Актуальность. Перспективы применения

Постоянное ухудшение экологической обстановки в местах массовой эксплуатации автомобильного транспорта заставляет искать эффективные пути снижения токсичности отработавших газов автомобильных двигателей.

Одним из эффективных путей решения этой задачи является конвертирование двигателей в газовые, в частности – работающие на природном газе (метане). Благодаря своему химическому составу это топливо обеспечивает практически нулевой уровень выбросов твёрдых частиц, канцерогенных и других неметановых углеводородов, а высокая гомогенизация смеси обеспечивает низкий уровень выбросов моноксида углерода СО и несгоревших углеводородов СН.

Нижний предел воспламенения метана значительно больше, чем у бензина, что позволяет реализовать концепцию «бедного горения», то есть работу двигателя на бедных смесях на большинстве режимов. Это, в свою очередь, позволяет добиться низкого уровня выбросов оксидов азота NOx, а также частично реализовать преимущества качественного регулирования мощности двигателя.

Налаживание массового выпуска газовых двигателей с целью даже частичной замены бензиновых и дизельных ДВС, находящихся сейчас в эксплуатации, в настоящее время является очень сложной и дорогостоящей проблемой. Гораздо более дешёвым и целесообразным способом решения поставленной задачи является конвертирование бензиновых и дизельных ДВС, находящихся сейчас в эксплуатации, в газовые двигатели.

Одной из важнейших причин конвертирования автомобильных дизельных и бензиновых двигателей в газовые являются лучшие экологические свойства природного газа по сравнению с жидкими нефтяными топливами, вызванные его физико-химическими особенностями. Данный шаг позволяет обеспечить соответствие ДВС всё более жёстким экологическим нормам при относительно низких материальных затратах.

Основным компонентом природного газа (85…99 %, в зависимости от месторождения) является метан СН4. Благодаря этому природный газ имеет самое низкое соотношение атомов углерода и водорода из всех известных на сегодня моторных топлив (С/Н » 0,25), за исключением водорода (С/Н = 0). Как следствие, двигатель, работающий на природном газе, имеет в среднем на 20…25 % меньшие выбросы углеродсодержащих вредных компонентов, в том числе парникового газа СО2, на 1 кВт/ч выработанной энергии, чем двигатель, работающий на нефтяном топливе.

По этой же причине в газовом двигателе отсутствуют выбросы высокомолекулярных углеводородов (в том числе канцерогенных полиароматических), которые являются намного более токсичными, чем метан (например, во многих стандартах на ограничение выбросов токсичных компонентов с отработавшими газами отдельно нормируются выбросы неметановых углеводородов).

Природный газ имеет больший низший предел воспламенения рабочей смеси по коэффициенту избытка воздуха (a) в сравнении с жидкими топливами нефтяного происхождения. Это позволяет газовому двигателю работать при больших значениях a (до a ≈ 2), чем при использовании жидких нефтяных топлив. Работа двигателя при высоких значениях a позволяет значительно снизить максимальную температуру сгорания смеси, которая является главным действующим фактором в образовании оксидов азота NOx. Это позволяет газовому двигателю отвечать жёстким экологическим требованиям по выбросам NOx.

Газовый двигатель работает тише в сравнении с аналогичным по мощности дизелем (в среднем на 10 дБ), поэтому конвертирование дизелей в газовые двигатели вносит положительный вклад в уменьшение уровня шума в городах.

Благодаря газообразному состоянию топлива у газового двигателя отсутствуют проблемы гомогенизации топливовоздушной смеси, присущие двигателям на жидких топливах. Это означает – более полное сгорание топлива, значительное снижение выбросов СО, СН, практически отсутствуют выбросы твёрдых частиц. Кроме того, у газового двигателя меньше выбросы СН при холодном запуске.

По этой же причине в газовом двигателе отсутствует проблема разжижения моторного масла топливом, стекающим по стенкам цилиндра двигателя в масляный картер. Благодаря этому при переводе двигателя на газовое топливо его ресурс увеличивается примерно в 2 раза, увеличивается пробег автомобиля между заменами моторного масла примерно в 2…3 раза. С точки зрения экологической безопасности, хранение и транспортировка природного газа намного безопаснее, чем хранение и транспортировка жидких топлив. Метан, основной компонент СПГ, намного легче воздуха, поэтому, в отличие от жидких топлив, при утечках из резервуаров и трубопроводов растворяется в атмосфере, не загрязняя почву, водоёмы и грунтовые воды.

Осознавая факты, приведенные выше, правительства большинства государств в мире внедряют программы расширения использования природного газа в качестве топлива для автомобильного транспорта.

В результате на конец 2010 г. в мире насчитывалось 12674402 газобал­лонных автомобилей, для заправки которых использовались 18202 автомобильных газонаполнительных компрессорных станции (АГНКС). Это на 11,6 % больше, чем насчитывалось в мире на конец 2009 года, причём количество АГНКС увеличилось на 10,2 %. В конце 2011 г. в мире уже насчитывалось 14167763 газобаллонных автомобилей, то есть более чем на 10,5 % больше, чем в декабре 2010 г., и 20542 АГНКС.

С учётом того, что всего на конец 2010 года в мире насчитывалось 1284407668 автомобиля, получается, что количество газобаллонных автомобилей составляло 0,99 % от их общего количества.

Украина является лидером среди стран бывшего СССР по количеству газобаллонных автомобилей, занимает второе место в Европе и входит в десятку стран-мировых лидеров по этому показателю. В 2010 году из 1372262 зарегистрированных в Европе газобаллонных автомобилей 200000, то есть 14,6 %, пришлось на долю Украины, которая, вместе с Италией, может считаться региональным лидером по этому показателю.

Одной из проблем, возникающих при конвертировании автомобилей, работающих на жидком нефтяном топливе, в газовые долгое время было снижение грузоподъёмности транспортного средства вследствие значительно большей массы стального газового баллона в сравнении с заправленным топливным баком при меньшем пробеге на одной заправке.

Однако благодаря использованию современных облегчённых металло-пластиковых или композитных газовых баллонов, выдерживающих давление до 47 МПа, современные автомобили, работающие на природном газе, существенно не уступают бензиновым и дизельным аналогам по массогабаритным характеристикам заправленного топливного резервуара и величине пробега на одной заправке топливом, а в ближайшем будущем могут полностью сравняться с ними, и даже превзойти их по вышеупомянутым показателям.

Кроме того, в настоящее время решена проблема размещения газового баллона на борту легкового автомобиля таким образом, чтобы он не уменьшал объём полезного пространства кузова.

Для грузовых автомобилей, автобусов и спецтехники проблема размещения газовых баллонов, как правило, не стоит – они устанавливаются за кабиной, в раме либо на крыше транспортного средства.

Примеры размещения газовых баллонов в современных легковых автомобилях
Примеры размещения газовых баллонов на борту грузовых автомобилей и автобусов

Другой проблемой, препятствующей конвертированию бензиновых и дизельных двигателей в газовые, является снижение показателей мощности ДВС вследствие данной процедуры.

В газовых двигателях на основе бензиновых причиной этого явления является меньшая удельная теплота сгорания газовоздушной смеси в сравнении с бензовоздушной. В таком случае проблема решается отказом от двухтопливности (одновременное использование бензина и природного газа в качестве топлива с переключением между ними по необходимости). Большее октановое число природного газа в сравнении с бензином позволяет повысить величину степени сжатия на несколько единиц и за счёт этого компенсировать падение мощности. Проблема холодного пуска газового двигателя с искровым зажиганием решается путём установки системы зажигания высокой энергии.

Газовые двигатели с искровым зажиганием на основе дизелей имеют избыточный запас прочности деталей, воспринимающих нагрузки от давления газов в цилиндре, однако эти детали, а также система охлаждения базового дизеля, рассчитаны на меньшие термические напряжения. Вследствие этого возникает проблема перегрева ДВС на режимах максимальных нагрузок. Данная проблема решается реализацией концепции «бедного горения», то есть работы двигателя при высоких значениях коэффициента избытка воздуха (a). Снижение мощности в данном случае компенсируется использованием наддува, а надёжность воспламенения смеси обеспечивается применением высокоэнергетической системы зажигания.

Также для обоих типов двигателей решающее влияние на их показатели мощности, экономичности и токсичности оказывает рациональный выбор степени сжатия.

Ярким примером реализации потенциальных возможностей природного газа в качестве моторного топлива являются рекордные и спортивные автомобили, использующие в качестве топлива исключительно природный газ.

Например, чилийский поставщик газа – компания Gasco, и аргентинская компания Pelmag CNG, производящая оборудование для конвертиро­вания автомобилей в газовые, начиная с 2010 г. демонстрируют высокую эффективность природного газа в качестве моторного топлива благодаря высоким результатам их команды AutoGasco в ралли Париж-Дакар. Эта команда на автомобилях Toyota Prado, оборудованных однотопливными газовыми двигателями, в 2011 г. заняла 25-е, 29-е и 48-е места из 156 стартовавших автомобилей. Целью выступления команды AutoGasco на ралли Париж-Дакар является демонстрация возможностей однотопливных газобаллонных автомобилей в плане показателей мощности, надёжности эксплуатации и дальности пробега на одной заправке.

На Чемпионате Швеции по шоссейно-кольцевым гонкам среди легковых автомобилей в 2012 г. автомобили модели Volkswagen Motorsport Scirocco, двигатели которых работали на биометане (природном газе, очищенном от добавок), заняли соответственно 1-е, 3-е, 4-е и 6-е места. Данные автомобили были оснащены 4-хцилиндровыми турбированными двигателями с рабочим объёмом цилиндров 1998 см3, которые позволяли разгонять автомобиль от 0 до 100 км\ч за 4,5 с. Максимальная скорость автомобилей Volkswagen Motorsport Scirocco составляет 240 км/ч.

В апреле 2012 г. в США газовый автомобиль «Maxximus 2000» установил мировой рекорд ускорения с места для автомобилей, имеющих лицензию для езды по дорогам общего пользования (разгон от 0 до 100 км\ч за 1,96 с). Автомобиль заправляется метаном в сжиженном виде, оснащён 8-мицилиндровым V-образным двигателем с рабочим объёмом цилиндров 7046 см3. Его максимальная мощность – 2000 л.с. (1491 кВт), максимальная скорость автомобиля при этом – 485 км/ч.

В 2007 г. рекордный автомобиль «Lessman Racing» во время заезда по высохшему соляному озеру Бонневиль достиг максимальной скорости 534 км/ч. На автомобиле установлен 8-мицилиндровый V-образный двигатель с рабочим объёмом цилиндров 9373 см3 и мощностью 1500 л.с. (1119 кВт), работающий на сжатом природном газе.

Примеры рекордных и спортивных автомобилей, работающих на природном газе

Таким образом, можно видеть, что современные газовые автомобили по своим потребительским качествам могут ничуть не уступать своим собратьям, работающих на жидких углеводородных топливах, при этом существенно опережая их по экологическим показателям. Единственное препятствие массовому использованию однотопливных газовых автомобилей – недостаточное развитие заправочной инфраструктуры и механизмов государственного регулирования цен на газовое топливо.

Ниже приведены примеры автомобилей, использующих природный газ в качестве моторного топлива.

Примеры легковых автомобилей, работающих на природном газе
Примеры коммерческих фургонов, работающих на природном газе
Примеры грузовых автомобилей и спецтехники на их основе, работающих на природном газе
Примеры автобусов, работающих на природном газе
Другие колёсные механизмы, работающие на природном газе