Топливо для газовых двигателей

Введение

Дизели являются двигателями с внутренним смесеобразованием. В цилиндры дизеля воздух и топливо подаются раздельно и, смешиваясь в них с отработавшими газами, образуют рабочую смесь. При этом процесс смесеобразования совершается за очень малое время (порядка 0,001 с).

Газовыми называются карбюраторные двигатели, работающие на газообразном топливе — сжатых и сжиженных газах. Особенностью газовых двигателей является их способность работать также и на бензине.

Надежность узлов и компонентов, устанавливаемых на современные автомобили настолько высока, что при своевременном выполнении замены изношенных и вышедших из строя в результате старения материалов деталей вероятность внезапного их отказа крайне мала. Отказы редко происходят спонтанно и обычно являются следствием иногда продолжительного развития дефекта. Те же компоненты, которые могут выйти из строя неожиданно, обычно не являются жизненно важными для функционирования основных узлов и систем автомобиля, либо легко заменяются в дорожных условиях.

Основополагающим шагом при выявлении причин любого отказа является выбор точки начала поисков. Часто причина оказывается лежащей на поверхности, однако в некоторых случаях приходится потрудиться, проводя небольшое исследование. Автолюбитель, произведший полдюжины случайных проверок, замен и исправлений вполне имеет шанс обнаружить причину отказа (или его симптом), однако такой подход никак нельзя назвать разумным, ввиду его трудоемкости и бесцельности затрат времени и средств. Гораздо эффективнее оказывается спокойный логический подход к поиску вышедшего из строя узла или компонента.

Обязательно следует принять во внимание все предшествовавшие поломке, иногда незначительные, симптомы и настораживающие сигналы, такие как: потеря развиваемой двигателем мощности, изменение показаний измерителей, возникновение необычных звуков и запахов, и т.п.

 

1. Топливо для разных видов автомобилей

С момента появления первых двигателей внутреннего сгорания и до настоя­щего времени основными видами топлива для автотранспорта остаются продук­ты переработки нефти - бензины и дизельные топлива. Эти топлива представ­ляют собой смеси углеводородов и присадок, предназначенных для улучшения их эксплуатационных свойств. В состав бензинов входят углеводороды, выкипающие при температуре от 35 до 2000С, а в состав дизельных топлив - углеводороды, выкипающие в пределах 180-3600С. Производство топлива включает комплекс технологических процессов пере­работки нефти и нефтепродуктов.

Бензины

Бензин - это смесь легкокипящих жидких углеводородов различного строе­ния с температурой кипения 35...2000С, получаемая при перегонке нефти, осуш­ке природного газа, переработке твердых видов топлива и при вторичной пере­работке продуктов перегонки нефти (например, мазута). Наиболее важными для бензинов являются требования к детонационной стой­кости и фракционному составу, от которых зависят их эксплуатационные характе­ристики. Бездетонационная работа двигателя достигается применением бензина с требуемой детонационной стойкостью. Наименьшей детонационной стойкостью об­ладают нормальные парафиновые углеводороды, а наибольшей - ароматические углеводороды. Варьируя углеводородный состав, получают бензины с различной детонационной стойкостью, характеризуемый октановым числом (ОЧ). Октановое число - это цифра, показывающая антидетонационную стой­кость бензина. Чем выше ОЧ, тем выше стойкость бензина против детонации. Определение ОЧ производится на специальных моторных установках.

Суще­ствуют два метода определения ОЧ: - исследовательский (ОЧИ — октановое число по исследовательскому методу); - моторный (ОЧМ - октановое число по моторному методу). Численное значение ОЧИ больше ОЧМ. Буква "А" означает, что бензин авто­мобильный. Численное значение - это октановое число бензина. Наличие после буквы "А" буквы "И" означает, что октановое число определено по исследователь­скому методу. Если после буквы "А" нет буквы "И", то октановое число определено по моторному методу. Российскими стандартами предусмотрены следующие мар­ки бензинов: А-76, А-80, АИ-91, АИ-92, АИ-93, АИ-95, АИ-98. Наиболее важным конструктивным фактором, определяющим требования двигателя к октановому числу, является степень сжатия. Повышение степени сжатия двигателей позволяет улучшить их техни­ко-экономические и эксплуатационные показатели. При этом возрастает мощность и снижается удельный расход топлива. Однако с увеличением степени сжатия необходимо применять бензин с более высоким октановым числом. Поэтому важнейшим условием бездетонационной работы двигате­лей является соответствие октанового числа, применяемого бензина и сте­пени сжатия двигателя.

Следует подчеркнуть, что требуемое октановое число зависит не только от сте­пени сжатия, но еще от формы камеры сгорания, максимальной частоты вращения коленчатого вала, теплонапряженности двигателя, наличия наддува и других фак­торов. Поэтому, встречаются ДВС, у которых степень сжатия отличается на 1...2 единицы, а бензин для них рекомендован один и тот же. Для повышения детонационной стойкости бензинов в их состав вводят анти­детонаторы - вещества, которые при добавлении к бензину в относительно не­больших количествах резко повышают его антидетонационную стойкость. К их числу относятся антидетонаторы на основе ароматических аминов, соедине­ний ферроцена и марганца или их смесь.

С фракционным составом связаны такие характеристики двигателя, как его пуск, образование паровых пробок в системе питания двигателя, прогрев и при­емистость, экономичность и долговечность работы. Учитывая противоречивые требования к фракционному составу бензина в части содержания низкокипящих фракций с позиций обеспечения пуска двигате­ля, с одной стороны, и образования паровых пробок, обледенения карбюратора и потерь на испарение - с другой. У нас в стране вырабатываются два вида бензинов - зимний и летний. Эти бензины имеют оптимальный фракционный состав для определенных темпе­ратурных условий и позволяют без осложнений эксплуатировать автомобили в различное время года. Все отечественные стандарты предусматривают содержание в бензинах серы (до 0,05...0,10%) и фактических смол (до 30...100 мг/л). Эти включения вызывают вредные отложения и коррозию деталей ДВС. В соответствии со стандартами бензины не должны содержать воду, механические примеси, водорастворимые кислоты и щелочи, однако на практике встречаются слу­чаи существенного отклонения от этих требований.

Дизельные топлива

Дизельное топливо (ДТ) для автомобильных дизелей изготавливают из дистиллятных фракций прямой перегонкой нефти, а также из дистиллятных фрак­ций, подвергнутых гидроочистке и депарафинизации с добавлением до 1% изопропилнитрата для повышения цетанового числа. ДТ состоит в основном из двух компонентов: легко воспламеняемой жидкости (цетана) и плоховоспламеняющегося метилнафталина. Наиболее важными эксплуатационными свойствами дизельного топлива яв­ляются его воспламеняемость и прокачиваемость. Воспламеняемость топлива характеризует его способность к самовос­пламенению. Цетановое число (ЦЧ) - это процентное содержание цетана в дизельном топливе по отношению к метилнафталину.

Цетановое число (ЦЧ) характеризует способность топлива к самовос­пламенению. Чем выше ЦЧ, тем лучше топливо самовоспламеняется. Повышение ЦЧ улучшает самовоспламеняемость топлива при конкретных условиях, что способ­ствует облегчению запуска дизеля. Оптимальный диапазон для ЦЧ = 45...50 единиц. Если ЦЧ ниже 45, то это приводит к "жесткой" работе дизеля (см. Раздел 1, п. 5.6), а если выше 55, то топ­ливо слишком рано воспламеняется, не успев хорошо перемешаться с воздухом. Последнее ухудшает эффективность и полноту сгорания топлива, увеличивая тем самым его расход. В различных российских стандартах на дизтопливо ограничение по мини­мальному значению цетанового числа неодинаково и принадлежит диапазону 35...45. По стандартам Швеции, например, цетановое число должно быть не ме­нее 47...50, в Калифорнии - не менее 48. Прокачиваемость дизтоплива характеризует способность топлива к перете­канию в системе питания дизеля от топливного бака до распылителя форсунки. Прокачиваемость зависит от свойств применяемого дизтоплива (температуры помутнения, предельной температуры фильтруемости, температуры застывания, содержания механических примесей и воды) и конструктивных особенностей си­стемы питания и фильтрации топлива.

Тф - предельная температура фильтруемости - это температура, при ко­торой топливо при охлаждении в определенных условиях перестает проходить через специальный топливный фильтр.

Тп - температура помутнения - это температура, при которой в процессе охлаждения топливо теряет прозрачность.

Тп близка к Тф. Помутнение вызвано выпадением высокоплавких углеводо­родов (парафинов, алканов) в виде кристаллов, способных забить собой топлив­ные фильтры. Поэтому рабочая температура применения дизтоплива должна быть выше температуры его помутнения.

Тг - температура застывания (гелеобразования) топлива - температура в про­цессе охлаждения дизтоплива, при которой топливо в специальном приборе, накло­ненном под углом 45⁰С, сохраняет неподвижность в течение 1 минуты. Этот показа­тель служит для оценки возможности заправки, транспортирования, слива и перели­ва дизельного топлива при отрицательных температурах окружающего воздуха. За нижний температурный предел применения любого дизельного топлива принимают температуру, которая на 3...5⁰С выше температуры помутнения. Экс­плуатационную оценку принято производить также по температуре застывания, руководствуясь следующим правилом: самая низкая температура окружающего воздуха, при которой возможно применение данного дизтоплива, должна быть на 10...15⁰С выше температуры застывания. Марки отечественного дизтоплива устанавливают в зависимости от ус­ловий применения. ГОСТ 305-82 предусматривает дизтопливо:

§ Л - летнее: для эксплуатации при температуре окружающего воздуха 0⁰С (Цельсия) и выше.

§ 3 - зимнее: а) для эксплуатации в умеренной климатической зоне при температуре окружающего воздуха -20⁰С и ниже (Тг = -35⁰С); б) для эксплу­атации в холодной климатической зоне при температуре окружающего воз­духа -30⁰С и ниже (Тг = -45⁰С).

§ А - арктическое: для эксплуатации при температуре окружающего воз­духа -45⁰С и ниже (Тг = -55⁰С).

Дизельные топлива, как и бензины, имеют условные обозначения. В обозначение летнего дизтоплива входит массовая доля серы и температура вспышки. Например, Л-0,2-40 означает: массовая доля серы 0,2%, темпера­тура вспышки 40⁰С. В обозначение зимнего дизтоплива входит массовая доля серы и температура застывания. Например, 3-0,4-35 означает: массовая доля серы 0,4%, температура застывания минус 35⁰С. В обозначение арктического дизтоплива входит только массовое содержание серы.

По сравнению с бензинами в отечественных дизтопливах содержание серы существенно больше (в 5-10 раз). Для дизтоплива содержание серы строго нор­мируется по двум составляющим: по общей сере (обычно не более 0,2...0,5%) и меркаптановой сере (обычно не более 0,01%). При сгорании из серы образуются ее оксиды, которые оказывают коррозион­ное воздействие на металлы - детали ЦПГ. При низких температурах оксиды се­ры легко растворяются в капельках воды, образуя сернистую и серную кислоты.

Наиболее агрессивными по коррозии являются меркаптаны и сероводород. От содержания в дизтопливе серы существенно зависит срок службы дизеля. Чем больше серы, тем интенсивнее коррозионное изнашивание дизеля, поэтому в промышленно развитых странах содержание серы в дизтопливе ограничено более жесткими стандартами. Так, в Калифорнии содержание серы ограничено значе­нием 0,05%, что в 4... 10 раз меньше по сравнению с российскими видами дизтоп­лива, а в Швеции требования к содержанию серы еще более строгие.

Важным эксплуатационным свойством дизельного топлива является его склонность к образованию нагара и лаковых отложений в двигателе. Отложения приводят к нарушениям в работе двигателя, что ухудшает его тех­нико-экономические и экологические показатели. Количество вредных отложе­ний в двигателе возрастает при увеличении содержания в дизтопливе серы и сер­нистых соединений, фактических смол, непредельных и ароматических углеводо­родов (йодного числа), несгораемых неорганических соединений (зольности).

Повышение зольности топлива увеличивает износ деталей ЦПГ и топ­ливной аппаратуры дизеля.

Все отечественные стандарты не допускают наличие в дизтопливе воды и механических примесей. Однако на автозаправочных станциях этим требовани­ям дизтопливо соответствует крайне редко. Концентрация фактических смол в дизтопливе российскими стандартами ог­раничена и для разных топлив не должна превышать 200...400 мг/л, т.е. в сред­нем она в 4 раза выше, чем у российских бензинов.

Соляр, Солярка, Соляровое масло - это продукт прямой перегонки нефти, который используется как топливо в некоторых типах дизельных двигателей. Продукт имеет вязкость 5 - 9 мм2/с. и температуру кипения около от 240 до 400°С. Используется такой вид топлива на дизельных судах, тепловозах и тракторах с низко оборотистыми дизельными двигателями. Тогда как дизельное топливо в своем составе содержит углеводороды, которые имеют температуру кипения от 180 до 350°С и вязкость 2 - 4,5 мм2/с. Солярка и дизельное топливо - это два совершенно разных понятия. Использование соляра в современных автомобильных двигателях недопустимо. Судовой дизель двигатель на соляре

Топливо для газовых двигателей

Газовые баллоны. Существует два типа газовых баллонов для систем питания на сжиженном газе: цилиндрические и торосферические (по форме запасного колеса). Цилиндрические баллоны выполняются из листовой углеродистой стали сварными с продольным швом. В частности, завод «Калининградгазавтоматика» выпускает комплекты газового оборудования, предусматривающие использование цилиндрических баллонов вместимостью 50 и 65 л, а также торосферических баллонов на 60 л. Фирма «Калина» для газовой аппаратуры использует баллоны от 80 л (масса 34 кг) до 277 л (масса 83 кг), производимые в Пензе, а также выпускаемые в Турции торосферические баллоны вместимостью от 45 л (масса 27 кг) (масса50 кг).

 

Автомобильные баллоны для сжиженного газа фирмы Stako S.C. (Польша): цилиндрический (а)и тороcферический (б)

Фирма Stako S.C. (Польша) выпускает около 40 вариантов как цилиндрических, так и торосферических баллонов для сжиженного газа. Вместимость цилиндрических баллонов – от 50 до 230 л, торосферических – от 40 до 95 л.Грузовые автомобили оборудуются баллонами вместимостью от 115 до 274 л. На автобусы ПАЗ-3205 ставят по два баллона AD360/70. Фирма Mobil Gaz System (Пенза и Саранск) использует также цилиндрические баллоны фирмы Stako S.C. (Польша) вместимостью от 50 до 230 л и торосферические – от 34 до 95 л (для установки вместо запасного колеса). Существует много систем, выпускаемых другими производителями.

В настоящее время на автомобильном транспорте находят применение газобаллонные установки для работы на сжатом газе низкого и среднего давления от 1,2 до 5,0 МПа. Такие газобаллонные установки применяются в основном для городских автобусов, работающих на коротких маршрутах. Газобаллонные установки высокого давления, до 20 МПа, позволяют существенно увеличить пробег между заправками, но при этом намного возрастает масса баллонов, снижая полезную нагрузку автомобиля. Масса металлопластиковых баллонов для сжатого газа находится в пределах 21,4...33,5 кг при вместимости 34,4...51 л соответственно. Масса баллона на 50 л, выполненного из легированной стали, увеличивается до 60 кг.

Фильтр и редуктор высокого давления. Из баллона сжатый газ поступает в фильтр высокого давления. После фильтра устанавливают манометр и электромагнитный газовый клапан высокого давления. В редукторе высокого давления давление газа снижается с 19,6 до 0,6...1,1 МПа. К штуцерам редуктора для подогрева газа подводится жидкость из системы охлаждения двигателя. Дальше газ через клапан низкого давления поступает в газовый редуктор низкого давления и затем в смеситель.

Испарители, редукторы низкого давления и смесители. Их конструкция для пропан-бутана и метана аналогична. Редуктор-испаритель РГ-004 01 (см. рисунок) аналогичен по конструкции редукторам, применяемым в системах питания СНГ.

Редуктор высокого давления: 1 – рычаг; 2 – выход к редуктору низкого давления; 3 – мембрана и водяной патрубок; 4 – шпилька; 5 – пружина предохранительного клапана; 6 – дренажный канал; 7 – канал подвода газа; 8 – клапан высокого давления; 9 – патрубок охлаждающей жидкости

 

Подогрев осуществляется жидкостью из системы охлаждения двигателя, поступающей в полость Б. При переходе на питание газом напряжение сети подается в обмотку электромагнитного клапана 5, клапан открывается, и газ поступает в полость Д, давление в которой (0,04 ±0,002 МПа) определяется системой «клапан первой ступени 6 – мембрана 7 – торсионная пружина – упорный регулировочный винт». Испарившийся газ через клапан, управляемый рычагом 3 и диафрагмой второй ступени, поступает в полость В, в которой поддерживается давление +5...–10 мм вод. ст., и далее по трубке в смеситель. В редукторе расположен винт регулировки подачи газа на холостом ходу.

Газовые смесители. Газовый смеситель главной дозирующей системы имеет отверстия по окружности диффузора или кольцевую щель, через которую газ подается в смесительную камеру. Его можно устанавливать между воздушным фильтром и входным патрубком карбюратора. Например, газовые смесители НПФ «САГА» устанавливаются в полости воздушного фильтра автомобилей «ГАЗель».

На частичных нагрузках из кольцевого сечения смесителя газ с высокой скоростью проходит через щель приоткрытой дроссельной заслонки, что обеспечивает хорошее перемешивание его с воздухом. На полных нагрузках обогащение смеси осуществляется экономайзером, имеющим регулировочный винт для коррекции состава смеси.