Обзор выбросов коммерческих автотранспортных средств, функционирующих на природном газе



Введение

По сравнению с устаревшей технологией двигателей, автомобили, работающие на природном газе, стали чище и эффективнее. Усовершенствованная заправочная инфраструктура способствовала росту использования автомобилей, работающих на природном газе, в секторе большегрузных автомобилей. Индустрия большегрузного транспорта в значительной степени предпочитает использование технологии дизельных двигателей по сравнению со стратегиями альтернативного топлива. Однако местные правила и экономические стимулы способствовали внедрению транспортных средств, работающих на природном газе, в некоторых сферах деятельности, требующих большой нагрузки. Исследования показали более низкие выбросы оксидов азота в зависимости от расстояния от двигателей, работающих на природном газе, оборудованных стехиометрическим трехкомпонентным катализатором, по сравнению с дизельными двигателями, оснащенными сажевыми фильтрами и селективным каталитическим восстановлением. В этом обзоре подробно рассказывается о прогрессе в технологии двигателей, работающих на природном газе, представлены изменения уровня выбросов в связи с технологическими достижениями и сравниваются выбросы двигателей, работающих на природном газе, с выбросами современных дизельных двигателей.

1. Введение

Управление энергетической информации США (US EIA) оценивает, что около 29 % от общего потребления энергии в США было использовано транспортной отраслью (EIA, 2017). Спрос на топливо на основе нефти для транспорта продолжает расти с увеличением как людей, так и товаров. Бензин и дизельное топливо составляют 76 % от общего объема энергии, потребляемой транспортной отраслью. На природный газ приходится лишь 4 % от общего объема энергии, потребляемой транспортной отраслью (EIA, 2017). Наличие внутренних запасов природного газа, улучшенная топливная инфраструктура и государственные льготы способствуют усилению интеграции транспортных средств, работающих на природном газе, в транспортный сектор. Транспортные средства, работающие на природном газе, увеличились во многих транспортных средствах для тяжелых условий эксплуатации, таких как мусоровозы, транзитные автобусы, школьные автобусы и грузовики для доставки. Природный газ — это экологически чистое топливо, которое при использовании в двигателях внутреннего сгорания не содержит сажи. Высокооктановые свойства природного газа способствуют его использованию в двигателях с искровым зажиганием, а не в дизельных двигателях. Обозначение октанового числа для жидкого бензинового топлива не может применяться к природному газу, поскольку его значение превышает максимальную шкалу октанового числа (Kramer et al., 2015). Обычно свойство самовоспламенения метана обозначается метановым числом (MN), которое относится к смеси водород / метановое топливо. Значение 100 соответствует 100 % метану, а значение ноль означает 100 % водород. MN природного газа в США обычно превышает 90, что соответствует моторному октановому числу (MON), близкому к 130 (Karavakalis et al., 2016). Из-за высокой устойчивости к самовоспламенению природный газ при воспламенении от сжатия требует использования двухтопливной системы сгорания с предварительным впрыском дизельного топлива для инициирования сгорания. Природный газ на специальной платформе с искровым зажиганием горит без образования сажи (Ayala et al., 2002; Yoon et al., 2013). В качестве альтернативы двухтопливное сгорание с пилотным впрыском дизельного топлива будет иметь более высокие выбросы сажи (Thiruvengadam et al., 2010). Старые двигатели, работающие на природном газе, основывались на блоке дизельного двигателя, оснащенном платформой с искровым зажиганием. Модернизированные двигатели работают на природном газе, который работает по циклу сгорания на обедненной смеси, чему способствуют простые двусторонние катализаторы окисления. Современные технологические двигатели были модернизированы для использования в специальной платформе с искровым зажиганием, охлаждаемой рециркуляцией выхлопных газов (EGR), стехиометрической заправкой топливом и трехкомпонентным катализатором, который способен обеспечивать соответствие оксидов оксидам, установленным Агентством по охране окружающей среды США (US EPA) стандарты азота (NOx) и твердых частиц (PM) 0,20 и 0,01 г / л.с.-час соответственно. Эффективность использования природного газа в секторе тяжелых грузовых автомобилей часто сравнивают с дизельным топливом, которое является основным источником энергии, используемым в транспортном секторе. Общее мнение в транспортной отрасли предполагает, что автомобили, работающие на природном газе, не соответствуют надежности своих дизельных аналогов с точки зрения дальности и общей долговечности. (Truckinginfo, 2014). Строгие нормы выбросов могут повлиять на баланс в сторону перехода на природный газ в качестве топлива для городских транспортных средств, таких как мусоровозы, транзитные автобусы и транспортные средства для доставки. Экономичная система контроля выбросов в виде трехкомпонентного катализатора (TWC) может оказаться экономичной альтернативой стратегии контроля дизельных выбросов, в которой используется дизельный катализатор окисления (DOC), дизельный сажевый фильтр (DPF) и селективное каталитическое восстановление (SCR). В этом документе будут рассмотрены современные технологии двигателей, работающих на природном газе, и связанные с ними выбросы, сравнение регулируемых факторов выбросов и выбросов парниковых газов (ПГ) между современными дизельными двигателями и двигателями, работающими на природном газе, качество топлива на природном газе и его влияние на характеристики двигателя, а также технологические пути для будущих стандартов с низким уровнем выбросов NOx.

2. Технология двигателей, работающих на природном газе, и уровни выбросов

Для двигателей большой мощности, работающих на природном газе, были внесены значительные усовершенствования в конструкцию двигателей и стратегии контроля выбросов, чтобы они соответствовали строгим стандартам выбросов US EPA 2010. Унаследованная технология двигателей на природном газе часто строилась вокруг дизельного блока с простыми изменениями в топливной системе, чтобы приспособить платформу двигателя с портовым топливом, обедненной смесью и искровым зажиганием. Ранние модели работали без какой-либо системы доочистки (Ayala et al., 2002), в то время как последующие модели были оснащены катализатором двустороннего окисления для контроля высоких выбросов углеводородов и оксида углерода (CO). Исследование показало, что использование катализатора окисления снижает выбросы CO почти на 62 % по сравнению с неуправляемыми автомобилями, работающими на КПГ. Кроме того, выбросы CO от неконтролируемых транспортных средств, работающих на КПГ, в два раза превышали выбросы от неконтролируемых дизельных транспортных средств (Hesterberg et al., 2008). Аналогичным образом, неуправляемые автомобили, работающие на КПГ, показали в 18 раз больше выбросов углеводородов (УВ), чем от автомобилей с неконтролируемым дизельным двигателем, в то время как использование катализаторов окисления на транспортных средствах, работающих на КПГ, сократило их выбросы углеводородов более чем на 50 %. Следует отметить, что большая часть выбросов углеводородов, наблюдаемых в двигателях, работающих на КПГ, состоит из метана. Это прямой результат неполного сгорания и неспособности катализатора окисления эффективно удалять метан. Хотя автомобили, работающие на КПГ, демонстрируют немедленные преимущества в сокращении выбросов твердых частиц по сравнению с дизельными технологиями, из устаревших данных о транспортных средствах было очевидно, что использование катализатора окисления является обязательным для снижения выбросов CO и углеводородов. Кроме того, исследования также показали, что платформа двигателя, работающего на обедненной смеси, не дает никаких преимуществ по снижению выбросов NOx по сравнению с дизельной технологией (Ullman et al., 2003; Yoon et al., 2013). Таким образом, с точки зрения устаревшей технологии двигателей, автомобили, работающие на КПГ, рассматривались только как альтернатива снижению выбросов сажи. Технология двигателей с экономным сжиганием топлива даже с включением рециркуляции выхлопных газов (EGR) не была бы подходящей стратегией контроля выбросов для достижения стандартов 2007 года и более новых US EPA для двигателей большой мощности. В частности, для соответствия стандарту NOx 0,20 г / л.с.-час потребовалась бы дополнительная обработка SCR. Следовательно, еще в 2007 году были представлены сверхмощные газовые двигатели, оборудованные TWC, чтобы соответствовать стандартам выбросов US EPA 2010. TWC очень эффективен в контроле выбросов NOx на стехиометрической платформе сгорания (Baldassarri et al., 2006). Двигатель на природном газе со стехиометрическим охлаждением объемом 8,9 л, оснащенный системой рециркуляции выхлопных газов и TWC, разработанный Cummins Inc., показал значительно более низкие выбросы NOx в зависимости от расстояния по сравнению с дизельными двигателями, оборудованными DPF-SCR (Yoon et al., 2013; Thiruvengadam et al., 2015; Quiros et al., 2016). Исследования также показали, что, хотя выбросы NOx близки к нулю при использовании TWC, стехиометрические двигатели, работающие на природном газе, по-прежнему характеризуются высокими выбросами CO и метана (Yoon et al., 2013; Thiruvengadam et al., 2015). Тем не менее, эквивалентные удельные выбросы для тормозов находятся в пределах сертификационного предела 15,5 г / л.с.-час для CO. Двигатели, работающие на природном газе, предлагают преимущество использования единой каталитической системы дополнительной обработки для снижения выбросов NOx, в то время как сжигание без сажи приводит к образованию твердых частиц выбросы ниже нормы 0,01 г / л.с.-час без использования сажевого фильтра. Это значительное преимущество перед его дизельным аналогом, в котором используется серия систем нейтрализации твердых частиц и NOx для соответствия стандартам выбросов. Кроме того, использование нескольких систем последующей обработки связано с проблемами долговечности, затратами на техническое обслуживание последующей обработки, использованием дополнительного восстановителя для SCR, штрафами за топливо, связанными с управлением температурным режимом и процессы регенерации сажи DPF. Для профессий, которые характеризуются очень кратковременным постоянным движением, может быть полезна стехиометрическая платформа TWC, работающая на природном газе, для реализации экономичной технологии транспортных средств с низким уровнем выбросов NOx и PM. Сгорание без образования сажи в двигателях, работающих на природном газе, способствует почти нулевому массовому выбросу ТЧ. Органические фракции ТЧ и выбросы наночастиц на основе металлов размером ниже 25 нм, по наблюдениям, преобладают в физическом составе ТЧ из двигателей, работающих на природном газе. Эти фракции, хотя и не вносят значительного вклада в массовые выбросы ТЧ, могут привести к выбросам с большим количеством частиц. Исследование показало, что наночастицы выхлопных газов размером от 6,04 до 25,5 нм сильно коррелируют с массой элементарных и металлических частиц, полученных из смазочного масла, которые присутствуют в выхлопе (Thiruvengadam et al., 2014). Результаты этого исследования согласуются с данными, собранными о транзитных автобусах для КПГ в Финляндии (Pirjola et al., 2016). Распределение частиц по размерам, измеренное с помощью более новой модели Cummins ISLG объемом 8,9 л и недавно разработанного стехиометрического двигателя объемом 12 л (ISX 12-G), также предполагает наличие частиц ядерного режима на основе смазочного масла (Karavakalis et al., 2016). Результаты потребления ледового масла, наблюдаемые Thiruvengadam et al. может быть связано с большим пробегом автомобиля и следствием износа уплотнения поршня двигателя. Интересно, однако, что относительно новый автомобиль, протестированный в исследовании, опубликованном Karavakalis et al. также указывает на возможность сгорания смазочного масла в цилиндрах. Результаты показывают, что металлические и элементарные наночастицы могут быть неотъемлемой характеристикой современных двигателей, работающих на природном газе. Снижение содержания присадок в смазочном масле, используемом в автомобилях, работающих на природном газе, и улучшение масляных уплотнений в цилиндрах может снизить выбросы металлических наночастиц из двигателей, работающих на природном газе. Кроме того, другое исследование показывает, что выбросы по количеству частиц (PN) после TWC превышают ограничения Европейского Союза по количеству частиц (EU-PN) в рамках всемирного гармонизированного цикла испытаний (WHTC). Кроме того, сделан вывод о том, что выбросы с высоким PN должны состоять из твердых частиц и частиц металлической золы. В исследовании было предложено использование фильтров выхлопных частиц в качестве возможного подхода к контролю за выбросами PN (Khalek et al., 2018). Требования автотранспортной отрасли заключаются в высоком крутящем моменте и удельной мощности силовых агрегатов. Дизельные двигатели не имеют себе равных в удовлетворении этих ключевых требований сегмента грузовых перевозок в секторе большегрузных транспортных средств. Внедрение грузовых автомобилей, работающих на природном газе, в грузовые автопарки идет медленно. Это торможение можно в первую очередь отнести к более низкому выходному крутящему моменту двигателей с искровым зажиганием в сочетании с меньшим запасом хода из-за плотности энергии в топливном баке. Разработка двухтопливного (природный газ / дизель) двигателя с воспламенением от сжатия была направлена на достижение аналогичных характеристик дизельного топлива с использованием топливной системы, которая подает как природный газ (степень замещения близка к 95 %), так и небольшое количество дизельного топлива для обслуживания. в качестве инициатора горения (Faghani et al., 2017). Хотя любой дизельный двигатель может быть преобразован для работы в режиме двухтопливного топлива, технология прямого впрыска высокого давления (HPDI) использует запатентованную систему впрыска топлива для подачи дизельного топлива и природного газа непосредственно в камеру сгорания с использованием единого корпуса инжектора. В системе HPDI, запатентованной Westport Innovations, использовался базовый дизельный двигатель (Cummins ISX 15 L), оснащенный технологией впрыска топлива HPDI. С точки зрения оператора, двигатели HPDI обеспечивали те же рабочие характеристики, что и традиционный дизельный двигатель. Двухтопливные двигатели HPDI также обеспечивали диапазон пробега, подходящий для приложений междугородных грузовых перевозок с пробегом около 400 миль. Сжигание, подобное бедному дизельному топливу, означало, что контроль NOx может быть достигнут только с использованием системы доочистки SCR. Мощные двигатели HPDI, оснащенные DPF и SCR, показали на порядок меньшие выбросы NOx по сравнению с дизельными двигателями аналогичной технологии (Thiruvengadam et al., 2015). Бедное сгорание также привело к низкому профилю выбросов углеводородов в выхлопных газах.

3. Влияние топливного состава природного газа

Открытие крупных источников нетрадиционных запасов в регионе сланцевого газа увеличило внутреннюю добычу природного газа. Качество природного газа, добываемого из этих источников, варьируется по составу газа в зависимости от географического положения газовых запасов. Отчет показывает, что метановый состав сланцевого газа варьируется от 76 % до 90 % по объему для газа, отобранного из 12 скважин. Отчет также предполагает, что в пробах были обнаружены только следовые уровни углеводородов с более высокой цепью (Burruss and Ryder, 2014). Увеличение добычи из разных мест может привести к значительным изменениям в составе природного газа, что может не способствовать правильному функционированию систем управления двигателем. Двигатели разработаны, откалиброваны и сертифицированы для работы на чистом природном газе (близком к 100 % метану). Состав природного газа, подаваемого на заправочные станции, может изменяться в зависимости от источника добычи природного газа. Текущие спецификации топлива требуют минимального метанового числа 80 (CARB, 2001). Хотя производители двигателей учитывают изменения в составе топлива, изменения состава в результате изменений процесса очистки и расположение запасов газа могут выходить за рамки конструкции двигателя. Например, Cummins Westport указывает минимальное количество метана 75 для использования в их двигателях (Westport, 2018). Cummins Westport также одобряет использование свалочного газа или биогаза, который соответствует требованиям спецификации топлива для их двигателей (Cummins, 2018). Изменения в составе топлива приведут к различиям в энергосодержании и более низком содержании метана в природном газовом топливе. Поскольку двигатели с современной технологией не имеют сенсорных возможностей для обнаружения этой изменчивости, примеси в топливе могут ускорить износ двигателя и компонентов дополнительной обработки, что приведет к снижению производительности, штрафам за топливо и несоблюдению требований по выбросам. Исследование показало, что состав природного газа не оказывает сильного влияния на выбросы транспортных средств с использованием современных технологий. Однако следует отметить, что упомянутое исследование не включает влияние топливных композиций с MN ниже 85 (Karavakalis et al., 2016). Также изменения в составе топлива привели к статистически значимой разнице в расходе топлива на объемной основе. Это может быть связано с изменением энергосодержания топлива из-за присутствия неметановых примесей. Сероводород (H2S) — обычная примесь, которую можно наблюдать в сланцевом газе из определенных географических мест. Cummins Westport требует, чтобы содержание сероводорода не превышало 6 частей на миллион (Cummins, 2018). Литературные знания, относящиеся к эффектам изменения состава топлива, документируют только их влияние на горение в цилиндрах. В литературе имеется серьезный пробел в знаниях о влиянии состава топлива на старение двигателя, износ компонентов и гарантийные претензии. Данные, относящиеся к гарантийным претензиям и износу компонентов, могут быть конфиденциальной информацией производителей двигателей. Кроме того, ухудшение свойств примесей в природном газе — это длительный процесс, и поэтому исследования, направленные на определение таких эффектов, должны постоянно контролировать состояние и качество топлива потенциального двигателя в течение длительного времени. Такой исследовательский проект может оказаться огромным мероприятием. По состоянию на первый квартал 2017 года Калифорнийский совет по воздушным ресурсам (CARB) сообщил, что около 61 % топлива из природного газа в Калифорнии производится из возобновляемого природного газа или биометана (CARB, 2017a, 2017b). Возобновляемый природный газ (RNG) получают в результате сбора и очистки газов, выбрасываемых при разложении органических отходов. Благодаря этому процессу, ГСЧ является многообещающим топливом, поскольку он имеет почти нулевое чистое углеродное воздействие, что является коммерчески жизнеспособным и экологически безопасным топливом. ГСЧ производится либо путем анаэробного сбраживания (чаще всего используется), либо путем термической газификации. Продукция этих процессов богата метаном, но также имеет высокие концентрации примесей, таких как CO2, H2S и вода. В результате очистки исходного сырья содержание метана в транспортном топливе RNG составляет 95–98 %. На основе анализа жизненного цикла ГСЧ обеспечивает гораздо большую выгоду от выбросов парниковых газов по сравнению с природным газом на основе ископаемого топлива. Однако стоимость создания ГСЧ и его очистки превышает стоимость добычи природного газа на основе ископаемого топлива. Эта разница в стоимости может сделать ГСЧ коммерчески нежизнеспособным при низких объемах добычи (Jaffe et al., 2016). В отчете говорится, что использование ГСЧ с двигателями, работающими на природном газе со сверхнизкими выбросами NOx, может одновременно обеспечить преимущества по NOx, а также 80 % или более преимуществ в отношении выбросов парниковых газов (Neandross, 2016). Однако для увеличения проникновения ГСГ в качестве транспортного топлива необходимо добиться или разрешить более интенсивное смешивание ГСГ с природным газом на основе ископаемого топлива. Без доступа к существующим трубопроводам природного газа доставка и доступ к ГСЧ могут быть ограничены и, следовательно, останутся слишком дорогими по сравнению с природным газом на ископаемом топливе.

4. Характеристики выбросов парниковых газов

Природный газ — это топливо с низким содержанием углерода по сравнению с бензином или дизельным топливом. Однако потенциал глобального потепления (ПГП) метана в 21 раз больше, чем у CO2 за 100-летний период. Следовательно, крайне важно понимать источники выбросов метана на транспорте и контролировать их. Обычными источниками выбросов метана из транспортных средств являются неполное сгорание топлива, выброс газов высокого давления из топливного бака и утечки из топливной системы автомобиля. Метан наиболее устойчив к каталитическому окислению углеводородов. Катализаторы окисления требуют температуры выше 450 ° C для более чем 90 % сокращения выбросов метана (Петров и др., 2017). Хотя стехиометрические двигатели часто работают при температуре, близкой к этой. Согласно требованиям, двигатели с воспламенением от сжатия на обедненной смеси (технология двигателей HPDI) будут характеризоваться температурами выхлопных газов значительно ниже 450 ° C и, следовательно, не способствуют сокращению выбросов метана в выхлопной трубе. Следовательно, крайне важно, чтобы двигатели с обедненным горением были разработаны для эффективного сжигания метана в цилиндрах, практически без зависимости от системы доочистки для окисления метана. При переходной работе транспортного средства с низкими температурами выхлопных газов выбросы метана в зависимости от расстояния от автомобиля с HPDI, работающего на природном газе, в 4 раза выше, чем от автомобиля со стехиометрическим газом (Thiruvengadam et al., 2016). CO2 является доминирующим компонентом выбросов парниковых газов в дизельном транспортном средстве, при этом выбросы N2O в результате неполных реакций SCR также периодически вносят вклад в общий GWP выхлопных газов дизельного транспортного средства. В случае транспортного средства, работающего на природном газе, основными источниками выбросов являются CO и метан с периодическим вкладом N2O как в стехиометрическую платформу, так и в платформу HPDI. N2O обычно наблюдается во время холодного запуска TWC, в то время как в случае транспортных средств HPDI разложение разновидностей нитрата аммония в SCR может привести к выбросам N2O (Hallstrom and Voss, 2013). С учетом всех этих компонентов в расчетах GWP выбросы в выхлопные трубы от автомобилей со стехиометрическим природным газом были на 6 % ниже GWP по сравнению с дизельными автомобилями, оборудованными системой SCR. В то время как автомобиль HPDI, оснащенный системой SCR, был на 8 % ниже, чем сопоставимый дизельный двигатель (Thiruvengadam et al., 2016). Другое исследование показало, что выбросы CO2-экв от автомобиля, работающего на КПГ, были на 15 % ниже по сравнению с дизельными автомобилями во время движения по автостраде и на 12 % больше по маршрутам, которые предполагали работу двигателя с высокой нагрузкой, например, подъем по крутому склону с полной грузоподъемностью (Quiros и др., 2017). Оценки показывают, что двигатели, работающие на природном газе, демонстрируют преимущество ПГП в эквиваленте CO2 над дизельным топливом при 100-летнем климатическом константе для метана, в то время как он равен эквиваленту CO2 для дизельного топлива при более коротком 20-летнем климате. Константа воздействия на метан (Delgado and Muncrief, 2015). Учитывая, что срок службы метана в атмосфере составляет 12,4 года, в отчете предлагается, чтобы для двигателей, работающих на природном газе, для достижения преимущества ПГП по сравнению с дизельным, необходимо контролировать выбросы метана как из выхлопной трубы, так и из неконтролируемых источников выбросов. Кроме того, сравнение скважин с колесами показывает, что тракторы, работающие на природном газе, класса 8 демонстрируют почти на 30 % больше выбросов парниковых газов на километр на метрическую тонну по сравнению с обычным дизельным двигателем по оценке GWP за 20 лет. Однако следует отметить, что вклад выхлопных труб в эту оценку ниже, чем у обычного дизельного топлива, в то время как основная часть выбросов парниковых газов приходится на источники выше по потоку, которые включают доставку топлива, транспортировку и утечки в системах распределения топлива (Тонг и др., 2015). Это исследование также проливает свет на важность регулирования и мониторинга инфраструктуры доставки природного газа. Напротив, другое исследование показывает, что выхлопная труба транспортного средства, выбросы картера и динамическая вентиляция топливного бака транспортного средства составляют около 83 % выбросов метана на килограмм топлива, используемого транспортными средствами, в то время как остальная часть приходится на подачу топлива, топливо оборудование станции, топливная форсунка и ручное удаление воздуха из топливного бака транспортного средства (Clark et al., 2017). Эта оценка выбросов парниковых газов от транспортных средств может быть выше, чем оценка Тонга и др., Поскольку Кларк и др. включены выбросы от вентиляции картера и топливного бака. Раньше о вкладе этих двух факторов не сообщалось. В этом анализе учитывались автомобили разных профессий, разных возрастов и технологических категорий. Следует отметить, что парк мусоровозов и транзитных автобусов будет состоять из транспортных средств со значительно более высокими часами работы двигателя по сравнению с транспортными средствами для перевозки грузов на природном газе. Следовательно, влияние выбросов двигателя и картера двигателя может зависеть от определенных профессий. Большинство автомобилей большой грузоподъемности имеют открытую вентиляцию картера. Высокое давление сгорания в цилиндре способствует лучшему уплотнению поршневыми кольцами, предотвращая попадание продуктов сгорания в картер. Следовательно, выбросы углеводородов от дизельных автомобилей с открытым картером не являются проблемой, в случае газового топлива прохождение топлива через зазоры между поршневыми кольцами и цилиндром может привести к накоплению газообразного топлива в картере. Следовательно, при высоком давлении в картере двигателя можно ожидать выброса газообразного топлива из двигателей, работающих на природном газе. Выбросы метана из вентиляция картера, выраженная в процентах от топлива, потребляемого автомобилем, часто в два раза превышает выбросы метана из выхлопной трубы. В то время как дизель-подобный автомобиль HPDI показал, что в результате вентиляции резервуара для СПГ выбросы метана в два раза выше, чем из выхлопной трубы (Clark et al., 2017). Все выбросы из картера наблюдались со стехиометрической платформы двигателя, в то время как двигатели HPDI не показывали никаких выбросов из картера. Это можно объяснить тем фактом, что двигатели HPDI с воспламенением от сжатия работают при более высоких степенях сжатия (улучшенное уплотнение поршневого кольца и цилиндра) вместе с хорошо контролируемой технологией топливных форсунок на природном газе, исключающей вентиляцию картера метана. Исследование также показало, что операции с малой нагрузкой, такие как длительный холостой ход и езда по городу на низкой скорости, способствовали более высоким выбросам метана из картера, чем продолжительная работа на автостраде (Clark et al., 2017). Работа при низкой нагрузке приводит к более низкому давлению в цилиндрах, что способствует недостаточному уплотнению поршневых колец. Это может привести к тому, что большая часть несгоревшего топлива проскользнет мимо колец в картер. Закрытая вентиляция картера может решить эту проблему.

Выбросы метана из топливных баков были значительным источником выбросов парниковых газов от транспортных средств, работающих на природном газе. События вентиляции топливных баков были более заметными в резервуарах для сжиженного природного газа (СПГ) по сравнению с резервуарами для сжатого природного газа (КПГ). В резервуарах сжиженного природного газа жидкий газ, образующийся при испарении, создает в резервуаре повышение давления, которое необходимо периодически сбрасывать. Унаследованная технология резервуаров не была оснащена какой-либо системой улавливания паров, и поэтому газы под высоким давлением сбрасывались в атмосферу. Для автомобилей с HPDI выбросы метана в результате вентиляции баков намного перевешивают вклад выбросов выхлопных газов при эксплуатации в городе. В то время как во время эксплуатации автомагистрали выбросы метана из вентиляции были эквивалентны выбросам метана из выхлопной трубы (Clark et al., 2017). Современная технология резервуаров для СПГ претерпела значительные усовершенствования в области технологии с улучшенной изоляцией и системой подачи топлива, которая может доставлять пары резервуара для подачи топлива в двигатель на холостом ходу (Anderson, 2013). Такой подход устранит необходимость периодической вентиляции резервуаров и увеличит диапазон транспортных средств, работающих на природном газе.

По оценкам CARB, 10 % общих выбросов парниковых газов в штате приходится на метан, причем очень незначительная часть приходится на источники тяжелых транспортных средств (CEC, 2018). Однако лица, определяющие политику, определяют пороговое значение выбросов газа при рассмотрении политики перехода на другой вид топлива. Если нормативные стандарты не учитывают выбросы парниковых газов от транспортного средства, а не только сертификацию двигателя, преимущества использования низкоуглеродного топлива могут быть омрачены более высоким ПГП, вносимым неконтролируемыми источниками выбросов.

5. Влияние старения двигателя и системы нейтрализации выхлопных газов

Влияние старения двигателя на характеристики выбросов автомобилей, работающих на природном газе, четко не задокументировано. Как правило, сертификация двигателей большой мощности связана с фактором износа двигателя, который учитывает увеличение выбросов из-за старения двигателя. Коэффициент износа определяется производителями двигателей посредством серии контролируемых испытаний, направленных на количественную оценку эффектов старения. Однако реальное старение двигателя и систем последующей обработки может существенно отличаться от сценариев контролируемого старения, поскольку рабочий цикл повседневной эксплуатации играет значительную роль в старении компонентов. Например, можно ожидать, что мусоровоз, собирающий мусор, будет подвергаться повторяющимся резким ускорениям и замедлениям, которые могут ускорить старение двигателя и компонентов системы нейтрализации выхлопных газов из-за резких переходных процессов. В то время как грузовик для доставки с большим процентом эксплуатации на шоссе с меньшими агрессивными переходными процессами будет поддерживать долговечность компонентов. Грузовики-мусоровозы и транзитные автобусы демонстрируют наибольшую величину ускорения и замедления, при этом они также проводят значительную часть своей общей активности в режиме холостого хода (Boriboonsomsin et al., 2017). Характеристики выбросов аммиака и NOx для стехиометрического транспортного средства, работающего на природном газе (ПГ) с TWC, возможно, могут проиллюстрировать влияние старения двигателя на интенсивность выбросов. Результаты динамометра шасси указывают на тенденцию к увеличению выбросов NOx с возрастом транспортного средства (Thiruvengadam et al., 2016). В исследовании представлены данные по небольшой группе транспортных средств, но для подтверждения предварительных тенденций, представленных в этой работе, требуется больший набор данных. Выбросы аммиака в стехиометрических двигателях, работающих на природном газе, зависят от рабочего отношения воздух-топливо. Более богатая смесь увеличит выбросы аммиака, в результате чего выбросы NOx будут ниже, при более бедной работе, что приведет к противоположной тенденции. Ухудшение характеристик кислородного датчика в двигателях, работающих на природном газе, не было хорошо задокументировано, но можно ожидать, что присутствие более высокого содержания влаги в выхлопных газах транспортных средств, работающих на природном газе, может привести к ускоренному износу широкополосных кислородных датчиков, что приведет к ухудшению работы датчиков кислорода, правильная стратегия контроля топлива. Чрезмерно богатая смесь также потенциально может привести к ускоренному термическому старению трехкомпонентных катализаторов. Хотя бортовые системы диагностики (OBD) запрограммированы на мониторинг отклонений выбросов, стратегии OBD для природного газа могут находиться в стадии разработки, и может потребоваться добавление датчиков выхлопной трубы, прежде чем можно будет внедрить надежные подходы к диагностике неисправностей.

6. Заключение

Краткое изложение дает краткую справку о преимуществах и недостатках различных платформ с двигателями для тяжелых условий эксплуатации, доступных в настоящее время. Достижения в области автомобильных двигателей, работающих на природном газе, способствовали снижению выбросов NOx и PM в городских условиях. Литература показала, что двигатели на природном газе с искровым зажиганием демонстрируют низкие выбросы NOx в реальных условиях, которые обычно приводят к высоким выбросам NOx в дизельных двигателях. Системы контроля выбросов в двигателях, работающих на природном газе, менее сложны по сравнению с проблемами контроля выбросов NOx в дизельных технологиях. Выбросы парниковых газов из двигателей, работающих на природном газе, могут быть увеличены из-за проскока метана из системы катализаторов, вентиляции картера и вентиляции топливной системы. Напомним, что данные, представленные в литературе, относятся к двигателям между 2011 и 2013 модельными годами. С тех пор производители сообщают об усовершенствованиях технологии топливных баков и внедряют закрытую вентиляцию картера. Данные о новых двигателях, работающих на природном газе, пока не поступают. Важно, чтобы неорганизованные источники выбросов от транспортного средства были частью процедур сертификации. Как и в случае с регулированием выбросов в атмосферу от бензиновых транспортных средств, возможно, потребуется рассмотреть нормативную политику, направленную на регулирование летучих выбросов метана от транспортных средств, работающих на природном газе. Экономические стимулы для покупки автомобилей, работающих на природном газе, направлены на улучшение качества воздуха за счет внедрения технологий, снижающих общие выбросы NOx из мобильных источников. Хотя двигатели, работающие на природном газе, безусловно, могут способствовать снижению образования озона на уровне земли, необходимо учитывать склонность двигателей, работающих на природном газе, к более высоким выбросам парниковых газов. Для мониторинга неконтролируемых выбросов метана и выхлопных газов транспортных средств, работающих на природном газе, необходимо обеспечить выполнение программы строгих проверок и технического обслуживания в соответствии с действующей программой для дизельных двигателей. Долговечность и старение двигателя — одна из самых важных проблем, связанных с двигателями, работающими на природном газе. Отдельные свидетельства указывают на возросшее недовольство операторов транспортных средств, работающих на природном газе, частыми простоями из-за неисправности двигателя. Влияние этих неисправностей на характеристики выбросов в литературе не описывается. В этом обзоре признается необходимость в дополнительных данных, касающихся долговечности и механизмов отказа, связанных с двигателями, работающими на природном газе. Более того, влияние старения двигателя и дополнительной обработки на выбросы из выхлопной трубы до конца не изучено. Поскольку двигатели на природном газе с искровым зажиганием работают по замкнутому контуру управления топливом на основе обратной связи от датчиков кислорода в выхлопной трубе, долговечность и реакция этих датчиков при работе в условиях выхлопа, наблюдаемых в двигателях, работающих на природном газе, неясны. В настоящее время платформа, использующая природный газ, предназначена только для городских автопарков, которые не имеют требований к увеличенному пробегу. Даже при растущей инфраструктуре заправки природным газом сегмент перевозки тяжелых грузов сталкивается с ограничениями в отношении радиуса действия при использовании природного газа в своем парке. Кроме того, характеристики крутящего момента двигателя значительно лучше у дизельной платформы и, следовательно, более привлекательны для сегмента грузовых перевозок. Потенциальным путем вперед могло бы стать внедрение двухтопливных двигателей, работающих на природном газе со сжатым зажиганием, таких как технология двигателей HPDI. Обеспокоенность соблюдением стандартов качества воздуха в недостижимых регионах южной Калифорнии вызывает необходимость дальнейшего снижения существующих стандартов NOx Агентства по охране окружающей среды США 2010 или пересмотра действующих процедур сертификации выбросов. Исторические данные показали, что строгие стандарты привели к сокращению выбросов в процессе эксплуатации, что способствовало улучшению качества воздуха. Современные дизельные двигатели оснащены технологией последующей обработки, способной обеспечить практически нулевые выбросы NOx, но проблемы, связанные с работой низкоскоростных транспортных средств, способствовали увеличению выбросов NOx из дизельных двигателей. Во время длительной эксплуатации на автомагистралях системы снижения выбросов NOx в дизельных двигателях очень эффективны в борьбе с выбросами NOx почти до нулевого уровня. С точки зрения политики улучшения качества воздуха, двигатели, работающие на природном газе, лучше всего подходят для работы в неблагополучных районах южной Калифорнии, в городских условиях вождения и в портовых дренажных системах, поскольку двигатель и технология нейтрализации выхлопных газов подходят для расширенного режима холостого хода и замедленного хода операции. Местная нормативная политика исторически продвигала использование природного газа в таких сферах, как мусоровозы, транзитные автобусы, школьные автобусы и т. д. Несмотря на то, что высокая номинальная мощность и двигатели на природном газе с большим рабочим объемом предназначены для использования в хороших транспортных средствах, эта технология будет по-прежнему пользоваться преимуществом в приложениях, которые характеризуются более короткими расстояниями в составе обслуживаемого автопарка с установленной заправочной инфраструктурой. Запуск Cummins 12-литровых двигателей на природном газе с почти нулевым расходом, сертифицированных для расхода 0,02 г / ч. Стандарт p-hr NOx показывает, что стоимость очистки выхлопных газов для достижения сертификации с низким уровнем выбросов NOx значительно ниже, чем у дизельных технологий. Существуют проблемы, связанные со снижением выбросов метана, повышением эффективности двигателей и повышением долговечности двигателей, которые необходимо решить, чтобы двигатели, работающие на природном газе, использовались в автопарках, в качестве технологической стратегии, а не просто за счет стимулированных покупок.

Литература:

1. Ayala, A., Kado, N., Okamoto, R., Holmen, B., Kuzmicky, P., Kobayasji, R., Stiglitz, K., 2002. Diesel and CNG Heavy-duty Transit Bus Emissions over Multiple Driving Schedules: Regulated Pollutants and Project Overview. SAE Technical Paper 2002-01- 1722.
2. Baldassarri, L., Battiselli, C., Conti, L., Crebelli, R., Berardis, B., Iamiceli, A., Gambino, M., Iannaccone, S., 2006. Evaluation of emission toxicity of urban bus engines: com- pressed natural gas and comparison with fuels. Sci. Total Environ. 355, 64–77.
3. Boriboonsomsin, K., Johnson, K., Scora, G., Sandez, D., Vu, A., Durbin, T., Jiang, Y., 2017. Collection of Activity Data from On-Road Heavy-Duty Diesel Vehicles. Riverside. Bosch, 2015. Direct injection for CNG engines: more efficiency, more driving enjoyment.
4. Retrieved 2/12/2018, from 〈http://www.bosch-presse.de/pressportal/de/en/direct-
5. injection-for-cng-engines-more-efficiency-more-driving-enjoyment-43067.html〉. Burruss, R., Ryder, R., 2014. Composition of natural gas and crude oil produced from 14 wells in the Lower Silurian "Clinton" Sandstone and Medina Group Sandstones,
6. northeastern Ohio and northwestern Pennsylvania. Coal and Petroleum resources in the Appalachian basin; Distribution, geologic framework, and geochemical character: U.S Geological Survey Professional Paper 1708, 38. L. F. Ruppert and R. T. Ryder.
7. CARB, 2001. Proposed Amendments to the California Alternative Fuels for Motor Vehicle Regulations. Sacramento, CA. CARB, 2013.
8. Proposed optional low NOx standards for heavy duty engines, extended engine waranties, and heavy duty zero emission vehicles certification.
9. CARB, 2014. Final Regulation Order for Phase 1 Greenhouse Gas Regulation. Title 13, California Code of Regulations (CCR) 1956.8 - Exhaust Emission Standards for 2004 and Subsequent Model Heavy-Duty Engines, and Optional, Reduced Emission Standards for 2002 and Subsequent Model Heavy-Duty Engines Produced Beginning October 1, 2002, Other than Urban Bus Model-Year Engines Produced From October 1, 2002 Through 2006. CARB.
10. CARB, 2017a. 2017 LCFS Reporting Tool (LRT) Quarterly Data Summary-Report No. 1. CARB, 2017b. Optional Reduced NOx Emission Standards for On-Road Heavy-duty Engines. Retrieved 2/12/2017, from 〈https://www.arb.ca.gov/msprog/onroad/ optionnox/optionnox.htm〉.
    CEC, 2018. STAFF FINAL REPORT 2017 Natural Gas Market Trends and Outlook, California Energy Commimission.
11. Kramer, U., Ferrera, M., Henning, K., David, M., Magnusson, I., 2015. Natural Gas/ Methane Fuels: European Automotive Fuel Quality and Standardization Requirements.
12. Cummins, 2018. Fuel Quality Calculator. from 〈http://www.cumminswestport.com/fuel- quality-calculator〉.
13. Delgado, O. and R. Muncrief, 2015. Assessment of Heavy-duty Natural Gas Vehicle Emissions: Implications and Policy Recommendations, International Council for Clean Transportation.
14. Dixit, P., Miller, J.W., Cocker, D.R., Oshinuga, A., Jiang, Y., Durbin, T.D., Johnson, K.C., 2017. Differences between emissions measured in urban driving and certification testing of heavy-duty diesel engines. Atmos. Environ. 166, 276–285. EIA, 2017. Use of Energy in the United States Explained. Retrieved 8/6/2017, 2017, from 〈https://www.eia.gov/energyexplained/?Page=us_energy_transportation〉.
15. Faghani, E., Kheirkhah, P., Mabson, C., McTaggart-Cowan, G., Kirchen, P., Rogak, S., 2017. Effect of Injection Strategies on Emissions from a Pilot-Ignited Direct-Injection Natural -Gas Engine- Part I: Late Post Injection. SAE Technical Paper 2017-01-0774.
16. Clark, N., Mckain, D., Johnson, D., Wayne, S., Li, H., Akkerman, V., Sandoval, C., Convington, A., Mongold, R., Hailer, J., Ugarte, O., 2017. Pump-to-Wheels Methane Emissions from the Heavy-Duty Transportation Sector. Environ. Sci. Technol. 51, 968–976.
17. Hallstrom, K., Voss, K., 2013. The Formation of N2O on the SCR Catalyst in a Heavy Duty US 2010 Emissions Control System. SAE Technical Paper 2013-01-2463.
18. Hesterberg, T., Lapin, C., Bunn, W., 2008. A comparison of emissions from vehicles fueled with diesel or compressed natural gas. Environ. Sci. Technol. 42 (17), 8437–8445.
19. Hogo, H., 2014. South Coast AQMD Clean Fleet Vehicle Rules: Key Environmental & Policy Drivers. from 〈http://cdn.gladstein.org/pdfs/ACTE2014Presentations/4- 4NGVPolicyInitiatives/1HenryHogo.pdf〉.
20. Jaffe, A.M., Dominguez-Faus, R., Parker, N., Scheitrum, D., Wilcock, J., Miller, M., 2016. The Feasibility of Renewable Natural Gas as a Large-scale, Low Carbon Substitute. University of California Davis-ITS.
21. Johnson, K., Jiang, Y., Yang, J., 2016. Ultra-low NOx Natural Gas Vehicle Evaluation ISLG NZ. College of Engineering-Center for Environmental Research and Technology. Karavakalis, G., Hajbabaei, M., Jiang, Y., Yang, J., Johnson, K., Cocker, D., Durbin, T., 2016.
22. Regulated, greenhouse gas, particulate emissions from a lean-burn and stoi- chiometric natural gas heavy-duty vehicles on different fuel composition. Fuel 175 (1), 146–156.
23. Khalek, I., Badshah, H., Premnath, V., Brezny, R., 2018. Solid Particle Number and Ash Emissions from Heavy-Duty Natural Gas and Diesel w/SCRF Engines. SAE 2018-01- 0362. Anderson, S., 2013. Powering Transportation, Driving Change. LNG 17 Conference: LNG for Transportation Seminar, Houston.