Методы повышения эффективности использования газа как моторного топлива

Снижение объемов добычи нефти обостряет ситуацию с обеспечением страны моторными топливами на перспективу. Проблема дефицита моторных топлив усугубляется ухудшением экологической обстановки, особенно в крупных городах, где основным загрязнителем атмосферы является автотранспорт.

В решении задач сокращения потребления нефтяных моторных топлив и оздоровления воздушных бассейнов городов важная роль принадлежит газовому моторному топливу (ГМТ), которое уже сегодня достаточно широко используется в виде сжатого (компримированного) до 20 МПа природного газа (КПГ). В настоящее время общепризнано, что этот вид ГМТ для транспортных средств является самым перспективным.

По своим качествам ГМТ превосходит нефтяные топлива. При его применении в специально конвертированных транспортных двигателях обеспечиваются высокие технико-экономические показатели машин, так как ГМТ имеет высокие антидетонационные качества, высокую теплотворную способность, достаточно широкие пределы воспламенения в смеси с воздухом, характеризуется благоприятными условиями смесеобразования.

Рассматривая вопрос об использовании ГМТ на транспорте, нельзя обойти вниманием и состояние газоснабжения страны. Потенциальные запасы и уровень добычи природного газа в настоящее время настолько велики, что не только покрытие дефицита, но и высвобождение за счет использования ГМТ значительного количества светлых нефтепродуктов не скажется в масштабах страны на обеспечении потребителей природным газом. Даже в далекой перспективе на эти цели будет отвлекаться 2−3% добычи. К тому же за два последних десятилетия газовая промышленность вступила в новое качественное состояние: все основные магистральные газопроводы сейчас объединены в Единую систему газоснабжения (ЕСГ), которая достаточно густой сетью покрывает всю Европейскую часть РФ, Урал и Западную Сибирь.

Таким образом, имеется комплекс факторов — от высоких качеств природного газа, как моторного топлива, до эффективного уровня развития ЕСГ, определяющих широкие перспективы использования газового моторного топлива.

В СНГ природный газ в качестве моторного топлива для автомобилей в небольших опытных масштабах начал применяться еще с 1939 г. Сейчас практически обеспечена возможность грузоперевозок на газовом топливе по основным автомагистралям Европейской части СНГ, Урала, Средней Азии и большей части Западной Сибири. Газовые заправочные станции активно сооружаются и в Западной Европе.

В России к началу 1999 г. эксплуатировалось 208 АГНКС в основном на 500 и 250 заправок в сутки, обслуживающих автотранспорт 155 городов. Объем замещения нефтяного моторного топлива газовым достигал 500 тыс. т (1990 г.).

В ближайшие годы сеть АГНКС в России в основном будет расширяться путем строительства малогабаритных блочно-контейнерных станций нового поколения на 125, 75, 50 заправок грузовых автомобилей в сутки. РАО «Газпром» в крупных масштабах осуществляет инвестирование проектов создания таких станций. Кроме того, средства вкладываются в создание новых типов газотопливного оборудования, легких, композитных газовых баллонов, передвижных автогазозаправщиков и новых технологии компримирования природного газа.

В исследования применения природного газа в качестве моторного топлива на автотранспорте и разработку систем газообеспечения транспорта этим видом топлива большой вклад внесли ученые: Чудаков Е. А., Стечкин Б. С., Генкин.

К.И., Варшавский И. Л., Гриценко А. И., I Васильев Ю. Н|, Аксенов Д. Т.,.

Гольдблат И.П., Золотаревский B.C., Золотаревский J1.C., Мкртычан Я. С., Чириков К. Ю., Морев А. И. и др. Особое значение при выполнении данной диссертационной работы имел предложенный профессором Васильевым Ю.Н.1 комплексный подход к рассмотрению преимуществ применения природного газа в качестве моторного топлива с учетом экологических аспектов.

Проблема использования газомоторного топлива приобретает мировой характер. Различные НИР и ОКР по использованию ГМТ реализуются в настоящее время в разных странах мираколичество автомобилей, работающих на компримированном природном газе, превысило 1 миллион единиц.

Ставятся задачи организации трансконтинентальных, международных перевозок транспортом, использующим газовое моторное топливо. Важное значение приобретает международное сотрудничество и стандартизация. Вместе с тем ряд вопросов применения ГМТ исследован еще недосточно.

Поэтому исследования, направленные на повышение эффективности использования ГМТ, являются своевременными и актуальными.

Целью данной работы является исследование эксплуатационных показателей природного газа при его сжигании в двигателях транспортных средств, таких как теплотехнические характеристики газо-воздушной смеси, влагосодержание, состав продуктов сгорания, способы хранения и разработка на основе исследований технических средств и нормативно-технической документации, обеспечивающих повышение эффективности использования ГМТ на автомобильном транспорте России, стран СНГ и ЕС. В соответствии с основной целью работы можно охарактеризовать основные задачи научно-исследовательских и опытно-производственных работ, которые подлежали решению. К ним относятся:

• исследование теплотехнических показателей ГМТ при его сжигании в двигателях транспортных средств и разработка нормативных требований к его качеству;

• разработка и исследование сорбционных систем хранения газа на автотранспортных средствах;

• научное обоснование инженерно-технических решений при разработке систем газоснабжения и оборудования для использования газа на автотранспорте;

• развитие систем газоснабжения автотранспорта компримированным природным газом в масштабах России, стран СНГ и Западной Европы;

• исследование экологических показателей ГМТ при его использовании на автотранспорте.

С учетом основных задач исследований был сформирован блок конкретных заданий, включавший.

• Проведение экспериментальных и аналитических исследований свойств ГМТ, выявление целесообразности использования в качестве основного показателя качества ГМТ — числа Воббе подаваемой в цилиндры двигателей газовоздушной смеси.

• Проведение анализа влагосодержания ГМТ в широком диапазоне температур, давлений и составов газа, характерных для отечественной газовой промышленности, экспериментально-промышленные исследования для определения необходимого уровеня осушки газа.

• Исследование в лабораторных условиях и на опытных автомобилях сорбционных свойств активированных углей при их применении для создания запасов газа на транспортном средстве. Выявление целесообразных диапазонов давлений для применения сорбционных технологий.

• Разработка методики оценки токсичности выбросов с выхлопными газами ДВС с целью введения коэффициента интегральной экологической опасности, как комплексного показателя. Определение интегральной экологической опасности ГМТ в сравнении с жидкими моторными топливами.

Результаты проведенных исследований развивают теорию и методологию использования природного газа в качестве моторного топлива. Дано теоретическое обоснование и выполнена экспериментальная проверка в опытно-промышленных условиях влияния газомоторного топлива на рабочие параметры транспортных двигателей. Разработана методика проведения испытаний, выполнены экспериментальные и опытно-промышленные исследования по применению адсорбентов для концентрированного заполнения баллонов природным газом в газобаллонных установках автомобилей. Проведены широкомасштабные исследования токсичности выхлопных газов газобаллонных автомобилей различных марок в лабораторных и дорожных условиях.

Результаты выполненных работ по проблеме использования природного газа в качестве моторного топлива на автомобильном транспорте были частично или полностью использованы:

• при разработке действующих и перспективных стандартов на КПГ;

• при создании газодизельных двигателей, Д-6 «Катерпиллер 3306» ;

• при разработке прогнозов и схем газоснабжения автомобильного транспорта на 1986;1990 гг., 1990 — 1995, 1996 — 2000 и до 2030 года;

• при разработке исходных требований на создание оборудования для осушки газа на АГНКС и, как следствие, при проектировании отечественных АГНКС;

• при разработке отраслевой нормативной документации по использованию газового моторного топлива, в том числе правил технической эксплуатации АГНКС;

• при разработке научных программ и методик испытания отечественных АГНКС, а также газобаллонных автомобилей;

• при осуществлении международного сотрудничества по проблеме ГМТ.

Основные положения трудов автора по повышению эффективности и экологической безопасности применения газового моторного топлива на автотранспорте докладывались и обсуждались:

• на Всесоюзной научно-практической конференции АН СССР, ГКНТ СССР, «Проблемы энергетики транспорта» 29 ноября — 1 декабря 1988 г., г. Москва;

• на Симпозиуме по использованию сжатого природного газа, сжиженного природного газа и сжиженного нефтяного газа в качестве моторного топлива. ООН. Экономическая комиссия для Европы, 23−27 сентября 1991 г., г. Киев;

• European Conference on new fuels and clean air. June 18−19, 1991 г., Belgium, Antwerpen;

• The 3-rd Biennual International Conference and Exhibition on Natural gas vehicles. September 22−25, 1992, Goteborg;

• European Conference on new fuels and clean air. June 23−24, 1992, Amsterdam;

• на Международной конференции «Газ в моторах». Использование природного газа в качестве моторного топлива, 22−23 мая 1996, г. Москва;

• на ХХ-м Мировом Газовом Конгрессе (в рамках работы Комитета «К» МГС), June 1997, Copenhagen.

Данная диссертация обобщает результаты многолетних работ автора. В течение последних 12-ти лет автором выполнен значительный объем теоретических, экспериментальных и опытно-промышленных исследований, с его участием разработан и внедрен в отрасли ряд крупных научно-технических разработок, обеспечивших строительство на территории СНГ автомобильных газонаполнительных компрессорных станций, создание отечественного оборудования для указанных станций, решение проблемы повышения эффективности и экологической безопасности использования газового моторного топлива на автотранспорте. Результаты исследований опубликованы в 29 печатных работах, в том числе в 4-х брошюрах, аналитическом альбоме «Энергосбережение» и аналитическом альбоме-сборнике, а также в ряде научно-технических отчетов ВНИИ ГАЗа.

Основное внимание в публикациях уделено изучению и анализу эксплуатационных качеств природного газа как моторного топлива с учетом особенностей работы двигателя внутреннего сгорания, разработке научно-методических основ и принципов создания систем газоснабжения и оборудования, комплектующего эти системы, а также улучшению экологии, особенно в крупных городах, где выбросы загрязняющих веществ намного превышают допустимые нормативы.

В качестве примера можно назвать выполненное при активном участии автора технико-экономическое обоснование Российского Автобусного проекта (РАСИН Г), предусматривающего перевод на газовое топливо автобусов гг. Москвы и Санкт-Петербурга с участием компании «Катерпиллер», а также участие автора в испытаниях двигателей «Катерпиллер» для автобусов «Икарус-235» .

Ниже, в главах 1 — 4, изложены основные научные и методические положения и комплекс научно-технических решений по проблеме использования природного газа в качестве моторного топлива на автотранспорте.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ ПО ДИССЕРТАЦИИ.

•Природный газпо своим свойствам после технологичекой подготовки >твечает требованиям, предъявляемым к высококачественному моторному опливу, а его применение на автотранспорте позволяет долгосрочно решить фоблему обеспечения транспорта топливом при одновременном оздоровлении юздушного бассейна, снижении удельных расходов топлива и масла и увеличении ресурса двигателей.

•Созданы опытные образцы эффективных газовых и газодизельных (вигателей, реализующие положительные особенности ГМТ.

•Предложен метод оценки ГМТ как моторного топлива по числу Воббе азо-воздушной смеси, подаваемой в цилиндры двигателя.

•Доказана необходимость глубокой осушки газа при его применении в: ачестве ГМТ и разработаны технические средства для осушки на АГНКС.

•Исследована поглотительная способность различных адсорбентов фигодных для систем хранения газа на автотранспорте.

•Созданы и испытаны опытные образцы адсорбционных систем хранения щя автомобиля ЗИЛ-1Э8А.

•Предложена конструкция перспективной адсорбционной системы ранения ГМТ.

•Применение адсорбентов в качестве хранителя компримированного топ-[ивного газа на автотранспорте целесообразно при давлениях заправки баллонов -5 МПа. В диапазоне давлений 1,5−2 МПа с исследованными адсорбентами юлучено увеличение запаса хода автомобиля ЗИЛ-1Э8А на 40−50%.

•Предложена концепция создания международной сети газовых справочных станций в странах ЕС. Налажено международное сотрудничество по фоблеме ГМТ в рамках Международного Газового Союза, национальных азовых ассоциаций и др. международных организаций.

•Выявлены значительные (в 2−10 раз) преимущества газового моторного оплива по экологической опасности выбросов с выхлопными газами. 1редложен показатель интегральной экологической опасности, учитывающий (се компоненты выброса. Показано, что по этому показателю газовое топливо вто раз предпочитительнее этилированного бензина.

•Внедрение природного газа в качестве моторного топлива на 1Втомобильном транспорте способствует оздоровлению экологической Остановки в промышленных городах, что подтверждено испытаниями на иироко применяемом газобаллонном автомобиле ЗИЛ-1Э8А, автобусах 'Икарус", автомобилях РАФ, «Москвич» 2140 и др.

ОСНОВНЫЕ ЗАЩИЩАЕМЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ: Впервые в отечественной практике предложено оценивать теплотехнические характеристики подаваемой в цилиндры ДВС газо-воздушной смеси числом Воббе. Показано, что коэффициент вариации числа Воббе для газов различного состава (различных месторождений) имеют наименьшую величину. Сертификация ГМТ по числу Воббе является базой однотипной регулировки газотопливной аппаратуры транспортных средств, снабженных двигателями, рассчитанными на работу в диапазоне избытка воздуха от 0,60,8 до 1,4 — 1,6. Подтверждена возможность создания газовых модификаций ДВС с параметрами не уступающими базовым моделям, работающим на традиционном топливе за счет высокой степени сжатия, благодаря детонационной стойкости КПГ, высокого коэффициента диффузии, реализации эффективного обеднения топливной смеси в пределах а= 1,4−1,6. Экспериментально обоснована возможность создания эффективных (малая масса, низкие затраты на компримирование) адсорбционных систем хранения газа на транспортных средствах. На базе экспериментальных и опытных работ предложена конструкция адсорбционной системы хранения, обеспечивающая высокие эксплуатационные показатели. к Доказана высокая экологическая эффективность применения газового моторного топлива на транспорте. Экпериментально подтверждено, что количество токсичных компонентов в выхлопе газовых двигателей может быть снижено в 3−5 раз. Впервые введен в практику коффициент интегральной экологической опасности, количественно оценивающий воздействие компонентов выбросов на окружающую среду. Показано, что по интегральной экологической опасности газовые топлива практически в сто раз превосходят наиболее распространенные (до 80% от общего количества) этилированные бензины.