Компримированный природный газ — не роскошь, а средство для передвижения. Виды газомоторного топлива, их преимущества и недостатки

Общее описание поршневых компрессоров. Одноступенчатые и двухступенчатые. Вредное пространство

В соответствии с характером действия, поршневые компрессоры могут быть одинарного (или простого) действия и двойного действия. В агрегатах простого действия, за один ход поршня осуществляется одно всасывание или нагнетание. В компрессорах двойного действия, за один ход поршня осуществляется два всасывания или нагнетания.

По количеству ступеней сжатия поршневые компрессоры делятся на три типа: одноступенчатые, двухступенчатые и многоступенчатые. Ступенью сжатия принято называть часть компрессора, в которой газ сжимается до промежуточного или конечного давления.

Конструктивно, одноступенчатые компрессоры могут быть вертикальными или горизонтальными. Как правило, компрессоры с горизонтальной конструкцией являются машинами двойного действия, а компрессоры с вертикальной конструкцией относятся к агрегатам простого действия.

В одноступенчатом компрессоре простого действия с горизонтальным типом конструкции, поршень перемещается внутри цилиндра. Цилиндр оснащен крышкой, которая имеет всасывающий и нагнетательный клапаны. Поршень компрессора соединяется с шатуном и кривошипом. На валу кривошипа располагается маховик. В процессе хода поршня слева направо, в зоне между поршнем и цилиндром возникает разрежение. Разность давления в линии всасывания и цилиндре заставляет открываться клапан, в результате чего газ поступает в цилиндр. Когда поршень совершает обратное движение справа налево, всасывающий клапан закрывается, и газ в цилиндре сжимается до уровня давления p 2 . Далее, через клапан газ вытесняется в линию нагнетания. Цикл завершается и повторяется снова.

Одноступенчатый компрессор двойного действия оснащен четырьмя клапанами (двумя всасывающими и двумя нагнетательными). Такие машины устроены сложнее, но уровень производительности у них в два раза выше. В целях охлаждения цилиндр и крышки могут оснащаться водяными рубашками. Чтобы увеличить показатель производительности данные машины могут изготавливаться многоцилиндровыми конструкциями. Одноступенчатые компрессоры с вертикальным типом конструкции являются более производительными и быстроходными, чем горизонтальные. Кроме того, они занимают меньшую производственную площадь и более долговечны.

Двухступенчатые компрессоры с горизонтальным типом конструкции, как правило, оснащены одним цилиндром и ступенчатым или дифференциальным типом поршня. Газ подвергается сжатию в цилиндре левой стороной поршня, после чего проходит сквозь холодильник и подается в цилиндр с другой стороны, где сжимается до уровня p 2 .

Многоступенчатые конструкции оснащены цилиндрами, которые располагаются последовательно (система тандем) или параллельно (система компаунд). Существуют также оппозитные конструкции компрессоров, где поршни двигаются взаимно противоположно. Цилиндры в конструкциях данного типа располагаются по обе стороны вала.

Следует отметить, что реальный процесс сжатия газа в компрессоре отличается от теории. Так, между поршнем, когда он находится в крайнем положении и крышкой цилиндра есть некий свободный объем. Данный зазор носит название вредного пространства. В данном зазоре, по завершению нагнетания, сжатый газ расширяется при обратном ходе поршня. По этой причине всасывающий клапан открывается только после снижения уровня давления до уровня давлении на всасывании. Таким образом, поршень совершает холостое движение, что снижает производительность компрессора.

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.

Когда были открыты крупнейшие запасы углеводородов Западной Сибири и страна

вступила в эпоху нефтяного изобилия, внимание к программе создания газобаллонного транспорта ослабло, хотя работы продолжались. В 80-е годы всерьез заговорили об экономии, и газ опять взял реванш. К 1985 году вышли три постановления Совмина о массовом переводе крупных потребителей топлива на газ. За пять следующих лет были построены около 500 автомобильных газонаполнительных компрессорных станций, на КПГ переведено до 0,5 млн. единиц автотранспорта. Координацией работы занимался межведомственный совет при Министерстве газовой промышленности под председательством Виктора Черномырдина.

Начавшаяся в 90-е годы приватизация привела к исчезновению крупных автохозяйств; в частные руки перешла значительная часть муниципального транспорта. И хотя в это же время отмечалось падение добычи нефти (с 624 млн. т в 1988 г. до 281 млн. т в 1997 г.), из-за сокращения количества потребителей дефицит нефтепродуктов не возник.

В результате бензин и дизтопливо сохранили рыночные позиции. Новый подъем рынка газомоторного топлива в России начался с 1998 года, когда резко увеличился спрос на пропано-бутановую смесь.

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. Соответствующие технологии сжижения и «разжижения» недешевы. Метан можно также сжимать. Однако чтобы количество сжатого газа по объему было хотя бы примерно сопоставимо со сжиженной пропан-бутановой смесью, сжаться он должен до 200-250 атмосфер. Поэтому для перевозки компримированного метана нужны гораздо более прочные и тяжелые баллоны. У метановых установок более высокие требования и к безопасности. Поэтому чаще всего на легковые автомобили ставят пропановое оборудование.

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 авиакеросина1. У потребителя, если он переходит с традиционного горючего на СУГ, расходы на горючесмазочные материалы сокращаются на 20-25 %. В свою очередь у компримированного природного газа по сравнению с углеводородным тоже есть преимущество. Энергоотдача 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 параметрам2.

При этом стоимость газомоторного топлива не превышает 50% стоимости бензина марки А-80. По данным НП «Национальная газомоторная ассоциация»3, наибольшая цена моторного топлива - у водорода. Она составляет 9,01 евро/л. Это почти в девять раз дороже, чем у биодизеля (1,11 евро/л) и бензина (0,66 евро/л). В свою очередь стоимость 1 м³ газа, что эквивалентно 1 литру бензина, дешевле бензина более чем в два раза: стоимость 1 м³ сжиженного нефтяного газа составляет 0,39 евро/л, сжатого природного газа - 0,21 евро/л.

Существенным фактором, стимулирующим государства мирового сообщества к развитию рынка ГМТ, являются экологические проблемы. Вклад автотранспорта в загрязнение воздуха крупных городов и агломераций составляет от 50 до 90 % по всем видам загрязнений. Поэтому требования к снижению токсичности выпускных газов двигателей внутреннего сгорания транспортных средств постоянно возрастают - вводятся стандарты Евро-4 и Евро-5. Между тем перевод автомобилей на газомоторное топливо сокращает выбросы диоксида углерода (основной парниковый газ) на 13%, оксидов азота - на 15-20 %, в 8-10 раз снижает дымность отработанных газов и полностью исключает выбросы соединений свинца. По данным Минэнерго России, если взять бензин качества Евро-4 за эталон, то окажется, что по выбросам оксидов азота КПГ выигрывает почти в три раза, по СН - в 14 раз, по бензапирену - более чем в 16 раз, по саже - в 3 раза (в сравнении с соляркой - в 100 раз). Следовательно, по уровню выбросов вредных веществ в атмосферу сжатый природный газ уступает только электроэнергии. Хотя СУГ немного и отстает по экологическим параметрам, зато он позволяет решить проблему утилизации попутного нефтяного газа, который пока сжигается в факелах, хотя еще в январе 2009 года было подписано постановление «О мерах по стимулированию сокращения загрязнения атмосферного воздуха продуктами сжигания попутного нефтяного газа на факельных установках».

По мнению экспертов, будущее именно за метаном: пропан-бутан, как и нефть, слишком ценное сырье, чтобы использовать его как автомобильное топливо. Хотя оно, конечно, намного удобнее, и пока парк, использующий его, больше: к началу 2011 года в мире количество газобаллонных автомобилей, работающих на СУГ, превысило 15 млн., а на КПГ - 12 млн.4. Годовой оборот пропан-бутана составляет 34 млн. т условного топлива, а компримированного газа - примерно 23 млн.т.

Еще одним преимуществом, которое получает предприятие, эксплуатирующее машины на метане - это повышение уровня безопасности, поскольку по своим физико-химическим свойствам природный газ менее опасен, чем пропан.

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 двигателя внутреннего сгорания, а его межремонтный пробег увеличивается в полтора-два раза. Кроме того, улучшается работа системы зажигания - срок службы свечей возрастает на 40%5. Все это сокращает затраты на ремонт.

Кроме того, сегмент КПГ является наиболее устойчивым к кризисным явлениям в российской экономике и наиболее динамичным в среднесрочной перспективе. В 2009 г., в связи со снижением деловой активности во время кризиса, российский рынок КПГ снизился на 1,1%, в то время как потребление бензина и пропан-бутана снизилось на 18% и 4% соответственно6.

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

Также определенную сложность представляет переоснащение автомобиля. Цена пропан-бутанового оборудования колеблется в пределах 15-28 тыс. руб., а метанового - начинается с 40 тыс. руб. При этом масса комплекта превышает 50 кг для СУГ и более 100 кг для КПГ. Исходя из этого, выстраивается «специализация» газов: СУГ - для легкового транспорта, а КПГ для тяжелой техники. Самая дорогая и «весомая» деталь - баллон. Для снижения его массы и повышения прочности стенок применяют легированные металлы или алюминий, армированный стеклопластиком, устанавливаются также металлокомпозитные баллоны в базальтовом коконе. В некоторых отраслях техники применяются армированные пластмассовые сосуды, которые очень дороги, но при этом легче стальных в 4-4,5 раза.

Таким образом, в зависимости от количества баллонов со сжатым газом масса грузовика увеличивается на 400 -900 кг. При этом снижается его грузоподъемность и возрастает расход топлива, однако при применении баллонов из композитных материалов этот недостаток не столь существенно сказывается на полезных характеристиках автомобиля.

Резюмируя, к основным положительным и отрицательным моментам использования газа как моторного топлива можно отнести:

Основные плюсы:

Низкая стоимость;

Повышенный уровень безопасности;

Сниженный уровень выбросов вредных веществ в атмосферу;

Увеличение срока службы масла;

Продление сроков изнашивания двигателя;

Снижение теплотворной способности газовоздушной смеси.

Основные минусы:

Возможное возникновение неровности работы двигателя;

Усложнение пуска холодного двигателя в мороз;

Ухудшение динамических характеристик автомобиля;

Увеличение массы машины и снижение ее грузоподъемности;

Увеличение трудоемкости технического обслуживания и ремонта двигателя.

Но главный минус, который называют чиновники и производители машин особенно в России, - неразвитость сети заправок. По сути, этот рынок в России до сих пор не сформирован. Обычных АЗС по стране - около 22 000. То есть АГНКС в 160 раз меньше, и они распределены по стране очень неравномерно. Мировой же рынок компримированного природного газа характеризуется значительным ростом потребления и опережающим развитием инфраструктуры. Потребление компримированного природного газа в мире в 2005-2009 годах выросло на 42%, а количество АГНКС увеличилось более чем на 85%7. Для этого государства проводят ряд мер по развитию сетей АГНКС.

Меры стимулирования развития сетей АГНКС

Если розничную торговлю СУГ в России развивают крупные игроки вроде «Газэнергосети», «ЛУКОЙЛа» и «ТНК-ВР» и множество мелких компаний, то направление КПГ практически на 90% занимает «Газпром», которому принадлежит более 200 АГНКС.

Дефицит в России газозаправочных станций и пунктов сервисного обслуживания газобаллонных автомобилей (238 станций и 74 пункта на всю страну) сдерживает желание владельцев транспортных средств переходить на альтернативное топливо. Парк транспортных средств, работающих на ГМТ в зоне доступности действующих автомобильных газонаполнительных компрессорных станций, существенно ниже оптимального (в мировой практике на одну АГНКС приходится 500 единиц транспортной техники). Кроме того, сдерживающим фактором является отсутствие государственных программ, стимулирующих развитие газомоторного бизнеса предоставлением дотаций при покупке газобаллонного оборудования, различных налоговых льгот как в секторе АГНКС, так и для потребителей моторного топлива.

Наряду с этим существуют определенные сложности, возникающие при сооружении газозаправочных станций в условиях городской застройки, связанные с длительностью сроков выделения и оформления земельных участков под строительство, а также с рядом положений Норм пожарной безопасности (НПБ III-98), непосредственно касающихся АГНКС и их отдельных систем. Несмотря на критику НПБ III-98 со стороны заинтересованных организаций, они являются базовым документом для органов пожарной охраны, согласующих проектную документацию на объекты производства ГМТ.

Вышеизложенное, по существу, является тормозом на пути развития газозаправочной сети в России. В результате Россия, занимавшая в 1986-1990 гг. по объему производства и реализации КПГ первое место в мире (более 1,2 млрд. м(3) в год), оказалась позади развитых и даже некоторых развивающихся стран.

В России требования к газозаправочным станциям в отдельный нормативный документ не выделены. При проектировании и строительстве объектов газомоторного бизнеса учитывается довольно значительное число государственных стандартов, строительных норм и правил, экологических норм, норм пожарной безопасности и других документов. Это подчеркивает необходимость разработки норм проектирования газозаправочных станций, в том числе в составе многотопливных. На предприятиях ОАО «Газпром» действуют Правила технической эксплуатации АГНКС, введенные в действие в 2003 г. Качество КПГ, отпускаемого потребителю, регламентируется Государственным стандартом, действующим с 2000 г., который устанавливает такие важнейшие показатели, как объемная теплота сгорания, влагосодержание, содержание серы и механических примесей, давление заправки. Проводится работа по приведению Государственного стандарта в соответствие с Европейским стандартом ISO на газомоторное топливо, что в перспективе должно обеспечить возможность беспрепятственного перемещения газовых автомобилей (NGV) на всем пространстве Евразии. В данное время ведется разработка Государственного стандарта на качество сжиженного природного газа взамен Технических условий 1987 г.

Требования к газотопливному оборудованию на транспортных средствах достаточно четко изложены в соответствующих Правилах ЕЭК ООН (Европейской экономической комиссии Организации Объединенных Наций). В Техническом регламенте «О безопасности колесных транспортных средств» предусмотрено соблюдение требований Правил ЕЭК ООН в России.

Однако, несмотря на многочисленные разговоры о выгодности приобретения так называемых зеленых автомобилей, к которым можно отнести машины, работающие, в том числе и на газу, по данным консалтинговой компании Frost&Sullivan, на данный момент такие автомобили приобретают только 13% потребителей. Однако к 2015 г. Эксперты прогнозируют увеличение этой доли до 30%. Так, общий парк автотранспортных средств через четыре года должен составить 80 млн. и из них 53 - 55% будут приходиться на газовые машины8.

По данным компании Frost&Sullivan.

Популярность сжатого природного газа и пропан-бутана географией его распространения. Так, традиционно сильные рынки Индии, Ирана и Пакистана имеют значительные объемы продаж оборудования и, как ожидается, станут 3л1074 ведущими странами по показателю количества автомобилей, работающих на сжатом природном газе метане и пропан-бутане. В латиноамериканских странах по-прежнему популярнее сжатый природный газ метан. Пропан-бутан удерживает доминирующие позиции в России и Евросоюзе.

Количество газобаллонных автомобилей в 2010 году

По прогнозу экспертов Frost&Sullivan, в ближайшем будущем эти виды топлива станут еще популярнее: ожидается четырехкратный рост продаж таких машин к 2015 г.

Общий объем продаж машин на пропан-бутане и сжатом природном газе в

2009 - 2015 гг., тыс. ед.

По данным компании Frost&Sullivan

Готовность российской промышленности к реализации проекта по увеличению уровня потребления природного газа в качестве моторного топлива пока оценивается противоречиво. Наличие газотранспортных систем и газораспределительных станций в России соседствует с крайне ограниченным арсеналом нового газобаллонного оборудования, самих баллонов и новых автомобильных газовых накопительных компрессорных станций.

Во всем мире развитие газомоторного направления обеспечивает государство при поддержке крупных нефтегазовых компаний - выпускается свыше 85 моделей автомобилей, способных работать на природном газе. Например, в Пакистане организован выпуск метановых легковушек, автобусов и моторикш. Но в России выбор ограничен:

серийно производятся только грузовики «Камаз» и автобусы «Нефаз» («дочка» «Камаза»), а также «ЛиАЗ», «ПАЗ» и «КАвЗ» (группа «Русские машины»).

По данным НП «Национальная газомоторная ассоциация», из 40 млн. автомобилей, эксплуатирующихся в России в 2010 г. (из них 80,8% приходится на легковые машины, 16,5% - на грузовики, включая спецтехнику и 2,7% - на автобусы), объем парка газобаллонных автомобилей, работающих на сжатом природном газе, составляет около 100 тыс. транспортных средств (из них 26,1% - легковые, 50,5% - грузовики, 23,3% - автобусы). Таким образом, почти три четверти газовых машин приходится на грузовики, автобусы и спецтехнику.

Структура парка машин на сжатом природном газе выглядит следующим образом: на автобусы и грузовики категорий M1 и N1 (транспортные средства, используемые для перевозки пассажиров и имеющие, помимо места водителя, не более восьми мест для сидения, а также транспортные средства, предназначенные для перевозки грузов, имеющие максимальную массу не более 3,5 т) приходится 49,5%, легковые категории М1 - 23,3%, спецтехнику - 13,4%, грузовики категорий N2 и N3 (транспортные средства, предназначенные для перевозки грузов, имеющие максимальную массу свыше 3,5 т, но не более 12 т, и транспортные средства, предназначенные для перевозки грузов, имеющие максимальную массу более 12 т) - 12,4%, автобусы категорий М2 и М3 (транспортные средства, используемые для перевозки пассажиров, имеющие, помимо места водителя, более восьми мест для сидения, максимальная масса которых не превышает 5 т, и транспортные средства, используемые для перевозки пассажиров, имеющие, помимо места водителя, более восьми мест для сидения, максимальная масса которых превышает 5 т) - 1,4%, тракторы - 0,05%.

Согласно оптимистичному прогнозу НП «Национальная газомоторная ассоциация», общая динамика развития парка машин к 2020 г. составит 58,5 млн. единиц, к 2030 г. - 85,4, по пессимистичному - в 2020 г. - 38,6 млн., к 2030 г. - 51,3. При этом прогноз потребления моторного топлива в России выглядит следующим образом: доля газовых видов моторного топлива в общем балансе к 2030 г. составит по 3% по сжатому природному газу и по сжиженному нефтяному газу. По результатам 2010 года уровень потребления компримированного природного газа составил 4 млн. т., к 2020 г. Должен достигнуть 20 млн. т., в 2030-м - 51 млн. т. Уровень использования сжиженного углеводородного газа в 2010 г. составил 15 млн. т, к 2020 г. достигнет 30 млн., в 2030 г. - 67 млн. т.

Производственная программа по основным компонентам (по сжатому

природному газу)

По данным НП «Национальная газомоторная ассоциация»

Железнодорожный транспорт является одним из крупнейших потребителей моторного топлива. Доля потребления дизельного топлива РЖД составляет 9,1% от общего потребления в стране (3,2 млн. тонн). Сейчас перед РЖД поставлена задача к 2030 году заместить природным газом 30% расходуемого автономными локомотивами дизельного топлива9. Для ее решения потребуется более 1 млн. тонн природного газа в год. Зато выгода будет ощутимой. К примеру, показатели вредных выбросов, зарегистрированные при испытаниях и эксплуатации газотурбовозов, разработанных совместно с «Газпром ВНИИГАЗ», оказались в пять раз ниже охранных требований Евросоюза, выдвигаемых к 2012 году, а внешний шум не превышал санитарных норм Российской Федерации.

Сегодня на Московской и Свердловской железных дорогах в опытной эксплуатации находятся два маневровых газотепловоза ТЭМ18Г. Кроме того, на Экспериментальном кольце Всероссийского научно-исследовательского института железнодорожного транспорта (ВНИИЖТ) в подмосковной Щербинке велись испытания газотепловоза ЧМЭЗГ, которые показали, что оптимальная доля замещения дизельного топлива природным газом составляет от 35 до 50% в зависимости от рода маневровых работ. При этом отмечается снижение выбросов токсичных продуктов сгорания примерно в 1,5 - 2 раза10. Уже подготовлена программа модернизации газотепловозов, что должно повысить их надежность и эффективность, а также увеличить долю замещения дизтоплива до 60%.

Еще в декабре 2006 г. ОАО «РЖД» и Самарский научно-технический комплекс имени Н.Д. Кузнецова подписали соглашение о совместном создании нового типа газовых локомотивов - газотурбовоза. К тому времени специалисты института уже разработали газотурбинный двигатель НК-361 и силовой блок тяговой секции. Проект самого газотурбовоза был предложен учеными Всероссийского научно-исследовательского и конструкторско-технологического института подвижного состава (ВНИКТИ), а опытный образец собрали на Воронежском локомотиворемонтном заводе. В одной из секций локомотива размещена емкость для топлива на 17 т. Одной заправки хватает на 750 км хода. В июне 2009 г. ОАО «РЖД» получило диплом «Книги рекордов России» за разработку этого самого мощного (8300 кВт) магистрального газотурбовоза. В январе 2010 года он впервые в мире провел грузовой состав весом 15 тыс. т (159 вагонов). Ни один современный локомотив не способен на такие рекорды.

Подобный переход на природный газ в качестве моторного топлива для тепловозов осуществляется также в США, Канаде, Германии и Австрии. В частности, в Австрии построен магистральный грузовой газотепловоз GE 3000 мощностью 2200 кВт.

Газомоторное топливо проникает и в авиацию. Так, принадлежащий авиакомпании Qatar Airways (Катар) Airbus A-340-600 с двигателями Rolls-Royce совершил пассажирский перелет по маршруту Лондон - Доха. Воздушное судно заправили топливом производства компании Shell, которое состоит из авиационного керосина и жидкого газа в соотношении один к одному. Кроме того, вице-премьер Катара Абдалла бен Хамад аль-Атыйя присутствовал при запуске экспериментального производства газового керосина по технологии Gas to Liquids (GTL). По предварительным данным, с переходом на газовый керосин авиакомпании мира смогут сэкономить 4 млрд. долларов в год.

Примечательно, что первый отечественный вертолет, способный работать на газе (газолет), был создан и испытан еще в 1987 г. Это была модифицированная серийная машина семейства Ми-8 с двигателем завода им. В.Я. Климова. Вертолет этот выпускается и по сей день. Кроме того, исследования показали, что на газовом топливе могут функционировать практически все летательные аппараты с газотурбинными двигателями (все вертолеты семейства Ми-8, включая Ми-38, и самолеты региональной авиации - Ил-114, Як-40, Ту-136 и т.п.). Но пока существует лишь один экземпляр газолета - Ми8ГТ, - показанный на Международном авиакосмическом салоне еще в 1995г.

Поэтому, чтобы российский рынок развивался, нужна господдержка машиностроителям и покупателям техники. В настоящее время по всему миру уже действуют различные госпрограммы. Энергетическая комиссия ООН 12 декабря 2001 г. приняла резолюцию, предусматривающую к 2020 г. перевод 23% автомобильного парка стран Европы на альтернативные виды моторного топлива, в том числе 10% (23,5 млн. единиц) - на природный газ, 8% (18,8 млн.) - на биогаз и 5% (11,7 млн.) - на водород. В США на стимулирование газомоторного направления выделяется 15 млрд. долларов в год.

В том числе 2,5 млрд. - на программы развития и демонстрацию достижений; 300 млн. - федеральному правительству на приобретение газомоторных автомобилей для служебных нужд; 300 млн. - на замену дизельных школьных автобусов на экологически чистые машины нагазомоторном и ином альтернативном топливе; 300 млн. - на гранты для Пилотных проектов в рамках программы «Чистый город»; 8,4 млрд. - на закупки новых муниципальных автобусов и 3,2 млрд. - на гранты в сфере энергосбережения11.

Меры стимулирования перевода автотранспорта на газомоторное топливо

Если за рубежом развитию рынка метанового топлива способствуют вышеуказанные меры госстимулирования, то в России это не так. Единственной такой мерой было Постановление Правительства № 31 «О неотложных мерах по расширению замещения моторных топлив природным газом» от 1993 года. В частности, оно устанавливало на период действия регулируемых цен на природный газ предельную отпускную цену на КПГ в размере, не превышающем 50% цены бензина А-76, включая НДС.

Кроме того, в странах Европы и США нормативная документация по применению природного газа входит в пакет национальных стандартов. А в России всего этого тоже нет. Более того, в РФ пока не создано даже нормативное обеспечение, регламентирующее применение метана как моторного топлива. Отсюда и казусы, когда перевозящие сжатый метан компании вынуждены рисовать на газовозах надпись «пропан-бутан», чтобы избежать разбирательств с ГИБДД, сотрудники которого знают о регламентах по перевозке СУГ, но перевозку безрегламентного КПГ воспринимают почти как перевозку динамита.

В конце 2010 года российский премьер-министр Владимир Путин провел совещание, посвященное развитию газовой отрасли на период до 2030 г., по итогам которого были выработаны следующие меры стимулирования к переходу на газовые автомобили:

Появление ФЗ «Об использовании газовых видов моторного топлива»;

Комплексная оценка спроса на газомоторную технику до 2030 г.;

Формирование национального координационного органа;

Мониторинг выполнения ФЗ № 261 «Об энергосбережении и о повышении энергетической эффективности и о внесении изменений в отдельные законодательные акты Российской Федерации» и распоряжений Правительства РФ от 17 ноября2008 г. №№ 1662-р и 1663-р;

Подготовка ФЦП «Альтернативное топливо для транспорта и сельскохозяйственной техники на 2012 - 2020 гг.» и ФЦП «Белой олимпиаде - голубое топливо»;

Долгосрочный государственный заказ на закупку газобаллонных автомобилей для бюджетной сферы.

1 Газовая промышленность, 2011, №3

СЖИЖЕННЫЙ УГЛЕВОДОРОДНЫЙ ГАЗ

Сжиженный углеводородный газ при атмосферном давлении и температуре выше нуля находится в газообразном состоянии. При сравнительно небольшом повышении давления - не более 1,6 МПа - он превращается в легкоиспаряющуюся жидкость. Сжиженный газ состоит в основном из смеси двух газов: пропана (около 80%) и бутана (примерно 20%). Кроме того, в нем в небольшом количестве содержатся такие газы, как этан, пентан, пропилен, бутилен и этилен. Теплота сгорания единицы массы сжиженного газа высокая - 46 МДж/кг. При плотности около 0,524 г/см (при 20°С) объемная теплота сгорания сжиженного газа превышает 24 000 МДж/м. Уступая по значению этого показателя бензину, сжиженный газ как топливо является полноценным его заменителем. Относительно небольшая масса тонкостенных стальных баллонов, рассчитанных на рабочее давление до 1,6 МПа, позволяет хранить на автомобиле достаточное количество газа, не уменьшая его полезной нагрузки. Поэтому автомобили, работающие на сжиженном газе, имеют такой же запас хода, как и бензиновые. Газообразное топливо лучше смешивается с воздухом и благодаря этому полнее сгорает в цилиндрах. По этой причине отработавшие газы у автомобилей, работающих на газообразных топливах, менее токсичны, чем у автомобилей, работающих на бензине. Высокая детонационная стойкость сжиженного газа (октановое число по исследовательскому методу более 110) позволяет повысить степень сжатия бензиновых двигателей, переоборудованных для работы на сжиженном газе.

Основными показателями, характеризующими качество сжиженного газа как топлива для автомобилей, являются компонентный состав, давление насыщенных паров, отсутствие жидкого (неиспаряющегося) остатка, содержание вредных примесей.

Компонентный состав газа -- показатель сжиженного газа, всесезонно отпускаемого газонаполнительными станциями для газобаллонных автомобилей, должен изменяться в ограниченных пределах. Сжиженный газ содержит (по массе) не менее 80±5% пропана, не более 20±5% бутана и не более 6% других газов (пропилена, бутилена, этилена). Нарушение соотношения между пропаном и бутаном изменяет теплоту сгорания газа и состав горючей смеси. В результате ухудшается процесс сгорания смеси в цилиндрах двигателя и увеличивается токсичность отработавших газов.

Давление насыщенных паров оказывает влияние на надежность подачи газа в цилиндры двигателя в холодное время года. При температуре минус 30°С оно не должно быть ниже 0,7 МПа. При дальнейшем уменьшении давления нарушится бесперебойная подача газа из баллона. Давление паров не должно также превышать 1,6 МПа при 45°С, так как именно на такое предельное рабочее давление рассчитаны баллоны, применяемые на газобаллонных автомобилях.

Содержание серы, щелочей и свободной воды . При повышенном содержании серы она оседает в топливной аппаратуре, сужая проходные сечения трубопроводов и разрушающе действуя на резино-технические детали. Сгорая в цилиндрах двигателя, сера повышает токсичность отработавших газов. Ее содержание не должно превышать 0,015% по массе. Щелочи и свободная вода должны отсутствовать.

Жидкий остаток . Данного остатка при температуре 40°С не должно быть.

СЖАТЫЙ ГАЗ

Сжатый газ, в отличие от сжиженного, сохраняет свое газообразное состояние при нормальной температуре и любом повышении давления. Он превращается в жидкость только после глубокого охлаждения (ниже минус 162°С). В качестве топлива для автомобилей используют сжатый до 20 МПа природный газ, добываемый из скважин газовых месторождений. Его основной компонент - метан. Сжатый газ имеет очень высокую теплоту сгорания единицы массы -- 49,8 МДж/кг, но из-за чрезвычайно малой плотности (0,0007 г/см при 0°С и атмосферном давлении) объемная теплота сгорания сжатого даже до 20 МПа природного газа не превышает 7000 МДж/кг, т. е. более чем 3 раза меньше, чем у сжиженного. Невысокое значение объемной топлоты сгорания не позволяет обеспечить хранение на автомобиле достаточного количества газа даже при высоком давлении. Вследствие этого запас хода газобаллонных автомобилей, работающих на сжатом природном газе, вдвое меньше, чем у бензиновых или у автомобилей, работающих на сжиженном углеводородном газе. Октановое число метана по исследовательскому методу около 110. Применение вместо бензина сжатого природного газа благодаря его огромным запасам и небольшой стоимости целесообразно, особенно на внутригородских и пригородных перевозках

Показатели сжатого газа : компонентный состав сжатого газа и содержание веществ, вредно влияющих на работу газобаллонной аппаратуры и ускоряющих износ двигателей.

Компонентный состав газа . Сжатый газ, предназначенный для всесезонного применения на автомобилях, должен содержать (по объему) метана не менее 90%, этана - не более 4%, небольшое количество (до 2,5%) других горючих углеводородных газов, окиси углерода - до 1%, кислорода - до 1%, азота - не более 5%.

Основой природного газа, который имеет природное (натуральное) происхождение является метан (CH4). Формирование природного газа произошло в процессе органического преобразования. Содержание метана в природном газе может колебаться в диапазоне от 91 до 99%, все остальное это - пропан, этан, бутан, а также азот.Такой разброс в процентах объясняется отличием химического состава газа, добытого в разных уголках нашей Земли. Однако, при сгорании природный газ разного происхождения выделяет одинаковое количество тепла, что делает его геопривязку абсолютно не важной как для вас, так и для вашего двигателя. Благодаря электронным датчикам газобаллонного оборудования, состав газа автоматически определяется после чего происходит регулировка пропорции топливной смеси с учетом особенностей этого газа.

Преимущества природного газа

Химический состав природного газа, благоприятно сказывается на состоянии двигателя и не влечет за собой проблем, связанных с эксплуатацией. Благодаря отсутствию в составе метана добавок, которые присутствуют в сжиженных углеводородных газах (СУГ ), продукты горения природного газа не содержат вредных включений. Более того, при сгорании природного газа уровень выбросов CO2 снижается на 25%.

Количество метана в природном газе это - как октановое число для бензина, по этому параметру принято характеризовать природный газ . Что это значит для двигателя? От этого параметра зависит работа двигателя, а также вероятность появления такого явления как детонация.

Сжатый природный газ (СПГ) имеет ряд неоспоримых преимуществ перед сжиженным нефтяным газом (СНГ), среди которых - экологичность и безопасность. Метан, которого, как вы уже знаете, в природном газе больше всего, быстро растворяется в воздухе, что практически сводит на нет вероятность воспламенения газа в случае повреждения . Способ хранения природного газа позволяет минимизировать вероятность неконтролируемой утечки. Исправные цилиндры обязаны выдерживать давление разрыва равное более чем 600 бар, а благодаря клапанной системе происходит контролируемая подача газа.

При работе на СПГ мотор может демонстрировать высокую производительность за счет высокого октанового числа (~130), в особенности, когда мотор оснащен турбиной или системой рециркуляции отработанных газов, а лучше и то и другое вместе. Хотя это имеет и обратную сторону, например, большое потребление газа, а также проблемы с теплоотдачей. Уровень шума двигателя во время работы на природном газе снижается на 3 дБ, поэтому такой тип топлива очень актуален для общественного транспорта. Сжатый природный газ, как и СНГ можно использовать как на бензиновых, так и , хотя в случае с дизелями вам придется столкнуться с низкой окупаемостью. Проблема в том, что на дизельный мотор потребуется устанавливать систему с искровым зажиганием или смешанный цикл, в котором дизельное топливо будет выступать в качестве в качестве поджигающего вещества.

Существуют также и недостатки у этого типа топлива

1. Низкая плотность энергии. Из-за этой особенности природный газ очень часто используется в сжатом виде. Давление или степень сжатия равно 20 МПа или 200 бар. В переводе на плотность энергии мы получаем 7 кдж/дм3, по сравнению с бензином у которого этот показатель равен 30 кдж/дм3 можно получить без каких-либо дополнительных операций по сжатию. Эта особенность природного газа приводит к тому, что мотор для того, чтобы работать на этом топливе должен быть оптимизирован для этого, а сам при этом буде существенно выше. При равных размерах газовых (СНГ и СПГ) на СНГ можно проехать больше, поэтому чтобы компенсировать низкую производительность, желающим использовать метан в качестве альтернативного топлива , приходится ставить на свои авто больше газовые резервуары. Это как вы понимаете ведет к увеличению общего веса автомобиля, и уменьшению свободного места в багажнике. Высокое давление, необходимое для хранения заполненных СПГ резервуаров (как правило, цилиндрической или круглой формы) делают емкости весьма громоздкими и в случае с легковушками отнимают много места.

Существует два вида систем способных работать на природном газе - моновалентные и двухвалентные.

• Моновалентный тип предусматривает сжигание исключительно СПГ, который поступает из специального резервуара.
• Бивалентный тип предусматривает одновременное использование газа вместе с основным топливом, за счет чего возникает экономия денежных средств и снижается расход бензина.

Сейчас во всем мире сжиженный газ производят и используют как высококачественное бытовое и промышленное топливо, что является следствием основных его преимуществ. А именно: возможность существования сжиженного газа при температуре окружающей среды и умеренных давлениях как в жидком, так и газообразном состоянии. В жидком виде эти газы легко перерабатываются, хранятся, транспортируются, а в газообразном - имеют лучшую, чем природный и искусственные газы, характеристику сгорания при отсутствии вредных примесей.

Двигатели внутреннего сгорания, работающие на газовом топливе, начали разрабатываться гораздо раньше бензиновых и дизельных, однако широкое применение в автомобильной сфере они стали находить только в последние годы. Тем более что перевод двигателя на газ не исключает возможность его эксплуатации на бензине. Причем переключение двигателя с одного вида топлива на другое происходит прямо в салоне машины.

Газовое топливо обладает многими преимуществами перед традиционным жидким. Пожалуй, самое главное из таких преимуществ для рядового автолюбителя - это низкая стоимость газа. Поэтому, даже притом, что один и тот же двигатель расходует газа несколько больше, чем бензина, использование газового топлива оказывается весьма выгодным. Одним из приятных особенностей газового топлива является тот факт, что после опустения топливного баллона машина будет в состоянии проехать еще 2-4 км.

В качестве автомобильного горючего используются два вида газового топлива - сжиженный нефтяной, или углеводородный, газ и сжатый компримированный газ. Сжиженный газ, используемый как автомобильное топливо, в основном состоит из пропана (С3Н8), газовой смеси бутана (С4Н10), получаемых при добыче природного газа и нефти, а также на различных стадиях ее переработки на заводах. и (около 1%) непредельных углеводородов. Их химические и физические свойства обеспечивают достаточную мощность и эффективной работы двигателя.

Сжиженный или сжатый газ?

Следует отличать сжиженный и сжатый газ. Сжатый газ - это, в основном, метан, сохраняющий свое газообразное состояние почти при любой температуре и при любом повышении давления.

Сжиженный газ пользуется наибольшей популярностью у владельцев легковых автомобилей. Переоборудовать автомобиль для работы на сжиженном газе проще и дешевле, чем для работы на сжатом. Сжиженный газ находится в баллоне под относительно небольшим давлением - 16 атмосфер, а высокая степень разреженности сжатого газа требует увеличить этот показатель в 12-15 раз. Поэтому для использования сжатого газа необходимы более громоздкие и тяжелые заправочные баллоны с более толстыми стенками. При этом пробег автомобиля, работающего на сжатом газе, от одной заправки вдвое меньше пробега авто, на котором установлено оборудование для сжиженного газа. Однако сжатый газ также употребляется в качестве автомобильного горючего, поскольку запасы метана в природе очень велики и себестоимость этого вида топлива небольшая. Машины, работающие на сжатом газе - это, в основном, грузовые автомобили и автобусы, используемые предприятиями. Кроме себестоимости, у сжатого газа есть и другие положительные отличия: он менее взрывоопасен, нежели сжиженный, так как очень легок и при утечке не скапливается на открытом пространстве; сжатый газ, сгорая, образует более чистый выхлоп; при использовании сжатого газа не нужно сливать периодически образующийся конденсат, обладающий неприятным запахом.

Свойства сжиженного газа

LPG или сжиженный газ, побочный продукт очищенной сырой нефти, является газом в комнатной температуре и давлении, и жидкостью в давлении 2Па. Плотность жидкой фазы газа зависит от температуры, с увеличением которой плотность уменьшается. При нормальном атмосферном давлении и температуре 15°С, плотность жидкой фазы пропана составляет 0,51 кг/л, бутана - 0,58 кг/л. Паровая фаза пропана тяжелее воздуха в 1,5 раза, бутана - в 2 раза. Температура кипения бензина выше температуры окружающей среды, а сжиженный газ испаряется при более низких температурах. Это означает, что бензин в баке находится, как правило, в жидком состоянии при атмосферном давлении, а сжиженный газ в баллоне - при давлении, соответствующем температуре окружающей среды.

Марки сжиженного газа

Существует две марки сжиженного нефтяного газа (ГСН): ПА - пропан автомобильный и ПБА - пропан-бутан автомобильный.

Марка газа ПБА допускается к применению во всех климатических районах при температуре окружающего воздуха не ниже -20°С. Марка ПА используется в зимний период в тех климатических районах, где температура воздуха опускается ниже -20°С (рекомендуемый интервал -20°С…-25°С). Пропан остается в жидком состоянии при температуре ниже -42 градуса, для бутана эта температура составляет -0,5 °С. В весенний период времени с целью полной выработки запасов сжиженного газа марки ПА допускается ее применение при температуре до 10°С. Более высокая температура может привести к нежелательному повышению давления в газоподающей системе автомобиля и ее разгерметизации.

Преимущества сжиженного газа

Октановое число

Октановое число газового топлива выше, чем бензина, поэтому детонационная стойкость сжиженного газа больше, чем бензина даже самого высшего качества. Это позволяет добиться большей экономичности использования топлива в двигателе с повышенной степенью сжатия. Среднее октановое число сжиженного газа - 105 - недостижимо для любых марок бензина. При этом скорость сгорания газа немного меньше, чем у бензина. Это снижает нагрузки на стенки цилиндров, поршневую группу и коленчатый вал, позволяет двигателю работать ровно и тихо.

Диффузия

Газ легко смешивается с воздухом и равномерней наполняет цилиндры однородной смесью, поэтому двигатель работает ровнее и тише. Газовая смесь сгорает полностью, поэтому не образуется нагар на поршнях, клапанах и свечах зажигания. Газовое топливо не смывает масляную пленку со стенок цилиндров, а также не смешивается с маслом в картере, не ухудшая, таким образом, смазочные свойства масла. В результате цилиндры и поршни изнашиваются меньше.

Давление в баллоне

Сжиженный газ отличается от других видов автомобильного топлива наличием паровой фазы над поверхностью жидкой фазы. В процессе наполнения баллона первые порции сжиженного газа быстро испаряются и заполняют весь его объем. Давление в баллоне зависит от давления насыщенных паров, которое в свою очередь зависит от температуры жидкой фазы и процентного соотношения пропана и бутана в ней. Давление насыщенных паров характеризует испаряемость ГСН. Испаряемость пропана выше чем бутана, поэтому и давление при отрицательных температурах у него значительно выше.

Выхлоп

При горении, выделяется меньшее количество углеродистых и азотных окисей и несожженных углеводородов чем бензин или дизельное топливо, без выделения ароматических углеводородов или диоксида серы.

Примеси

Качественное газовое топливо не содержит таких химических примесей, как сера, свинец, щелочи, которые усиливают коррозирующие свойства горючего и разрушают детали камеры сгорания, систему впрыска, лямбда-зонд (датчик, определяющий количество кислорода в топливной смеси), каталитический нейтрализатор выхлопных газов.

Недостатки сжиженного газа

Взрывоопасность

При испарении 1 л сжиженного газа образуется около 250л газообразного. Таким образом, даже незначительная утечка может быть очень опасной, так как объем газа при испарении увеличивается в 250 раз.

Этот недостаток может проявиться при неправильной установке газобаллонного оборудования или несоблюдении автовладельцем правил эксплуатации такой аппаратуры. Для возгорания газа необходима более высокая концентрация этого вещества в воздухе, чем бензина. Однако повышенная летучесть газа позволяет опасному количеству накапливаться быстрее и в больших объемах. В движущемся автомобиле такая концентрация возникнуть не может, но в любом случае, при обнаружении характерного запаха водителю следует перекрыть подачу газа в двигатель и продолжать движение на бензине. Ставить при обнаружении утечки газа машину в гараж недопустимо.

Проверить герметичность газобаллонной аппаратуры можно, нанеся кистью мыльный раствор в места соединений трубопроводов. Если в таких местах появляются мыльные пузыри - автомобилю прямой путь на сервисную станцию. Ремонтировать газовое оборудование самостоятельно запрещается. Каждые два года установленная на машине газобаллонная аппаратура должна проходить освидетельствование специалистов. Исправное газовое оборудование полностью герметично. На каждом трубопроводе, отходящем от баллона, устанавливаются как минимум три независимых друг от друга запорных устройства.

Одорация

Поскольку газ не обладает запахом, то для определения негерметичности системы в газ добавляются в определенной пропорции особые вещества – меркаптаны. По своей химической структуре они похожи на алкогольные вещества, общая формула которых R-SH. Наличие этих веществ даже в небольших количествах чувствуется благодаря их неприятному запаху – если в закрытом автомобиле есть запах «газа», значит, система негерметична, и эксплуатировать такой автомобиль небезопасно. Сернистые соединения одоранта и самого газа снижают долговечность работы редуктора вследствие интенсивного старения мембран, резиновых уплотнений и вызывают коррозию трубопроводов.

Заправка топливного баллона

Полностью заполнять топливный баллон газом нельзя, поскольку даже небольшой рост окружающей температуры ведет к существенному повышению давления в баллоне. Поэтому при заправке топливного резервуара на 80% специальное устройство газовой аппаратуры автоматически перекрывает заправочный канал.

Нежелательная эксплуатация в условиях жаркого климата

Жаркий климат - не лучший для эксплуатации автомобилей на газовом топливе. В таких условиях, чтобы уменьшить давление в топливном резервуаре, баллон надо немного "выездить", прежде чем машина будет поставлена на стоянку.

Снижение мощности

По причине более низкой теплоты сгорания газово-воздушной смеси по сравнению со смесью воздуха и жидкого топлива наблюдается некоторое падение мощности двигателя - примерно на 10%. Однако существенного влияния на динамические характеристики автомобиля это не оказывает и, к тому же, это можно частично устранить, если установить угол опережения зажигания на 3-5° раньше.

Травмоопасность

Сжиженный газ, попав на кожу человека при низкой температуре воздуха, может вызывать обморожение.

Кроме всего вышесказанного можно отметить необходимость более частой замены воздушных фильтров. Детали для газобаллонного оборудования пока найти труднее, чем для системы питания жидким топливом. Топливный резервуар занимает некоторую часть багажника. Наконец, у машины, работающей на газе, иногда возникают проблемы с запуском холодного двигателя.