試駕替代方案：第 2 部分 - 汽車

如果你有機會在夜間飛越西西伯利亞，透過窗戶你會看到奇特的景象，讓人想起第一次伊拉克戰爭期間薩達姆軍隊撤出後的科威特沙漠。 景觀中點綴著巨大燃燒的“火把”，這清楚地表明許多俄羅斯石油生產商仍然將天然氣視為尋找油田過程中的副產品和不必要的產品...

專家相信這種浪費現象將在不久的將來被制止。 多年來，天然氣被認為是一種廢物，被燃燒或簡單地釋放到大氣中。 據估計，迄今為止，僅沙烏地阿拉伯就在石油生產過程中傾倒或燃燒了超過450億立方米的天然氣…

與此同時，這個過程是相反的——大多數現代石油公司長期以來一直在消耗天然氣，意識到這種產品的價值及其重要性，這在未來只會增加。 這種觀點在美國尤為突出，與已經枯竭的石油儲量相比，美國仍有大量天然氣儲量。 後一種情況自然而然地反映在一個大國的工業基礎設施中，沒有汽車就無法想像其工作，沒有大型卡車和公共汽車更是如此。 國外越來越多的運輸公司正在升級其卡車車隊的柴油發動機，以同時使用燃氣-柴油組合系統和僅使用藍色燃料。 越來越多的船舶正在改用天然氣。

在液體燃料價格上漲的背景下，甲烷的價格聽起來很不錯，許多人開始懷疑這裡是否存在陷阱——而且有充分的理由。 考慮到一公斤甲烷的能量含量高於一公斤汽油，而一升（即一立方分米）汽油的重量不到一公斤，任何人都可以得出結論，一公斤甲烷所含的能量要多得多比一升汽油更節能。 很明顯，即使沒有這些明顯的數字混亂和模糊的差異，駕駛使用天然氣或甲烷的汽車所花費的錢也比使用汽油的汽車少得多。

但這是經典的大“BUT”……為什麼，既然“騙局”如此之大，我們國家幾乎沒有人使用天然氣作為汽車燃料，在保加利亞使用天然氣的汽車就更少了。 從袋鼠到松樹羅多彼山的現象？ 這個完全正常的問題的答案不是因為世界各地的天然氣工業正在以瘋狂的速度發展並且目前被認為是液體石油燃料最安全的替代品。 氫發動機技術前途未卜，氫發動機缸內管理極其困難，提取純氫的經濟方法尚不清楚。 在這種背景下，甲烷的未來，說得客氣一點，是光明的——特別是因為在政治安全的國家有大量的天然氣儲量，新技術（在上一期天然氣低溫液化和化學轉化為液體）變得越來越便宜，而傳統的碳氫化合物產品的價格卻在上漲。 更不用說甲烷很有可能成為未來燃料電池的主要氫氣來源。

放棄碳氫化合物作為車輛燃料的真正原因仍然是幾十年來的低油價，這促進了汽車技術和相關道路運輸基礎設施的發展，為汽油和柴油引擎提供能源。 在這一總體趨勢的背景下，使用氣體燃料的嘗試相當零星且微不足道。

即使在第二次世界大戰結束後，德國的液體燃料短缺導致了配備非常基本的天然氣系統的車輛的發展，這些系統雖然更加原始，但與當今保加利亞出租車使用的系統沒有太大區別。 來自氣瓶和減速器。 在 1973 年和 1979-80 年的兩次石油危機期間，天然氣燃料變得更加重要，但即便如此，我們也只能談論幾乎未被注意到的短暫爆發，並且沒有導致該領域的重大發展。 自這場最近的嚴重危機以來的二十多年來，液體燃料價格一直居高不下，在 1986 年和 1998 年達到每桶 10 美元的低得離譜。 顯然，這種情況無法對替代類型的氣體燃料產生刺激作用...

11世紀初，市場情勢逐漸但確實朝著不同的方向發展。 2001年XNUMX月恐怖攻擊事件後，石油價格出現了逐步但穩定的上漲趨勢，由於中國和印度的消費增加以及尋找新油田的困難，石油價格持續上漲。 然而，汽車公司在大規模生產採用氣體燃料的汽車方面卻顯得笨拙得多。 造成這種麻煩的原因既在於大多數習慣於傳統液體燃料的消費者的思維慣性（例如，對於歐洲人來說，柴油仍然是汽油最現實的替代品），也在於需要巨額投資管道基礎設施。 和壓縮機站。 當您在汽車本身中添加複雜且昂貴的燃料儲存系統（尤其是壓縮天然氣）時，整體情況開始變得更加清晰。

另一方面，氣體燃料發電廠正變得更加多樣化，並遵循其汽油同行的技術。 氣體供給器已經使用相同的精密電子元件將燃料注入液相（仍然很少見）或氣相。 也有越來越多的量產車型出廠設置為單價供氣或具有雙氣/汽油供應的可能性。 越來越多的人意識到氣體燃料的另一個優勢 - 由於其化學結構，氣體被更充分地氧化，並且使用它們的汽車廢氣中有害排放物的水平要低得多。

一個新的開始

然而，市場的突破需要對天然氣作為汽車燃料的最終用戶進行有針對性和直接的財政激勵。 為了吸引客戶，德國的甲烷銷售商已經為天然氣汽車的購買者提供特別獎金，其性質有時看起來簡直令人難以置信——例如，漢堡天然氣分銷公司為購買天然氣的個人報銷。 某些經銷商的汽車，為期一年。 用戶的唯一條件是將贊助商的廣告貼紙貼在他們的車上......

德國和保加利亞的天然氣（在這兩個國家，絕大多數天然氣都通過管道從俄羅斯運來）比其他燃料便宜得多的原因，應該在一些法律前提下尋求。 天然氣的市場價格在邏輯上與石油價格掛鉤：隨著石油價格上漲，天然氣價格也會上漲，但最終消費者的汽油和天然氣價格差異主要是由於天然氣稅收較低氣體。 以德國為例，天然氣價格在 2020 年之前是合法固定的，而這種“固定”的方案是：在此期間，天然氣價格可以隨著石油價格上漲，但其比例優勢必須保持在恆定水平。 很明顯，在這樣一個規範的法律框架下，低價格和“燃氣發動機”的建設沒有任何問題，這個市場增長的唯一問題仍然是不發達的加油站網絡 - 在巨大的德國，對於例如，只有 300 個這樣的點，而在保加利亞則有很多。

填補這一基礎設施赤字的前景目前看起來不錯——在德國，Erdgasmobil 和法國石油巨頭 TotalFinaElf 的聯合體打算大力投資建設數千個新加油站，而在保加利亞，幾家公司已經採取了類似的行動任務。 有可能很快整個歐洲將使用與意大利和荷蘭消費者相同的發達的天然氣和液化石油氣加氣站網絡——我們在上一期中向您介紹了這些國家在該領域的發展。

本田思域 GX

在 1997 年的法蘭克福車展上，本田推出了 Civic GX，聲稱它是世界上最環保的汽車。 事實證明，日本人雄心勃勃的聲明不僅僅是另一種營銷策略，而是純粹的事實，直到今天仍然具有現實意義，並且可以在最新版本的思域 GX 中看到。 該車設計為僅使用天然氣，發動機設計為充分利用氣體燃料的高辛烷值。 毫不奇怪，今天這種類型的車輛可以提供低於未來歐 5 歐洲經濟體要求的廢氣排放水平，或比美國 ULEV（超低排放車輛）低 90%。 . 本田發動機運行極其平穩，12,5:1 的高壓縮比彌補了天然氣與汽油相比較低的體積能量值。 120升油箱由複合材料製成，等效耗氣量為6,9升。 本田著名的 VTEC 可變氣門正時系統與燃油的特殊性能相得益彰，進一步提高了發動機充氣量。 由於天然氣的燃燒率較低，而且燃料是“幹的”，不具有潤滑性能，因此閥座採用特殊的耐熱合金製成。 活塞也由更堅固的材料製成，因為氣體在像汽油一樣蒸發時無法冷卻氣缸。

氣相中的本田GX軟管注入的是天然氣，比等量的汽油大770倍。 本田工程師面臨的最大技術挑戰是創造合適的噴油器以在這樣的條件和先決條件下工作——為了獲得最佳功率，噴油器必須應對同時提供所需氣體量的艱鉅任務，為此，原則上，注入液體汽油。 對於所有此類發動機來說，這是一個問題，因為氣體佔據了更大的體積，取代了一些空氣，並且需要直接噴射到燃燒室中。

同在1997年，菲亞特也展示了類似的本田GX車型。 Marea 的“二價”版本可以使用兩種類型的燃料——汽油和天然氣，氣體由第二個完全獨立的燃料系統泵送。 發動機始終使用液體燃料啟動，然後自動切換到氣體。 1,6升發動機的功率為93馬力。 使用氣體燃料和 103 馬力。 和。 使用汽油時。 原則上，發動機主要依靠汽油運行，除非汽油耗盡或駕駛員明確希望使用汽油。 不幸的是，二價能源的“雙重性質”不允許充分利用高辛烷值天然氣的優勢。 菲亞特目前正在生產帶有這種 PSU 的 Mulipla 版本。

隨著時間的推移，類似的車型出現在歐寶（Astra 和 Zafira Bi Fuel 用於液化石油氣和壓縮天然氣版本）、PSA（標緻 406 LPG 和雪鐵龍 Xantia LPG）和大眾（高爾夫雙燃料）系列中。 該領域的經典品牌是沃爾沃，該公司生產 S60、V70 和 S80 型號，能夠使用天然氣、沼氣和液化石油氣。 所有這些車輛都配備了使用特殊噴油嘴的氣體噴射系統、電子控制的製程以及閥門和活塞等與燃料相容的機械部件。 壓縮天然氣燃料罐可承受 700 巴的壓力，但儲存在其中的氣體本身的壓力不超過 200 巴。

寶馬

BMW 是眾所周知的可持續燃料倡導者，多年來一直在為使用替代能源的車輛開發各種動力總成。 早在 90 年代初，這家巴伐利亞公司就創造了 316 克和 518 克系列的模型，它們使用天然氣作為燃料。 在其最新發展中，該公司決定試驗全新的技術，並與德國製冷集團林德、Aral 石油公司和能源公司 E.ON Energy 一起開發了一個使用液化氣的項目。 該項目正向兩個方向發展：一是發展液化氫供應，二是利用液化天然氣。 液化氫的使用仍然被認為是一項有前途的技術，我們稍後會談到，但是液化天然氣的儲存和使用系統是非常真實的，並且可以在未來幾年內在汽車行業中付諸實踐。

在這種情況下，天然氣被冷卻至-161度的溫度並在6-10巴的壓力下冷凝，並進入液相。 與壓縮氣瓶相比，此儲罐更緊湊、更輕，實際上是由超絕緣材料製成的低溫保溫瓶。 由於現代林德技術，儘管罐壁非常薄且輕，液態甲烷仍可以在這種狀態下儲存兩週而不會出現問題，即使在炎熱的天氣下也無需冷藏。 耗資400萬歐元建造的第一座液化天然氣加氣站已在慕尼黑投入營運。

氣體燃料引擎的燃燒過程

如前所述，天然氣主要包含甲烷和液化石油氣 - 丙烷和丁烷，其比例取決於季節。 隨著分子量的增加，甲烷、乙烷和丙烷等鏈烷烴（直鏈）碳氫化合物的抗爆震性降低，分子更容易分裂，並積累更多的過氧化物。 因此，柴油發動機使用柴油而不是汽油，因為在前一種情況下自燃溫度較低。

甲烷在所有碳氫化合物中具有最高的氫/碳比，這實際上意味著對於相同的重量，甲烷具有所有碳氫化合物中最高的能量值。 解釋這個事實很複雜，需要一些化學和關係能量的知識，所以我們不會深究。 可以這麼說，穩定的甲烷分子提供的辛烷值約為 130。

因此，甲烷的燃燒速度比汽油慢得多，小分子使甲烷燃燒更完全，與汽油混合物相比，其氣態導致冷引擎中氣缸壁上的油沖刷更少。 。 另一方面，丙烷的辛烷值為 112，仍高於大多數汽油。 劣質丙烷-空氣混合物的燃燒溫度低於汽油，但濃丙烷-空氣混合物會導致引擎熱過載，因為丙烷以氣態形式進入氣缸，因此不具備汽油的冷卻性能。

使用直接注入液態丙烷的系統已經解決了這個問題。 因為丙烷很容易液化，所以很容易建立一個系統來將其儲存在汽車中，而且不需要加熱進氣歧管，因為丙烷不會像汽油那樣凝結。 這反過來又提高了發動機的熱力學效率，可以安全地使用保持較低冷卻液溫度的恆溫器。 氣體燃料唯一顯著的缺點是甲烷和丙烷對排氣門都沒有潤滑作用，因此專家稱它是一種“幹燃料”，對活塞環有利，對閥門不利。 您不能依靠氣體將大部分添加劑輸送到發動機的氣缸，但是使用這些燃料運行的發動機不需要像汽油發動機那樣多的添加劑。 混合氣控制在燃氣發動機中是一個非常重要的因素，因為濃混合氣會導致更高的排氣溫度和閥門過載，而不良混合氣會降低已經很低的燃燒率，從而產生問題，這也是熱氣門過載的先決條件。 丙烷發動機的壓縮比可以輕鬆增加兩個或三個單位，而甲烷 - 甚至更多。 由此產生的氮氧化物的增加被總體排放量的減少所抵消。 最佳丙烷混合物略微“差”——15,5:1（空氣與燃料），而汽油為 14,7:1，在設計蒸發器、計量裝置或噴射系統時會考慮到這一點。 因為丙烷和甲烷都是氣體，所以發動機在冷啟動或加速期間不需要加濃混合氣。

點火超車角是根據與汽油發動機不同的曲線計算的 - 在低轉速下，由於甲烷和丙烷的燃燒較慢，點火超車應該更高，但在高速下，汽油發動機需要更多的增加。 混合物（由於預燃反應時間短 - 即過氧化物的形成，汽油的燃燒率降低）。 這就是為什麼燃氣發動機的電子點火控制系統具有完全不同的算法。

甲烷和丙烷也增加了對高壓火花塞電極的要求——“較乾燥”的混合物比火花“更難”刺穿，因為它是一種導電性較差的電解質。 因此，適用於此類發動機的火花塞電極間距通常不同，電壓較高，一般來說火花塞的問題要比汽油機複雜和微妙。 Lambda 探頭用於最現代的燃氣發動機，以在質量方面實現最佳混合劑量。 在兩條單獨的曲線上安裝點火系統對於配備二價系統（用於天然氣和汽油）的車輛尤為重要，因為天然氣加註點網絡稀疏通常需要強制使用汽油。

天然氣的最佳壓縮比約為16：1，理想的空燃比為16,5：1，將損失約15%的潛在動力。 使用天然氣時，與傳統汽油發動機排放相比，廢氣中的一氧化碳 (CO) 和碳氫化合物 (HC) 減少了 90%，氮氧化物 (NOx) 減少了約 70%。 燃氣發動機的換油間隔通常加倍。

汽柴油

雙燃料輸送系統在過去幾年中變得越來越流行。 我必須指出，我們不是在談論交替使用天然氣或汽油運行並具有火星塞的“二價”發動機，而是在談論特殊的柴油-燃氣系統，其中部分柴油燃料被單獨的電力系統提供的天然氣取代。 該技術基於標準柴油引擎。

操作原理基於甲烷的自燃溫度高於 600 度 - 即在柴油發動機壓縮循環結束時溫度高於大約 400-500 度。 反過來，這意味著甲烷-空氣混合物在氣缸中壓縮時不會自行點燃，噴射的柴油燃料在大約 350 度點燃，用作一種火花塞。 該系統可以完全依靠甲烷運行，但在這種情況下，需要安裝電氣系統和火花塞。 通常情況下，甲烷的百分比會隨著負載增加而增加，怠速時汽車使用柴油運行，而在高負載時甲烷/柴油比率達到 9/1。 這些比例也可以根據初步方案進行改變。

一些公司生產所謂的柴油發動機。 “Micropilot”動力系統，其中柴油系統的作用僅限於噴射點燃甲烷所需的少量燃料。 因此，這些發動機不能依靠柴油自主運行，通常用於工業車輛、汽車、公共汽車和輪船，在這些車輛中，昂貴的重新設備在經濟上是合理的——在磨損後，這會顯著節省發動機壽命。 顯著增加，有害氣體排放量顯著減少。 Micropilot 機器可以使用液化和壓縮天然氣運行。

用於附加安裝的系統類型

氣體燃料供氣系統的種類不斷增加。 原則上，物種可以分為幾種類型。 當使用丙烷和甲烷時，這些是混合和常壓系統、氣相注入系統和液相注入系統。 從技術角度來看，丙丁烷噴射系統可分為幾個世代：

第一代是沒有電子控制的系統，其中氣體在一個簡單的混合器中混合。 這些通常配備舊化油器發動機。

第二代是單噴嘴噴射、模擬 lambda 探頭和三元催化劑。

第三代是帶有一個或多個噴嘴（每個氣缸一個）的噴射器，採用微處理器控制，並具有自學習程序和自診斷代碼表。

第四代是根據活塞位置的順序（圓柱形）噴射，噴嘴數量等於氣缸數量，並通過 lambda 探頭進行反饋。

第五代 - 帶反饋的多點順序噴射，並與微處理器通信以控制汽油噴射。

在最現代的系統中，“氣體”計算機充分利用來自主微處理器的數據來控制汽油發動機的參數，包括噴射時間。 數據傳輸和控制也完全連接到主要的汽油程序，這避免了為每個車型創建完整的 XNUMXD 氣體噴射圖的需要——智能設備只需從汽油處理器讀取程序。 並使它們適應注氣。