Газотопливное оборудование для автомобилей. Страница 1


ВВЕДЕНИЕ
Рост автомобильного парка неизбежно сопровождается уве­личением потребления жидкого топлива нефтяного происхожде­ния и значительным загрязнением атмосферного воздуха. В на­стоящее время транспорт нашей страны потребляет более поло­вины светлых нефтепродуктов, что составляет около 13 % всех энергоресурсов. Поэтому оптимизация структуры потребления автомобильным транспортом топлива нефтяного происхождения представляет одну из наиболее важных народнохозяйственных задач. Не менее острой является проблема уменьшения загряз­нения окружающей среды, особенно в крупных промышленных центрах. Решению этих вопросов способствует более широкое применение на автомобильном транспорте газобаллонных авто­мобилей, работающих на сжиженном нефтяном, сжатом и сжи­женном природном газах.
В «Основных направлениях экономического и социального развития СССР на 1986—1990 годы и на период до 2000 года» перед автомобилестроителями поставлена задача значительно расширить применение газобаллонных автомобилей, ускорить строительство газозаправочных станций.
Сжиженный нефтяной газ (СНГ) по физико-химическьм свой­ствам является высококачественным полноценным топливом для автомобильных двигателей. Основные компоненты СНГ—бутан и пропан, представляющие собой побочные продукты преиму­щественно добычи или переработки нефти.
Сжатый природный газ (СПГ) представляет собой полноцен­ное топливо для автомобильных двигателей, не требующее су­щественной технологической обработки. Расширение сети маги­стральных газопроводов, охватывающих большие территории страны, открывает благоприятную перспективу использования СПГ в качестве топлива для двигателей газобаллонных автомо­билей.
Народнохозяйственный эффект от применения СНГ и СПГ связан прежде всего с расширением номенклатуры традицион­ных топливно-энергетических ресурсов на автомобильном транс­порте и снижением выброса вредных веществ в атмосферу.
Газобаллонные автомобили, работающие на СНГ, по техни­ко-эксплуатационным показателям практически не отличаются от базовых моделей, работающих на бензине.
Сжиженный природный газ (СжПГ) также применяется в ка­честве топлива для автомобильных двигателей. Во многих стра­нах ведутся опытные работы по его использованию. В этом слу­чае газовое топливо должно храниться при низкой температуре (—161,4 °С) в теплоизолированных (криогенных) топливных баллонах. Однако такие системы хранения и питания более сложны в конструктивном отношении по сравнению с системами хранения и питания для СНГ и СПГ. На данном этапе приме­нение СжПГ носит поисковый характер и представляет собой пе­реходный период на пути к использованию водорода в качестве топлива.
В нашей стране разработано и освоено производство прак­тически всех базовых моделей автомобилей и автобусов, рабо­тающих на СНГ и СПГ. Дальнейшее развитие получают работы по переводу дизелей на комбинированное газовое топливо (газ и добавка дизельного топлива).
Снабжение народного хозяйства газобаллонными автомобиля­ми происходит в результате как производства новых, так и пере­оборудования эксплуатируемых автомобилей в условиях авто­ремонтных заводов (ЛРЗ) и автотранспортных предприятий (АТП). В настоящее время необходимо расширить рациональ­ную сферу применения газобаллонных автомобилей, разработать эффективные технологические процессы их технического обслу­живания и ремонта, разработать и внедрить новые модели по­движного состава.
ДЛЯ ГАЗОБАЛЛОННЫХ АВТОМОБИЛЕЙ
В настоящее время в качестве топлива для автомобильных двигателей СНГ и СПГ получают все большее распространение. Газовые топлива по агрегатному состоянию в баллонах делятся на два класса — сжатые и сжиженные. Последние подразделя­ются на сжиженные углеводородные газы нефтяного происхож­дения и сжиженные природные газы.
Основными источниками получения СНГ являются побочные продукты переработки нефти на газобензиновых заводах, кре­кинг-заводах по переработке нефтепродуктов при пиролизе нефти и нефтепродуктов, заводах по производству синтетических топ-лив методом гидрогенизации бурых углей. В зависимости от при­нятой технологии выход основных компонентов СНГ (бутан, про­пан, пропилен) может составлять 3... 10 % массы исходного сырья.
ПГ представляет собой смесь различных углеводородов ме­танового ряда, а также неуглеводородпых компонентов — азота, углекислого газа, сероводорода и гелия. Компонентный состав ПГ включает метан и группу более сложных углеводородов (этан, пропан и бутан). Основным компонентом ПГ является метан, который добывают непосредственно из газовых скважин. Некоторое количество метана получают в процессе переработки нефти, фракционирования газового конденсата или нефтяного попутного газа. Для применения ПГ на автомобильном транс­порте в качестве топлива не требуется его существенная техно­логическая переработка. В этом заключается одно из основных преимуществ использования ПГ в качестве топлива на автомо­бильном транспорте.
ЭКСПЛУАТАЦИОННО-ТЕХНИЧЕСКИЕ ТРЕБОВАНИЯ К ГАЗОВОМУ ТОПЛИВУ
Для обеспечения необходимых технико-эксплуатационных показателей газобаллонных автомобилей, работающих на СНГ или СПГ, к газовому топливу предъявляют специальные требо­вания.
Газ должен хорошо смешиваться с воздухом для образова­ния однородной горючей смеси, обеспечивать высокую теплоту сгорания горючей смеси, не детонировать при сгорании горючей смеси. Содержание в газе веществ, способствующих нагарообра-зованию и загрязняющих систему питания, а также вызываю­щих коррозию деталей, должно быть минимальным. При сгора­нии горючей смеси вредных веществ должно образовываться минимальное количество. Наиболее полно этим важным требо­ваниям отвечают СНГ и СПГ, применяемые в настоящее время на автомобильном транспорте в качестве топлива для автомо­бильных двигателей.
В состав СНГ входят преимущественно пропановые и бута-новые фракции, а также этан, этилен и другие компоненты. Тя­желые углеводороды, сера и ее соединения, различные механи­ческие примеси и влага относятся к загрязняющим веществам, поэтому их содержание в СНГ крайне нежелательно.
Основные компоненты СНГ позволяют формировать физико-химические и моторные свойства газового топлива. При приме­нении пропана может быть обеспечено оптимальное давление насыщенных паров в газовой смеси, что особенно важно для эксплуатации газобаллонных автомобилей в различных клима­тических условиях и в разное время года. По этой причине про­пан является желательным компонентом СНГ. Бутан относят к числу обладающих высокой теплотой сгорания и легко сжи­жаемых компонентов СНГ. Однако из-за низкого давления на­сыщенных паров бутан в нашей стране в чистом виде в качестве моторного топлива не применяют.
Наиболее жесткие требования предъявляются к стабильности состава СНГ, так как основные физико-химические свойства их составляющих существенно различаются.
Наряду с указанными компонентами в состав СНГ входят другие предельные и непредельные углеводороды: метан, этан, этилен, бутилен, пентаны и т. д. Суммарное их количество в при­меняемых СНГ не превышает 5 ... 6 %•
СНГ тяжелее воздуха, что характеризует его способность скапливаться в низких местах. Последнее необходимо обязатель­но учитывать в системе мероприятий по обеспечению безопасной эксплуатации газобаллонных автомобилей.
В настоящее время показателем качества СНГ и СПГ яв­ляется октановое число, с помощью которого оценивают детона­ционную стойкость углеводородных газов. Чем выше октановое число газа, тем он более стоек к детонации. Для большинства основных компонентов газов октановое число составляет 90... ... 120, т. е. выше, чем у лучших сортов автомобильных бензи­нов. Вместе с тем методы оценки детонационной стойкости жид­ких моторных топлив по октановому числу малопригодны для газообразных видов топлива. Это связано с тем, что детонаци-
онные характеристики пропана и бутана прямо противоположны детонационным характеристикам жидких моторных топлив.
Детонационную стойкость газовых топлив можно определить по метановому числу. В качестве одного из компонентов эталон­ной смеси используют метан, обладающий самой высокой стой­костью к детонации из всех применяемых на автомобильном транспорте углеводородов, в качестве легко детонирующего ком­понента— водород. Метановое число испытуемого газа соответ­ствует объёмному содержанию (в процентах) метана в эталон­ной смеси его с водородом, которая при работе специального газового двигателя на выбранных режимах вызывает такую же детонацию, как и испытуемое газовое топливо.
Выпускаемые по ГОСТ 20448—80 сжиженные газы для ком­мунально-бытовых целей иногда применяют в качестве топлива для автомобильных двигателей. Углеводородный состав данных газов изменяется в широких пределах. Поэтому при их исполь­зовании на автотранспорте не обеспечивается стабильность мощ-ностных, экономических показателей и показателей токсичности двигателей, а наличие примесей затрудняет работу газовой аппа­ратуры.
Опыт эксплуатации газобаллонных автомобилей показал, что наилучшие показатели газобаллонных автомобилей и прежде всего экологические могут быть получены только при строгой регламентации компонентного состава СНГ, используемого в ка­честве моторного топлива.
ГОСТ 27578—87 «Газы углеводородные сжиженные для ав­томобильного транспорта» предусматривает выпуск двух марок СНГ: ПА—пропан автомобильный [применяют при температу­ре до — (20... 35) °С] и ПБА — пропан-бутан автомобильный (при­меняют при температуре до —20 °С).
Физико-химические показатели углеводородных СНГ должны соответствовать нормам и требованиям, приведенным ниже.
Марка.......................ПА ПБА
Массовая доля компонентов, %:
метан н этан................* . -    Не нормируются
пропан................... . .90=Ь10 50±10
углеводороды С4 (н выше)............ Не нормируются
непредельные углеводороды, не более...... 6
Объемная доля жидкого остатка при ~}~40оС .... Отсутствует
Избыточное давление насыщенных паров, МПа:
при 4~45°С, не более............... 1,6
прн —35°С, не менее...............0,07 —
при —20°С, не менее...............— 0,07
Массовая доля серы и сернистых соединений, %, не
более........................ 0,01
в том числе сероводорода, не более...... . 0,003
Содержание свободной воды и щелочи....... Отсутствуют
Пропилен и бутилен, входящие в состав СНГ, являются пред­ставителями олефиновой группы, для которой характерна высо-
кая химическая активность, приводящая к смолообразованию в системе питания автомобильного двигателя. Последнее вызывает разрушение резино-технических элементов газовой аппаратуры. Кроме того, эти компоненты имеют сравнительно невысокое октановое число. Уменьшение непредельных углеводородов спо­собствует увеличению октанового числа СНГ.
СНГ пожаро- и взрывоопасны. По степени воздействия на ор­ганизм человека относятся к классу 4.
Санитарными нормами и правилами предельно допустимая концентрация в воздухе рабочей зоны (в пересчете на углерод) пропана установлена 300 мг/м3 и непредельных углеводородов, содержащихся в СНГ, 100 мг/м3. Предельно допустимая концент­рация углеводородов природного газа в воздухе рабочей зоны в пересчете на углерод также не должна превышать 300 мг/м3.
СНГ не имеют цвета и запаха, поэтому для обеспечения без­опасности при их использовании на автомобилях им придают особый запах — одорируют. Одоризация может быть осуществ­лена путем добавления пахучих веществ, позволяющих опреде­лять даже незначительные утечки СНГ из системы питания. В качестве одорантов для СНГ в СССР используют меркаптан (RHS) или его соединения. При содержании в СНГ меркапта-новой серы менее 0,001 % по массе производят их одоризацию. К числу наиболее легких компонентов меркаптана относят ме­тил- и этилмеркаптан.
В определенных концентрациях меркаптаны безвредны для организма человека и ие разрушают материалы, применяемые в системе питания. Запах одоранта, например этилмеркаптана, ощущается даже при содержании 0,19 г в 1000 м3 воздуха. Вме­сте с тем следует отметить, что меркаптан имеет особенность скапливаться в небольших количествах в моторном масле, систе­мах питания и выпуска.
В СНГ, поставляемом автомобильному транспорту, по техно­логическим причинам содержится некоторое количество масла, это в дальнейшем отрицательно сказывается на надежности ра­боты газовой аппаратуры и стабильности регулировок газового редуктора. Повышенное содержание масла в СНГ связано с тем, что в процессе транспортирования СНГ от завода-изготовителя до потребителя их несколько раз перекачивают. Для исключения загрязнения газа маслом в компрессорах и насосах, перекачи­вающих СНГ, применяют сухие гильзы, смазываемые графито­вой смазкой. Однако в ряде случаев устанавливают компрес­соры, использующие картерное масло, утечки которого загрязня­ют СНГ. Вода не должна присутствовать в СНГ. Масса воды, растворенная в СНГ, зависит от его компонентного состава, тем­пературы и состояния — жидкого или газообразного. Как в жид­кой, так и газообразной фазе СНГ растворимость воды в них заметно возрастает с ростом температуры.
ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА СНГ И СПГ
Сжиженными называют такие углеводородные нефтяные га­зы, которые переходят из газообразного состояния в жидкое при нормальной температуре (без дополнительного охлаждения) и сравнительно невысоком давлении.
СНГ. Основные характеристики — давление насыщенных па­ров, плотность газа, теплота сгорания, точка росы и элементар­ный состав. Физические свойства СНГ в значительной степени зависят от химического их состава.
Основные компоненты СНГ кипят при низких температурах, поэтому при нормальной температуре и атмосферном давлении они могут находиться только в газовой фазе. Для хранения СНГ в жидком виде необходимо повышать давление и тем больше, чем выше температура, что объясняется ростом давления насы­щенных паров СНГ. Пропан и бутан при температуре соответ­ственно 96,6 и 152,0 °С не могут существовать в жидкой фазе, даже в случае превышения давления соответственно 4,25 и 3,80 МПа. Такие параметры для пропана и бутана являются критическими.
Ниже приведены основные физико-химические свойства от­дельных составляющих СНГ.
Составляющая ....       Пропилен      Бутан        Пропан Бензин Химическая формула . С8Нв С4Н10 CSH8 CrHis
Молекулярная масса . 42,08 58,12 44,10 114,5
Плотность, г/см8: жидкой   фазы при
15°С и 0,1 МПа . . 0,522 0,582 0,509 0,720
газовой   фазы при
0°С и 0,1 МПа . . . 1,915 2,703 2,019 5,08
Относительная плот­ность газовой фазы (плотность воздуха при­нята за 1)....... 1,481 2,091 1,562 3,940
Температура кипения, вС . . . ........ —47,7 —0,50        —42,1       Не ниже
Объем паров прн ис- 35,0 парении 1  л жидкости,
м8 ........... 0,287 0,235 0,269 0,148
Низшая теплота сгора­ния, МДж/кг  ..... 45,650 45,431 45,973 43,995
Температура воспламе­нения, °С....... 475 ...550    475 ...550    510 ...580    470 «.530
Предел воспламеняемо­сти в смеси с воздухом, %:
нижний...... 2,00 1,80 2,4 1,50
верхний...... 11.1 8,40 9,5 6,0
Примечание. Приведенные параметры получены прн температуре ra­sa 15°С, ГОСТами предусмотрена температура 15... 20°С.
Давление насыщенных паров — давление паров в присутствии жидкой фазы. СНГ представляют собой насыщенные кипящие жидкости. При наличии свободной поверхности над жидкой фа­зой всегда возникает двухфазная система жидкость — пар. Дав­ление паров СНГ изменяется в зависимости от температуры жид­кой фазы. При температуре кипения СНГ давление насыщенных паров равно атмосферному. При повышении температуры внеш­ней среды до температуры, равной критической температуре ком­понентов газа, давление насыщенных паров резко возрастает.
Зная давления насыщенных паров, можно правильно рассчи­тать объем, который может занимать СНГ при определенной максимальной температуре внешней среды, а также обеспечить подачу жидкой и газовой фаз в систему питания двигателя.
Этан, входящий в состав СНГ в незначительных количествах, обладает достаточно высоким давлением насыщенных паров. По­следнее способствует поддержанию необходимого давления в баллоне при отрицательных температурах внешней среды. Бута-новая составляющая, которая включает нормальный бутан, изо-бутан, бутилен, изобутилен и другие изомеры, имеет высокую теп­лоту сгорания и легко сжижается. СНГ с большим содержани­ем бутана целесообразно применять при положительных темпе­ратурах окружающей среды, особенно в районах с жарким климатом.
Компоненты газовой фазы СНГ подчиняются физическим за­конам состояния газа. Равновесное состояние идеального газа характеризуется уравнением состояния Менделеева — Клапей­рона
pV=RT9
где р —абсолютное давление; V—молярный объем идеального газа (V=22,4 м3/моль при давлении 101,3 кПа и температуре 0°С); R-—газовая постоянная.
Компоненты газовой фазы СНГ несколько отличаются от со­стояния идельного газа, поэтому в уравнение Менделеева — Клапейрона необходимо ввести коэффициент сжимаемости Z, учитывающий уменьшение молярного объема газовой среды V при повышении давления по сравнению с молярным объемом идеального газа. Тогда уравнение состояния реального газа можно выразить в следующем виде:
pV=RTZ.
Отклонение объема реального газа от идеального можно определить с помощью уравнения Ван-дер-Ваальса. Для учета влияния температуры Т и давления р на отклонение объема ре­ального газа вводят коэффициенты а и b (называемые постоян­ными Ван-дер-Ваальса) в уравнение состояния идеального газа
(P+atV*){V-b)=RT.
<<< Предыдущая страница  1  2  3  4  5  6    Следующая страница >>>


1 A B C D E F G H I J K L M N O P Q R S T U V W X Y Z 
А Б В Г Д Е Ж З И К Л М Н О П Р С Т У Ф Х Ц Ч Ш Щ Э Ю Я