Актуальные вопросы эффективного газового автомобильного топлива

Одна из главных задач в энергообеспечении нашей цивилизации. Сочетание устойчивого экономического развития с сохранением здоровой среды обитания основано на концепции обязательного снижения вредных выбросов энергообъектов.

Ключевые слова: углеводородного топлива, метан, баллон, октановое число, сжиженный газ, экологическая чистота

В настоящее время использование углеводородного топлива для получения энергии основано преимущественно на его пламенном сжигании в различных устройствах. При пламенном сжигании природного газа основными загрязнителями в продуктах сгорания являются монооксид углерода CO, несгоревшие углеводороды (НУВ) и оксиды азота NOx.

«Газовое автомобильное топливо» включает в себя две совершенно разных по составу смеси: природный газ, в котором до 98 % приходится на метан, и производимый из попутного нефтяного газа пропан-бутан. Кроме безусловной горючести общим для них является ещё и агрегатное состояние при атмосферном давлении и комфортных для жизни температурах. Однако при низких температурах физические свойства этих двух наборов лёгких углеводородов здорово различаются. Из-за этого они требуют совершенно разного оборудования для хранения на борту и подачи в двигатель, да и в эксплуатации автомобили с разными системами газового питания имеют несколько существенных различий. [1]

Иные принципы лежат в основе работы газобаллонного оборудования для машин, потребляющих в качестве топлива природный газ, в обиходе обычно именуемый метаном по своему основному компоненту. Это тот же газ, что подаётся по трубам в городские квартиры. В отличие от нефтяного газа метан (СН₄) обладает низкой плотностью (в 1,6 раза легче воздуха), а главное — низкой температурой кипения. Он переходит в жидкое состояние лишь при –164°С. Наличие небольшого процента примесей других углеводородов в природном газе не сильно изменяет свойства чистого метана. А значит, превратить этот газ в жидкость для использования в автомобиле невероятно сложно. В последнее десятилетие активно велись работы по созданию так называемых криогенных баков, позволяющих хранить в автомобиле сжиженный метан при температурах –150°С и ниже и давлении до 6 атмосфер. Были созданы опытные образцы транспорта и заправок под этот вариант топлива. Но пока практического распространения эта технология не получила.

А потому в подавляющем большинстве случаев для использования в качестве моторного топлива метан просто сжимают, доводя давление в баллоне до 200 атмосфер. Как следствие, прочность и соответственно масса такого баллона должны быть заметно выше, чем для пропанового. Да и помещается в одинаковом объёме сжатого газа существенно меньше, чем сжиженного (в пересчёте на моли). А это — уменьшение автономности автомобиля. Другой минус — цена. Существенно больший запас прочности, заложенный в метановое оборудование, оборачивается тем, что цена комплекта на автомобиль оказывается почти в десять раз выше аналогичной по классу пропановой аппаратуры.

В наши дни метановые баллоны бывают разных размеров, из которых в легковом автомобиле можно разместить, объёмом до 100 л.

Для метановых баллонов CNG-3 средний коэффициент совершенства (отношение массы к объему) = 0.65, т. е. баллон объемом 100 литров будет весить примерно 65 кг. [2]

При всём этом у метана есть два существенных преимущества перед нефтяным газом. Во-первых, он ещё дешевле и не привязан к цене на нефть. А во-вторых, метановое оборудование конструктивно застраховано от проблем с зимней эксплуатацией и позволяет при желании вообще обходиться без бензина.

Автомобиль по факту останется двухтопливным. Причина именно в сжиженности газа. А точнее, в том, что в процессе активного испарения газ резко охлаждается. В результате сильно падает температура в баллоне и особенно — в газовом редукторе. Чтобы аппаратура не замерзала, редуктор подогревают, встраивая в него теплообменник, соединённый с системой охлаждения двигателя. Но чтобы эта система начала работать, жидкость в магистрали надо предварительно подогреть. А потому запускать и прогревать мотор при температуре окружающего воздуха ниже 10°С рекомендуется строго на бензине. И лишь затем, с выходом мотора на рабочую температуру, переключаться на газ. Впрочем, современные электронные системы переключают всё сами, без помощи водителя, автоматически контролируя температуру и не допуская замерзания оборудования. Правда, для поддержания корректной работы электроники в этих системах нельзя досуха опустошать бензобак даже в жаркую погоду. Пусковой режим на газу является для подобной аппаратуры аварийным, и на него систему можно переключить лишь принудительно в случае крайней необходимости. [3]

Значение октанового числа углеводородов и различных видов топлива показано в таблице 2. [4]

Таблица 2

Исследовательское октановое число (ОЧИ) (англ. Research Octane Number — RON) определяется на одноцилиндровой установке с переменной степенью сжатия, называемой УИТ-65 или УИТ-85, при частоте вращения коленчатого вала 600 об/мин, температуре всасываемого воздуха 52°C и угле опережения зажигания 13°. Оно показывает, как ведёт себя бензин в режимах малых и средних нагрузок.

Моторное октановое число (ОЧМ) (англ. Motor Octane Number — MON) определяется также на одноцилиндровой установке, при частоте вращения коленчатого вала 900 об/мин, температуре всасываемой смеси 149°C и переменном угле опережения зажигания. ОЧМ имеет более низкие значения, чем ОЧИ. ОЧМ характеризует поведение бензина на режимах больших нагрузок. Оказывает влияние на высокую скорость и детонацию при частичном дроссельном ускорении и работе двигателя под нагрузкой, движении в гору и т. д.

Отсюда следует по значениям таблицы октановое число метана выше остальных иприменения синтетических реагентов для повышения октановое число не следует

Расход топлива транспортного средства в стандартных условиях

На расход топлива в нашем случае метан, влияют следующие факторы: техническое состояние автомобиля — пока двигатель проходит обкатку он потребляет больше топлива, затем уровень расхода снижается до нормы, указанной в инструкции, а по мере износа опять повышается; стиль езды — это индивидуальное значение для каждого отдельно взятого человека; погодные условия — зимой двигатель потребляет больше топлива, летом — меньше; использование дополнительных потребителей энергии; аэродинамика — при открытых окнах аэродинамические свойства снижаются, возрастает сопротивление воздуха, соответственно и бензина нужно больше; аэродинамические свойства можно улучшить за счет установки спойлеров, обтекаемых элементов.

Ravon Nexia R3,1.5 л (107 л.с.), на

280–300 км — баллон 100 литр с сжатым газом 20 МПа (201 кгс/см²)

Модель Chevrolet Lacetti с объемом двигателя 1.8 литра

250–280 км — баллон 100 литр с сжатым газом 20 Мпа (201 кгс/см²)

Nexia I, II, III с объемом двигателя 1.6 литра 109 л.с.

260–275 км — баллон 100 литр с сжатым газом 20 Мпа (201 кгс/см²)

Ravon Nexia R3 1.5 AT Optimum1.5 л (107 л.с.)

280–300 км — баллон 100 литр с сжатым газом 20 Мпа (201 кгс/см²)

При этом химический состав рабочего газа (в % по объему): [4]

Таблица 3

Рис. 1. Расход топлива транспортного средства в стандартных условиях. [5]

Экологическая чистота. Экологическая чистота газообразного топлива по сравнению с тяжелыми нефтяными топливами очевидна.

СН₄ + 2О₂ = СО₂ + 2Н₂О

метан + кислород = углекислый газ + вода

Это прежде всего отсутствующие загрязнения при транспортировке и разгрузке, а также существенно меньше выбросы вредных веществ при сжигании в качестве топлива в котельных. При сжигании СУГ лишь на 10–15 % выше процентное содержание СО в выбросах, чем при сжигании самого чистого топлива — природного газа и минимальное количество сероводорода, этого нельзя сказать о сжигаемых тяжелых нефтяных топливах.

Для обеспечения качественного горения газа необходимо в достаточном количестве подвести воздух в зону горения и добиться хорошего перемешивания газа с воздухом. Оптимальным считается соотношение 1: 10. То есть на одну часть газа приходится десять частей воздуха.

Литература:

1. Ахметов A., Иванов В. Н., Ерохов В. И. Экономическая эффективность и эксплуатационные качества газобаллонных автомобилей. Т. Узбекистан, 1984. 191 с.

2. «Метановые баллоны CNG-2 DIGITRONIC Light»

3. Гулиа Н. В. Инерционные аккумуляторы энергии. — Воронеж: Изд-во ВГУ, 1973. — С. 112–118. — 240 с.; УДК 621.8.032.2–562.

5. Газобалонные автомобили. Е. Е. Ерохов., Б. Д. Колубаев., В. И. Ерохов и др. М., Машиностроение, 1989.