试驾替代方案：第 2 部分 - 汽车

如果您有机会在夜间飞过西伯利亚西部，可以透过窗户看到怪异的景象，让人回想起伊拉克第一次战争中萨达姆部队撤出后的科威特沙漠。 景观上到处都是巨大的燃烧的“火把”，这生动地证明了许多俄罗斯石油生产商在寻找油田时仍将天然气视为副产品和不必要的产品...

专家认为，这种浪费将在不久的将来得到遏制。 多年以来，天然气一直被认为是一种过剩产品，被燃烧或仅仅释放到大气中。 据估计，到目前为止，仅沙特阿拉伯在石油生产期间就已倾倒或燃烧了450亿立方米以上的天然气...

与此同时，这个过程是相反的——大多数现代石油公司长期以来一直在消耗天然气，意识到这种产品的价值及其重要性，这在未来只会增加。 这种观点在美国尤为突出，与已经枯竭的石油储量相比，美国仍有大量天然气储量。 后一种情况自然而然地反映在一个大国的工业基础设施中，没有汽车就无法想象其工作，没有大型卡车和公共汽车更是如此。 国外越来越多的运输公司正在升级其卡车车队的柴油发动机，以同时使用燃气-柴油组合系统和仅使用蓝色燃料。 越来越多的船舶正在改用天然气。

在液体燃料价格上涨的背景下，甲烷的价格听起来很不错，许多人开始怀疑这里是否存在陷阱——而且有充分的理由。 考虑到一公斤甲烷的能量含量高于一公斤汽油，而一升（即一立方分米）汽油的重量不到一公斤，任何人都可以得出结论，一公斤甲烷所含的能量要多得多比一升汽油更节能。 很明显，即使没有这些明显的数字混乱和模糊的差异，驾驶使用天然气或甲烷的汽车所花费的钱也比使用汽油的汽车少得多。

但这是经典的大“BUT”……为什么，既然“骗局”如此之大，我们国家几乎没有人使用天然气作为汽车燃料，在保加利亚使用天然气的汽车就更少了。 从袋鼠到松树罗多彼山的现象？ 这个完全正常的问题的答案不是因为世界各地的天然气工业正在以疯狂的速度发展并且目前被认为是液体石油燃料最安全的替代品。 氢发动机技术前途未卜，氢发动机缸内管理极其困难，提取纯氢的经济方法尚不清楚。 在这种背景下，甲烷的未来，说得客气一点，是光明的——特别是因为在政治安全的国家有大量的天然气储量，新技术（在上一期天然气低温液化和化学转化为液体）变得越来越便宜，而传统的碳氢化合物产品的价格却在上涨。 更不用说甲烷很有可能成为未来燃料电池的主要氢气来源。

几十年来，放弃碳氢化合物气体作为车辆燃料的真正原因仍然是低油价，这推动了汽车技术和相关道路运输基础设施的发展，从而为汽油和柴油发动机提供了能源。 在这种大趋势的背景下，使用天然气燃料的尝试是零星的和微不足道的。

甚至在第二次世界大战结束后，德国液体燃料的短缺也导致了配备了最简单的天然气使用系统的汽车的出现，尽管这些系统更为原始，但与当今的保加利亚出租车所使用的系统几乎没有什么不同。 来自气瓶和减速器。 在1973年和1979-80年的两次石油危机中，气体燃料变得越来越重要，但即使到那时，我们也只能谈论几乎没有引起注意的短暂闪光，也没有导致该领域的重大发展。 自从最近一次严重危机以来的二十多年里，液体燃料价格一直保持低位，1986年和1998年达到每桶10美元的低位。 显然，这种情况不会对替代类型的气体燃料产生刺激作用。

在11世纪初，市场形势正在逐渐但必定会朝着不同的方向发展。 在2001年XNUMX月XNUMX恐怖袭击之后，由于中国和印度的消费量增加以及寻找新矿床的困难，石油价格呈逐渐但稳定的上升趋势。 然而，汽车公司在适于以气态燃料运行的汽车的批量生产方向上更加尴尬。 造成这种麻烦的原因既可以从习惯于传统液体燃料的大多数消费者的惯性中找到（例如，对于欧洲人来说，柴油仍然是汽油的最现实替代品），也需要在管道基础设施上进行大量投资。 和压缩机站。 将其添加到汽车本身中用于燃料（尤其是压缩天然气）的复杂且昂贵的存储系统后，全局便会消失。

另一方面，气体燃料发电厂正变得更加多样化，并遵循其汽油同行的技术。 气体供给器已经使用相同的精密电子元件将燃料注入液相（仍然很少见）或气相。 也有越来越多的量产车型出厂设置为单价供气或具有双气/汽油供应的可能性。 越来越多的人意识到气体燃料的另一个优势 - 由于其化学结构，气体被更充分地氧化，并且使用它们的汽车废气中有害排放物的水平要低得多。

新的开始

然而，市场的突破需要对天然气作为汽车燃料的最终用户进行有针对性和直接的财政激励。 为了吸引客户，德国的甲烷销售商已经为天然气汽车的购买者提供特别奖金，其性质有时看起来简直令人难以置信——例如，汉堡天然气分销公司为购买天然气的个人报销。 某些经销商的汽车，为期一年。 用户的唯一条件是将赞助商的广告贴纸贴在他们的车上......

德国和保加利亚的天然气（在这两个国家，绝大多数天然气都通过管道从俄罗斯运来）比其他燃料便宜得多的原因，应该在一些法律前提下寻求。 天然气的市场价格在逻辑上与石油价格挂钩：随着石油价格上涨，天然气价格也会上涨，但最终消费者的汽油和天然气价格差异主要是由于天然气税收较低气体。 以德国为例，天然气价格在 2020 年之前是合法固定的，而这种“固定”的方案是：在此期间，天然气价格可以随着石油价格上涨，但其比例优势必须保持在恒定水平。 很明显，在这样一个规范的法律框架下，低价格和“燃气发动机”的建设没有任何问题，这个市场增长的唯一问题仍然是不发达的加油站网络 - 在巨大的德国，对于例如，只有 300 个这样的点，而在保加利亚则有很多。

填补这一基础设施赤字的前景目前看起来很好——在德国，Erdgasmobil 和法国石油巨头 TotalFinaElf 的联合体打算大力投资建设数千个新加油站，而在保加利亚，几家公司已经采取了类似的行动任务。 有可能很快整个欧洲将使用与意大利和荷兰消费者相同的发达的天然气和液化石油气加油站网络——我们在上一期中向您介绍了这些国家在该领域的发展。

本田思域GX

在 1997 年的法兰克福车展上，本田推出了 Civic GX，声称它是世界上最环保的汽车。 事实证明，日本人雄心勃勃的声明不仅仅是另一种营销策略，而是纯粹的事实，直到今天仍然具有现实意义，并且可以在最新版本的思域 GX 中看到。 该车设计为仅使用天然气，发动机设计为充分利用气体燃料的高辛烷值。 毫不奇怪，今天这种类型的车辆可以提供低于未来欧 5 欧洲经济体要求的废气排放水平，或比美国 ULEV（超低排放车辆）低 90%。 . 本田发动机运行极其平稳，12,5:1 的高压缩比弥补了天然气与汽油相比较低的体积能量值。 120升油箱由复合材料制成，等效耗气量为6,9升。 本田著名的 VTEC 可变气门正时系统与燃油的特殊性能相得益彰，进一步提高了发动机充气量。 由于天然气的燃烧率较低，而且燃料是“干的”，不具有润滑性能，因此阀座采用特殊的耐热合金制成。 活塞也由更坚固的材料制成，因为气体在像汽油一样蒸发时无法冷却气缸。

气相中的本田GX软管注入的是天然气，比等量的汽油大770倍。 本田工程师面临的最大技术挑战是创造合适的喷油器以在这样的条件和先决条件下工作——为了获得最佳功率，喷油器必须应对同时提供所需气体量的艰巨任务，为此，原则上，注入液体汽油。 对于所有此类发动机来说，这是一个问题，因为气体占据了更大的体积，取代了一些空气，并且需要直接喷射到燃烧室中。

同在1997年，菲亚特也展示了类似的本田GX车型。 Marea 的“二价”版本可以使用两种类型的燃料——汽油和天然气，气体由第二个完全独立的燃料系统泵送。 发动机始终使用液体燃料启动，然后自动切换到气体。 1,6升发动机的功率为93马力。 使用气体燃料和 103 马力。 和。 使用汽油时。 原则上，发动机主要依靠汽油运行，除非汽油耗尽或驾驶员明确希望使用汽油。 不幸的是，二价能源的“双重性质”不允许充分利用高辛烷值天然气的优势。 菲亚特目前正在生产带有这种 PSU 的 Mulipla 版本。

随着时间的推移，类似的车型出现在欧宝（LPG 和 CNG 版本的 Astra 和 Zafira Bi Fuel）、PSA（标致 406 LPG 和雪铁龙 Xantia LPG）和大众（Golf Bifuel）的范围内。 沃尔沃被认为是该领域的经典之作，生产 S60、V70 和 S80 的变体，能够使用天然气以及沼气和液化石油气。 所有这些车辆都配备了使用特殊喷嘴的气体喷射系统、电子控制技术流程和与燃料兼容的机械部件，如阀门和活塞。 CNG 燃料箱可以承受 700 巴的压力，尽管气体本身储存在其中的压力不超过 200 巴。

宝马

BMW 是众所周知的可持续燃料倡导者，多年来一直在为使用替代能源的车辆开发各种动力总成。 早在 90 年代初，这家巴伐利亚公司就创造了 316 克和 518 克系列的模型，它们使用天然气作为燃料。 在其最新发展中，该公司决定试验全新的技术，并与德国制冷集团林德、Aral 石油公司和能源公司 E.ON Energy 一起开发了一个使用液化气的项目。 该项目正向两个方向发展：一是发展液化氢供应，二是利用液化天然气。 液化氢的使用仍然被认为是一项有前途的技术，我们稍后会谈到，但是液化天然气的储存和使用系统是非常真实的，并且可以在未来几年内在汽车行业中付诸实践。

同时，天然气在进入液相的同时被冷却至-161度，并在6-10 bar的压力下冷凝。 与压缩气瓶相比，该储罐更加紧凑，轻便，实际上是由超绝热材料制成的低温热水瓶。 由于采用了现代林德技术，尽管罐壁非常薄且很轻，但即使在炎热的天气下也无需冷藏，液态甲烷可以在这种状态下存储两周而不会出现问题。 第一个液化天然气加气站（已投资400万欧元）已在慕尼黑投入运营。

气体燃料发动机的燃烧过程

如前所述，天然气主要包含甲烷和液化石油气 - 丙烷和丁烷，其比例取决于季节。 随着分子量的增加，甲烷、乙烷和丙烷等链烷烃（直链）碳氢化合物的抗爆震性降低，分子更容易分裂，并积累更多的过氧化物。 因此，柴油发动机使用柴油而不是汽油，因为在前一种情况下自燃温度较低。

甲烷在所有碳氢化合物中具有最高的氢/碳比，这实际上意味着在相同的重量下，甲烷在碳氢化合物中具有最高的能量值。 对这一事实的解释很复杂，并且需要一些化学和关系能的知识，因此我们将不予处理。 可以说稳定的甲烷分子提供的辛烷值约为130。

因此，甲烷的燃烧速率比汽油低得多，小分子可使甲烷燃烧得更彻底，并且其气态导致与汽油混合物相比，冷发动机中的汽缸壁浸出的油更少。 ... 丙烷的辛烷值则为112，仍高于大多数汽油。 较差的丙烷-空气混合物在比汽油低的温度下燃烧，但较浓的丙烷-空气混合物会导致发动机热过载，因为丙烷由于以气态形式进入汽缸而不具有汽油的冷却性能。

使用直接注入液态丙烷的系统已经解决了这个问题。 因为丙烷很容易液化，所以很容易建立一个系统来将其储存在汽车中，而且不需要加热进气歧管，因为丙烷不会像汽油那样凝结。 这反过来又提高了发动机的热力学效率，可以安全地使用保持较低冷却液温度的恒温器。 气体燃料唯一显着的缺点是甲烷和丙烷对排气门都没有润滑作用，因此专家称它是一种“干燃料”，对活塞环有利，对阀门不利。 您不能依靠气体将大部分添加剂输送到发动机的气缸，但是使用这些燃料运行的发动机不需要像汽油发动机那样多的添加剂。 混合气控制在燃气发动机中是一个非常重要的因素，因为浓混合气会导致更高的排气温度和阀门过载，而不良混合气会降低已经很低的燃烧率，从而产生问题，这也是热气门过载的先决条件。 丙烷发动机的压缩比可以轻松增加两个或三个单位，而甲烷 - 甚至更多。 由此产生的氮氧化物的增加被总体排放量的减少所抵消。 最佳丙烷混合物略微“差”——15,5:1（空气与燃料），而汽油为 14,7:1，在设计蒸发器、计量装置或喷射系统时会考虑到这一点。 因为丙烷和甲烷都是气体，所以发动机在冷启动或加速期间不需要加浓混合气。

点火超车角是根据与汽油发动机不同的曲线计算的 - 在低转速下，由于甲烷和丙烷的燃烧较慢，点火超车应该更高，但在高速下，汽油发动机需要更多的增加。 混合物（由于预燃反应时间短 - 即过氧化物的形成，汽油的燃烧率降低）。 这就是为什么燃气发动机的电子点火控制系统具有完全不同的算法。

甲烷和丙烷还增加了对高压火花塞电极的要求——“较干燥”的混合物比火花“更难”刺穿，因为它是一种导电性较差的电解质。 因此，适用于此类发动机的火花塞电极间距通常不同，电压较高，一般来说火花塞的问题要比汽油机复杂和微妙。 Lambda 探头用于最现代的燃气发动机，以在质量方面实现最佳混合剂量。 在两条单独的曲线上安装点火系统对于配备二价系统（用于天然气和汽油）的车辆尤为重要，因为天然气加注点网络稀疏通常需要强制使用汽油。

天然气的最佳压缩比约为16：1，理想的空燃比为16,5：1，将损失约15%的潜在动力。 使用天然气时，与传统汽油发动机排放相比，废气中的一氧化碳 (CO) 和碳氢化合物 (HC) 减少了 90%，氮氧化物 (NOx) 减少了约 70%。 燃气发动机的换油间隔通常加倍。

气柴油

在过去的几年中，双燃料输送系统已经越来越流行。 我不得不指出，我们不是在谈论以汽油或汽油交替运行且具有火花塞的“二价”发动机，而是在谈论特殊的柴油系统，其中部分柴油被单独的动力系统提供的天然气代替。 该技术基于标准柴油发动机。

操作原理基于甲烷的自燃温度高于 600 度 - 即在柴油发动机压缩循环结束时温度高于大约 400-500 度。 反过来，这意味着甲烷-空气混合物在气缸中压缩时不会自行点燃，喷射的柴油燃料在大约 350 度点燃，用作一种火花塞。 该系统可以完全依靠甲烷运行，但在这种情况下，需要安装电气系统和火花塞。 通常，甲烷的百分比会随着负载增加而增加，怠速时汽车使用柴油运行，而在高负载时甲烷/柴油比率达到 9/1。 这些比例也可以根据初步方案进行改变。

一些公司生产所谓的柴油发动机。 “Micropilot”动力系统，其中柴油系统的作用仅限于喷射点燃甲烷所需的少量燃料。 因此，这些发动机不能依靠柴油自主运行，通常用于工业车辆、汽车、公共汽车和轮船，在这些车辆中，昂贵的重新设备在经济上是合理的——在磨损后，这会显着节省发动机寿命。 显着增加，有害气体排放量显着减少。 Micropilot 机器可以使用液化和压缩天然气运行。

用于附加安装的系统类型

用于气态燃料的气体供应系统的种类在不断增长。 原则上，物种可以分为几种类型。 当使用丙烷和甲烷时，它们是混合的大气压系统，气相注入系统和液相注入系统。 从技术角度来看，丙烷-丁烷注入系统可以分为几代：

第一代是没有电子控制的系统，其中气体在一个简单的混合器中混合。 这些通常配备旧化油器发动机。

第二代是单喷嘴喷射、模拟 lambda 探头和三元催化剂。

第三代是带有一个或多个喷嘴（每个气缸一个）的喷射器，采用微处理器控制，并具有自学习程序和自诊断代码表。

第四代是根据活塞位置的顺序（圆柱形）喷射，喷嘴数量等于气缸数量，并通过 lambda 探头进行反馈。

第五代 - 带反馈的多点顺序喷射，并与微处理器通信以控制汽油喷射。

在最现代的系统中，“气体”计算机充分利用来自主微处理器的数据来控制汽油发动机的参数，包括喷射时间。 数据传输和控制也完全连接到主要的汽油程序，这避免了为每个车型创建完整的 XNUMXD 气体喷射图的需要——智能设备只需从汽油处理器读取程序。 并使它们适应注气。