Природный газ как моторное топливо для автомобильных двигателей внутреннего сгорания

В начале ХХ века журнал «Автомобилист» (№ 4 за 1910 год) сообщил: «Имея в виду высокую стоимость бензина и постоянную тенденцию к дальнейшему повышению цен на него, нельзя не приветствовать появление на автомобильном рынке приборов и устройств, преследующих цели экономии бензина, сокращение расхода этого дорогого топлива автомобильных моторов».

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?

Д. т. н. Александр КАПУСТИН, профессор Санкт-Петербургского государственного архитектурно-строительного университета