “Мicro pilot”-машините могат да ползват както втечнен, така и компресиран природен газ.

Видове системи, прилагани при допълнително вграждане

Многообразието от системи за захранване на двигатели с газообразни горива става все по-голямо. Принципно видовете могат да бъдатразделени на няколко типа. При използване на пропан и метан това са системите със смесител и атмосферно налягане, системите с впръскване на газова фаза и системите с впръсване на течна фаза. В техническо отношение уредбите за впръскване на пропан-бутан могат да бъдат класифицирани на няколко поколения:

Първо поколение – Системи без електронен контрол при които газът се смесва в най-обикновен смесител. С такива обикновено се оборудват старите карбураторни мотори.

Второ поколение - Впръскване с една дюза, аналогова ламбда-сонда и трипътен катализатор.

Трето поколение - Впръскване с една или няколко дюзи (по една на цилиндър), с микропроцесорен контрол и наличие  както на самообучаваща се програма, така и на самодиагностична кодова таблица.

Четвърто поколение - Последователно (поцилиндрово) впръскване в зависимост от положението на буталото, с брой дюзи, равен на броя на цилиндрите и с обратна връзка посредством ламбда-сондата.

Пето поколение - Многоточково последователно впръскване с обратна връзка и комуникация с микропроцесора за управление на бензиновото впръскване.

При най-модерните системи “газовият” компютър използва изцяло данните на основния микропроцесор за управление на параметрите на бензиновия двигател – в това число и времето за впръскване. „Превеждането” на данните и управлението също е свързано напълно с основната бензинова програма, като по този начин се избягва необходимостта от създаване на цели триизмерни карти за впръскване на газ за всеки модел автомобил - “умното” устройство просто чете програмите от “бензиновия” процесор и ги адаптира към впръскването на газ.

Коментари
comments powered by Disqus