ХІММОТОЛОГІЯ ГАЗОПОДІБНОГО ПАЛИВА
Загальні відомості У зв'язку з обмеженим запасом нафти вже починають використовувати газоподібне та синтетичне паливо. Застосовувати газ для двигунів внутрішнього згоряння почали ще в середині XIX ст. з появою в 1861 р. газових двигунів Ж. Ленуара. Він використав ідею свого співвітчизника Ф. Лебона, який запропонував газ для двигунів ще в 1801 р. В 1867 р. Н. Отто та Е. Ланген винайшли двигун внутрішнього згоряння з тактом тиску, але і він працював спочатку на світильному газі, причому обидва ці двигуни були стаціонарними.
Після появи бензинових двигунів (їх тоді називали газоліновими) до газоподібного палива звертались тільки тоді, коли виникали труднощі з рідким паливом. У 50 -х роках XX ст. випускали такі автомобілі й у СРСР, деякі з них працюють і нині. В 1980 р. в світі їх налічувалось близько 400 тис. Видобуток нафти в колишньому СРСР досяг вершини в 1987 – 1988 pp. але він так і не приніс паливного достатку, а різко покотився вниз. Так, якщо в ті роки видобували більш як 624 млн. т нафти, то в 1990 р. – 570, 4, а в 1991 р. – 530 млн. т. Як видно, скорочення становило 15 %. За прогнозами, такий рівень видобутку спостерігатиметься й надалі, а щонайшвидше він знизиться. При збільшенні машинного парку це, безумовно, загострить дефіцит палива.
Україні, яка має 15 % своєї потреби в нафті, слід якомога швидше переходити на альтернативне паливо. Як вважають фахівці, напруженість у забезпеченні моторним паливом можна зняти на найближчу перспективу тільки при збільшенні частки менш дефіцитного газоподібного палива. Ще на початку 80 -х років XX ст. , коли загроза паливної кризи ще не була такою великою, було визначено і нині реалізується комплекс заходів щодо переходу частини автомобільного парку та іншої техніки на використання газоподібного палива. В колишньому СРСР такі автомобілі вироблялись ще починаючи з 50 -х років, а потім про них забули. За останній час у країнах колишнього СРСР зроблено немало. Організовано виробництво газової апаратури з оснащенням нею автомобілів, освоєно випуск обладнання для газозаправних станцій, побудовано багато дільниць для огляду балонів і випробування приладів.
До 1990 р. було збудовано 350 автомобільних газонаповнювальних компресорних станцій, які могли заправляти природним газом до 250 тис. машин щодня. Введено в дію обладнання для зрідження нафтового газу (пропану-бутану), розраховане на обслуговування 230 тис. машин, половина з яких – власні. Проте ці станції завантажені лише на 40 % і дають великі збитки. Так склалося тому, що завдання щодо виробництва газобалонної техніки на стисненому газі в колишньому СРСР було виконано лише на 43 %, на зрідженому – на 30 %. Із запланованих 900 тис. автомобілів випущено трохи більше 320 тис. Частково це вина замовників, які стали відмовлятися від газобалонних автомобілів, що мають багато недоліків, один з яких – зниження вантажності автомобілів через велику масу балонів з газом і важкий пуск двигунів при низьких температурах.
Однак газове паливо дешевше від бензину та дизельного палива в кілька разів. До того ж продукти згоряння газу менш токсичні. Тому було створено акціонерне товариство «Автогаз» , основна мета якого – допомогти збільшенню автопарку газобалонних автомобілів. Таким чином, перехід автопарку на альтернативне газове паливо вже розпочався і його не зупинити, хоча зв'язки між країнами колишнього СРСР зруйновано, так що цю проблему ми повинні вирішувати самі.
Переваги газоподібного палива Перевагами газоподібного палива є: величезні природні ресурси горючих газів, просте їх добування і транспортування по трубопроводах; висока детонаційна стійкість дає змогу використовувати їх у двигунах із високим ступенем стиску (10. . . 12), завдяки чому збільшується їхня потужність та поліпшується паливна економічність; з'являється можливість ввести у сферу застосування додаткового енергоносія, що дає змогу зберігати для хімічної промисловості нафту – цінну хімічну сировину; з'являється можливість не тільки частково використовувати принцип якісного регулювання, а й підвищити паливну економічність двигуна, оскільки газоподібні суміші за своїм складом мають ширший діапазон запалювання; знижується токсичність відпрацьованих газів завдяки зниженню в них в три-чотири рази оксиду водню (табл. 3. 1); зменшується зношування циліндро-поршневої групи на 15. . . 17 %, кілець на 63 %, а термін заміни моторної оливи збільшується в два-три рази, тому що газоповітряна суміш не змиває оливну плівку з дзеркала циліндра і не розріджує оливу в картері; поліпшується рівномірність розподілу горючої суміші між циліндрами.
Однак ці переваги не завжди вдається реалізувати, оскільки як бензинові двигуни так і дизельні мають недоліки та потребують переобладнання, хоч і невеликого: потрібно замінити або встановити додатково спеціальну газову паливоподавальну апаратуру (при цьому потужність бензинового двигуна зменшується приблизно на 16. . . 20 %). Цей недолік можна усунути збільшенням (до 8, 5. . . 10) ступеня стиску. Більш складний спосіб – застосування турбонадування. Основними компонентами газоподібного палива є метан, пропан, бутан та деякі інші.
Сировиною для одержання газового автомобільного палива є природний і попутний (що виділяється при видобуванні нафти) гази, гази газоконденсатних родовищ, а також гази нафтопереробних заводів й останнім часом шахтні гази, які виділяються при добуванні вугілля та які, на жаль, завдають багато шкоди та людських жертв.
При переході вантажних автомобілів з бензину на зріджений газ (бутан-пропан) потужність двигуна зменшується на 1. . . 10 %, але це зменшення можна скомпенсувати збільшенням ступеня стиску до 8. . . 8, 5. Концентрацію енергії в одиниці об'єму зріджених газів, що є дуже легкими рідинами, можна визначити за густиною їхньої фази, яка становить приблизно 0, 5. . . 0, 55 кг/л. Особливістю зріджених газів є вищий коефіцієнт об'ємного розширення, ніж рідких нафтопродуктів. Так, густина пропану в рідкому стані при -10 °С дорівнює 0, 54 кг/л, а при температурі +30 °С вона зменшується до 0, 48 кг/л. Питомий об'єм пропану при цьому збільшується на 11 %. Цю властивість треба враховувати при заповненні балонів газом. їх слід заповнювати не більш як на 90 %, а близько 10 % залишати на «парову подушку» .
Якщо балон буде повністю заповнений, тобто не буде «парової подушки» , то навіть незначне підвищення температури зрідженого газу і призведе до підвищення тиску в балоні і вибуху. Приріст тиску в балоні становить приблизно 0, 7 МПа на один градус підвищення температури зрідженого газу.
Тривала робота двигуна з відбором тазової фази призводить до переохолодження палива внаслідок витрат на випаровування та зниження вмісту пропанової фракції в газовій суміші, тому що випаровуються передусім пропан і пропілен. Внаслідок цього вміст пропану знижується в рідкій фазі, тиск насичених парів у газовому балоні зменшується, що веде до обважнювання палива, погіршення його випаровування, ускладнення пуску двигуна, перевитрати палива, підвищеного забруднення середовища, а пізніше –- до припинення надходження палива в циліндри двигуна. Це відбувається тому, що оптимальний тиск у балонах забезпечується в основному пропаном. Тиск насичених парів сильно впливає на роботу газового обладнання автомобіля. Як показує практика, використання зрідженого газу у більшості конструкцій газової апаратури з тиском у балоні менш як 0, 5 МПа веде до ускладнення подачі палива, а коли тиск дорівнює атмосферному, подача палива припиняється.
Використовуючи зріджений газ, слід періодично зливати з балонів конденсат, що накопичується під час використання газів. Конденсат зменшує корисний об'єм рідкого газового палива, що заправляється в балон, внаслідок чого скорочується пробіг автомобіля. Зливну рідку частину палива з балонів можна використовувати як домішку до бензину в зимовий період. При температурі -10. . . -30 °С і нижче вміст доданого конденсату становить 10. . . 20 %.
При використанні пропан-бутанової суміші треба строго дотримуватись вимог охорони праці та техніки безпеки, стежити за герметичністю газоподавальної системи. При потраплянні зрідженого газу на тіло людини виникають обмороження, що нагадують опіки. Людина, яка знаходиться в атмосфері з невеликою кількістю вуглеводного газу, відчуває кисневе голодування, а при значних концентраціях настає ядуха.
У приміщеннях для зберігання зріджених газів не допускається робота з відкритим полум'ям; штучне освітлення має бути у вибухо-захисному виконанні; ємкості, комунікації та насосні агрегати мають бути герметичними і заземленими; всі роботи мають виконуватись інструментами, що не дають іскри. При появі загоряння використовують пінні та вуглекислотні вогнегасники, воду у вигляді компактних і тонкорозпилених струменів, пісок, водяну пару, азбестове полотно.
Перехід дизелів на газоподібне паливо супроводжується деяким збільшенням потужності завдяки можливості використання більш багатої горючої суміші без димності й погіршенням паливної економічності через збагачення горючої суміші та вимушене зменшення ступеня стиску до 8. . . 9 (з установленням системи запалювання).
Перехід дизеля на газоподібне паливо здійснюється двома методами: • замість дизельної апаратури встановлюють систему запалювання, в отвір для форсунок – свічки. На впускному трубопроводі монтують змішувач із дросельним патрубком, а між блоком і головкою циліндрів розміщують додаткову прокладку для зменшення ступеня стиску; • в у циліндри замість повітря подають суміш газу з повітрям певного складу, а запалюється вона завдяки впорскуванню невеликої кількості дизельного палива, що не перевищує 10. . . 20 % його витраті в дизельному циклі. Цей метод не потребує значного переобладнання двигуна, який в разі необхідності дуже легко перевести на дизельний цикл.
Класифікація і застосування газоподібного палива Газоподібне паливо класифікують за агрегатним станом, теплотою згоряння тощо. Звідси походять різні назви – природне та промислове, стиснене та зріджене, високоі середньокалорійне газове паливо. Під природними розуміють гази, здобуті безпосередньо із свердловини. Промислові гази – це звичайні побічні продукти різних технологічних процесів – коксування вугілля (коксовий газ), виплавки чавуну (доменний газ), добування вугілля (метан). Під зрідженими газами найчастіше розуміють зріджені пропан-бутанові фракції, але є й газоподібні речовини (наприклад, природний газ – метан). Технологія зрідження їх різна. Нафтові пропан-бутанові фракції зріджуються без зниження температури, а природні (метан) – при знижених температурах.
Зріджені нафтові гази без зниження температури До таких газів належать пропан-бутанові фракції нафтових (попутних) газів. Крім бутану і пропану, в них у невеликій кількості містяться пропен, бутен, ізобутан тощо. Одержують їх із попутних газів, що виходять із нафтою, та із газоподібних фракцій при різних видах переробки нафтопродуктів і кам'яного вугілля. Критична температура пропану дорівнює 97 °С, а бутану – 126 °С. При тиску відповідно 0, 716 та 0, 103 МПа і температурі, нижчій від критичної (20 °С) ці вуглеводні легко зріджуються, стаючи бензопо-дібною рідиною (густина бензинів становить 720. . . 730, а зріджених газів – близько 600 кг/м 3).
Октанові числа пропану та бутану дорівнюють відповідно 120 і 93, що забезпечує форсування двигунів вантажних автомобілів зі ступенем стиску до 8, 5. . . 9 та дає змогу збільшити їхню потужність. Згідно з ГОСТ 20448 -90 зріджені гази випускають двох марок: СПБТЗ і СПБТЛ (суміші пропану та бутану технічні відповідно зимова і літня) з характеристиками
Крім того, в технічних умовах ТУ 38001– 78 «Гази вуглеводневі зріджені, паливо для газобалонних автомобілів» нормовано такі їхні показники: вміст пропану -80 + 5 %, пентанів – не більш як 3 %, сірководню–не більш як 0, 003 %, вільної сірки – не більш як 0, 015 %; тиск насиченої пари при температурі 45 °С не повинен перевищувати 1, 6 МПа, а при температурі -30 °С – 0, 07 МПа; води і рідкого залишку газу при температурі 40 °С не повинно бути.
Для автомобільного транспорту випускається дві марки зріджених газів : ПА – пропан автомобільний (застосовується взимку при температурах повітря -20. . . -35 °С та ПБА – пропан -бутан автомобільний (використовують в усіх кліматичних зонах при температурі повітря не нижче -20 °С). Основні показники якості автомобільних зріджених газів
До складу зрідженого газу додають одоранти, оскільки не всі гази мають запах і колір, через що виявити їх витікання буває важко. Як одорант найчастіше використовують етилмеркоптан (температура кипіння 37 °С) з різким неприємним запахом. Його відчувають уже при незначній концентрації – 0, 19 г на 1000 м 3 повітря. Зріджені гази вигідно використовувати як паливо для автомобільних двигунів, для чого досить установити тонкостінний балон, змішувач, редуктор-дозатор та невеликий паливоприймач, щоб випаровувати зріджений газ. За необхідності двигун може працювати також на бензині. Для зберігання зріджених газів автомобілі мають балони об'ємом до 250 л, розраховані на робочий тиск 1, 57 МПа.
Цей тиск достатній для того, щоб підтримувати навіть чистий пропан у рідкому стані при температурах, не вищих від 48, 5 °С, тобто газобалонні автомобілі по всій території України можна експлуатувати весь рік. Зріджені нафтові гази без зниження температури транспортуються у звичайних залізничних і автомобільних цистернах, а заправка ними автомобілів проводиться простими газозаправними приладами та вузлами. Тиск у системі становить 1, 5. . . 2 МПа. Нині промисловість випускає газобалонні автомобілі двох типів: із спеціальними двигунами, розрахованими для роботи на газу з резервною системою живлення для короткочасової роботи на бензині (ЗИЛ-138, ЗИЛ-138 В, Ли. АЗ-45023, Ли. АЗ-677 Г, ГАЗ-53 -07, ЛАЗ-695 П); з універсальними двигунами, що допускають тривалу роботу як на бензині, так і на газу (ГАЗ-52 -07, ГАЗ-52 -08, ҐАЗ-24 -07). Потужність універсальних двигунів нижча на 10 % порівняно з їхньою роботою на бензині.
Двигуни автомобілів першого типу мають вищий ступінь стиску (8 у ЗИЛ-138 замість 6, 5 у ЗИЛ-130), оптимальний для роботи на зрідженому газі. Тому їхня потужність практично не поступається потужності базових двигунів, а паливна економічність вища, ніж при роботі на бензині (у двигуна ЗИЛ-138 вона дорівнює 240 г/лкінська сила, або 366 г/к. Вт-год). Автомобілі, що працюють на зрідженому газі, мають такий самий запас ходу, що й автомобілі, які працюють на бензині (450. . . 500 км). Для системи резервного живлення двигунів газобалонних автомобілів застосовують бензин А-76. Він використовується для короткочасної роботи двигунів у разі повної витрати газу, а також у разі важкого пуску двигуна на газі при низьких температурах.
Експлуатаційні якості автомобілів з газовими двигунами (порівняно з бензиновими) оцінюють так: у газових двигунах можна підвищити ступінь стиску, тому що октанове число зріджених нафтових газів більше, ніж 100. У зв'язку з цим потужність і паливна економічність газових двигунів, що працюють на зріджених нафтових газах, зростають. При правильному регулюванні й нормальному режимі роботи системи подачі газового палива знижується токсичність відпрацьованих газів: за оксидом водню – в 3. . . 4 рази, за оксидом азоту – в 1, 2. . . 2 рази, за вуглеводнем в 1, 2. . . 1, 4 раза і більше; термін заміни оливи збільшується в 2. . . 2, 5 раза. Моторесурс та надійність роботи двигуна також збільшуються. Міжремонтний пробіг автомобілів, що працюють на зріджених нафтових газах, підвищується в 1, 2. . . 1, 4 раза.
Пускові якості двигуна, що працює на зрідженому нафтовому газі, при температурі до 5 °С рівнозначні пуску холодного двигуна, який працює на бензині, але погіршуються за нижчих температур. Трудомісткість технічного обслуговування і ремонту газобалонних автомобілів зростає на 3. . . 5 %, але ці витрати покриваються збільшенням пробігу їх між ремонтами.
Зріджені природні гази при знижених температурах До газів, зріджених при знижених температурах, належить метан, який є основним компонентом природного газу. Його застосовують як моторне паливо, що дає змогу використовувати великий енергетичний потенціал газових родовищ. До позитивних якостей зрідженого метану слід віднести його малий об'єм (утричі менший, ніж стисненого газу до 20 МПа) і невелику масу балонів (майже у 8 разів меншу від маси балонів для стисненого газу).
Природні та попутні гази характеризуються найвищою критичною температурою -82 °С, тому при нормальних температурах навіть при великому тиску ці гази не можуть зріджуватись. Для цього потрібні низькі температури, через що зрідження метану і його транспортування в рідкому стані (температура, нижча від -162 °С) при атмосферному тиску пов'язані зі значними труднощами, оскільки потрібна спеціальна термостатична тара з вакуумною або іншою надійною термоізоляцією. Таке паливо можна заливати в бак при атмосферному тиску, а після його випаровування воно стає звичайним природним газом. Однак треба мати випарник і трохи переробити паливну апаратуру.
При зрідженні різко збільшується вартість метану. Його втрата при випаровуванні навіть в умовах вакуумної ізоляції становить 7. . . 8 % за добу, причому це не тільки втрата палива, а й різке збільшення ризику пожежі та вибуху. Проте ці недоліки можна майже повністю виключити, якщо подавати випаровуваний газ по дренажним трубам крізь спеціальні клапани. Однак фахівці все більше схильні до використання як палива для двигунів внутрішнього згоряння стисненого природного газу.
Стиснені природні гази Основними компонентами стиснених газів є метан (СН 4), оксид вуглецю (CO) і водень (Н 2). Це паливо одержують із горючих газів різного походження: природних, попутних (нафтових, коксових, шахтних). У попутних газах залежно від місця видобутку нафти вміст метану може становити 40. . . 82 %. Паливо для двигунів внутрішнього згоряння, як правило, застосовують висококалорійне (37 800. . . 23 100 к. Дж/м 3), рідше – середньо-калорійне (23 100. . . 14 700 к. Дж/м 3). Низькокалорійні гази, такі як генераторний, нині як моторне паливо не використовують. Для заправки автомобілів застосовують дві марки стиснених природних газів – СПГ-А та СПГ-Б. В основному це метан (90. . . 95± 5 %), що має високу теплотворність, низький вміст токсичних речовин у продуктах згоряння, високу детонаційну стійкість, яка забезпечує м'яку роботу двигуна і дає змогу форсувати двигун за ступенем стиску.
До позитивних якостей стиснених природних газів можна віднести збільшення (в середньому на 35. . . 40 %) моторесурсу двигуна, терміну використання моторної оливи (в 2. . . 3 рази), зниження на 90 % шкідливих речовин, особливо CO. Під час роботи на стисненому газі практично немає нагароутво-рення і збільшується термін служби свічок запалювання на 30. . . 40 %. Однак є й недоліки. Так, для стиснення газу використовують газобалонні установки (балони, арматуру, редуктор, газопроводи), розраховані на високий тиск (19, 6 МПа). Тому балони виготовляють товстостінними, через що маса батарей із восьми балонів досягає 0, 5 т, внаслідок чого знижується вантажність машин.
Пробіг автомобіля на стисненому газі до заправки вдвічі менший, ніж на бензині. Інші недоліки: ціна машини (за наявності додаткової газобалонної апаратури) в середньому підвищується на 27 %; потужність двигуна знижується на 18. . . 20 %; тягово-динамічні та експлуатаційні характеристики погіршуються; час розгону машини збільшується на 24. . . 30 %; її максимальна швидкість зменшується на 5. . . 6 %; пробіг за одну заправку не перевищує 200. . . 250 км; вантажність знижується на 9. . . 14 %, трудомісткість технічного обслуговування і ремонту зростає на 7. . . 8 %.
Проте, враховуючи той факт, що питома вартість палива різко зменшується, автомобілі, які працюють на стисненому газі, більш економічні. На стисненому газу працюють (а точніше пристосовані) такі автомобілі: ЗИЛ-138 А, ГАЗ-5227, Кам. АЗ-53208 -53218; автомобілі-са-москиди ЗИЛ-ММЗ-45054; автобуси ЛАЗ-695 НГ, Ли. АЗ 677 Г, Ли-АЗ-695; автомобілі-фургони ГЗСА-37042 (для перевезення хліба), ГЗСА-8991 В (для перевезення промислових товарів), ГЗСА-893 Б (для перевезення меблів); машини міського комунального господарства тощо.
Стиснений газ належить до групи речовин, здатних утворювати з повітрям вибухонебезпечні суміші. Межі небезпечних концентрацій і спалаху метану в суміші з повітрям (за об'ємом): нижня – 5 %, верхня – 15 %. Гранично допустима концентрація вуглеводню стиснено-Г го газу в повітрі робочої зони дорівнює 300 мг/м 3 у перерахунку на вуглець. Стиснені гази швидко випаровуються, внаслідок чого є великі втрати газу. Крім того, ці гази мають підвищену пожежонебезпечність. При використанні стиснених газів значну увагу треба приділяти їхній корозійності та вологості, особливо останньому показнику, тому що, як свідчить практика, підвищена вологість значно ускладнює експлуатацію цих газів.
Особливості застосування газоподібного палива Установлено, що газове паливо сприяє зниженню максимуму нерівномірного розподілу горючої суміші по циліндрах до 20 % проти 35 % при роботі на бензині. Цей чинник у поєднанні з ширшим діапазоном запалювання на основних експлуатаційних режимах збіднює горючу суміш до а = 1, 2. . . 1, 3 (проти а = 0, 8. . . 1, 1) при роботі на бензині. Це призводить не тільки до економії палива, а й до зниження токсичності відпрацьованих газів. Так, при роботі автомобіля ЗИЛ-138 на газі в діапазоні швидкостей до 20. . . 80 км/год кількість CO у відпрацьованих газах становитиме 0, 1. . . 0, 8 % (у ЗИЛ-130, що працює на бензині – матимемо 0, 8. . . 3, 5 %, тобто в 4. . . 8 разів більше).
Зменшення потужності двигуна, що працює на газі, незначне, оскільки високе октанове число дає можливість підвищити ступінь стиску в газових двигунах на 23. . . 25 % (з 6, 5. . . 6, 7 до 8, 5. . . 8, 7). Ураховуючи те, що ці двигуни на збіднених сумішах працюють із коефіцієнтом а = 1, 2. . . 1, 3, кут випередження запалювання треба встановити більш раннім (відповідно 4, 5. . . 6, 5° для двигунів, які працюють на стиснених нафтових газах, і 5. . . 7° для двигунів, що працюють на стиснених природних газах).
Скачать презентацию ХІММОТОЛОГІЯ ГАЗОПОДІБНОГО ПАЛИВА Загальні відомості У зв язку
Презентация 4 ЕМ.pptx