Будем газифицировать?

Вспоминаются примеры из недавнего прошлого: то Юрий Лужков в бытность мэром заявлял о газификацией московского транспорта, то премьер Дмитрий Медведев требовал перехода на газ в государственном масштабе.

В 2013 году прозвучало четкое требование: не менее половины общественного транспорта страны перевести на газовое топливо! На автомобильных выставках появились грузовики, работающие на метане и городские автобусы с газобаллонным оборудованием.

А еще нам вещали о широкой сети газовых заправок, которые вот-вот появятся. Но до реальной массовой газификации автомобильного транспорта дело почему-то не доходило. Зато вспоминалось море: накатит газовая волна, наделает шуму, а потом стихнет – до прихода очередной волны.

Но вот в 2019 году пришла волна покруче предыдущих – о газификации автомобильного транспорта заговорили на президентском уровне. Неужели в этот раз всё по-взрослому?

Действительно, запасы нефти на Земле невелики, зато природного газа хватит надолго. Одни аналитики говорят, на 200 лет, другие – на 400. Проверить эти цифры на практике невозможно – столько не живут. Поэтому нам сгодятся оба варианта. Одно бесспорно: в России сосредоточено примерно 40–45% разведанных газовых месторождений. Значит, игра стоит свеч.

Но прежде чем продолжить, давайте разберемся: какой именно газ сжигается в цилиндрах двигателя внутреннего сгорания? К сожалению, журналисты нередко путаются в этой теме.

О газе нефтяном

Одно время у наших водителей был популярен пропан-бутан. Но подчеркнем: газ этот не природный, а «рукотворный»! Если точнее, это побочный продукт переработки нефти, смесь пропановых и бутановых фракций.

Пропан-бутан не имеет цвета и запаха, поэтому для обнаружения утечек в него добавляют пахучие вещества – одоранты. Кстати, пропан-бутан тяжелее воздуха, при утечках скап­ливается в низких местах, а потому взрывоопасен.

Пропан-бутан хранится в баллонах в жидком состоянии. Давление в баллоне зависит от температуры и при 45 °С достигает 16 атмосфер. По экологичности этот газ превосходит бензин, но уступает метану.

Сокращенное название пропан-бутана – СНГ (Сжиженный Нефтяной Газ).  Зарубежная аббревиатура – LPG (Liquified Petroleum Gas).

Внимание! Не следует путать сжиженный нефтяной (LPG) и сжиженный природный газ (LNG), о котором сказано ниже. Это разные виды голубого топлива!

О газе природном

Природный газ – это практически чистый метан, простейший насыщенный углеводород, газ без цвета и запаха. Для обнаружения утечек в него также добавляют одоранты. Метан легче воздуха, при утечках улетучивается и поэтому не столь взрывоопасен, как пропан-бутан.

Экологичен, поскольку при сгорании моновещества (метана) образуется гораздо меньше вредных веществ, чем при сгорании нефтяного газа.

Для использования в качестве моторного топлива метан сжимается на автомобильных газонаполнительных компрессорных станциях (АГНКС) до 200 атмосфер и под этим давлением закачивается в баллоны автомобиля. По мере расходования газа давление в баллоне падает.

Сжатый метан именуется КПГ (Компримированный Природный Газ). Зарубежное название – CNG (Compressed Natural Gas).

Но природный газ может храниться и в сжиженном виде. У нас его называют СПГ (Сжиженный Природный Газ), за рубежом – LNG (Liquified Natural Gas).

Для удобства мы сведем названия перечисленных видов топлива в таблицу.

Об экологичности газа

Любой газ, будь то природный метан или нефтяной пропан-бутан, имеет простую химическую формулу (см. таблицу ниже). Сгорая, он образует в основном углекислый газ СО₂ и воду Н₂О, естественные компоненты атмосферы. Правда, СО₂ относят к вредным для планеты парниковым газам. Но в отличие от оксида углерода СО (угарного газа), он не токсичен.

Да, в газовом топливе есть примеси, но мы берем идеальный вариант, которым козыряют апологеты газификации. Ведь их главный аргумент – чистый выхлоп газового двигателя.

Хорошо, когда теория подтверждается практикой. Вот бытовой пример: газовая плита. В городской квартире в ее конфорках горит природный газ метан, подаваемый по трубам. В дачном домике – пропан-бутан из баллона. Но эффект один: вы не угорите. Можете спокойно готовить пищу, смотреть телевизор, играть с детьми – словом, жить и радоваться.

А теперь попробуйте сделать то же самое с бензином. Зажгите бензиновую горелку, разогрейте на ней суп, включите телевизор или почитайте детям книжку. Угорите в самый неподходящий момент. А почему? А потому что бензин – это сложная смесь углеводородов.

Единой химической формулы у бензина нет – можно написать лишь приблизительную структурную формулу со статистическим соотношением атомов углерода C и атомов водорода Н. Компоненты бензина сгорают по-разному, молекулы каждого имеют разную длину, и многие, особо длинные и разветвленные, дают опасные для здоровья вещества.

К слову, именно длинные молекулы компонентов бензина сгорают не полностью и образуют нагар и отложения в двигателе. А оксида углерода СО (смертельного угарного газа!) при сгорании жидких топлив образуется более чем достаточно. Именно по этим причинам конструкторы бензиновых и дизельных ДВС озаботились созданием катализаторов – дожигать СО и несгоревшие углеводороды СН. А еще – бороться с опасными оксидами азота NO_Х.

Борьба эта породила метод селективной каталитической нейтрализации SCR (Selective Catalytiс Reduction). Суть в следующем. На автомобиль устанавливается специальный бачок с 32,5% раствором мочевины AdBlue. Раствор впрыскивается в выпускной коллектор, равномерно распределяясь в потоке отработавших газов. Под влиянием температуры мочевина распадается на аммиак и углекислый газ. А дальше под действием катализатора аммиак вступает в реакцию с оксидами азота, образуя безопасный азот и безвредную воду.

Иными словами, происходит реакция восстановления азота из оксидов. В итоге содержание этих опасных соединений может сократиться на 90%. Но смотрите – это же целая фабрика на колесах!

Грузовику на метане эта громоздкая система не требуется. Справедливости ради отметим, что при сгорании сверхбедных газовых смесей некоторое количество оксидов азота все же образуется. И для достижения норм Евро 5 и Евро 6 их тоже надо нейтрализовать. Но в целом экологических проблем, свойственных бензину и дизельному топливу, у газа нет – выхлоп у него изначально чище.

Газовый двигатель Scania для грузовой и специальной технике

О газовых двигателях

Газовые двигатели можно поделить на четыре группы. К первой принадлежат обычные бензиновые ДВС, оснащенные газовой аппаратурой. Они могут работать как на газе, так и на бензине. Их у нас хорошо знают ­– моторы «газелей» и «жигулей», переделанные «под газ» – все это первая группа.

Двигатели первой группы работают на пропан-бутане или на природном газе в зависимости от установленной топливной аппаратуры.

Ко второй группе относятся серийные дизели, переделанные под газодизельный цикл. Работают они весьма интересно. В цилиндры этих моторов подается не просто воздух, а газовоздушная смесь. В конце такта сжатия, как в обычном дизеле, происходит впрыск жидкого топлива, которое воспламеняется и поджигает газовую смесь. Дизельного топлива здесь требуется немного – ровно столько, чтобы сыграть роль запала, «жидкой свечи».

Третья группа газовых моторов – это дизели, конвертированные под искровое зажигание. В их цилиндры подается газовоздушная смесь, воспламеняемая от привычной свечи, интегрированной в двигатель.

И, наконец, четвертая группа – это двигатели, изначально созданные под газовое топливо. Разумеется, они имеют искровое зажигание.

В конце августа 2019 года на Дмитровском автополигоне НАМИ компания Scania продемонстрировала грузовую и специальную технику, работающую на природном газе

Конвертировать существующие дизели под газодизельный цикл или под зажигание от свечи намного дешевле, чем строить специализированные транспортные моторы «под газ». Поэтому на коммерческом и пассажирском транспорте будут активно внедряться газовые двигатели второй и третьей групп. По крайней мере пока газовые двигатели четвертой группы не станут серийными и привычными.

Двигатели второй, третьей и четвертой групп работают только на природном газе. Причем для третьей и четвертой групп может применяться сжатый или сжиженный метан – на конструкцию самого мотора это не влияет. А вот топливная аппаратура у них принципиально разная. В частности, для сжиженного метана она гораздо сложнее.

Кстати, использовать сжиженный природный газ выгоднее, чем сжатый. Причина проста – его можно взять в дорогу гораздо больше. Так, LNG увеличивает пробег тяжелого магистрального грузовика вдвое.

А в целом автомобили, работающие на газе, дешевле в эксплуатации и экологичнее, чем их бензиновые и дизельные собратья. Например, при использовании природного газа выбросы оксида углерода CO снижаются на 93%, а оксидов азота NOx – на 33%.

Октановое число у газового топлива выше, чем у бензина. Как уже говорилось, у метана оно равно 115 единиц ОЧИ (RON), у пропана – 110, у бутана – 95. Следовательно, газовый двигатель может иметь более высокую степень сжатия, детонация ему не страшна.

Так что будем следить за «газовой» тенденцией в автотранспортной отрасли.

Автору тоже посчастливилось порулить газовым тяжеловесом. Видите наклейку CNG на двери кабины?