Преимущества и недостатки применения газовых топлив

Альтернативные виды топлив

 

Газообразные топлива

 

В настоящее время наибольшее распространение получили два вида газообразного топлива: сжиженный нефтяной газ (СНГ) и сжатый природный газ (СПГ). Существует ещё сжиженный природный газ, но он не получил широкого распространения из-за сложности криогеннных установок, необходимых для перевода газа в жидкое состояние.

 

Сжиженные газы

 

Основные компоненты сжиженных газов – это пропан С₃Н₈, бутан С₄Н₁₀ и их смеси. Получают их из газов, выходящих из буровых скважин вместе с нефтью и из газообразных фракций, получаемых при переработке нефти.

Оба углеводорода при небольшом давлении (без охлаждения) можно перевести в жидкое состояние. К примеру, при +20 ⁰С пропан сжижается при 0,716, а бутан - при 0,103 МПа.

Сжиженные газы хранят в баллонах, рассчитанных на рабочее давление 1,6 МПа. В таких условиях даже чистый пропан находится в жидком виде, что позволяет эксплуатировать автомобили на СНГ круглогодично на всей территории страны, кроме южных районов в летнее время (где t выше 48,5 ⁰С).

Для газобаллонных автомобилей в соответствии с ГОСТ 20448 – 90 выпускают сжиженные газы двух марок: СПБТЗ (смесь пропана и бутана техническая зимняя) и СПБТЛ (смесь пропана и бутана техническая летняя). В таблице 1 приведён состав этих газов.

 

Таблица 4.1 – Состав сжиженных газов

Содержание газов, % по массе	СПБТЗ	СПБТЛ
Метан, этан и этилен
Пропан и пропилен
Бутан и бутилен

 

В состав СНГ добавляют специальные вещества – одоранты, обладающие сильным запахом, так как СНГ обычно не имеют запаха и цвета, и обнаружить их утечку очень трудно. Наиболее распространённый одорант – этилмеркаптан С₂Н₅SH, его ощущают уже при концентрации 0,2 г на 1000 м³ воздуха или газа.

Автомобили, работающие на сжиженном газе, имеют такой же запас хода, как и автомобили, работающие на бензине. Сжиженные газы транспортируются в обычных автомобильных или железнодорожных цистернах. Заправка ими автомобилей осуществляется с помощью простых газозаправочных устройств. Автомобили, работающие на СНГ не рекомендуется запускать при температуре ниже –5 ⁰С. При низких температурах снижается надёжность газового оборудования, запуск двигателя затруднён.

Препятствием для дальнейшего расширения применения СНГ в качестве топлива является ограниченность ресурсов сжиженного нефтяного газа и большая ценность его, как сырья для химической промышленности. Более перспективен в этом плане сжатый природный газ. Следует учитывать огромные запасы этого газа, его дешевизну и высокий уровень развития газовой промышленности.

 

Сжатые газы

 

Основные компоненты сжатых газов – метан СН₄, окись углерода СО и водород Н₂ – получают преимущественно из природных газов (возможно получение из попутных, нефтяных, коксовых и других газов).

При высокой температуре, даже при высоком давлении эти газы не могут быть сжижены: для этого необходимы низкие температуры.

Для сжатого газа применяют газобаллонные установки, рассчитанные на работу при высоком давлении – 20 МПа.

Для заправки автомобилей применяют две марки сжатого природного газа (СПГ) – А (95 % СН₄ по объёму) и Б (90 % СН₄ по объёму).

На автомобиле СПГ храниться в толстостенных стальных баллонах ёмкостью по 50 литров. Батарея таких баллонов имеет достаточно большой вес (около 500 кг), в результате чего снижается грузоподъёмность автомобиля. Это же обстоятельство является основным препятствием использования СПГ на легковых автомобилях. Дальность ездки на одной заправке газом значительно меньше по сравнению с заправкой бензином и не превышает 200 – 250 км.

Более перспективной считают криогенную технологию хранения СПГ на автомобиле. Это направление является этапным на пути создания водородных двигателей

СПГ воспламеняется при температуре 630 – 645 ⁰С, что в три раза выше температуры воспламенения бензина. Это затрудняет запуск двигателя особенно при низких температурах.

 

Водород

 

В настоящее время всё более широко ведутся работы по применению в качестве топлива водорода, а также его смесей с бензином. Характерные особенности водорода заключаются в следующем:

- водород самый лёгкий элемент, даже в жидком состоянии он в 14 раз легче воды;

- в единице массы водород содержит в 3 раза больше тепловой энергии, чем все известные ископаемые топлива. Однако, чтобы его разместить, необходимы довольно большие объёмы;

- водород обладает способностью моментально смешиваться с другими газами и, в частности, с воздухом атмосферы;

- водород горит в газообразном состоянии с образованием паров воды. Для сжигания 1 кг водорода необходимо в 2 раза больше воздуха, чем для сжигания бензина;

- отработавшие газы при работе на водороде не содержат окиси углерода, углеводородов, окислов свинца, а окислы азота присутствуют в меньших количествах, чем при работе на бензине.

Использование водорода в чистом виде требует значительного усложнения конструкции системы питания и двигателя в целом. Но использование водорода в качестве добавки к бензовоздушной смеси не требует таких изменений. Эксплуатация автомобилей на бензоводородных смесях в условиях интенсивного городского движения позволяет экономить топливо нефтяного происхождения и при этом снизить загрязнение окружающей среды токсичными продуктами отработавших газов. Так, например, если расход бензина составлял 12,2 кг/100 км, то в данном случае он снизится до 5,5, а расход водорода составит всего 1,8 кг. При этом концентрация окиси углерода в отработавших газах снижается в 13 раз, окислов азота – в 5 раз, углеводородов – на 30 %.

Следует иметь в виду, что по стоимости водородное топливо не выше других синтетических топлив.

Основными факторами, сдерживающими широкое применение водородного топлива являются сложности, связанные с его хранением и распределением. Производство водородного топлива также связано с определёнными сложностями.

Преимущества и недостатки применения газовых топлив

 

Преимущества:

- снижается токсичность отработавших газов;

- увеличивается срок службы масла (в 2 – 2,5 раза);

- более мягкая работа двигателя (октановое число более 100);

- увеличивается моторесурс и надёжность работы двигателей;

- снижаются затраты на перевозки (низкая стоимость топлива).

Недостатки:

- ухудшаются пусковые качества двигателей при низких температурах;

- снижаются мощность и топливная экономичность двигателя (особенно на СПГ);

- увеличивается трудоёмкость технического обслуживания;

- увеличивается стоимость автомобиля (особенно на СПГ);

- повышается пожарная опасность эксплуатации автомобилей (особенно на СНГ).

 

Синтетические спирты

 

Всё большее развитие получают процессы синтеза жидкого искусственного топлива из угля, природного газа, известняка, бытовых отходов, отходов лесного хозяйства, растительных продуктов.

Из выпускаемых промышленностью синтетических спиртов практический интерес представляет метанол. В качестве сырья для производства метанола перспективны природный газ, нефтяные остатки и более всего угль.

Метанол и этанол при использовании их в качестве топлива для автомобильных двигателей характеризуются высоким октановым числом, меньшей по сравнению с бензинами теплотворной способностью, высокой скрытой теплотой испарения, низкой упругостью паров и температурой кипения (отсюда, однако, двойное снижение запаса хода автомобиля и ухудшение пусковых качеств двигателя). В то же время метанол, как автомобильное топливо обусловливает рост мощности и к.п.д. двигателя. При работе на нём обеспечивается снижение теплонапряжённости деталей цилиндропоршневой группы, закоксовывания и нагарообразования. К достоинствам применения чистого метанола можно отнести также ощутимое расширение пределов эффективного обеднения топливовоздушной смеси и пределов регулирования, существенное уменьшение токсичности отработавших газов.

Рассмотренные достоинства метанола не позволяют тем не менее рекомендовать его к повсеместному применению, так как сохранение технико – эксплуатационных показателей автомобиля в этих условиях влечёт за собой конструктивные изменения топливной аппаратуры, двигателя и в какой – то мере самого автомобиля. Поэтому в настоящее время метанол может быть практически использован в качестве добавки к бензину.