Природний газ

Стиснений природний газ метан (CNG – сompressed natural gas), а також зріджений нафтовий газ (LNG – liquified petroleum gas) є привабливими альтернативними паливами для двигунів внутрішнього згоряння. Сьогодні природний газ використовують приблизно 1 200 тис. автомобілів в усім світі, з них – 40 тис. у США [68]. Природний газ (GN – natural gas), забезпечує більше чисте згоряння, є широко розповсюдженим і більше дешевим, чим бензин або етанол. Його ресурси по всьому світу є дуже значними. Навіть значне збільшення попиту тільки в невеликому ступені зменшить ці ресурси. Двигуни, що використовують GN, характеризуються дуже низькою емісією реактивних вуглеводнів, СО і твердих часток. Основним компонентом GN є метан (85...95%). До інших компонентів варто віднести складні вуглеводи, азот і воду. Об'ємні й масові частки окремих компонентів в GN представлені в табл. Таблиця 2 .5. Через те, що молекули метану окисляються без проміжних продуктів, ефективне згоряння й низький рівень емісії токсичних компонентів можливі у випадку згоряння при достатній кількості повітря. В ідеальних умовах згоряння відпрацьовані гази, містять тільки чотири компоненти: водяна пара, СО₂, азот і надлишковий кисень.

У реальному процесі згоряння відпрацьовані гази, містять незгоріле або частково окислене паливо, окис вуглецю (СО), окис сірки, окис азоту (NO), двоокис азоту (NО₂), які зазвичай представляються як NO_x, a також тверді частки РМ, що утворяться внаслідок потрапляння в камеру згоряння мастила.

Головною складовою, що забруднює навколишнє середовище в процесі згоряння GN, є незгорілий метан, причиною появи якого є неправильні пропорції складових паливоповітряної суміші, а також неповне перемішування реагентів. Тому що відпрацьовані гази, що утворяться при згорянні метану, хімічно менш активні, ніж гази, що містять важкі вуглеводи, що виникають у процесі згоряння бензину й дизельного палива, вони незначно забруднюють повітря. Проблемою, як у процесі згоряння метану, так й у випадку згоряння бензину або дизельного палива є емісія NO_x. Надлишок повітря, що утвориться при згорянні збідненої суміші, приводить до зниження емісії NO_x. У процесі згоряння збіднених сумішей знижується ефективність окисних нейтралізаторів через низьку температуру відпрацьованих газів, надлишку речовини, що окисляє (О₂) і відсутності компонентів, що відновлюють NO – СО і Н₂ у відпрацьованих газах, які є необхідними для відновлення молекули NO_x. У двигунах, що живлять GN, зі згорянням стехіометричних сумішей для контролю за вмістом NO_x застосовується трьохкомпонентні нейтралізатори зі зворотним зв'язком і рециркуляцією продуктів згоряння. Емісія NO_x виникає в результаті окислювання азоту повітря за участю хімічно активних сполук. Чим вище температура згоряння, тим вище рівень емісії NO_x. Тому що двигуни, що живляться GN, характеризуються високим ступенем стиску, проблема зниження емісії NO_x вирішується часто шляхом зниження температури згоряння, у результаті додавання газоподібного продукту, що має високу теплоємність. Досягається це за допомогою рециркуляції продуктів згоряння (EGR – Exhaust gas recirculation). Можливо це, однак, тільки на часткових режимах, тому що на режимах повного навантаження рециркуляція продуктів згоряння знижує потужність двигуна. Викиди NO_x на відміну від незгорілого метану є безпосередньою причиною забруднення повітря, тому слід вжити заходів з метою зменшення його кількості. Існує прямий зв'язок між емісією NO_x і вуглеводнів (НС) у двигунах з іскровим запалюванням. Мінімальна емісія НС має місце тоді, коли коефіцієнт надлишку повітря близький до стехіометричного показника. У цих умовах температура згоряння близька до свого максимального значення й тому емісія NO_x досягає максимуму.

Молекула метану містить один атом вуглецю й чотири атоми водню, що є низьким співвідношенням у порівнянні з іншими паливами.

У результаті цього GN називають паливом «збідненим вуглецем», що є причиною виникнення в малій кількості СО і СО₂. У двигунів, що працюють на стехіометричній суміші – емісія СО із двигунів, що заправляють GN, є більше високою, ніж у працюючих на бідній суміші, але меншою чим у випадку використання бензину або дизельного палива. Невелика кількість сірки в GN (приблизно 8-30 ррm) вміщується, в основному, у пахучих речовинах, що додають із метою визначення нещільностей системи живлення. Сірка окислена в процесі згоряння і її окис є одним із продуктів згоряння.

Конвертовані двигуни, що живлять GN, характеризуються більше високим коефіцієнтом корисної дії, чим двигуни, що працюють на бензині, а к.к.д. двигунів, пристосованих до згоряння бідної суміші, близький до к.к.д. дизельного двигуна [24, 46]. Октанове число метану, що є основним компонентом GN, визначене за дослідницьким методом (LOB), дорівнює 130, тому він має чудовими антидетонаційні властивості, завдяки чому можна значно збільшити ступінь стиску двигуна, а це у свою чергу приводить до зростання економічності.

Однак у біпаливних двигунах, розроблених на основі бензинових і пристосованих для використання GN, у залежності від системи живлення базового двигуна потужність знижується на 10-20%. Важливим параметром, що впливає на роботу двигунів, що працюють GN, є число Вобба. Цей параметр визначає температуру газу після редукування його тиску. Газодизелі не знайшли широкого поширення. При такій системі живлення GN запалюється у двигуні за допомогою запальної порції дизельного палива. Двигуни, що живляться двома паливами використовують при малій вихідній потужності приблизно 90... 100% дизельного палива, і при більших потужностях – 80% GN й 20% дизельного палива [1, 10, 11, 24, 61, 62, 68]. Важливим є те, щоб тиск у циліндрі після переводу двигуна на газ не був вище, ніж припустимий тиск. GN як паливо не повинне випаровуватися з метою його запалення, що є необхідним у випадку застосування рідких палив, тому відсутня проблема холодного запуску. Можливість застосування при низьких температурах є значною перевагою GN у порівнянні, наприклад, зі спиртовими паливами. Проблемою є його розміщення на автомобілі. Для того щоб зберігати GN у рідкому стані (LNG), потрібне застосування низьких температур (-126 °С при 0,1 МПа). Вплив теплової енергії з навколишнього середовища на паливний бак, у якому зберігається GN, приводить до зростання в ньому тиску, у результаті чого газ виходить через нещільності в навколишнє середовище або попадає у двигун. Інтенсивна експлуатація автомобілів знижує втрати, що виникають в результаті випаровування. Якщо автомобіль, що працює на LNG, зберігається на стоянці більше двох тижнів, клапан системи відкривається, що приводить до великої втрати палива. Великими проблемами є доступність LNG, а також вірогідність вибуху під час автомобільної катастрофи або ушкодження бака. Кращі перспективи має застосування як паливо CNG, чим LNG. GN є більше безпечним. Через те, що стислий природний газ легше, ніж повітря, воно швидко розсіюється в атмосфері. Температура спалаху GN дорівнює 648 °С, що значно вище, ніж температура спалаху бензину. Вона характеризується також вузькою межею займання, що перешкоджає випадковому загорянню. Відповідно до публікації [68], не відзначено випадків загоряння й інших катастрофічних наслідків при використанні CNG, частіше чим при використанні бензину. Єдиною проблемою, пов'язаної з безпекою, є необхідність ставити автомобіль на стоянку під відкритим повітрям, а не в замкнутих приміщеннях.

Імовірно, найбільшою проблемою, пов'язаної з GN, є автомобільні газонаповнювальні компресорні станції – АГНКС, устаткування яких є дуже дорогим.

GN є сумішшю декількох газів, зазначених у табл. Таблиця 2 .5.

Таблиця 2.5 – Компоненти природного газу [37]

Компонент	Об'ємна частка [%]	Масова концентрація [ %]
Метан	92.29	84.37
Етан	3.60	6.23
Пропан	0.80	2.06
Бутан	0.29	0.99
Пентан	0.13	0.53
Гексан	0.08	0.39
СО2	1.00	2.52
Водень	1.80	2.89
Вода	0.01	0.01
Всього	100.00	100.00

Пропорції між даними компонентами залежать від джерела родовища, а також від сполук газу, що додається, що видобувається з іншого джерела. Зміна сполук GN приводить до зміни калорійності й деяких паливних характеристик. У результаті цього необхідним є зміна кількості повітря, що додається, з метою забезпечення стехіометричного складу. Отже, виникають додаткові проблеми, пов'язані з управлінням двигуна.

Рисунок 2.3 – Схема автозаправної станції для LNG:

1 - бак з насиченим паливом, 2 - бак з ненасиченим паливом, 3 - випарник, 4 - криогенний насос, 5 - паливний дозатор [65]

Надлишок води в GN може бути причиною виникнення корозії циліндрів і паливної системи двигуна.

Заправлення автомобілів, що працюють на LNG, є чистим, безпечним й швидким в порівнянні із заправленням автомобілів дизельним паливом. Під час заправлення дозуючий клапан, що підключений до криогенного бака, утворить із ним повністю герметичну систему, що виключає можливість витоку, який неминучий при заправленні дизельним паливом. Для заправлення приблизно 450 літрів палива необхідно від 3 до 5 хвилин, тобто менше, ніж у випадку заправлення традиційних палив.

Слід зазначити, що автозаправні станції LNG відрізняються друг від друга конструктивними рішеннями. Зразкове оснащення такої автозаправної станції, з урахуванням сучасних досягнень у цій області, представлене на рис. Рисунок 2 .3

Нижче представлені різні варіанти пристосування двигунів для живлення їх стислим природним газом:

1. Конвертація існуючих двигунів, проведена шляхом зміни або вставки нових елементі, що створює можливість використання як паливо CNG. В основному, виробник автомобіля не дає гарантії на такі двигуни.

2. Нові двигуни – це ставиться до двигунів, випущеним на заводі й у заводських умовах, пристосованих до живлення CNG.

3. Спеціальні двигуни, пристосовані винятково для живлення CNG. Ними можуть бути модернізовані або нові двигуни.

4. Двопаливний двигун, відкрита система керування ставиться винятково до конвертації дизелів. У цьому двигуні збережені існуюча паливна система й додана паливна система CNG. Застосовуються два палива, і їхні взаємні пропорції змінюються залежно від режиму роботи двигуна. Можливим є 100%-ве споживання дизельного палива, але 100%-ве споживання CNG неможливо.

5. Двопаливний двигун із замкнутою системою керування – модифікація двигуна, що живиться двома паливами. Об'ємна доля дизельного палива невелика й обмежується величиною запальної порції для запалення CNG. Двигун, що живиться винятково дизельним паливом, може працювати па холостому ході, але не може досягти повної потужності.

6. Двигуни, що працюють поперемінно на двох паливах. Вибір палива здійснюється за допомогою механічного або автоматичного перемикача.