Hur naturgasfordon fungerar

  • Gyles Lewis
  • 0
  • 3917
  • 393
ngv Car Culture / Car Culture î® Collection / Getty Images -
Nästa upp
  • Alternativa bränslen som aldrig gjorde det ur labbet
  • Hur elbilar fungerar
  • Nyfikenhetsprojekt: Varför skulle vi vilja bli av med privata fordon?

-Kermit the Frog sa en gång: "Det är inte så lätt att bli grönt." Även om han inte hänvisade till bilar, verkar hans iakttagelse särskilt lämplig för bilindustrin idag: Att utforma, utveckla och marknadsföra "gröna" bilar har inte varit en enkel uppgift, varför bensindrivna fordon fortfarande styr vägen och fossila bränslen står fortfarande för nästan 75 procent av världens energiförbrukning. I takt med att bensinpriserna ökar och oroar sig för skadliga utsläppsfästen, kommer bilar som körs på alternativa bränslekällor att bli allt viktigare. Ett naturgasfordon, eller NGV, är det perfekta exemplet på en sådan bil - det är bränsleeffektivt, miljövänligt och erbjuder en relativt låg ägandekostnad.

Alternativt bildgalleri för bränslefordon


David McNew / Getty Images
En bensinapparat med naturgas, Phill, av FuelMaker är ansluten till ett Honda Civic NGV-naturgasfordon. Se bilder på alternativa bränslefordon.

Den här artikeln kommer att förklara grundidén med NGV: er, titta på de unika designutmaningarna och undersöka fördelarna och fördelarna med denna teknik.

Upptäckt Vissa forskare spekulerar i att människor som bor i Mellanöstern upptäckte denna egenskap av naturgas mellan 6000 och 2000 f.Kr. när blixtnedslag antände naturgas som sipprade från marken. Kineserna brände naturgas redan 211 f.Kr. till torrt bergsalt som fanns i kalksten. De borrade också de första kända naturgasbrunnarna med bambustolpar och primitiva bitar, men de kunde bara nå djup på 500 fot. -

Ordet "gas" är en förvirrande term eftersom det används för att beskriva många olika ämnen som liknar men inte exakt samma. Till exempel är "gasen" du lägger i din bil bensin, en del av råolja eller petroleum. Petroleum är en mörk, klibbig flytande blandning av föreningar som bildas under jord genom förfall av gamla marina djur.

Naturgas kommer också från förfall av forntida organismer, men den tar naturligtvis en gasform istället för en flytande form. Naturgas förekommer vanligtvis i samband med råolja. Det härstammar från både landväxter och vattenlevande organiska ämnen och former över eller under oljeavlagringar. Det löses ofta i råolja vid de höga tryck som finns i en reservoar. Det finns också reservoarer av naturgas, känd som icke-associerad gas, som endast innehåller gas och ingen olja.


Naturgas består huvudsakligen av metan och andra kolväten. Kolväten är organiska föreningar som endast består av elementen kol och väte. Kolväten i naturgas kallas mättade kolväten eftersom de innehåller väte och kol bundna samman av enkelbindningar. Som diagrammen visar är metan det enklaste mättade kolvätet.


Liksom bensin är naturgas brännbar, vilket innebär att den kan användas i en förbränningsmotor som bensin. Men bilar som kunde bränna naturgas dykte inte upp på scenen förrän på 1930-talet.

Vi utvinner naturgas som fångas i underjordiska reservoarer genom att borra brunnar i jorden. En modern brunn, utrustad med diamantbäddade borrborrar, kan borras till djup närmar sig 25 000 fot.

Extraktion och bearbetning De flesta moderna brunnar extraherar både råolja och naturgas samtidigt. Viss naturgas kan användas eftersom den kommer från brunnen utan förädling, men mest kräver bearbetning. Naturgasbearbetning består av att separera alla olika kolväten och vätskor från den "våta" naturgasen tills den är "torr". Torr naturgas är ren metan, som är det bränsle som valts för många konsumenttillämpningar, inklusive naturgasfordon.

Under hela 1800-talet förblev användningen av naturgas lokaliserad eftersom det inte fanns något sätt att transportera stora mängder gas över långa avstånd. År 1890 gjorde uppfinningen av en läcksäker rörledningskoppling det möjligt att transportera gasmile från källan. Förbättringar av rörledningstekniken fortsatte under de kommande två decennierna tills långväga gasöverföring blev praktisk. Från 1927 till 1931 konstruerade arbetare mer än 10 stora naturgasöverföringssystem i USA, vilket gjorde naturgas till en livskraftig energikälla för många tillämpningar. Oljebristen i slutet av 1960-talet och början av 1970-talet förde förnyat intresse för naturgas som bränslekälla, särskilt för bilar.

Idag kan ägare av naturgasfordon fylla sina bilar på en av 1 300 bensinstationer i USA. Honda erbjuder också en personlig naturgaspump till människor som köper sin naturgasdrivna Civic. Pumpen använder ett hems befintliga naturgasledningar och kan installeras för $ 500 till $ 1500.

I nästa avsnitt diskuterar vi hur naturgasfordon är konstruerade.

Biogas Naturgas är inte den enda metankällan. Metan kan också erhållas genom fermentering av organiskt material, såsom gödsel, i låga syrehalter. Under sådana förhållanden kommer bakterier att använda näringsämnena i gödsel som matkälla och släpper ut metan och koldioxid som avfallsprodukter. Denna metan, känd som biogas, kan samlas in och användas som bränslekälla. Naturgasfordon använder samma grundprinciper som bensindrivna fordon. Med andra ord blandas bränslet (naturgas i detta fall) med luft i cylindern på en fyrtaktsmotor och antänds sedan av en tändstift för att flytta en kolv upp och ner. Även om det finns vissa skillnader mellan naturgas och bensin när det gäller brandfarlighet och antändningstemperaturer (se diagram nedan), fungerar NGV: er själva på samma grundläggande koncept som bensindrivna fordon.

Fast egendom Naturgas Bensin Diesel
Brännbarhetsgränser (volym% i luft) 5-15 1,4-7,6 0,6-5,5
Auto-Ignition
Temperatur (°F)
842 572 446
Peak Flame
Temperatur (°F)
3423 3591 3729

Fortfarande krävs vissa modifieringar för att en NGV ska fungera effektivt. Dessa förändringar är främst i bränsletanken, motorn och chassit.

Bränsleförvaring
De flesta NGV: er arbetar med komprimerad naturgas så att bränslet tar mindre plats. Vid en bränslestation komprimeras gasen till 3 000-3 600 kilo per kvadrat tum innan den pumpas in i högtrycksrörformade cylindrar som är fästa vid fordonets bakre, övre eller undervagn. Lagringstankarna för tidiga NGV: er var skrymmande och tog upp mycket av fordonets lastutrymme, men nyare, lättare cylindrar har utvecklats. Kallade integrerade lagringssystem (ISS) och alla kompositcylindrar finns i ett glasfiberskal och slagabsorberande skum för att skydda dem i händelse av en krasch. Cylindrarna har också en mindre diameter så att tre av dem kan hysas samman i en storlek och form som liknar en konventionell bensintank.


Bild med tillstånd Johns Hopkins University Applied Physics Laboratory

Motormodifieringar
När motorn i en NGV startas flyter naturgas från lagringscylindrarna in i en bränsleledning. Nära motorn kommer naturgasen in i en regulator för att minska trycket. Sedan matas gasen genom ett flerspunktsinjiceringssystem för gasformigt bränsle, som introducerar bränslet i cylindrarna. Sensorer och datorer justerar bränsle-luftblandningen så att när en tändstift tänder gasen, den brinner effektivt. En naturgasmotor inkluderar också smidd aluminium, högkomprimeringskolvar, härdat nickel-volfram avgassystem och en metanspecifik katalysator.


Foto med tillstånd Johns Hopkins University Laboratory Physics Laboratory
En installerad naturgasmotor

Modifieringar av chassit
Vissa ändringar i upphängningen av en NGV kan behövas för att skapa utrymme för bränslelagringsbehållarna. På baksidan av fordonet ersätter ibland en halvledande armupphängning sidledsupphängningen som levereras som standard i många bensindrivna bilar. Detta skapar mer öppet utrymme i den bakre undervagnen, men ändå ger en smidig och bekväm åktur. NGVs tar också bort reservdäcket och domkraften, vilket möjliggör en plan planlösning. "Run-flat" däck, som till exempel Extended Mobility Däck från Goodyear Tire, är installerade för att kompensera för det faktum att reservdäcket och jacken saknas.


Foto med tillstånd Johns Hopkins University Laboratory Physics Laboratory

Skillnader i tankning
Tankning av ett naturgasbil kan också vara lite annorlunda. Bränslepunkten är vanligtvis framtill på fordonet, även om i vissa NGV: er, som Honda Civic GX, är bränslepunkten bak. En NGV kan drivas med en "snabbfyllning" -pump ungefär samma tid som det tar att driva bensin- eller dieseldrivna fordon. Alternativt kan en NGV drivas på fem till åtta timmar med hjälp av en "långsam fyllning" -metod. De bensinstationer som erbjuds av Honda är av långsam fyllning och kräver bilejare att tanka sina fordon över en natt.

Därefter diskuterar vi vilka fördelar naturgasfordon har jämfört med bensindrivna fordon såväl som nackdelarna.

Den största fördelen med NGV: er är att de minskar miljöskadliga utsläpp. naturgasfordon kan uppnå upp till 93 procent minskning av kolmonoxidutsläpp, 33 procent minskning av utsläpp av olika kväveoxider och en 50 procent minskning av reaktiva kolväten jämfört med bensinfordon. NGV: er också högre i utsläpp av partiklar 10 (PM10). PM10-partiklar transporterar och deponerar giftiga material genom luften. NGV: er som verkar i dieselapplikationer kan minska utsläppen av PM10 med en faktor 10.

Naturgasfordon erbjuder också dessa fördelar:

Build vs. Buy NGV: er kan byggas från grunden för att inkludera de designförbättringar som beskrivs ovan. Ett helt nytt naturgasbil kostar 4 000 till 8 000 dollar mer än ett jämförbart bensinfordon. Det är också möjligt att modifiera konventionella bensinfordon så att de körs på naturgas. Detta kan också vara dyrt, med de modifieringar som vanligtvis kostar $ 3,000 till $ 5,000. Fordon som enbart kör på naturgas kallas "dedikerade" NGV: er. Fordon som kan arbeta med både naturgas och bensin kallas "bi-fuel" -fordon. I bi-bränslefordon kan föraren säkert växla från ett bränsle till ett annat under körning.

  • NGV: er är säkrare. Bränsletankarna på en NGV är tjockare och starkare än bensin- eller dieseltankar. Det har inte skett en NGV-bränsletankbrott på mer än två år i USA.

  • Naturgaskostnaderna är lägre än bensin. I genomsnitt kostar naturgas en tredjedel mindre än bensin vid pumpen.

  • Naturgas är bekvämt och rikligt. En väletablerad infrastruktur för rörledningar finns i USA för att leverera naturgas till nästan varje stadsområde och de flesta förortsområden. Det finns mer än 1 300 NGV-bränslestationer i USA och fler läggs till varje dag.

  • Priserna på naturgas har visat en betydande stabilitet jämfört med oljepriserna. Historiskt har naturgaspriserna visat en betydande prisstabilitet jämfört med priserna på petroleumbaserade bränslen. Denna stabilitet gör det lättare att planera exakt för långsiktiga kostnader.

  • NGV: er har lägre underhållskostnader. Eftersom naturgas brinner så rent resulterar det i mindre slitage på motorn och förlänger tiden mellan inställningar och oljebytor.

nackdelar
En av de största klagomålen om NGV: er är att de inte är lika rymliga som bensinbilar. Detta beror på att NGV: er måste ge upp dyrbar last och bagageutrymme för att rymma bränslelagringscylindrarna. Inte bara det, dessa cylindrar kan vara dyra att konstruera och bygga - en bidragande faktor till de högre totala kostnaderna för ett naturgasfordon jämfört med en bensindriven bil.


Foto med tillstånd Johns Hopkins University Laboratory Physics Laboratory
Bakre undervagn som visar bränslecylindrar

En annan nackdel är det begränsade körområdet för NGV: er, som vanligtvis är ungefär hälften av ett bensindrivet fordon. Till exempel kan Hondas naturgas Civic, Civic GX, gå upp till 220 mil utan tankning. En typisk bensindriven Civic kan gå cirka 350 mil utan tankning. Om en dedikerad NGV slutade på bränsle på vägen, måste den bogseras till ägarens hem eller till en lokal tankstation för naturgas, vilket kan vara svårare att hitta än en "vanlig" bensinstation.

Slutligen bör det noteras att naturgas, som bensin, är ett fossilt bränsle och inte kan betraktas som en förnybar resurs. Även om naturgasreserver i USA fortfarande är betydande, är de inte outtömliga. Vissa förutspår att det finns tillräckligt med naturgasreserver för att hålla ytterligare 67,1 år, förutsatt att produktionsnivån 2003 fortsätter.

Trots några av fördelarna med NGV: er är de fortfarande relativt ovanliga. Enligt Natural Gas Coalition finns det för närvarande 130 000 NGV: er på väg i USA idag och mer än 2,5 miljoner världen över. För att sätta detta i perspektiv, tänk på att det fanns 142,5 miljoner registrerade fordon 2001 - vilket innebär att gasdrivna fordon överstiger NGV: er nästan 1 100 till en i USA. Och ännu mer än 40 olika tillverkare, inklusive Ford, General Motors, Toyota och Volvo, producerar för närvarande NGV: er.


Foto med tillstånd Honda
Phill Home Tanking Appliance
Två bilföretag som leder vägen inom NGV-design och teknik är Honda och DaimlerChrysler. Honda är den första tillverkaren som erbjuder en detaljhandeln NGV - Honda Civic GX sedan, som också kommer med en bensinstation som företaget har kallat "Phill." Civic GX är en dedikerad NGV, vilket innebär att den bara kan köras på naturgas. DaimlerChrysler tillverkar en E-klass Mercedes som kör på både bensin och naturgas. Det ges en klassificering av "NGT", som står för "Natural Gas Technology", och kan resa 621 miles på en enda bränsle - 186 miles med naturgas och 435 miles med bensin.

Medan fordon som Civic GX och E 200 NGT endast finns på mycket begränsade marknader (de förra i vissa västra stater, de senare i Europa), förväntas NGV: er bli mer allmänt tillgängliga för konsumenterna under de kommande två decennierna, särskilt när oljepriset fortsätter att stiga. När det händer blir det lite lättare att vara grön.

För mer information om naturgasfordon och relaterade ämnen, kolla in länkarna på nästa sida.

NGV-flottor Bränsleintensiva flottor som reser många mil varje dag har använt naturgas i flera år. Detta skulle omfatta flottor med taxibilar, transit- och skolbussar, flygbussar, konstruktionsfordon, sopbilar, leveransbilar och fordon för offentliga arbeten. Varför är flottor särskilt lämpade för naturgas? För det första gör den större volymen fordon det mer ekonomiskt att konvertera fordon eller köpa dem direkt. Men ännu viktigare är fordonsparker centralt underhållna, vilket gör tankningsprocessen bekväm och pålitlig.

Många långdrivna lastbilar och bussar kör på en annan form av naturgas som kallas flytande naturgas, eller LNG. LNG tillverkas genom att kyla naturgas till -260 ° F, kondensera den till en vätska. Vätskeformen är mycket tätare och har därmed mer potentiell energi för den mängd utrymme den tar upp. Det betyder att mer energi kan lagras i samma utrymme på en bil eller lastbil.

Tack Tack till Jeff Beckman för hans hjälp med denna artikel.

Relaterade artiklar

  • Hur hybridbilar fungerar
  • Hur elbilar fungerar
  • Hur gaspriser fungerar
  • Hur oljeborrning fungerar
  • Hur oljeraffinering fungerar

Fler bra länkar

  • Naturutbildningsföreningens utbildningsplats
  • Naturgas-koalitionen
  • Johns Hopkins University Applied Physics Laboratory
  • Hondas Civic GX-webbplats
  • Naturgasfordon - Pacific Gas & Electric Company

källor

  • Dickson, T.R. Introduktion till kemi, 7: e upplagan. New York: John Wiley &
    Sons, Inc.
  • Durbin, D. "Honda erbjuder första detaljhandelskedja för naturgas och hem
    tankningsstation, "Detroit News. 22 april 2005.
    http://www.detnews.com/2005/autosinsider/0504/22/autos-159034.htm
  • Encyclopedia Britannica 2005, s.v. "naturgas." CD-ROM, 2005.
  • GermanCarFans.com.
    http://www.germancarfans.com/news.cfm/newsid/2050207.006
  • Hondas Civic GX-webbplats
    http://automobiles.honda.com/models/model_overview.asp?ModelName=Civic+GX&bhcp=1
  • Johns Hopkins University Applied Physics Laboratory.
    http://www.jhuapl.edu/programs/trans/ANGV.htm
  • Naturgassäkerhetsvärld.
    http://www.ngridsafetyworld.com/ngsw/more/vehicles.html
  • Natural Gas Supply Association utbildningssida.
    http://www.naturalgas.org/
  • Naturgasfordon. Pacific Gas & Electric Company.
    http://www.pge.com/about_us/environment/natural_gas_vehicles/
  • Naturgas-koalitionen. http://www.ngvc.org/ngv/ngvc.nsf
  • Natural Gas Vehicle Forum. http://www.ngv.org/ngv/ngvorg01.nsf
  • Parfit, M. "Powering the Future", National Geographic. Augusti 2005, sid.
    2-31.
  • Wright, Michael och Mukul Patel, red. 2000. Scientific American: Hur
    saker fungerar idag. New York: Crown Publishers.



Ingen har kommenterat den här artikeln än.

De mest intressanta artiklarna om hemligheter och upptäckter. Massor av användbar information om allt
Artiklar om vetenskap, rymd, teknik, hälsa, miljö, kultur och historia. Förklara tusentals ämnen så att du vet hur allt fungerar