Большой объем научно-исследовательских работ по применению в автомобильном транспорте был проведен в нашей стране еще в начале 1960-х гг. В 1986 г. была создана и успешно испытана опытно-промышленная партия автомобилей на (45 автомобилей ЭИЛ-3-1-138П, 45 автомобилей ГАЗ-53-17 и 3 автобуса ЛАЗ-699-Р). Цилиндрический топливный криогенный бак с экран-но-вакуумной изоляцией для этих автомобилей был создан Физико-техническим институтом низких температур (ФТИНТ) АН УССР. Продолжительность бездренажного хранения СПГ в этих баках составила 48 ч.
Аппаратура подачи СПГ в систему питания двигателя, за исключением испарителя (оребренной алюминиевой трубки в виде змеевика) и электронного блока, управляющего электромагнитными клапанами подачи жидкой и паровой фаз , была унифицирована с применяемой на автомобилях с газовыми баллонами. Проведенные на автокомбинатах №35 и 41 Главмосавтотранса эксплуатационные испытания этих автомобилей (заправка СПГ осуществлялась на Очаковской базе Москвы от передвижного автозаправщика ЦТМ-8/0,25) показали правильность принятых конструктивных решений, в том числе по обеспечению техобслуживания, и принципиальную возможность использования СПГ на автомобильном транспорте.
В то время из-за наличия крупной сырьевой базы для производства бензина и его низкой стоимости СПГ не нашел практического применения. Не в последнюю очередь это произошло из-за недостаточной подготовленности общественного мнения.
Продолжающаяся автомобилизация страны, приводящая к значительному увеличению количества автомашин, использующих нефтяное топливо, привела к резкому ухудшению экологической обстановки. На территории России автомобильный транспорт ежегодно выбрасывает 16,6 млн т загрязняющих веществ, что составляет 40 % всех вредных выбросов. Только в Москве при сгорании дизельного топлива выбрасывается до 10 тыс. т двуокиси углерода (С02) в сутки; 30 % заболеваний горожан связано с загрязнением воздуха автомобильными выбросами. Если на каждого москвича в 1993 г. приходилось 80 кг выбросов в год, то в 1995 г. — 160 кг. Содержание вредных веществ вблизи крупных магистралей в 5— 10 раз превышает предельно допустимое количество.
Экологический ущерб от воздействия транспортно-дорожного комплекса в России в 1994 г. составил 4,8 млрд долл. В настоящее время российская промышленность не готова выпускать автомобили с современными нейтрализаторами вредных выбросов, что еще больше ухудшает экологическую обстановку.
В связи с приведенными фактами создавшаяся обстановка требует принятия срочных мер. Решение проблемы может быть достигнуто внедрением новых альтернативных видов топлива, а также разработки проекта ПНООЛР в Екатеринбурге.
По ресурсной обеспеченности, технологической и технической подготовке реальным альтернативным моторным топливом является природный газ в сжатом (КПГ) или в сжиженном состоянии (СПГ), особенно для грузовых и большегрузных автомобилей и автобусов.
Ресурсы сжиженного нефтяного газа, нашедшего применение как горючее в автомобильном транспорте, в Российской Федерации ограничены в связи с уменьшением запасов нефти и необходимостью обеспечения им химической промышленности и коммунально-бытового хозяйства.
Рассмотрение других возможных альтернатив для автотранспорта — использование водорода, электроаккумуляторов, систем электропитания и др. — показали, что для их внедрения требуется значительное время, проведение научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ, существенные капитальные вложения Следует отметить, что такие работы ведутся постоянно.
Применение природного газа на транспорте позволит уменьшить выбросы окислов в атмосферу примерно в 2 раза, углеводородов — в 3 раза, окиси углерода — в 10 раз, а также будет способствовать снижению дефицита нефтяного топлива.
Известно, что карбюраторные двигатели могут успешно работать на газовом топливе и их переоборудование не вызывает серьезных трудностей, что подтверждают примеры перевода многих автомобилей на газовое топливо. При эксплуатации двигателей на КПГ и СПГ не наблюдалось изменений в их работе по сравнению с работой на нефтяном газовом топливе (пропан-бутан). Современные дизели могут быть конвертированы в газовые с искровым зажиганием или переоборудованы в газодизели.
Газодизели по сравнению с газовыми двигателями имеют худшие экологические показатели, однако могут работать и на нефтяном топливе, в то время как газовые двигатели работают только на газе. В газодизеле в воздушный тракт поступает не воздух, а воздушная смесь, которая поджигается запальной дозой дизельного топлива, впрыскиваемой через форсунки дизельной системы топли-воподачи. Запальная доза не превышает 20 % максимальной подачи при работе на чисто дизельном топливе.
По данным Автомобильного и автомоторного государственного научного центра (НАМИ), в газодизелях при сохранении энергетических параметров базового двигателя увеличивается максимум крутящего момента, снижается на 2…4 дБ шум, в 2—4 раза падает дымность отработанных газов. Кроме того, возможен быстрый переход с одного топлива на другое, снижается износ гильзопоршневой группы и группы коленчатого вала, увеличивается срок использования моторного масла. При этом, конечно, усложняется система питания двигателя за счет появления газового дозатора, смесителя, системы регулирования газа. В НАМИ разработана достаточно простая технология переоборудования дизеля как в газовый двигатель, так и в газодизель.
Проведенные анализ и испытания дизеля 6ЧПСМ18/22-250, переведенного в газовый двигатель и газодизель, показали, что нагрузочные характеристики базового дизеля в обоих случаях не изменяются.
В 1987 г. в Российской Федерации начат промышленный выпуск тяжелых грузовиков КамАЗ с дизельными двигателями, приспособленными для работы на природном газе по системе ГД-НАМИ (газодизель-НАМИ), которая предусматривает модульный принцип перевода на газовое топливо любого автотракторного быстроходного дизеля. Конструктивные элементы системы позволяют подбирать необходимый «конструктивный» комплект для каждого типа двигателя, обеспечивающий получение оптимальных мощностных, экономических и экологических показателей. Были разработаны газодизельные модификации грузовых автомобилей КамАЗ, КрАЗ, МАЗ, автобусов ЛиАЗ, ЛАЗ, «Икарус».
Энергетические и экономические показатели газодизельных модификаций двигателей имеют практически одинаковые показатели, однако изменение крутящего момента у газодизеля происходит более благоприятно, что значительно облегчает управление автомобилем. По данным НАМИ, использование газодизельных автомобилей КамАЗ в зависимости от годового пробега и условий эксплуатации дает экономию 10… 12 т/г. дизельного топлива на один автомобиль (газом заменяется 80…85 % топлива), уменьшает дымность, снижает уровень шума в кабине, уменьшает износ цилиндропоршневой группы из-за уменьшения нагара и отсутствия твердых частиц в продуктах сгорания, улучшает тягово-скоростные характеристики.
В настоящее время решены все технические вопросы, связанные с доработками автомобилей и их двигательных установок для перевода на сжатый до 200 атм природный газ, который хранится на транспортном средстве (автобус, грузовой автомобиль) в баллонах.
В мире большое количество транспорта работает на КПГ. Только в Германии около 3500 тыс. автомобилей при общем парке 10 млн переведено на газ, причем около 10 % этого количества — автобусы.
В России на сжатый природный газ переведено более 45 тыс. тяжелых грузовых автомобилей, начали переводить автобусы. Построена и работает сеть из 207 газонаполнительных компрессорных станций производительностью 250 и 500 заправок в сутки в 129 городах. На Кировском заводе Санкт-Петербурга разработан проект станции нового поколения АГНКС-125 на 125 заправок в сутки.
Комплексной программой по использованию газа в качестве моторного топлива на транспорте предусматриваются модернизация существующих АГНКС, доведение количества этих станций до 1100ед. и перевод на сжатый природный газ до 1 млн автомобилей. Это позволит к 2020 г. заместить 2,1…2,3 млн т нефтяных топлив и уменьшить выбросы вредных веществ в атмосферу на 1… 1,2 млн т.
Предусмотрено также освоение производства облегченных баллонов из композитных материалов и комплектов газового оборудования нового поколения, отвечающего современным технико-экономическим показателям.
Если говорить об использовании КГ1Г в качестве автомобильного топлива, то, как и в случае с тепловозами, он имеет ряд преимуществ, но и не лишен недостатков.
К преимуществам следует отнести возможность хранения газа в баллонах под давлением без потерь сколь угодно длительное время, относительную простоту эксплуатации. Однако его существенным недостатком является значительный занимаемый объем на единицу веса (объем жидкости по сравнению с газом при атмосферном давлении в 600 раз меньше, в то время как компримированного — только в 200 раз), большой вес и объем баллонов, их высокая стоимость по сравнению с изолированными баками для хранения СПГ, худшие (хотя и приемлемые) условия безопасности.
При использовании баллонов для хранения газа под давлением 20 МПа (близким к оптимальному) удельная масса тары составляет 0,85 кг массы/кг газа, т. е. полезная масса не превышает 15 % всей массы системы. Так, масса одного баллона емкостью 50 л равен 65 кг. Для пробега в 250 км при расходе газа 27 кг на 100 км автобусу «Икарус» потребуется 8 баллонов. Масса баллонов с газом составит около 520…550 кг, при этом масса чистых баллонов почти в 8—9 раз превышает массу продукта, не говоря уже о большом объеме, занимаемом баллонами. Даже при использовании баллонов из титана масса продукта в них не превысит 25 %.
Использование же СПГ позволит уменьшить металлоемкость транспортных средств, повысит их грузоподъемность и дальность пробега одной машины. Расчеты показывают, что для обеспечения пробега в 400 км на автобусе типа «Икарус» необходимо установить два бака емкостью 130 л каждый с экранно-вакуумной изоляцией и испаряемостью не более 1 % в сутки при весе устройства не более 90 кг.
Для грузового автомобиля ЭИЛ-138А, оборудованного криогенной емкостью объемом 300 л СПГ, пробег при одной заправке увеличивается в 1,8 раза, а суммарная масса оборудования и топлива уменьшается на 600 кг по сравнению с тем же автомобилем, работающим на КПГ. Грузоподъемность автомобиля при его переводе на СПГ и пробег на одной заправке сопоставимы с аналогичными характеристиками автомобиля, работающего на бензине.
Переоборудование автомобиля для работы на СПГ заключается в установке специальной криогенной емкости для его хранения, небольшого испарителя, использующего тепло отработанных газов, и в монтаже топливной аппаратуры, аналогичной применяемой в газобаллонных автомобилях, работающих на КПГ.
При использовании СПГ относительная удельная масса топлива достигает 65…75 %, что повышает полезную грузоподъемность и запас хода транспортного средства.
Совершенная конструкция емкости и высокие термодинамические показатели СПГ позволяют хранить его в баках автомобиля без потерь до 18 сут., а при заполнении баков на 20 % — до 5 сут. Это существенно снижает неудобства при использовании криогенного топлива.
СПГ может быть использован в качестве топлива для перспективного подвижного состава автопоездов, поскольку их применение позволяет повысить грузооборот за счет введения контейнерных перевозок грузов, что повышает производительность транспортной единицы в парке и на 20…30 % уменьшает удельный расход топлива. Целесообразность применения СПГ в качестве основного топлива для двигателей седельных тягачей автопоездов в условиях ограничения применения традиционных энергоносителей очевидна, так как при этом сохраняются основные коммерческие достоинства автопоезда — запас хода, грузоподъемность и скорость доставки груза.
Часть районов перспективного размещения комплексов СПГ, таких как Москва, Санкт-Петербург, Нижний Новгород, Южный Урал и др., находятся на пересечении важнейших автомобильных артерий страны. Ниже приведены направления автомагистралей, по которым перевозки грузов могут быть организованы на газодизельных автопоездах (как варианты):
Москва — Санкт-Петербург;
Москва — Рязань — Пенза — Саратов;
Москва — Нижний Новгород — Казань — Оренбург;
Казань — Екатеринбург;
Омск — Новосибирск — Кемерово;
Москва — Липецк — Воронеж.
Без дозаправки в пути перевозки грузов на газодизельном автомобиле могут осуществляться на расстояние 300…400 км от пункта, где имеется в наличии СПГ.
Технико-экономический анализ перевода автомагистрали Москва — Рязань — Пенза — Саратов протяженностью около 800 км на снабжение автопоездов КПГ и СПГ показали высокую доходность этого мероприятия со сроком окупаемости 10—11 лет при высокой экологичности проекта.
Особый эффект даст перевод на СПГ карьерных самосвалов. В настоящее время на добыче полезных ископаемых открытым способом занято до тысячи самосвалов грузоподъемностью 100…130 т и более 3 тыс. ед. грузоподъемностью 30…55 т. Использование СПГ в качестве основного моторного топлива для карьерных самосвалов БелАЗ, перевозящих 80 % всей горной массы в стране, могло бы внести весомый вклад в замещение дизельного топлива. Так, автомобиль марки БелАЗ-549 грузоподъемностью 75 т ежегодно расходует около 150 т дизельного топлива. Конвертирование в газодизельные 50 тыс. подобных машин позволило бы экономить до 6 млн т/г. топлива.
Следует отметить, что автомобили БелАЗ эксплуатируются в условиях плохо вентилируемых карьеров, где важную роль играют мероприятия по снижению дымности и токсичности отработанных газов. Требуется также кондиционирование кабин. Решать эти вопросы можно при комплексном использовании СПГ как моторного топлива, так и хладагента. По оценкам, применение криогенной технологии позволяет создать запас природного газа на борту рудовоза-большегруза, который обеспечивает бесперебойную работу машин в течение 8…14ч.
Эффективно использование СПГ и в авторефрижераторном транспорте. В нашей стране и за рубежом успешно проведены работы по замене парокомпрессионных холодильных установок автомобилей-рефрижераторов системами охлаждения с помощью жидкого азота. Однако по сравнению с жидким азотом СПГ обладает в 3 раза более высокой теплотой испарения (501,6 и 196,5 кДж/кг при Ткип = 112 и 78 К соответственно) и в 2 раза более высокой удельной теплоемкостью при нормальных условиях (2,22 и 1,03 кДж/кг — К).
Перед поступлением в двигатель авторефрижератора СПГ испаряют в холодильной камере. Расчеты показывают, что при потреблении автотранспортом топлива на уровне 20…30 кг/ч ресурсы холода составляют 17…25 кДж/ч, что позволяет поддерживать в холодильных камерах объемом 300 м3 заданный температурный режим и отвечает нормам Европейской комиссии ООН (классы С и F). Использование комбинированных систем с аккумуляторами холода обеспечивает требуемый режим охлаждения при длительных остановках транспортных средств.
Оценочные расчеты показывают, что приведенные затраты на систему охлаждения СПГ по сравнению с охлаждением жидким азотом снижаются в 5—7 раз для рефрижераторов грузоподъемностью 1,5… 12 т.
В последние годы в Российской Федерации созданы опытные образцы грузовых автомобилей, использующих в качестве топлива СПГ, и необходимое комплектующее оборудование. ОАО «Уралкриотехника» создан автомобильный криобак АОК-34 (рис. 4.8) с арматурным блоком и испарителем для автомобиля КамАЭ-53218.
Разработаны и другие криогенные баки и оборудование для использования СПГ в автомобильном транспорте. Изготовлено два автомобиля КамАЭ-53208 (рис. 4.9) с криогенным баком АОК-23 емкостью 297 л; рабочим давлением до 1,6 МПа; временем без-дренажного хранения СПГ до 5 сут; массой бака, заправленного СПГ, 320 кг; пробегом без дозаправки 300 км.
А уже на базе автомобиля КамАЭ-53208 разработан авторефрижератор на СПГ со следующими техническими характеристиками.
При установке двух криобаков БТК-300 на седельный тягач КамАЗ запас топлива достигнет 580 л, что обеспечит дальность пробега 800…900 км без дозаправки.
В настоящее время на базе автомобиля «Газель» проходит испытания автомобиль, использующий в качестве топлива СПГ. Он оборудован топливной системой, состоящей из криогенного бака, заполненного СПГ; арматурного шкафа с предохранительными клапанами и стандартной газорегулирующей аппаратурой; теплообменника-испарителя и системы безопасного дренажа газа, испаряющегося при хранении. Предусмотрена возможность использования бензина в качестве основного топлива. Разработчик газовой топливной системы — «НПФ САГА», Москва, разработчик криогенной системы — ОАО «НПО Гелиймаш» (технические характеристики приведены далее).
Использование в топливной системе автомобиля криогенного оборудования приведет к увеличению первоначальной стоимости машины на 5…10 %, однако это вполне компенсируется увеличением запаса хода автомобиля в 2 раза при одинаковых габаритах топливных систем, уменьшением затрат на смазку в 1,5 раза, существенным увеличением пробега машины без ремонта, лучшими тягово-скоростными качествами.
Проведенные за рубежом и в России (НАМИ и «Сигма-Газ») испытания опытных образцов автомобилей с криогенными системами хранения СПГ подтвердили высокие технические и экономические показатели таких автомобилей, что позволяет считать перевод автомобильной техники на СПГ целесообразным и практически выполнимым, особенно для грузового транспорта.
Если перевод ежедневно работающего в основном тяжелого автотранспорта на СПГ не вызывает сомнений, то перевод легкового транспорта, находящегося в личном пользовании, стоит под вопросом. Это связано с физическими свойствами криогенного топлива, хотя целесообразность перевода муниципального легкового транспорта на СПГ нельзя исключать, что подтверждает зарубежный опыт, особенно США.
Для внедрения СПГ в автомобильный транспорт должна быть создана инфраструктура обеспечения транспорта этим топливом. Исследования показали, что для снабжения автомобилей топливом на промежуточных заправочных станциях на первом этапе достаточная производительность средств сжижения СПГ составляет 300…400 кг/ч, однако в России нет промышленных установок для получения СПГ.
Учитывая наличие большого парка автомобилей, использующих КПГ (давление 20 МПа), и необходимость их заправки на АГНКС, а также тот факт, что в настоящее время загрузка АГНКС составляет 8…13% их мощности, возникла идея часть мощностей АГНКС использовать для получения СПГ. Это позволит существенно удешевить продукт за счет использования компрессорного хозяйства станции, подведенных газовых и электрических коммуникаций, водоснабжения и обслуживающего персонала. Было установлено, что при использовании свободных компрессоров для получения компримированного газа (например, в ночную смену) можно без ущерба производить на АГНКС до 400 кг/ч и более СПГ. Для этого АГНКС должна быть дополнительно оснащена следующими средствами:
- осушки от влаги и очистки от кислых и сернистых примесей (СО, H2S и др.) газа перед сжижением на основе адсорбционного способа;
- сжижения газа (теплообменниками, детандерами);
- азотообеспечения на базе короткоцикловой адсорбции или мембранной технологии;
- пожаровзрывопредупреждения;
- хранилищем СПГ на базе современных криогенных резервуаров.
Одна такая станция обеспечит заправку до 50 автобусов типа «Икарус» в сутки. Указанное оборудование предпочтительно создавать в блочно-модульном контейнерном исполнении, что в сочетании с высокой заводской готовностью обеспечит быстрый монтаж и возможность эксплуатации станции на открытой площадке.