Постійне погіршення екологічної обстановки в місцях масової експлуатації автомобільного транспорту змушує шукати ефективні шляхи зниження токсичності відпрацьованих газів автомобільних двигунів.
Одним з ефективних шляхів вирішення цього завдання є конвертування двигунів в газові, зокрема - працюють на природному газі (метан). Завдяки своєму хімічному складу це паливо забезпечує практично нульовий рівень викидів твердих частинок, канцерогенних та інших неметанових вуглеводнів, а висока гомогенізація суміші забезпечує низький рівень викидів моноксиду вуглецю СО і незгорілих вуглеводнів СН.
Нижня межа займання метану значно більше, ніж у бензину, що дозволяє реалізувати концепцію «бідного горіння», тобто роботу двигуна на бідних сумішах на більшості режимів. Це, в свою чергу, дозволяє домогтися низького рівня викидів оксидів азоту NOx, а також частково реалізувати переваги якісного регулювання потужності двигуна.
Налагодження масового випуску газових двигунів з метою навіть часткової заміни бензинових і дизельних ДВС, які перебувають зараз в експлуатації, в даний час є дуже складною і дорогою проблемою. Набагато більш дешевим і доцільним способом вирішення поставленого завдання є конвертація бензинових і дизельних ДВС, які перебувають зараз в експлуатації, в газові двигуни
Однією з найважливіших причин конвертації автомобільних дизельних і бензинових двигунів в газові є кращі екологічні властивості природного газу в порівнянні з рідкими нафтовими паливами, викликані його фізико-хімічними особливостями. Даний крок дозволяє забезпечити відповідність ДВС все більш жорстким екологічним нормам при відносно низьких матеріальних витратах.
Основним компонентом природного газу (85 ... 99%, в залежності від родовища) є метан СН4. Завдяки цьому природний газ має найнижче співвідношення атомів вуглецю і водню з усіх відомих на сьогодні моторних палив (С / Н »0,25), за винятком водню (С / Н = 0). Як наслідок, двигун, що працює на природному газі, має в середньому на 20 ... 25% менші викиди містять вуглець шкідливих компонентів, в тому числі парникового газу СО2, на 1 кВт / год виробленої енергії, ніж двигун, що працює на нафтовому паливі.
Газовий двигун працює тихіше в порівнянні з аналогічним по потужності дизелем (в середньому на 10 дБ), тому конвертація дизелів в газові двигуни вносить позитивний внесок в зменшення рівня шуму в містах.
Завдяки газоподібному станом палива у газового двигуна відсутні проблеми гомогенізації суміші, властиві двигунів на рідких паливах. Це означає - більш повне згоряння палива, значно знизився рівень викидів СО, СН, практично відсутні викиди твердих частинок. Крім того, у газового двигуна менше викиди СН при холодному запуску.
З цієї ж причини в газовому двигуні відсутній проблема розрідження моторного масла паливом, що стікає по стінках циліндра двигуна в масляний картер. Завдяки цьому при перекладі двигуна на газове паливо його ресурс збільшується приблизно в 2 рази, збільшується пробіг автомобіля між замінами моторного масла приблизно в 2 ... 3 рази. З точки зору екологічної безпеки, зберігання і транспортування природного газу набагато безпечніше, ніж зберігання і транспортування рідких палив. Метан, основний компонент СПГ, набагато легший за повітря, тому, на відміну від рідких палив, при витоках з резервуарів і трубопроводів розчиняється в атмосфері, не забруднюючи ґрунт, водойми і грунтові води.
Усвідомлюючи факти, наведені вище, уряди більшості країн в світі впроваджують програми розширення використання природного газу в якості палива для автомобільного транспорту.
В результаті на кінець 2010 р в світі налічувалося 12674402 газобалонних автомобілів, для заправки яких використовувалися 18202 автомобільних газонаповнювальних компресорних станції (АГНКС). Це на 11,6% більше, ніж налічувалося в світі на кінець 2009 року, причому кількість АГНКС збільшилася на 10,2%. В кінці 2011 р в світі вже налічувалося 14167763 газобалонних автомобілів, тобто більш ніж на 10,5% більше, ніж в грудні 2010 р, і 20542 АГНКС.
З цієї ж причини в газовому двигуні відсутні викиди високомолекулярних вуглеводнів (в тому числі канцерогенних поліароматичних), які є набагато більш токсичними, ніж метан (наприклад, у багатьох стандартах на обмеження викидів токсичних компонентів з відпрацьованими газами окремо нормуються викиди неметанових вуглеводнів).
Природний газ має більший нижча межа займання робочої суміші за коефіцієнтом надлишку повітря (a) в порівнянні з рідкими паливами нафтового походження. Це дозволяє газовому двигуну працювати при великих значеннях a (до a ≈ 2), ніж при використанні рідких нафтових палив. Робота двигуна при високих значеннях a дозволяє значно знизити максимальну температуру згоряння суміші, яка є головним чинником, що діє в освіті оксидів азоту NOx. Це дозволяє газовому двигуну відповідати жорстким екологічним вимогам щодо викидів NOx.
З урахуванням того, що за все на кінець 2010 року в світі налічувалося 1284407668 автомобіля, виходить, що кількість газобалонних автомобілів становило 0,99% від їх загальної кількості.
Україна є лідером серед країн колишнього СРСР за кількістю газобалонних автомобілів, займає друге місце в Європі і входить в десятку країн-світових лідерів за цим показником. У 2010 році з 1372262 зареєстрованих в Європі газобалонних автомобілів 200000, тобто 14,6%, довелося на частку України, яка, разом з Італією, може вважатися регіональним лідером за цим показником.
Однією з проблем, що виникають при конвертації автомобілів, що працюють на рідкому нафтовому паливі, в газові довгий час було зниження середньої вантажопідйомності транспортного засобу внаслідок значно більшої маси сталевого газового балона в порівнянні з заправленим паливним баком при меншому пробігу на одній заправці.
Однак завдяки використанню сучасних полегшених метало-пластикових або композитних газових балонів, що витримують тиск до 47 МПа, сучасні автомобілі, що працюють на природному газі, істотно не поступаються бензиновим і дизельним аналогам по масогабаритні характеристики заправленого паливного резервуара і величиною пробігу на одній заправці паливом, а в найближчому майбутньому можуть повністю зрівнятися з ними, і навіть перевершити їх по вищезгаданим показниками.
Крім того, в даний час вирішена проблема розміщення газового балона на борту легкового автомобіля таким чином, щоб він не зменшував об'єм корисного простору кузова.
Для вантажних автомобілів, автобусів та спецтехніки проблема розміщення газових балонів, як правило, не варто - вони встановлюються за кабіною, в рамі або на даху транспортного засобу.
Іншою проблемою, що перешкоджає конвертації бензинових і дизельних двигунів в газові, є зниження показників потужності ДВС внаслідок даної процедури.
У газових двигунах на основі бензинових причиною цього явища є менша питома теплота згоряння газоповітряної суміші в порівнянні з бензоповітряної. В такому випадку проблема вирішується відмовою від двопаливного (одночасне використання бензину і природного газу в якості палива з перемиканням між ними в разі потреби). Більша октанове число природного газу в порівнянні з бензином дозволяє підвищити величину ступеня стиснення на кілька одиниць і за рахунок цього компенсувати падіння потужності. Проблема холодного пуску газового двигуна з іскровим запалюванням вирішується шляхом установки системи запалювання високої енергії.
Газові двигуни з іскровим запалюванням на основі дизелів мають надлишковий запас міцності деталей, що сприймають навантаження від тиску газів в циліндрі, однак ці деталі, а також система охолодження базового дизеля, розраховані на менші термічні напруги. Внаслідок цього виникає проблема перегріву ДВС на режимах максимальних навантажень. Дана проблема вирішується реалізацією концепції «бідного горіння», тобто роботи двигуна при високих значеннях коефіцієнта надлишку повітря (a). Зниження потужності в даному випадку компенсується використанням наддуву, а надійність займання суміші забезпечується застосуванням високоенергетичної системи запалювання.
Також для обох типів двигунів вирішальний вплив на їх показники потужності, економічності та токсичності надає раціональний вибір ступеня стиснення.
Яскравим прикладом реалізації потенційних можливостей природного газу в якості моторного палива є рекордні і спортивні автомобілі, що використовують в якості палива виключно природний газ.
Наприклад, чилійський постачальник газу - компанія Gasco, і аргентинська компанія Pelmag CNG, що виробляє обладнання для конвертації автомобілів в газові, починаючи з 2010 р демонструють високу ефективність природного газу в якості моторного палива завдяки високим результатам їх команди AutoGasco в ралі Париж-Дакар. Ця команда на автомобілях Toyota Prado, обладнаних однотоплівнимі газовими двигунами, в 2011 р зайняла 25-е, 29-е і 48-е місця з 156 стартували автомобілів. Метою виступу команди AutoGasco на ралі Париж-Дакар є демонстрація можливостей однотоплівних газобалонних автомобілів в плані показників потужності, надійності експлуатації і дальності пробігу на одній заправці.
На Чемпіонаті Швеції з шосейно-кільцевих перегонів серед легкових автомобілів в 2012 р автомобілі моделі Volkswagen Motorsport Scirocco, двигуни яких працювали на біометані (природному газі, очищеному від добавок), зайняли відповідно 1-е, 3-е, 4-е і 6 -е місця. Дані автомобілі були оснащені 4-хціліндровимі турбірованнимі двигунами з робочим об'ємом циліндрів 1998 см3, які дозволяли розганяти автомобіль від 0 до 100 км \ год за 4,5 с. Максимальна швидкість автомобілів Volkswagen Motorsport Scirocco становить 240 км / ч.
У квітні 2012 р в США газовий автомобіль «Maxximus 2000» встановив світовий рекорд прискорення з місця для автомобілів, що мають ліцензію для їзди по дорогах загального користування (розгін від 0 до 100 км \ год за 1,96 с). Автомобіль заправляється метаном в зрідженому вигляді, оснащений 8-міціліндровим V-подібним двигуном з робочим об'ємом циліндрів 7046 см3. Його максимальна потужність - 2000 к.с. (Одна тисяча чотиреста дев'яносто один кВт), максимальна швидкість автомобіля при цьому - 485 км / ч.
У 2007 р рекордний автомобіль «Lessman Racing» під час заїзду по висохлому соляному озеру Бонневиль досяг максимальної швидкості 534 км / ч. На автомобілі встановлений 8-міціліндровий V-подібний двигун з робочим об'ємом циліндрів 9373 см3 і потужністю 1500 к.с. (1119 кВт), що працює на стиснутому природному газі.
Таким чином, можна бачити, що сучасні газові автомобілі за своїми споживчими якостями можуть нітрохи не поступатися своїм побратимам, які працюють на рідких вуглеводневих паливах, при цьому істотно випереджаючи їх за екологічними показниками. Єдина перешкода масового використання однотоплівних газових автомобілів - недостатній розвиток заправної інфраструктури та механізмів державного регулювання цін на газове паливо.
Нижче наведені приклади автомобілів, що використовують природний газ як моторне паливо.
