Pedeorelha | Hoe aardgasvoertuigen werken

Joseph Norman
0
1805
392

ngv Car Culture / Car Culture Ã ?? Â® Collectie / Getty Images -

Alternatieve brandstoffen die nooit uit het laboratorium zijn gekomen
Hoe elektrische auto's werken
Curiosity Project: Waarom zouden we van privévoertuigen af willen komen??

-Kermit de Kikker zei ooit: "Het is niet zo gemakkelijk om groen te zijn." Hoewel hij niet naar auto's verwees, lijkt zijn observatie bijzonder geschikt voor de auto-industrie van vandaag: het ontwerpen, ontwikkelen en op de markt brengen van 'groene' auto's is geen gemakkelijke taak geweest, en daarom domineren benzineauto's nog steeds de weg en fossiele brandstoffen zijn nog steeds goed voor bijna 75 procent van het wereldwijde energieverbruik. Naarmate de benzineprijzen echter stijgen en de bezorgdheid over schadelijke emissies toeneemt, zullen auto's die op alternatieve brandstofbronnen rijden, steeds belangrijker worden. Een aardgasvoertuig, of NGV, is het perfecte voorbeeld van zo'n auto - hij is zuinig, milieuvriendelijk en biedt relatief lage eigendomskosten.

Fotogalerij met alternatieve brandstofvoertuigen

David McNew / Getty Images
Een huisbrandstofapparaat op aardgas, Phill, van FuelMaker is aangesloten op een Honda Civic NGV-voertuig op aardgas. Zie afbeeldingen van voertuigen op alternatieve brandstof.

Dit artikel legt het basisidee van NGV's uit, kijkt naar de unieke ontwerpuitdagingen en onderzoekt de voordelen en voordelen van deze technologie.

Ontdekking Sommige wetenschappers speculeren dat mensen die in het Midden-Oosten wonen deze eigenschap van aardgas tussen 6000 en 2000 voor Christus ontdekten toen blikseminslagen aardgas deden ontbranden dat uit de grond sijpelde. De Chinezen verbrandden al in 211 voor Christus aardgas om steenzout uit kalksteen te drogen. Ze boorden ook de eerste bekende aardgasbronnen met behulp van bamboestokken en primitieve stukjes, maar ze konden slechts een diepte van 150 meter bereiken.. -

Het woord "gas" is een verwarrende term omdat het wordt gebruikt om veel verschillende stoffen te beschrijven die op elkaar lijken, maar niet precies hetzelfde. Het "gas" dat u in uw auto stopt, is bijvoorbeeld benzine, een bestanddeel van ruwe olie of aardolie. Petroleum is een donker, kleverig vloeibaar mengsel van verbindingen die ondergronds zijn gevormd door het verval van oude zeedieren.

Aardgas komt ook voort uit het verval van oude organismen, maar het neemt van nature een gasvormige vorm aan in plaats van een vloeibare vorm. Aardgas komt vaak voor in combinatie met ruwe olie. Het is afgeleid van zowel landplanten als organische stoffen in het water en vormt zich boven of onder olieafzettingen. Het wordt vaak opgelost in ruwe olie bij de hoge drukken die in een reservoir bestaan. Er zijn ook reservoirs met aardgas, bekend als niet-geassocieerd gas, die alleen gas en geen olie bevatten.

Aardgas bestaat voornamelijk uit methaan en andere koolwaterstofgassen. Koolwaterstoffen zijn organische verbindingen die alleen uit de elementen koolstof en waterstof bestaan. De koolwaterstoffen in aardgas worden verzadigde koolwaterstoffen genoemd omdat ze waterstof en koolstof bevatten die door enkele bindingen aan elkaar zijn gebonden. Zoals de diagrammen laten zien, is methaan de eenvoudigste verzadigde koolwaterstof.

Net als benzine is aardgas brandbaar, wat betekent dat het kan worden gebruikt in een verbrandingsmotor zoals benzine. Maar auto's die aardgas konden verbranden, verschenen pas in de jaren dertig op het toneel.

We winnen aardgas dat in ondergrondse reservoirs is opgesloten door putten in de aarde te boren. Een moderne put, uitgerust met boorkoppen met diamanten, kan boren tot een diepte van bijna 25.000 voet.

Extractie en verwerking De meeste moderne putten winnen tegelijkertijd zowel ruwe olie als aardgas. Een beetje aardgas kan worden gebruikt zoals het uit de put komt zonder enige raffinage, maar het meeste vereist verwerking. Aardgasverwerking bestaat uit het scheiden van alle verschillende koolwaterstoffen en vloeistoffen van het "natte" aardgas totdat het "droog" is. Droog aardgas is puur methaan, de brandstof bij uitstek voor veel consumententoepassingen, waaronder voertuigen op aardgas.

Gedurende de 19e eeuw bleef het gebruik van aardgas plaatselijk omdat er geen manier was om grote hoeveelheden gas over lange afstanden te transporteren. In 1890 maakte de uitvinding van een lekvrije pijpleidingkoppeling het mogelijk om gas kilometers vanaf de bron te transporteren. Verbeteringen in pijpleidingtechnologie gingen de komende twee decennia door totdat gastransport over lange afstand praktisch werd. Van 1927 tot 1931 bouwden arbeiders meer dan 10 grote aardgastransmissiesystemen in de Verenigde Staten, waardoor aardgas een levensvatbare energiebron werd voor vele toepassingen. De olietekorten aan het eind van de jaren zestig en het begin van de jaren zeventig zorgden voor hernieuwde belangstelling voor aardgas als brandstofbron, vooral voor auto's.

Tegenwoordig kunnen eigenaren van aardgasvoertuigen hun auto tanken bij een van de 1.300 tankstations in de Verenigde Staten. Honda biedt ook een persoonlijke aardgaspomp aan aan mensen die de Civic op aardgas kopen. De pomp maakt gebruik van de bestaande aardgasleidingen van een huis en kan worden geïnstalleerd voor $ 500 tot $ 1500.

In de volgende sectie bespreken we hoe aardgasvoertuigen worden ontworpen.

Biogas Aardgas is niet de enige bron van methaan. Methaan kan ook worden verkregen door organische stof, zoals mest, te vergisten in een laag zuurstofgehalte. In dergelijke omstandigheden zullen bacteriën de voedingsstoffen in mest gebruiken als voedselbron en methaan en kooldioxide als afvalproducten afgeven. Dit methaan, bekend als biogas, kan worden opgevangen en gebruikt als brandstofbron. Voertuigen op aardgas gebruiken dezelfde basisprincipes als voertuigen op benzine. Met andere woorden, de brandstof (in dit geval aardgas) wordt gemengd met lucht in de cilinder van een viertaktmotor en vervolgens ontstoken door een bougie om een zuiger op en neer te bewegen. Hoewel er enkele verschillen zijn tussen aardgas en benzine in termen van ontvlambaarheid en ontstekingstemperaturen (zie onderstaande tabel), werken NGV's zelf volgens dezelfde fundamentele concepten als voertuigen met benzinemotor..

Eigendom	Natuurlijk gas	Benzine	Diesel
Ontvlambaarheidsgrenzen (volume% in lucht)	5-15	1.4-7.6	0,6-5,5
Automatische ontsteking Temperatuur (^°F)	842	572	446
Piek Vlam Temperatuur (^°F)	3423	3591	3729

Toch zijn er enkele aanpassingen nodig om een NGV efficiënt te laten werken. Deze veranderingen zitten vooral in de brandstofopslagtank, de motor en het chassis.

Brandstofopslag
De meeste NGV's werken op gecomprimeerd aardgas, waardoor de brandstof minder ruimte inneemt. Bij een tankstation wordt gas gecomprimeerd tot 3.000-3.600 pond per vierkante inch voordat het in hogedrukbuisvormige cilinders wordt gepompt die aan de achterkant, bovenkant of onderwagen van het voertuig zijn bevestigd. De opslagtanks van vroege NGV's waren omvangrijk en namen veel van de laadruimte van het voertuig in beslag, maar er zijn nieuwere, lichtere cilinders ontwikkeld. Deze volledig samengestelde cilinders worden Integrated Storage Systems (ISS'en) genoemd en bevinden zich in een omhulsel van glasvezel en schokabsorberend schuim om ze te beschermen in geval van een crash. De cilinders hebben ook een kleinere diameter, zodat er drie samen kunnen worden gehuisvest in een afmeting en vorm die lijkt op een conventionele benzinetank..

Met dank aan Johns Hopkins University Applied Physics Laboratory

Motoraanpassingen
Wanneer de motor van een aardgasmotor wordt gestart, stroomt aardgas uit de opslagcilinders in een brandstofleiding. Nabij de motor komt het aardgas in een regelaar om de druk te verlagen. Vervolgens wordt het gas door een meerpunts gasvormig brandstofinjectiesysteem gevoerd, dat de brandstof in de cilinders brengt. Sensoren en computers passen het brandstof-luchtmengsel aan zodat wanneer een bougie het gas ontsteekt, het efficiënt verbrandt. Een aardgasmotor omvat ook gesmeed aluminium, hogedrukzuigers, geharde nikkel-wolfraam uitlaatklepzittingen en een methaan-specifieke katalysator.

Foto met dank aan Johns Hopkins University Applied Physics Laboratory
Een geïnstalleerde aardgasmotor

Chassis wijzigingen
Er kunnen enkele aanpassingen in de ophanging van een NGV nodig zijn om ruimte te creëren voor de brandstofopslagcontainers. Aan de achterkant van het voertuig vervangt een semi-wieldraagarmophanging soms de laterale ophanging die standaard in veel benzineauto's wordt geleverd. Dit creëert meer open ruimte in het achterste onderstel, maar zorgt toch voor een soepele, comfortabele rit. NGV's verwijderen ook het reservewiel en de krik, wat zorgt voor een vlakke plattegrond. "Runflat" -banden, zoals de verlengde mobiliteitsbanden van Goodyear Tyre, worden geïnstalleerd om te compenseren dat het reservewiel en de krik ontbreken.

Foto met dank aan Johns Hopkins University Applied Physics Laboratory

Verschillen in tanken
Het bijtanken van een aardgasvoertuig kan ook een beetje anders zijn. Het tankpunt bevindt zich meestal aan de voorkant van het voertuig, hoewel het bij sommige NGV's, zoals de Honda Civic GX, zich aan de achterkant bevindt. Een NGV kan worden getankt met een "snelvul" -pomp in ongeveer dezelfde tijd die nodig is om een auto met benzine- of dieselmotor van brandstof te voorzien. Als alternatief kan een NGV in vijf tot acht uur worden getankt met behulp van een "slow-fill" -methode. De door Honda aangeboden tankstations voor thuisgebruik zijn van de slow-fill-variant, waardoor autobezitters hun auto 's nachts moeten bijtanken.

Vervolgens bespreken we welke voordelen aardgasvoertuigen hebben ten opzichte van benzineauto's, evenals de nadelen.

Het grootste voordeel van NGV's is dat ze de milieubelastende uitstoot verminderen. Aardgasvoertuigen kunnen tot 93 procent minder koolmonoxide-emissies, 33 procent minder uitstoot van verschillende stikstofoxiden en 50 procent minder reactieve koolwaterstoffen bereiken in vergelijking met benzineauto's. NGV's scoren ook hoger in de uitstoot van fijn stof 10 (PM10). PM10-deeltjes transporteren en zetten giftige stoffen af via de lucht. NGV's die in dieseltoepassingen werken, kunnen de PM10-uitstoot met een factor 10 verminderen.

Voertuigen op aardgas bieden ook deze voordelen:

Bouwen versus kopen NGV's kunnen vanaf nul worden opgebouwd met de hierboven beschreven ontwerpverbeteringen. Een gloednieuwe auto op aardgas kost $ 4.000 tot $ 8.000 meer dan een vergelijkbare benzineauto. Het is ook mogelijk om conventionele benzineauto's aan te passen om op aardgas te rijden. Ook dit kan duur zijn, aangezien de aanpassingen doorgaans $ 3.000 tot $ 5.000 kosten. Voertuigen die uitsluitend op aardgas rijden, staan bekend als "speciale" NGV's. Voertuigen die zowel op aardgas als op benzine kunnen rijden, staan bekend als "bi-fuel" -voertuigen. In bi-fuelvoertuigen kan de bestuurder tijdens het rijden veilig overschakelen van de ene brandstof naar de andere.

NGV's zijn veiliger. De brandstofopslagtanks op een NGV zijn dikker en sterker dan benzine- of dieseltanks. Er is in de Verenigde Staten al meer dan twee jaar geen breuk in de NGV-brandstoftank geweest.
De aardgaskosten zijn lager dan die van benzine. Aardgas kost gemiddeld een derde minder dan benzine aan de pomp.
Aardgas is handig en overvloedig. In de Verenigde Staten bestaat een gevestigde pijpleidinginfrastructuur om aardgas te leveren aan bijna elk stedelijk gebied en de meeste voorstedelijke gebieden. Er zijn meer dan 1.300 NGV-tankstations in de Verenigde Staten, en er komen er elke dag meer bij.
De aardgasprijzen zijn aanzienlijk stabiel gebleven in vergelijking met de olieprijzen. Historisch gezien hebben de aardgasprijzen een aanzienlijke prijsstabiliteit vertoond in vergelijking met de prijzen van op aardolie gebaseerde brandstoffen. Deze stabiliteit maakt het gemakkelijker om nauwkeurig te plannen voor kosten op lange termijn.
NGV's hebben lagere onderhoudskosten. Omdat aardgas zo schoon verbrandt, resulteert dit in minder slijtage van de motor en verlengt het de tijd tussen afstellingen en olieverversingen.

Nadelen
Een van de grootste klachten over NGV's is dat ze niet zo ruim zijn als benzineauto's. Dit komt omdat NGV's kostbare lading en kofferruimte moeten opgeven om de brandstofopslagcilinders te herbergen. Niet alleen dat, deze cilinders kunnen duur zijn om te ontwerpen en te bouwen - een factor die bijdraagt aan de hogere totale kosten van een aardgasvoertuig in vergelijking met een benzineauto..

Foto met dank aan Johns Hopkins University Applied Physics Laboratory
Achterste onderstel met brandstofcilinders

Een ander nadeel is het beperkte rijbereik van NGV's, dat doorgaans ongeveer de helft is van dat van een door benzine aangedreven voertuig. Zo kan Honda's Civic op aardgas, de Civic GX, tot 350 mijl rijden zonder te tanken. Een typische Civic met benzinemotor kan ongeveer 350 mijl rijden zonder bij te tanken. Als een speciale NGV op de weg geen brandstof meer heeft, moet hij naar het huis van de eigenaar of naar een plaatselijk aardgastankstation worden gesleept, wat misschien moeilijker te vinden is dan een 'gewoon' tankstation.

Ten slotte moet worden opgemerkt dat aardgas, net als benzine, een fossiele brandstof is en niet als een hernieuwbare hulpbron kan worden beschouwd. Hoewel de aardgasreserves in de Verenigde Staten nog aanzienlijk zijn, zijn ze niet onuitputtelijk. Sommigen voorspellen dat er voldoende aardgasreserves over zijn voor nog eens 67,1 jaar, ervan uitgaande dat het productieniveau van 2003 aanhoudt.

Ondanks enkele van de voordelen die NGV's bieden, zijn ze nog steeds relatief zeldzaam. Volgens de Natural Gas Coalition zijn er momenteel 130.000 NGV's op de weg in de Verenigde Staten en meer dan 2,5 miljoen wereldwijd. Om dit in perspectief te plaatsen: bedenk dat er in 2001 142,5 miljoen voertuigen waren geregistreerd - wat betekent dat er in de Verenigde Staten bijna 1100 voertuigen op gas rijden in het aantal NGV's. En toch produceren meer dan 40 verschillende fabrikanten, waaronder Ford, General Motors, Toyota en Volvo, momenteel NGV's.

Foto met dank aan Honda
De Phill Home Refuelling Appliance

Twee autobedrijven die voorop lopen in het ontwerp en de engineering van NGV's zijn Honda en DaimlerChrysler. Honda is de eerste fabrikant die een NGV voor de detailhandel aanbiedt - de Honda Civic GX sedan, die ook wordt geleverd met een tankstation voor thuis dat het bedrijf "Phill" heeft genoemd. De Civic GX is een speciale NGV, wat betekent dat hij alleen op aardgas kan rijden. DaimlerChrysler maakt een Mercedes E-klasse die zowel op benzine als op aardgas rijdt. Het krijgt de classificatie 'NGT', wat staat voor 'Natural Gas Technology', en kan 1000 kilometer afleggen op een enkele tankbeurt - 186 kilometer op aardgas en 705 kilometer op benzine.

Hoewel voertuigen zoals de Civic GX en de E 200 NGT alleen beschikbaar zijn in zeer beperkte markten (de eerste in bepaalde westelijke staten, de laatste in Europa), wordt verwacht dat NGV's in de komende twee decennia op grotere schaal beschikbaar zullen komen voor consumenten, vooral terwijl de olieprijs blijft stijgen. Wanneer dat gebeurt, wordt groen zijn een beetje gemakkelijker.

Raadpleeg de links op de volgende pagina voor meer informatie over voertuigen op aardgas en aanverwante onderwerpen.

NGV-vloten Brandstofintensieve vloten die dagelijks vele kilometers afleggen, gebruiken al jaren aardgas. Dit omvat wagenparken van taxi's, transit- en schoolbussen, luchthavenshuttles, bouwvoertuigen, vuilniswagens, bestelwagens en voertuigen voor openbare werken. Waarom zijn wagenparken bijzonder geschikt voor aardgas? Ten eerste maakt het grotere aantal voertuigen het zuiniger om voertuigen om te bouwen of direct aan te schaffen. Maar wat nog belangrijker is, wagenparkvoertuigen worden centraal onderhouden, waardoor het tanken gemakkelijk en betrouwbaar is.

Veel vrachtwagens en bussen voor langeafstandsvluchten rijden op een andere vorm van aardgas, vloeibaar aardgas of LNG. LNG wordt gemaakt door aardgas te koelen tot -260 ° F en het te condenseren tot een vloeistof. De vloeibare vorm is veel dichter en heeft dus meer potentiële energie voor de hoeveelheid ruimte die het inneemt. Dat betekent dat er meer energie kan worden opgeslagen in dezelfde hoeveelheid ruimte op een auto of vrachtwagen.

Dank je wel Jeff Beckman voor zijn hulp bij dit artikel.