Сжатый природный газ: свойства и использование

Природа и состав сжатого природного газа

Сжатый природный газ (CNG) — это природный газ, преимущественно состоящий из метана, который подвергли компримированию до давления 200–250 бар для использования в качестве моторного топлива. Технические требования к CNG как топливу для двигателей внутреннего сгорания регламентированы стандартом ГОСТ ISO 15403-1-2013, который устанавливает нормы на содержание сероводорода, механических примесей и температуру точки росы по влаге. В отличие от сжиженных нефтяных газов, CNG не требует криогенного охлаждения и остаётся в газообразной фазе при нормальных температурах после сжатия. Подробная информация представлена на портале https://cng.shelf.group.

Химическая основа и физические свойства метана

Основой CNG является метан (CH₄) — простейший углеводород, в молекуле которого один атом углерода связан с четырьмя атомами водорода. Содержание метана в природном газе, подаваемом на компримирование, составляет от 85 до 98 % по объёму, остальное приходится на этан, пропан, азот и диоксид углерода. Октановое число метана достигает 130, что значительно выше, чем у бензина (92–98) и пропан-бутана (около 100). Это позволяет использовать в двигателях, работающих на CNG, степень сжатия до 12–14 единиц без риска детонации.

Теплота сгорания метана составляет 50,0 МДж/кг, что больше, чем у бензина (44,6 МДж/кг) и дизельного топлива (42,6 МДж/кг). Однако объёмная плотность энергии у CNG значительно ниже: 9,2 МДж/л при 200 бар против 32,0 МДж/л у бензина. Это обусловлено тем, что газ, даже сжатый до высокого давления, занимает больший объём по сравнению с жидкими топливами.

При сгорании одного кубического метра метана выделяется 35,8 МДж тепловой энергии, что эквивалентно сгоранию 1,2–1,3 литра бензина. Удельный расход CNG на единицу пробега в объёмном выражении в 3–4 раза превышает расход бензина, хотя массовый расход сопоставим.

Особенности компримирования: давление и плотность энергии

Процесс компримирования природного газа заключается в повышении давления до рабочих значений с помощью многоступенчатых компрессоров с промежуточным охлаждением. На автомобильных газовых заправочных станциях (АГНКС) применяются компрессоры производительностью от 200 до 2000 нм³/ч, создающие давление до 250 бар с последующим охлаждением газа до температуры не выше 40 °C. Увеличение давления выше 250 бар нецелесообразно из-за роста энергозатрат на сжатие и снижения коэффициента полезного действия компрессора.

Зависимость между давлением и плотностью газа описывается уравнением состояния реального газа. При 200 бар метан имеет плотность около 160 кг/м³, при 250 бар — 190 кг/м³. Для обеспечения пробега легкового автомобиля на уровне 300–400 км требуется баллон объёмом 100–120 литров водного эквивалента при рабочем давлении 200 бар. Грузовые автомобили и автобусы оснащаются батареей из 4–8 баллонов общей ёмкостью до 800 литров, что даёт запас хода до 500–600 км.

Конструкция газобаллонного оборудования для автотранспорта

Газобаллонное оборудование (ГБО) для CNG включает баллоны высокого давления, газовый редуктор, систему подачи газа, смеситель или форсунки, а также предохранительную арматуру. Монтаж оборудования требует внесения изменений в конструкцию транспортного средства и последующей сертификации в соответствии с Техническим регламентом Таможенного союза 018/2011.

Типы баллонов для хранения CNG и их характеристики

Баллоны для сжатого природного газа различаются по материалу и конструкции. Производство и эксплуатация регламентируются стандартами ГОСТ 33565-2015 и ГОСТ Р 54982-2012.

Выбор типа баллона определяется требованиями к массе снаряжённого автомобиля, условиями эксплуатации и бюджетом. Композитные баллоны (тип 4) имеют наименьшую массу, но требуют защиты от ультрафиолетового излучения и абразивного износа. Стальные баллоны тяжелее, но устойчивы к механическим повреждениям и дешевле. Все баллоны оснащаются автоматическими предохранительными клапанами, срабатывающими при превышении давления свыше 250–300 бар или при нагреве до 100–120 °C.

Редуктор и система подачи газа в двигатель

Газовый редуктор выполняет функцию снижения давления газа с рабочего (200 бар) до давления в топливной рампе (1,5–8 бар для двигателей с искровым зажиганием). Конструктивно редукторы для CNG делятся на диафрагменные и поршневые. Поршневые редукторы менее подвержены замерзанию при низких температурах и обеспечивают стабильное выходное давление в диапазоне от –40 до +120 °C.

• Диафрагменные редукторы — компактны, чувствительны к обмерзанию при испарении влаги, требуют подогрева от системы охлаждения двигателя.
• Поршневые редукторы — имеют гидравлический затвор между ступенями, исключающий утечки газа, могут работать без подогрева до –30 °C.
• Электронные регуляторы давления — управляются блоком управления двигателя, обеспечивают точную дозировку в режиме реального времени, применяются на системах Common Rail для двухтопливных моторов.

Система подачи газа в двигатель включает газовые форсунки или смеситель, дроссельную заслонку и электронный блок управления (ЭБУ). Для двигателей с распределённым впрыском используются газовые инжекторы, которые открываются последовательно или попарно по сигналу ЭБУ. Управление углом опережения зажигания и составом смеси корректируется по сигналу датчика кислорода, что обеспечивает стехиометрическое соотношение воздух-топливо при λ = 1,0.

Сравнение CNG с другими видами газового топлива

На рынке газомоторных топлив представлено несколько альтернатив: сжиженный природный газ (LNG), сжиженный углеводородный газ (LPG, пропан-бутановая смесь) и компримированный природный газ (CNG). Каждый вид топлива имеет свои физические и эксплуатационные особенности, определяющие сферу применения.

Отличия от сжиженного природного газа (LNG) и пропан-бутана (LPG)

Основные отличия CNG от LNG и LPG касаются фазового состояния, условий хранения и состава.

LNG применяется на тяжёлых грузовиках и морском транспорте, где требуется большой запас хода и есть возможность установки криогенных цистерн. LPG распространён в легковых автомобилях благодаря низкой стоимости переоборудования и развитой инфраструктуре. CNG занимает нишу городского и муниципального транспорта, так как обеспечивает меньшие выбросы оксидов азота по сравнению с LPG и не требует дорогостоящего криогенного оборудования, в отличие от LNG.

Влияние на мощность двигателя и расход топлива

При переводе двигателя внутреннего сгорания с бензина на CNG мощность снижается на 8–15 %. Это связано с меньшей теплоёмкостью топливовоздушной смеси: метан занимает больший объём, вытесняя часть воздуха, участвующего в сгорании. У двигателей, изначально спроектированных под газ (например, метановые моторы ЯМЗ-536CNG), снижение мощности не превышает 3–5 % за счёт оптимизации геометрии камеры сгорания и увеличения степени сжатия.

Расход топлива в объёмных единицах на 100 км для CNG в 3–4 раза выше, чем для бензина. Если легковой автомобиль расходует 8 литров бензина, то на CNG ему потребуется около 8×3,2 = 25,6 нормальных кубических метров газа. В массовом выражении расход CNG на 15–20 % меньше, чем у бензина, из-за более высокой теплоты сгорания метана на килограмм. Однако для двухтопливных автомобилей дальность хода на одной заправке CNG обычно не превышает 250–400 км, что ограничивает их использование в междугородних перевозках без газовых заправок по маршруту.

Эксплуатационные и экологические преимущества

Использование сжатого природного газа снижает нагрузку на окружающую среду и уменьшает эксплуатационные расходы владельцев транспортных средств. Преимущества проявляются как в составе выхлопных газов, так и в уровне шумовой эмиссии.

Снижение вредных выбросов и шумовое загрязнение

Двигатели, работающие на CNG, выделяют на 20–25 % меньше диоксида углерода (CO₂) по сравнению с бензиновыми и на 10–15 % меньше по сравнению с дизельными аналогами при равной мощности. Содержание твёрдых частиц (сажи) в выхлопе метановых двигателей практически отсутствует, так как метан не содержит ароматических углеводородов и не образует конденсированных продуктов неполного сгорания. Выбросы оксидов азота (NOx) снижаются на 40–60 % благодаря возможности работы на стехиометрической смеси с трёхкомпонентным нейтрализатором без рециркуляции выхлопных газов.

Уровень шума при работе метанового двигателя на 5–10 дБ(А) ниже, чем у дизеля такой же мощности, что особенно важно для городских автобусов и коммунальной техники, работающих в ночное время. Снижение шума обусловлено более плавным нарастанием давления в цилиндре при сгорании метана по сравнению с дизельным топливом.

Согласно данным испытаний автобусов ЛиАЗ-5292 на газомоторном топливе, уровень внутреннего шума в салоне снизился с 78 дБ(А) (дизель) до 72 дБ(А) (CNG) при равной мощности 250 л.с. Выбросы CO₂ уменьшились на 1,3 тонны в год на единицу транспорта при годовом пробеге 60 000 км.

Экономическая эффективность при эксплуатации

Экономическая выгода от использования CNG складывается из разницы между стоимостью природного газа и нефтяных топлив, а также из снижения затрат на техническое обслуживание. Замена масла на двигателе, работающем на CNG, требуется реже, так как газ не разжижает масло и не образует нагара в камере сгорания. Межсервисный интервал для метанового двигателя составляет 20–30 тысяч километров против 10–15 тысяч для бензинового или дизельного.

Для городского транспорта с ежедневным пробегом 250–350 км срок окупаемости переоборудования или приобретения заводского газомоторного автобуса составляет от 2 до 4 лет при условии интенсивной эксплуатации. Дополнительную экономию даёт снижение налоговой нагрузки на транспортный налог в ряде регионов, где применяется нулевая ставка для автомобилей с газовыми двигателями. Средняя стоимость 1 км пробега на CNG для автобуса массой 12–15 тонн составляет 60–70 % от стоимости километра пробега на дизеле.

Требования к инфраструктуре и безопасность

Эксплуатация транспортных средств на CNG требует наличия сети заправочных станций и соблюдения строгих правил хранения и обслуживания газовых баллонов. Инфраструктурные объекты и условия эксплуатации регламентируются ГОСТ Р 53930-2010 и правилами промышленной безопасности Ростехнадзора.

Устройство и принцип работы автомобильных газовых заправочных станций

Автомобильная газовая заправочная станция (АГНКС) включает блок компримирования, систему осушки газа, накопители высокого давления и раздаточные колонки. Компрессоры на АГНКС обычно трёх- или четырёхступенчатые с водяным или воздушным охлаждением, производительностью от 200 до 2000 нм³/ч.

1. Природный газ из магистрального газопровода поступает на вход АГНКС при давлении от 1 до 6 бар.
2. Проходит через блок подготовки — фильтры тонкой очистки и адсорбционные осушители, удаляющие влагу до точки росы –50 °C.
3. Компрессор сжимает газ до 250 бар с промежуточным охлаждением после каждой ступени.
4. Газ накапливается в ресиверах (рампы объёмом до 500–1000 литров) и охлаждается до 20–40 °C.
5. Через раздаточную колонку со шлангом высокого давления и заправочным пистолетом типа NGV-1 производится заправка автомобиля.

Время заправки легкового автомобиля составляет 3–8 минут, грузового — 10–20 минут. Современные АГНКС оснащены системой автоматического контроля состава газа с помощью хроматографа, что исключает подачу газа с низким содержанием метана.

Правила безопасного хранения и обслуживания газовых баллонов

Безопасность эксплуатации баллонов для CNG обеспечивается их периодическим освидетельствованием и соблюдением условий хранения. Согласно ГОСТ 33565-2015, каждые 5 лет (для стальных баллонов) или каждые 5 лет (для композитных баллонов типов 2 и 4) проводится гидростатическое испытание при давлении 300 бар с измерением остаточной деформации. Баллоны, не прошедшие испытание, подлежат замене или списанию.

Хранение автомобиля с баллонами CNG должно исключать нагрев баллонов выше 60 °C (прямые солнечные лучи, близость выхлопной трубы) и механические повреждения. При стоянке в закрытых помещениях требуется принудительная вентиляция объёмом не менее 8 кратного воздухообмена в час, так как метан легче воздуха и скапливается под потолком, создавая взрывоопасную смесь при концентрации 5–15 % в воздухе.

Запрещается эксплуатация баллонов с внешними дефектами — вмятинами, коррозией, трещинами в зоне сварных швов или наклеек. На каждый баллон наносится паспортная табличка с серийным номером, датой изготовления, рабочим давлением и датой следующего освидетельствования. Замена предохранительных клапанов производится при каждом освидетельствовании или при нарушении герметичности. При утечке газа из баллона или трубопровода необходимо перекрыть вентиль подачи газа и обеспечить проветривание помещения до восстановления нормальной концентрации метана.

Видео