Рассказать о газовом топливе для автомобилей мы собирались давно. Но... уж больно обширная это тема. С чего начать: с экономической стороны вопроса, с технических характеристик газовых систем или же с практических рекомендаций по их эксплуатации? Мнения консультантов, к которым мы обращались, разделились. Каждый ратовал за определенное направление, называл его приоритетным, и, что интересно, с ним трудно было не согласиться. К счастью, на помощь нам пришел специалист, резонно заметивший, что в «газовой» теме важно все. А посему можно начинать с любого вопроса. И если разбить повествование на небольшие главы, то каждый сам выберет то, что ему интересно. А потом... Впрочем, что будет потом, вы узнаете в конце рассказа. А пока слово имеет директор НТЦ «Газовые двигатели» ГНЦ РФ НАМИ, кандидат технических наук Владислав ЛУКШО.

Экономика

Сегодня мы видим некоторое оживление предложения бензина и дизтоплива. Увы, оно не говорит о благополучии в области нефтяного производства. Это следствие спада экономики, снижения объемов перевозок и сокращения грузового парка.

Однако, по некоторым прогнозам, потребность в моторных топливах к 2005 году может возрасти в 2-3 раза. Хорошо, если нефтяная отрасль будет к этому готова. Ведь объемы добычи и переработки нефти в стране за последние годы неуклонно падали. Даже для сохранения сегодняшнего уровня добычи потребуются весьма существенные капиталовложения. Может сложиться ситуация, что через несколько лет дефицит моторных топлив составит не менее 50-70 млн. тонн условного топлива в год.

На сегодняшний день самым эффективным способом решения этой проблемы является применение сжиженного нефтяного и сжатого природного газов. Ведь использование газа на автотранспорте экономически очень выгодно. Например, установка газобаллонного оборудования окупается на легковых автомобилях через 15-20 тыс. км. пробега, а на грузовых - через 10-15 тыс. км.

Экология

Одной только экономичностью достоинства газового топлива не исчерпываются. Его использование тесно завязано и с экологическими проблемами.

Вот несколько цифр. В странах СНГ находится в эксплуатации около 50 млн. единиц автотранспортных средств. Ежегодный выброс в атмосферу высокотоксичных веществ составляет 35-40 млн. тонн. А это более трети общей массы вредных компонентов, поступающих в атмосферу от всех источников загрязнения. На Российскую Федерацию при этом приходится около 75-80% общих выбросов.

В крупных городах автотранспорт является главным источником загрязнения воздуха - на его долю приходится от 50 до 90% всех вредных выбросов. Например, в столице автотранспорт ежегодно выбрасывает свыше 860 тыс. тонн оксида углерода СО, углеводородов, оксидов азота и других вредных соединений, что составляет 72% от общей массы выбросов вредных веществ.

Сравнительные испытания, проведенные в НАМИ, показали, что природный газ относится к наиболее чистым в экологическом отношении моторным топливам. Выбросы токсичных веществ с отработавшими газами у газобаллонных автомобилей по сравнению с бензиновыми значительно ниже.

Поэтому перевод автотранспорта на работу на газовые топлива - задача своевременная и с экологической точки зрения.

А теперь давайте посмотрим, что же собой представляет автомобильное газовое топливо.

Что такое сжиженный газ?

Сжиженный нефтяной газ - это смесь пропан-бутановых фракций. Его получают как побочный продукт переработки нефти.

Сжиженный нефтяной газ хранится в баллоне в жидком состоянии при давлении, равном давлению насыщенных паров, которое, в свою очередь, зависит от температуры. Например, при температуре 45°С давление газа в баллоне достигает 16 атмосфер, а при температуре 0°С - около 3-7 атмосфер.

Давление сжиженного газа в баллоне почти не зависит от его количества. Сжиженный нефтяной газ имеет большой коэффициент объемного расширения, зависящий от температуры, поэтому газовые баллоны следует заправлять не полностью, а оставлять так называемую паровую подушку. Практически степень заполнения автомобильных газовых баллонов должна быть в пределах 80-85%. Современная автомобильная арматура газовых баллонов имеет специальное устройство, автоматически перекрывающее заправочный канал при достижении указанного уровня, и прекращает дальнейшую заправку баллона.

Стандарт на сжиженные газы для автотранспорта предусматривает две марки топлива: зимнюю ПА (пропан автомобильный) и летнюю ПБА (пропан-бутан автомобильный). Марка ПА содержит 90±10% пропана, а марка ПБА - 50±10% пропана, остальное же - бутан, а также не более 1% непредельных углеводородов. Допускается некоторое количество метана и этана при определенных условиях.

На автомобильные газонаполнительные станции поступает и сжиженный газ для коммунально-бытового потребления. Стандарт на этот газ также предусматривает зимнюю и летнюю марки топлива. Однако этот вид имеет более широкие допуски на содержание вредных для двигателя компонентов.

Что такое сжатый газ?

Сжатый природный газ - это практически чистый метан. Он транспортируется по магистральным газопроводам и используется для тепло- и электростанций, промышленных предприятий, а также для бытовых целей.

По газопроводу метан идет под давлением 50-70 ат. А в квартиры подается под низким давлением, чуть превышающим атмосферное. Для использования в качестве моторного топлива газ сжимается на газонаполнительных компрессорных станциях до давления

200 атмосфер, после чего закачивается в баллоны автомобиля. Хранится в баллонах в газообразном состоянии. По мере расходования газа давление в баллоне падает.

Химия и физика газового топлива

Горючие газы зарекомендовали себя как полноценное моторное топливо. Высокая антидетонационная стойкость газообразных топлив позволяет форсировать двигатель по степени сжатия. При работе на газовых топливах уменьшается нагарообразование, увеличивается периодичность смены моторного масла, снижаются ударные нагрузки на цилиндро-поршневую группу и износ двигателя.

Однако есть у газового топлива и недостатки. При работе на нем мощность двигателя снижается (на сжиженном нефтяном газе - на 5-7%, на природном газе - на 18-20%), усложняется система питания двигателя и в особенности система хранения топлива на борту автомобиля. Газовые баллоны занимают достаточно много места, хотя обеспечивают относительно небольшой запас хода на одной заправке баллонов - около 400 - 500 км на сжиженном нефтяном газе и 250 - 300 км на сжатом природном газе. Хотя следует отметить, что установка газобаллонной аппаратуры сохраняет возможность полноценной работы на бензине и таким образом суммарный запас хода двухтопливного авто- мобиля существенно возрастает по сравнению с однотопливным.

Недостатки газобаллонных автомобилей могут быть либо устранены, либо сведены к минимуму за счет совершенствования конструкции как системы питания, так и двигателя и автомобиля в целом.

Но прежде чем перейти к техническим подробностям, совершим небольшой исторический экскурс.

История и день сегодняшний

Наша страна является пионером в использовании газовых топлив, как сжиженного нефтяного, так и сжатого природного газов. Еще в 1938 г. в НАМИ были созданы и поставлены на производство автомобили ЗИС-21 и ГАЗ-42 на древесных чурках, а также автомобили ЗИС-30 и ГАЗ-44 на сжатом природном газе.

В том же 1938 г. разработаны образцы грузовых автомобилей ЗИС и ГАЗ, автобусов ЗИС, легкового автомобиля М-1 и трактора С-60, где в качестве топлива использовался сжиженный нефтяной газ.

В 1947-1948 гг. начался выпуск газобаллонных автомобилей ЗИС-156 и ГАЗ-51Б на сжатом природном газе, а с 1952-1953 гг. - автомобилей ЗИС-156А и ГАЗ-51Ж на сжиженном нефтяном газе. К концу 50-х годов на газовых топливах эксплуатировалось более 20 тыс. автомобилей ЗИС-156, ЗИС-156А, ГАЗ-51Б и ГАЗ-51Ж.

В 70-х годах парк газобаллонных автомобилей на сжиженном нефтяном газе существенно расширился, особенно в крупных городах - Москве, Ленинграде, Киеве, Ташкенте. А с 1982 г. началась реализация большой государственной программы по созданию к 1990г. парка газобаллонных автомобилей в 1 млн. единиц. Выпускалось более 30 моделей автомобилей.

Это автомобили на сжиженном нефтяном газе - ЗИЛ-138, ЗИЛ-138В1, самосвалы ЗИЛ-ММЗ, автомобили ГАЗ-53-07, ГАЗ-52-07, ГАЗ-52-08, автомобили фургоны типа ГЗСА -37041, ГЗСА-0891Б, ГЗСА-893А, а также ряд машин коммунального назначения.

На сжатом природном газе работали автомобили ЗИЛ-138А, самосвалы ЗИЛ-ММЗ, автомобили ГАЗ-53-27 и ГАЗ-52-27, автобус ЛАЗ-695НГ, фургоны ГЗСА и машины для коммунального хозяйства.

За период 1986-1991 гг. было выпущено более 100 тысяч грузовых автомобилей и автобусов, работающих на сжатом природном газе, а также более 80 тысяч комплектов газобаллонного оборудования.

Несмотря на уменьшение парка газобаллонных автомобилей в начале девяностых годов, затраченные усилия не пропали даром. Наработан определенный технический потенциал, создана сеть заправочных станций, появились квалифицированные специалисты. В настоящее время газобаллонное оборудование для автомобилей выпускается рядом отечественных предприятий.

Техника: классификация, оборудование, особенности

Применение газового топлива требует оснащения автомобилей особыми системами питания, а иногда и специальными двигателями.

Сегодня нашли применение три вида автомобилей, использующих газ. Во-первых, это так называемые однотопливные автомобили. Во-вторых, двухтопливные с независимым питанием одним из видов топлива. И, в-третьих, двухтопливные автомобили с одновременной подачей двух видов топлива (газодизели).

На однотопливных автомобилях применяют уже упоминавшиеся специальные модификации двигателей. Конструктивные элементы их системы питания обеспечивают наиболее эффективное использование газового топлива. Но однотопливные автомобили могут оснащаться и дополнительной, резервной системой питания, допускающей кратковременную работу на бензине при запуске холодного двигателя, на холостом ходу и малых нагрузках.

Двухтопливные автомобили с независимым питанием одним из видов топлива допускают работу как на газе, так и на бензине. Перевод двигателя с одного топлива на другое осуществляется переключением тумблера. Они получили наибольшее распространение.

В двухтопливных автомобилях с подачей двух топлив (газодизелях) одновременно используются газ и дизельное топливо. Их пропорция зависит от режима работы двигателя и его конструктивных параметров. Предусматривается возможность отключения подачи газа и полноценной работы на дизельном топливе.

А теперь рассмотрим двухтопливные автомобили с независимым питанием, работающие на жидком газе.

Баллон служит для хранения газа на автомобиле в жидком состоянии и рассчитывается на рабочее давление 1,6 МПа. Арматура баллона включает в себя заправочный вентиль, предохранительный клапан, расходный вентиль жидкой фазы, иногда расходный вентиль паровой фазы, устройство ограничения максимально допустимого уровня заправки газом, указатель уровня газа в баллоне.

Испаритель предназначен для испарения и подогрева газа, находящегося в жидкой фазе, за счет тепла охлаждающей жидкости двигателя, циркулирующей в испарителе. В двигателях с воздушным охлаждением в качестве теплоносителя используются моторное масло или отработавшие газы.

Редуктор служит для снижения давления газового топлива до величины, близкой к атмосферному давлению. Он представляет собой регулятор давления с мембранно-рычажным механизмом. Встречаются одно-, двух- и трехступенчатые конструкции редукторов. Наиболее широкое распространение получили двухступенчатые редукторы со встроенным испарителем.

Газовый смеситель служит для приготовления газовоздушной горючей смеси и подачи ее во впускную систему двигателя. На двухтопливных автомобилях применяют упрощенные конструкции газовых смесителей. Их конструктивные исполнения - тема отдельного разговора. Заметим лишь, что смесители чаще всего выполняются в виде проставок к бензиновому карбюратору.

Дозирование газового топлива осуществляется тремя способами:

- дозирующим устройством, в котором имеются шайбы (жиклеры) с калиброванными отверстиями. Устройство монтируется в выходном патрубке или корпусе редуктора. Существуют конструкции, позволяющие изменять проходные сечения дозирующих элементов в зависимости от сорта применяемого топлива;

- дозирующим устройством, имеющим регулировочные винты или дозирующие шайбы с калиброванными отверстиями. Устройство монтируется в газовой магистрали низкого давления между редуктором и газовым смесителем;

- дозирующими элементами, установленными непосредственно в газовом смесителе.

Теперь несколько слов о системе питания автомобиля, работающего на сжатом природном газе. Она включает в себя газовые баллоны высокого давления с запорными вентилями (если баллонов несколько, то на части баллонов могут устанавливаться проходные вентили), заправочное устройство с заправочным вентилем, газоредуцирующая аппаратура и подогреватель газа, газовый смеситель, магистральный вентиль (электромагнитный клапан), газовый фильтр.

Для редуцирования сжатого природного газа применяются как трехступенчатые редукторы-подогреватели, выполненные в одном агрегате, так и раздельное исполнение: двухступенчатый редуктор и одноступенчатый редуктор-подогреватель. Их устройство аналогично устройству редукторов для сжиженного нефтяного газа.

Газовые смесители для двигателей, работающих на сжатом природном газе, по принципу действия и конструкции аналогичны применяемым для работы на сжиженном нефтяном газе.

И в заключение несколько слов о безопасности газового топлива. Очень часто его использование неоправданно связывают с повышенной опасностью. Многолетний опыт эксплуатации газобаллонных автомобилей как у нас в стране, так и за рубежом, показывает обратное - автомобили с газобаллонной установкой менее взрыво- и пожароопасны, особенно в аварийных ситуациях, чем бензиновые.

От редакции

Вернемся к прерванной фразе «а потом...», прозвучавшей в начале нашего рассказа. В ближайших номерах «АБС-авто» мы с помощью нашего консультанта Владислава Лукшо планируем осветить следующие вопросы:

- монтаж газовой аппаратуры на автомобиль, типовые неисправности и способы их устранения;

- как создать мастерскую по переоборудованию автотранспорта на газовое топливо;

- московская программа перевода столичного транспорта на газовое топливо

Сравнение свойств газовых топлив и бензина