Газотопливное оборудование для автомобилей


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.
Значения постоянных Ван-дер-Ваальса для некоторых газов приведены ниже.
Ь, л/моль
0,00877 0,01060 0,00357 0,00259
0,00251 0,0028 0,00182 0.00165
Этан Метан Азот .
Абсолютное давление (в МПа) СНГ в баллоне (давление на­сыщенных паров) может быть определено через парциальные давления отдельных компонентов
где Х[ и pi — доля и давление (в МПа) £-го компонента в СНГ. Парциальное давление можно определить по формуле
где Кг — константа равновесия г'-го компонента в СНГ.
Давление насыщенных паров компонентов СНГ можно опре­делить с достаточной степенью точности по формуле (1), исполь­зуя метод последовательного приближения (итерационный ме­тод). В этом случае необходимо задавать произвольные значения абсолютного давления насыщенных паров сжиженного газа и его температуры. При заданных значениях давления и темпера­туры находят константы равновесия Ki, а затем, пользуясь фор­мулами (1) и (2), вычисляют давление насыщенных паров СНГ.
В зависимости от температуры газа насыщенные пары СНГ имеют широкие пределы изменения давления. При одной и той же температуре давление насыщенных паров различных углево­дородов неодинаково.
Изменение парциального давления насыщенных паров раз­личных углеводородов, входящих в состав СНГ, в зависимости от температуры показано на рис. 1.
Давление насыщенных паров оказывает заметное влияние на эффективность подачи газового топлива в двигатель. При отри­цательных температурах для надежной подачи газа в баллоне необходимо иметь достаточное избыточное давление.
К факторам, влияющим на давление внутри баллона, относят температуру и соотношение основных компонентов СНГ (про­пана и бутана). Изменение давления насыщенных паров Ар для различных составов СНГ в зависимости от температуры в бал­лоне показано на рис. 2. По графику можно определить гранич­ные температуры эффективной работы газобаллонных автомо­билей. Представленные зависимости позволяют выбирать ком­понентный состав СНГ для различных климатических регионов страны. Для смеси СНГ, состоящей из 80 % пропана и 20 % бу­тана, при температуре —25 °С давление насыщенных паров со-

ставляет 0,1 МПа, а при температуре +30 °С достигает 0,8 МПа.
СНГ обладают большим коэффициентом объемного расши­рения. При полном заполнении баллона (паровая подушка от­сутствует) далее незначительное повышение температуры может привести к резкому увеличению давления, которое в этом случае составит около 0,7 МПа на 1°С.
Расчетно-экспериментальные данные изменения объема газа в баллоне в зависимости от температуры газа приведены ниже.
Темпера­тура СНГ,
°С..... —10   —20     0 10      20      30 40      50      60 15
Пропан   . 86,2   91,4   92,2 98,7 101,7 104,7 109,1  113,8 119,3 100
Бутан   . . 90,8   94,3   97,4 99,0 101,1   103,0 105Л   107,5 109,8 100
В эксплуатационных условиях паровая подушка газового баллона для обеспечения, безопасной эксплуатации автомобиля должна иметь определенный объем. Объем паровой подушки, со­ставляющий 10 % полного объема, обеспечивает оптимальное давление в газовом баллоне при изменении температуры СНГ в пределах —10... +25°С. Повышение температуры газа в ука­занных пределах может произойти лишь при длительном хране­нии автомобиля с полностью заправленным баллоном. Поэтому при постановке автомобиля на длительное хранение часть газа из баллона должна быть израсходована. При эксплуатации ав­томобиля, когда газ постоянно расходуют из баллона, вероят­ность подобной ситуации практически исключена.
Плотность СНГ в жидком состоянии определяют при темпе­ратуре 15 °С и давлении, равном давлению насыщенных паров, а в газовом — при атмосфер­ном давлении и температуре 0 
и 15° С. Плотность СНГ в жид­ком состоянии, как и любой 
600
жидкости, не зависит от давле­ния и является функцией тем­пературы. Изменение плотно­сти основных компонентов СНГ в зависимости от его тем­пературы приведено на рис. 3. С увеличением температуры СНГ плотность компонентов уменьшается в результате теп­лового расширения. При нор­мальных атмосферных услови­ях и температуре 15° С плот­ность пропана в жидком состоянии составляет 510 кг/м3, а бутана 580 кг/м3. Плотность
550
500
Ь50
-10    О    10    20 J О    W   50 t;c
Рис. 3. Изменение плотности основ­ных компонентой СНГ в зависимо­сти от температуры: / —ч бутан; 2 — изобутан; 3 — пропан
пропана в газовом состоянии при атмосферном давлении и тем­пературе 15° С равна 1,9 кг/м3, а бутана — 2,55 кг/м3. При нор­мальных атмосферных условиях и температуре 15° С из 1 кг жидкого бутана образуется 0,392 м3 газа, а из 1 кг пропана 0,526 м3.
Относительная плотность основных газовых компонентов СНГ (по воздуху) составляет: для пропана 1,562, для бутана 2,091. В результате этого СНГ при наличии утечек могут скап­ливаться в искусственных (осмотровые канавы, траншеи и при­ямки) и естественных непроветриваемых углублениях, а также на поверхности земли, образуя взрывоопасную смесь.
Теплота сгорания —■ количество теплоты, выделяющееся при полном сгорании 1 м3 газа, при атмосферном давлении и темпе­ратуре 20 °С является одним из важнейших количественных по­казателей топливно-энергетических возможностей СНГ.
Различают высшую QB и низшую QH теплоту сгорания газа. При определении высшей теплоты сгорания газа учитывают всю теплоту, выделившуюся во время сгорания и отведенную от про­дуктов сгорания путем их охлаждения до начальной температу­ры. На практике образовавшиеся пары воды не конденсируются и уносят часть теплоты, затраченной на нагревание 1 кг воды от 0 до 100°С, которая равна 418,6 кДж.
При сгорании на испарение влаги, содержащейся в топливе и полученной от сгорания водорода, затрачивается теплота. По­этому для характеристики газовых топлив на практике приме­няют низшую теплоту сгорания газа, которая является стандарт­ной величиной.
Элементарный состав СНГ относят к числу наиболее важных оценочных параметров газа. Он позволяет судить о качестве СНГ. Зная элементарный состав СНГ, можно расчетным путем определить теплоту сгорания газа и количество воздуха, необ­ходимое для полного его сгорания. Теплота сгорания (в кДж/кг) газа может быть рассчитана по формуле
QK = 33210QC -f 109060QH. (3)
В формуле (3) состав СНГ представлен в объемных долях или в процентах. СНГ характеризуется углеродным числом, представляющим собой отношение молекулярных масс углеро­да и водорода.
Газовое топливо имеет более благоприятное, чем бензин, со­отношение С и Н. Углеродное число у современных бензинов составляет около 6, а у СНГ оно равно 4,9 (у ПГ 2,98). Более высокое содержание в газовом топливе водорода обеспечивает и его более полное сгорание в цилиндрах двигателя.
Точка росы паров СНГ при атмосферном давлении совпада­ет с температурой кипения. По мере увеличения давления точка
росы жидкой фазы СНГ заметно повышается. Бутан по сравне­нию с пропаном склонен к конденсации в большей степени.
СПГ. Они являются смесью различных углеводородов мета­нового ряда, а также неуглеводородных компонентов — серово­дорода, гелия, азота, углекислого газа и др. СПГ получают из ПГ непосредственно на газовых месторождениях или из попут­ных газов при разработке нефтяных месторождений. ПГ состоят в основном из метана (82 ... 98 %) с небольшими примесями эта­на {до 6 %), пропана (до 1,5 %) и бутана (дс 1 %). ПГ по разветвленной сети газопроводов поступает к газонаполнитель­ным станциям (АГНКС).
По теплоте сгорания СПГ можно подразделить на высоко­калорийные (Q„=23 ... 37,7 МДж/м3), среднекалорийные (QH" — 15... 23 МДж/м3) и низкокалорийные (QH=4,2 ... 15 МДж/м3). К высококалорийным газам относятся ПГ, канализационный или биогаз очищенный от углекислого газа; к среднекалорий-ным газам — коксовый газ, городской и некоторые промышлен­ные газы; к низкокалорийным — доменный, генераторный газы.
Средне- и низкокалорийные горючие газы в настоящее время для автомобильного транспорта в сжат ом виде не применяют. СПГ кроме горючих составляющих содержит некоторое количе­ство негорючих компонентов — азот, углекислый газ, пары воды. Для выравнивания теплоты сгорания в СПГ могут вводиться до­бавки пропана и бутана.
По токсикологической характеристике СПГ в соответствии с ГОСТ 12.1.005—76 относят к веществам класса 4. Предельно допустимая концентрация ПГ на рабочих местах и в рабочих зонах не должна превышать 300 мг/м3 (в пересчете на углерод). Определение содержания углеводородов в воздушной среде осу­ществляют при помощи газоанализаторов.
Газовое месторождение
Наименование
Северо-
Evrvtwc-
Ставро-
Медвежье
*JJ 1 У V3 v-
ланское
Ухтинское
Цашавское
польское
Двуокись угле-
Теплота сгора-
ния, кДж/м3
В зависимости от источника месторождения различие в со­держании метана в ПГ может достигать 23 %. Подобные откло­нения для моторного топлива крайне нежелательны. Компонент­ный состав ПГ различных месторождений представлен в табл. 1.
Из табл. 1 следует, что основной частью ПГ являются метан и группа более сложных углеводородов (этан, пропан, бутан).
Метан газ без цвета и запаха, мало растворим в воде, легче воздуха (относительная плотность по воздуху 0,55). Его относят к предельным углеводородам, молекулы которых состоят только из углерода и водорода. Высокое содержание водорода в СПГ обеспечивает более полное сгорание топлива в цилиндрах двига­теля по сравнению с СНГ и бензином.
Метан представляет собой полноценное топливо для автомо­билей с хорошими антидетонационными характеристиками и имеет достаточно высокий удельный термодинамический потен­циал. Характеристики метана приведены ниже.
Молекулярная формула.......... СН*
Молярная масса, кг/моль......... 16,03
Плотность   при   температуре 15°С и давлении 0Л МПа:
в газообразном состоянии кг/м8...... 0,717
в жидком состоянии, кг/л........ 0,42
Углеродное число............ 2,96
Температура кипения, °С......... —161,7
Удельная теплота испарения, кДж/кг   .... 515
Температура самовоспламенения (вспышки), °С 590 Низшая теплота сгорания:
в газообразном состоянии, кДж/м8 (кДж/кг) 33 800 (49 750)
в жидком состоянии, кДж/л....... 20 900
Относительная плотность (по воздуху)   .... 0,554
Коррозионная активность........ Отсутствует
Токсичность.............., Не токсичен
Температура горения, °С......                        .  .  , 2030
Прочие свойства  ..,.,,.«,,.*,     Цвета, запаха н вкуса не
ПГ по своим свойствам пригоден для использования в каче­стве топлива для автомобильных двигателей без значительной технологической обработки. Однако, как и любое топливо, газ должен пройти предварительную подготовку не только для хра­нения на автомобиле, но и для регламентации параметров, влияющих на эксплуатационные качества автомобиля.
СПГ должен быть стабилен не только по компонентному со­ставу, но и по содержанию различных примесей. Так, содержание жидкого остатка, представляющего собой группу тяжелых угле­водородов, например, пентана, в газе, не прошедшем технологи­ческую обработку, колеблется в широких пределах.
Наличие инертных газов в СПГ существенно влияет на ста­бильность показателей газовых двигателей. Зависимость тепло-
ты сгорания горючей смеси от содержания в ней инертных га­зов имеет линейный характер. Если в горючей смеси содержится 1 % инертных газов при коэффициенте избытка воздуха а= 1, О, то удельная теплота сгорания ее составляет 33 МДж/м3. Увели­чение содержания инертных газов до 10 % обедняет состав го­рючей смеси (а~--1,12) f а теплота ее сгорания уменьшается на 10%.
Заданные мощностные* топливо-экономические, экологические показатели двигателей, тягово-динамические качества автомоби­лей, а также их стабильность в эксплуатации могут быть до­стигнуты только при условии заправки автомобилей высокока­чественным газовым топливом.
Основные физико-химические свойства СПГ приведены ниже.
Низшая удельная теплота сгорания, кДж/м*....... 32 600... 36 ООО
Относительная плотность (по воздуху).......... 0,56... 0,60
Объемный стехиометрический коэффициент — минимальный объем воздуха, необходимый для полного сгорания I м8 га­за, м8/м3-....................... 9,6...10,2
Расчетное октановое число, не менее........... 105
Суммарная объемная доля негорючих компонентов, включая
кислород, %, не более................... 7,0
Содержание, не более:
влаги, мг/м8...................... 9,0
сероводорода, г/м*................... 0,02
меркаптановой серы, г/м*................ 0,036
механических примесей, мг/м*.............. 1
Одна из наиболее важных проблем при применении ПГ на автотранспорте связана с содержанием влаги в природном газе и его осушкой, так как содержание влаги в ПГ, перекачиваемых по магистральным трубопроводам нашей страны, может дости­гать больших величин. Наличие влаги в газовом топливе для автомобилей не должно превышать 9 мг/м3. На АГНКС этот по­казатель контролируют в начале и конце каждой рабочей смены. Наличие влаги в ПГ вызывает образование ледяных пробок в системе питания двигателя. Опыт эксплуатации показывает, что подобные явления наступают при содержании 15 ...30 мг/м3 вла­ги. Точка росы водяных паров составляет — 30 °С.
При заправке газового баллона в начальный период проис­ходит охлаждение газа. Понижение температуры газа связано с дроссельным эффектом Джоуля — Томпсона в процессе рас­ширения газа. При снижении давления на каждые 0,1 МПа тем­пература газа снижается на 2,5 °С. Кроме того, в результате торможения струи газа, входящего в баллон, происходит интен­сивный теплообмен между баллоном и газом. По мере увеличе­ния степени заполнения баллона дроссельный эффект снижает­ся, в результате чего повышается теплосодержание газа в бал­лоне по сравнению с его теплосодержанием в аккумуляторах АГНКС,

Рис. 4. Кривая конденсации метана:
I и II — области состояния метане соответствен­но газообразного в жидкого
Зр,МПа
СжПГ. При нормальных условиях ПГ не может быть полу­чен в жидком состоянии. В жидкое или твердое состояние ПГ могут быть переведены только при глубоком охлаждении, сопро­вождающемся значительными затратами энергии. На рис. 4 по­казана кривая кипения (конденсации) метана. В области темпе­ратур и давлений, лежащих правее и ниже кривой, метан нахо­дится в жидком состоянии (область /) и границы этой области определяют диапазон возможных условий получения и хранения жидкого метана.
Охлаждаемый до температуры —161,7 °С метан при атмо­сферном давлении переходит в жидкое состояние и уменьшается в объеме в 600 раз, плотность СжПГ газа 0,7 кг/л. Температура кипения сжиженного метана составляет —161,74 °С.
СжПГ можно транспортировать железнодорожным, автомо­бильным и водным транспортом в специальных изотермических баллонах, а также по изотермическим трубопроводам. Криоген­ную технологию хранения СжПГ на автомобиле считают более перспективной, чем способы хранения в сжатом виде.
Сжижают ПГ на специальных установках. Технология сжи­жения предусматривает и операции очистки, осушки, отделения тяжелых углеводородов, азота и других примесей. Номинальное рабочее давление в криогенном баллоне автомобиля, работаю­щего на СжПГ; в зависимости от конструкции баллона состав­ляет 0,07 ... 0,7 МПа.
Основными компонентами этого вида топлива являются ме тан (96 ... 97 %) и азот (3 ... 4 %). Другие составляющие ПГ со держатся в сжиженном виде в крайне незначительных количе ствах и ими можно пренебречь. Основные физико-химические свойства СжПГ приведены ниже.
Молярная масса, кг/моль....................16,043
Газовая постоянная......................8,314
Плотность при температуре 0°С и давлении 0,1 МПа, кг/м8 ... 0,7
Теплоемкость газа при температуре 15°С, кДж/кг........ 2,24
Температура, СС:
кипения...........................—161,74
затвердевания......... . . в............ —182,5
Критическое давление, МПа............... . . ч 4,73
Критическая температура, СС   .   ,  ...............—82,61
Относительная плотность (плотность воздуха принята за 1)   8 4 s 0,554
ОСНОВНЫЕ МОТОРНЫЕ СВОЙСТВА СНГ И СПГ
К основным свойствам газов относят детонационную стой­кость и теплоту сгорания в смеси с воздухом и теоретически не­обходимое количество воздуха для полного сгорания стехиомет-рической смеси. СНГ и особенно СПГ по детонационной стойко­сти превосходят лучшие сорта автомобильных бензинов.
СНГ. Свойства СНГ приведены ниже.
Компонент............ Бутан        Пропан Бензин
Октановое число по исследователь­скому (моторному) методу..... 95(89) 112(96) 93(85)
Теплота сгорания стехиометриче-ской смеси, МДж/м*........ 3,470 3,408 3,553
Теоретически необходимый объем воздуха для сгорания топлива, м5/м*
(м*/кг).............. 31,08(12,64) 23,98(12,81) 56,6(12,35)
Максимальная скорость распрост­ранения фронта пламени, м/с . . . 0,825 0,810 0,850
Температура горения стехиометрии ческой смеси, °С.......... 2057 2043 2100
Коэффициент молекулярного изме­нения при сгорании стехиометриче-
ской смеси............ 1,047 1,042 1,058
СНГ обладают сравнительно простыми структурами молекул, поэтому имеют более высокие октановые числа по сравнению с жидкими топливами нефтяного происхождения. Октановое чис­ло отдельных компонентов СНГ находится в пределах 85... 125. Влияние степени сжатия на мощностные и экономические пока­затели двигателя связано с высокой антидетонационной стой­костью газовых топлив. Детонационные характеристики газов и бензинов приведены в табл. 2.
Теплота сгорания характеризуется стехиометрическим соста­вом смеси и теоретически необходимым количеством воздуха для ее полного сгорания.
Топливо
Степень сжатия
Октановое число *
7,5... 8,5
Бензин А-76
Бензин АИ-93
* Данные без скобок получены моторным методом, дапные в скобках — исследовательским.
Стехиометрнческий коэффициент представляет собой массу (объем) воздуха, теоретически необходимого для полного его-
раиия топлива. При полном сгорании газ превращается в про­дукты полного окисления — углекислый газ и водяные пары:
С3Н8 + 502=ЗС02 + 4Н20; С4Н8 Нг 6,502 = 4С02 + 5Н20.
Для полного сгорания пропана на одну его молекулу прихо­дится 5 молекул кислорода, а бутана — 6,5 молекул кислорода. Содержание кислорода в воздухе, как известно, составляет 21,0%. Поэтому для полного сгорания 1 м3 пропана требуется 24 м3 воздуха, а для бутана 31 м3. При сгорании СНГ необхо­димая масса (объем) воздуха всегда будет больше по сравне­нию с массой бензина. Верхний предел воспламеняемости про-пан-бутановых смесей характеризуется содержанием 8,4 ... 9,9 % газа в воздухе, а нижний предел 1,8 ...2,4 %, пределы воспламе­нения бензина в смеси с воздухом составляют соответственно 6,0 и 1,5-%- Таким образом, пределы воспламенения СНГ на 15... 25% выше по сравнению с бензином.
Теплота сгорания газового топлива не эквивалентна теплоте сгорания горючей смеси, поэтому законы аддитивности при рас­четах не применимы. Для газообразных топлив теплота сгора­ния горючей смеси
где Ян — удельная теплота сгорания единицы объема газа, кДж/м3; /0 — стехиометрический коэффициент горючей смеси, м3/м3.
Выделение теплоты на единицу массы у СНГ несколько боль­ше, чем у бензина. Однако, если сравнивать выделение теплоты на единицу объема горючей смеси, то окажется, что при исполь­зовании СНГ оно снижается по сравнению с бензином на 6 ... 8%- С увеличением коэффициента а теплота сгорания горю­чей смеси газовых топлив уменьшается в меньшей степени по сравнению с жидкими топливами.
При переводе двигателя с жидкого топлива на СНГ при од­них и тех же режимах работы его мощность снижается. Причи­ны этого явления связаны в основном с уменьшением: теплоты сгорания горючей смеси; коэффициента наполнения цилиндра; коэффициента молекулярного изменения при сгорании газооб­разных топлив.
Поскольку СНГ поступает в двигатель только в газообразном состоянии, то в результате уменьшения коэффициента наполне­ния снижается мощность двигателя. Наиболее заметно (5... 10%) снижается мощность двигателя при высокой частоте вращения коленчатого вала. При небольшой частоте вращения, когда объём заряда смеси, поступающей в цилиндры двигателя,
сравнительно невелик, заметного снижения мощности не проис­ходит. Подогрев горючей смеси в газовых двигателях оказывает вредное воздействие на характеристики рабочего процесса. По­этому его нецелесообразно применять в современных газовых двигателях.
Коэффициент молекулярного изменения при сгорании газо­вых топлив несколько меньше, чем у жидких топлив. Это приво­дит к снижению индикаторных показателей двигателя, в резуль­тате чего ухудшается эффективность его работы.
СПГ. Основные свойства СПГ приведены ниже.
Теплота сгорания стехиометрической смесн, МДж/м3..... 3,219
Теоретический необходимый объем воздуха для сгорания топ­лива, м3/м3.......................... 9,52
Теплоемкость газа прн 15°С, кДж/кг............ 2240
Пределы воспламенения в смеси с воздухом, %:
нижний.......................... 5,0
верхний.......................... 15,0
Октановое число *...................... ПО (120)
* Данные без скобок получены моторным методом, данные в скобках — исследовательским.
Теплота сгорания единицы массы метана значительно мень­ше, чем бензина. Низшая теплота сгорания горючей смеси мета­на при стехиометрическом составе составляет 3,219 МДж/м3, а бензина 3,558 МДж/м3.
Максимальное октановое число СПГ в соответствии с компо­нентным составом на 18 % выше по сравнению с лучшими сор­тами бензинов. Это позволяет форсировать карбюраторные дви­гатели при работе на СПГ по степени сжатия.
ОЦЕНКА ПРИМЕНЕНИЯ РАЗЛИЧНЫХ ВИДОВ ТОПЛИВА
При применении газового топлива на автомобильном транс­порте не только экономится традиционное топливо, но и сни­жается загрязнение окружающей среды. В настоящее время СНГ и СПГ в качестве топлива для автомобильных двигателей получили широкое распространение. В меньшей степени пока применяют СжПГ.
При использовании газа в качестве топлива для автомобиль­ных двигателей исключается возможность попадания жидкой фазы в цилиндры двигателя, вследствие чего снижается смыва­ние масляной пленки со стенок цилиндров и замедляется изна­шивание цилиндропоршневой группы. При этом не образуются лаковые отложения и отсутствует нагарообразование в цилиндре двигателя и в системе питания. В условиях эксплуатации это дает возможность увеличить сроки замены моторного масла, мас-
ляных фильтров и реже проводить регулировки двигателя и его систем.
При применении газового топлива на автомобильном транс­порте увеличивается срок службы моторного масла в 1,5... 2 ра­за, в результате чего расход его в эксплуатации уменьшается на 15... 20 % (по сравнению с бензиновыми двигателями), а за­траты сокращаются на 15... 30 %; возрастает моторесурс двига­теля; срок службы свечей зажигания увеличивается примерно на 40%.
К важным преимуществам СНГ следует отнести и относи­тельно невысокую их стоимость.
В зависимости от режима работы газовый двигатель из-за более «мягкого» протекания рабочего процесса обеспечивает сни­жение уровня шума на 8... 9 дБ по сравнению с бензиновым.
Однако перевод бензинового двигателя на питание СНГ со­провождается снижением его максимальной мощности на 5... 7%, а при работе на СПГ — на 18 ...20. Последнее в неко­торых случаях не позволяет применять автомобильные прицепы и снижает коэффициент использования грузоподъемности авто­мобиля.
Газовый баллон находится под высоким избыточным давле­нием, что требует соблюдения повышенных мер безопасной экс­плуатации газобаллонных автомобилей.
Металлоемкость газобаллонных автомобилей на 60... 750 кг больше по сравнению с бензиновыми автомобилями, что умень­шает грузоподъемность автомобиля на 18%.
Для проведения технического обслуживания и ремонта газо­баллонных автомобилей требуется более высокая квалификация обслуживающего персонала. По сравнению с обслуживанием бензиновых двигателей и дизелей увеличивается трудоемкость технического обслуживания и ремонта газовой аппаратуры на 15%, а затраты — на 3... 5%. Однако увеличение межремонт­ных пробегов газобаллонных автомобилей несколько компенси­рует этот показатель.
Средняя продолжительность простоев газобаллонных автомо­билей по ряду причин (повышение трудоемкости обслуживания и ремонта и т. д.) несколько больше, чем у автомобилей, работа­ющих на бензине и дизельном топливе.
Снижение максимальной мощности газовых двигателей, ра­ботающих на СПГ, сопровождается ухудшением тягово-динами-ческих и эксплуатационных характеристик автомобилей:
время разгона увеличивается на 24 ...30 %;
максимальная скорость уменьшается на 5 ... 6 %;
продольные углы преодолеваемых подъемов уменьшаются на 30 ...40 %.
Удаленность газонаполнительных компрессорных станций от автотранспортных предприятий и сокращение пробега автомо-
биля между заправками газом до 190 ... 200 км (вместо 450... 500 км на бензине) сопровождается уменьшением коэффициента использования пробега на 8... 13%.
Удельные затраты на топливо при применении СНГ и СПГ меньше соответственно на 45 ... 55 и 35 ... 42 %.
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ГАЗОВОГО ТОПЛИВА ЗА РУБЕЖОМ
В развитых капиталистических странах Европы, в США и Японии суммарные энергетические затраты на эксплуатацию всех видов транспортных систем составляют от 13,3 до 24,5% сово­купного потребления энергии всеми отраслями национальной экономики. В США доля потребляемого автомобилями нефтя­ного топлива составляет около 50 %.
Наибольшее распространение на автомобильном транспорте СНГ и СПГ получили в Японии, США, Новой Зеландии и Ка­наде, а в европейских странах — в Италии, ФРГ, Франции, Бель­гии и Великобритании.
Использование СПГ является одним из важнейших направ­лений применения альтернативных видов топлива, Националь­ные программы многих стран (Италии, Новой Зеландии, США, Канады и др.), располагающих собственными месторождениями ПГ или импортирующих газовые топлива из-за рубежа, преду­сматривают перевод значительной части автомобильного парка на топливо этого вида. Широкое распространение СПГ находит и на автомобильном транспорте стран — членов СЭВ.
Масштабы использования ПГ в качестве топлива для авто­мобильных двигателей в зарубежных странах зависят от соотно­шения цен на жидкое и газовое топливо, а также от требований максимального использования собственных ресурсов и сведения к минимуму зависимости от конъюнктуры рынка на нефтепро­дукты.
Развитие газобаллонных автомобилей за рубежом осуществ­ляется по линии высокой специализации производства газовой аппаратуры и комплектующих изделий, а также различного обо­рудования для АГНКС Особенно характерен высокий уровень специализации для фирм, производящих газовую аппаратуру. Одна из ведущих фирм Италии — «Ланди Ренцо» — выпускает газовую аппаратуру для работы на СПГ и СНГ. Конструктивно оба типа аппаратуры выполнены по универсальной схеме, т. е. обеспечивают полноценную работу автомобиля на газе и бензи­не. В объёме выпуска фирмы аппаратура для использования СПГ составляет 80 %, а СНГ — 20 %.
В США принята программа переоборудования автомобилей на СПГ. На СПГ переведены в основном автомобили сферы об­служивания, в том числе грузовые и легковые автомобили, такси. Все автомобили изготовлены по универсальной схеме питания. При использовании СПГ стоимость эксплуатации снижается в
1,6 раза по сравнению с ее стоимостью при применении жидкого топлива. При работе на СПГ срок службы автомобиля до капи­тального ремонта увеличивается с 95,0 до 130 тыс. км. При го­довом пробеге автомобиля 20... 32 тыс. км стоимость установки оборудования для питания СПГ окупается за счет экономии топ­лива через 2 ... 5 лет.
В США цена 1 м3 ПГ в 2,8 раза меньше цены 1 л бензина. Аналогичный порядок цен на топливо характерен и для других стран. Разница в ценах на бензин и газовое топливо в ФРГ со­ставляет 25 %, в Австрии — 34 %, в Италии — 38 % и в Нидер­ландах— 56 %.
Ведущее место в области использования газового топлива за­нимает Италия. В этой стране перевод автомобилей на газовое топливо был начат еще в тридцатые годы. В настоящее время в Италии насчитывается около 1 млн. легковых автомобилей, работающих на газовом топливе, в том числе около 300 тыс. ав­томобилей работает на СПГ.
Потребление топлива нефтяного происхождения для пасса­жирских перевозок в Италии составляет 65 %, а на долю грузо­вых перевозок приходится только 35 %. На газобаллонные авто­мобили в структуре парка Италии приходится 4,6 %, в том числе на автомобили, работающие на СПГ, 1,4 %. Общее потребление СПГ и СНГ на автомобильном транспорте Италии составляет 3 % (в том числе 1,2 % СПГ) общего количества газа, расхо­дуемого отраслями национальной экономики.
В Канаде стоимость СПГ ниже стоимости бензина в 2 раза. В этой стране существуют и другие стимулы (налоговые льготы, государственная дотация в размере 400 долл. на один автомо­биль при переводе его на СПГ), делающие экономически целе­сообразным использование СПГ в качестве автомобильного топ­лива. В результате этого срок окупаемости затрат при переводе автомобиля на топливо данного вида в Канаде составляет около одного года.
За рубежом все более широкое распространение на автомо­бильном транспорте получает газодизельный процесс, при кото ром в цилиндр подается два вида топлива (газ и дизельное топ­ливо). Подача дизельного топлива составляет 20... 30 % подачи, соответствующей режиму работы только на дизельном топливе.
В ФРГ значительное распространение газового топлива на автомобильном транспорте получило в 80-е годы. Предпочтение в этой стране отдают СНГ. Автомобильный транспорт потребля­ет 25 мли. т СНГ, а к 1990 г, потребление газового топлива пла­нируют удвоить.
Особый интерес представляет опыт эксплуатации газобаллон­ных автомобилей в Японии, являющейся примером страны, не располагающей собственными сырьевыми ресурсами для произ­водства СНГ, но добившейся заметных успехов в части эффек-
тивного использования СНГ в различных отраслях экономики, особенно на автомобильном транспорте. В Японии таксомотор­ный парк (свыше 300 тыс. автомобилей) работает на СНГ. Дей­ствует государственный стандарт, регламентирующий состав и другие параметры СНГ для его использования в зимний и лет­ний периоды.
Нормы на СНГ, применяемый в качестве топлива для авто­мобильных дизелей в Японии, приведены ниже.
Плотность в жидкой фазе при 15°С....... 0,55... 0,56
Температура парообразования, °С, не более:
при 95%................... 0
при 100%................... +2
Давление паров при температуре 37,8°С, МПа , . 0,5... 0,85/0,3... 0,55
Содержание серы (по массе), %, не более .... 0,01
Влагосодержанне................ Отсутствует
Состав газа (по массе), %:
пропан.................... 20 ...60/0 ...20
бутан (нормальный бутан н изобутан)..... 80... 40/100... 80
бутилен и др., не более............ 5,0
Осадок, %, не более.............. 0,5
Примечание. Данные в числителе соответствуют зимнему виду СНГ, в знаменателе—летнему. Одно значение относится и к зимнему, и к летнему видам СНГ.
АВТОМОБИЛЬНЫЕ ГАЗОБАЛЛОННЫЕ УСТАНОВКИ
И ГАЗОВЫЕ ДИЗЕЛИ
В производственных объединениях ЗИЛ, ГАЗ и КамАЗ ор­ганизовано производство газобаллонных автомобилей семейств ЗИЛ, ГАЗ и КамАЗ. Все модификации современных газобал­лонных автомобилей, работающих на СПГ, выполнены по уни­версальной схеме. Их система питания приспособлена для ра­боты двигателей на СПГ и бензине. Сфера применения газобал­лонных автомобилей ограничений не имеет.
КЛАССИФИКАЦИЯ ГАЗОБАЛЛОННЫХ УСТАНОВОК
Особенностью газобаллонных автомобилей является наличие газобаллонной установки, которая представляет собой комплект газового, бензинового или дизельного оборудования, монтируе­мого на базовый автомобиль для обеспечения его работы как на газовом топливе, так и на бензине или дизельном топливе. В за­висимости от вида газового топлива и его агрегатного состояния в газовых баллонах в настоящее время применяют в основном газобаллонные установки четырех типов, обеспечивающие хра­нение и использование в качестве моторного топлива для авто-
мобильного двигателя СНГ; СПГ (низкого или среднего давле­ния) и СжПГ.
В автомобилях, работающих на СжПГ, СНГ и СПГ низкого (среднего) давления, газ применяется только как топливо. На автомобилях, работающих на СжПГ, газ, хранящийся на борту при низкой температуре (—161 °С) в теплоизолированных кри-чэгеняых сосудах, может дополнительно использоваться в каче­стве хладагента рефрижераторной установки.
Степень унификации газобаллонных автомобилей, работаю­щих на СНГ или СПГ, с базовыми автомобилями по основным агрегатам и системам двигателя, например по системе питания и зажигания, составляет 90 ...95 %. Поэтому при переводе базо­вых автомобилей на газовое топливо не требуется их принципи­ально изменять, однако при переводе базовых автомобилей на газовое топливо необходимо решить ряд конструктивно-техноло­гических задач:
обеспечить безопасное хранение газового топлива на авто­мобиле;
организовать рациональную подачу газа и смешение его с воздухом;
обеспечить удовлетворительные рабочие процессы смесеобра­зования и сгорания горючей смеси;
обеспечить безопасность автомобилей, а также соблюдать ме­ры пожаро- и взрывобезопасности при эксплуатации.
Природный газ на автомобиле хранят в баллонах под вы­соким давлением (компримирование); в криогенных сосудах в жидкой фазе; в баллонах с адсорбентами, т. е.в обратимых нако­пителях на основе гидритов металлов.
В зависимости от способа питания двигателей газобаллонные автомобили подразделяются на универсальные и специализиро­ванные (газовые). На универсальных газобаллонных автомоби­лях, получивших наибольшее распространение, устанавливают двигатели, снабженные двумя равноценными автономными си­стемами питания-—бензиновой (дизельной) и газовой. Это спо­собствует увеличению суммарного запаса хода автомобилей и расширению сферы их применения. Однако такие системы пита­ния недостаточно эффективны с точки зрения рабочего процесса н реализации потенциальных характеристик газовых двигателей. Автомобильный двигатель в зависимости от применяемого типа топлива требует индивидуальной регулировки.
Важной особенностью газобаллонных автомобилей является то, что газ на автомобиле хранится под высоким давлением, а подают его в двигатель при давлении, близком атмосферному. Поэтому при проектировании и эксплуатации газовой аппарату­ры основное внимание должно быть направлено на безопасность хранения, редуцирование газа и оптимизацию его подачи в соот­ветствии с режимом работы двигателя.
Автомобильные газовые двигатели по способу воспламенения рабочей смеси можно классифицировать на два основных типа: с искровым зажиганием и с воспламенением от инициирующей (запальной) дозы жидкого топлива.
В соответствии с особенностями рабочего процесса двигате­ля автомобильные газобаллонные установки могут быть пред­назначены для переоборудования карбюраторных (с внешним смесеобразованием) двигателей и дизелей (с внутренним сме­сеобразованием), четырехтактных или двухтактных. На автомо­билях наибольшее распространение получили установки с четы­рехтактными двигателями.
Если автомобильные газобаллонные установки предназначе­ны для работы только на газовом топливе, то высокие антиде­тонационные свойства газового топлива используются в полной мере. Для подобных установок применяют двигатели с внешним смесеобразованием со степенью сжатия, достигающей 10... 12.
Для газобаллонных установок, снабженных бензиновой си­стемой для резервного питания (однотопливные системы), при­меняют газовые двигатели со степенью сжатия, превышающей на 1... 2 единицы степень сжатия, оптимальную для бензина базо­вого автомобиля. При работе газового двигателя на резервной системе питания его мощность составляет 50... 60 % мощности, полученной при работе на газовом топливе.
Для работы на газовом топливе и бензине (двухтопливная система) устанавливают двигатели, не форсированные по степе­ни сжатия по сравнению с базовой моделью двигателя. Степень сжатия двигателя с двухтопливной системой ограничивается ус­ловиями бездетонационной работы на применяемом бензине.
При работе на дизельном или смешанном топливе (состоя­щем из жидкого и газообразного) для обеспечения газодизель­ного процесса степень сжатия, как правило, не изменяют. Газо­дизельные системы проектируют для работы на смешанном топ­ливе во всем диапазоне эксплуатационных режимов. Эти системы обеспечивают автоматический переход газового дизеля с ра­боты на смешанном топливе на работу только на дизельном топ­ливе, что обеспечивает получение технико-эксплуатационных по­казателей, характерных для базовых автомобилей.
ГАЗОБАЛЛОННЫЕ УСТАНОВКИ ДЛЯ РАБОТЫ НА СНГ
Газобаллонные установки для использования СНГ являются установками среднего давления. СНГ в баллонах таких устано­вок находится одновременно в двух агрегатных состояниях: в жидкой и газообразной фазах.
Системы питания газобаллонных автомобилей ЗИЛ-431810, ГАЗ-53-07 и автобусов ЛАЗ-695П, ЛиАЗ-677Г практически пол­ностью унифицированы.

Рис. 5. Схема газобаллонной установки для работы на СНГ
Схема газобаллонной установки для работы на СНГ пред­ставлена на рис. 5. Установка содержит баллон 7 для хранения СНГ, испаритель /, двухступенчатый газовый редуктор 3 низко­го давления и газовый смеситель 15 с воздушным фильтром 13. Баллон 7 снабжен двумя вентилями // и 10. Вентиль 10 предназ­начен для отбора жидкой фазы СНГ, а вентиль // — паровой фа­зы над жидкостью в газовом баллоне 7.
Газовый баллон конструируют и эксплуатируют таким обра­зом, чтобы в нем всегда существовала газовоздушная подуш­ка 8. Фактическое давление СНГ зависит от компонентного со­става газа и температуры окружающей среды. Максимальное рабочее давление газа в баллоне составляет 1,6 МПа, а мини­мальное, при котором сохраняется работоспособность газовой аппаратуру и двигателя, 0,07 МПа.
Для нормальной работы двигателя на жидкой фазе СНГ предусмотрен испаритель /. Он соединен с двухступенчатым га­зовым редуктором 3 и с газовым баллоном 7 трубопроводом. Испаритель / газа подключен к системе охлаждения двигателя. Магистральный вентиль 5 размещен в кабине водителя. В газо­баллонных автомобилях при работе на СНГ в основном приме­няют испарители с использованием в качестве источника тепло­ты жидкость из системы охлаждения двигателя. В этом случае обеспечивается стабильная температура газа на выходе из ис­парителя. На автомобилях, имеющих газовые двигатели с воз­душным охлаждением, можно применять испарители, получаю­щие теплоту из смазочной системы двигателя или от отработав-
ших газов. Испаритель может быть выполнен в виде отдельного узла или встроен в газовый редуктор низкого давления.
Газовый редуктор 3 объединен с дозирующим экономайзер-ным устройством 2 и сообщается каналом 14 с газовым смеси­телем 15. ма щитке приборов в кабине водителя размещены указатели соответственно уровня газа в баллоне 7 и давления газа в первой ступени редуктора 3.
Бензиновая резервная система питания содержит бак 6, бензопровод, бензиновый фильтр, бензиновый насос 17, карбю­ратор 18 с пламегасителем, выполненным в виде металлической сетки. Однокамерный беспоплавковый карбюратор горизонталь­ного типа сообщается с основной системой питания проставкой, размещенной между газовым смесителем 15 и впускным трубо­проводом 16.
В бензиновой системе питания используют малоразмерный карбюратор, обеспечивающий при работе на бензине круто па­дающую внешнюю характеристику. Принцип работы резервной бензиновой системы аналогичен принципу работы традиционной карбюраторной системы питания. Для прекращения подачи бен­зина в резервную систему питания бензиновый бак 6 снаб­жен краном.
Через верхний вентиль // газ может подаваться в систему в газообразной фазе (при пуске и прогреве двигателя), а через нижний вентиль 10 — в жидкой.
Проходя по каналам испарителя, СНГ переходит в парооб­разное состояние и поступает в магистральный фильтр 12, где очищается от механических примесей и смолистых веществ.
В случае обрыва газопровода после газового баллона плун­жер скоростного клапана закрывается и резко ограничивает рас­ход газа, снижая вероятность возникновения пожара на автомо­биле (скоростной клапан установлен в вентилях 10 и //).
При открытом вентиле 5 газ направляется по шлангу в ис­паритель, установленный на двигателе. Из испарителя очищен­ный газ поступает через фильтр 4 в первую ступень газового ре­дуктора 3, где понижается давление до 0,15 МПа, а затем во вторую ступень, где давление понижается до давления, близкого к атмосферному. В редукторе перед первой ступенью встроен сетчатый газовый фильтр.
Под действием работающего двигателя газ из второй ступе­ни поступает в дозирующее экономайзериое устройство, встро­енное в редуктор, а затем по каналу 14 низкого давления в газовый смеситель 15, где смешивается с воздухом и поступает в цилиндры двигателя.
Пусковая система для обеспечения пуска холодного двига­теля включает электромагнитный клапан 17 с дозирующим жиклером, трубопроводы, соединяющие первую ступень редук­тора через клапан со смесителем, и кнопку включения. При пу-
29
ске холодного двигателя при температуре —10 °С и ниже и при малой частоте вращения коленчатого вала двигателя (вторая ступень редуктора закрыта из-за недостаточного вакуума во впускном трубопроводе) газ подается через открытый пусковой клапан. Работа газовой системы питания контролируется элект­рическим манометром, датчик которого установлен в полости первой ступени редуктора.
Длительный отбор из баллона газа в паровой фазе не допу­стим из-за интенсивного испарения жидкости, снижения темпе­ратуры газа и давления, вследствие чего нормальное поступле­ние газа к двигателю становится невозможным. Поскольку СНГ представляет собой смесь нескольких газов, то при работе Ы паровой фазе в первую очередь будут расходоваться легкоис-паряющиеся фракции с низким парциальным давлением насы­щенных паров и более высокой теплоемкостью. Это влияет на

Рис. 6. Внешняя скоростная харак­теристика двигателей автомобилей:
/ — ЗИЛ-4314Ш   (ЗИЛ-130);   2 — ЗИЛ-431810 (ЗИЛ-138); Ne — эффективная мощ­ность; g0 — удельный расход; GT — рас­ход топлива; Qr — расход газа
Рис. 7. Внешняя скоростная харак­теристика двигателей:
/ — ЗМЗ-БЗ; 2 — ЗМЗ-БЗ-07; М9 — эф. фсктнвныЙ крутящий момент
оптимальный состав газовоздушной смеси, увеличивает токсич­ность отработавших газов.
Резервная система питания обеспечивает приготовление обо­гащенной горючей смеси. Это позволяет увеличить степень сжа­тия двигателя по сравнению с базовым и сохранить возмож­ность работы на низкооктановом бензине А-76.
На рис. 6 приведена внешняя скоростная характеристика дви­гателя ЗИЛ-5085.1000401 (ЗИЛ-138) при работе на СНГ соста­ва: пропана 80 %, бутана 20 % при р=1,83 кг/м3.
Благодаря повышенной степени сжатия в двигателе в пол­ной мере реализуются положительные свойства газового топли­ва, достигаются высокие мощностные показатели и топливная экономичность. Внешняя скоростная характеристика двигателя ЗМЗ-53-07 (пропана 80 %, бутана 20 %, рг=1,93 кг/м3) дана на рис. 7. Высокая антидетоиадионная стойкость СНГ позволяет форсировать степень сжатия двигателя ЗМЗ-53-07 с 6,7 до 8,5. С повышением степени сжатия увеличивается мощность двига­теля ЗИЛ-5085. 1000401 на 2,5...3%, а двигателя ЗМЗ-53-07 до 4... 5 %. В случае оптимальной степени сжатия наблюдается снижение удельного расхода топлива на 5 ... 6 % при работе дви­гателя по внешней характеристике.
В случае использования универсальных систем питания га­зобаллонная установка автомобиля выполняется для работы на СНГ как на основном топливе. Запас хода при работе на газо­вом топливе составляет примерно 400 км, а на бензине 17 км.
Конструктивные решения газобаллонных установок отлича­ются большим многообразием. Схема газобаллонной установки автомобиля ГАЗ-24-17 «Волга» показана на рис. 8. Установка содержит газовый бал­лон 5 для хранения СНГ, размещенный в багажнике автомобиля, двухступен­чатый газовый редуктор-испаритель /, газосмеси­тельное устройство 6, фильтр 12 с электромаг­нитным клапаном. На га­зовом баллоне монтируют расходный вентиль 7 жид­костной фазы, расходный вентиль 8 паровой фазы, датчик 4 указателя уров­ня СНГ в баллоне, а также заправочное уст­ройство 9 с контрольным
и       предохранительным   РнСв 8. Схема газобаллонной установки клапанами.        Установ- автомобиля ГАЗ-24-17 «Волга»

<<< 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