Природный газ - как моторное топливо. Природный газ, как моторное топливо

Автомобильный парк нашей страны значительно вырос за последние годы и его увеличение продолжается.

Связанный с этим рост потребления жидкого топлива на транспорте сопровождается истощением хорошо освоенных и удобно расположенных нефтяных месторождений, вследствие чего приходится осваивать новые, расположенные в труднодоступных районах. Это, в свою очередь, приводит к удорожанию как сырой нефти, так и получаемых из нее нефтепродуктов.

Между тем страна располагает большими запасами высококачественного моторного топлива, не требующего для использования в двигателях никакой химической переработки. Речь идет о природном газе. Как моторное топливо, природный газ в натуральном виде превосходит нефтяное топливо. При использовании его обеспечиваются высокие технико-экономические показатели в ДВС, так как природный газ имеет хорошие антидетонационные качества, создает благоприятные условия смесеобразования и обладает широкими пределами воспламенения в смеси с воздухом. По-видимому, по этой причине первые ДВС делались для работы именно на газе.

В конце 40-х и начале 50-х годов в СССР было освоено производство газобаллонных автомобилей, использовавших сжатый природный газ. Несколько тысяч таких автомобилей в течение нескольких лет эксплуатировались в Украине и Поволжье – районах, достаточно обеспеченных в то время природным газом.

Однако начальный уровень газоснабжения и относительно малый в то время объем добычи газа не позволили расширить применение газобаллонных автомобилей, а возросшая потребность других отраслей промышленности (например, по производству удобрений), не обеспеченных приростом добычи, привела, в конечном итоге, к прекращению выпуска таких машин и изъятия их из эксплуатации.

В настоящее время положение в корне изменилось. Отдельные магистральные газопроводы давно объединены в Единую Систему Газоснабжения, которая густой сетью покрывает всю европейскую часть России, Среднюю Азию, Приморский край и остров Сахалин. И газификация продолжается бурными темпами.

Таким образом, имеется комплекс факторов – от высоких качеств природного газа, как моторного топлива, до эффективного уровня развития Единой Системы Газоснабжения – определяющих широкие перспективы применения газового топлива на транспорте.

Косвенным подтверждением целесообразности использования природного газа в качестве топлива для ДВС служит широкое использование его в Италии, США, Японии, ФРГ, Канаде, Нидерландах и т. д.

Горючие газы, применяемые в качестве моторного топлива для автомобилей, можно условно разделить на три основных вида по условиям специфики содержания, влияющей на возможность использования на разных классах автомобилей (легковых, грузовых, автобусов):

1. Сжиженные нефтяные газы (СНГ).

2. Компримированные (сжатые) природные газы (КПГ).

3. Сжиженные природные газы (СПГ).

Сжиженные нефтяные газы при нормальных температурах (в диапазоне от –20 °C до +20 °C) и относительно небольших давлениях (1,0...2,0 МПа – 10...20 кгс/см2) находятся в жидком состоянии. Их основные компоненты – этан, пропан, бутан и весьма близкие к ним непредельные углеводороды – этилен, пропилен, бутилен и их изомер. Эти газы получаются при добыче и переработке нефти и поэтому их называют сжиженные нефтяные газы (СНГ). Комплект газового оборудования для СНГ вместе с баллоном весит от 40 до 60 кг и вполне подходит для установки на легковых автомобилях. Объем баллона обеспечивает пробег около 300 км, что вполне соизмеримо с расчетным пробегом 400 км для автомобиля, работающего на бензине.

Компримированные (сжатые) природные газы (КПГ) при нормальных температурах и любых высоких давлениях находятся в газообразном состоянии. К таким газам относятся метан, водород и др. Наибольший интерес для использования в качестве горючего на автомобильном транспорте представляет метан. Он является основной частью добываемых природных газов и составной частью биогаза, получаемого в результате брожения различных канализационных отходов.

Главным недостатком природного газа, как моторного топлива, является очень низкая объемная концентрация энергии. Если теплота сгорания одного литра жидкого топлива равна, примерно, 31 426, то у природного газа при нормальных условиях она равна 33,52–35,62 кДж, т. е. почти в 1000 раз меньше. По этой причине для использования газа в качестве моторного топлива на транспортном средстве его надо предварительно сжать до высоких давлений 20–25 МПа и более и заполнить им специальные баллоны.

Для хранения газа под таким давлением выпускаются баллоны из углеродистых и легированных сталей на давление 15–32 МПа. Каждый баллон в незаполненном состоянии весит более 100 кг. Использование их на легковом автомобиле не рационально, так как их вес соизмерим с возможной полезной нагрузкой.

В связи с этим их используют на грузовых автомобилях и автобусах.

Однако, несмотря на то, что применяемые в современной практике баллоны пока тяжелы, они полностью обеспечивают среднесуточный пробег автомобиля и могут применяться повторно при списании автомобиля. В некоторых отраслях техники, применяются армированные пластмассовые сосуды, которые легче стальных в 4–4,5 раза. В этом случае массовый показатель хранения КПГ, хотя и остается ниже, чем у бензина, но отличается от него на величину, малосущественную в практике. Но они очень дороги.

Сжиженные природные газы (СПГ) имеют такое же происхождение и состав, как и компримированные природные газы. Они получаются охлаждением метана до минус 162 °C. Хранятся в теплоизолированных емкостях.

Независимо от качества теплоизоляции газосодержащих емкостей (сосуды Дюара), температура в них повышается, а следовательно, этот способ содержания газового топлива может быть использован при интенсивной эксплуатации транспортного средства и его безгаражном хранении, так как периодически требуется сброс давления, т. е. выпуск порции газа.

При переводе автотранспорта на СПГ его низкую температуру возможно использовать для компенсации потерь мощности или кондиционирования воздуха в салоне автомобиля.

Переоборудование автомобиля для работы на СПГ заключается в установке специальной криогенной емкости, небольшого испарителя, использующего тепло выпускных газов, и монтаже газовой топливной аппаратуры, которая аналогична применяемой на газобаллонных автомобилях при работе на КПГ. Затраты на получение СПГ в 2–3 раза больше, чем на получение КПГ. Поэтому сжиженный природный газ целесообразно применять на автомобилях-рефрижераторах, где он может выполнять дополнительные функции хладагента для холодильников и кондиционеров.

Исходя из вышеизложенного и учитывая, что в книге рассматривается газовое оборудование для легковых и малотоннажных грузовых автомобилей, основное внимание мы уделим двум первым видам газового топлива и устройствам, обеспечивающим их работу на двигателях внутреннего сгорания (ДВС).

Что нам ожидать от газового топлива?

Для ответа на этот вопрос рассмотрим основные физико-химические показатели газовых топлив, а также их влияние на эксплуатационные качества двигателя в сравнении с аналогичными характеристиками бензина.

Познакомим с величинами, их характеризующими.

1 Низшая теплота сгорания (HH, МДж/кг или МДж/м3) характеризует энергетические свойства газа и показывает, какое наименьшее количество теплоты может выделиться при полном сгорании единицы массы или объема.

2 Стехиометрический (массовый или объемный) коэффициент (L0 кг/кг или м3/м3) характеризует количество воздуха, теоретически необходимого для полного сгорания единицы массы или объема газа.

3 Низшая теплотворность горючей смеси (hH МДж/кг или МДж/м3) характеризует содержание тепловой энергии в единице массы ли и объема горючей смеси стехиометрического состава.

Названные показатели связаны между собой соотношением:

4. Плотность (Р, кг/м3) представляет собой массу, заключенную в единице объема газа в жидкой или газообразной его фазе при определенных внешних условиях (температуре и давлении).

5. Октановое число (ОЧ) характеризует антидетонационные свойства газа и служит критерием для установления допустимой степени сжатия двигателя. ОЧ газовых топлив лежит в пределах 70?110. Чем выше ОЧ газа, тем он менее склонен к детонационному сгоранию и тем выше допустимая степень сжатия двигателя и, следовательно, его экономичность.

6. Цетановое число (ЦТ) характеризует воспламеняемость газа: чем оно ниже, тем хуже происходит воспламенение газа и, следовательно, ухудшаются пусковые свойства двигателя на этом газе.

Октановое и цетановое числа связаны между собой линейной зависимостью: чем выше ОЧ, тем ниже ЦТ.

7. Пределы воспламеняемости газа характеризуют граничные значения содержания газа (в процентах по объему) в воздухе, при которых еще возможно воспламенение горючей смеси. На воспламеняемость газовой смеси оказывают влияние температура, давление и ее турбулентность (завихрение газовых потоков). Переобедненные и переобогащенные газовые смеси не воспламеняются.

Знание этих пределов важно как для организации рабочего процесса и регулирования топливоподачи в двигателях, так и для определения взрыво– и пожаробезопасности концентраций и соответствующего обустройства помещений для хранения и технического обслуживания автомобилей.

8. Критическая температура (Ткр) – температура, при которой плотности жидкости и ее насыщенного пара становятся равными и граница раздела между ними исчезает.

9. Давление насыщенных паров (Ркр) при критической температуре называется критическим давлением.

При температуре выше критической вещество может находиться только в газообразном состоянии независимо от внешнего давления.

Знание критической температуры очень важно для оценки газовых топлив и их классификации.

Рассмотрим таблицу с точки зрения сравнения физико-химических показателей газа и бензина как топлив для ДВС.

* Расшифровка показателей и таблица 1 взяты из справочника «Газобаллонные автомобили», авторы А. И. Морев, В. Н. Ерохов, Б. А. Бекетов и др. – М.: «Транспорт», 1992.

Первый показатель в таблице – химическая формула. Метан и сжиженный нефтяной газ, в состав которого входят этан, пропан, бутан и пентан, ни в своем составе, ни в примесях не имеют свинца, что делает выхлоп при их сгорании экологически более чистым, чем у бензина.

Молекулярная масса у газов ниже, чем у бензина, следовательно, наполнение цилиндров горючей смесью, при прочих равных условиях, будет ниже, чем у бензина. Это минус, так как ведет к снижению мощности ДВС.

Относительная плотность газовой фазы по воздуху – величина, необходимая для расчета механизмов смесеобразования рабочего тела (газовоздушной смеси) и непосредственно не характеризует преимущества, или недостатки газового топлива перед бензином, но говорит о том, что при утечке метан будет уходить вверх, а СНГ будет скапливаться внизу.

Плотность жидкости – характеризует объем сосуда для хранения жидкой фазы топлива. Мы видим, что для одной и той же массы для бензина нужен объем меньше, чем для газа. Это – минус.

Критическая температура. Углеводородные газы, имеющие критическую температуру значительно выше обычных температур окружающей среды (например, у пропана 96,8 °C, а у бутана – 152,0 °C), легко сжижаются и хранятся в сжиженном состоянии при относительно небольшом давлении. Они хранятся в достаточно легких емкостях, позволяющих их использовать для питания двигателей легковых и малотоннажных грузовых автомобилей.

А метан, у которого критическая температура значительно ниже (минус 82,1 °C), будет при любом давлении в газообразном состоянии, и для его использования в качестве газового топлива его содержат в баллонах под давлением 20 МПа.

Низшая теплота сгорания у всех газов больше, чем у бензина. Это является преимуществом газового топлива и компенсирует пониженное наполнение цилиндров из-за малой относительной плотности газа.

Стехиометрический коэффициент у газов выше, чем у бензина.

Октановое число у газа значительно выше, чем у бензина. Это большое преимущество газа, позволяющее избавить двигатель от детонации, увеличить его мощность за счет увеличения степени сжатия и снизить расход топлива.

Температура воспламенения. Не в пользу газа. Это ухудшит пусковые качества двигателя.

Пределы воспламеняемости и коэффициент избытка воздуха в пользу газового топлива. Они говорят о том, что пределы регулирования ДВС на газовом топливе шире, чем на бензиновом.

На основе рассмотренных физико-химических свойств газовых топлив можно утверждать, что они безусловно превосходят бензиновые по следующим параметрам:

– позволяют добиваться более высоких мощностных и топливно-экономических показателей, чем у аналогичных по способу организации рабочего процесса бензиновых двигателей. Специально сконструированные газовые двигатели по удельным показателям мощности превосходят бензиновые, а по топливной экономичности близки к дизельным;

– по экологическим показателям выхлопа значительно превосходят бензины.

Очень ярким доказательством преимущества применения газового топлива перед бензиновым является опыт работы в этом направлении в газовой промышленности. Вот как оценивают опыт применения газового топлива в книге «Природный газ как моторное топливо на транспорте» (издательство «Недра», 1986 год) авторы Ф. Г. Гайнуллин, А. И. Грищенко, Ю. Н. Васильев, Л. С. Золотаревский.

«Обобщение и анализ многолетнего опыта эксплуатации газовых двигателей на различных объектах газовой промышленности, выполненные ВНИИГАЗом, свидетельствуют о том, что при переходе с жидкого топлива на газообразное срок службы двигателя до капитального ремонта возрастает в 1,5 раза, а сроки смены масла увеличиваются в 2 раза...

Достаточно отметить, что коэффициент полезного действия газовых двигателей зe достигает 38–40 % в широком диапазоне режимов. Для сравнения укажем, что зe бензинового двигателя составляет лишь 30–35 % и только на наиболее экономичных режимах работы...

Особенно усложнено приготовление смеси для бензиновых двигателей при низких температурах атмосферного воздуха вследствие того, что бензин в этих условиях плохо испаряется. При газовом топливе приготовление равномерной смеси не вызывает труда...

Отмечается, что токсичность выпускных газов при работе на природном газе на 90 % ниже токсичности выпускаемых газов бензиновых двигателей...

Перевод двигателей на КПГ вместо бензина обеспечил снижение содержания в выпускных газах окиси углерода с 1,3 до 0,13 %, углеводородов с 221 до 88 млн. долей, а окислов и соединений азота с 1000 и более до 100–200 млн. долей. Помимо улучшения экологии использование КПГ в автомобильных двигателях увеличивает срок службы свечей до 85 тыс. км... нет испарения топлива, не образуются паровоздушные пробки в топливоподающей системе, обеспечиваются: устойчивая работа на холостом ходу, хорошая приемистость и пожаробезобасность.

В настоящее время в всем мире эксплуатируется свыше 400 тыс. газобаллонных автомобилей, работающих на КПГ. Самое большое число газобаллонных автомобилей на КПГ, в основном легковых (270 тыс. шт.), эксплуатируется уже несколько десятков лет в Италии...

По данным фирмы «Ford» (США), мощность автомобильного двигателя, работающего на СПГ после 55 тыс. миль пробега, была на 10 % выше, чем аналогичного, работавшего на бензине (соответственно 74 и 66 кВт), а содержание окиси углерода в отработавших газах двигателей на СПГ было в 5 раз ниже (соответственно 0,21 и 1,2 %). Аналогичные результаты показывают также и другие фирмы...».

Естественно, сразу же возникает вопрос: «А почему же мы до сих пор не перешли все на газовое топливо для автомобилей?»

Это связано, в первую очередь, со сложностью создания резервов топлива. Как отмечалось выше, только сейчас размах газификации нашей страны принял такие размеры, которые могут позволить создать необходимую сеть газозаправочных станций для автомобилей.

Система хранения необходимых для бесперебойной работы транспорта запасов газа оказывается чрезвычайно громоздкой и требует значительных капитальных вложений. Достаточно сказать, что стоимость емкостей для хранения часового запаса сжатого газа в несколько раз превышает стоимость компрессора такой же часовой производительности. Стоимость емкостей для длительного хранения сжиженного газа оказывается еще выше вследствие применения дорогостоящих материалов.

И сейчас при определении рентабельности, а то и смысла перехода на газовое оборудование, необходимо учитывать наличие газозаправочных станций в регионах использования автомобиля.

Применение двухтопливных двигателей, способных одинаково надежно работать как на газовом, так и на жидком топливе, частично решает эту проблему. Такие двигатели могут работать как на бензине, так и на газе, или на дизельном топливе и на газе. Но это накладывает свой отпечаток на использование свойств газа, как топлива для двигателей внутреннего сгорания, лишая возможности полной реализации его серьезных преимуществ, таких, как повышение мощности и улучшение топливной экономичности за счет увеличения степени сжатия.

Для полного использования преимуществ газового топлива перед бензинами необходимо конструировать двигатели специально под газовое топливо, что требует серьезной перестройки автомобильной промышленности.

Необходимо создать легкие, высокопрочные и дешевые баллоны для содержания газового топлива в количестве, которое обеспечивает межзаправочный пробег для автомобиля не менее 400 км при минимальных размере и весе.

Это – перспективы.

Сегодня многие регионы обладают достаточной сетью газовых заправок для нормальной эксплуатации автомобилей, использующих газовое топливо.

Созданы различные модели качественного оборудования для перевода двигателей автомобилей в двухтопливные и на практике доказан положительный эффект использования газового топлива для ДВС автомобилей, заключающийся в более полном сгорании газовоздушной смеси, благодаря чему улучшаются условия смазки трущейся пары гильза – поршневые кольца, так как газовое топливо не смывает масло со стеной гильзы. Поэтому же уменьшается нагарообразование в головке блока и на поршнях. Масло можно менять значительно реже, так как оно не разжижается и меньше загрязняется. Расход масла на угар при этом снижается до 15 %. Межремонтный пробег газового двигателя более продолжительный по сравнению с бензиновым. На газовом двигателе увеличивается срок службы свечей зажигания.

Применение газового топлива заметно снижает суммарную токсичность отработавших газов (выхлопа) – окиси углерода СО, двуокиси азота NO2, углеводородов CH. Вредных соединений свинца в отработанном газовом топливе вовсе не существует.

Дымность выхлопа в режиме свободного ускорения при работе на газовом топливе в 3 раза ниже, чем при работе на бензине. При правильно выбранном режиме работы двигателя снижается и уровень шума, что особенно важно в условиях города. И, наконец, стоимость требуемого газового топлива ниже стоимости бензина на величину, позволяющую окупить затраты на приобретение и установку газового оборудования за 25–30 тыс. км пробега с учетом его большего расхода на единицу пути.

Природный газ в качестве автомобильного топлива используется давно, но у нас таких машин мало. А литр газа, между тем, дешевле бензина. Поговорим, какой тип природного газа предпочтителен для автомобилей.

Пропан или метан - что выбрать?

Во-первых, природный газ, состоящий в основном из метана, наиболее экологичен. Формула метана - CH 4 , а пропана - C 3 H 8 . При сгорании каждого получается углекислый газ CO 2 и вода, но метан окислить проще, вдобавок продуктов сгорания он дает меньше. Во-вторых, метан безопаснее - он легче воздуха, поэтому не скапливается в багажнике или под машиной, в отличии от пропана-бутана.

В третьих, запасы природного газа огромны, их хватит на ближайшие 150 лет, а цена в 3 раза дешевле автомобильного топлива. Но надо учитывать, что расход на газовом топливе будет чуть выше, т.к. на одном кубометре метана можно проехать столько же, сколько на 1,1 литре бензина.

Какие недостатки у метана? Главная причина - слабо развитая инфраструктура метановых заправок - в России их всего 250 штук. Получается, что метан экологичнее, дешевле, безопаснее бензина - и увеличивает ресурс двигателя : он не оставляет нагара в камере сгорания и не смывает масляную пленку со стенок цилиндров. Но заправок почти нет. Поэтому предпочтителен среди частников другой тип газа - это пропан-бутан.

Плюсы и минусы пропан-бутана

Газовое оборудование - это фактически дополнительный бак, увеличивающий запас хода на 200-500 км. В эксплуатации такой автомобиль не доставит хлопот. Двигатель пускается на бензине и при достижении температуры +25 о С в системе охлаждения переходит на газовое топливо. Автоматика тем самым следит, чтобы не обледенел газовый редуктор. Кроме того, переход с одного вида топлива на другое может производится непосредственно из салона вручную.

Если сравнивать езду в городе, то заметной разницы между ездой на газе и бензине не ощущается. Не будет ни каких проблем с троганием и реакций на педаль "газа", но в предельных режимах - мощности не достает. Так, работа на газе уменьшает отдачу серийного двигателя мощностью 106 л.с. до 98 л.с. Это может стать неудобным при обгонах на трассе, но решение - это заранее переключиться на работу бензина.

Главный минус - значительное сокращение объема багажника. Дополнительный бак устанавливают в нишу запаски, а само запасное колесо придется перенести в багажник. В хэтчбеках газовый баллон может оказываться в салоне. Тем самым сводятся на нет конструктивные преимущества, позволяющие увеличивать объем багажника за счет складывания задних сидений.

К менее существенным недостаткам заправки автомобиля газовым топливом можно отнести некоторое ухудшение разгонной динамики автомобиля (на 5%), что, впрочем, компенсируется некоторым увеличением расхода газа. Кроме того, время горения газа более продолжительное, чем у бензина , и температура в камере сгорания выше.

Если годовой побег автомобиля 10-15 тысяч по маршруту "работа-дом", то затраты на ГБО окупятся не скоро. Но если автомобиль "рабочий" и его ежедневный пробег составляет сотню-полторы километров, то оборудование окупит себя за полгода.

Резкий рост числа автомобилей в современном мире потребовал значительного увеличения объемов выработки бензина. Это подтолкнуло ученых и инженеров во всем мире к активному поиску его замены.

В этом поиске специалисты разных стран обращают свое внимание прежде всего на то, чего на их родине имеется с избытком. Так, в Бразилии каждый пятый автомобиль ездит на чистом спирте, вырабатываемом из сахарного тростника. На Филиппинах в качестве заменителя бензина опробован кокозин, получаемый из мякоти кокосовых орехов. Во Вьетнаме горючее научились делать из скорлупы кокосовых орехов. В ФРГ убеждены, что наилучшей заменой бензину является метанол (метиловый спирт) и прогнозируют, что к 2000 г. каждый четвертый автомобиль в мире будет работать на нем.

В результате поиска альтернативы бензину отечественные специалисты остановили свой выбор на газе. Свою точку зрения они объясняют следующим:

1) ресурсы газа значительно превосходят ресурсы нефти и поэтому можно будет спокойно разрабатывать другие топлива для двигателей внутреннего сгорания или даже новые типы двигателей на неуглеводородном топливе;

2) в выхлопах газового двигателя нет сернистого газа (т.к. в природном газе серы, как правило, нет), а концентрация окиси углерода в несколько раз меньше (благодаря большей полноте сгорания газа);

3) среднее октановое число природного газа равно 105, что выше, чем у лучших марок бензина;

4) двигатели на газовом топливе работают в 1,5...2 раза дольше, чем на бензине, т.к. при сгорании газа образуется меньше твердых частиц и золы, вызывающих абразивный износ цилиндров и поршней; кроме того, газ не смывает масляную пленку с поверхности цилиндров, как бензин, и не вызывает коррозию металла.

Для заправки автомобилей газ может применяться в двух видах: газообразном и жидком. В первом случае используется природный газ, который сжимают до 20...25 МПа, а во втором про-пан-бутановая смесь, которую охлаждают до минус 162 °С и хранят под давлением 1,6 МПа. Затраты на сжижение газа в 2...3 раза больше, чем на сжатие. Поэтому экономически более целесообразно использование сжатого газа.

С 1984 г. Московский автомобильный завод имени Лихачева выпускает автомобили ЗИЛ-138А и ЗИЛ-138И, работающие на сжатом природном газе. В перспективе предполагается перевести на газ весь грузовой транспорт. Газ уже применяется и на легковых автомобилях.

Природный газ является перспективным топливом и для авиации. Во всех промышленно развитых государствах она является одним из крупнейших потребителей нефтепродуктов. В 1997 г. совокупное потребление авиационного топлива всеми авиакомпаниями мира составило около 193 млн. т, в том числе странами СНГ - 10 млн. т. В настоящее время практически единственным топливом для воздушного транспорта является авиационный керосин. Однако уже достаточно давно ведутся работы по подбору альтернативных топлив.

В нашей стране в районах нефтедобычи вертолеты завода им. М.Л. Миля летают на так называемом авиационном сконденсированном топливе (АСКТ), получаемом на основе пропан-бутановых фракций, извлекаемых из попутного нефтяного газа.

Одним из альтернативных топлив для авиации является сжиженный природный газ (СПГ). Его применение в качестве авиатоплива имеет ряд достоинств:

1) выбросы вредных веществ при сжигании СПГ значительно ниже, чем при использовании авиакеросина: окислов азота образуется в 1Д..2 раза меньше, сажи - в 5 раз;

2) при одинаковой полезной нагрузке уменьшаются расход и масса топлива; так установка на самолетах ИЛ-86 двигателей, работающих на СПГ, позволит при той же дальности полета снизить взлетную массу самолета на 25,4 т, а расход топлива на 18,6 т.

Перспективность использования СПГ в качестве авиатоплива подтверждается также тем, что его производство ныне превратилось в развитую отрасль мировой экономики: в 1997 г. в мире было произведено около 140 млрд. м 3 СПГ, а ежегодный прирост торговли им составляет 7 %.

Подводя итог всему вышесказанному, можно сделать вывод, что нефть и газ играют и будут играть важную роль в жизни человека. Несмотря на расширение применения нетрадиционных возобновляемых источников энергии, в обозримой перспективе нефть и газ останутся основными энергоносителями во всех странах мира. Другое дело, что будет происходить некоторое перераспределение ролей между ними: моторные топлива, получаемые из нефти, будут постепенно заменяться сжатым или сжиженным газами.

Невозможно представить себе современную цивилизацию без продуктов переработки нефти и газа. Это направление их использования со временем также будет все более и более развиваться.

Природный газ содержит метан, тяжёлые углеводороды и инертные компоненты, которые влияют на характеристики горения. По этой причине транспортные компании и покупатели СПГ устанавливают допустимые диапазоны содержания компонентов и теплоты сгорания. Эти требования широко варьируются в зависимости от рынка сбыта. Но, несмотря на это, требования к качеству СПГ никогда не получали большого внимания при проектировании заводов. Исторически сложилось так, что проекты заводов опирались на долгосрочные контракты с несколькими покупателями, и почти не возникало нужды гибко подходить к проектированию заводов как в отношении процесса сжижения, так и на стороне получения конечного продукта. Однако ситуация меняется, так как индустрия СПГ становится более глобальной. Собственники заводов СПГ ориентируются теперь не на один-единственный рынок, а новые рынки предъявляют требования, которые не всегда совместимы с существующими производствами. Кроме того, растущий рынок СПГ даёт больше возможностей покупателям и продавцам, которые могут обеспечить гибкость в отношении показателей качества. В результате наблюдается активная тенденция к внедрению технологий повышения качества СПГ во время сжижения и на стороне получения конечных продуктов. Требования к качеству природного газа преследуют несколько целей, включая защиту от коррозии, исключение выпадения жидкой фазы в трубопроводах и влияние на характеристики горения. Требования, связанные с предотвращением коррозии, ограничивают концентрации СО2, H2S, меркаптанов и общей серы. Установки СПГ удаляют СО2 из газа до уровня 50 ppmv, чтобы предотвратить замерзание в криогенных перерабатывающих установках и, таким образом, выполнить требования, предъявляемые к газу магистрального качества. Требования по сере обычно соответствуют японскому рынку, который ограничивает концентрацию H2S значением 5 мг/нм 3 , а общую серу - цифрой 30 мг/нм 3 . Соответствие японским требованиям будет также означать соответствие требованиям для Европы и США (кроме штата Калифорния, где общая сера не должна превышать 18 мг/нм 3). Кислый газ обычно удаляется в установках амиловой очистки, использующих принцип поглощения кислых компонентов газа щелочным растворителем. СО2 как кислота слабее H2S, и поэтому часто именно процесс снижения концентрации СО2 до уровня 50 ppmv выступает определяющим при проектировании установок удаления кислого газа (H2S - более сильная кислота, и поэтому от него легче избавиться). Исключение составляют заводы, перерабатывающие природный газ с высоким содержанием меркаптанов.

Меркаптаны - крайне слабые кислоты, и их приходится удалять иными методами, чем прямое химическое поглощение. Чтобы предотвратить выпадение жидкости, газотранспортные компании ограничивают количество бутана, пентана и более тяжёлых компонентов. Заводы СПГ должны удалять более тяжёлые углеводороды, чтобы предотвратить замерзание в процессе сжижения, а удалённые тяжёлые компоненты представляют собой побочный продукт - газоконденсатный бензин. Таким образом, технические требования на содержание тяжёлых фракций большинство заводов сжижения удовлетворяет без труда.

Требования к предотвращению коррозии и выпадению жидкости достаточно последовательны, и нужды самих производств СПГ (то есть, предотвращение замерзания в ходе криогенной переработки) делают эти технические требования почти универсальными. Остаются требования к теплотворной способности и взаимозаменяемости газа. Здесь технические требования значительно отличаются, как и сама продукция из разных источников СПГ по всему миру, и именно взаимозаменяемость представляет самую большую проблему.

Использование природного газа для удовлетворения различных потребностей человека началось задолго до рождения современной газовой промышленности и имеет не менее богатую и даже более длительную историю, чем использование жидких и полутвердых разновидностей углеводородного сырья: нефти, битума, асфальта.

Первые успешные попытки применения газообразного топлива были предприняты в Древнем Китае не менее чем за 1000 лет до нашей эры: природный газ, добывавшийся при помощи глубоких скважин и перекачивавшийся по бамбуковым трубопроводам, использовался в качестве топлива для выпаривания соли из естественных соляных растворов.

И, тем не менее, применение газообразного топлива не получило сколь либо заметного развития до начала 19 века, первые десятилетия которого ознаменовались началом коммерческого использования искусственного (каменноугольного) газа для освещения улиц, жилых домов и т. п.

Что касается природного газа, то его использование в промышленных масштабах началось гораздо позже - в 70-х годах прошлого столетия - в связи с прокладкой первых магистральных трубопроводов в северо-восточных районах США, а становление мировой промышленности природного газа - лишь по окончании второй мировой войны.

Без обширного использования природного газа, невозможно эффективное развитие важнейших отраслей промышленности, особенно таких как, цветная и черная металлургия, металлообрабатывающая, цементная, химическая и нефтехимическая, нефтеперерабатывающая, машиностроение и многие другие. Большое количество природного газа используется в коммунальном хозяйстве. Природный газ широко используется, т. к., имеет сравнительно дешевую стоимость, простую трубопроводную транспортировку и распределения. Применение природного газа способствует увеличению производительности труда, автоматизации технологических процессов, повышению качества и снижению стоимости выпускаемой продукции. Основное преимущество газового топлива - это повышение санитарно-гигиенического уровня производства, улучшение условий быта населения, очистка воздушного бассейна. Кроме природного газа народом часто потребляется большое количество искусственных газов. А также транспортировка газа по трубопроводам намного дешевле транспортировок топлива по железной дороге, что позволяет высвободить огромное количество рабочей силы, используемое при, перевозке, загрузке/разгрузке железнодорожного транспорта и добыче.

Использование природного газа в такой промышленности, как химическая, позволяет увеличить производство ценных химических веществ (синтетических волокон, каучука, спиртов и других). Подведя итоги, видно, что преимущества использования газа очевидны перед другими видами топлива. Так что приходим к выводу, что другие виды топлива, имеет значение развивать только в качестве резервных или дополнительных - на случай перебоя газоснабжения.

Начало применению газа как моторного топлива было положено более 150 лет назад, когда бельгиец Этьен Ленуар создал двигатель внутреннего сгорания, работавший на светильном газе. Особой популярности этот вид топлива не получил. Последовавший вскоре рост добычи нефти и удешевление продуктов ее переработки, а также создание более совершенных двигателей сделали бензин лидером топливного рынка. Вновь интерес к газомоторному топливу возник в первой половине XX века. В России это направление стало развиваться с 30-х годов, когда из-за дефицита нефти при бурно развивающейся промышленности правительство приняло решение перевести часть транспорта на газ. Соответствующее постановление вышло в 1936 году. Был налажен выпуск техники, открыты заправки, начались разработки газовых двигателей, причем использовались оба вида газа - компримированный и углеводородный. Полномасштабной реализации программы помешала Великая Отечественная война. Тем не менее, от замысла не отказались: уже в мирное время были спроектированы и переданы в производство новые газобаллонные автомобили, число которых достигло 40 тыс. Для них строились десятки газозаправочных станций.

Газ как моторное топливо представлен двумя основными разновидностями - компримированный природный газ (КПГ), который поступает на специальные заправки - АГНКС - по газопроводам, и сжиженный углеводородный газ (СУГ). Первый является метаном, а второй - смесью пропана и бутана, продуктом переработки попутного нефтяного газа (ПНГ). Исторически первым распространение получил пропан-бутан. Его преимущество в том, что он легко сжижается при обычной температуре при давлении всего 10-15 атмосфер. При этом для его перевозки достаточно стального баллона с толщиной стенок всего 4-5 мм. С метаном сложнее. Сжижать его можно только при низких температурах, порядка минус 160 градусов по Цельсию. Расход сжатого природного газа (в отличие от сжиженного нефтяного газа) измеряется не в литрах, а в наполнительных метрах. Так как КПГ в основном состоит из метана, то его массовая теплота сгорания составляет 49,4 МДж/кг, что на 9% выше, чем у бензина, и на 11% выше, чем у авиа-керосина.

У потребителя, если он переходит с традиционного горючего на СУГ, расходы на горюче-смазочные материалы сокращаются на 20-25%. В свою очередь у компримированного природного газа по сравнению с углеводородным тоже есть преимущество.

Энергетическая отдача СУГ примерно на 25% меньше, чем у КПГ - 6175 ккал/м. куб. и 8280 ккал/м. куб. соответственно. Для потребителя это означает, что на одинаковое расстояние сжиженного углеводородного газа потребуется на 25-30% больше, к тому же он немного уступает КПГ по экологическим параметрам.

Также благодаря использованию природного газа в качестве топлива увеличивается срок службы масла и самого двигателя внутреннего сгорания. При работе мотора на газовом топливе не происходит смывания масляной пленки со стенок блока цилиндров, кроме того, на головке блока цилиндров не образовываются отложения углерода, не закоксовываются поршневые кольца, из-за которых происходит изнашивание элементов.

Оборотной стороной медали использования газа в качестве топлива становится возможная неравномерность работы мотора. Это связано с резонансом во впускной системе и расслоением газо-воздушной смеси. Усложняется и пуск холодного двигателя внутреннего сгорания зимой. Это объясняется более высокой температурой воспламенения газового топлива и меньшей скоростью сгорания.

Прошло сто лет. В начале ХХI века мировой парк автомобилей превысил 500 миллионов. Цена на нефть постоянно растет. За последние сорок лет она увеличилась с 9 до 110 долларов США за баррель. Для автомобильных двигателей внутреннего сгорания (ДВС) ученые все активнее ищут альтернативу бензину и дизтопливу. Они объявили, что через тридцать лет человечество исчерпает нефть из недр земли. Истории известно, что для работы первых ДВС использовали газовое топливо. Во многих странах выбрали – природный газ. Специалисты давно говорят о возможностях природного газа помочь человечеству успешно решать технические, экономические и экологические проблемы, возникающие на пути автомобилизации. Европейская экономическая комиссия ООН приняла резолюцию, предусматривающую к 2020 году перевести на природный газ 10 процентов (около 30 миллионов) автотранспортных средств. Сенат США принял закон о введении налоговых льгот для владельцев автомобилей, работающих на природном газе. Государственная программа Японии «Транспорт на чистых энергоносителях» предусматривает увеличение числа автомобилей на природном газе до 1 миллиона единиц.

Остановимся на некоторых фактах применения в России, ведущей стране в мире по добыче и запасам природного газа, моторного топлива для работы автомобильных ДВС.

Наша страна одной из первых начала промышленное использование природного газа в автомобильных ДВС. В тезисах автотракторной топливной конференции 1930 года можно прочитать: «Природные газы, богатыми месторождениями которых изобилует наша страна, также могут занять по праву одно из первых мест среди горючего для автотранспорта». Уже в 1939 году ЗИС и ГАЗ освоили серийный выпуск газобаллонных автомобилей (ГБА), а в 1949 году с конвейеров пошли усовершенствованные ГБА ЗИС-156 и ГАЗ-51Б. К 1960 году построили тридцать мощных автомобильных газонаполнительных компрессорных станций (АГНКС) для заправки 40 тысяч автомобилей.

Ученые и инженеры отметили достоинства природного газа: увеличение ресурса двигателя, отсутствие детонации (октановое число газа – 115), снижение расхода масла в полтора раза, отсутствие нагара и сажи в цилиндрах и уменьшение вредных веществ в отработавших газах. К недостаткам отнесли: падение мощности двигателя до 15 процентов, увеличение времени разгона автомобиля на 30 процентов, уменьшение максимальной скорости на 5‑6 процентов и угла преодолеваемого подъема на 30‑40 процентов. Газовые баллоны снижали грузоподъемность. Повышались расходы на обслуживание и ремонт автомобиля.

В 1981-1983 годах в стране были намечены мероприятия до 2000 года, по которым планировалось довести число автомобилей, работающих на природном газе, до 1 миллиона и построить 1012 АГНКС. Для снижения холостых пробегов автомобилей и увеличения использования оборудования АГНКС (особенно во вторую и третью смены) предполагалось выпустить две тысячи передвижных автомобильных газозаправщиков (ПАГЗ). Но в 1991 году в стране произошли события, из‑за которых выполнение программы прекратили.

Отмеченные выше работы выполнялись по принятой концепции переоборудования на компримированный природный газ (КПГ) автомобилей, спроектированных и выпускаемых как бензиновые и дизельные. Было освоено производство газобаллонного оборудования (ГБО). С конвейеров заводов сходили дооборудованные двухтопливные бензогазовые и газодизельные автобусы, грузовые и легковые автомобили. На автопредприятиях самостоятельно оборудовали автомобили комплектами ГБО. Число газобаллонных автомобилей (ГБА), работающих на природном газе, превысило 100 тысяч. Но у бензиновых автомобилей при работе на природном газе ухудшались эксплуатационные свойства, а газодизельные КамАЗы, выпущенные в 1986 году небольшим количеством, не получили одобрения у автомобилистов из‑за логической ошибки в конструкции системы управления двигателем.

Снижение объемов перевозок грузов и пассажиров, возгорания и взрывы автомобилей, отравления газом водителей, отсутствие заправок и другие недостатки вызывали негативное отношение общества к использованию автомобилями природного газа, и их число стало сокращаться. Замедлилось развитие инфраструктуры и строительства АГНКС. На автопредприятиях перестали реконструировать участки и цеха для хранения, обслуживания и ремонта ГБА. Не помогло активизации использования природного газа автотранспортом вышедшее постановление правительства РФ от 15 января 1993 года № 31, по которому стоимость 1 кубометра природного газа для автомобилей не должна превышать 50 процентов стоимости бензина А-76. В результате к 2013 году в России эксплуатировалось примерно 80 тысяч автомобилей (около 0,2 процентов автомобильного парка), переоборудованных для работы на природном газе, и работали 212 АГНКС.

Сегодня по действующей c 2004 года государственной программе газификации автотранспорта (аналогичной программе 1986‑1990 годов) необходимо к 2020 году увеличить число АГНКС до 1100 единиц и перевести на природный газ более 1 миллиона автомобилей. Правительство России для реализации этого плана 13 мая 2013 года выпустило распоряжение за № 767‑р «О регулировании отношений в сфере использования газового моторного топлива, в том числе природного газа». Оно предусматривает разработку комплекса правовых, экономических и организационных мер господдержки производства автомобильной техники на природном газе, создание инфраструктуры и технического регулирования при использовании природного газа в качестве моторного топлива.

Распоряжение активизировало интерес к использованию природного газа в автомобильных ДВС. Уже год на площадках разных уровней проводятся научно-практические форумы и конференции, семинары, презентации новых газовых автомобилей и другой транспортной техники. СМИ широко освещают оптимистичные выступления и рапорты участников об успехах газификации автомобильного транспорта и разработанных перспективных проектах.

Большинство докладчиков указывают на прошлые и современные значительные достижения наших ученых и инженеров в создании газовых автомобилей. Они отмечают, что в России имеются не только благоприятные условия использования природного газа в автомобильных ДВС, но и накоплен опыт эксплуатации автомобильного транспорта на компримированном природном газе (КПГ) и сжиженном природном газе (СПГ).

Для практики широкого использования природного газа в автомобильных ДВС целесообразно критически оценить некоторые причины неудач предыдущих попыток. Специалисты знают, что транспортная система «автомобиль – водитель – среда» может работать в едином технологическом процессе, если все ее звенья исправно функционируют. Сбой в одном из звеньев приводит к отрицательному результату. Эффективная, надежная и долговечная работа автомобильного двигателя возможна только на топливе, для которого он создавался. Применять несоответствующее топливо не допускается, так как увеличиваются затраты на обслуживание и ремонт, ухудшаются эксплуатационные свойства автомобиля, могут разрушиться детали двигателя.

В начале проектирования автомобильного ДВС необходимо определиться, какого качества природный газ будет заправляться в газовые баллоны. Строгая регламентация параметров природного газа влияет на рабочий процесс и расчетные показатели. Но природный газ с разных месторождений различается по низшей теплоте сгорания в диапазоне от 33 294 до 47 007 кДж / м3, содержанию метана от 69,1 до 99,6 процента и имеет диапазон октанового числа от 80 до 115 единиц. Газы могут содержать большое количество сероводорода, смол, пыли, кислорода, цианистых соединений и других примесей, которые сокращают срок службы ДВС. Это доказывает необходимость химической и механической подготовки природного газа перед заправкой автомобиля на АГНКС.

Можно вспомнить ГОСТ 6367‑53 «Газы сжатые для газобаллонных автомобилей». По нему на заправках отпускались три разные марки газа: «природный», содержащий (по объему) 70‑98 процента метана, 1‑10 процентов этана и другие примеси, «коксовый метанизированный», имеющий метана не менее 65 процентов, и «коксовый обогащенный», в составе которого не менее 50 процентов метана и не более 12 процентов водорода. Эти газы использовались в двигателях, которые работали на бензинах А-56 и А-66. По техническим условиям ТУ 51‑166‑83 «Газ горючий природный сжатый. Топливо для газобаллонных автомобилей» на АГНКС отпускали две марки КПГ: «А» и «Б». Они отличались только плотностью и теплосодержанием из‑за разного объемного состава метана и азота. Основные показатели:

Давление газа в баллонах, не менее 19,62 (200) Мпа (кгс / см2);

Температура газа, подаваемого на заправку газобаллонных автомобилей, °C, не более

* для умеренной и холодной климатических зон +40,

* для жаркой климатической зоны +45;

Компонентный состав объемный, процентов метана

* в СПГ марки А 95±5

* в СПГ марки Б 90±5

Этана, не более 4,0;

Пропана, не более 1,5;

Бутанов, не более 1,0;

Пентанов, не более 0,3;

Двуокиси углерода, не более 1,0;

Кислорода, не более 1,0;

Азота, не более

* в СПГ марки А 0‑4

* в СПГ марки Б 4‑7

Масса сероводорода, грамм на кубометр 0,02;

Масса меркаптановой серы, грамм на кубометр, не менее 0,016;

Массовая доля сероводородной и меркаптановой серы, не более 0,1 процента;

Масса механических примесей, грамм на кубометр, не более 0,001;

Масса влаги, грамм на кубометр, не более 0,009.

Газовое топливо оценивалось по элементарному составу, октановому числу, теплоте сгорания, воспламеняемости, содержанию влаги и степени очистки от загрязняющих примесей.

Сегодня российские автомобилисты получают природный газ, прошедший по газопроводу от скважины до АГНКС, где после сжатия и очистки от примесей его закачивают в газовые баллоны автомобиля. По ГОСТ 27577‑2000 «Газ природный топливный компримированный для двигателей внутреннего сгорания» технология не предусматривает изменения компонентного состава газа.

Такой подход к стандартизации топлива для ДВС объясняется возможностью устанавливать низкую цену на природный газ из‑за отсутствия в технологии этапа переработки сырья с месторождения.

На европейском рынке, в соответствии с Правилами ЕЭК ООН № 49, природный газ как топливо для автомобильных ДВС имеется в двух ассортиментах:

1) ассортимент «H», в котором крайними эталонными топливами являются «GR» и «G23»;

2) ассортимент «L», в котором крайними эталонными топливами являются «G23» и «G25».

Их характеристики приведены в табл. 2.

Видимо, не случайно в п. 1 распоряжения № 767‑р заинтересованные организации должны дать предложения «гармонизации правовых актов Российской Федерации в области стандартизации с соответствующими международными документами в сфере использования природного газа в качестве моторного топлива».

Выполнение этих международных требований к природному газу в дальнейшем позволит сертифицировать и эксплуатировать создаваемые нашими заводами надежные газовые автомобильные ДВС.

Вопросы образования газовоздушной смеси, наполнения цилиндров и процесс горения можно совершенствовать только при стабильном составе топлива и точном учете его расхода. Нужно отметить, что счетчиков расхода природного газа (в нм3) для автомобильных двигателей не разработано.

Нормированный природный газ позволяет зарубежным фирмам выпускать эффективные и надежные газовые двигатели, которые используются на отечественных автобусах и грузовых автомобилях. Уже несколько лет наши исследователи и конструкторы работают над новой концепцией использования природного газа в автомобильных ДВС. Основной ее принцип – создание «чисто газовых» двигателей.

Всплеск использования природного газа в автомобильных ДВС по новой концепции родил у наших соотечественников «новую» идею. В исследованиях, проводившихся сто лет назад, они обнаружили, что если увеличить степень сжатия и установить подачу дизельного топлива, вместо системы питания газовоздушной смесью и электрического зажигания, из газового двигателя получится дизель.

Не изучая глубоко организацию рабочего процесса, кинематику и динамику механизмов, механики сделали наоборот: двигатели, работавшие по циклу Рудольфа Дизеля, КамАЗ-820, ММЗ-245, ЯМЗ и др. с внутренним смесеобразованием и воспламенением от сжатия, перевели на цикл Н. Отто с внешним смесеобразованием и зажиганием от электрической искры. По результатам стендовых испытаний на эталонном природном газе, привезенном из Европы, двигатели получили сертификаты на соответствие требованиям Евро-4. Но внедренная исследователями и конструкторами идея не вызвала интереса и спроса у потребителей. Появились отзывы с замечаниями на эффективность и надежность отечественных газовых двигателей. Поэтому в Санкт-Петербурге замедлилось выполнение распоряжения 767‑р.

Автобусный парк не увеличивает число отечественных автобусов ЛИАЗ-529271 с газовыми двигателями фирмы МАН. Для заправки газовых автомобилей в Санкт-Петербурге работает одна АГНКС, и концепция двигателей, работающих только на газе, для городского пассажирского и коммунального автотранспорта экономически не эффективна.

Для выполнения распоряжения правительства РФ № 767‑р по созданию работоспособной автотранспортной системы на АГНКС должен продаваться природный газ, соответствующий международным стандартам. Учитывая недостаточное развитие инфраструктуры (среды) для эксплуатации газовой автомобильной техники, необходимо откорректировать концепцию перевода на природный газ автомобильных ДВС с учетом современного технического уровня их конструкций.

В основе разработки газового автомобильного двигателя, работающего на высокооктановом природном газе, необходимо использовать современный бензиновый двигатель, работающий на высокооктановом бензине. Это позволит избежать снижения эксплуатационных свойств автомобилей, ранее использовавших бензогазовые двигатели. В случае технологической необходимости для дозаправки газом или отказа в работе газовой системы питания двигатель должен иметь возможность работать на резервном бензине.

Таким образом, в современной городской инфраструктуре будет эффективным автомобиль с двух-топливным газобензиновым двигателем.

Мировой опыт показывает, что в России возникает потребность вернуться к разработке оте­чественных газодизелей. Известны надежные конструкции с системами управления, использующие принцип количественного регулирования, реализующие рабочий процесс газодизеля с запальной дозой 3‑5 процентов номинальной подачи дизельного топлива и сохранением мощности используемого дизеля.

И последнее. Автомобильная промышленность и автомобильный транспорт являются стратегически важными отраслями. Их развитие делает страну не только экономически сильной, но и повышает ее обороноспособность. Какой сегодня ущерб, в случае мобилизации, нанесет концепция производства автомобильной техники с чисто газовыми двигателями?