По сравнению с водородом, рассматриваемым пока как перспективный вид газового моторного топлива (так как не разработаны промышленные способы его производства в достаточных для массового применения количествах), углеводородные газы – природный и нефтяной – являются наиболее приемлемыми для автотранспорта альтернативными видами топлив, которые могли бы покрыть все возрастающий дефицит жидкого моторного топлива.
Сжатый природный газ – это в основном метан (до 55% по объему) с дополняющими его углеводородами метанового ряда (этан, пропан, н-бутан, изобутан, пентан) и инертными компонентами (азот, углекислый газ, реже водород, оксид углерода, кислород). Общее содержание добавок к метану обычно не превышает 15%. Важными аргументами при рассмотрении природного газа как альтернативного моторного топлива являются его запасы и постоянно возрастающие объемы добычи.
Стандартизированная топливная оценка природного газа показывает, что он соответствует самому высококачественному бензину. Так, если наиболее массовые марки автомобильных бензинов, применяемых в России, А-76 и АИ-93 имеют октановое число соответственно 76 и 86 ед., то природный газ, транспортируемый по магистральным трубопроводам и содержащий некоторое количество более тяжелых, чем метан, углеводородов оценивается значением октанового числа в пределах 104 – 107 ед. Более высокие по сравнению с бензинами антидетонационные характеристики природного газа позволяют применять в двигателях более форсированные процессы. По данным, приведенным в [148], анализ многолетнего опыта эксплуатации стационарных газовых двигателей, созданных ВНИИГазом совместно с отечественными дизелестроительными заводами, убедительно свидетельствует о высокой эффективности газового топлива; КПД газовых двигателей достигает 38 – 40% в широком диапазоне режимов (у бензиновых – 30 – 35% на наиболее экономичных режимах). Моторесурс двигателя увеличивается в 1,5 раза, а срок смены масла – в 2 раза.
Низкую объемную концентрацию энергии природного газа при использовании его как моторного топлива удалось преодолеть сжатием газа до высоких давлений (20 МПа и выше).
Хранят сжатый природный газ в стальных баллонах. Так, при объеме баллонов 0,4 м и давлении сжатого природного газа в них 20 МПа запас хода грузового автомобиля ЗИЛ-138А (8 баллонов, емкостью по 50 л) по контрольному расходу топлива составляет 230 км (для бензина 550 км) [1]. В то же время установка 8 баллонов снижает грузоподъемность автомобиля.
Для заправки автомобильных баллонов сжатым природным газом в соответствии с ГОСТ 27577–87 «Газ природный топливный сжатый для газобаллонных автомобилей» предназначены две марки газа, имеющие различное содержание метана и азота. В составе газовых топлив ограничено содержание (г/м3, не более): сероводорода – 0,02, меркаптановой серы – 0,016, механических примесей – 0,001, влаги – 0,009, массовая доля сероводородной и меркаптановой серы не должна превышать 0,1%. Учитывая то, что природный газ по составу в разных месторождениях существенно различается, для соответствия техническим условиям он должен пройти очистку и соответствующую подготовку [16].
Сжиженный нефтяной газ – это в основном пропан-бутановая смесь (до 93%). Добывают нефтяной газ в основном как попутный на нефтяных месторождениях или получают при переработке нефти. При этом соотношение между основными компонентами газа пропаном и бутаном в обоих случаях колеблется в широких пределах. В качестве примесей могут быть другие углеводороды (изобутан, пропилен, бутилен). Присутствие инертных компонентов незначительно, так как в силу своих физических характеристик они отгоняются естественным путем. Различие соотношения основных компонентов нефтяного газа в попутном газе при добыче и переработке нефти, а также относительная простота разделения его на фракции создают условия для производства специального моторного топлива с контролируемым в определенных пределах составом, что является важным отличием нефтяного газа от природного [16, 149].
В соответствии с ГОСТ 27578–87 «Газы углеводородные сжиженные для автомобильного транспорта» определены две марки сжиженного нефтяного газа: пропан автомобильный (ПА) для зимних условий эксплуатации и пропан-бутан автомобильный (ПБА) – для летних. Нормируемые компоненты для ПА (массовая доля, %): пропан – 90 10; непредельные углеводороды не более – 6; соединения серы – 0,01, в том числе H2S – 0,003, жидкие осадки, вода – отсутствуют. Для топлива марки ПБА эти показатели соответственно: 5010; 6; 0,01; 0,003, отсутствие.
Перевод автомобильного двигателя на сжиженный газ улучшает его характеристики за счет повышения степени сжатия до 11 ед., так как основные компоненты обладают повышенными антидетонационными показателями. В соответствии с этим двигатели, работающие на сжиженном газе, могут иметь более высокий КПД, чем бензиновый аналог.
Как отмечено в [148], при использовании в качестве моторного топлива 1 л бензина или 1 л сжиженного нефтяного газа (в отличие от расчетного) практически получаются сопоставимые показатели пробега, хотя плотности топлив существенно различаются. Это связано с тем, что КПД двигателя, работающего на газовоздушной смеси, выше, чем на бензовоздушной, что и повышает длину пробега.
Сжижение газов производят в обычных температурных условиях при относительно низком давлении (1,035 МПа). Хранят и транспортируют их в цистернах или баллонах. На автомобилях сжиженные газы хранят в баллонах под давлением 1,7 МПа. Емкости заполняют не более чем на 90% полной вместимости, чтобы над жидкостью было пространство для скопления газов. Для заправки сжиженным газом используют стационарные и передвижные газонакопительные станции.
Испытания работы двигателей на сжиженном газе показывают, что по сравнению с использованием бензина в ОГ содержится в 2 – 4 раза меньше СО, в 1,4 – 1,8 раза – NOx. В то же время выбросы углеводородов, особенно при работе в низких скоростных режимах и малых нагрузках, увеличиваются в 1,2 – 1,5 раза [1].
В целом по мнению специалистов, использование сжиженного газового топлива в автомобильных двигателях перспективно, так как упрощается система питания, легко образуется горючая смесь, обеспечивается полное сгорание с незначительным избытком воздуха, отсутствует разжижение масла топливом, повышается экономичность за счет увеличения степени сжатия. Важное преимущество – снижение токсичности. Однако ресурсы сжиженного нефтяного газа ограничены, выполненные оценки не дают основания надеяться на покрытие дефицита за счет этого вида топлива; одновременно ресурсы и уровень добычи природного газа настолько велики, что позволяют рассматривать его в качестве альтернативного моторного топлива.
Внедрение газового топлива на автомобильном транспорте стимулируется не только стремлением разнообразить энергоносители в условиях все большего дефицита нефти, а также экологичностью данного вида топлива, что крайне важно в условиях ужесточения норм токсичных выбросов, но и отсутствием каких-либо серьезных технологических процессов подготовки данного вида топлива к использованию. По данным, на дорогах мира к 1990 г. уже находилось в эксплуатации 4 млн газобаллонных автомобилей. Распределение их по странам в то время приведено в табл. 4.1.
Во многих странах разработаны крупномасштабные национальные программы по внедрению газового топлива на автотранспорте. Анализ перспектив выполнения этих программ показывает, что одной из главных задач при этом является создание легких и прочных газовых баллонов из композитных материалов для оснастки автомобилей, применение которых может существенно повысить максимальное рабочее давление газа в баллонах и таким образом увеличить пробег авто – мобиля на одной заправке.
Так, если при давлении газа в баллоне 210 кгс/см пробег автомобиля составляет 320 км, то при давлении 350 кгс/см2 он возрастает до 435 км. Стоимость баллонов, однако, увеличится на 40%. В ФРГ, например, фирма «Маппеипапп» уже разработала баллоны для природного газа, используемого для двигателей грузовых автомобилей. Баллон изготовлен из стали с добавками хрома и молибдена и снаружи покрыт высокопрочной пластмассой. Вес баллона емкостью 165 л по сравнению с обычным стальным баллоном снижен на 50%.
По данным в Великобритании фирма «MAN» также проводит исследования по созданию легкого газового баллона из композитных материалов, а также модификации дизелей малотоннажных автомобилей и фургонов с целью перевода их на газ. При этом, несмотря на то, что дизель, переведенный на газ, теряет 20% КПД, необходимость устранения вредных выбросов ОГ для соответствия будущим жестким нормам выбросов ДД способствует выбору в пользу природного газового топлива.
В США также усиливается интерес к возможностям использования природного газа в качестве топлива для автомобилей. В 1988 г. была создана ассоциация по автомобилям, работающим на природном газе. Ассоциация объединяет 20 газовых компаний и 75 фирм, занимающихся производством автомобилей и сервисом, разрабатывает мероприятия по выполнению поправки к закону США, о чистом воздухе 1989 г., по которой в 24 городах США, где наиболее значительны разрушения озонового слоя, фирмы, имеющие более 10 автомобилей, должны пополнять парк автомобилями, работающими на альтернативных топливах. Доля таких автомобилей должна составить в 1998 г. 30%, 1999 – 50 и в 2000 г. – 70%. Планируется, что к 2002 г. в стране будет не менее 750 тыс. автомобилей, работающих на газовом топливе. Это обусловливает развитие разработок по переводу двигателей на природный газ. Так, фирма «Сшппш» разработала двигатель L-10, фирма «GM» – двигатель 6V92, фирма «Hercules Engine» – гамму двигателей объемом 3,7 л. В этом направлении работают также крупнейшие фирмы «Ford» и «General Motors». Наряду с разработками конструкций двигателей важное значение придается вопросам безопасности, созданию станций технического обслуживания и другим сопутствующим проблемам.
В нашей стране природный газ в качестве моторного топлива начали применять раньше, чем в других странах, в 1934–1936 гг. За прошедшие годы накоплен значительный опыт в области конструирования и эксплуатации газомобилей различного направления. Разработанные конструкции газомобилей базируются на бензиновых прототипах, дополнительно оборудуемых газобаллонной аппаратурой. Конструктивные элементы газобаллонной аппаратуры для сжатого природного и сжиженного нефтяного газов аналогичны. Точно также аналогичны смесительные устройства. Основными отличиями являются наличие баллонов, рассчитанных на давление 20,0 МПа, и увеличенное их число из-за низких показателей энергоемкости единицы хранения в таре (табл. 4.2).
По данным, приведенным в [148], производимой в нашей стране газобаллонной аппаратурой могут оснащаться 13 моделей отечественных автомобилей и автобусов. Наиболее совершенную газобаллонную аппаратуру для работы на сжиженном нефтяном газе производит одно из предприятий Государственного газового концерна «Газпром». Так же как на сжатом газе автомобили ЗИЛ, ГАЗ, автобусы ЛАЗ выпускаются в модификациях, позволяющих работать на сжиженном нефтяном газе. Производится также модификация легкового автомобиля ГАЗ-24 «Волга», работающего на сжиженном газе. Сообщается, что металлопластиковые баллоны прошли испытания в составе газобаллонной установки автомобиля «Москвич» ИЖ-412 в условиях полигона. Пробег газобаллонного автомобиля составил более 20 тыс. км с имитацией различных типов дорог. Полигонные испытания показали надежность и безопасность металлопластиковых баллонов в условиях эксплуатации
И все-таки основная техническая концепция, реализуемая в конструктивных решениях газобалонных автомобилей, которые производят и разрабатывают в нашей стране и за рубежом, состоит в принципе двухтопливности: автомобиль должен быть готов работать на любом из двух видов топлива – газовом или жидком. Эта концепция позволяет всегда иметь аварийный резерв топлива для функционирования транспорта при аварийных или других бедственных ситуациях. Создание местных резервов газового топлива сложно и дорогостояще. В то же время, как отмечено в работе в качестве основного эксплуатационного топлива предпочтителен газ, цена которого в 2 – 4 раза ниже, чем бензина. Двухтопливность позволяет решить это противоречие: в обычных условиях используется газовое топливо, а для экстремальных обстоятельств создаются резервы жидкого топлива.
В связи с этим необходимо строительство и введение в эксплуатацию многотопливных заправочных комплексов, позволяющих удовлетворять любые требования потребителя, а также расширить их круг за счет включения в него сельскохозяйственной техники и дорожно-строительных машин.