Вопросы экологии и устойчивого развития в наше время становятся все более актуальными, поиск альтернативных источников энергии и технологий, способных снизить негативное влияние на окружающую среду – очень важная, и, несомненно, очень сложная задача для современной промышленности. Сегодня внедряется все больше решений, которые способствуют снижению нашего влияния на окружающую среду. Одним из таких решений стал двигатель, использующий в качестве топлива природный газ.
Сегодня газовый двигатель устанавливается на самые разные виды транспортных средств, начиная от легковых автомобилей и заканчивая морскими судами. Он предлагает эффективную альтернативу традиционному топливу, сокращая выбросы вредных веществ и помогая бороться с изменением климата.
В этой статье мы рассмотрим основные этапы становления газового двигателя, его конструктивные особенности по сравнению с традиционными двигателями внутреннего сгорания, а также определим его преимущества и перспективы развития технологии. Мы рассмотрим вопросы инфраструктуры для газового транспорта, новые технологии и инновации, а также экономические и экологические выгоды применения газа.
Краткий экскурс в историю газового двигателя
История газового двигателя началась на рубеже XVIII и XIX веков. В это время уже был изобретен паровой двигатель, но доступен он был лишь крупным предприятиям. Всему виной большой размер, высокие затраты на эксплуатацию и ремонт, а также невысокий КПД, который не превышал 10%. Производству требовались небольшие, неприхотливые и более эффективные двигатели.
В 1799 году Филипп Лебон открыл светильный газ, который производился посредством пиролиза древесины, каменного угля или нефти и получил патент на способ получения и использования. Этот газ стал первым топливом для двигателя внутреннего сгорания, а также в значительной мере повлиял на развитие техники освещения (отсюда и название «светильный»).
Первые попытки сжатия (компримирования) газа были предприняты также во Франции, в 1850-х годах. В 1860-х годах инженер Этьен Ленуар разработал газовый двигатель внутреннего сгорания, работавший на светильном газе при атмосферном давлении. В 1872 году на транспорте был впервые использован двигатель на светильном газе, в 1915—1916 годах — двигатель на природном газе. Газовые двигатели того времени обеспечивали хорошую мощность, и пользовались хорошим спросом, что способствовало увеличению серийного выпуска газобаллонных автомобилей и строительству газонаполнительных станций, где сжатое до 20 атмосфер газовое топливо подавалось в автомобильные баллоны. К 1940-м — 1950-м годам компримированный природный газ широко использовался в Европе, а особенно Италии, где получили распространение сменные газовые баллоны.
Популярность газового топлива снизилась с появлением недорогого энергоэффективного бензина, обеспеченного поставками нефти из стран Ближнего Востока, но нефтяной кризис 1973 года вновь разбудил интерес применению газа в автомобильной промышленности. Подогрели интерес к газу и возросшие требования к контролю выбросов двигателей внутреннего сгорания в Европе начала 1980-х годов. Ужесточенные требования касались количества загрязняющих атмосферу веществ, содержащихся в выхлопных газах. В это время были внедрены специальные датчики для замера доли воздуха в выхлопных газах (лямбда-зонд), которые позволили точно определять и настраивать топливно-воздушную смесь, что оказало положительное влияние на экономичность, а вследствие – на экологичность двигателя. Вместе с лямбда-зондом был внедрен и каталитический нейтрализатор, снижающий токсичность отработавших газов.
Сегодня выдвигаются все более строгие требования к надежности и экологичности двигателей, заставляя инженеров искать новые пути решений в конструкции, применяемых материалах и технологиях, тем самым увеличивая КПД, снижая вредные выбросы и затраты на сервисное обслуживание.
Принцип работы газового двигателя
Конструктивно газовый двигатель немногим отличается от бензинового или дизельного, однако у него несколько иная электронная система управления, система питания двигателя.
В общем случае, система питания двигателя, работающего на сжатом природном газе состоит из следующих основных составляющих:
- контур высокого давления (заправочный штуцер, трубопроводы, баллоны)
- область перехода от контура высокого давления к стороне низкого давления (редуктор давления газа с клапаном высокого давления для работы на газе и датчиком давления газа)
- контур низкого давления (гибкий шланг, газовая распределительная магистраль, датчик газовой распределительной магистрали, форсунка)
Конструктивно система впрыска сжатого природного газа состоит из следующих элементов:
1 – газовые баллоны с запорным и обратным клапаном; 2 – заправочная горловина со встроенным фильтром и обратным клапаном; 3 – запорный клапан с клапаном отключения подачи газа, ограничителем потока газа, термическим предохранителем и запорным краном; 4 – трубопровод высокого давления; 5 – гибкий шланг; 6 – газовая распределительная магистраль; 7 – датчик газовой распределительной магистрали; 8 – форсунка; 9 – двигатель; 10 – двойное зажимное кольцо; 11 – клапан высокого давления; 12 – датчик давления газа; 13 – редуктор давления газа с клапаном высокого давления для работы на газе.
На сегодняшний два самых распространенных типа двигателей – работающие на сжатом природном газе (в основном метан), иначе CNG и сжиженном нефтяном (LPG, смесь сжиженных под давлением легких углеводородов). Это два разных газа, отличаются как химическими, так и физическими свойствами, например, давлением, температурой и характеристикой горения в двигателе внутреннего сгорания. Рассмотрим некоторые их отличия:
- Двигатели, использующие CNG, являются более экономичными, до 70% по сравнению со средствами, работающими на бензине, и до 30-40% экономичнее машин, работающих на LPG.
- Температура воспламенения LPG — 400°C, Температура самовоспламенения CNG -650°С (для сравнения, температура самовоспламенения бензина около 300°С) Природный раз более устойчив к воспламенению.
- Природный газ, который намного легче воздуха, LPG – в два раза тяжелее воздуха.
- Природный газ содержит меньше примесей, нежели LPG, не содержит альдегидов и иных токсинов. Для человека не токсичен.
- Меньший риск возгорания природного газа. Возгорание возможно при соотношении Газ/воздух в объемном выражении 5~15 %.
- Природный газ создает меньший уровень парникового эффекта и считается самым экологичным топливом.
- Транспортировка природного газа трубопроводом не создает дополнительных затрат, которые возникают в виду опасности, загрязнения окружающей среды и т.д. как это происходит при перевозке наземным транспортом бензина, LPG, дизельного топлива.
- Меньшие расходы на техническое обслуживание.
Топливная эффективность
Учитывая преимущества газового двигателя, будет разумно применить его в автобусе, как в одном из самых распространённых видов транспорта. Автобус хорош с точки зрения экологии из-за количества большого перевозимых пассажиров, но вносит значительный вклад в загрязнение атмосферы. Поэтому производители стремятся предложить газовые варианты своих самых популярных моделей и они все чаще встречаются на дорогах по всему миру, от Китая до Америки.
Газовые автобусы обладают рядом преимуществ, которые делают их привлекательными с точки зрения экологии и эффективности. Они позволяют значительно снизить выбросы парниковых газов и вредных веществ в атмосферу (при замене аналогичного парка дизельных автобусов), что также благоприятно сказывается на качестве воздуха в городах.
Стоит упомянуть, что в условиях ограниченности запасов нефти в будущем, природный газ становится важным ресурсом и рассматривается скорее, как основной вид топлива, а не просто альтернатива. Это обусловлено его более доступной и экологически чистой природой. Использование газовых автобусов способствует диверсификации энергетического сектора и снижению зависимости от нефтепродуктов.
Кроме того, газовые автобусы обладают высокой энергоэффективностью и экономичностью. Газ как топливо обладает высоким тепловым КПД и более низкой стоимостью по сравнению с традиционными видами топлива. Это позволяет сократить расходы на эксплуатацию автобусов и снизить затраты на топливо.
Сегодня создается вся необходимая для эксплуатации газовых автобусов инфраструктура, количество автомобильных газонаполнительных компрессорных станций неуклонно растет. За счет этого экологичное топливо и, соответственно, комфортный, экономный, безопасный транспорт становятся все доступнее.
Выпуск газовых автобусов наладили многие производители, но компания Yutong – один из лидеров в отрасти. Производитель инвестирует значительную часть бюджета на научно исследовательскую и опытно-конструкторскую работу в этой сфере. Компания предлагает ассортимент газовых городских, междугородных и туристических моделей (для примера новые модели ZK6890HGQ и ZK6128HN-CNG).
Как 6890, так и 6128, ни в чем не уступают своим дизельным собратьям, предлагая комфорт и функциональность в сочетании с отличными показателями топливной эффективности. Однако ZK6128HN-CNG все же достоин отдельного упоминания.
Yutong ZK6128HN-CNG — туристический флагман
Yutong ZK6128HN-CNG – это модификация популярного лайнера ZK6128H, работающая на сжиженом природном газе. Двухосный автобус габаритной длиной 12,3 м рассчитан на перевозку 53 пассажиров, это максимальная вместимость, обусловленная отсутствием кулера, холодильника и туалета. Автобус обладает просторным и комфортабельным салоном, обеспечивая пассажирам комфортное путешествие. Кресла с боковой поддержкой имеют большой угол наклона спинки и функцию смещения в центральный проход, сервисные блоки снабжены индивидуальной настройкой мощности и направления воздушного потока, а регулировка яркости направленных ламп для чтения происходит плавно.
Yutong ZK 6128HN-CNG комплектуется 6‑цилиндровым газовым двигателем Yuchai YC6MK9375N-50 (Евро-5) мощностью 375 л. с., крутящим моментом 1150 Нм. Yuchai уже долгое время является лидером в производстве газовых двигателей для автобусов.
Топливная система: Автобус оснащен 10 баллонами для сжиженного природного газа. Общий объем баллонов — 1200 л. (240 м3). Полезный объем багажного пространства сократился до 3,8 м3. Запас хода от одной заправки составляет порядка 700 км.
В паре с двигателем работает 6‑ступенчатая механическая коробка Fast, для туристического автобуса это оптимальный вариант. Задний мост и передняя ось — тоже китайского производства, фирмы Jingyada. Подвеска спереди и сзади пневматическая. Система тормозов двухконтурная, с ABS, ASR и ESC. Передние механизмы дисковые, задние — барабанные (опционально доступны дисковые). В качестве вспомогательной тормозной системы используется элекетромагнитный тормоз Telma.
Межсервисный интервал у газового автобуса ZK 6128HN-CNG 20000 км. На эту модель предоставляется гарантия 18 месяцев или 150000 км, в зависимости от того, что наступит ранее.
Как и в дизельном 6128, к заказу доступен широкий спектр опций и дополнительного оборудования: окраска в цвет металлик, отделка пола — линолеум под дерево, контурная светодиодная подсветка пола и ступеней, ящики на полках для ручной клади, сиденье водителя с функцией массажа, задние дисковые тормоза, розетка 220В, система видеонаблюдения на 5 камер, кулер, холодильник, люк в спальник, кондиционер для спальника, система ECAS.
Характеристики автобуса:
- Пассажировместимость: 53+1.
- Габариты (длина/ширина/высота): 12300 мм / 2550 мм / 3840 мм.
- Колесная база: 6350 мм.
- Полная масса: 19300 кг.
- Вместимость газовых баллонов: 1200 л.
- Двигатель: Yuchai YC6MK9375N-50 (Евро-5) газовый, рядный, 6-цилиндровый, 9,27 л, 375 л.с./ 1150 Нм.
- Коробка передач: 6МКПП Fast 6DS180T.
- Подвеска (передняя/задняя): зависимая, пневматическая.
- Тормоза (передние/задние) дисковые/барабанные
- Размерность шин 295/80R22.5.
- Заводская гарантия: 1,5 года или 150 000 км.
Топливная эффективность
Yutong ZK6128HN-CNG в смешанном цикле расходует 35 м3 газа на 100 километров пути, аналогичный дизельный автобус — 25 л. диз. топлива. В сегодняшних ценах (ДТ — 2,36р./л, метан — 1,06р./м3) стокилометровая поездка на дизельном автобусе обойдется в 59 бел. рублей, а на газовом всего 37,1 бел. рубль, что почти на 40% дешевле. При годовом пробеге в 60000 километров газовый двигатель позволит сэкономить на топливе 13 140 рублей. Кроме того, межсервисный интервал CNG-версии — 20 000 км, у дизельной — 15 000, это значит, что за этот год газовый автобус пройдет три ТО, а аналогичный дизельный — четыре. Таким образом газовый двигатель позволит не только значительно снизить расходы на топливо и обслуживание, но и сократить простои.
Вывод
Подытожим все вышесказанное: газовые автобусы играют важную роль в решении проблемы выбросов парниковых газов и вредных веществ в городах. Они представляют собой экологически чистую и экономически выгодную альтернативу в условиях сокращающихся запасов нефти. Применение газовых автобусов способствует устойчивому развитию транспортной отрасли и снижению вредного влияния на окружающую среду.