Природный газ для автомобилей(GNG)- Метан
Газ метан, используемый в автомобильных двигателях, — это смесь различных природных газов, содержащая около 85-90% метана, отчего и происходит ее обобщенное обозначение «метан». Природный газ метан в природе (при атмосферном давлении и температуре 20°C) встречается в газообразном виде, то есть его легко можно смешать с воздухом, что позволяет получить однородную смесь, легко сжимаемую в цилиндрах двигателя поршнями, и уменьшить давление на головки. Газовоздушная горючая смесь однородна, без примесей и тяжелых частиц, которые могли бы вступить в реакцию со смазочным маслом во время сгорания и привести к образованию остатков и отложений углерода на головке блока цилиндров. Эти остатки и отложения способствуют изнашиванию механических деталей.
Кроме того, не происходит эффекта «смывания» смазываемых поверхностей и не ухудшаются свойства масла, время действия которого за счет этого увеличивается.
Метан не содержит таких элементов, как свинец и другие ароматические вещества, таким образом, во время сгорания не образуются вредные газы, которые, например, образуются при сгорании бензина. Результат сгорания метана в двигателе позволяет уменьшить дым и выхлоп токсичных газов, таких как СО, CO2 и NОx.
Что касается механических свойств, наличие высокого октанового числа (ок. 130) позволяет применять высокую степень сжатия (11-13), что позволяет повысить производительность на 5-10%. Тем не менее, смесь Воздух-Метан представляет на одну единицу объема более низкую теплотворную способность, примерно на 10% ниже, чем происходит в тех же условиях с бензином. Эта ситуация вызывает потерю около 10% мощности, развиваемой двигателем.
Газ метан в естественном состоянии не имеет цвета и запаха, и к нему из соображений безопасности добавляется газ с запахом (меркаптаны). Кроме того, его удельный вес меньше, чем вес воздуха, поэтому он быстрее распространяется в воздухе, характеризуется большей летучестью, а значит подвергается меньшему риску постоянной концентрации взрывоопасной смеси. Температура воспламенения относительно высока – 650 °С (температура воспламенения бензина – 250 °C), а нижний предел взрывчатости 5%. Все эти характеристики свидетельствуют о том, что метан – не только хорошее горючее, но и очень безопасный продукт.
Сравнение Метана с другими горючими
Сравнение характеристик различных видов горючего должно проводиться с учетом концепции двигателей, которые обычно оптимизированы именно для действия используемого горючего, и с учетом того факта, что совместимость равного использования того или иного горючего не должна влиять на сравнение.
Фундаментальными характеристиками, которые квалифицируют выгодность использования какого-либо горючего для автомобильных двигателей, являются обычно его физические и термохимические характеристики.
С одной стороны, это физические свойства, которые благоприятствуют транспортабельности и использованию колонки сжатого газа на борту автомобиля, а с другой стороны, это простота подачи. На основании этих характеристик сжатый метан находится в невыгодном положении, так как его нужно хранить под высоким давлением, и может быть классифицирован после бензина и GPL. Газ метан, используемый в автомобилях, загружается в баллоны под давлением 220 бар.
С точки зрения термических и химических характеристик, метан, с высоким октановым числом (около 130), и теплотворной способностью 95.000 ккал/м3 занимает первое место в классификации, за ним далее следуют сжиженный нефтяной газ, солярка и, наконец, бензин.
Плотность метана составляет 0,19 при 220 бар и 27° С, то есть примерно четверть плотности бензина. Следовательно, чтобы загрузить то же самое количество энергии на борт автомобиля, требуется баллон большего объема, чем бак для бензина. Кроме того, стенки баллона подвергаются воздействию более высокого давления и должны быть, следовательно, более толстыми, что делает баллон того же объема более тяжелым.
В нормальном режиме давления и температуры (15 °C, 1 бар) 1 литр бензина эквивалентен Pb x Db : Pg = 0.67 кг метана.
Pb: теплотворная способность бензина
Pg: теплотворная способность метана
СРАВНЕНИЕ МЕТАНА ДЛЯ АВТОМОБИЛЕЙ С ДРУГИМИ ВИДАМИ ГОРЮЧЕГО
| ХАРАКТЕРИСТИКА | ЕДИНИЦА ИЗМЕРЕНИЯ | ДИЗТОПЛИВО | БЕНЗИН | МЕТАН |
| Естественное состояние | — | жидкость | жидкость | Газ без цвета и запаха |
| Плотность | кг/л; кг/л; кг/м3 | 0,81 – 0,85 | 0,72 – 0,78 | 0,68 – 0,72 |
| Взрывчатость | % в воздухе на единицу объема | 0,6 – 0,65 | 0,6 | 5 – 15 |
| Показатель октана (R.O.N.) | — | — | 90.98 | 130 |
| Общая теплотворная способность | кДж/кг | 40 600 | 42 690 | 50 000 |
| Температура самовозгорания | °С | 220 | 257 | 650 |
| Способ обнаружения | — | Визуальный | Визуальный | По запаху |
| Стихометрическая смесь | кг/кг | 14.05 | 14.07 | 17.02 |
| Стихометрическая смесь | Объем/Объем | 15 | 45.8 | 9.06 |
По энергетическому и расходному эквиваленту 1м³ природного газа заменяет в эксплуатации примерно 1л бензина или дизельного топлива. При этом, что особенно важно для транспортников в нынешней нелегкой ситуации с постоянно растущими ценами на топливо, стоимость природного газа ограничена специальным постановлением Правительства России, что не позволит ей неограниченно возрасти при росте спроса на газ. Согласно этому постановлению, 1м³ газа не может стоить дороже 0,5л самого дешевого бензина марки А-76.
Оценка достоинств и недостатков использования природного газа на транспорте, сделанная еще в 50-е годы, продолжает жить и сегодня.
Достоинства природного газа, как природного топлива:
- повышение моторесурса двигателя в 1,5 раза;
- отсутствие детонации (октановое число газа 105-110);
- отсутствие нагара на поршнях и свечах, а также в отработавших газах;
- более длительный срок моторного масла (в 1,5-2 раза) с благотворным влиянием его на срок службы всех деталей, износ которых зависит от качества смазки;
- увеличение срока службы свечей в 1,5-2 раза;
- общее улучшение экологических параметров отработавших газов (за исключением запаха);
- уменьшение затрат на топливо в 1,5-2 раза.
Недостатки процесса газификации автомобиля:
- снижение мощности двигателя (бензинового) – от 5 до 10%;
- ухудшение тягово-скоростных свойств транспортного средства (время разгона возрастает на 20%, максимальная скорость движения снижается на 5%;
- возможность появления запаха газа в салоне (в случае неисправности глушителя или кузова);
- вес и объем баллона с газом;
- удорожание обслуживания топливной аппаратуры.
На природном газе может работать и бензиновый, и дизель, и другие виды двигателей. На эффективность перевода на природный газ влияет целый ряд факторов. Условно их можно разделить на две группы. Первая – технические факторы: изменение затрат на топливо, основную и дополнительную заработную плату, затраты на смазочные и другие эксплуатационные материалы, на шины, на техническое обслуживание и ремонт, амортизационные отчисления, накладные расходы.
Вторая – организационно-технические факторы, которые оцениваются изменением коэффициентов использования пробега, грузо- и пассажировместимости, технической скорости и др.
Кроме того, совершенно обязательно создание производственно-технической базы (ПТБ), обеспечивающей безопасную эксплуатацию, обслуживание и ремонт подвижного состава на основе руководящего документа РД-3112199-98 «Требования пожарной безопасности для предприятий, эксплуатирующих автотранспортные средства на компримированном природном газе».
Важнейшей проблемой, возникающей при эксплуатации газовых транспортных средств, стало восстановление утраченной работоспособности при отказах газовой системы автомобилей.
Однако, отмеченные трудности, в большинстве известных публикаций в целом при экономической оценке дают положительный баланс в использовании газового топлива.
Опыт авторов и других исследователей по конвертации для работы на природном газе в газовые и газодизели убедительно показывает, что создавшаяся проблема носит комплексный характер, основная составляющая которой, технические решения.
В 80-е годы возобновилась работа по конвертации дизелей в газодизели. Основными исполнителями стали исследователи дизелей, которые используя прежний опыт работ, заложили в управление принцип качественного регулирования. Не разобравшись, что используемый в системе питания двухступенчатый газовый редуктор (взят с карбюраторного двигателя) работает по принципу количественного регулирования. Были созданы конструкции использующие одновременно два противоположных принципа регулирования. Как результат: управление газодизелем было нестабильным. На отдельных режимах газодизель работал на дизельном топливе. В среднем система питания газодизеля КамАЗ позволяла замещать газами только 25-30% дизельного топлива. Ее неработоспособность стала причиной отказа эксплуатационников использовать газодизеля.
Одновременно испытывалась система питания, созданная авторами данного материала. На дизель установили газовый карбюратор. В основе системы питания заложен принцип количественного регулирования для одновременного управления подачей жидкого и газового топлив. Во время межведомственных испытаний автобуса «Икарус-260» 9испытания на полигоне НИЦИАМТ) газодизель Габа-Ман работал с использованием 90-95% природного газа и 5-10% дизельного топлива. Нужно отметить, что такие результаты подтверждаются другими исследованиями газодизелей. Однако преодолеть ведомственный барьер, установленный НАМИ не удалось и работы в начале 90-х годов были приостановлены.
Для создания газового двигателя на базе дизеля необходимо уменьшить степень сжатия, снять систему подачи дизельного топлива, установить систему искрового зажигания и систему подачи газовоздушной смеси в цилиндры. Этим путем пошли большинство исследователей. Но сертифицировать пока удалось газовый двигатель для стационарных установок с узкими диапазонами изменения нагрузочных характеристик. На автомобиле газовый двигатель с таким простым набором изменений дизеля работает неустойчиво. На наш взгляд развивать идею конвертации дизелей в «чисто» газовые ранее подобранные двигатели нецелесообразно, т.к. оплачивается двойная работа. Различие в рабочем процессе конструкции и системах управления и др. бензинового и дизельного двигателей достаточно изучено.
Поэтому сегодня, когда стоит задача создания малотоксичных и экономичных двигателей определяющим является вид топлива. Под заданное топливо необходимо проектировать двигатель способный эффективно его сжигать. Наш анализ должен убедить читателя, что природный газ сегодня является единственным доступным заменителем бензину и дизельному топливу. И для его использования требуется разработка газового двигателя нового технического уровня.