Газообразные топлива для двигателей внутреннего сгорания

Применение газа в качестве моторного топлива — это технология с богатой историей, которая сегодня переживает новый виток развития. Первые попытки адаптировать двигатели внутреннего сгорания (ДВС) для работы на газе были предприняты еще в XIX веке, практически одновременно с изобретением самого ДВС. Однако на протяжении большей части XX века доминирующее положение занимали жидкие нефтяные топлива — бензин и дизель — благодаря их высокой энергоемкости, удобству хранения и развитой инфраструктуре. Тем не менее, газомоторное топливо никогда полностью не исчезало с арены, находя применение в специфических нишах и регионах, богатых природным газом.

Новый импульс развитию газомоторных технологий придали два глобальных фактора: ужесточение экологических норм и стремление к диверсификации источников энергии. Газообразное топливо по своей природе обеспечивает более чистое и полное сгорание по сравнению с бензином. При его использовании значительно снижается образование нагара на деталях цилиндро-поршневой группы и в камере сгорания, что, в свою очередь, уменьшает износ двигателя и продлевает срок службы моторного масла. Ключевыми эксплуатационными преимуществами газовых топлив являются их высокие октановые числа (105-120 единиц), что обеспечивает превосходную антидетонационную стойкость, и значительная теплота сгорания. Эти свойства позволяют не только повысить надежность ДВС, но и открывают возможности для форсирования двигателей путем увеличения степени сжатия без риска детонационного сгорания.

В данном материале мы проведем детальный технический анализ основных видов газообразного топлива, применяемого в современных ДВС: сжиженных нефтяных газов (СНГ), компримированного и сжиженного природного газа (КПГ и СПГ), а также рассмотрим альтернативные варианты, такие как генераторный газ, биогаз и диметиловый эфир (ДМЭ). Будут проанализированы их физико-химические свойства, эксплуатационные характеристики, нормативная база, преимущества и недостатки.

Ключевые физико-химические показатели основных углеводородов, входящих в состав газомоторных топлив, являются основой для понимания их поведения в двигателе. В таблице 1 представлены сравнительные характеристики, определяющие их энергетическую ценность и физические свойства.

Таблица 1. Сравнительные показатели качества газообразных углеводородов

* Определено по исследовательскому методу.

1. Сжиженные нефтяные газы (СНГ/LPG)

Сжиженный нефтяной газ (СНГ), также известный как сжиженный углеводородный газ (СУГ), представляет собой продукт переработки нефти и попутного нефтяного газа. В английской терминологии он обозначается как Liquefied Petroleum Gas (LPG). Технически СНГ — это смесь легких углеводородов (преимущественно пропана и бутана), которые при нормальных условиях являются газами, но под относительно небольшим давлением (до 1,6 МПа) и при температуре окружающей среды переходят в жидкое состояние. Эта особенность делает их удобными для хранения и транспортировки в специальных баллонах.

Состав СНГ может варьироваться, но его основными компонентами всегда являются пропан (C₃H₈) и бутан (C₄H₁₀), а также их изомеры и непредельные углеводороды (пропилен, бутилен). Благодаря высокой теплоте сгорания и отличным антидетонационным свойствам, СНГ является высококачественным моторным топливом. Использование СНГ в автомобильных двигателях обеспечивает высокие технико-экономические показатели и существенно снижает вредные выбросы в атмосферу по сравнению с бензином, что обуславливает его санитарно-гигиенические преимущества.

1.1. Нормативная база и маркировка СНГ

В Российской Федерации качество и состав автомобильного сжиженного газа регламентируется межгосударственным стандартом ГОСТ 34858-2022 — межгосударственный стандарт, который называется «Газы углеводородные сжиженные топливные. Технические условия». Данный стандарт устанавливает две основные марки газа для автомобильного транспорта:

• ПА (пропан автомобильный): предназначен для эксплуатации в холодных климатических условиях, при температурах окружающего воздуха от –35 °С до –20 °С. Высокое содержание пропана (85 ± 10 %) обеспечивает достаточное давление насыщенных паров для стабильной работы топливной системы при низких температурах.
• ПБА (пропан-бутан автомобильный): универсальная марка для всех климатических районов при температуре не ниже –20 °С. Содержит сбалансированное количество пропана (50 ± 10 %) и бутана, что обеспечивает оптимальную работу двигателя в летний и межсезонный периоды.

Весной допускается использование марки ПА при температуре до +10 °С для полной выработки зимних запасов топлива.

Таблица 2. Ключевые физико-химические показатели сжиженных автомобильных газов по ГОСТ 34858-2022

Также ГОСТ 34858-2022  определяет марки газов для бытовых нужд: СПБТЗ (смесь зимняя), СПБТЛ (смесь летняя) и БТ (бутан технический). Их состав отличается и не оптимизирован для работы в ДВС.

Таблица 3. Основные нормативные показатели сжиженных газов для коммунально-бытового потребления

1.2. Ключевые физико-химические свойства СНГ

Давление насыщенных паров — это фундаментальный параметр, определяющий работоспособность газовой топливной системы. Давление в баллоне напрямую зависит от температуры окружающей среды и процентного соотношения пропана и бутана в смеси. Пропан является более летучим компонентом, и его давление растет с температурой значительно быстрее, чем у бутана. Именно поэтому в зимних марках газа (ПА) доля пропана выше — это гарантирует стабильное испарение и подачу газа в двигатель даже при сильных морозах.

Плотность и безопасность. Все компоненты СНГ (кроме незначительных примесей метана и этилена) тяжелее воздуха. Относительная плотность пропана по воздуху — 1,56, бутана — 2,09. Это создает специфическую опасность: при утечке газ не рассеивается в атмосфере, а скапливается в низких местах (смотровые ямы, подвалы, колодцы), образуя взрывоопасную концентрацию. Пределы воспламеняемости в смеси с воздухом составляют для пропана 2,1–9,5 %, для бутана 1,5–8,5 %. Температура самовоспламенения: пропан — 466 °С, бутан — 405 °С. Несмотря на это, СНГ считается менее взрывоопасным, чем пары бензина, у которых нижний предел воспламеняемости ниже.

Одоризация. Поскольку СНГ в чистом виде не имеет запаха, для своевременного обнаружения утечек в него добавляют одоранты — вещества с резким, неприятным запахом. Наиболее распространенным является этилмеркаптан (C₂H₅SH) в концентрации, достаточной для обнаружения запаха при содержании газа в воздухе на уровне 20% от нижнего предела воспламеняемости, что является безопасной концентрацией.

Коэффициент объемного расширения. СНГ обладает очень высоким коэффициентом теплового расширения жидкой фазы. Поэтому, согласно требованиям безопасности, газовый баллон на автомобиле заправляется не более чем на 80-85% от его полного геометрического объема. Оставшееся пространство, так называемая «паровая подушка», необходимо для компенсации расширения жидкости при повышении температуры и предотвращения критического роста давления.

Таблица 4. Основные физико-химические свойства компонентов СНГ и бензина

1.3. Моторные свойства СНГ и влияние на ДВС

Детонационная стойкость. СНГ обладает выдающейся детонационной стойкостью. Октановое число пропана по исследовательскому методу достигает 112, у бутана — 95. Это значительно превосходит показатели большинства марок бензина. Высокое октановое число позволяет использовать СНГ в двигателях с высокой степенью сжатия (до 10-12) без риска детонации, что способствует повышению термического КПД и топливной экономичности. Однако наличие непредельных углеводородов (пропилен — ОЧИ ~102, бутилен — ОЧИ ~91) несколько снижает общее октановое число смеси, поэтому их содержание строго нормируется.

Теплота сгорания. Удельная массовая теплота сгорания СНГ (МДж/кг) несколько выше, чем у бензина. Однако из-за меньшей плотности СНГ, его объемная теплота сгорания (МДж/л) ниже. Важнее для работы ДВС такой показатель, как теплота сгорания стехиометрической топливо-воздушной смеси. Для СНГ она на 3-5% ниже, чем для бензино-воздушной смеси. Это, в сочетании с другими факторами, приводит к некоторому снижению мощности.

Влияние на мощность двигателя. При переводе двигателя с бензина на СНГ без изменения его конструкции наблюдается снижение максимальной мощности на 5-10%. Это обусловлено тремя основными причинами:

1. Снижение коэффициента наполнения: Газ, в отличие от испаряющегося бензина, не охлаждает впускной тракт и поступает в цилиндры уже в газообразной фазе, занимая больший объем. Это уменьшает массу свежего заряда, поступающего в цилиндр за один цикл.
2. Меньшая теплота сгорания горючей смеси: Как было упомянуто, на единицу объема горючей смеси с СНГ выделяется несколько меньше энергии.
3. Снижение коэффициента молекулярного изменения: При сгорании газообразных топлив происходит меньшее увеличение количества молей рабочего тела, что также незначительно снижает работу расширения.

Частично эти потери можно компенсировать оптимизацией угла опережения зажигания (увеличением на 3-5°) и, в идеале, повышением степени сжатия двигателя.

Таблица 5. Сравнительные моторные свойства СНГ и бензина

Для полного сгорания 1 м³ пропана требуется около 24 м³ воздуха, а для 1 м³ бутана — около 31 м³ воздуха. Это определяет настройки топливной аппаратуры для формирования стехиометрической смеси (коэффициент избытка воздуха α = 1).

Уравнения полного сгорания для пропана и бутана:

C₃H₈ + 5O₂ → 3CO₂ + 4H₂O

2C₄H₁₀ + 13O₂ → 8CO₂ + 10H₂O

2. Природный газ (КПГ и СПГ)

Природный газ — это ископаемое топливо, представляющее собой смесь газов, образовавшихся в недрах Земли. Его ключевым компонентом является метан (CH₄), содержание которого может достигать 98%. Также в его состав входят этан, пропан, бутан и негорючие примеси (азот, диоксид углерода, гелий). В автомобильном транспорте природный газ используется в двух агрегатных состояниях: компримированном (сжатом) и сжиженном.

2.1. Компримированный природный газ (КПГ/CNG)

Компримированный природный газ (КПГ), или Compressed Natural Gas (CNG), — это природный газ, сжатый под высоким давлением (обычно 20-25 МПа) для хранения в специальных толстостенных баллонах на борту транспортного средства. Качество КПГ для использования в двигателях регламентируется стандартом ГОСТ 27577-2022 «Газ природный топливный компримированный для двигателей внутреннего сгорания. Технические условия».

Метан, как основной компонент КПГ, является идеальным моторным топливом. Он значительно легче воздуха (относительная плотность 0,55), что обеспечивает высокий уровень безопасности — при утечке он мгновенно поднимается и рассеивается в атмосфере. Его октановое число достигает 120, что полностью исключает детонацию в самых высокофорсированных двигателях. Высокое содержание водорода в молекуле метана обеспечивает очень чистое и полное сгорание.

Таблица 6. Основные характеристики метана (CH₄)

Одной из ключевых проблем при использовании КПГ является содержание влаги. Согласно ГОСТ 27577-2022, точка росы по воде при давлении 20 МПа не должна быть выше минус 30 °С. Избыточная влага может приводить к образованию ледяных пробок (гидратов) в топливной аппаратуре при резком падении давления и температуры в редукторе (эффект Джоуля-Томпсона), что нарушает подачу топлива.

Хранение КПГ на борту автомобиля является его главным недостатком. Тяжелые и громоздкие стальные или композитные баллоны занимают много места и значительно увеличивают снаряженную массу транспортного средства, что снижает его грузоподъемность и полезный объем.

Таблица 7. Физико-химические показатели КПГ по ГОСТ 27577-2022

2.2. Сжиженный природный газ (СПГ/LNG)

Сжиженный природный газ (СПГ), или Liquefied Natural Gas (LNG), — это природный газ, который для удобства хранения и транспортировки переведен в жидкое состояние путем глубокого охлаждения до температуры около –162 °С. При этом его объем уменьшается примерно в 600 раз. СПГ представляет собой криогенную, бесцветную жидкость без запаха, плотность которой почти вдвое меньше плотности воды (~450 кг/м³).

Технология сжижения включает в себя предварительную очистку газа от примесей — диоксида углерода, сероводорода, паров воды и тяжелых углеводородов, которые могут замерзнуть и повредить оборудование. В результате СПГ состоит на 95-99% из метана.

На транспорте СПГ хранится в специальных криогенных баках (сосудах Дьюара) с высокоэффективной вакуумной изоляцией. Рабочее давление в таких баках относительно невелико (0,5-1,0 МПа). Перед подачей в двигатель жидкий метан проходит через испаритель, где снова переходит в газообразное состояние. Главное преимущество СПГ перед КПГ — значительно большая плотность хранения энергии. Это позволяет разместить на борту запас топлива, сопоставимый с дизельным, и обеспечить большие пробеги, что критично для магистральных тягачей, железнодорожного и водного транспорта.

Таблица 8. Основные физико-химические свойства СПГ

3. Альтернативные газовые топлива

3.1. Генераторный газ

Генераторный газ — это продукт газификации твердого топлива (древесина, уголь, торф, биомасса) в специальных установках — газогенераторах — в условиях неполного сгорания при недостатке кислорода. Этот газ состоит в основном из негорючего азота (45-50%), но содержит и горючие компоненты: окись углерода (СО) — 25-30% и водород (Н₂) — 12-15%. Процесс основан на реакции неполного окисления углерода до СО, а также на взаимодействии раскаленного угля с водяными парами.

Основной реакцией является: C + O₂ → CO₂, с последующим восстановлением: CO₂ + C → 2CO.

Несмотря на историческое значение (автомобили на газогенераторах были распространены во время Второй мировой войны), сегодня это топливо имеет ограниченное применение из-за низкой теплоты сгорания, сложности и громоздкости оборудования, а также необходимости очистки газа от смол и золы перед подачей в двигатель.

3.2. Биогаз

Биогаз — это продукт анаэробного (бескислородного) сбраживания органических отходов (навоз, птичий помет, бытовые отходы, биомасса) под действием метаногенных бактерий. Его основной состав: метан (CH₄) — 55-80% и диоксид углерода (CO₂) — 15-40%, а также незначительные примеси сероводорода (H₂S) и азота. Из 1 тонны сухого органического вещества можно получить от 250 до 600 м³ биогаза.

Процесс получения биогаза происходит в специальных реакторах (метантенках) и включает три стадии: гидролиз, кислотообразование и метанообразование.

Рисунок 1. Схема типовой биогазовой установки: 1 — ферма; 2 — накопитель; 3 — насос; 4 — отделитель грубых включений; 5 — насос-дозатор; 6 — метантенк; 7 — гидрозатвор; 8 — концентратор-смеситель; 9 — блок-контейнер; 10 — газгольдер

После очистки от CO₂ и H₂S получают биометан, который по своим свойствам практически идентичен природному газу и может использоваться в качестве моторного топлива (в компримированном или сжиженном виде). Использование биометана считается углеродно-нейтральным, так как углекислый газ, выделяющийся при его сгорании, ранее был поглощен из атмосферы биомассой. Проекты по переводу городского транспорта на биогаз (например, в Швеции) показывают снижение парниковых выбросов до 90%.

Главный недостаток биогаза — наличие балластного CO₂, который снижает теплоту сгорания и требует повышения степени сжатия для компенсации потерь мощности. Также проблемой является коррозионная активность сероводорода.

3.3. Диметиловый эфир (ДМЭ)

Диметиловый эфир (ДМЭ, CH₃–O–CH₃) — синтетический газ, получаемый из природного газа, угля или биомассы. По своим физическим свойствам (давлению насыщенных паров, температуре кипения) он очень близок к СНГ, что позволяет использовать схожую инфраструктуру для его хранения и транспортировки.

Уникальность ДМЭ в том, что он обладает высоким цетановым числом (55-60), что делает его превосходной альтернативой дизельному топливу. При этом его сгорание происходит практически без образования сажи благодаря наличию кислорода в молекуле (~35% по массе) и отсутствию прямой связи С-С. Это приводит к значительному снижению выбросов твердых частиц (PM) и оксидов азота (NOx).

Однако ДМЭ имеет и недостатки:

• Низкая теплота сгорания: Энергоемкость ДМЭ почти в 1,6 раза ниже, чем у дизельного топлива, что требует соответствующего увеличения объемной подачи топлива.
• Низкие смазывающие свойства: Требуется введение специальных смазывающих присадок для защиты прецизионных деталей топливной аппаратуры высокого давления.
• Агрессивность к материалам: ДМЭ агрессивен по отношению ко многим видам резины и пластиков, что требует их замены на совместимые материалы.

4. Сравнительный анализ моторных топлив

Для объективной оценки различных видов топлива необходимо сравнить их по ключевым параметрам, влияющим на конструкцию двигателя, эксплуатационные характеристики и экономическую целесообразность.

Таблица 9. Сравнительная таблица характеристик основных моторных топлив

5. Интересные факты о газомоторном топливе

• Первый газовый ДВС: Двигатель Этьена Ленуара, запатентованный в 1860 году, работал на светильном газе — смеси водорода, метана и окиси углерода.
• «Газовый» рекорд скорости: В 2009 году автомобиль «Ack Attack», работающий на двух двигателях, топливом для которых служил сжиженный природный газ, установил мировой рекорд скорости для мотоциклов, достигнув 605,697 км/ч.
• Энергия из отходов: Одна корова за год производит количество навоза, из которого можно получить биогаз, энергетически эквивалентный 600-700 литрам бензина.
• Космический газ: Сжиженный метан рассматривается NASA как одно из наиболее перспективных ракетных топлив для будущих миссий на Марс, так как его потенциально можно производить непосредственно на планете из местных ресурсов (атмосферного CO₂ и водяного льда).
• Плавучие заводы СПГ: Существуют гигантские плавучие платформы (FLNG), такие как Shell Prelude, которые добывают, сжижают и отгружают природный газ прямо в море, являясь самыми большими плавучими объектами, когда-либо построенными человеком.

6. Часто задаваемые вопросы (FAQ)

В чем принципиальная разница между СНГ (пропан-бутан) и КПГ (метан)?

Основная разница в происхождении, составе и способе хранения. СНГ — продукт нефтепереработки (пропан C₃H₈ и бутан C₄H₁₀), хранится в сжиженном виде под низким давлением (до 1,6 МПа). КПГ — природный газ (в основном метан CH₄), хранится в газообразном виде под очень высоким давлением (20-25 МПа). Метан легче воздуха, пропан-бутан — тяжелее.

Почему при работе на газе падает мощность двигателя?

Это происходит из-за более низкого коэффициента наполнения цилиндров (газ вытесняет больше полезного объема, чем пары бензина) и несколько меньшей теплоты сгорания готовой топливо-воздушной смеси. Однако на двигателях, изначально спроектированных под газ (с повышенной степенью сжатия), потери мощности минимальны или отсутствуют.

Что такое «метан-слип» и почему это проблема?

«Метан-слип» (methane slip) — это явление проскока несгоревшего метана в выпускную систему. Это актуально для двигателей, работающих на КПГ/СПГ. Поскольку метан является мощным парниковым газом (в десятки раз активнее CO₂), его выброс в атмосферу нивелирует экологические преимущества от снижения выбросов CO₂.

Можно ли использовать бытовой пропан-бутан из баллонов для заправки автомобиля?

Категорически не рекомендуется. Газ для коммунально-бытового потребления (ГОСТ 20448-2018) имеет другой состав и худшую степень очистки. Он может содержать больше влаги, сернистых соединений и тяжелых фракций, что приведет к быстрому выходу из строя газовой аппаратуры автомобиля (редуктора, форсунок) и коррозии.

Насколько безопасны газовые баллоны в автомобиле при ДТП?

Современные автомобильные газовые баллоны (особенно для КПГ) изготавливаются с огромным запасом прочности из стали или композитных материалов и проходят строжайшие испытания на удар, давление и воздействие огня. На баллоне устанавливается мультиклапан с несколькими степенями защиты, включая скоростной клапан (перекрывает газ при обрыве магистрали) и плавкую вставку (стравливает газ при пожаре, предотвращая взрыв). Статистически, правильно установленная и сертифицированная газовая система не более опасна, чем бензиновая.

Заключение

Газообразные моторные топлива представляют собой зрелую и эффективную технологию, предлагающую значительные экономические и экологические преимущества по сравнению с традиционными жидкими топливами. СНГ (пропан-бутан) остается наиболее доступной и распространенной альтернативой бензину благодаря развитой инфраструктуре и относительно простой конвертации автомобилей. Природный газ (КПГ и СПГ), обладая высочайшими экологическими показателями и детонационной стойкостью, является стратегическим топливом для коммерческого и муниципального транспорта, хотя его широкое распространение сдерживается необходимостью создания дорогостоящей заправочной инфраструктуры и сложностью бортовых систем хранения.

Перспективные направления, такие как биометан и диметиловый эфир, открывают путь к декарбонизации транспорта и снижению зависимости от ископаемого сырья. Развитие технологий производства и применения этих видов топлива будет играть ключевую роль в достижении целей по защите климата. Несмотря на определенные технические вызовы, связанные со снижением мощности, массогабаритными показателями топливных систем и необходимостью адаптации двигателей, очевидно, что будущее автомобильной энергетики будет в значительной степени связано с дальнейшим развитием и внедрением газомоторных технологий.

Нормативная база

1. ГОСТ 34858-2022 «Газы углеводородные сжиженные топливные. Технические условия».
2. ГОСТ 20448-2018 «Газы углеводородные сжиженные топливные для коммунально-бытового потребления. Технические условия».
3. ГОСТ 27577-2022 «Газ природный топливный компримированный для двигателей внутреннего сгорания. Технические условия».
4. ГОСТ 31369-2021 «Газ природный. Вычисление теплоты сгорания, плотности, относительной плотности и числа Воббе на основе компонентного состава».
5. Технический регламент Таможенного союза «О безопасности колесных транспортных средств» (ТР ТС 018/2011).

Список литературы

1. Ерохов В.И. «Топливо для автомобилей и спецтехники: Справочник». — М.: Транспорт, 2005.
2. Кузнецов А.В. «Топливо и смазочные материалы». — М.: Высшая школа, 2007.
3. Марков В.А., Девянин С.Н., Зенкин В.И. «Газовые двигатели и их системы питания». — М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2012.
4. «Alternative Fuels Guidebook». Richard L. Bechtold, SAE International, 1997.

• Об авторе
• Недавние публикации

Алексей Громов

Ведущий специалист-консультант в Современные технологии производства

Старший инженер по обслуживанию транспорта с 25 летним стажем

Алексей Громов недавно публиковал (посмотреть все)

• Классификация транспортных средств в РФ по типам и категориям - 11.10.2025
• Диагностика электронных систем автомобиля: этапы, оборудование и расшифровка кодов ошибок - 06.09.2023
• Грузовые автомобили: виды, типы, назначение и особенности - 07.02.2023