Газовый двигатель — двигатель внутреннего сгорания, использующий газ в качестве альтернативного топлива: природный газ (метан), сжиженные углеводородные газы (пропан-бутан), или генераторный газ.
Как правило, газовые двигатели редко выпускаются серийно, за исключением применения их для специализированных задач в науке и технике.
В целом, переоборудование ДВС в газовый существенно экономит средства его владельца по причине более низкой отпускной цены на этот вид топлива.
История
Именно газ — так называемый светильный (производился посредством пиролиза древесины, каменного угля или нефти) — стал первым топливом для ДВС; произошло это на рубеже XVIII и XIX веков. Первые попытки компримирования 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 более высокую мощность, чем бензиновые, что способствовало увеличению серийного выпуска газобаллонных автомобилей и строительству газонаполнительных станций, где газовое топливо сжимали до 20 атмосфер и подавали в автомобильные баллоны. К 1940-м — 1950-м годам компримированный природный газ широко использовался в Германии, Дании, Норвегии, Румынии, Финляндии и Франции и 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 обновил интерес к газу в автомобильной промышленности.
Классификация В 1930-е —1940-е годы в связи с нехваткой бензина широкое распространение получили газогенераторные автомобили. На автомобиль устанавливался газогенератор, из древесных чурок производился генераторный газ. В связи с низкой калорийностью газа (состав: окись углерода и водород) эти типы двигателей ушли в прошлое.
Современные газовые двигатели имеют конструктивные различия, от незначительных до существенных, по нескольким критериям — как по типу двигателя, так и в зависимости от используемого ими конкретного вида газомоторного топлива.
По типу двигателя
По типу двигателя, взятого за основу (при конструировании или переделке) Для работы на транспорте используются газовые двигатели, переоборудованные из традиционных бензиновых, а с недавнего времени — после развития в Европе соответствующих технологий — и из традиционных дизельных.
Из традиционных бензиновых Из традиционных дизельных
По причине более высокой степени сжатия дизельные двигатели более полно раскрывают потенциал газового двигателя по сравнению с бензиновыми «собратьями». Однако, переоборудование дизелей под использование газа имеет свои особенности. По причине того, что при увеличении давления в цилиндре на такте сжатия газ, в отличие от дизельного топлива, не воспламеняется, необходимо либо использование в топливо-воздушной смеси части дизтоплива в виде т. н. «запальной дозы» (от 15 до 50 %) — в этом случае речь идёт о газодизелях; либо переработка двигателя — перевод его на цикл Отто путём дооборудования дизеля системой зажигания (подобно бензиновым вариантам). Оба этих варианта на основе дизельного двигателя все больше приобретают популярность, и обещают в ближайшие годы получить широкое распространение.
По типу термодинамического цикла готового газового двигателя Работающие по циклу Отто
Это обычный поршневой ДВС, работающий по циклу Отто (с искровым зажиганием), использующий в качестве топлива углеводороды, находящиеся при в газообразном состоянии. Могут работать по 2-тактному циклу, однако 4-тактный вариант распространён больше.
При работе по тепловому циклу Отто теплота подводится к рабочему телу при постоянном объёме. Отличие от бензиновых двигателей, работающих по этому циклу — более высокая степень сжатия (около 17-ти). Объясняется это тем, что используемые газы имеют более высокое октановое число, чем бензин.
Газодизельные
По виду газомоторного топлива
По составу газа Метан Природный газ (ископаемый метан) Биометан Пропан-бутановая смесь, она же СУГ (Сжиженные углеводородные газы). Генераторный газ — газ, полученный превращением твёрдого топлива в газообразное (в качестве твёрдого топлива используются: уголь, кокс, угольные брикеты, топливные пеллеты, дрова, древесный уголь, торф и т. п.). У транспортных двигателей, используемых для работы на генераторном газе без переделки, основной причиной снижения мощности является уменьшение величины заряда рабочей смеси, поскольку добиться удовлетворительного охлаждения газа на подвижной технике затруднительно. Но эта проблема не имеет существенного значения для стационарных двигателей, где масса и габариты охладителя мало ограничены. На двигателях, специально изменённых или специально разработанных для работы на генераторном газе, посредством повышения степени сжатия и незначительного наддува газогенератора достигаются равные с бензиновыми двигателями литровые мощности.
По физическому состоянию Сжиженный Сжиженный природный газ (СПГ) — метан в сжиженном виде Сжиженные углеводородные газы (СУГ) — пропан-бутановая смесь (в качестве автомобильного топлива используется только в сжиженном виде), хранится в баллоне под давлением насыщенных паров (до 16 атм). Испарённая в испарителе жидкая фаза или паровая фаза смеси ступенчато теряет давление в газовом редукторе до близкого атмосферному, и всасывается двигателем во впускной коллектор через воздушно-газовый смеситель или впрыскивается во впускной коллектор посредством электрических форсунок. Зажигание осуществляется при помощи искры, проскакивающей между электродами свечи. Сжатый (компрированный): Компримированный природный газ (КПГ) — хранится в баллонах под давлением 150—250 атм. Устройство систем питания аналогично системам питания сжиженным газом, отличие — отсутствие испарителя.
По оборудованию для использования С газобаллонным оборудованием (ГБО)
КПГ (компримированный природный газ) СУГ (сжиженные углеводородные газы) — относительно высокая температура кипения пропан-бутановой смеси не требует криогенного оборудования, позволяя обходиться обычным газобаллонным. АПГ (абсорбированный природный газ) — проводятся эксперименты по хранению газа в форме, когда природный газ сорбируется пористым поглотителем с высокой площадью поверхности (напр. активированный уголь) при температуре окружающей среды и относительно низком давлении (10—60 бар, то есть давление в газопроводах). СПГ (сжиженный природный газ) — требует криогенного оборудования Генераторный газ — требуется установка газогенератора.
Применение Эти двигатели имеют широкое применение как для транспортных средств, так и например, в электростанциях малой и средней мощности, использующих в качестве топлива природный газ (в области высоких мощностей безраздельно властвуют газотурбинные энергоблоки), что обусловлено следующими преимуществами
Максимально полное сгорание топлива — следовательно, снижается количество вредных выбросов, что особенно важно для крупных городов, где вопросы экологии имеют первостепенное значение; Снижение нагарообразования на поверхности поршней цилиндров, камеры сгорания и свечей двигателей; Отсутствие конденсации топлива в цилиндрах двигателя (пары сжиженных газов перегреты), при этом не происходит смыва масляной плёнки с поверхности поршней и цилиндров, что значительно увеличивает срок службы двигателя; Высокие антидетонационные свойства газомоторного топлива по сравнению с бензином, что повышает мощность двигателя и снижает удельный расход топлива.
Автомобили
Двигатели газовых автомобилей классифицируются по количеству видов топлива, использование которых предусмотрено конструкцией. Газовые (моно-топливные, ) двигатели спроектированы непосредственно для работы на природном газе, что обеспечивает наибольшую эффективность. Как правило, автомобили с газовыми двигателями не оборудованы бензиновым баком, но иногда поддерживают использование бензина в качестве резервного топлива. Бензиново-газовые (двухтопливные, ) двигатели позволяют использовать как газ, так и бензин. Большая часть бензиново-газовых автомобилей — машины, переоборудованные вне завода-изготовителя. Газодизельные () двигатели на низких оборотах потребляют больше дизтоплива, на высоких — больше газа. Газовые и бензиново-газовые двигатели наиболее распространены на легковом и лёгком грузовом транспорте, газодизельные — на тяжёлых грузовиках.
Серийные автомобили, работающие на компримированном природном газе, выпускаются многими автомобильными концернами, включая Audi, BMW, Cadillac, Ford, Mercedes-Benz, Chrysler, Honda, Kia, Toyota, Volkswagen. В частности в сегменте легковых и лёгких грузовых автомобилей на рынке представлены Fiat Doblò 1.4 CNG, Fiat Qubo 1.4 Natural Power, Ford C-Max 2.0 CNG, Mercedes-Benz B 180 NGT, Mercedes-Benz E200 NGT, Mercedes-Benz Sprinter NGT, Opel Combo Tour 1.4 Turbo CNG, Opel Zafira 1.6 CNG Ecoflex, Volkswagen Caddy 2.0 Ecofuel и Life 2.0 Ecofuel, Volkswagen Passat 1.4 TSI Ecofuel, Volkswagen Touran 1.4 TSI Ecofuel, Volkswagen Transporter Caravelle 2.0 Bensin/Gas, Volvo V70 2.5FT Summum и другие модели. Крупный грузовой и пассажирский транспорт, работающий на КПГ, выпускают Iveco, Scania, Volvo и другие компании. Основные российские производители газомоторной техники — «Группа ГАЗ», КамАЗ и Volgabus. Всего на российском рынке представлено около 150 моделей газобаллонной техники, включая седельные тягачи КамАЗ, среднетоннажный «ГАЗон Next CNG», малотоннажные «ГАЗель Next CNG» и «ГАЗель-Бизнес CNG», легковые Lada Vesta, Lada Largus, модификации «УАЗ Патриот» и другие.
Водный транспорт Использование компримированного природного газа (КПГ) в судовой энергоустановке обладает неоспоримыми преимуществами по сравнению с дизелем (наиболее применимым, ввиду его тяговой мощности, а также дешевизны): можно полностью избавиться от выброса окислов серы, на 90 % сократить выбросы окислов азота и на 30 % уменьшить выбросы углекислого газа. Использованию этого вида топлива пока что мешает неприспособленность к нему двигателей, а также то, что природный газ требует большего (едва ли не в 4 раза) пространства для хранения.
Газовые двигатели используется как на грузовых, так и на пассажирских перевозках: на туристических судах в США (например, паром Elizabeth River I вместимостью 149 человек) и России («Москва» и «Нева-1»), Нидерландах (Mondriaan и Escher, спущенные на воду в 1994 году, Rembrandt и Van Gogh — в 2000 году). Примеры судов на КПГ включают спущенное на воду в Аделаиде (Австралия) в конце 1980-х годов судно для перевозки известняка M.V. Accolade II, а также паромы M.V. Klatawa и M.V. Kulleet 1985 года постройки, обеспечивавшие перевозку пассажиров и автомобилей через реку Фрейзер близ Ванкувера на протяжении 15 лет. В Канаде и Норвегии КПГ используется в смеси с дизельным топливом в силовых установках морских сухогрузов и пассажирских паромах. Также на 2011 год в Амстердаме были на ходу 11 барж на КПГ.
В 2008 году сингапурская компания Jenosh Group спустила на воду контейнеровоз, газовые баллоны которого погружаются в стандартные 20-футовые контейнеры. В 2009—2010 гг. китайская верфь Wuhu Daijang построила 12 таких судов для эксплуатации в Таиланде и получила заказ ещё на 12 кораблей, а Jenosh Group занялась разработкой контейнеровоза с запасом хода 1500 морских миль, ориентированного на заказчиков из Индии, Пакистана, Индонезии и Вьетнама.
На 2017 год численность построенных и заказанных судов, функционирующих на природном газе, составляла всего 250 единицБиодизель на речных судах: какие перспективы? // РГ, 22.12.2022.
Авиация