Нормативное обеспечение применения газомоторного топлива на основе метана на автотранспорте

<Ш

Стандарты и нормы

Нормативное обеспечение применения

газомоторного топлива

на основе метана на автотранспорте

Л.А. Гнедова,

старший научный сотрудник ООО «Газпром ВНИИГАЗ», К.А. Гриценко,

научный сотрудник ООО «Газпром ВНИИГАЗ», Н.А. Лапушкин,

начальник лаборатории ТО АГНКС ООО «Газпром ВНИИГАЗ», к.т.н., В.Б. Перетряхина,

старший научный сотрудник ООО «Газпром ВНИИГАЗ», И.В. Федотов,

старший научный сотрудник ООО «Газпром ВНИИГАЗ», к.т.н.

Рассмотрены современные направления развития газомоторных технологий, вопросы нормативного обеспечения применения газомоторного топлива на основе метана на автотранспорте.

Ключевые слова: компримированный природный газ (КПГ), качество КПГ, детонационная стойкость, метановое число, содержание серы в КПГ, температура точки росы.

Question normative ensuring usage gas fuel based on methane for transport motor-vehicle

L.A. Gnedova, K.A. Gritsenko, N.A. Lapushkin, V.B. Peretryakhina, I.V. Fedotov

Actual trends development gas motor technology and question normative ensuring usage gas fuel based on methane on transport motor-vehicle are considered.

Keywords: compressed natural gas, quality of CNG, knock resistance, methane number, total sulphur compounds in CNG, dew point.

Вступивший в действие в сентябре 2010 г. «Технический регламент о безопасности колесных транспортных средств» явился очередным шагом к приведению в соответствие отечественных и европейских нормативных документов в области автомобилестроения. В нем определена, кроме прочего, необходимость соответствия конструкции газобаллонного оборудования (ГБО), его размещения и установки Правилам ЕЭК ООН №№ 66, 67, 83, 107, 110 и 115. При этом, если автомобиль выпущен заводом как автомобиль экологического класса Евро-4, удовлетворяющий требованиям спе-

циального технического регламента (включая требования Правил ЕЭК ООН № 83-05), то и после установки ГБО он должен соответствовать этим же требованиям, что должно быть подтверждено в ходе сертификационных испытаний ГБО в составе автомобиля. Это соответствие должно быть подтверждено не только в отношении выбросов вредных веществ автомобилем, но и в отношении всего спектра требований, включая требования к бортовой диагностической системе (БД), в частности, в отношении:

• доступа к БД-системе управления газом;

• действия индикатора неисправности БД и кода состояния используемого топлива;

• независимости процедуры диагностики при работе на бензине или газе;

• зарегистрированных неисправностей и занесения в «стоп-кадр»;

• стандартного и неограниченного доступа к БД-системе управления газом и соответствия стандартам ISO и/или спецификациям SAE.

В числе прочего БД должна фиксировать и индицировать основные функциональные неисправности каталитических нейтрализаторов и фильтров частиц. Это затрудняет и делает практически невозможным переоборудование современных двигателей Евро-3,4 и автотранспортных средств (АТС) для работы на природном газе [1]. Поэтому в перспективе основным потребителем КПГ будет газовый двигатель автомобиля заводского изготовления, конструктивные параметры которого оптимизированы под топливо с большей детонационной стойкостью, чем бензин. Серийное производство автомобилей, работающих на КПГ, освоили многие автопроизводители: Mercedes, BMW, Volvo, FIAT, Volkswagen, Ford, Honda, Opel, Renault, Cummins, Iveco и другие.

Газовые автомобили выпускает КАМАЗ, с 2012 г. ВАЗ также приступает к серийному производству метанового автомобиля Приора CNG (и Приора CNG plus с запасом хода без дозаправки на газе 900 км) [2].

За рубежом рынок КПГактивно развивается. В последние годы мировой парк метановых автомобилей ежегодно рос приблизительно на 15...20 %. Среди европейских стран рынок КПГ наиболее успешно развивается в Германии, где насчитывается более 900 АГНКС, и автопром серийно выпускает автомобили газовых модификаций. В этой стране применяются меры налогового стимулирования: владельцы многотопливных и газовых заправок освобождены от экологического налога, который выплачивают бензиновые и дизельные АЗС, а владельцы автомобилей с нормами выбросов ОГ, соответствующими Евро-4 и Евро-5, освобождены от уплаты налога на АТС. КПГ здесь почти в два раза дешевле бензина. В Германии созданы современные нормативы на качество КПГ DIN 51624 (2008 г.), а также на его

НИ ЙЯЯЯЯ Л Ф e¡¡# efefet m фщ

«Транспорт на альтернативном топливе» № 4 (22) август 2011 г.

Стандарты и нормы

ш

применение. Так, переосвидетельствование баллонов для КПГ и их испытания под давлением проводятся по немецким правилам 1 раз в 10 лет, а баллоны, установленные на легковых автомобилях, не проходят переосвидетельствование вообще, но срок их службы ограничен 20 годами [3].

Поэтому рассматривая тенденции и перспективы развития газомоторного рынка, будем опираться, в первую очередь, на опыт этой страны.

Один из лидеров производства газовых легковых автомобилей - фирма Volkswagen. В ее новой модели Passat TSI EcoFuel воплощены передовые технологии [4, 5], например, его двигатель разработан для работы на топливе двух видов. На 21 кг газа в трех газовых баллонах, которые находятся под полом машины, можно проехать 450 км, и на 31 л бензина еще 450 км. Основное топливо - природный газ. Автомобиль не переключается на бензиновый режим, пока газовые баллоны не опустеют.

Модификация двигателя позволила использовать преимущество более высокой детонационной стойкости природного газа - метановое число (МЧ) не менее 70 или октановое число (ОЧ) 130 по сравнению с 98 ОЧ бензина, - что позволило получить прирост эффективности, снижение расхода топлива, улучшить разгонные и экологические характеристики автомобиля.

Процесс сгорания в газовом двигателе отличается от сгорания в бензиновом, что потребовало серьезной модификации конструкции двигателя. У газового двигателя выше геометрическая степень сжатия (£ = 13,5), а за счет применения турбокомпрессора и приводного нагнетателя действительная степень сжатия еще выше. Это приводит к повышенным максимальным давлению сгорания, тепловой и механической напряженности деталей. Поэтому была увеличена прочность клапанов, поршневых колец и поршней.

При такой модернизации с механической 6-ступенчатой коробкой передач автомобиль потребляет 4,5 кг природного газа на 100 км и выделяет 123 г/км CO2. Passat разгоняется до 100 км/ч всего лишь за 9,7 с, а его максимальная скорость составляет 210 км/ч. Автомобиль отвечает требованиям стандарта Евро-5.

На АГНКС Германии, как и в некоторых других европейских странах, в соответствии со стандартом DIN 51624

на КПГ осуществляется заправка газом двух групп качества: газом Н с наиболее высокой теплотворной способностью - не менее 15,7 мДж/м3, газом L - не менее 10,5 мДж/м3.

Блок управления двигателя обеспечивает выполнение общих функций при работе на газе и на бензине (резервное топливо). В обоих режимах обеспечивается работа на гомогенной смеси (стехиометрическая смесь) с Л = 1. Применение адаптационного алгоритма управления позволяет обеспечивать работу двигателя без потери мощности при изменении теплотворной способности на 50 % и более. С помощью Л-регулирования адаптируется время открытия клапанов подачи газа. Адаптация происходит в течение 60 с после каждой заправки в диапазоне средних оборотов/нагрузок.

Состав и количество покрытия 3-компонентного катализатора двигателя подобраны с учетом работы на газе, поскольку при неполном сгорании смеси в ОГ остается метан, стойкий к высокой температуре.

Наличие серы в горючем значительно снижает эффективность работы таких устройств, так как она способна блокировать зоны активного катализа со слабой возможностью дальнейшей очистки (десульфуризация) последних. При переходе на малосернистое топливо их эффективность всегда возрастает, в то время как после десульфуризации она практически не восстанавливается. Для эксплуатации такой техники и обеспечения нормативного срока службы катализатора необходимо газомоторное топливо с содержанием серы не более 10 мг/кг. Для традиционных моторных топлив в Европе такая норма установлена требованиями Евро-5, в США содержание серы в моторном топливе допускается не более 15 мг/кг.

В Германии стандартом DIN 51624 уже с января 2009 г. установлена норма общего содержания серы 10 мг/кг. В природном газе, поставляемом по контракту Россия - Европа, при содержании серы 11 мг/кг и добавке в газотранспортную сеть 10 % биогаза, очищенного от серы, и СО2 получается КПГ, соответствующий по своему составу требованиям DIN 51624 с общим содержанием серы не более 10 мг/кг. Спецификациями на качество газового топлива фирмой Cummins также установлена норма общего содержания серы 10 мг/кг. Правилами ЕЭК ООН № 49 (Пересмотр 4,

Поправки серии 05) с 3 февраля 2008 г. установлено требование к содержанию серы на уровне не более 10 мг/м3 в эталонных газовых топливах GR, G23 и G25. До этого содержание серы нормировалось на уровне 50 мг/м3.

Таким образом, двигатели современных газовых автомобилей изготавливаются с использованием передовых технологий, и для них требуется высококачественное газомоторное топливо. В числе основных требований к их качеству следует выделить следующие:

• детонационная стойкость газомоторного топлива не менее 70 МЧ;

• низкое содержание серы в КПГ - не более 10 мг/кг;

• нормированный диапазон теплотворной способности КПГ;

• уровень осушки КПГ, обеспечивающий работу газоиспользующей техники без выпадения влаги в жидкой фазе или в виде гидратов.

Перспективные отечественные экологические требования к моторному топливу и нормы предельного содержания серы в нем определены Постановлением РФ № 118 (Технический регламент РФ «О требованиях к автомобильному и авиационному бензину, дизельному и судовому топливу, топливу для реактивных двигателей и топочному мазуту»). С января 2010 г. к продаже в РФ допускаются автомобили не ниже 4 экологического класса. Однако, поскольку в эксплуатации находится большой парк автомашин 2 и 3 экологических классов, топливо для них будет продолжать выпускаться до определенного срока, установленного в Постановлении РФ № 118 (таблица).

Для выполнения экологических требований к моторному топливу нормы предельного содержания серы в КПГ должны быть приведены в соответствие с Постановлением № 118. Таким образом, с января 2012 г. содержание серы в моторном топливе не должно превышать 50 мг/кг (класс 4), а с января 2015 г. - 10 мг/кг (класс 5). Уже сейчас в России немало АТС класса Евро-4, работающих на КПГ. Для них необходимо газомоторное топливо с содержанием серы не более 50 мг/кг.

Следует отметить, что природный газ, поставляемый с северных месторождений РФ, почти на 98 % состоит из метана и имеет содержание серы ниже 10 мг/кг. Газ, поставляемый с некоторых южных месторождений, а также импортный из южных стран СНГ

«Транспорт на альтернативном топливе» № 4 (22) август 2011 г.

«щ

Стандарты и нормы

по содержанию серы зачастую превышает уровень 50 мг/кг.

Если в РФ промысловая очистка газа от серы обеспечит содержание соединений серы на уровне 10 мг/кг, то КПГ по общему содержанию серы будет соответствовать требованиям к моторному топливу класса Евро-5, и дополнительной очистки КПГ от серы на АГНКС не потребуется.

По существующей отечественной нормативной базе (ГОСТ 27577-2000) КПГ получают из горючего природного газа, транспортируемого по магистральным газопроводам или городским газовым сетям, при этом не предусматривается измерение и изменение компонентного состава газа.

В настоящее время сырьевая база и практика производства КПГ в нашей стране и за рубежом вышли за рамки этого определения. Так, КПГ может производиться из регазифицированного СПГ (пример - 11-й автобусный парк Москвы), в КПГ может добавляться био-газ, а также водород. Получающийся при этом так называемый Гайтан проходит опытную эксплуатационную проверку в нескольких странах. Биогаз в очищенном от серы виде используется в ряде стран как газомоторное топливо в сжиженном и компримированном виде, а в Германии в количестве около 10 % он поступает в газотранспортную сеть и соответственно добавляется в КПГ. Стандартом Германии на КПГ DIN 51624 допустима примесь биогаза в случае, если при смешивании обеспечивается соблюдение нормативных требований. В перспективе возможно использование угольного метана, попутного газа нефтяных месторождений в качестве газомоторного топлива для газобаллонных автомобилей.

Компонентный состав КПГ допустимо определять по данным поставщика газа не реже одного раза в месяц, при использовании СПГ - по данным на поставленную партию газа. При введении добавок компонентный состав КПГ определяется

расчетным путем как среднее компонентов смеси: исходного газа и добавки.

По сложившейся мировой практике производители газовых двигателей для АТС требования к детонационной стойкости КПГ оценивают по метановой шкале. Метановое число выражает объемное содержание метана (%) в мета-но-водородной смеси, которая в стандартных условиях испытания двигателя показывает такую же детонационную стойкость, как и исследуемое газообразное топливо. Стандартом Германии на КПГ DIN 51624 регламентируется МЧ не менее 70. Планируют увеличить детонационную стойкость КПГ до 75 МЧ.

По ГОСТ 27577-2000 детонационную стойкость КПГ оценивают октановым числом, которое рассчитывают по закону аддитивности как средневзвешенное ОЧ по компонентам. Однако это дает только ориентировочное представление о реальной детонационной стойкости испытуемой пробы газа, так как закон аддитивности работает тем хуже, чем больше дополнительных компонентов входит в состав природного газа. Присутствие в составе природного газа инертных газов (СО2, N2) существенно повышает его детонационную стойкость, что не учитывается в расчетной формуле.

Возможно, также следует регламентировать влажность КПГ, установив температуру точки росы (ТТР) на 5...10 °С ниже среднемесячной температуры для климатических условий эксплуатации данного региона. Это особенно актуально для России, две трети территории которой находятся в зоне холодного и очень холодного климата [6]. В стандарте США на КПГ SAE J1616:1994 установлена следующая норма - ТТР по влаге должна быть на 10 F (5,6 °С) ниже температуры самого холодного месяца в данном регионе. Аналогично нормируется ТТР стандартом Китая на КПГ GB 18047-2000 - она должна быть на 5 °С ниже температуры самого холодного месяца в данном регионе.

Требования к максимально допустимому содержанию серы в дизельном топливе и автомобильном бензине

Моторное топливо Класс топлива

2 3 4 5

Дизельное топливо содержание серы, мг/кг производится до 500 31.12.2011 350 31.12.2011 50 31.12.2014 10 Срок не ограничен

Автомобильный бензин содержание серы, мг/кг производится до 500 31.12.2010 150 31.12.2011 50 31.12.2014 10 Срок не ограничен

Установление экономически целесообразного уровня ТТР позволит снизить затраты на электроэнергию и оборудование для осушки в теплое время года, особенно в южных регионах.

Национальная нормативная база на КПГ должна быть приведена в соответствие с современными требованиями к его качеству, допустимыми добавками и новыми, вошедшими в практику, способами получения. С целью гармонизации с международным стандартом на КПГ ISO 15403 и стандартом Германии DIN 51624 требования к качеству ком-примированного газа, установленные в ГОСТ 27577-2000, следует дополнить по номенклатуре и сблизить с нормативными значениями упомянутых стандартов.

В действующем ГОСТ 27577-2000 на КПГ отсутствуют разделы «требования охраны окружающей среды», «транспортирование и хранение», а также содержатся ссылки на устаревшие нормативные документы.

Таким образом, назрела необходимость пересмотреть ГОСТ 27577-2000 и при разработке новой редакции устранить упомянутые недостатки.

Литература

1. Теремякин П.Г., Латыпов А.И., Бутнев А.Б. Особенности конструкции газобаллонного автомобиля для серийного производства // Транспорт на альтернативном топливе. - 2010. - № 2. - С. 63-69.

2. Электронный ресурс. http:// www.agnks.ru/auto/metanauto/

3. МЕТАНинфо Германия: Состояние газомоторного рынка Электронный ресурс. http://www.ngvrus.ru/

4. Новый зонтичный бренд BlueMotionTechnologies Электронный ресурс.www.volkswagen.ru

5. Программа самообучения 425. Устройство и принцип работы. Газовое оборудование EcoFuel для двигателей TSI 1,4 л 110 кВт. Volkswagen Technical Site Электронный ресурс.: http://volkswagen.msk.ru http://vwts.info http://vwts.ru.

6. Гнедова Л.А., Гриценко К.А., Лапушкин Н.А., Перетряхина В.Б., Федотов И.В. Нормирование влаго-содержания компримированного природного газа с учетом региональных климатических условий // Транспорт на альтернативном топливе. - 2011. - № 2. - С. 66-68.

I ,.ifffflTmTTTr„- Д|Дн4Д1<

«Транспорт на альтернативном топливе» № 4 (22) август 2011 г.