Газообразное топливо

1. https://www.youtube.com/watch?v=5dZhmAvuqXc видеофильм

2. Стуканов, В. А. Автомобильные эксплуатационные материалы. Лабораторный практикум : учеб. пособие / В.А. Стуканов. — 2-е изд., перераб. и доп. — Москва : ИД «ФОРУМ» : ИНФРА-М, 2019. — 304 с. — (Среднее профессиональное образование). - ISBN 978-5-8199-0722-1. - Текст : электронный. - URL: https://znanium.com/catalog/product/999682 стр 67-72

1. Виды газообразных топлив и эксплуатационные требования к ним

Автомобильный транспорт - основной «потребитель» бензина и дизельного топлива. При их сгорании выделяются в виде отработавших газов вредные для человека и окружающей среды вещества. Кроме того, постоянный рост числа автомобилей приводит к сокращению запасов сырья для производства топлива - нефти.

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). Для установки на серийные автомобили с бензиновыми или дизельными двигателями выпускают комплекты газового оборудования

Виды газообразных топлив и эксплуатационные требования к ним.

Газообразные углеводородные топлива относятся к наиболее чистым в экологическом отношении моторным топливам. Выбросы токсичных веществ с отработавшими газами у газобаллонных автомобилей значительно ниже, чем у автомобилей с двигателями, работающими на бензине или дизельном топливе.

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. Если критическая температура газа ниже обычных температур эксплуатации автомобиля, его применяют, как правило, в сжатом виде (сжатый газ), а если выше - в сжиженном виде под давлением 1,5-2,0 МПа (сжиженный газ).

Сжатый газ при глубоком охлаждении можно перевести в жидкое состояние.

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).

Физико-химические и эксплуатационные свойства газообразных топлив существенно отличаются от бензинов и дизельных топлив.

К качеству топлив для газобаллонных автомобилей 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, способствующих образованию нагара на деталях двигателя;

- 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)

1. 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.

Свойства сжиженных газов определяются по параметрам отдельных углеводородов, входящих в смесь. 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). Так как критические температуры пропана (+97 °С) и бутана (+126 ⁰С) выше обычных температур окружающего воздуха, то оба углеводорода при небольшом давлении (без охлаждения) можно перевести в сжиженное состояние. Например, пропан при температуре +20 °С сжижается при давлении 0,716 МПа, а бутан - при 0,103 МПа.

Давление насыщенных паров сжиженных газов изменяется от 0,27 МПа при температуре -10 ⁰С до 1,6 МПа при температуре +45 °С.

Сжиженный газ характеризуется большим коэффициентом объемного расширения. Давление в значительной степени зависит не от количества газа в баллоне, а от температуры. Повышение температуры на 1 °С увеличивает давление в газовом баллоне на 0,6-0,7 МПа, что может привести к его разрушению. Поэтому, чтобы этого не случилось, в баллоне предусматривают паровую подушку (фазу). Степень заполнения (полезная емкость) автомобильных газовых баллонов должна быть в пределах 80-85%. Арматура автомобильных газовых баллонов имеет специальное устройство, автоматически прекращающее заправку баллона при достижении предельного уровня топлива.

Плотность паровой фазы газа оказывает влияние на массовый заряд газовоздушной среды, поступающей в цилиндры двигателя, а, следовательно, и на мощность и топливную экономичность. 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. Пуск холодного двигателя возможен на зимней марке топлива (ПА) при температуре окружающего воздуха от -5 до -7 °С. При более низких температурах в условиях безгаражного хранения необходимо использовать различные способы подогрева. Если они отсутствуют, то допускается пуск двигателя на резервном бензине, что ведет к дополнительному расходу бензина и снижает экономическую эффективность применения газобаллонного оборудования.

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 ⁰С), обладающий специфическим резким неприятным запахом в количестве 0,2-0,3 г на 1000 м³ газа. Его ощущают уже при минимальной концентрации - 0,19 г на 1000 м³ воздуха или газа, хотя норматив на ощущение запаха составляет более 0,5% от объема газа в воздухе. В некоторых случаях утечку газа можно определить на слух или с помощью специальных приборов.

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

Основные компоненты сжиженного топлива - пропан, бутан и этан - тяжелее воздуха. Таким образом, они, скапливаясь на полу помещений, представляют большую опасность.

Сжиженные газы хранят в баллонах емкостью 250 л, рассчитанных на рабочее давление 1,6 МПа. В таких условиях даже чистый пропан находится в жидком виде, что позволяет эксплуатировать автомобили на сжиженном газе круглогодично на всей территории страны, кроме южных районов в летнее время года, где температура выше +48,5 °С.

Промышленность выпускает газобаллонные автомобили двух типов: со специальными двигателями, работающими на газе, но в которых предусмотрена резервная система питания для кратковременной работы на бензине (мощность таких двигателей не уступает мощности базовых двигателей, а топливная экономичность выше, чем при работе на бензине); с универсальными двигателями, допускающими работу, как на сжиженном газе, так и на бензине (в этом случае мощность автомобильного двигателя снижается до 10%).

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.

1. 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%.

Из всех углеводородных газов метан содержит максимум водорода на один атом углерода и поэтому обладает высокой теплотворностью, достаточно широкими пределами воспламеняемости, низким содержанием токсичных веществ (СО и СН) в продуктах сгорания. Он характеризуется наивысшей критической температурой -82 °С и поэтому при нормальных температурах даже при высоком давлении он не может быть сжижен, так как для этого нужны низкие температуры.

Метан имеет высокую детонационную стойкость, что обеспечивает «мягкую» работу двигателя при использовании природного газа и позволяет форсировать двигатель по степени сжатия. Сжатый газ воспламеняется при температуре 635-645 °С в камере сгорания двигателя (в 3 раза выше температуры воспламенения бензина), что затрудняет запуск двигателя, особенно при пониженных температурах окружающего воздуха. При снижении давления метана в газовом редукторе высокого давления температура резко снижается (эффект Джоуля-Томсона). Например, при снижении давления с 10,0 до 1,0 МПа падение температуры газа составит около 30 °С. Поэтому, даже в летний период времени влага, содержащаяся в газе, может образовывать кристаллы льда и препятствовать при подаче газа в двигатель.

Таким образом, важными мероприятиями для надежной работы двигателей на сжатом газе являются: очистка (осушение) газа от воды при заправке на автомобильных газонаполнительных компрессорных станциях; своевременная замена фильтров в системе питания двигателя; эффективный подогрев газа перед снижением давления в редукторе, особенно в зимний период времени года.

Для метана доминирующим является давление заправки. Для сжатого газа применяют газобаллонные установки (баллоны, арматура, редуктор, газопроводы и др.), рассчитанные на работу при высоком давлении 19,6 МПа. По мере расходования газа из баллона рабочее давление в нем непрерывно уменьшается до предельного значения.

По токсичности сжатый газ характеризуется вредным воздействием на центральную нервную систему, вызывает раздражение кожных покровов, слизистых оболочек глаз, верхних дыхательных путей.

Метан намного легче воздуха и поэтому при утечках он улетучивается, скапливаясь в верхних частях помещения. Предельно допустимая концентрация газа на рабочих местах установлена до 300 мг/м³ (в пересчете на углерод).

По опасности воспламенения сжатые газы значительно безопаснее бензина. Определенные концентрации газа с воздухом взрывоопасны: верхний предел воспламенения смеси газа с воздухом по объему должен быть 15%, а нижний — 4%.

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.

Компонентный состав сжиженного нефтяного газа регламентируется ГОСТ 27578-87 «Газы сжиженные нефтяные. Топливо для газобаллонных автомобилей. Технические условия».

Стандарт предусматривает две марки газа: зимнюю — ПА (пропан автомобильный) и летнюю — ПБА (пропан-бутановая смесь автомобильная).

На автомобильные газонаполнительные станции часто поступает сжиженный газ зимней и летней марок по ГОСТ 20448-90 «Газы углеводородные сжиженные для коммунально-бытового и промышленного потребления. Технические условия». Этот стандарт имеет более широкие допуски на содержание компонентов, в том числе вредных с точки зрения воздействия на двигатель и топливную аппаратуру (сера и ее соединения, непредельные углеводороды и др.).

По этим техническим условиям сжиженные газы поступают двух марок: смесь пропан-бутановая зимняя (СПБТЗ) и смесь пропан-бутановая летняя (СПБТЛ)

В сжиженных газах, поставляемых для автомобильного транспорта, по техническим причинам может содержаться некоторое количество масла, поступающего из компрессоров и насосов.

Сжатый (компримированный — КПГ) природный газ отпускается на автомобильных газонаполнительных компрессорных станциях (АГНКС) по ГОСТ 27577-2000 «Газ природный топливный сжатый для газобаллонных автомобилей». Основные характеристики компримированных газов, установленные при температуре +20 ⁰С и давлении 0,1013 МПа

Переход с жидкого топлива на газовое увеличивает срок службы двигателя и продолжительность работы (до замены) моторного масла и свечей зажигания. Кроме того, в 2-5 раз снижается суммарная токсичность отработавших газов. Однако применение газового топлива имеет и недостатки. Один из них - затрудненный пуск двигателя на газовом топливе при низких температурах из-за образования ледяных пробок в топливной системе.