Какой газ используется в автомобилях в качестве топлива

Последнее обновление — 22 мая 2020 в 10:30

Основной альтернативой традиционному бензину или дизелю, является газомоторное топливо (ГМТ). Каким газом заправляют автомобили с ГБО, а также в чём отличие между ними вы узнаете из этой статьи.

Виды газового топлива

Условно ГМТ можно разделить по способу производства, агрегатному состоянию при использовании, хранении и транспортировке.

• CNG (compressed natural gas) – компримированный (сжатый) природный газ (КПГ)
• LPG (liquefied petroleum gas) – сжиженный нефтяной газ (СНГ)

Менее распространённые варианты:

• LNG (liquefied natural gas) – сжиженный природный газ (СПГ)
• CBG (compressed biogas) или LBG (liquefied biogas) – биотопливо.

Природный газ

Природным газом принято считать метан. Добывается он из недр земли через подземные или подводные (морские) скважины. В первоначальном варианте топливо содержит 75-98% метана (CH4), а также множество различных примесей:

1. механические (грунт)
2. водяной пар
3. этан C2H6
4. пропан C3H8
5. бутан C4H10
6. азот N2
7. этан C2H6
8. пентан C5H12 и другие (зависит от места рождения).

После добычи, сырье подвергается очистке от загрязнений, воды (осушка). Затем методом сепарации происходит отделение сероводорода и других компонентов.

Так как метан не имеет запаха, почувствовать его утечку не возможно. Для безопасности в газ добавляют специальную жидкость одорант (этантиол, этилмеркаптан C2H5SH) из расчета 16 грамм на 1000 м3.

Чистый метан по магистралям, с помощью компрессорных станций создающих давление в трубе, направляется к автомобильным газонаполнительным компрессорным станциям. На АГНКС голубое топливо компримируют (сжимают) до давления 200-220 атм. Таким образом, получается готовый к использованию CNG газ для автотранспорта (характеристики и требования к КПГ регулируются ГОСТом 27577-2000).

Существует ещё один более выгодный метод транспортировки метана. Очищенный природный газ пропускают через систему эжекторов, где при расширении его температура поэтапно понижается до температуры кипения -163°C, после чего метан переходит в сжиженное состояние. Основным преимуществом такого способа является уменьшение объёма газа в 600 раз.

Перевозку и хранение жидкого топлива осуществляют в специальных криогенных ёмкостях, которые, по сути, являются термосами. Цистерна объёмом 25 кубометров вмещает 10 тонн СПГ/LNG.

Затем у сжиженного природного газа может быть два пути:

1. обратный перевод в газообразное состояние при помощи испарителей
2. использование СПГ как топливо

Последний пункт является очень перспективным для автомобильного транспорта преимущественно коммерческого направления, из-за скопления в жидком метане огромного количества тепловой энергии при относительно низком давлении в криоёмкости (от 5-16 атм.).

Основные преимущества сжатого метана, как и СПГ – это их экономические и экологические показатели. К тому же природный газ легче воздуха, в этом смысле он менее опасен при утечке чем, например пропан. Однако газы метана являются токсичными (4 класс опасности).

Главным фактором медленного распространения CNG, является отсутствие достаточного количества автозаправочных станций. В настоящее время на территории России насчитывается, порядка 330 АГНКС не считая передвижных заправщиков (ПАГЗ), которые в основном применяются для нужд предприятий.

Техника и инфраструктура под LNG только начинают появляться, поэтому более широкое применение на авто пока имеет КПГ.

Сжиженный нефтяной газ

Ввиду доступности и пониженных требований к конструкции баллонов, ещё большее распространение в качестве газомоторного топлива получил состав пропана (C3H8) с бутаном (C4H10).

Пропан-бутановую смесь выделяют из добытого газоконденсата, а также при извлечении и глубокой переработке нефти. При нефтеперегонке образуется так называемый попутный нефтяной газ (ПНГ), из него отделяют сжиженный углеводородный. Затем происходит разделение СУГ на составляющие компоненты, один из которых — это сжиженный нефтяной газ. Для разных сфер применения СНГ бывает:

• СПБА — смесь пропана-бутана автомобильная
• ПА — пропан автомобильный
• ПТ – пропан технический
• ПБТ – пропан-бутан технический.

Пропан тяжелее воздуха, поэтому при утечке может скапливаться в нишах и закрытых помещениях (смотровая яма, гараж). Взрывоопасность паров ПБ в воздухе 2,3-9,5 % при нормальном давлении и температуре 20°C, метана 5-15%. СНГ малотоксичен.

LPG топливо имеет температуру кипения -43 градуса по Цельсию, при её превышении и атмосферном давлении горючее переходит в парообразное состояние. Избыточное давление паров составляет 16 атм (при температуре 45°C). В сжиженном состоянии объём СПБ уменьшается до 250-300 раз, концентрируя большое количество энергии.

Согласно ГОСТу 52087-2003 ПА должен содержать 85% пропана (±10%), СПБА 50% (±10%). Топливо, как и метан, подвергается одоризации (за исключением правил указанных ГОСТом).

Применение технического пропана и смеси ПТ, допустимо в качестве моторного топлива автомобиля, во всех климатических зонах с температурой окружающей среды до -20°C.

Октановое число пропана 105, у метана 110. По сравнению с бензином после сгорания СНГ и КПГ топлива, вредные выбросы снижаются до 10 раз.

Биотопливо

Биогаз — по сути тот же метан, полученный из растительного, животного сырья, а также различных органических отходов. CBG/LBG обладает схожими характеристиками.

Основное преимущество биометана заключается в том, что его производство никак не связано с добычей природных ископаемых. Генерируют его искусственным путём в специальных реакторах. Процесс происходит за счёт естественной жизнедеятельности бактерий . После очистки газа от сероводорода получается топливо с содержанием метана до 98%.

Применение биогаза как ГМТ актуально для сельскохозяйственных предприятий и перерабатывающих отходы организаций.

Метан или пропан на авто, что лучше?

Сегодня большинство автомобилистов предпочитают бензиновое топливо. Альтернативой является газовое топливо, которое более экологично, экономит денежные средства и благоприятно сказывается на ресурсах автомобиля. АЗС на сегодняшний день предлагают в наличии и по доступной цене два вида газа: пропан, входящий в пропан-бутановую смесь, и метан.

Функционирование газо-баллонного оборудования существенно проще бензиновой топливной системы. В автомобиль устанавливается металлический баллон, наполненный газом. Газ из него под определенным давлением поступает в редуктор, прогретый охлаждающей жидкостью. Газ испаряется, попадая в дозатор и далее в смеситель. Насыщенный воздухом газ проникает в камеру сгорания, где сгорает полностью, равномерно и медленно, что способствует более тихой и мягкой работе двигателя и уменьшает его шумовой фон на 3-8дБ.

ДВС на газовом топливе отработает в 1,5-2 раза дольше до капитального ремонта.

Плюсы и минусы метана в качестве топлива для автомобиля

Автомобиль на метане

Метан – газ природного происхождения, который легче воздуха и при утечке зависает в воздухе и легко перемещается дуновением ветра. Именно метан используют в домашних плитах и дачных котлах обогрева.

Поскольку газ метан не обладает свойством сжижаться, его хранят в баллонах под большим давлением в 200 атм. с утолщенными стенками из композитного сырья или из легированной стали. Подобные баллоны тяжелы, что исключает возможность крепления баллонов для метана на днище автомобиля натяжными лентами. Устанавливаются они на особую конструкционную панель, смонтированную к раме машины несколькими точками креплений. Такая непростая процедура и специальные баллоны для хранения метана значительно увеличивают стоимость перевода автомобиля на метан. Ещё одним неприятным моментом будет невозможность поставить баллон в углубление для запасного колеса.

Баллоны для метана производятся только цилиндрической формы.

Поскольку баллоны для хранения метана производят толстостенными, вес их начинается с 63 кг на 12,5 куб. метров газа внутри. При таком объеме газа в баллоне на обеспечение максимального пробега при одной заправке понадобится установить на автотранспорт минимум три баллона, содержащих метан.

На легковых автомобилях это условие значительно уменьшает полезное пространство багажного отделения. Отзывы об использовании метана на автомобиле гласят, что удобнее и целесообразнее покупать ГБО, работающее на метане, на грузовой и пассажирский автотранспорт. Единственным недостатком будет уменьшение грузоподъемности.

Топливомером газа метана в баллоне является манометр с рабочим давлением от 0 до 400 бар.

Измеряется метан в кубических метрах: 1 куб.м. равен 1,2 литра бензина.

Расход метанового топлива на автомобиле в смешанном цикле:

При бензиновом расходе 10л/100км, расход метана составит 9 куб.м./100км При бензиновом расходе 15л/100км, расход метана составит 15 куб.м./100км

В Европе метановое топливо очень популярно, в частности, за его экологичность. Многие известные европейские автопроизводители предлагают приобрести легковые автомобили, грузовой автотранспорт и пассажирские автобусы на метане с завода. Жителям РФ придётся перегонять такую машину на территорию проживания, поскольку дилеры не продают подобные варианты в центрах. Возможно приобрести подержанный заводской автомобиль на метане. Определяют такие автомобили по добавке в название модели: CNG, NGT, Natural Gas, Eco Fuel, Bi-Fuel. Топливная система в заводских автомобилях на метане двойная: газовая и бензиновая, однако объём бензинового топливного бака в большинстве случаев уменьшают на 10-20 литров для большей вместимости газа.

Пропан-бутан

Данный тип топлива чаще всего называют просто «Пропаном» или газом, подразумевая пропан-бутановую смесь. Это объясняется большой популярностью данного типа топлива и его доступностью по сравнению с метаном. Смесь пропана и бутана хранится в специальном резервуаре, который в большинстве случаев просто называют баллоном под давлением 16 атмосфер. Топливо находится в сжиженном состоянии, отсюда и название сжиженный нефтяной газ СНГ. Как уже понятно из расшифровки аббревиатуры СНГ — пропан-бутановая смесь является продуктом нефтепереработки. Октановое число пропан-бутана варьируется в диапазоне от 95 до 110. То есть, как вы понимаете, на данном топливе мотор будет работать с повышенной степенью сжатия. За счет последнего увеличивается КПД самого топлива, а также температурный режим двигателя. Стенки баллона, в котором хранится СНГ, имеют толщину порядка 3-х мм и вес в районе 30-40 кг, зависимости от того какой тип и объем баллона. Вместительность резервуара может достигать 120 л на авто с большим объемом двигателя, сам баллон может быть цилиндрическим или тороидальным. При использовании пропана расход топлива увеличивается примерно на 10-20%. Кроме того, из-за особенностей состава пропан-бутанового топлива мощность двигателя снижается примерно на 10-15%

Установка на автомобиль ГБО с пропаном и его сравнение с метаном

Метан или пропан на авто, что лучше? Более популярное газовое топливо – пропан. Как и бензин, его хранят в жидком агрегатном состоянии. На АЗС предлагают пропан как состав из пропана, бутана и этана. Такая смесь дешевле бензина почти в 2 раза и дешевле метана.

Система ASR в автомобиле — что это такое?

Как продлить «жизнь» глушителю: Совет

Баллоны для пропана в автомобиле по вместимости газа не уступают объемам бензиновых топливных баков. Они вместительнее, чем баллоны для метана, и изготавливаются не только привычной цилиндрической формы, но и тороидальной, что позволяет скрыть баллон в отделении для запасного колеса.

В РФ слабо развита сфера предоставления метанового топлива потребителю. Владельцам ГБО на метане на своем автотранспорте потребуется удлинять маршрут, поскольку заправочных станций, предлагающих метан, немного.

Пропан, как побочный нефтяной продукт, более популярен в предложении заводов производителей. Заправочных станций, торгующих пропан-бутановой смесью – намного больше, чем продающих метан.

Главный элемент, обеспечивающий нормальную работу ГБО – это газовый редуктор. Его регулировка обязательна не только при покупке газовой системы, но и по мере эксплуатации. Газовые редукторы для автомобиля с ГБО 2-го поколения на пропане нуждаются в обязательной регулировке на автомобилях до 2000-х годов выпуска.

При установке ГБО, работающего на метане или пропане, необходимо ответственно отнестись к выбору места установки и специалистов.

ГБО требует тщательного и частого технический осмотра.

Помимо ежедневной проверки состояния креплений и узлов системы, её герметичности, каждые 15000 км необходимо проверяться на СТО.

Что касается метана

Метан это сжатый природный газ. Баллоны для него только цилиндрической формы, работающие под давлением 200 бар.

• Баллоны для метана очень тяжелые, к примеру стальной баллон 65 литров будет весить порядка 70 кг.
• Баллоны громоздкие, чтобы добиться достаточного запаса хода на одной заправке, объем баллонов должен составлять от 100 литров.
• Заправок с метаном очень мало, в сравнении с заправками с пропаном.

Расход метана составляет 1 к 1 с бензином в городском цикле и 0,8 к 1 с бензином по трассе. Основной и жирный плюс метана, это экономия. Выгодно ездить на пропане, но на метане ездить еще выгодней. Что касается взрывоопасности, то метан на последнем месте после бензина и пропана. Метан легче воздуха, поэтому собрать его в одном месте, чтобы создать взрывоопасную смесь, практически невозможно. Что касается взрывов баллонов для метана, то это происходит только лишь по халатности хозяев автомобилей, которые закрывают глаза на любые нормы и правила. Еще одним минусом метана является потеря мощности двигателя. Октановое число метана доходит до 120, а как известно все современные ДВС проектируются максимум под 98.

Что выбрать решать Вам, желаю успехов!

Недостатки газового топлива

Заправка авто газом

неприятным недостатком газа будет невозможность завести двигатель на газу зимой при больших отрицательных температурах. Решением станет запуск двигателя автомобиля с бензинового топлива, а по достижению прогрева мотора до 30 градусов подключают ГБО; страдает мощность двигателя, она уменьшается на 7-10% с использованием пропана и на 20% при использовании метана; существенный недостаток – опасность газового топлива. Опасна именно утечка газа при повреждении баллона или несвоевременной проверке технического состояния системы. Не меньшую опасность, при исправном состоянии ГБО, представляют аварии с участием автомобилей на газовом топливе; большой вес баллонов сокращает грузоподъемность автотранспорта. Ресурс багажного отделения легковых автомобилей значительно уменьшается при оборудовании его несколькими газовыми емкостями. Для метана, в отличие от пропана, не изготавливают баллонов тороидальной формы, которые подходят в отделение для запасного колеса; цена монтажа ГБО на пропане на автомобиль в специальных центрах немалая. Метановое ГБО будет стоить чуть дороже. Так же возникнет необходимость перерегистрации документов на автомобиль с учетом внесения изменений в топливную систему; газовые заправки в нашей стране не настолько хорошо развиты, как бензиновые.

Сохранность машины кошелька и окружающей среды

Современное метановое оборудование снабжено впечатляющей разработкой вопросов безопасности и блокирует малейшую утечку газа. Баллон обладает толстыми герметичным корпусом, способным постоянно выдерживать нагрузку в 200 и более атмосфер, препятствуя взрыву при даже масштабной аварии или наезде сзади. По уровню экологичности автомобиль на метане успешно конкурирует даже с электромобилем — полное и чистое газовое сгорание без дополнительных примесей (типа тетраэтилсвинца в бензине) бережет не только комплектующие машины и кошелек, но и природу.

В соответствии с принятыми стандартами обеспечения безопасности, баллоны сжимают газ слабее, чем раньше, как следствие — подача газа в двигатель затормаживается, наблюдается и нарастание длительности прогорания сформированной редуктором газовоздушной горючей смеси.

Данный фактор устраняется настройкой угла опережения зажигания в контроллере ГБО или установкой дополнительных комплектующих — вариаторы угла опережения, которые не только снимут проблему перегрева мотора из-за продолжительного сгорания метана, но и добавят мощности двигателю и снизят расход топлива в среднем на 2-8%.

Громоздкие массивные топливные баллоны по-прежнему остаются самым серьезным недостатком на метановое оборудование, что в сочетании с острым дефицитом специализированных заправочных станций (даже в Москве и области на 50 мест, где можно залить пропан, приходится 1 метановая заправка) превращают нормальную эксплуатацию подобного типа оборудования в сплошные затруднения.

Пропан больше напоминает бензин по способу хранения и содержится в незначительно сконденсированном состоянии под давлением около 7 бар, которое удерживают баллоны. Октановое число превышает 100, и пропан также равномерно распределяется в цилиндрах и сгорает без нагара. Для его хранения поможет установка емкостей поменьше и полегче, которых тем не менее достаточно для преодоления отрезка пути вплоть до 1200 км одним махом (зависит от комплектации конкретного ГБО).

Само топливо несколько дороже метана, но все равно вдвое дешевле, чем бензин.

Изучая свойства обеих разновидностей, приходишь поневоле к выводу, что пропан по всем показателям оптимален для заправки легковых автомобилей — облегченные баллоны, доступная финансово газовая комплектация окупится быстрее при небольших городских пробегах на малолитражке. В грузовике же недостатки метана чувствоваться не будут — баллоны на сотню-другую килограммов для рейсовой фуры серьезной роли не играют, а недешевое газовое ГБО при постоянном использовании окупится за пару месяцев активного пробега.

Сравнение двух видов топлива

Между газами существуют солидные различия. Это касается хранения и эксплуатации (пользования). Применимо к автотранспорту:

• Метан – экологически чистый природный газ, добывается в месторождениях из недр земли. Автомобили с метановым ГБО маркируются — CNG (Compressed Natural Gas) сжатый природный газ или КПГ (компримированный);
• Пропан-бутан – смесь двух газов, получаемая при деятельности нефтяной промышленности. Маркировка LPG (Liquified Petroleum Gas) или СНГ (сжиженный нефтяной газ).

Хранение и перевозка метана как автомобильного топлива осуществляется под давлением 200-250 атмосфер (измеряется кубическими метрами), пропан-бутана 14-18 атм. (в литрах). Оба вида горючего широко применяются на легковых авто, грузовых, пассажирских и сельхозтехнике. В двигателях внутреннего сгорания бензиновых, дизельных (газодизель), газовых.

Рассмотрим основные плюсы и минусы авто на метане и пропане, в таких показателях как:

1. Цена и конструктивная разница между газовым оборудованием.
2. Финансово экономические выгоды.
3. Характеристики мотора.
4. Безопасность.
5. Наличие заправочных станций.
6. Вопросы, касающиеся экологии.

Отличия ГБО метан от пропанового

Стоимость и установка газобаллонного оборудования работающего на пропане обойдётся дешевле, нежели монтаж ГБО на метане. Цифры впечатляющие, разница в цене может составить колоссальный разрыв. Например пропановая газовая установка 4 поколения на легковое авто в среднем может стоить от 25-35 тыс. рублей. Аналогичное метановое оборудование на тот же автомобиль обойдётся в самом дешёвом варианте от 60 тысяч рублей. С коммерческим транспортом всё ещё сложнее.

Основной вклад в отличие вносит цена на газовые баллоны и их установку. А если этот факт применить к мощным машинам или грузовым, где ставят не один и не два баллона, то переоборудование обойдётся в круглую сумму.

Так как газ метан сжимается под большим давлением, для его транспортировки требуются толстостенные, тяжёлые ёмкости. К тому же метановые сосуды имеют только цилиндрическую форму, что может затруднить выбор места под установку и занять полезный объём багажного отделения. В отношении массы есть альтернативное решение – композитные баллоны разных размеров, но цена их слишком велика (к примеру, сосуд на 80 литров будет стоить от 35 000 рублей в комплекте с запорной арматурой и крепежом).

Пропан в этом плане выгоднее – существует огромный выбор относительно лёгких, дешёвых тороидальных (в нишу запасного колеса) или цилиндрических баллонов.

Также отличаются газовый редуктор, топливные магистрали (для метана ставят металлические с защитным покрытием, опять же из-за давления). В пропановом ГБО применяется медь или пластик. С КПГ редуктором ставится манометр для контроля давления и как опция, электронный датчик с выводом индикации в салон — топливомер газа.

Своё заправочное устройство у метанового оборудования. В остальном газовые системы схожи.

Расход газа и окупаемость

Сравнивая и выбирая, какое ГБО поставить на автомобиль, метан или пропан, в первую очередь считают срок окупаемости оборудования.

По понятным причинам просчёт точной экономики, в рамках данной статьи, сделать сложно (скачки цен на топливо и оборудование, особенности ТС, амортизация). Поэтому произведём усреднённый расчёт, где каждый, зная параметры своей машины, может подставить их, получив более конкретные цифры.

• цена бензина 43 руб., пропана 20 руб., метана 17 руб.;
• пробег за месяц 3000 км.;
• автомобиль (ДВС 4 цилиндра, бензин, расход бензина на 100 км пробега 10 л. – 12900 рублей за месяц);
• стоимость ГБО: пропан 30 000 руб., метан 60 000 руб.

Считается, что расход пропан-бутана по отношению к бензину выше на 10-35%. Возьмём максимальное значение – 35%, таким образом, коэффициент потребления относительно бензина составит 1,35. Получается, что на пропане расход на сотню составит 13,5 литров. В месяц 405 л. газа – 8100 руб. Выгода 37% или 4800 рублей.

Метан измеряется в кубометрах, его потребление к бензину в среднем на 10% меньше (выведено опытным путём) — коэф. 0,9. В нашем случае – 9 м3. По итогам месяца 270 метров кубических – 4590 руб. Выгоднее почти на 65% или 8310 рублей.

1. СНГ (стоимость ГБО/выгоду): 30000/4800=6,25 месяцев или (окуп.*пробег): 6,25*3000=18750 км. пробега;

2. КПГ – 60000/8310=7,22 мес. или – 7,22*3000=21661 км.

Влияние газомоторного топлива на двигатель

Газ в двигателе сгорает медленнее бензина, так как октановое число метана 120, а пропан-бутановой смеси около 105. По этой причине появляются температурные нагрузки на выпускной тракт, потеря мощности и завышенный расход горючего.

Решаются эти проблемы с установкой вариатора опережения угла зажигания (на некоторых марках делается прошивка контроллера ГБО). Рекомендуется установка на метан и на пропан.

По многочисленным отзывам водителей, как не настраивай авто на метане, всё равно динамические характеристики мотора снижаются примерно на 10%.

Преимуществом метана, также является тот факт, что сам по себе газ на много чище СНГ. Соответственно газовое оборудование проще и дешевле в обслуживании. К тому же при зимней эксплуатации нет проблем с замерзающим конденсатом. Недостатком будет меньшее количество СТО занимающихся КПГ. С пропаном ситуация обратная.

Вывод

Конечный выбор остается за автомобилистом – метан безопасней и дешевле, но дороже по установке и эксплуатации, пропан более распространен, дешевле по установке, баллоны меньше весят, но он взрывоопасен и более вреден. В любом случае – газовая заправка на АГЗС остается удобной и перспективной альтернативой заправки бензином, при этом она более функциональна, чем езда на электричестве или спирте.

Постоянное повышение цены на бензин способствовало повышению актуальности нового вида топлива — газового. Его стоимость в разы отличается от бензина и дизеля. Не пугает даже высокая стоимость оборудования, которое необходимо устанавливать на автомобили. Экономия оказывается «на лицо» и затраты на покупку и установку оборудования окупаются за короткое время, в зависимости от интенсивности эксплуатации автомобиля.

Перед каждым автовладельцем, который решился перейти на газовое топливо, стоит непростой вопрос: какому топливу отдать предпочтение: метану или пропану. Сегодня мы будем разбираться с этой дилеммой.

Сравнение метана и пропана

Общие преимущества газов в топливе

Оба газа имеют общие преимущества относительно бензина, что позволяет год от года расширять их применение в двигательных установках.

• Более низкая цена относительно бензина;
• Экологическая безопасность, меньшее влияние на здоровье человека;
• Увеличение срока езды без заправки за счет большего объема топлива, которое можно запасти;
• В комплексе замедление износа деталей автомобиля, особенно при использовании изначально приспособленного двигателя.

Общие недостатки газов в топливе

Существует также несколько оснований, по которым бензин все еще сохраняет лидирующее положение как автомобильное топливо.

• Меньшая доступность газов для потребителя (количество заправок, а также центров обслуживания автомобилей с газовыми установками);
• Падение мощности автомобиля при использовании газового топлива;
• Повышенный износ некоторых особо чувствительных участков двигателя (например, клапанов) с учетом специфики «сухого горения» газового топлива.

Основные различия метана и пропана

Метан и пропан существенно отличаются друг от друга как по специфике хранения, так и по специфике использования в качестве топлива, каждый имеет свои преимущества и недостатки.

• По ГБО – дополнение двигателя автомобиля пропановой установкой существенно (до 70%) дешевле, чем установка метанового ГБО;
• По стоимости – в перспективе, после того, как окупится установка ГБО, метан дает высокую экономию средств на топливо относительно пропана;
• Снижение мощности – пропан, относительно бензина, дает незначительное снижение мощности до 3-5% двигателя, и то при развитии скорости выше 140 километров в час. Метан «ослабляет машину» до 20%. Но стоит учитывать, что данное обстоятельство было почти нивелировано в современных специализированных установках;
• Экологическая чистота – пропан имеет примеси и не считается полностью безопасным для человека и экологии. Метан – самое чистое топливо на планете, по своей безопасности превосходящий электрические двигатели и солнечные батареи, находящийся на одном уровне со спиртовыми установками;
• Вес баллонов и объем топлива – пропан, сжимаемый под невысоким давлением вместе со своим резервуаром, весит в несколько раз легче, чем баллон сжатого метана. При этом пропана можно запасти на путь втрое более долгий, чем метана;
• Взрывоопасность – метан вдвое менее взрывоопасен, чем пропан, а с учетом рассеивания считается максимально безопасным относительно почти всех других видов топлива. Стоит также отметить, что баллоны метана при аварии повреждаются и деформируются существенно меньше, чем баллоны пропана. Таким образом, доставка пропана становится в перспективе более опасной;
• Доступность заправок – метановые заправки являются редкостью, их приходится специально искать, заправки с пропаном почти также часты, как бензиновые. При этом оборудование для сжимания, очистки и заправки метана существенно менее сложное, чем пропановое.

Какой газ лучше для автомобиля

Начнем со стоимости оборудования. Метановое ГБО дороже в силу своей конструкции, а также из-за больших затрат на изготовление самого баллона. Установка ГБО на метане также более затратная. Процесс монтажа оборудования для двух газов отличается.

Но цена за литр немного выравнивает ситуацию: 1 л пропана дешевле бензина в 1,8–2 раза, а 1 л метана – в целых 3 раза. Природный газ меньше расходуется. Поэтому весь вопрос в том, за какое время окупится установка более дорогого метанового ГБО. Как только это произойдет, вы будете экономить больше, чем на пропан-бутане.

Рассмотрим, что лучше для двигателя – пропан или метан. В отличие от бензина, оба газа положительно влияют на мотор.

При использовании газа свечи не подвергаются нагару, моторное масло не разжижается. Более того, масло приходится менять реже, а износ поршней и цилиндров уменьшается.

Таким образом, оба газа увеличивают общий ресурс двигателя. Но в силу своей большей экологичности природный газ менее вреден для деталей силового агрегата.

Какой газ лучше для автомобиля по удобству использования: пропан или метан? На сегодняшний день – пропан. Поскольку сеть АГЗС для него охватывает как крупные, так и маленькие города. Метановые заправочные станции встречаются единично в крупных городах.

Баллоны с пропаном являются более удобными. Емкости для жидкого газа бывают двух видов: цилиндрические и тороидальные (в форме бублика). Вторые удобно размещать в багажнике, в нише для запасного колеса.

Метановые баллоны бывают только цилиндрической формы, а поскольку их стенки толстые, то габариты увеличиваются. Это приводит к тому, что баллон с природным газом занимает весь багажник.

Газообразные топлива для двигателей внутреннего сгорания

При работе на газообразном топливе снижаются нагарообразование, расход моторного масла. Кроме того, газообразное топливо обладает высокими октановыми числами и теплотой сгорания.

В табл. 1 приведены некоторые показатели качества газообразных углеводородов.

Таблица 1. Показатели газообразных углеводородов

* Определено по исследовательскому методу.

1. Сжиженные нефтяные газы

Сжиженный нефтяной газ (СНГ) (англ. liquefied petroleum gas — LPG), или сжиженный углеводородный газ (СУГ), — смесь сжатых под давлением легких углеводородов с температурой кипения от –50 до 0 °C. Предназначен для применения в качестве топлива. Состав может существенно различаться. Основные компоненты: пропан, пропилен, изобутан, изобутилен, н-бутан и бутилен. СНГ являются наиболее высококачественным продуктом переработки нефти и нефтяного попутного газа. Как моторное топливо СНГ обладают важными преимуществами при использовании в автомобильных двигателях. Эти газы обладают высокой теплотой сгорания, транспортабельны. При работе на сжиженных газах двигатели имеют высокие технико-экономические и санитарно-гигиенические показатели. Сжиженные газы переходят из газообразного состояния (паровой фазы) в жидкое (жидкую фазу) при температуре окружающего воздуха и относительно небольших давлениях.

Для автомобильного транспорта по ГОСТ 27578–87 выпускают сжиженный газ марок ПА — пропан автомобильный — и ПБА — пропан-бутан автомобильный (табл. 2). Газ марки ПБА предназначен для всех климатических районов при температуре окружающего воздуха не ниже –20 °С, а для газа марки ПА рекомендуется температурный интервал применения от –20 до –35 °С. В весенний период с целью полного израсходования запасов сжиженного газа марку ПА допускается применять при температуре до 10 °С.

Таблица 2. Физико-химические показатели сжиженных автомобильных газов марок ПА и ПБА

По ГОСТ 20448–88 выпускают сжиженные газы следующих марок: СПБТЗ — смесь пропана и бутана техническая зимняя для коммунально-бытового потребления; СПБТЛ — смесь пропана и бутана техническая летняя для коммунально-бытового потребления и других целей; БТ — бутан технический для коммунальнобытового потребления и других целей (табл. 3).

Таблица 3. Основные нормативные показатели сжиженных газов разных марок

Основные компоненты сжиженного газа, обеспечивающие оптимальное давление насыщенных паров в газовом баллоне, — пропан и пропилен. Давление насыщенных паров существенно влияет на работу газовой установки автомобиля. Давление паров растет с повышением температуры, причем у пропана значительно быстрее, чем у бутана. Чем больше в пропан-бутановой смеси пропана, тем выше упругость паров смеси. Зная давление смеси при определенной температуре, можно оценить процентное содержание в нем пропана и бутана.

Все компоненты сжиженного газа, кроме метана и этилена, тяжелее воздуха, поэтому при утечках они скапливаются в низких местах (на полу, в канавах, приямках), образуя взрывоопасную смесь. Сжиженные газы менее пожаро- и взрывоопасны, чем пары бензина. Сжиженные газы образуют с воздухом взрывоопасные смеси при концентрации паров пропана от 2,1 до 9,5 %, изобутана — от 1,8 до 8,4 %, нормального бутана — от 1,5 до 8,5 % по объему при температуре 15…20 °С.

Температура самовоспламенения в воздухе при давлении 0,1 МПа (760 мм рт. ст.) составляет: 466 °С — для пропана; 462 °С — для изобутана; 405 °С — для бутана. Предельно допустимая концентрация в воздухе рабочей зоны (в перерасчете на углерод): пропана — 300 мг/м3, непредельных углеводородов — 100 мг/м3.

Сжиженные газы обладают высокой детонационной стойкостью. Например, октановое число пропана, определенное по моторному методу, равно 96, бутана — 90. Однако некоторые компоненты газа имеют сравнительно низкие октановые числа. Так, октановое число бутилена 80, пропилена — 85, вследствие чего их содержание в сжиженном газе ограничивают.

Для ощущения присутствия газа в окружающем воздухе ему придают специфический запах, добавляя резко пахнущие вещества — одоранты. Из них наиболее широко применяют этилмеркаптан: 2,5 г на 100 л сжиженного газа. При такой степени одоризации можно по запаху определить 0,4…0,5 % газа в воздухе. Данная концентрация газа в воздухе невзрывоопасна, так как составляет всего лишь 20 % нижнего предела воспламеняемости.

Основные физико-химические характеристики — давление насыщенных паров, плотность газа, теплота сгорания, точка росы и элементарный состав. Физические свойства СНГ в значительной степени зависят от их химического состава.

Основные компоненты СНГ (табл. 4) кипят при низких температурах, поэтому при нормальной температуре и атмосферном давлении они могут находиться только в газовой фазе. Для хранения СНГ в жидком виде необходимо повышать давление, и тем больше, чем выше температура, что объясняется ростом давления насыщенных паров СНГ. Пропан и бутан при температуре соответственно 96,6 и 152,0 °С не могут существовать в жидкой фазе даже в случае превышения давления, соответственно 4,25 и 3,80 МПа. Такие параметры для пропана и бутана являются критическими.

Давление насыщенных паров — давление паров в присутствии жидкой фазы. СНГ представляют собой насыщенные кипящие жидкости. При наличии свободной поверхности над жидкой фазой всегда возникает двухфазная система жидкость — пар. Давление паров СНГ изменяется в зависимости от температуры жидкой фазы. При температуре кипения СНГ давление насыщенных паров равно атмосферному. При повышении температуры внешней среды до температуры, равной критической температуре компонентов газа, давление насыщенных паров резко возрастает.

Таблица 4. Основные физико-химические свойства отдельных составляющих СНГ

Примечание. Приведенные параметры, кроме плотности, получены при температуре газа 15 °С.

Зная давление насыщенных паров, можно правильно рассчитать объем, который может занимать СНГ при определенной максимальной температуре внешней среды, а также обеспечить подачу жидкой и газовой фаз в систему питания двигателя.

Этан, входящий в состав СНГ в незначительных количествах, обладает достаточно высоким давлением насыщенных паров. Последнее способствует поддержанию необходимого давления в баллоне при отрицательных температурах внешней среды. Бутановая составляющая, которая включает нормальный бутан, изобутан, бутилен, изобутилен и другие изомеры, имеет высокую теплоту сгорания и легко сжижается. СНГ с большим содержанием бутана

целесообразно применять при положительных температурах окружающей среды, особенно в районах с жарким климатом.

В зависимости от температуры газа насыщенные пары СНГ имеют широкие пределы изменения давления. При одной и той же температуре давление насыщенных паров различных углеводородов неодинаково.

Давление насыщенных паров оказывает заметное влияние на эффективность подачи газового топлива в двигатель. При отрицательных температурах для надежной подачи газа в баллоне необходимо иметь достаточное избыточное давление.

К факторам, влияющим на давление внутри баллона, относят температуру и соотношение основных компонентов СНГ (пропана и бутана). Для смеси СНГ, состоящей из 80 % пропана и 20 % бутана, при температуре –25 °С давление насыщенных паров составляет 0,1 МПа, а при температуре 30 °С достигает 0,8 МПа.

СНГ обладают большим коэффициентом объемного расширения. При полном заполнении баллона (паровая подушка отсутствует) даже незначительное повышение температуры может привести к резкому увеличению давления, которое в этом случае составит около 0,7 МПа на 1 °С.

В эксплуатационных условиях паровая подушка газового баллона для обеспечения безопасной эксплуатации автомобиля должна иметь определенный объем. Объем паровой подушки, составляющий 10 % полного объема, обеспечивает оптимальное давление в газовом баллоне при изменении температуры СНГ в пределах от

–10 до 25 °С. Повышение температуры газа в указанных пределах может произойти лишь при длительном хранении автомобиля с полностью заправленным баллоном. Поэтому при постановке автомобиля на длительное хранение часть газа из баллона должна быть израсходована. При эксплуатации автомобиля, когда газ расходуют из баллона постоянно, возникновение подобной ситуации практически исключено.

Плотность СНГ в жидком состоянии определяют при температуре 15 °С и давлении, равном давлению насыщенных паров, а в газовом — при атмосферном давлении и температуре 0 и 15 °С. Плотность СНГ в жидком состоянии, как и любой жидкости, не зависит от давления и является функцией температуры. С увеличением температуры СНГ плотность компонентов уменьшается в результате теплового расширения. При нормальных атмосферных условиях и температуре 15 °С плотность пропана в жидком состоянии составляет 510 кг/м3, бутана — 580 кг/м3. Плотность пропана в газовом состоянии при атмосферном давлении и температуре 15 °С равна 1,9 кг/м3, бутана — 2,55 кг/м3. При нормальных атмосферных условиях и температуре 15 °С из 1 кг жидкого бутана образуется 0,392 м3 газа, из 1 кг пропана — 0,526 м3.

Относительная плотность основных газовых компонентов СНГ (по воздуху) составляет: для пропана — 1,562, для бутана — 2,091. Поэтому при наличии утечек СНГ могут скапливаться в искусственных (осмотровые канавы, траншеи и приямки) и естественных непроветриваемых углублениях, а также на поверхности земли, образуя взрывоопасную смесь.

Теплота сгорания — количество теплоты, выделяющееся при полном сгорании 1 м3 газа при атмосферном давлении и температуре 20 °С, — является одним из важнейших количественных показателей топливно-энергетических возможностей СНГ.

Различают высшую Q_в и низшую Q_н теплоту сгорания газа. При определении высшей теплоты сгорания газа учитывают всю теплоту, выделившуюся во время сгорания и отведенную от продуктов сгорания путем их охлаждения до начальной температуры. На практике образовавшиеся пары воды не конденсируются и уносят часть теплоты, затраченной на нагревание 1 кг воды от 0 до 100 °С, которая равна 418,6 кДж.

При сгорании на испарение влаги, содержащейся в топливе и полученной от сгорания водорода, затрачивается теплота. Поэтому для характеристики газовых топлив на практике применяют низшую теплоту сгорания газа, которая является стандартной величиной.

Точка росы паров СНГ при атмосферном давлении совпадает с температурой кипения. По мере увеличения давления точка росы жидкой фазы СНГ заметно повышается. Бутан по сравнению с пропаном склонен к конденсации в большей степени.

Элементарный состав СНГ относят к числу наиболее важных оценочных параметров газа. Он позволяет судить о качестве СНГ. Зная элементарный состав, можно расчетным путем определить теплоту сгорания газа и количество воздуха, необходимое для полного его сгорания. Теплота сгорания (кДж/кг) газа может быть рассчитана по формуле

где Q_и — теплота сгорания газа, кДж/кг; Q_C — количество углерода, в объемных долях; Q_Н — количество водорода, в объемных долях.

В формуле (16) состав СНГ представлен в объемных долях или в процентах.

СНГ характеризуется углеродным числом, представляющим собой отношение молекулярных масс углерода и водорода. Газовое топливо имеет более благоприятное, чем бензин, соотношение углерода (С) и водорода (Н). Углеродное число у современных бензинов составляет около 6, а у СНГ оно равно 4,9 (ПГ 2,98). Более высокое содержание в газовом топливе водорода обеспечивает более полное сгорание в цилиндрах двигателя.

Основные моторные свойства СНГ приведены в табл. 5.

Таблица 5. Основные моторные свойства СНГ

СНГ обладают сравнительно простыми структурами молекул, поэтому имеют более высокие октановые числа по сравнению с жидкими топливами нефтяного происхождения. Октановое число отдельных компонентов СНГ составляет 85…125. Влияние степени сжатия на мощностные и экономические показатели двигателя связано с высокой антидетонационной стойкостью газовых топлив. Детонационные характеристики газов и бензинов приведены в табл. 6.

Теплота сгорания характеризуется стехиометрическим составом смеси и теоретически необходимым количеством воздуха для ее полного сгорания.

Таблица 6. Детонационные характеристики газов и бензинов

Примечание. В скобках приведены данные, полученные исследовательским методом.

Стехиометрический коэффициент представляет собой массу (объем) воздуха, теоретически необходимого для полного сгорания топлива. При полном сгорании газ превращается в продукты полного окисления — углекислый газ и водяные пары:

Для полного сгорания пропана на одну его молекулу требуется 5 молекул кислорода, бутана — 6,5 молекулы. Содержание кислорода в воздухе, как известно, составляет 21,0 %. Поэтому для полного сгорания 1 м3 пропана требуется 24 м3 воздуха, для бутана — 31 м3. При сгорании СНГ необходимая масса (объем) воздуха

всегда будет больше по сравнению с массой бензина. Верхний предел воспламеняемости пропан-бутановых смесей характеризуется содержанием 8,4…9,9 % газа в воздухе, нижний предел — 1,8…2,4 %, пределы воспламенения бензина в смеси с воздухом составляют соответственно 6,0 и 1,5 %. Таким образом, пределы воспламенения СНГ на 15…25 % выше по сравнению с бензином.

Теплота сгорания газового топлива не эквивалентна теплоте сгорания горючей смеси, поэтому законы аддитивности при расчетах неприменимы. Для газообразных топлив теплота сгорания горючей смеси

где Н_н — удельная теплота сгорания единицы объема газа, кДж/м3;

l₀ — стехиометрический коэффициент горючей смеси, м3/м3.

Выделение теплоты на единицу массы у СНГ несколько больше, чем у бензина. Однако если сравнивать выделение теплоты на единицу объема горючей смеси, то окажется, что при использовании СНГ оно снижается по сравнению с бензином на 6…8 %. С увеличением коэффициента l₀ теплота сгорания горючей смеси газовых топлив уменьшается в меньшей степени по сравнению с жидкими топливами.

При переводе двигателя с жидкого топлива на СНГ при одних и тех же режимах работы его мощность снижается. Причины этого явления связаны в основном с уменьшением: теплоты сгорания горючей смеси; коэффициента наполнения цилиндра; коэффициента молекулярного изменения при сгорании газообразных топлив.

Поскольку СНГ поступает в двигатель только в газообразном состоянии, то в результате уменьшения коэффициента наполнения снижается мощность двигателя. Наиболее заметно (5…10 %) снижается мощность двигателя при высокой частоте вращения коленчатого вала. Ранней установкой угла опережения зажигания до высшей мертвой точки на 3…5° этот недостаток можно несколько компенсировать.

2. Природный газ

Природный газ — смесь газов, образовавшаяся в недрах Земли при анаэробном разложении органических веществ. Относится к полезным ископаемым. Природный газ в пластовых условиях (условиях залегания в земных недрах) находится в газообразном состоянии — в виде отдельных скоплений или в виде газовой шапки нефтегазовых месторождений либо в растворенном состоянии в нефти или воде. В стандартных условиях (101,325 кПа и 20 °С) природный газ находится только в газообразном состоянии.

Основную часть природного газа составляет метан CH₄ — до 98 %. В состав природного газа могут также входить более тяжелые углеводороды — гомологи метана: этан C₂H₆, пропан C₃H₈, бутан C₄H₁₀, а также другие неуглеводородные вещества: водород H₂, сероводород H₂S, диоксид углерода СО₂, азот N₂, гелий Не.

Чистый природный газ не имеет цвета и запаха. Чтобы можно было определить утечку по запаху, в газ добавляют небольшое количество веществ, имеющих сильный неприятный запах — одорантов. Чаще всего в качестве одоранта применяется этилмеркаптан.

Компримированный природный газ (КПГ) (англ. сompressed natural gas — CNG) — сжатый природный газ, используемый в качестве моторного топлива, получают из природного газа непосредственно на газовых месторождениях или из попутных газов при разработке нефтяных месторождений (ГОСТ 27577–2000). Природный газ состоит в основном из метана (82…98 %) с небольшими примесями этана (до 6 %), пропана (до 1,5 %) и бутана (до 1 %).

По теплоте сгорания КПГ можно подразделить на высококалорийные (величина Q_н составляет 23…37,7 МДж/м3), среднекалорийные (15…23 МДж/м3) и низкокалорийные (4,2…15 МДж/м3). К высококалорийным газам относится природный газ, канализационный газ (биогаз), очищенный от углекислого газа; к среднекалорийным газам — коксовый газ, городской и некоторые промышленные газы; к низкокалорийным — доменный, генераторный газы. Средне- и низкокалорийные горючие газы в настоящее время для автомобильного транспорта в компримированном (сжатом) виде не применяют. КПГ кроме горючих составляющих содержит некоторое количество негорючих компонентов — азот, углекислый газ, пары воды. Для выравнивания теплоты сгорания в КПГ могут вводиться добавки пропана и бутана.

По токсикологической характеристике КПГ в соответствии с ГОСТ 1.005–76 относят к веществам класса 4. Предельно допустимая концентрация природного газа на рабочих местах и в рабочих зонах не должна превышать 300 мг/м3 (в пересчете на углерод).

Основной частью природного газа являются метан и группа более сложных углеводородов (этан, пропан, бутан).

Метан — газ без цвета и запаха, малорастворим в воде, легче воздуха (относительная плотность по воздуху 0,55). Его относят к предельным углеводородам, молекулы которых состоят только из углерода и водорода. Высокое содержание водорода в КПГ обеспечивает более полное сгорание топлива в цилиндрах двигателя по сравнению с СНГ и бензином. Метан представляет собой полноценное топливо для автомобилей с хорошими антидетонационными характеристиками и имеет достаточно высокий удельный термодинамический потенциал (табл. 7).

Таблица 7. Характеристики метана

Природный газ по своим свойствам пригоден для использования в качестве топлива для автомобильных двигателей без значительной технологической обработки. Однако, как и любое топливо, газ должен пройти предварительную подготовку не только для хранения на автомобиле, но и для регламентации параметров, влияющих на эксплуатационные качества автомобиля.

КПГ должен быть стабилен не только по компонентному составу, но и по содержанию различных примесей. Так, содержание жидкого остатка, представляющего собой группу тяжелых углеводородов, например пентана, в газе, не прошедшем технологическую обработку, колеблется в широких пределах.

Наличие инертных газов в КПГ существенно влияет на стабильность показателей газовых двигателей. Зависимость теплоты сгорания горючей смеси от содержания в ней инертных газов имеет линейный характер. Если в горючей смеси содержится 1 % инертных газов при коэффициенте избытка воздуха α = 1,0, то удельная теплота сгорания ее составляет 33 МДж/м3. Увеличение содержания инертных газов до 10 % обедняет состав горючей смеси (α = 1,12), а теплота ее сгорания уменьшается на 10 %. Одна из наиболее важных проблем связана с повышенной концентрацией влаги в природном газе и его осушкой. Содержание влаги в газовом топливе для автомобилей не должно превышать 9 мг/м3. Наличие влаги в природном газе вызывает образование ледяных пробок в системе питания двигателя. Опыт эксплуатации показывает, что подобные явления наступают, когда природный газ содержит 15…30 мг/м3 влаги. Точка росы водяных паров составляет –30 °С.

При заправке газового баллона в начальный период происходит охлаждение газа. Понижение температуры газа связано с дроссельным эффектом Джоуля — Томпсона в процессе расширения газа. При снижении давления на каждые 0,1 МПа температура газа снижается на 2,5 °С. Кроме того, в результате торможения струи газа, входящего в баллон, происходит интенсивный теплообмен между баллоном и газом. По мере увеличения степени заполнения баллона дроссельный эффект снижается, в результате чего повышается теплосодержание газа в баллоне.

Хранение и транспортировка КПГ происходит в специальных баллонах под давлением 19,6…32 МПа. Температура газа, заправляемого в баллон, не должна превышать температуру окружающего воздуха более чем на 15 °С. Газ способен образовывать с воздухом взрывоопасные смеси.

Пределы воспламенения газа (по метану) в смеси с воздухом при температуре 20 °С и нормальном давлении составляют 5…15 % (по объему). Предельно допустимая концентрация углеводородов газа в воздухе рабочей зоны должна быть не более 300 мг/м3 в пересчете на углерод, а сероводорода — не более 10 мг/м3.

Применение компримированных газов, особенно природных, наиболее выгодно в районах их добычи, переработки, вблизи газовых магистралей, а также в газифицированных городах.

Сжатые газы обладают повышенной испаряемостью, что приводит к их повышенным потерям. Кроме того, они имеют большую пожароопасность. При использовании сжатых газов особое внимание следует уделять содержанию влаги, так как она вызывает серьезные неполадки в работе системы питания.

Основные физико-химические показатели природного компримированного газа представлены в табл. 8.

Таблица 8. Физико-химические показатели КПГ

К главным моторным свойствам газов относят детонационную стойкость и теплоту сгорания в смеси с воздухом и теоретически необходимое количество воздуха для полного сгорания стехиометрической смеси. СНГ и особенно КПГ по детонационной стойкости превосходят лучшие сорта автомобильных бензинов (табл. 9).

Таблица 9. Основные моторные свойства КПГ

Максимальное октановое число КПГ в соответствии с компонентным составом на 18…20 % выше по сравнению с лучшими сортами бензинов. Это позволяет форсировать бензиновые двигатели при работе на КПГ по степени сжатия.

3. Сжиженный природный газ

Сжиженный природный газ (СПГ) (англ. liquefied natural gas — LNG) — природный газ, сжижаемый при охлаждении или под давлением для облегчения хранения и транспортировки.

Природный газ при нормальных условиях не может быть получен в жидком состоянии. В жидкое состояние газ может быть переведен только при глубоком охлаждении, сопровождающемся значительными затратами энергии. СПГ представляет собой бесцветную жидкость без запаха, плотность которой в 2 раза меньше плотности воды.

Охлаждаемый до температуры –161,7 °С метан при атмосферном давлении переходит в жидкое состояние и уменьшается в объеме в 600 раз. Сжижают природный газ на специальных установках. Технология сжижения предусматривает и операции очистки, осушки, отделения тяжелых углеводородов, азота и других примесей. Номинальное рабочее давление в криогенном баллоне автомобиля, работающего на СПГ, в зависимости от конструкции баллона составляет 0,07…0,7 МПа.

Основными компонентами этого вида топлива являются метан (96…97 %) и азот (3…4 %). Другие составляющие природного газа содержатся в сжиженном виде в крайне незначительных количествах, и ими можно пренебречь. Основные физико-химические свойства СПГ приведены в табл. 10.

Таблица 10. Основные физико-химические свойства СПГ

4. Генераторный газ

Генераторный газ — газ, который получают при перегонке твердого топлива с недостатком воздуха около 60 % в специальных устройствах — газогенераторах. В качестве твердого топлива используют каменный или бурый уголь, дрова, торф, брикеты из различных сельскохозяйственных отходов (опилок, подсолнечной лузги, льняной костры и т.п.). В зависимости от вида применяемого для газификации твердого топлива состав генераторного газа следующий, %: СО — 25…30; Н₂ — 12…15; СН₄ — 0,5…3,5; СО₂ — 5…8; О₂ — 0,2…0,5; N₂ — 45…50.

Возможность тех явлений, которые ведут к образованию генераторного газа, основывается на способности угля и углеродистого топлива образовывать в первый момент горения углекислый газ СО₂ и уголь. Образовавшемуся углекислому газу с накаленным углем свойственно при отсутствии избытка воздуха образовывать горючую окись углерода СО:

которая и составляет горючую часть генераторного газа.

5. Биогаз

Смесь метана и диоксида углерода при наличии небольшого количества других газов называют биогазом. Его состав, %: СН₄ — 55…80; СО₂ — 15…40; H₂S — 0…1; N₂ — 0…1; Н₂ — 0…1.

Получают биогаз практически из любых отходов (солома, зерно, отходы жизнедеятельности животных, силос, подстилка для скота, пищевые и другие отходы ферм, твердые бытовые отходы, отходы предприятий, перерабатывающих сельскохозяйственную продукцию). В результате переработки отходов в биогаз можно дополнительно получить до 10 % производимой в мире энергии.

Практически метановому брожению могут быть подвергнуты органические отходы любой влажности — от 30 до 90 %. Но совершенно очевидно, что конструкции реакторов и технологии будут существенно различаться. Для брожения жидких (85…98 % влажности) отходов используются цилиндрические (вертикальные и горизонтальные) емкости. В таких реакторах процесс может осуществляться непрерывно или полупериодически.

Отходы 75…80%-ной влажности подвергаются брожению в установках батарейного типа, процесс осуществляется периодически, т.е. реактор загружается целиком сырьем данной влажности, обсеменяется необходимой микрофлорой и по окончании брожения полностью освобождается. Из 1 т органического субстрата — сухого вещества — можно получить следующее количество биогаза, м3:

• отходы крупного рогатого скота — 260…350;
• отходы свиноводства — 400…500;
• птичий помет — 460…660;
• твердые бытовые отходы — 300…400.

При оптимальных условиях сбраживания из 1 т сухого вещества навоза можно получить 350 м3 биогаза, в пересчете на одну голову крупного рогатого скота — 2,5 м3/сут (около 900 м3 в год). По теплоте 1 м3 биогаза эквивалентен 4 кВт · ч электроэнергии, 0,6 кг керосина, 1,5 кг каменного угля, 3,5 кг дров, 0,4 м3 бутана и 12 кг навозных брикетов. Рассчитав эквивалент получаемого по данной технологии биогаза к традиционному моторному топливу, можно констатировать достаточно парадоксальный на первый взгляд факт: одна корова кроме молока дает еще около 700 л бензина в год. Из 1 т куриного помета можно получить моторное топливо, эквивалентное 800 л бензина. Для пересчета количества биогаза, получаемого на птицеводческих и животноводческих комплексах, можно пользоваться следующим условным соотношением:

1 корова = 4 свиньи = 250 кур.

При производстве биогаза с помощью анаэробного сбраживания различают три стадии:

• гидролизную;
• кислотную;
• метановую.

На стадии гидролиза (осахаривания) происходит разложение очень больших молекул на маленькие, простые молекулы, которые способны пройти через бактериальные мембраны. Реакция имеет вид

(19)

В течение кислотной стадии сложные молекулы типа протеина, жиров, спиртов, глюкозы разбиваются кислотообразующими бактериями в органические кислоты (молочную кислоту), СО₂, Н₂, NH₃ и т.д. по схеме:

(20)

На метановой стадии Н₂ и СО₂ образуют некоторое количество метана, а ферментация кислот и спиртов дает еще больше метана:

На биогазовых установках все три стадии протекают одновременно, и если какая-либо из них доминирует, то производство метана значительно затрудняется. При сильной кислотности метанобразующие бактерии не функционируют, поэтому рекомендуется поддерживать слабощелочную среду (рН 6,8…7,2).

Для реализации контролируемого анаэробного сбраживания созданы биоэнергетические установки различного масштаба, применяемые в условиях индивидуальных хозяйств, где содержатся 2…6 голов крупного рогатого скота, или крупных животноводческих комплексов и птицефабрик. Технологическая схема одной из таких установок изображена на рис. 2.

Рис. 2. Схема биогазовой установки: 1 — ферма; 2 — накопитель; 3 — насос; 4 — отделитель грубых включений; 5 — насос-дозатор; 6 — метантенк; 7 — гидрозатвор; 8 — концентраторсмеситель; 9 — блок-контейнер; 10 — газгольдер

Отходы содержания животных (птицы) поступают с фермы в накопитель. Из него исходное сырье с помощью погружного насоса подается на отделитель грубых включений, а затем насосомдозатором — в метантенк. Периодичность работы насоса-дозатора определяется программным устройством. Метантенк оборудован системой подогрева поступающей биомассы и поддержания необходимого температурного режима метановой генерации. В генераторе биогаза имеются перемешивающие устройства, а также система принудительного отвода биогаза и выгрузки переработанной биомассы.

В метангенераторе под действием анаэробных микроорганизмов происходит сбраживание исходного субстрата без доступа воздуха. Результатами этого процесса являются биогаз и обеззараженные жидкие органические удобрения без неприятного запаха. При этом семена сорных растений теряют всхожесть.

Жидкие органические удобрения удаляются из метантенка через гидрозатвор и могут быть сразу же использованы для внутрипочвенного внесения либо подаваться на очистку в систему биопрудов, где выращиваются рачки и рыба. Для получения твердых удобрений, более удобных для хранения и транспортировки, сброженная масса поступает в концентратор-смеситель, где доводится до пастообразного состояния при смешивании с сорбентом — опилками, торфом и др. Твердые удобрения можно получить также путем отгонки на центрифуге.

Выработанный биогаз собирается в газгольдере. Частично он расходуется на собственные нужды установки (до 30 %), поступая в блок-контейнер, где размещены котел для подогрева воды, насос, средства контроля и автоматики. Остальной биогаз используется другими потребителями на бытовые и энергетические нужды.

Биогаз как альтернативный энергоноситель может служить высококалорийным топливом. Он предназначен для улучшения технико-эксплуатационных и экологических показателей работы двигателя внутреннего сгорания и стационарных энергоустановок. После отмывки от углекислоты этот газ является достаточно однородным топливом, содержащим до 80 % метана с теплотворной способностью более 25 МДж/м3. Применение биогаза в качестве топлива для двигателей внутреннего сгорания осуществляется путем использования серийно выпускаемой топливной аппаратуры для природного газа с коррекцией соотношения топливо – воздух. Предлагаемая система в сравнении с газовым двигателем позволяет снизить выбросы оксидов азота на 25 % и оксида углерода — на 20 %, а также улучшить топливную экономичность на 12 %. Некоторое снижение эффективной мощности, вызванное присутствием балластных компонентов, практически полностью компенсируется за счет высоких антидетонационных качеств биогаза путем соответствующего повышения степени сжатия. Присутствие небольшого количества водорода в биогазе положительно сказывается на качестве протекания рабочего процесса и не вызывает характерных для водородных двигателей преждевременного воспламенения рабочей смеси и так называемой обратной вспышки.

Биометан имеет более высокую детонационную стойкость, что позволяет снижать концентрацию вредных веществ в отработанных газах и уменьшать количество отложений в двигателе. Ввиду отсутствия жидкой фазы масляная пленка с цилиндров двигателя не смывается, износ деталей цилиндропоршневой группы уменьшается в 2 раза. Выброс токсических составляющих сокращается в 3–8 раз. Компанией Volvo реализуется проект перевода городских автобусов г. Гетеборга на биогаз (свалочный газ). Подтверждено, что при переводе автотранспорта на биогаз суммарные парниковые эмиссии сократились на 90 %.

Основным сдерживающим фактором широкого применения сжатого биометана в качестве моторного топлива, как и КПГ, является транспортировка толстостенных баллонов, составляющих до 96 % веса топливной системы. На 100 км пути для 3-тонной автомашины потребуется более 30 м3 газа. При давлении 20 МПа в баллон емкостью 50 л вмещается до 10 м3 газа, следовательно, для суточного пробега необходимо иметь не менее восьми таких баллонов (вес около 700 кг).

Биометан, как и другие газовые топлива, имеет низкую объемную концентрацию энергии, поэтому в качестве моторного топлива он может применяться в сжатом (до 20…40 МПа) или сжиженном состоянии. Уменьшить объем газа почти в 600 раз позволяет его сжижение. Но до последнего времени не существовало экономически целесообразной технологии сжижения газообразного биометана, поэтому в двигателях внутреннего сгорания он ранее не применялся.

Применение сжатого биометана на мобильной сельскохозяйственной технике затруднено из-за массогабаритных показателей топливных систем, сложности размещения баллонов на тракторах без ухудшения их агротехнических показателей, невозможности

обеспечения необходимым запасом моторного топлива при проведении посевных и уборочных работ. Для тракторной техники расход биометана составляет 4…5 кг/ч, а баллон содержит всего 4,3 кг газа, т.е. трактор с 4 баллонами сможет проработать не более 3…4 ч. Применение сжиженного биометана позволяет уменьшить массу топливной системы в 3–4 раза, а ее объем — в 2–3 раза по сравнению со сжатым биометаном.

Основные недостатки применения биогаза вместо бензинов:

• меньшие значения низшей теплоты сгорания биовоздушных смесей, а соответственно, и худшие технико-экономические показатели работы двигателей. При простой замене бензинов биогазом потери мощности достигают 20…22 %, экономичности — 25 %;
• меньшая скорость сгорания биосмесей, а в итоге — растягивание процесса сгорания на такт расширения и, как результат, уменьшение мощности и увеличение удельного эффективного расхода топлива (или уменьшение эффективного КПД);
• меньшее массовое наполнение цилиндров свежим зарядом из-за подогревания его при впуске, что также уменьшает мощность и увеличивает расход топлива;
• более высокое значение температуры самовоспламенения, а отсюда затрудненный запуск двигателя, особенно при низких температурах;
• худшие антикоррозионные качества, а отсюда и меньшая эксплуатационная надежность деталей двигателя внутреннего сгорания.

Вместе с тем биотопливо имеет большее значение октанового числа (у биогаза оно равно 126), что открывает возможность для устранения (частичного или полного) отмеченных выше недостатков. При применении биометана в качестве топлива для дизелей снижаются дымность и выбросы СО и NO_x с отработавшими газами. Но в связи с низким цетановым числом и, соответственно, плохой воспламеняемостью возникают значительные трудности при организации рабочего процесса.

Для организации рабочего процесса в дизеле с использованием биометана требуется применение двойной системы топливоподачи, в которой порция газа воспламеняется с помощью запальной порции дизельного топлива. При этом замещается до 80 % дизельного топлива. Двигатель может дополняться системами принудительного зажигания и внешнего смесеобразования. При этом с целью снижения степени сжатия форму камеры сгорания двигателя изменяют, приближая к сферической, за счет изменения конструкции днища поршня и головки двигателя.

Следующий способ конвертации — применение форкамернофакельного зажигания. Вместо форсунки устанавливается форкамера со свечой зажигания. Поступивший в форкамеру газ воспламеняется от свечи зажигания.

6. Диметиловый эфир

В нормальных условиях диметиловый эфир (ДМЭ) — это газ с запахом хлороформа. Он не вреден для озонового слоя, так как легко разрушается в тропосфере. Также является относительно инертным, бескоррозионным, неканцерогенным газом. Получают ДМЭ в основном из природного газа, но его получение возможно и из биомассы. По своим свойствам он близок к пропан-бутановой смеси (за исключением цетанового числа). Химическая формула ДМЭ: СН₃—О—СН₃.

Для подачи ДМЭ в цилиндры двигателя требуется модернизация топливной системы: вместо топливного бака используется баллон, топливная система должна быть полностью герметична, необходимо увеличение емкости заправляемых баллонов в 1,6 раза. Подавать ДМЭ в двигатель можно отдельно или в виде смеси с дизельным топливом. Также эфир может смешиваться с топливами, имеющими низкое цетановое число, такими как метанол, этанол и метан, или выступать инициатором горения последних.

ДМЭ более экологически чистое топливо, чем дизельное. При его сгорании не происходит выделения сажи на всех режимах работы дизеля. Это связано с высоким содержанием кислорода в топливе (около 35 %) и отсутствием связей углерод — углерод. Также снижается содержание NO_x в отработавших газах в 3–4 раза. Наблюдается увеличение выбросов угарного газа СО и углеводородов C_nH_m. КПД двигателя остается на уровне эксплуатации на дизельном топливе. В связи с отсутствием серы в составе ДМЭ нет ее и в отработавших газах.

Более высокое цетановое число, более низкая температура самовоспламенения и температура кипения, чем у дизельного топлива, обеспечивают быстрое формирование смеси в камере сгорания, сокращают задержку воспламенения и ускоряют холодный пуск дизеля. Также это позволяет уменьшить оптимальный угол опережения впрыскивания. Топливо впрыскивается в камеру сгорания при более высоких значениях давления и температуры. Это также способствует снижению задержки воспламенения, которое приводит к плавному нарастанию давления в камере сгорания и снижает выбросы NO_x и шум рабочего процесса на 10 дБ(А).

Недостатками ДМЭ является то, что он имеет более низкую теплоту сгорания, чем дизельное топливо, поэтому необходимо увеличение производительности топливного насоса высокого давления, чтобы подать ДМЭ по массе в 1,6 раз больше. ДМЭ обладает большей сжимаемостью, что также негативно влияет на работу топливной аппаратуры. ДМЭ химически агрессивен по отношению к уплотняющим материалам и деталям, выполненным из пластмассы. Низкие смазывающие свойства ДМЭ увеличивают вероятность задиров, что требует добавления в него специальной присадки «Любризол 459А».

http://gbomotor.ru/poleznoe/toplivo-dlya-mashin-s-gbo-lpg-cng-lng-cbg-lbg
Источник http://avtokart.ru/dvigateli/minusy-metana.html
Источник Источник Источник http://extxe.com/11828/gazoobraznye-topliva-dlja-dvigatelej-vnutrennego-sgoranija/