Лекция 3. Газообразные топлива

 

Расширить сырьевую базу автомобильных топлив и одновременно умень­шить вредное воздействие на окружающую среду позволяет использование альтернативных топлив на основе газообразных углеводородов.

Стоимость производства газообразного топлива в 2-3 раза ниже стоимости производ­ства бензина и дизельного топлива, а запасы его сырья превосходят нефтя­ные.

Наибольших успехов в решении задач снижения вредного воздействия на окружающую среду от использования автомобильного транспорта достиг­ли Австралия, Австрия, Аргентина, Италия, Канада, Новая Зеландия, США, Швеция и Япония.

Для работы на газообразных топливах автотранспортные средства переобо­рудуются в газобаллонные автомобили (ГБА).

 

Преимуществами газообразных топлив являются:

· экономия нефтепродуктов, из которых изготавливаются бензины и дизель­ные топлива;

· улучшение топливной экономичности автомобиля за счет работы двигателя на более бедной горючей смеси;

· снижение токсичности отработавших газов двигателей внутреннего сгорания;

· снижение изнашивания цилиндро-поршневой группы и увеличение срока службы моторного масла (газовоздушная смесь не смывает масляную плен­ку со стенок цилиндров, не образует нагара на деталях цилиндро-поршне­вой группы и не разжижает масло в картере двигателя);

· высокая детонационная стойкость газообразных топлив (позволяет повы­сить степень сжатия двигателя и, следовательно, его мощность и топливную экономичность);

· исключение необходимости подогрева впускного трубопровода, что улучшает наполнение цилиндров и повышает таким образом мощность двигателя;

· улучшение равномерности распределения горючей смеси по цилиндрам.

 

В зависимости от физического состояния горючие газы делятся на сжатые и сжиженные.

Наиболее широко применяются и имеют перспективы расширения исполь­зования следующие газообразные углеводородные топлива:

• компримированный (сжатый) природный газ (КПГ) (метан);

• газ сжиженный нефтяной (ГСН) (пропан-бутановая смесь).

 

К качеству топлив предъявляют такие ос­новные эксплуатационные требования:

· хорошая смешиваемость с воздухом для образования однородной горючей смеси;

· высокая калорийность горючей смеси;

· отсутствие детонации при сгорании в цилиндрах двигателя;

· минимальное содержание смолистых веществ и механических примесей,

· минимальное содержание веществ, вызывающих коррозию поверхностей деталей, окисление и разжижение масла в картере двигателя;

· минимальное образование токсичных и канцерогенных веществ в продуктах сгорания;

· сохранение стабильного состава и свойств по времени и объему;

· сохранение избыточного давления насыщенных паров 0,1-1,6 МПа в интер­вале температур от -30 до +45 °С (для ГСН);

· хорошая испаряемость без образования жидкого осадка при понижении да­вления в газовой системе питания двигателя (для ГСН).

 

Свойства сжиженных газов

Газ сжиженный нефтяной в качестве топлива для автомобилей представляет собой смесь пропана, нормального бутана, изобутана, пропилена, этана, этилена и других углеводородов. Его получают как продукт переработки нефти, а также при добыче нефти или природного газа в виде отдельной жидкой фракции.

Основные компоненты сжиженных газов, как современного топлива для дви­гателей — это пропан С3Н8, бутан С4Н10 и их смеси. Так как каждый из компонентов имеет определенную температуру кипения, давление паровой фазы смеси сжиженных газов зависит как от температуры, так и от компонентного состава. Давление смеси газов можно определить по значению составляющих (парциаль­ных) давлений углеводородных газов, входящих в состав смеси, пропорциональ­но концентрациям.

Ввиду того, что пропан и бутан имеют при атмо­сферном давлении соответственно температуры кипения -42,1 °С и -0,5 °С и критические температуры +96,8 °С и +126 °С, это позволяет хранить их в сжи­женном состоянии в диапазоне эксплуатационных температур от -40 до +45 °С при относительно низком давлении (до 1,6 МПа).

Повышение температуры на 1 °С увеличивает давление в газовом баллоне на 0,6-0,7 МПа, что может привести к его разруше­нию. Степень заполнения (полезная емкость) автомобильных газовых баллонов должна быть в пределах 80-85%.

В зимнее время года, когда плотность газо­воздушной смеси достигает максимальных значений, двигатель имеет наилуч­шие эксплуатационные показатели. Некоторые зарубежные двигатели имеют устройство для отключения подогрева впускного коллектора для увеличения плотности газа.

Компоненты газового топлива имеют пределы воспламенения, значительно смещенные в сторону бедных смесей, что дает дополнительные возможности повышения топливной экономичности.

Топливо из сжиженных газов обладает плохими пусковыми свойствами.

Все компоненты газообразных сжиженных топлив первоначально не имеют цвета и запаха, поэтому для обнаружения утечек и обеспечения безопасности при использовании этих видов топлива на автомобилях их одорируют, т.е. при­дают особый запах. В качестве такого одоранта используют этилмеркаптан C2H5SH (температура кипения 37 'С), обладающий специфическим резким неприятным запахом в количестве 0,2-0,3 г на 1000 м3 газа.

Сжиженные газы пожаро- и взрыво­опасны, но меньше, чем пары бензина. По степени воздействия на организм человека они относятся к 4 классу.

 

 

Эксплуатационные свойства автомобилей с газовыми двигателями, в срав­нении с бензиновыми оцениваются следующим образом:

· пусковые качества до температуры окружающего воздуха до -5 °С равно­ценны. При более низких температурах пуск двигателя, работающего на сжиженном газе, затруднен;

· ухудшаются на 5-8% динамические качества автомобиля;

· увеличивается мощность и топливная экономичность газовых двигателей, так как в связи с высокими антидетонационными свойствами сжиженных га­зов (их ОЧ превышает 100 единиц) в газовых двигателях можно применять более высокие степени сжатия, хотя теплотворная способность сжатого га­за на единицу объема и меньше, чем у бензина;

· при правильной регулировке и нормальном оптимальном режиме работы системы подачи газового топлива значительно снижается токсичность отра­ботавших газов: по окиси углерода — в 3-4 раза, по окислам азота в 1,2-2 раза, по углеводородам в 1,2-1,4 раза и более;

· увеличивается в 2-2,5 раза продолжительность работы масла между заме­нами, из-за улучшения процессов испарения и смесеобразования жидкого топлива, исключения смывания смазки с зеркала цилиндров двигателя, уменьшения разжижения и загрязнения масла различными примесями;

· повышается надежность и ресурс двигателей до ремонта в 1,4-2 раза, за счет снижения износов деталей цилиндро-поршневой группы, улучшения условий работы свечей зажигания и уменьшения нагарообразования;

· автомобили, работающие на сжиженном газе, имеют такой же запас хода, как и автомобили, работающие на бензине;

· увеличивается на 3-5% трудоемкость работ по обслуживанию и ремонту га­зобаллонных автомобилей.

 

Свойства сжатых газов

Основные компоненты сжатых газов — метан СН4, окись углерода СО и водо­род Н2 — получают из горючих газов различного происхождения (природных, по­путных, нефтяных, коксовых и др.). В попутных газах в зависимости от месторо­ждения нефти содержание метана может находиться в пределах 40-82%.

По опасности воспламенения сжатые газы значительно безопаснее бензина.

В качестве преимуществ использования сжатого природного газа как ав­томобильного топлива при сравнении с бензином следует отметить следую­щие:

· увеличивается в 2-3 раза продолжительность работы масла между замена­ми из-за отсутствия его разжижения и уменьшения загрязнения и, как след­ствие этого, расход масла снижается на 30-40%;

· увеличивается в среднем на 35-40% ресурс двигателя вследствие отсутст­вия нагара на деталях цилиндро-поршневой группы;

· увеличивается на 40% срок службы свечей зажигания;

· увеличивается в 1,5 раза межремонтный ресурс двигателей;

· снижается до 90% выброс с отработавшими газами вредных веществ, осо­бенно окиси углерода СО.

Наряду с преимуществами использования сжатого природного газа как авто­мобильного топлива следует отметить следующие его недостатки:

· увеличивается на 7-8% трудоемкость обслуживания и ремонта, а также в среднем на 27% цена автомобиля из-за наличия дополнительной газобал­лонной аппаратуры;

· снижается на 18-20% мощность двигателя и, как следствие этого, ухудша­ются тягово-динамические и эксплуатационные характеристики автомоби­лей: увеличивается время разгона на 24-30%; уменьшается максимальная скорость автомобиля на 5-6%; уменьшаются предельные углы преодолева­емых подъемов на 30-40%; затрудняется эксплуатация автомобиля с при­цепом; уменьшается дальность ездки на одной заправке газом, которая не превышает 200-250 км;

· снижается на 9-14% грузоподъемность автомобилей в связи с применени­ем тяжелых стальных баллонов высокого давления.