Зміст теми

6.1. Застосування газобалонного обладнання на автомобільному транспорті.

Деякі історичні аспекти

Газовий двигун з'явився раніше, ніж бензиновий. Перший комерційний ДВС працював на світильному газі. Потім перешли до використання бензину, дизельного палива і мазуту. Пройшов багато часу, перш ніж розробники знову повернулися до ідеї застосовувати газ, а саме – метан (стислий газ) і пропан-бутанові суміші (зріджений газ).

Історія використання газу як палива для двигуна внутрішнього згорання бере свій початок ще в XIX столітті.

1823 р. – англієць Самуель Браун побудував газовий двигун внутрішнього згорання на світильному газі.

1842 р. Дрейк (Англія) запатентував (патент №562) газовий двигун з гартівним запаленням.

1860 р. Виданий патент Жану Етьену Ленуару, що налагодив потім випуск ДВС на світильному газі.

1928 р. Пройшла випробування газогенераторна установка конструкції професора В.С. Наумова на шасі Фіат-15-тер.

1935 р. Випробувальний пробіг газогенераторних автомобілів ЗІС-5 і ГАЗ-АА, оснащених газовими двигунами і газогенераторами, по маршруту Москва – Ленінград – Москва. Як паливо використовувався газ, отриманий в газогенераторах з деревних чурок, вугільних брикетів, торфу.

Газогенераторні установки були досить громіздкими і важкими. Їх маса коливалася від 400 до 600 кг В результаті газогенераторна модифікація, скажімо, вантажівки ЗІС-5 втрачала півтонни вантажопідйомності.

Розжіг газогенератора займав 10–14 хвилин, витрата деревних чурок дорівнювала близько 53 кг/100 км. шляху, а запас ходу – 60-70 км.

Робота над газобалонними автомобілями розвернулася у нас з середини 1936 р. головним чином завдяки інституту НАТІ.

Кінець 30-х. З конвеєрів радянських автозаводів почали сходити газобалонні вантажівки ЗІС-30 і ГАЗ-44, в двигунах яких застосовувався, що виробляється не газогенераторами, а що подається з, заправлених на газонаповнювальних станціях.

Світовий досвід використання газового палива автомобільним транспортом

За останнє десятиліття ХХ сторіччя і минулі роки нинішнього багато країн світу істотно переглянули своє ставлення до стратегії використання невідновлюваних джерел енергії. Це пов'язано як з обмеженістю запасів нафти на Землі, так і зі значним збільшенням частки нафти у загальному споживанні енергоресурсів людством у цілому. Якщо у 1900р. частка нафти становила 3% від загального споживання енергоресурсів то, за даними інформаційного огляду "BP statistical Review of World Energy", у 2002р. при загальному споживанні енергоресурсів в обсязі 9405,0 млн.т. н.е. на нафту припадало 3522,5 млн.т. н.е., що становило 37,5%, а на природний газ – 2282,0 млн.т. н.е., тобто 24,3% . До речі, протягом останніх 30 років у США, Японії та країнах ЄС спостерігалася тенденція до зниження показника споживання нафти відносно ВВП. Водночас, показник споживання природного газу, особливо у країнах ЕС та Японії, підвищувався.

За оцінками Світового енергетичного агентства (CЕА) природний газ сьогодні є найбільш затребуваним у світовому споживанні енергоресурсів. Його споживання за період з 1991по 2001р. зросло з 2007,2 до 2404,2 млрд.куб.м, тобто майже на 20%. При цьому, на думку експертів СЕА, частка його споживання у світовому енергобалансі до 2030 р. подвоїться. Настільки ж активно розвивається і ринок зрідженого природного газу, частка якого, за даними "BP Statistical Review of World Energy”, становила близько 26 – 30% від загального обсягу світової торгівлі природним газом. При цьому очікують, що світове виробництво зрідженого природного газу до 2010 р. зросте на 30...60% і становитиме 140 – 170 млн.т на рік і зростатиме надалі .

Усвідомлюючи, що більшу частину доступних джерел нафти буде вичерпано у найближчі 50-60 років, уряди багатьох країн та співтовариств, а також провідні світові виробники транспортних засобів почали приділяти серйозну увагу використанню нетрадиційних моторних палив, до яких у першу чергу належать природний газ, біопалива та водень.

На сьогодні природний газ та нафтові гази (які одержують після сепарації сирої нафти (попутні нафтові гази), з переробки нафтопродуктів чи з природного газу), завдяки їхнім високим фізико-хімічним властивостям, широко використовують в усьому світі як у різних галузях господарства, так і на автомобільному транспорті як моторні палива. Широке використання природного газу зумовлено тим, що його виробництво не потребує глибокої хімічної переробки первинної сировини, а підготовку до застосування проводять фізичними методами, такими, як: стиснення (компримування) чи зрідження (скраплення). Завдяки цьому у більшості країн світу вартість газових моторних палив для споживачів нижча за вартість рідинних палив.

На використання газових палив автомобільним транспортом багатьох держав впливає, по-перше, проведення політики щодо забезпечення енергетичної незалежності, а по-друге, усвідомлення негативності забруднення атмосферного повітря викидами автотранспорту. Але кожна країна враховує насамперед свої національні чинники використання газових палив автомобільним транспортом. Наприклад, в Аргентині, Новій Зеландії, Малайзії та інших країнах власні ресурси використовують для обмеження постачання з-за кордону, у Бразилії відіграють роль політичні чинники, тому головна мета – знизити вартість транспорту загального користування, а у Західній Європі і промислово розвинутих країнах прагнуть енергетичної незалежності та зменшення забруднення атмосферного повітря в містах і міських зонах.

Отже, основними причинами використання газових палив автомобільним транспортом у всьому світі є економічні, політичні та екологічні фактори. Унаслідок цього за останні роки на автомобільному транспорті багатьох держав спостерігається стійке зростання використання стисненого природного газу (СПГ) як моторного палива. Про це свідчать дані, наведені в табл. 6.1, щодо кількості газобалонних автомобілів (ГБА), які використовують СПГ як моторне паливо, та кількості автомобільних газонаповнювальних компресорних станцій (АГНКС) по країнах світу .

Серед країн світу як по кількості ГБА, що працюють на СПГ, так і по їх темпах приросту вже багато років лідирує Аргентина. До країн, які за останні 2-2,5 роки підвищили майже у 1,5-2,0 рази кількість ГБ автомобілів, що працюють на СПГ, належать: Китай, Єгипет, Україна (у кожній з цих країн налічується від 50 до 80 тис. ГБА), Японія, Німеччина, Колумбія, Болівія (налічується від 10 до 25 тис. ГБА), Швеція (налічується до 5 тис. ГБА).

Таблиця 6.1 Кількість автомобілів, що використовують СПГ, та АГНКС по країнах світу

Д ані за 2004 р.

Кільк Термі Кількіс Кіль Термі ість н ть кіст н

Країни

АГН надан ГБА ь надан світу

КС ня АГН ня

даних КС дани

х

Аргентина 1.105 07.200 1.164.8 1.19 01.20

3 39 4 04

Бразилія 600 07.200 614.84 630 04.20

3 0 04

Італія 4631) 10.200 381.25 460 03.20

3 0 04

США 1300 05.200 130.00 1.30 05.20

3 0 0 03

45.000

10.200 1302 12.20

Україна 1302) (51.000

3 ) 03

)3)

Росія 218 10.200 36.000 218 03.20

3 04

Україна теж не залишилася осторонь процесу інтенсивного переобладнання автомобілів для роботи на природному газі. Цьому сприяє розвинена газотранспортна система, наявні національні ресурси природного газу та шахтного метану, мережа діючих АГНКС та перспективи її розвитку.

За останні роки, за даними ДК "Укртрансгаз" НАК“Нафтогаз України”, середня завантаженість мережі 87 автомобільних газонаповнювальних компресорних станцій (АГНКС) зросла в середньому з 12 - 17 % від проектної потужності. Слід зазначити, що в Україні, крім 89 АГНКС, працюють ще близько 29 приватних АГНКС середньою потужністю від 45 до 75 заправок за добу. Крім того ще біля 30 АГНКС перебувають у процесі проектування та підготування до введення в експлуатацію найближчим часом. За попередніми оцінками, мережею приватних АГНКС користується приблизно 5000...6000 автомобілів. Таким чином, загальну кількість українських автомобілів, що використовують СПГ як моторне паливо, на сьогодні можна оцінити у 50...51 тисячу автомобілів.

За кількістю автомобілів, які працюють на СПГ, Україна посідає дев’яте місце у світі, а наявна мережа АГНКС тільки ДК “Укртрансгаз” здатна заправляти СПГ до 75 тисяч автомобілів на добу. Не меншу увагу у світі приділяють і використанню зрідженого нафтового газу (ЗНГ) як моторного палива, у світі працюють більше ніж 4,5 млн. автомобілів. Найбільша їх кількість припадає на Європу (понад 2,0 млн. автомобілів), з яких близько 1,1 млн. автомобілів експлуатують в Італії.

Слід додати, що, хоча вартість зрідженого нафтового газу вища за вартість стисненого природного газу, вартість газобалонного обладнання (ГБО) для ЗНГ суттєво нижча за вартість ГБО для СПГ. Це пов'язано з тим, що ЗНГ зберігають на борту автомобіля в автомобільному газовому балоні під тиском 1,6 МПа (16 атм), а стиснений природний газ – під тиском 19,6 МПа (200 атм), що вимагає використання значно міцніших і металомістких балонів. Те саме стосується і вартості ГНС для ЗНГ порівняно з АГНКС для СПГ.

На відміну від СПГ, для роботи на якому в переважній більшості переобладнують вантажні автомобілі, автобуси та мікроавтобуси, для роботи на ЗНГ переобладнують легкові автомобілі і в незначній кількості мікроавтобуси та вантажні автомобілі.

Останнім часом завдяки запровадженню на автомобілях сучасних мікропроцесорних систем керування як двигуном, так і автомобілем у цілому, відбувається також і швидкий технологічний розвиток газобалонного обладнання для дообладнання автомобілів додатковими системами живлення СПГ чи ЗНГ. І якщо донедавна на автомобілях застосовували тільки системи живлення газом першого покоління (ежекційного типу, пневмомеханічні, з електронними елементами, що виконують допоміжні функції і не впливають на робочий процес двигуна), то нині на автомобілях поширюється застосування систем живлення газом четвертого та п’ятого поколінь, що використовують електромагнітні форсунки для впорскування газу до впускного патрубка кожного з циліндрів двигуна.

6.2. Фізико-хімічні властивості палива, що використовується на автомобілях з газобалонним обладнанням.

Зріджений нафтовий газ (ЗНГ) має всівластивості повноцінного палива для двигунів внутрішнього згоряння. У всьому світі газ визнаний як дешеве, екологічно чисте паливо, що за багатьма властивостями переважає бензин. ЗНГ має деякі фізико-хімічні властивості, які необхідно враховувати для досягнення максимального економічного й експлуатаційного ефекту. Нафтовий газ являє собою суміш пропану, бутану й незначної кількості (близько 1%) неграничних вуглеводнів. Фактично на автомобільні газонаповнювальні станції надходять дві марки газу, регламентовані відповідними ДСТами: зимова (85-95% пропану) і літня (4555% пропану). ЗНГ перебуває в балоні під тиском власних насичених пар при даній температурі, що практично не залежить від кількості газу в балоні. Ця властивість дозволяє витратити вміст балона практично повністю.

Порівняльні характеристики бензину й газу

Пропан Бутан Бензин

Параметри

З3 З4 C8,1H

Молекулярна формула

Н6 Н10 17,1

Щільність рідини при t кипіння й тиску 100 кпа, кг/м3 58 600 735

-40,5 -42,1 - 45

Температура кипіння (З) при тиску 100 кпа

Ступінь стиску

-8,2 -12 - 8,5

Октанове число 110 95 92

Метан

Природний газ-метан здатний різко зменшувати об`єм (в 600 разів) при його низькотемпературному зрідженні. Такий рідкий газ можна перевозити в спеціальних "бензобаках" при тиску не більше 6 атмосфер (тиск води у водопровідному крані). Продуктами повного згоряння метану є нешкідливі речовини - вуглекислий газ і вода. Саме тому ми не зазнаємо незручностей на наших кухнях, де іноді цілий день горять газові (метанові) плити. Щільність природного метану в тисячу разів нижча від щільності бензину. Тому, якщо заправляти автомобіль метаном при атмосферному тиску, то для однакової з бензином кількості палива знадобиться в 1000 разів більший бак. Збільшення щільності газу можна досягти стискуванням метану до 20...25 Мпа (200...250 атмосфер). Для зберігання в такому стані використаються спеціальні балони, які встановлюються на автомобілях.

Пропан-Бутан Пропан-бутан - синтетичне паливо. Його одержують із нафти й зконденсованих нафтових попутних газів. Щоб ця суміш залишалася рідкою, її зберігають і перевозять під тиском 1,6 Мпа (16 атмосфер). Газобалонна апаратура для зрідженого пропанбутану дещо простіша. Процес заправлення машин на газонаповнювальних станціях нескладний і дуже схожий на заправлення бензином. За своїми властивостями зріджений пропан-бутан майже не відрізняється від природного газу. У нього те ж високе октанове число, ті ж непогані екологічні й експлуатаційні показники.

Про октанове число вуглеводневого газу

Добитися повного згорання палива в бензиновому двигуні неможливо. Саме через це у вихлопі обов'язково міститься З – окисел вуглецю, який є шкідливою для людини речовиною. Якщо порівнювати між собою викиди газових і бензинових двигунів, то на перший погляд особливої різниці між ними не існує: кількість вуглеводнів, що поступають в навколишнє середовище, і в першому, і в другому випадку виявляється приблизно однаковим. Проте небезпеку представляють не самі вуглеводні, а продукти їх окислення. У цьому плані газові двигуни мають безперечну перевагу: метан, що виділяється ними, відрізняється від інших вуглеводнів найбільшою стійкістю до окислення.

Газ перевершує бензин не тільки по показнику екологічності, але своєю енергоефективністю. У двигуні внутрішнього згорання застосовується класичний принцип, який заснований на використанні чотирьох циклів. Кінець кінцем, потужність двигуна залежить від ступеня стиснення паливної суміші (її верхня межа обмежується можливістю детонації, при якій відбувається вибух). Здатність палива протистояти детонації називається октановим числом. Для природного газу цей показник в середньому дорівнює 108. Про подібний результат будь-яким маркам бензину залишається тільки мріяти.

Ще одна перевага природного газу перед бензином полягає в тому, що його концентрація, необхідна для горіння, виявляється нижчою, ніж у конкурента. Іншими словами, газовий двигун може обходитися біднішими горючими сумішами. Регулюючи концентрацію газу в суміші, ми тим самим дістаємо унікальну можливість управляти потужністю двигуна, який стає помітно більш «слухняним» в порівнянні з бензиновим.

Газові двигуни приблизно в 1,5-2 довші, ніж конкуренти, здатні обходитися без ремонту. Це пов'язано з тим, що при згоранні природного газу утворюється набагато менше твердих частинок, які прискорюють процес зносу поршнів і циліндра. Хімічні властивості газу такі, що він практично не сприяє корозії металу і не змиває захисну масляну плівку, що покриває металеві поверхні (на відміну від рідкого палива).

Справедливості ради слід зазначити, що разом з явними достоїнствами у природного газу є і свої недоліки. Так щільність метану приблизно в 1000 разів нижча, ніж аналогічний показник у бензину. Тому для того, щоб в стандартний бак помістилася достатня кількість палива, його щільність доводиться збільшувати штучно, головним чином – шляхом стиснення до 200-250 атмосфер. У такому вигляді метан може зберігатися лише в спеціальних балонах, що встановлюються в багажниках автомобілів.

У метану є одна корисна особливість, яка дає надію багатьом автоаматорам. Річ у тому, що при низькотемпературному зріджуванні (температура може опускатися до -1200С) об'єм цього газу зменшується приблизно в 600 разів. Тепер його можна перевозити в спеціальних баках, що нагадують бензинові. Тиск в них не перевищуватиме 6 атмосфер (це приблизно відповідає натиску води в домашньому крані). Дана технологія не знаходиться на стадії розробки, а вже добре освоєна і активно використовується в багатьох розвинених країнах: Японії, США, Норвегії і ін. Навіть розроблені спеціальні танкери, призначені для перевезення охолодженого метану.

Додамо також, що ця речовина абсолютна нешкідливо, оскільки при його згоранні утворюється лише вуглекислий газ і вода.

Альтернативою метану є пропан-Бутан – синтетичне паливо, отримуваній шляхом переробки нафті, а також конденсації попутних газів. Щоб ця суміш залишалася в рідкому стані, при її перевезенні і зберіганні необхідно постійно підтримувати тиск в 16 атмосфер.

Конструкція газобалонного устаткування, що працює на пропан-бутане в цілому простіше, а заправка такого автомобіля з боку малого чим відрізняється від заправки бензином.

Пропанобутанова суміш володіє таким же високим октановим числом, як і метан, але відрізняється від нього вищою економічністю. На 100 км. пробігу потрібно приблизно 45 літрів пропан-бутана, а метану – приблизно в два рази більше.