천연 가스 차량의 작동 원리


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Kermit Frog는 "녹색이 되는 것이 그렇게 쉬운 일이 아닙니다."라고 말했습니다. 그가 자동차를 언급한 것은 아니지만 그의 관찰은 오늘날 자동차 산업에 특히 적절해 보입니다. "친환경" 자동차를 설계, 개발 및 마케팅하는 것은 쉬운 일이 아니었습니다. 이것이 가솔린 차량이 여전히 도로와 화석 연료를 지배하는 이유입니다. 여전히 세계 에너지 소비의 거의 75%를 차지합니다. 그러나 휘발유 가격이 치솟고 유해한 배출 가스에 대한 우려가 높아지면서 대체 연료를 사용하는 자동차가 점점 더 중요해질 것입니다. 천연 가스 차량(NGV)은 이러한 자동차의 완벽한 예입니다. 연료 효율적이고 환경 친화적이며 소유 비용이 상대적으로 낮습니다.

대체 연료 차량 이미지 갤러리

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David McNew/Getty Images
천연가스 가정용 연료 보급기 Phill, FuelMaker는 Honda Civic NGV 천연 가스 차량에 연결됩니다. 대체 연료 차량의 사진을 참조하십시오.

이 기사에서는 NGV의 기본 아이디어를 설명하고 관련된 고유한 설계 과제를 살펴보고 이 기술의 장점과 이점을 검토합니다.

발견일부 학자들은 중동에 거주하는 사람들이 기원전 6000년에서 2000년 사이에 번개가 쳐 땅에서 스며나온 천연가스에 불이 붙었을 때 천연가스의 이 성질을 발견했다고 추측합니다. 중국인들은 기원전 211년에 천연 가스를 태워 석회암 암석에서 발견되는 암염을 건조시켰습니다. 그들은 또한 대나무 장대와 원시 조각을 사용하여 알려진 최초의 천연 가스 우물을 시추했지만 깊이가 500피트에 불과했습니다.
수있는

콘텐츠
  1. 천연 가스 기본 사항
  2. 필드에서 포드로
  3. 천연 가스 차량 설계
  4. 장점 및 단점

>천연 가스의 기초

"가스"라는 단어는 유사하지만 정확히 동일하지 않은 많은 다른 물질을 설명하는 데 사용되기 때문에 혼란스러운 용어입니다. 예를 들어, 자동차에 넣는 "가스"는 원유 또는 석유의 한 구성 요소인 가솔린입니다. 석유는 고대 해양 동물의 부패로 지하에서 형성된 화합물의 어둡고 끈적한 액체 혼합물입니다.

천연 가스도 고대 유기체의 부패에서 ​​유래하지만 자연적으로 액체 형태가 아닌 기체 형태를 취합니다. 천연 가스는 일반적으로 원유와 관련하여 발생합니다. 그것은 육상 식물과 수생 유기물에서 파생되며 기름 매장물의 위 또는 아래에서 형성됩니다. 그것은 종종 저수지에 존재하는 고압에서 원유에 용해됩니다. 비연관 가스라고 하는 천연 가스 저장소도 있으며, 이 저장소에는 석유만 있고 가스는 없습니다.


천연 가스는 주로 메탄 및 기타 탄화수소 가스로 구성됩니다. 탄화수소는 탄소와 수소 원소로만 구성된 유기 화합물입니다. 천연 가스의 탄화수소는 단일 결합으로 결합된 수소와 탄소를 포함하기 때문에 포화 탄화수소라고 합니다. 도표에서 알 수 있듯이 메탄은 가장 단순한 포화 탄화수소입니다.


가솔린과 마찬가지로 천연가스는 가연성이므로 가솔린과 같은 연소 엔진에 사용할 수 있습니다. 하지만 천연가스를 태울 수 있는 자동차는 1930년대까지 등장하지 않았습니다.

>필드에서 포드로

지하 저수지에 갇힌 천연 가스를 땅에 구멍을 뚫어 추출합니다. 다이아몬드 박힌 드릴 비트가 장착된 현대식 유정은 25,000피트에 가까운 깊이까지 드릴링할 수 있습니다.

추출 및 처리대부분의 현대식 유정은 원유와 천연가스를 동시에 추출합니다. 일부 천연 가스는 정제하지 않고 우물에서 나온 그대로 사용할 수 있지만 대부분은 처리가 필요합니다. 천연 가스 처리는 "건조"될 때까지 "습식" 천연 가스에서 모든 다양한 탄화수소 및 유체를 분리하는 것으로 구성됩니다. 건조 천연 가스는 천연 가스 차량을 비롯한 많은 소비자 응용 분야에서 선택되는 연료인 순수한 메탄입니다.

19세기 내내 천연가스의 사용은 많은 양의 가스를 장거리로 수송할 방법이 없었기 때문에 국지적인 사용으로 남아 있었습니다. 1890년에 누출 방지 파이프라인 연결 장치가 발명되어 소스에서 가스 마일을 수송할 수 있게 되었습니다. 파이프라인 기술의 개선은 장거리 가스 전송이 실용화될 때까지 향후 20년 동안 계속되었습니다. 1927년부터 1931년까지 노동자들은 미국에서 10개 이상의 주요 천연 가스 전송 시스템을 건설하여 천연 가스를 많은 응용 분야에서 실행 가능한 에너지원으로 만들었습니다. 1960년대 후반과 1970년대 초반의 석유 부족으로 인해 천연 가스, 특히 자동차의 연료 공급원으로 천연 가스에 대한 관심이 다시 높아졌습니다.

오늘날 천연 가스 차량 소유자는 미국에 있는 1,300개 주유소 중 한 곳에서 자동차를 충전할 수 있습니다. Honda는 또한 천연 가스 구동 Civic을 구매하는 사람들에게 개인용 천연 가스 펌프를 제공합니다. 펌프는 가정의 기존 천연 가스 라인을 사용하며 $500 ~ $1500에 설치할 수 있습니다.

다음 섹션에서는 천연 가스 차량이 어떻게 설계되는지 논의할 것입니다.

바이오가스천연가스는 메탄의 유일한 공급원이 아닙니다. 메탄은 분뇨와 같은 유기물을 낮은 수준의 산소에서 발효시켜 얻을 수도 있습니다. 이러한 조건에서 박테리아는 분뇨의 영양소를 식품 공급원으로 사용하고 메탄과 이산화탄소를 폐기물로 방출합니다. 바이오 가스로 알려진 이 메탄은 수집하여 연료로 사용할 수 있습니다.

>천연 가스 차량 설계

천연 가스 차량은 가솔린 차량과 동일한 기본 원리를 사용합니다. 즉, 4행정 엔진의 실린더에서 연료(여기서는 천연가스)가 공기와 혼합되어 점화 플러그에 의해 점화되어 피스톤이 위아래로 움직입니다. 가연성 및 점화 온도 측면에서 천연 가스와 가솔린 사이에 약간의 차이가 있지만(아래 차트 참조) NGV 자체는 가솔린 차량과 동일한 기본 개념으로 작동합니다.

속성
천연 가스
휘발유
디젤
가연성 한계(공기 중 부피 %)
5-15
1.4-7.6
0.6-5.5
자동 점화
온도( ° 바)
842
572
446
피크 플레임
온도( ° 바)
3423
3591
3729

그러나 NGV가 효율적으로 작동하려면 몇 가지 수정이 필요합니다. 이러한 변경 사항은 주로 연료 저장 탱크, 엔진 및 섀시에 있습니다.

연료 저장고
대부분의 NGV는 압축 천연 가스를 사용하여 작동하므로 연료가 더 적은 공간을 차지합니다. 주유소에서 가스는 제곱인치당 3,000-3,600파운드로 압축되어 차량의 후면, 상단 또는 하부 구조에 부착된 고압의 튜브 모양 실린더로 펌핑됩니다. 초기 NGV의 저장 탱크는 부피가 커서 차량의 화물 공간을 많이 차지했지만 더 새롭고 더 가벼운 실린더가 개발되었습니다. 통합 저장 시스템(ISS)이라고 하는 이 복합 실린더는 충돌 시 보호하기 위해 유리 섬유 쉘과 충격 흡수 폼 안에 들어 있습니다. 실린더는 또한 직경이 더 작아 세 개가 기존의 가솔린 ​​탱크와 유사한 크기와 모양으로 함께 수용될 수 있습니다.

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이미지 제공 존스 홉킨스 대학 응용 물리학 연구소

엔진 개조
NGV의 엔진이 시동되면 천연 가스가 저장 실린더에서 연료 라인으로 흐릅니다. 엔진 근처에서 천연 가스는 압력을 줄이기 위해 레귤레이터로 들어갑니다. 그런 다음 가스는 실린더에 연료를 도입하는 다점 가스 연료 분사 시스템을 통해 공급됩니다. 센서와 컴퓨터는 연료-공기 혼합물을 조정하여 점화 플러그가 가스를 점화할 때 가스가 효율적으로 연소되도록 합니다. 천연 가스 엔진에는 단조 알루미늄, 고압축 피스톤, 경화 니켈-텅스텐 배기 밸브 시트 및 메탄 전용 촉매 변환기도 포함됩니다.

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사진 제공 존스 홉킨스 대학 응용 물리학 연구소
설치된 천연 가스 엔진

섀시 수정
연료 저장 용기를 위한 공간을 확보하기 위해 NGV 정지의 일부 수정이 필요할 수 있습니다. 차량 후면에서 세미 트레일링 암 서스펜션은 종종 많은 가솔린 구동 자동차에 표준으로 제공되는 측면 링크 서스펜션을 대체합니다. 이는 후방 차대에 더 많은 열린 공간을 제공하면서도 여전히 부드럽고 편안한 승차감을 제공합니다. NGV는 또한 스페어 타이어와 잭을 제거하여 평평한 평면도를 가능하게 합니다. Goodyear Tire의 Extended Mobility Tire와 같은 "Run-flat" 타이어는 스페어 타이어와 잭이 없다는 사실을 보완하기 위해 설치됩니다.

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사진 제공 존스 홉킨스 대학 응용 물리학 연구소

급유의 차이점
천연 가스 차량에 연료를 보급하는 것도 약간 다를 수 있습니다. Honda Civic GX와 같은 일부 NGV에서는 연료 공급 지점이 뒤쪽에 있지만 연료 공급 지점은 일반적으로 차량의 전면에 있습니다. NGV는 가솔린 또는 디젤 차량에 연료를 공급하는 데 걸리는 시간과 거의 동일한 시간에 "급속 충전" 펌프로 연료를 공급할 수 있습니다. 또는 "천천히 충전" 방법을 사용하여 5~8시간 안에 NGV에 연료를 공급할 수 있습니다. Honda가 제공하는 가정용 주유소는 느린 충전 방식으로 자동차 소유자가 밤새 차량에 연료를 보급해야 합니다.

다음으로 천연가스 차량이 가솔린 차량에 비해 어떤 장점이 있고 단점이 있는지 논의할 것입니다.

>장점 및 단점

NGV의 가장 큰 장점은 환경적으로 유해한 배출량을 줄인다는 것입니다. 천연 가스 차량은 가솔린 차량과 비교할 때 일산화탄소 배출량을 최대 93%, 다양한 질소 산화물 배출량을 33%, 반응성 탄화수소를 50%까지 줄일 수 있습니다. NGV는 또한 PM10(미세먼지 10) 배출량이 더 높습니다. PM10 입자는 공기를 통해 독성 물질을 운반하고 침착합니다. 디젤 애플리케이션에서 작동하는 NGV는 PM10 배출량을 10배까지 줄일 수 있습니다.

천연 가스 차량은 다음과 같은 이점도 제공합니다.

구축 대 구매
NGV는 위에서 설명한 설계 개선 사항을 포함하도록 처음부터 구축할 수 있습니다. 새로운 천연 가스 차량은 동급 가솔린 차량보다 4,000~8,000달러 더 비쌉니다. 천연 가스로 작동하도록 기존 가솔린 차량을 수정하는 것도 가능합니다. 이 또한 비용이 많이 들 수 있으며 수정 비용은 일반적으로 $3,000~$5,000입니다. 천연가스로만 운행하는 차량을 "전용" NGV라고 합니다. 천연 가스와 가솔린 모두에서 작동할 수 있는 차량을 "이중 연료" 차량이라고 합니다. 이중 연료 차량에서 운전자는 운전하는 동안 한 연료에서 다른 연료로 안전하게 전환할 수 있습니다.

  • NGV가 더 안전합니다. NGV의 연료 저장 탱크는 가솔린이나 디젤 탱크보다 두껍고 강합니다. 미국에서 2년 이상 동안 NGV 연료 탱크 파열은 없었습니다.

  • 천연 가스 비용은 휘발유보다 저렴합니다. 평균적으로 천연 가스는 펌프에서 휘발유보다 1/3 비용이 적게 듭니다.

  • 천연 가스는 편리하고 풍부합니다. 거의 모든 도시 지역과 대부분의 교외 지역에 천연 가스를 공급할 수 있도록 잘 구축된 파이프라인 인프라가 미국에 있습니다. 미국에는 1,300개 이상의 NGV 충전소가 있으며 매일 추가되고 있습니다.

  • 천연가스 가격은 유가에 비해 상당한 안정세를 보였다. 역사적으로 천연 가스 가격은 석유 기반 연료 가격에 비해 상당한 가격 안정성을 보여 왔습니다. 이러한 안정성 덕분에 장기 비용에 대한 정확한 계획을 쉽게 수립할 수 있습니다.

  • NGV는 유지 관리 비용이 저렴합니다. 천연 가스는 매우 깨끗하게 연소되기 때문에 엔진의 마모가 줄어들고 튠업과 오일 교환 사이의 시간이 늘어납니다.

단점
NGV에 대한 가장 큰 불만 중 하나는 가솔린 자동차만큼 넓지 않다는 것입니다. NGV는 연료 저장 실린더를 수용하기 위해 귀중한 화물과 트렁크 공간을 포기해야 하기 때문입니다. 뿐만 아니라 이러한 실린더는 설계 및 제작 비용이 많이 들 수 있습니다. 이는 가솔린 차량에 비해 천연 가스 차량의 전체 비용이 더 많이 드는 원인이 됩니다.

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사진 제공 존스 홉킨스 대학 응용 물리학 연구소
연료 실린더를 보여주는 후면 차대

또 다른 단점은 NGV의 제한된 주행 범위로, 일반적으로 가솔린 차량의 절반 정도입니다. 예를 들어, Honda의 천연 가스 Civic인 Civic GX는 급유 없이 최대 220마일을 갈 수 있습니다. 일반적인 가솔린 구동 시빅은 연료를 보급하지 않고 약 350마일을 갈 수 있습니다. 전용 NGV가 도로에서 연료가 떨어지면 소유자의 집이나 지역 천연가스 충전소로 견인되어야 하며, 이는 "일반" 주유소보다 찾기가 더 어려울 수 있습니다.

마지막으로, 가솔린과 같은 천연 가스는 화석 연료이며 재생 가능한 자원으로 간주될 수 없다는 점에 유의해야 합니다. 미국의 천연 가스 매장량은 여전히 ​​상당하지만 고갈되지 않는 것은 아닙니다. 일부에서는 2003년 생산량이 계속된다고 가정할 때 67.1년 동안 천연가스 매장량이 충분히 남아 있다고 예측합니다.

NGV가 제공하는 몇 가지 장점에도 불구하고 여전히 상대적으로 흔하지 않습니다. 천연 가스 연합(Natural Gas Coalition)에 따르면 현재 미국에는 130,000개의 NGV가 있고 전 세계적으로 250만 대가 넘는 NGV가 있습니다. 이를 고려하여 2001년에 1억 4,250만 대의 등록된 차량이 있었다는 점을 고려하십시오. 이는 미국에서 가스 동력 차량의 수가 NGV의 거의 1,100대 1임을 의미합니다. 그러나 Ford, General Motors, Toyota 및 Volvo를 포함한 40개 이상의 제조업체에서 현재 NGV를 생산하고 있습니다.

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사진 제공 혼다
Phill 가정용 연료 공급 장치
NGV 설계 및 엔지니어링 분야를 선도하는 두 자동차 회사는 Honda와 DaimlerChrysler입니다. Honda는 소매 NGV를 제공하는 최초의 제조업체입니다. Honda Civic GX 세단은 회사에서 "Phill"이라고 명명한 가정용 주유소도 함께 제공합니다. Civic GX는 전용 NGV로 천연 가스로만 작동할 수 있습니다. DaimlerChrysler는 가솔린과 천연 가스를 모두 사용하는 E-class Mercedes를 제조하고 있습니다. 천연가스 기술(Natural Gas Technology)을 의미하는 "NGT"로 분류되며 1회 연료로 621마일(천연가스 사용 시 186마일, 휘발유 사용 시 435마일)을 주행할 수 있습니다.

Civic GX 및 E 200 NGT와 같은 차량은 매우 제한된 시장에서만 사용할 수 있지만(전자는 특정 서부 주에서, 후자는 유럽에서), NGV는 향후 20년 동안 소비자에게 더욱 널리 보급될 것으로 예상됩니다. 기름값이 계속 오르고 있기 때문이다. 그런 일이 발생하면 녹색이 되는 것이 조금 더 쉬울 것입니다.

천연 가스 차량 및 관련 주제에 대한 자세한 내용은 다음 페이지의 링크를 확인하십시오.

NGV 함대
매일 수 마일을 이동하는 연료 집약적인 차량은 수년 동안 천연 가스를 사용해 왔습니다. 여기에는 택시, 대중 교통 및 스쿨 버스, 공항 셔틀, 건설 차량, 쓰레기 트럭, 배달 트럭 및 공공 작업 차량이 포함됩니다. 함대가 특히 천연 가스에 적합한 이유는 무엇입니까? 첫째, 차량의 부피가 클수록 차량을 개조하거나 직접 구입하는 것이 더 경제적입니다. 그러나 더 중요한 것은 차량이 중앙에서 유지 관리되어 연료 보급 프로세스가 편리하고 안정적이라는 것입니다.

많은 장거리 트럭과 버스는 액화 천연 가스(LNG)라고 하는 다른 형태의 천연 가스를 사용합니다. LNG는 천연 가스를 -260°F로 냉각하여 액체로 응축하여 만듭니다. 액체 형태는 훨씬 더 밀도가 높기 때문에 차지하는 공간의 양에 비해 더 많은 위치 에너지를 갖습니다. 이는 자동차나 트럭의 동일한 공간에 더 많은 에너지를 저장할 수 있음을 의미합니다.

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>더 많은 정보

Jeff Beckman에게 감사드립니다. 이 기사에 대한 그의 도움.

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  • 정유의 작동 원리

더 많은 링크

  • 천연 가스 공급 협회의 교육 사이트
  • 천연 가스 차량 연합
  • Johns Hopkins University 응용 물리학 연구실
  • Honda의 Civic GX 웹사이트
  • 천연 가스 차량 -- Pacific Gas &Electric Company

출처

  • 딕슨, T.R. 화학 개론, 7판. 뉴욕:John Wiley &
    Sons, Inc.
  • Durbin, D. "Honda는 최초의 소매 천연 가스 차량 및 가정용
    주유소를 제공합니다." The Detroit News. 2005년 4월 22일.
    http://www.detnews.com/2005/autosinsider/0504/22/autos-159034.htm
  • 브리태니커 백과사전 2005, s.v. "천연 가스." CD-ROM, 2005년.
  • GermanCarFans.com.
    http://www.germancarfans.com/news.cfm/newsid/2050207.006
  • Honda의 Civic GX 웹 사이트
    http://automobiles.honda.com/models/model_overview.asp?ModelName=Civic+GX&bhcp=1
  • 존스 홉킨스 대학교 응용 물리학 연구실.
    http://www.jhuapl.edu/programs/trans/ANGV.htm
  • 천연가스안전세계.
    http://www.ngridsafetyworld.com/ngsw/more/vehicles.html
  • 천연가스공급협회 교육 사이트.
    http://www.naturalgas.org/
  • 천연 가스 차량. 태평양 가스 및 전기 회사.
    http://www.pge.com/about_us/environment/natural_gas_vehicles/
  • 천연 가스 차량 연합. http://www.ngvc.org/ngv/ngvc.nsf
  • 천연가스 자동차 포럼. http://www.ngv.org/ngv/ngvorg01.nsf
  • Parfit, M. "Powering the Future", 내셔널 지오그래픽. 2005년 8월, pp.
    2-31.
  • Wright, Michael 및 Mukul Patel, eds. 2000. Scientific American:오늘날 어떻게 작동하는지
    . 뉴욕:Crown Publishers.

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