Васильева Л.С. Автомобильные эксплуатационные материалы

Подождите немного. Документ загружается.

Глава 5

ГАЗООБРАЗНЫЕ

УГЛЕВОДОРОДНЫЕ ТОПЛИВА

При непрерывном росте автомобильного парка в стране и

росте стоимости нефти применение газообразного топлива

приводит к высвобождению жидких моторных топлив (до

10 тонн на один грузовой автомобиль или автобус в год), а так-

же к уменьшению загрязнения окружающей среды вредными

веществами, содержащими в отработавших газах двигателей,

на 75-95% по окиси углерода и углеводородам и на

30-60%

по

окиси азота по сравнению с бензиновыми автомобилями того

же типа.

Запасы природного газа в нашей стране значительны. Доста-

точно велики ресурсы газового конденсата - отличного сырья

для получения сжиженного газа, особенно пропана, бутана и их

смесей. Поэтому именно природный газ и продукты его перера-

ботки должны в перспективе заменить значительное количество

традиционных нефтяных моторных топлив и в первую очередь

на автомобильном транспорте.

Быстрыми темпами растет количество автомобилей рабо-

тающих на газообразном топливе. Перевод транспорта на газ

осуществляется путем переоборудования автомобилей в газо-

баллонные (ГБВ). Разработаны конструкции и освоено произ-

водство комплектов газобаллонного оборудования для пере-

оборудования автомобилей марок - ЗИЛ, ГАЗ, МАЗ, КамАЗ,

ВАЗ, АЗЛК, некоторых автобусов и многих зарубежных авто-

мобилей, которые устанавливаются одновременно со штатны-

ми системами питания (табл. 5.1). Для заправки автомобилей

построена широкая сеть автомобильных газонаполнительных

станций (АГНКС).

Таблица 5.1

Комплекты газобаллонного оборудования (ГБА) для автомобилей

Автомобиль

АЗЛК-2141-02

АЗЛК-2335

ВАЗ-2101...2107

ВАЗ-2121

ГАЗ-3221

"Газель"

(8 мест)

ГАЗ-3221

"Газель"

(13

мест)

ГАЗ-330210

"Газель"

ГАЗ-330211

"Газель"

ГАЗ-3307

ГАЗ-52-27

ГАЗ-52-28

ГАЗ-53-12

ЗИЛ-431410

ЗИЛ-431510

ЗИЛ-431610

ЗИЛ-433100

Икарус-250

Икарус-260

КамАЗ-5320

ЛАЗ-42021

ЛАЗ-695Н

ЛАЗ-699Р

ЛиАЗ-5256

ЛиАЗ-677М

ПАЗ-3205

УАЗ-2206

УАЗ-303

Модель ГБО

ГБА-211

Р-132

ГБА-212

Р-134

ГБА-210

ГБА-212

ГАЗ-3221 "Газель"

"Сага-7"

ИПФ

"Газель"

Р-

131

ГАЗ-3302

"Газель"

КТШ-4

10.800

"Газель" ГБА-240

ГАЗ-3307

Р-1

ГАЗ-52.53ГБА-291

ЗИЛ-

130

АВСТР.

454400.290

ЗИЛ-4316ГБА-290

ЗИЛ-4331

ГБА-292

Икарус-250, 260, 280,

283 Р-04462

Икарус-250,

260.

10,

280, 283

ГБА-601

ГБА-450

ГБА-500

ГБА-502

ГБА-500

ГБА-501

ТШ-408.800

УАЗ-469 А ТШ-

402.800

УАЗ-3303 А ТШ-

359.800

Изготовитель

ЗАО "Автосистема"

ОАО

"РЗАА"

ЗАО "Автосистема"

ОАО "РЗАА"

ЗАО "Автосистема"

"Сага"

ОАО "РЗАА"

ЗиФ

(Завод им.

М.В.

Фрунзе)

ЗАО "Автосистема"

ОАО "РЗАА"

ЗАО "Автосистема"

ОАО "РЗАА"

ЗАО "Автосистема"

ЗиФ

(Завод им. М.Ф. Фрунзе)

ЗиФ

(Завод им. М.Ф. Фрунзе)

ЗиФ

(Завод им. М.Ф. Фрунзе)

121

5.1. ОБЩИЕ ТРЕБОВАНИЯ К КАЧЕСТВУ ГАЗОВЫХ

ТОПЛИВ,

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ, КЛАССИФИКАЦИЯ

Основными требованиями, предъявляемыми к качеству топ-

лив

для газобаллонных автомобилей, являются следующие:

- они должны обладать хорошей смешиваемостью с возду-

хом для образования однородной горючей смеси;

- высокой калорийностью горючей смеси;

- высокой детонационной стойкостью;

- содержать минимальное количество смолистых веществ и

механических примесей, способствующих нагарообразованию и

загрязняющих систему питания двигателя;

- содержать минимальное количество веществ, вызывающих

коррозию поверхностей деталей, окисление и разжижение масла

в картере двигателя;

- образовывать минимальное количество токсичных и канце-

рогенных веществ в продуктах сгорания;

- сохранять стабильным состав и свойства по времени и в

объеме.

Физико-химические показатели основных углеводородных

газов входящих в состав газовых топлив для автомобильного

транспорта в сравнении с бензином представлены в табл. 5.2.

К естественным газам относятся легкие углеводороды, улав-

ливаемые при добыче нефти, и природные газы чисто газовых

месторождений.

Искусственные газы получают при переработке твердых и

жидких топлив. Их используют в том виде в каком их получи-

ли или смешивают с природными газами для снижения

взрыво-

опасности.

Использование газообразных топлив дает следующие преи-

мущества: экономится нефть; снижается токсичность отработав-

ших газов; улучшается топливная экономичность двигателя (ра-

бота на более бедной горючей смеси); снижается изнашивание

цилиндропоршневой группы и увеличивается срок службы мо-

торного масла (газовоздушная смесь не смывает масляную плен-

ку с зеркала цилиндров и не разжижает масло в картере); высо-

кая детонационная стойкость газообразных топлив позволяет

повысить степень сжатия двигателя, а следовательно, его мощ-

ность и топливную экономичность; исключается необходимость

подогрева впускного трубопровода, что увеличивает наполнение

цилиндров и связанную с этим мощность двигателя; улучшается

122

Таблица 5.2

Физико-химические свойства газообразных топлив

бензина

Углеводор

Метан Этан

Молекулярная

СН

С2^6

формула

Молекулярная 16 30

масса, кг/моль

Плотность жид- 416 546

кой фазы при

температуре ки-

пения и давлении

ЮОКПа,

кг/м

Плотность газо-

вой фазы при

нормальных ус-

ловиях (15 °С,

760 мм

рт.ст.),

кг/м

Относительная 0,554 1,048

плотность газо-

вой фазы (по

воздуху)

Критическое 4,58 4,88

давление (абсо-

лютное),

МПа

Критическая

-82,0

32,3

температура, °С

Температура ки- -161,5

-88,5

пения при давле-

нии ЮОКПа,

°С

Теплота сгора- 49,7 47,1

ния (низшая).

удельная,

МДж/кг

Теплота сгора- 33,8 59,9

ния (низшая)

объемная,

МДж/м

Теоретически 17,2 16,8

необходимое для

сгорания топли-

ва количество

воздуха, кг/кг

одные

газы

Пропан Бутан

СзНк

Н|о

44 58

114,2

584 600 735

1,562 2,091 3,78

4,20 3,60

96,8 152,9

-42,1

-0,5

35-205

45,9 45,4 43,93

85,6

111,6

213,18

15,7 15,6 14,9

123

Таблица 5.2 (окончание)

1»

Теплота сгора-

ния

горючей

смеси при коэф-

фициенте избыт-

ка воздуха а =

= 1,0,

МДж/м

Те

пл

отворность

горючей смеси

при

а =

= 1,ОМДж/м

Теоретически

необходимое для

сгорания

количество

воздуха,

/м

Углеводородные газы

Летан

Этан

3,22 3,40

9,52

16,66

Температура

680-750

508-605

воспламенения в

воздухе при ат-

мосферном дав-

лении в

°С

Температура

680-750

650-580

вспышки, °С

Пределы воспла-

менения объем-

ное,

нижний

верхний

Октановое число

(по исследова-

тельскому мето-

ду)

5,0 3,2

15,0 12,5

ПО 108

Пропан Бута

(

3,46 3,49 3,56

23,91 30,95 58,61

510-580

475-550

470-530

510-580

475-510

470-530

2,1 1,9

9,5 8,5

105 94

1,5

6,0

80-90

равномерность распределения горючей смеси по цилиндрам; уве-

личивается моторесурс двигателя вследствие отсутствия нагара

на деталях цилиндропоршневой группы и др.

В качестве газообразных топлив для автомобильных двига-

телей применяют:

- газ нефтяной сжиженный (ГСН) - пропан-бутановая смесь;

компримированный

(сжатый) природный газ

(КПГ)

- метан.

У нас и за рубежом ведутся работы по созданию технических

средств по применению на автомобилях криогенного топлива -

сжиженного природного газа (КПГ).

124

Так в США создана сеть стационарных автозаправочных стан-

ций, по заправке КПГ; ряд фирм выпускают газовую аппаратуру и

криогенное оборудование для применения его на автомобилях.

Фирма

"Кайзер-Бренкар"

выпускает криогенные баки вместимо-

стью от 70 до 500 л, рассчитанные на рабочее давление

-0,15

МПа

(1,5

кгс/см

), и топливные системы питания жидким газом, обеспе-

чивающие

беззапровочный

пробег до 450 км. Специалистами РАО

"Газпром" и ВНИИгаз было установлено, что применение ГСН в

качестве моторного топлива дает больший эффект чем при рабо-

те автомобиля на КПГ - удельные капиталовложения на производ-

ство снижаются на 25-30%, себестоимость производства ГСН ниже

на 40%, суммарные приведенные затраты на

производство-достав-

ку-распределение для ГСН ниже на

10-30%,

чем на КПГ.

При сжижении природного газа уменьшается объем газа

приблизительно в 600 раз (при обычных условиях) по сравнению

со сжатием газа; уменьшается система хранения ГСН на автомо-

биле в

3-4

раза, а объем в 1,5-3 раза. Грузоподъемность автомо-

биля при работе на ГСН и пробег на одной заправке близки с ха-

рактеристиками автомобиля, работающего на бензине.

Основными недостатками газовых топлив является: неудоб-

ство его транспортирования, хранения и содержание на автомо-

билях, их

взрывоопасность.

Кроме того, при работе на газооб-

разном топливе происходит снижение мощности на ГНС на

5-7%, на КПГ на 15-20% (если не изменять степень сжатия).

5.2. ГАЗ НЕФТЯНОЙ СЖИЖЕННЫЙ (ГНС)

(ПРОПАН-БУТАНОВАЯ СМЕСЬ)

Основные компоненты сжиженных газов (ГНС), как совре-

менного топлива для двигателей - это пропан

бутан

и их смеси. Получают эти углеводороды из газов, выходящих из

буровых скважин вместе с нефтью и из газообразных фракций,

получаемых при различных видах переработки нефтепродуктов

и каменных углей. Эти углеводороды, содержащие по 3, 4 атома

углерода, имеют высокую критическую температуру.

Повышением давления и понижением температуры можно

все газы превратить в жидкости. Для каждого газа имеется пре-

дельная температура, выше которой он не может быть сжижен

как бы не увеличивали давление (это и есть критическая темпе-

ратура) для этого необходимо понизить температуру.

Критическая температура представляет собой температу-

ру, при которой плотности жидкости и ее насыщенного пара ста-

новятся равными и граница раздела между ними исчезает.

Давление насыщенных паров при критической температуре

называется критическим давлением.

При температуре выше критической вещество может нахо-

диться только в газообразном состоянии независимо от внешне-

го давления.

Так как критические температуры пропана (+96,8 °С) и бута-

на (+152,9 °С) выше обычных температур окружающей среды,

оба углеводорода при небольшом давлении (без охлаждения)

можно перевести в жидкое состояние. К примеру, при +20 °С

пропан сжижается при

0,716,

а бутан - при 0,103

МПа.

Поэтому

компоненты ГНС - бутан и пропан могут храниться в сжижен-

ном состоянии при температуре от

-40

°С до +45 °С при давлении

до 1,6

МПа.

Газ нефтяной сжиженный (ГНС), который ранее назывался

сжиженным нефтяным газом (СНГ) регламентируется по

ГОСТ 27578-87 "Газы углеводородные сжиженные для автомо-

бильного транспорта" предусматривает выпуск двух марок: ПА -

пропан автомобильный (применяют при температуре до

-20...-35

°С) и ПБА - пропан-бутан автомобильный (применяют

при температуре до -20 °С).

Для более низких температур предусмотрено применение

ЭПА - этан-пропана автомобильного по ТУ

38.1011184-89.

Произ-

водство и поставка ЭПА для автотранспорта осуществляются толь-

ко по прямым договорам между поставщиками и потребителями.

По своим физико-химическим и эксплуатационным показа-

телям ГНС должен соответствовать следующим требованиям,

приведенным в табл. 5.3.

На автомобильные газонаполнительные станции поступает

также и газ по ГОСТ 20448-90

"Газы

углеводородные сжижен-

ные для коммунально-бытового и промышленного потребления.

Технические условия". По этим техническим условиям произво-

дятся топлива двух марок: смесь пропан-бутановая зимняя

(СПБТЗ) и смесь пропан-бутановая летняя (СПБТЛ), с содержа-

нием пропана 75% и 34% соответственно (табл. 5.4). Для этих га-

зов предусмотрены более широкие допуски на содержание ком-

понентов, в том числе вредных с точки зрения воздействия на

двигатель и топливную аппаратуру (например, серу и ее соедине-

ния, непредельные углеводороды и другие).

126

Таблица 5.3

Физико-химические

эксплуатационные

показатели ГНС

Показатели

ПБА

ПА

ЭПА

Массовые доли компонентов,

сумма метана и этана

пропан

сумма углеводородов

СдНю

и выше

сумма непредельных углеводородов,

не более

Объемная доля жидкого остатка при

+40

°С,

не более

Базовая температура (°С) для регламен-

тации максимального избыточного дав-

ления насыщенных паров 1,6 МПа

То же, для минимального давления

0,07

МПа

Массовая доля серы и сернистых сое-

динений,

не более

В том

числе

сероводорода,

не более

Содержание свободной воды и щелочей

Не нормируется

5±10

90±10

85±10

Не нормируется

Отсутствует

+45

-20

0,01

0,003

+30

-35

0,01

0,003

Отсутствует

Следы

-40

0,01

0,003

Таблица 5.4

Газы сжиженные для коммунально-бытового и промышленного

потребления

Показатель

ген

СПБТЗ

СПБТЛ

Компонентный состав по массе, %:

метан, этан, этилен, не более 4 6

пропан и пропилен, не менее 75 34

бутаны

и бутилен, не более 20 60

Жидкий остаток,

при температуре +20

°С,

1 2

не более

Давление насыщенных паров (избыточное),

МПа, при температуре:

°С, не более 1,6 1,6

-20 °С, не менее 0,16

Содержание сероводорода,

не более 5 5

Содержание общей серы,

не более 0,015 0,015

Запах должен ощущаться при содержании 0,5 0,4

газа,%

Таблица 5.5

Характеристики автомобильных баллонов

для хранения сжиженных газов (ГСН)

Параметр

Модели

автомобилей

ЗИЛ-431810

ГАЗ-52-08,

ГАЗ-53-07

Модели баллонов

11.4401011

Длина, мм:

с арматурой

200

без арматуры

Диаметр

наружный, мм 575

Толщина стенок обе- 4

чайки, мм

Полный объем, л 257,7

Объем полезный, л 232

Масса без газа, кг 96

11.4401011

1257

1150

490

4,5

190,4

171

75,5

ГАЗ-31,

УАЗ-33032

9365

1120

408

129

103

53.5

Газобаллонные установки для сжиженного газа являются

установками среднего давления. Сжиженные газы хранят в

баллонах (табл. 5.5), рассчитанных на рабочее давление

1,6 МПа (16

кг/см

В таких условиях даже чистый пропан на-

ходится в жидком виде, что позволяет эксплуатировать авто-

мобили на ГНС круглогодично на всей территории страны,

кроме южных районов в летнее время (где

выше 48,5°С).

Следует отметить, что давление насыщенных паров ГНС из-

меняется от 0,27 МПа (при -10°С) до 1,6 МПа (при 45°С). ГНС

характеризуется большим коэффициентом объемного расши-

рения. Повышение температуры на 1°С влечет за собой рост

давления в газовом баллоне на

0,6-0,7

МПа, что может приве-

сти к его разрушению. Чтобы этого не случилось, в нем пред-

усматривают паровую подушку объемом не менее 10% полез-

ной емкости.

Компоненты ГНС не обладают запахом, поэтому для обнару-

жения их утечек добавляют специальные продукты -

одоранты,

обладающие специфическим сильным запахом

- этил-

меркаптан), в количестве

0,2-0,3

г на 1000 м

газа. Запах должен

128

Модели автомобилей

3-31,

АЗЛК-2141

ВАЗ-2101-07;-08;

-09;

-10;

-11;

-12

ВАЗ-2101-07;-08;

-09;

-10;

-11;

-12

ВАЗ-2104;-08;

-09;

-10;

-II;

-12

Модели баллонов

9414

1050

325

7Х

9230

831

306

АГ-50

790

300

143

(тор)

580

(0 внешний)

225

ощущаться при содержании газа в воздухе не менее 0,5% об. ГНС

пожаро- и взрывоопасны. Так как пропан, бутан и этан имеют

ббльшие

по сравнению с метаном показатели плотности и тяже-

лее воздуха (см. табл. 5.1), они скапливаясь в канавах и на полу

рабочих зон автотранспортных предприятий, представляют

большую опасность по сравнению с метаном. По степени воздей-

ствия на организм человека они относятся к 4 классу.

Производство ГНС марок

ПА

и ЭПА, его транспортировка и

хранение допускаются при температуре окружающей среды не

выше +30°С для ПА и не выше +5°С для ЭПА.

Эксплуатационные качества автомобилей с газовыми двига-

телями, работающими на ГНС, (по сравнению с бензиновыми)

оцениваются следующим образом:

пусковые качества до -5°С равноценны. Запуск холодного

двигателя на ГНС при более низких температурах затруднен;

динамические качества ухудшаются на 5-8%;

перевод бензинового двигателя на питание ГНС при неизмен-

ной степени сжатия сопровождается снижением максимальной

его мощности на 5-7%;

5. Васильева Л.С.

129

при правильной регулировке и нормальном оптимальном ре-

жиме работы системы подачи газового топлива существенно

снижается токсичность отработавших газов: по окиси углерода -

3-4

раза, по окисям азота в 1,2-2 раза, по углеводородам в

1,2—4

раза и более;

срок смены масла увеличивается в 1,5-2 раза. Исключается

процесс испарения жидкого топлива. В камеру сгорания поступа-

ет газообразное топливо, которое к концу такта сжатия тща-

тельно перемешивается с воздухом и равномерно распределяется

по цилиндрам, смывание смазки с зеркала которых исключается.

Масло меньше разжижается и загрязняется;

мотресурс

и надежность работы двигателей увеличиваются.

Межремонтный пробег автомобилей на ГНС возрастает в

1,4-2

раза. Уменьшаются

износы,

улучшаются условия работы

свечей зажигания, уменьшаются нагарообразование и износы де-

талей

цилиндропоршневой

группы;

хотя трудоемкость технического обслуживания и ремонта га-

зобаллонных автомобилей возрастает на

3-5%,

тем не менее эти

затраты перекрываются увеличением пробега автомобилей ме-

жду ремонтом двигателей.

Одним из преимуществ применения ГСН по сравнению с

КПГ

- значительно большая концентрация тепловой энергии в

единице объема; меньшее давление в баллонах хранения газа и,

следовательно меньшие масса и стоимость. (Один 50-литровый

баллон, заправленный ГСН для автомобиля ВАЗ рассчитан на

500 км, а КПГ - только на 100 км.)

На рис.

5.1

показана принципиальная схема системы питания

газобаллонного оборудования при работе на сжиженном газе.

Как уже было сказано выше, такое оборудование устанавливает-

ся одновременно со штатными системами питания автомобилей.

Рис. 5.1. Принципиальная схема основных элементов газобаллонного оборудо-

вания, работающего на ГСН

I - дроссельная засклонка; 2 - смеситель; 3 - воздушная заслонка; 4 - дозатор газа;

5 - мембрана 2-й ступени; 6 - клапан 2-й ступени; 7 - рычаг клапана 2-й ступени; 8 -

по-

лость 2-й ступени; 9 - рычаг мембраны

1-й

ступени;

- регулировочный винт рычага

1-й

ступени;

- входной электромагнитный клапан; 12 - магистральный электромаг-

нитный клапан;

- заправочное устройство;

- заправочный электротиль; /5 -

пре-

дохрарительный

клапан; 16 - клапан обратный; 17 - рисечерй клапан; 18 - поплавок;

- магистральный вентиль; 20 - баллон; 21 - мембрана с клапаном

1-й

ступени; 22 - ка-

налы для охлаждающей жидкости; 23 - полость

1-й

ступени; 24 - винт

регулировочный

холостого хода; 25 - пружина; 26 - регулировочный винт клапана 2-й ступени; 27 - реду-

ктор низкого давления

131

При низких температурах запуск двигателя осуществляется

на бензине, а после прогрева двигатель переводится на работу на

газовое топливо. Смешивать оба вида топлива не рекомендуется,

так как это затрудняет пуск автомобиля. Автомобили, работаю-

щие на сжиженном газе, имеют такой же запас хода, как и авто-

мобили, работающие на бензине.

В соответствии со схемой (рис.

5.1)

сжиженный газ заправля-

ется через вентиль 14 в баллон 20. Наполнение баллона автома-

тически прекращается при всплытии поплавка 18, который свя-

зан с отсечным клапаном 17. Затем через магистральный вен-

тиль 19 газ подается к электромагнитному клапану

12,

пройдя

очистку от твердых примесей в фильтре клапана. Пройдя через

электромагнитный клапан газ поступает в редуктор низкого да-

вления (РНД-26) - в полостях первой

(23)

и второй (8) ступеней

происходит, снижение давления до близкого к атмосферному.

РНД подогревается жидкостью, поступающей из системы ох-

лаждения двигателя по каналам (22), для испарения жидкой фа-

зы газа. Из РНД газ поступает к дозатору газа 4 и в смеситель га-

за 2, откуда смесь поступает в цилиндры двигателя.

Включение подачи газа осуществляется при помощи переклю-

чателя в цепи электрической схемы, в которую включены обмот-

ки клапанов 11

12. Блокировка подачи газа выполняется при по-

мощи входного клапана

/У,

управляемого электронным блоком.

Сжиженные газы транспортируются в обычных железнодо-

рожных и автомобильных цистернах. Заправка ими автомобилей

осуществляется на стационарных специализированных автоза-

правочных станциях.

5.3.

КОМПРИМИРОВАННЫЙ

(СЖАТЫЙ)

ПРИРОДНЫЙ

ГАЗ(КПГ)

Компримированный

сжатый газ получают разными способа-

ми: непосредственно из газовых скважин, как продукт перера-

ботки нефти и путем фракционирования газового конденсата

или нефтяного попутного газа. Сжатый природный газ не толь-

ко может с успехом заменить жидкие моторные топлива, но и

превосходит их по ряду параметров. Его основное преимущество

состоит в том, что сжатый природный газ может использоваться

на автомобильном транспорте без дорогостоящей технологиче-

ской переработки.

132

Состав природных газов, добываемых на отечественных мес-

торождениях, достаточно однотипен. В основном (82-98%) это

метан

СН

с небольшими примесями (до 6%) этана

до 1,5%

пропана

и до 1% бутана

В попутных газах, добывае-

мых на нефтяных месторождениях, в зависимости от района до-

бычи содержание метана может колебаться в пределах от 40 до

82%, а бутана и пропана - от 4 до 20%.

Основной компонент - метан

СН

характеризуется наивыс-

шей критической температурой

(-82°С).

Поэтому при нормаль-

ных температурах даже при высоком давлении метан не может

быть сжижен: для этого необходима низкая температура.

Свойства метана определяются его молекулярным строени-

ем. Газ относится к простым углеводородам. Его молекула со-

держит на один атом углерода максимум водорода. Этим обусло-

влена высокая теплопроводность метана, широкий диапазон вос-

пламеняемости и низкое содержание токсичных составляющих.

Ввиду высокого содержания водорода в сжатом газе происходит

его более полное сгорание в цилиндрах двигателя, чем ГНС и

бензина. По сравнению с другими газами-углеводородами метан

намного легче воздуха, поэтому в случае утечки он скапливается

в верхней части помещения. Высокая детонационная стойкость

метана допускает форсирование двигателя по степени сжатия

(9,5-10,5).

По энергетическим параметрам 1 м

природного газа прирав-

нивают к 1 л бензина. В то же самое время природный газ обла-

дает очень низкой объемной концентрацией энергии. Если теп-

лота сгорания 1 литра жидкого топлива равна

31426

кДж, то у

природного газа она равна 33,52-35,62 кДж, т.е. почти в 1000 раз

меньше. Поэтому природный газ необходимо сжать до высокого

давления.

На автомобильных газонаполнительных компрессорных

станциях в России рабочее давление - 20 МПа.

Сжиженный метан получил в настоящее время распростра-

нение при передвижной заправке природным газом. Для этих це-

лей выпускаются передвижные

автогазозаправочные

установки

(ПАГЗ), работающие на сжиженном природном газе.

Для сжатого газа применяют газобаллонные установки (бал-

лоны, арматура, редуктор, газопроводы и др.), рассчитанные на

работу при высоком давлении - 19,6 МПа (200 кгс/см

). По мере

расходования газа из баллона непрерывно уменьшается и рабо-

чее давление в нем.

133

Таблица

5.6

Характеристика

газовых

баллонов

для

хранения

компримированного

газа

(КПГ)

Примечание

Отноше-

ние

массы

объему,

кг/л

с;

ев

iii

«2

Конструкция

Изготовитель

ill

чС

\О

— (NOO't'I

—

t"»

ОАО

Бесшовный баллон

из

19,6

219

1755

93 50

"Первоуральский углеродистой стали

новотрубный завод" (тип

)

АОА

Бесшовный баллон

из

19,6

219

1650

56 50

"Мариупольский легированной стали

металлургический (тип

комбинат

имени

Ильича"

(Украина)

ОАО"Орский

Металлопластиковый 19,6

254 882

23,7 34,2

машиностроитель- баллон

бесшовным

254

1102

28,9

44,1

ный

завод" стальным лейнером

322

1470 63,8

97 0

(тип

ОООНПФ

Металлопластиковый

19,6

320

2000

73 120 0

"Шторм" баллон

бесшовным

алюминиевым

лей-

нером (тип

Казанское

ОКБ

Композитный 19,6

219

2700

52 84 0

"Союз"

стеклопластиковый

514

1400

155 200 0

баллон (тип

4) 514

2290

260 350 0

525

2660

350 400 0

ДАО

Композитный 19,6

355 200 68 120 0

"Оргэнергогаз" стеклопластиковый

баллон (тип

Баллоны для КПГ имеют вместимость от

34—400

л, рассчитаны

на давление 19,6 МПа. Отечественная промышленность выпускает

автомобильные баллоны из стальных бесшовных труб или листо-

вых заготовок, а также из композитных материалов (табл. 5.6).

Поскольку баллоны для хранения сжатого газа изготавлива-

ются толстостенными, батарея из восьми таких баллонов доста-

точно тяжела. Следовательно, снижается и полезная грузоподъ-

емность автомобилей. Одновременно пробег автомобилей на

КПГ становится в 2 раза меньше, чем на бензине. Поэтому более

перспективной считают криогенную технологию хранения КПГ

на автомобиле. К тому же это направление считают этапным и

на пути создания водородных двигателей.

Компримированный (сжатый) природный газ (КПГ) ранее

назывался сжатым природным газом (СПГ) регламентируется по

ГОСТ 27577-2000 "Газ топливный компримированный для двига-

телей внутреннего сгорания" определяет физико-химические и

эксплуатационные показатели КПГ (табл. 5.7).

Таблица 5.7

Физико-химические показатели и эксплуатационные показатели КПГ

№ Наименование показателей Значения

1 Объемная теплота сгорания низшая,

кДж/м

не менее

31800

2 Относительная плотность к воздуху

0,55-0,7

3 Расчетное октановое число газа (по моторному мето-

105

ду)

4 Концентрация сероводорода, г/м

, не более 0,02

5 Концентрация меркаптановой серы,

г/м

не более 0,036

6 Масса механических примесей,

мг/м

не более 1,0

7 Концентрация паров воды,

мг/м

не более 9,0

8 Суммарная объемная доля негорючих компонентов, 7,0

не более

9 Объемная доля кислорода,

не более

Примечание. Значение показателей установлены при температуре 293К (20

°С)

давлении

0,1013

МПа.

В соответствии с ГОСТ на КПГ температура газа, заправля-

емого в баллоны автомобиля, должна быть не более

40°С.

При

температуре окружающей среды выше 35°С температура запра-

вляемого газа должна быть не более чем на 5°С выше темпера-

туры воздуха. Температуру КПГ при заправке определяют по

требованию потребителей.

135

Избыточное давление

КПГ

в момент окончания заправки ав-

томобилей должно быть

19,0-19,6

МПа.

Его определяют с помо-

щью манометров, установленных на газонаполнительных колон-

ках АГНКС.

Метод измерения количества отпускаемого газа и применяе-

мые измерительные средства должны обеспечивать измерение с

относительной погрешностью в пределах ±5%.

КПГ воспламеняется при температуре

635-645°С

в камере

сгорания двигателя, что в 3 раза выше температуры воспламене-

ния бензина.

Это затрудняет запуск двигателя, особенно при пониженных

температурах (ниже -5°С) окружающего воздуха. Поэтому на ав-

томобилях имеется резервная система питания бензином. В то

же время по опасности воспламенения и

пожароопасности

КПГ

значительно безопаснее бензина.

По токсичности КПГ характеризуется вредным воздействи-

ем на центральную нервную систему, вызывает раздражение

кожных покровов, слизистых оболочек глаз, верхних дыхатель-

ных путей. Предельно допустимая концентрация КПГ на рабо-

чих местах и в рабочих зонах установлена до 300 мг/м

(в пере-

счете на углерод). Определенные концентрации газа с воздухом

взрывоопасны: верхний предел воспламенения в смеси с возду-

хом -

15%(об.),

нижний -

4%(об.).

К положительным факторам применения КПГ можно отне-

сти следующие:

повышается срок службы моторного масла в

1,5-2,0

раза из-

за отсутствия его разжижения и уменьшения загрязнения; в ре-

зультате расход масла уменьшается на

30—40%

по сравнению с

бензиновыми двигателями;

увеличивается в среднем на

35—40%

моторесурс двигателя

вследствие отсутствия нагара на деталях цилиндропоршневой

группы;

увеличивается на 40% срок службы свечей зажигания;

увеличивается в 1,5 раза межремонтный пробег двигателя;

значительно снижается (до 90%) выброс с отработавшими га-

зами вредных веществ, особенно СО.

Двигатели газобаллонных автомобилей, работающих на

КПГ, если газ израсходован, могут быстро перейти на работу на

бензине. Сейчас это важно еще и потому, что сеть АГНКС раз-

вита недостаточно.

136

Как отмечалось, газовое топливо имеет высокую детонаци-

онную стойкость, что обеспечивает эффективную работу газо-

дизельных двигателей при неизменной степени сжатия. Номи-

нальная мощность двигателя, например КамАЗ-7409, одинакова

при работе в газодизельном и дизельном режимах. Отсюда прак-

тически неизменные

тягово-скоростные

качества автомобиля

при использовании КПГ.

При работе на газодизельной смеси

дымность

ОГ двигателя в

режиме свободного ускорения в

2-4

раза ниже, чем при работе

на дизельном топливе.

Наряду с преимуществами можно отметить следующие недо-

статки:

трудоемкость ТО и ТР увеличивается на 7-8%, а цена автомо-

биля возрастает в среднем на 27% из-за наличия дополнительной

газобаллонной аппаратуры;

мощность двигателя снижается на

18-20%.

Ухудшаются тяго-

во-динамические и эксплуатационные характеристики автомоби-

лей: время разгона увеличивается на

24-30%;

максимальная ско-

рость уменьшается на

5-6%;

предельные углы преодолеваемых

подъемов уменьшаются на

30-40%;

эксплуатация автомобиля с

прицепом затрудняется; дальность ездки на одной заправке газом

уменьшается (не превышает

200-250

км);

грузоподъемность автомобиля снижается на 9-14% в связи с

применением стальных баллонов высокого давления (их количе-

ство и вес могут быть разными);

коэффициент использования пробега газобаллонных авто-

мобилей снижается на

8-13%

по сравнению с бензиновыми;

годовая производительность при работе на городских пе-

ревозках уменьшается на

14-16%

по сравнению с бензино-

выми.

Рассмотренные особенности КПГ как топлива для автомоби-

лей позволяют определить и рациональную область применения

газобаллонных автомобилей: перевозки в крупных городах и

прилегающих к ним районах (приоритетное значение оздоровле-

ния воздушного бассейна).

Очевидна эффективность внутригородских перевозок на га-

зобаллонных автомобилях при обслуживании предприятий тор-

говли, быта, связи и других учреждений.

На рис. 5.2 представлена принципиальная схема питания ав-

томобилей, работающих на компримированном (КПГ) газе. За-

137

правка баллонов 20 высокого давления (19,6

МПа)

производит-

ся через заправочный узел

18,

заправочный вентиль

и рас-

ходный вентиль

19.

Затем газ подается к электромагнитному

газовому клапану

14,

пройдя очистку от твердых частиц в

фильтре этого клапана, и после его открытия электромагнит-

ного клапана газ поступает в редуктор высокого давления

(РВД), где происходит снижение давления до

1,0...

1,2

МПа. РВД

подогревается охлаждающей жидкостью, поступающей из сис-

темы охлаждения двигателя, с целью предотвращения замерза-

ния влаги, иногда находящейся в газе в виде примеси, по причи-

не падения температуры при редуцировании газа в РВД. Из

РВД газ поступает по трубопроводам в редуктор низкого давле-

ния (РНД), где давление газа снижается до близкого к атмо-

сферному и пройдя через дозатор газа 4 и смеситель газа 2 по-

ступает в цилиндры двигателя.

Резервная система питания бензином включает стандартный

бензобак, электромагнитный клапан-фильтр, бензонасос и кар-

бюратор-смеситель. Переход с одного типа топлива на другой

осуществляется с помощью электромагнитных клапанов.

Для автомобилей с дизельными двигателями выпускается га-

зобаллонное оборудование для работы на КПГ. Но так как КПГ

обладает плохой воспламеняемостью (температура воспламене-

ния метана 680

°С,

значительно превосходит температуру вос-

пламенения дизельного топлива, которое самостоятельно вос-

пламеняется в конце такта сжатия при 280

°С).

Для организации

работы дизеля на природном газе применяется газодизельный

процесс, заключающийся в подаче в цилиндры двигателя дозы

запального дизельного топлива, которая составляет 15-50% от

общего расхода топлива, обеспечивающей воспламенение газо-

воздушной смеси.

Газодизельный двигатель имеет две системы питания: ди-

зельную и газовую. При этом мощность двигателя остается на

уровне базового двигателя.

Переоборудование дизельных двигателей для работы по га-

зодизельному циклу позволяет:

- экономить до 75-80% дизельного топлива, путем замеще-

ния его природным газом;

- увеличить суммарный запас хода автомобилей при исполь-

зовании обоих видов топлива в 1,5-1,7 раза;

- снизить

дымность

отработавших газов дизеля в

2-4

раза.

139