LNG-CNG és Metán (CH4) összehasonlítása és ezek gyakorlati kihatásai

A földgáz (Natural Gas vagy Erdgas) 90-98%-ban metánt tartalmaz, gázminőségtől függően. A többi alkotó általában etán, propán, bután, pentán, nitrogén, széndioxid, kénhidrogén és egyén más éghetetlen (inertgázok) mint pl. a nemesgázok igen kis mértékben.

A CNG csaknem hatszázszor nagyobb teret foglal el normál körülmények között (20°C + atmoszférikus nyomáson) mint az LNG, ami -162 °C hőmérsékleten (-260 °F) enyhe túlnyomás hatására cseppfolyósodik. Ekkor a sűrűsége 0.5 kg/L, ha hőt vesz fel, akkor 0.41-ig változhat, átlagosan 0.45 kg/L értékkel számolhatunk.
A CNG-nél az átlagsűrűség 0.8 kg/Nm3 értéknek vehető. A két értéket összevetve tehát közelítőleg:
2l LNG=1.125 Nm3 CNG, azaz ebből a viszonyszám:562.5
Ha feltankolunk földgázos autónkba, akkor a végén 200-220 bar túlnyomás uralkodik tartály(aink)ban, 200 barral számolva 2.81 a viszonyszám az LNG javára, ha 220 bárral, akkor tiz százalékkal kisebb: 2.55 lesz azon távolságok aránya, amit cseppfolyós gázzal tehetünk meg ugyanazon sűrített földgázzal , elméletileg.
Beleszámítva, hogy a folyadék köbös tágulása miatt a tartályokat nem szabad sohasem teletölteni, valamint, hogy mindig van evaporáció is a folyékony gázoknál, a gyakorlatban 2.4-e szorzóval számolnak azonos térfogatú üzemanyagtartályok esetén a hatótávot illetőleg./Volume-based energy density/
Tehát, egy 240 literes CNG tartályköteg azonos hatótávot biztosít, mint egy 100 literes LNG kriogén kivitelű hengeres tank ugyanazon jármű számára, hiszen az üzemanyag ugyanaz lényegében.
Amerikában már beálltak mindkettő nagy szériában történő gyártására, lásd ábra alant:

CNG-tartályöteg és LNG kriogén (teljesen hőszigetelt, duplafalú vákuumos, /vacuum jacketed/) LNG-tank.

Az energiatartalom szempontjából kg/kg alapon, 0.6 a dízelre és 0.7 a benzinre, azaz 1kg LNG egyenértékű 0.6 kg dízellel, avagy 0.7 kg benzinnel/Tehát 1kg derivátummal (kőolaj származékkal) cirka 1,5kg földgáz ekvivalens!/, az átlagos fajsúlyokat véve alapul 1.88 érték jön ki. A valóságban azonban a metán jobb hatásfokkal ég el, mivel a szénlánc mindössze egy szénatom, így a gyakorlatban „ökölszabályként” alkalmazható a következő összefüggés:
1 liter gázolaj vagy benzin=1.8 liter LNG ami 1Nm3 földgáznak felel meg
A földgáz fajsúlya 0.8 kg/m3 átlagban normál körülmények között, azaz pontosan kijön az egy az egyhez aránypár, azaz 1Nm3 földgáz azonos 1 liter benzin illetve gázolaj energiatartalmával. A valóságban, azonban pl. a tapasztalatok szerint, egy 8 liter átlagfogyasztású benzines autó normál sebesség és útviszonyok mellett 7Nm3 CNG-vel is beéri, amennyiben a gázminőség megfelelően jó.
A gázminőség több mindentől függ, elsősorban a metán tartalomtól, legjobb lenne a 100%-ban CH4-ből álló gáz, de ez maximum 98% a valóságban. A nagyobb szénláncú etilén, propán, bután és pentán szintén még éghető gázok, habár ezek már nem égnek el olyan jól, mint a metán. A kéndioxid és más kénvegyületek szintén elégnek, de vízzel találkozva kénes- illetve kénsavat alkotnak, az égéstérben káros hatásúak, ezért „kénmentesítik” a földgázt mindjárt a bányászat keretében. A maradék kén hatását hívatottak az un. gázmotorokra kifejlesztett kenőolajak semlegesíteni, lényegében ebben különböznek a szokásos kenőolajoktól. Az inertek nem károsítanak, viszont hőt visznek el az égéstérből, ezáltal csökkentve a hajtóenergia nagyságát.
A földgáz következő jellemzőit szokás megadni, illetve figyelni: inert tartalom (content of inerts), fűtőérték (calorific value), Wobbe-szám (Wobbe index), Soot index, incomplete combustion factor (a nem tökéletes égés faktora), Yellow tip index stb.
Az un. gross calorific value (hőérték ) az a jellemző, amiben a gázminőséget meg szokták adni. Különböző régiókban más-más értékek az elfogadottak és járatosak:
Délkelet-Ázsiában: 43 MJ/ Nm3 minimálisan
USA, UK: 42 MJ/ Nm3 maximum
Európa: 39-46 MJ/ Nm3 között.

A lambda szonda
A lambda szonda (λ-szonda) egy olyan szenzor, amely az adott kipufogó gázban az oxigén tartalmat érzékeli, ezért oxigén szenzornak is nevezik gyakran. A „λ” jelet arányszámként használjuk, az elégetendő üzemanyaghoz szükséges levegő mennyiségnél a „λ” éppen egységnyi, azaz λ=1.0. Ez az un. „sztöchometrikus” keverék, amikor minden egyes éghető gyökhöz egy oxigén atom gyök párosul, tehát az égéstérben matematikailag ideális a keverék. A benzinüzemű motoroknál mindig a λ=1.0 vagy annál valamivel nagyobb értékre szabályozunk, a dízelmotoroknál újabban már használnak szélessávú λ-szondát, ahol a λ=0.8-10 között változik a modern motorok esetében. A λ=1.0-nél nagyobb értékeknél légfelesleg van, természetesen, a dízelmotorokra ez a jellemző üzemmód, valamint az un. szegény keverékű Ottó-motorok is a λ=1.1-1.3 tartományban üzemelnek.
A „λ” mérésére kétféle mérési elvet használnak, az egyik az un. Nernst-szonda, ahol egy szilárdtest kapszulában elektrolit található, míg a másik az un. ellenállás szonda, ahol egy kerámia ellenállása változik meg az oxigén molekulák hatására.
A lambda szonda (λ-szonda) a katalítikus gáztisztítók (katalizátorok) szabályzási körében a fő érzékelő (szenzor), amit köznyelvben „szabályozott katalizátorként” aposztrofálnak. A cél ezeknél a kipufogógáz tisztító rendszereknél az, hogy a szénmonoxid, a szénhidrogén, a nitrogén oxidok valamint–nem utolsó sorban–a korom kibocsátásokat minimalizáljuk.
Az első lambda szonda 1976-ban került beépítésre a BOSCH által egy 240/260 típusú Volvo motornál.
A kezdetleges lambda szondák un. ujjformát vettek fel, ahol az érzékelő elem “kalapocskát” alkotott belül, ahol kívülről a kipufogó gázzal, belülről pedig a referencia gázzal érintkezett. Ez az érzékelő több rétegből készült, ahol a fűtés már beintegrálásra került a rétegek közé. A cirkónium oxid (ZrO2) kerámia test egy un. védő hüvellyel van ellátva, amely lehetővé teszi az állandó hőmérsékleten való tartást, valamint megvéd a mechanikai sérülésektől is. A gáz hozzáférést kisméretű lyukakkal teszik lehetővé a hüvely paláston.
A lambda szonda folyamatosan összehasonlítja a kipufogó gáz oxigén tartalmát a környezeti levegő oxigén tartalmával és ezt az un. analóg villamos jelet szolgáltatja vezérlő egység felé, amely a szenzor jelleg görbéjének ismeretében a beadott üzemanyag mennyiségét szabályozza ennek a jelnek megfelelően. Az OBD-vel ellátott járműveknél a szabályozó komputereknek már az un. szabályozó lambda szonda mellett az un. monitor szonda jelét is figyelnie kell, ez az „addícionális felvigyázás” véletlenszerűen történik, tehát a komputer időnként rátekint a katalizátor állapotára, majd beavatkozik, ha szükséges.
A motor vezérlőnek a következőket kell figyelnie és vezérelnie a szondákat illetőleg:
1. a feszültség jelváltozása (maximálisan 300 mV lehet ez a vezérlő szonda jelénél)
2. az analóg jel amplitúdója
3. a szabályzási frekvencia
4. a fűtőszál szakadása
5. a negatív jel megléte (a jármű test kontaktusa megfelelő-e)
Zavar vagy meghibásodás esetében a motor elkezd „fogyasztani”, mivel a helyes keverék arány beállítása meghiúsul a szonda miatt, ezzel a széndioxid kibocsátás is megnő, természetesen.
A szenzor hibát a motorvezérlő kijelzi, általában a „check-engine” lámpa világít folyamatosan.
A szonda optimális hőmérséklete az 550-700°C hőmérsékleten van λ=1.0 értéknél, a szélessávúaknál pedig ennél mintegy 100-200°C-al magasabb.

A szonda felfűtése hideg start esetén fontos, míg a motor hőmérséklete alacsony, a fűtés segítségével pedig a működési hőmérséklet gyorsan elérhetővé válik.
A széles sávú lambda szondák
A cirkónium bázisú szenzorok egyik változata az un. szélessávú lambda szonda, amit 1994 óta gyárt a BOSCH, és főképpen a benzin direkt befecskendezésű valamint dízelmotoroknál használják őket.
Az egyszerű lambda szondák a λ=1.0 értéknél nagyon meredekek, szinte átbillennek (lásd a LED-ek váltakozását a központi befecskendezésű motorok λ-szabályozóján, ahol egy léptetőmotorral szabályozzuk a gázmennyiséget), a megelőző és az azt követő intervallumok pedig laposak, tehát a jelváltozás szinte nulla. Ezért a széles λ-sávban működő szenzort meg kellett alkotni, amivel átfogható a pl. λ=0.8-10.0 tartomány is. A szegény keverékekre a λ>1.0, míg a dús keverékekre a λ<1.0 összefüggés érvényes, a λ=1.0-nél a keverék az un. sztöchometrikus. A szegény keverék esetén a teljesítmény „kihozatal” az optimálistól eltérő (kisebb), a fogyasztás viszont csökken, míg a sztöchometrikusnál a teljesítmény optimális, a dús keveréknél pedig az NOx katalizátor regenerációjára van szükség.
Egy széles sávú szonda felépítése, hogy a fenti funkciónak teljes mértékben megfeleljen, eléggé összetett./Lásd a lenti ábrát: Rétegzett széles sávú szonda sémája elektrotechnikai szempontból/
Az áram a műveleti erősítő kimenetéről az “ellenőrző” ellenálláson keresztül folyik a föld felé.

A „planár” technológiával megvalósított több rétegből álló, integrált fűtéssel ellátott (fekete részek) szenzor metszete látható az alábbi ábrán.
A méréstechnika szempontjából három fő részre lehet tagolni ezt a lambda szondát:
● a rózsaszínű un. “áramcella” (váltakozó áram beadása, középütt cirkónium membrán)
● az un. diffúzor csatorna (kék), amely a rózsaszín közegen átvezet a mérő gázhoz (λ=1.0)
● a Nernst-cella, ami a mérő gáz és a referencia gáz–ami itt a levegő–között található

A λ=1.0 érték a mérő oszlopban a beadott áram segítségével áll elő úgy, hogy annak egyik polaritása (az áram folyásának iránya) az oxigént bepumpálja a kipufogó gáz áramból, valamint a másik folyási irány visszajuttatja oda. A mérő oszlopban mindig λ=1.0 érték van, erről egy szabályzás gondoskodik az áram beadás változtatása által, ez az un.“pumpáló áram”, ami a megfelelő mennyiségű és irányú oxigén ellátást biztosítja a diffúzor csatornán keresztül, hogy a lambda érték minden idő pillanatban teljesüljön.
A λ=1.0 értéknek akkor kell előállnia, amikor a Nernst-cella 0.45 V értéket eléri. Az oxigén molekulák a dús kipufogó gáznál a mérő oszlopba, míg szegény kipufogó gáznál pedig onnan kifelé pumpálódnak, így a λ=1.0 érték folyamatosan fennáll. A „pumpáló” áram előjele és nagysága ismeretében az aktuális λ a kipufogógázban meghatározható, ezen áram szabályozását egy a motor vezérlőben található vezérlő chip végzi folyamatosan.
A széles sávú szonda fontos alkotóeleme az NOx-szondáknak azon járműveknél, amelyek un. NOx-tárolós katalizátorral vannak ellátva, itt a nitrogénoxid tartalom az un. katalítikus bontás során keletkező oxigén mennyiségének mérése alapján történik.