Тема 5 . Газоподібне пальне для двигунів внутрішнього згоряння

5.1. Перші спроби використання газу, як пального для двигунів.

5.2. Переваги і недоліки газових палив в порівнянні з бензином.

5.3. Зріджені нафтові гази.

5.4. Стиснуті природні гази.

5.5. Використання газового палива за рубежем.

5.6. Генераторний газ.

5.7. Альтернативні палива.

Мета заняття: ознайомитися з можливістю використання газового пального для живлення двигунів внутрішнього згоряння, видами газового пального, його властивостями, перевагами і недоліками.

5.1. Перші спроби використання газу, як пального для двигунів.

Перші поршневі двигуни Ленуара і Отто працювали на газовому паливі - світильному газі. Потім газ був витиснений бензином і дизельним паливом.

У 1939 році в Росії почався випуск газобалонних автомобілів ЗИС- 30 і ГАЗ-4А, а в 50-і роки - ЗИС- 156 і ГАЗ-51Б, призначених для роботи на стислому природному газі. Ці автомобілі експлуатувалися в районах, забезпечених сировиною для виробництва газового палива.

У 1954 році було почато виробництво газобалонних автомобілів ЗИС-156А і ГАЗ-51Ж, призначених для роботи на зрідженому пропан- бутановому газі.

У 30-і роки минулого століття в Росії були розроблені і серійно випускалися автомобілі, обладнані газогенераторними установками. Ці установки дозволяли отримувати горючі гази при спалюванні вуглеводневого палива. Автомобілі ГАЗ- 42 і ЗИС- 21 багато в чому допомогли на початку війни 1941-45 рр., коли були знищені надмірно наближені до меж запаси пального.

Проте пізніше, в 60-і роки, у зв'язку з бурхливим розвитком нафтовидобувної і нафтопереробної промисловості і организацією масового випуску дешевих високооктанових бензинів застосування газових палив було практично припинене.

Нині в цілях економії нафти і зниження забруднення довкілля, особливо у великих містах, знову набувають широкого поширення автомобілі, що працюють на газоподібному паливі.

Автомобілі цього типу можна розділити на газобалонних, працюючих на стислому природному газі і зрідженому нафтовому, а також газогенераторні, працюючі на суміші горючих газів, що отримуються в газогенераторі. Газогенераторні автомобілі знову зацікавили автомобілістів. Газогенератори як сировина можуть використовувати відходи деревообрабаты-вающей промисловості, а також дуже неякісні палива, наприклад буре вугілля.

5.2. Переваги і недоліки газових палив в порівнянні з бензином.

Зріджені нафтові (ЗНД) і стислі природні (СПГ) гази мають переваги в порівнянні з бензином:

- багаті природні ресурси горючих газів і відносна простота їх добування. Фахівці вважають, що запасів газу на Землі в 10-12 разів більше, ніж нафти;

- висока детонаційна стійкість: ОЧМ ЗНД - 90-100 ед., ОЧМ СПГ - 105-110 ед.

- повне згорання палива, тобто відсутність незгорілої рідкої фази, що виключає змив масляної плівки з циліндра і розрідження запасу масла, що знаходиться в картері двигуна, звідси - підвищення ресурсу двигуна в 1,5-2, а масла в 2-2,5 разу [5];

- прихована теплота випару дуже мала (116 кВт/кг), тобто вплив на температурний режим камери згорання трохи [5];

- менша токсичність газів, що відпрацювали;

- вище теплотворення (теплота згорання);

- порівняльна дешевизна;

- економічність газобалонних автомобілів в процесі експлуатації.

Разом з цим газобалонні автомобілі (ГБА) мають і ряд недоліків:

- зниження потужності двигуна за рахунок меншого коефіцієнта наповнення циліндрів: ЗНД - 3-4%, СПГ - 18-20% [3];

- незадовільні пускові якості при низьких температурах;

- збільшене, із-за підвищеного температурного режиму роботи двигуна, зміст в газах оксидів, що відпрацювали, азоту, що веде до "нітрування" масел і зрештою корозії при великому нагріві;

- підвищена міра стискування двигунів ГБА вимагає застосування високооктанового бензину (резервне паливо);

- ускладнення системи живлення, збільшення об'єму і вартості обслуговування і ремонту;

- зниження вантажопідйомності автомобілів, що працюють на СПГ із-за використання балонів великої маси (800 кг у ЗИЛ- 138);

- дорожчання автомобіля на 20-26%.

5.3. Зріджені нафтові гази.

До зріджених нафтових газів відносять вуглеводні, які витягають з супутнього нафтового газу. При підвищенні тиску до 0,8-1,6 МПа ці гази легко переходять в рідкий стан. Зберігання запасу газу в рідкому стані дозволяє значно збільшити енергоозброєність автомобіля.

Особливості роботи з ЗНГ:

- гази зберігають під тиском тільки власної пари. Тиск сильно залежить від температури - при зростанні температури від мінус 20 °С до 45 °С тиск насиченої пари зростає від 0,07 до 1,6 МПа;

- густина в зрідженому стані 510-580 кг/м3, а в газоподібному - в 1,5-2,1 разу важче за повітря, що призводить до накопичення газу в оглядових ямах, підвалах і т. д.;

- низька в'язкість полегшує перекачування, але збільшує можливість витоків через нещільність, чому сприяє підвищений тиск пари;

- швидкість дифузії пари ЗНГ і повітря в спокійній атмосфері невелика;

- при прискореному відборі (витоку) парової фази температура рідини знижується, балони охолоджуються, можуть навіть покриватись інієм. Це служить індикатором негерметичної системи;

- коефіцієнт об'ємного розширення значний, тому балони з ЗНГ заповнюють на 80% місткості;

- ЗНГ - хороший розчинник нафтопродуктів, отже, необхо-димо застосування спеціальних мастил ущільнювачів і замінників гуми;

- ЗНГ в цілому неотруйні і тільки концентрація їх в повітрі більше 30% викликає у людини деяку втрату чутливості.

Випробуваннями встановлено, що ЗНГ забезпечує в порівнянні з бензинами до 10-20% економії енергії і майже 50% економії вартості палива. Для автомобіля, що витрачає на 100 км пробігу 15 л високо-октанового бензину, достатні 13 л ЗНГ.

Цетанові числа ЗНГ дуже малі (4-5 ед.), що дуже утрудняє застосування їх в двигунах із займанням від стискування навіть при використанні присадок, що підвищують самозаймистість.

ГОСТ 27578-87 "Газів вуглеводневі зріджені для автомобільного транспорту" встановлюють дві марки ЗНГ:

- ПА - пропан автомобільний, вживаний в зимовий час температурах навколишнього повітря від мінус 20 °З до мінус 30 °З;

- ПБА - Пропан-Бутан автомобільний для застосування при температурах не нижче мінус 20 °С. Добавка Бутану підвищує енерговміст суміші.

Доставка зріджених газів нині здійснюється в залізничних цистернах - з верхнім наливанням і зливом продукту. Місткість цистерн 51 і 54 м3. У балонах зріджений газ доставляють в критих вагонах. Можливе транспортування в судах - танкерах і суховантажах для перевезення балонів. Місцеві перевезення здійснюють в спеціальних цистернах, встановлених на шасі автомобілів. Це такі цистерни, як АЦЖГ- 4-264 і АЦ- 5-130. Заправка ГБА зрідженим газом здійснюється на газонаповнювальних станціях. Тут гази мають бути очищені від сірководню і в холодну пору року, від води.

Випробування легкових автомобілів, обладнаних згаданою системою подачі газового палива, показали, що можливо знизити до 50% споживання дорогих бензинів за рахунок використання газового палива. Зменшення еквівалентної токсичності газів, що відпрацювали, досягло 40-70% за рахунок повнішого згорання бензо-газо-воздушной паливної суміші.

5.4. Стиснуті природні гази.

Стислі горючі гази як моторні палива на автомобільному транспорті стали застосовуватися в нашій країні ще в 30-і роки минулого століття. Спочатку використовували стислі коксівний і світильний гази, на яких експлуатувалися автомобілі ГАЗ-4А і ЗИС- 30 із запасом ходу на одній заправці до 120 км.

Після війни відкриття і освоєння великих родовищ природного газу, а також будівництво ряду магістральних трубопроводів дозволили розширити використання газоподібного палива на автомобільному транспорті. Але надалі у зв'язку з різким зростанням видобутку нафти і будівництва великих нафтопереробних заводів використання стислого природного газу скоротилося і багато газонаповнювальних станцій було законсервовано.

Були розроблені дослідні зразки і легкових автомобілів, наприклад на базі "Москвича". Балон виготовлявся з низьколегованої сталі, загальною масою 63 кг при товщині стінок 6 мм.

Очевидно, що доцільне виготовлення балонів з легких і міцних полімерних матеріалів.

В порівнянні з ЗНД стислий природний газ при використанні в ГБА має переваги:

- розвіданих і освоєних запасів природного газу значно більше. Вже зараз можна перевести на СПГ увесь автомобільний парк країни;

- гази, що відпрацювали, містять значно менше шкідливих речовин;

- стислий газ при налагодженому виробництві дешевше зрідженого;

- СПГ легше за повітря, тому при витоках не утворюються вибухонебезпечні суміші, як у ЗНД.

В той же час стислий природний газ має і ряд недоліків, стримуючих його широке застосування:

- зберігати СПГ доводиться в стислому виді, оскільки в зріджений стан він переходить важко - при температурі мінус 82 °З і тиску не нижче 4,5 МПа;

- велика маса балонів значно знижує вантажопідйомність автомобіля;

- невеликий запас ходу,

- складність заправного устаткування газонаповнювальних станцій.

Природні родовища містять 82-98% метану, до 6% етану і 4-20% пропана.

Природний стислий газ отримують з горючого природного газу, що транспортується по магістральних газопроводах або міських газових мережах, видаленням домішок, осушенням і стиском за технологією, що не допускає зміни компонентного складу. Призначений для заправки ГБА стислий природний газ повинен відповідати вимогам ГОСТ 27577-87 "Газ природний паливний стислий для газобалонних автомобілів".

Особливу увагу при стискуванні СПГ приділяють його попередньому осушенню. Максимальний вміст води в одному кубічному метрі газу допускається не більше 9 міліграм. Це обумовлено тим, що в редукторі високого тиску відбувається різке зниження тиску газу. При надлишковому вмісті води відбувається її кристалізація. Крім того, перед зниженням тиску газ нагрівають в підігрівачі за рахунок тепла газів, що відпрацювали. Температура після зниження тиску залишається в допустимих межах.

У газодизельних двигунів температура у кінці такту стискування (500…780 °С) недостатня для самозаймання суміші газу і повітря. Застосування системи запалення з установкою свічок запалення в отвори для форсунок є технічно складно і значно збільшує час при переході з одного виду палива на інше. Тому на паливний насос високого тиску встановлюють обмежувач запальної дози. Педаль подачі палива змінює подачу тільки газу, а порція дизельного палива постійна і приблизно дорівнює об'єму подачі на рівні 15-20% від максимальної.

5.5. Використання газового палива за рубежем.

За кордоном застосуванню СПГ як паливо приділяється велика увага. Це обумовлено в першу чергу залежно від співвідношення цін на рідке і газове паливо, а також з урахуванням вимоги максимального використання власних ресурсів палива і зведення до мінімуму залежності від кон'юнктури ринку.

Провідне місце в цій області займає Італія. Вартість газобаллонного устаткування в Італії в 2 рази нижче, ніж, наприклад, в США. Це пов'язано з ширшим застосуванням цього устаткування. По своєму складу парк газобалонних автомобілів Італії, що працюють на СПГ, складається з легкових автомобілів індивідуального користування. Вантажні автомобілі мають дизельні двигуни.

У США фірма Ford розробила спеціальну модель автомобіля для роботи на природному газі. Ведуться роботи по застосуванню газобалонних установок середнього тиску (2 МПа) з використанням твердого адсорбенту. Нині створені дослідні адсорбенти і балони, які при тиску 2 МПа містять запас газу, еквівалентний запасу в балонах з тиском 15 МПа, тобто забезпечують коефіцієнт заповнення рівний 7,5.

Росте парк автомобілів, що працюють на СПГ і в Канаді. Для газобалонних автомобілів в Канаді прийнятий робочий тиск газу, рівний 21 МПа. Сталеві балони проходять огляд (гідравлічні випробування) один раз в три роки. Не дозволяється установка балонів на дахах транспортних засобів.

Аналогічний напрям розвитку ГБА здійснюється і в інших країнах.

Італійська фірма Landi Renzo випускає газову апаратуру для роботи на СПГ (метані) і зрідженому вуглеводневому газі (СНД). Конструктивно обидва типи апаратури працюють за універсальною схемою, тобто забезпечують повноцінну роботу автомобіля на газі і бензині. Характерним для цієї фірми є широке використання электромагнитних клапанів і приводів з електричною комутацією.

5.6. Генераторний газ.

Останніми роками у ряді країн поновився інтерес до газогенераторних автомобілів, що дозволяє перевести генераторний газ з розряду альтернативних палив в звичайне газоподібне паливо. У цих автомобілях двигун працює на продуктах газифікації твердого палива, що отримуються в спеціальному пристрої (газогенераторі).

Генераторний газ отримують при переробці твердого палива - деревних чурок і відходів, деревного і кам'яного вугілля, торф'яних і солом'яних брикетів, коксу і т. д. Газ утворюється в результаті термохимиче-ского взаємодії кисню з вуглецем твердого палива в процесі газифікації. Для цього процесу дуже важливі такі показники твердого палива, як бітумінозна, зольність, реакційна здатність, вологість, механічна міцність, корродирующее дія, об'ємна маса, спікливість і т. д.

Реакційна здатність палива обумовлює швидкість розпалювання генератора і стабільність процесу газифікації на змінних режимах роботи.

Процес газифікації здійснюється в основній частині установки - газогенераторі. Там відбувається згорання частини вуглецю твердого палива. За рахунок тепла, що виділяється, здійснюється процес відновлення двоокису вуглецю до окислу вуглецю. В результаті цього процесу утворюється також водень, метан і інші гази.

З газогенераторної установки гази виходять з високою температурою (більше 100 °С), захоплюючи за собою значну кількість домішок - золи, вугільного пилу, летких смол. Висока температура газу неминуче веде до зменшення наповнення циліндрів двигуна і до зниження його потужності, а наявність твердих домішок різко збільшує знос поверхонь, що труться. Слід зазначити, що генераторний газ, вживаний як паливо, не забезпечує номінальної потужності двигуна навіть при підвищенні міри стискування. Наприклад, споряджена маса газогенераторного автомобіля ЗИС- 21 більше в порівнянні з базовою моделлю ЗИС- 5 на 600 кг. При цьому потужність його двигуна знизилася з 72 л. с. при мірі стискування 4,6 до 48 л. с., навіть при підвищенні міри стискування до 7,0. Вантажопідйомність знизилася з 3000 до 2500 кг, а максимальна швидкість з повним навантаженням - з 60 до 50 км/ч. Витрата палива складала приблизно 90 кг деревних чурок на 100 км шляху.

При усіх недоліках газогенераторних автомобілів - складність експлуатації, зниження потужності двигуна і вантажопідйомності - вони мали одну безперечну перевагу - можливість роботи на легкодоступному і дешевому паливі.

Сьогодні відроджується інтерес до газогенераторних автомобілів, що дозволяють ефективно утилізувати відходи деревообробної промисловості. Наприклад, фахівці французької фірми "Рено" створили газогенераторну вантажівку, що використовує деревне паливо. Для активізації згорання до деревних цурок додається стружка, просочена відпрацьованим моторним мастилом. Крім того, разом з газом в циліндри двигуна подають невеликі порції дизельного палива. В результаті автомобіль з двигуном в 300 л. с. і вантажопідйомністю 40 т витрачає на 100 км шляху 100 кг деревини і 9 літрів рідкого палива замість колишніх 45 л.

5.7. Альтернативні палива.

Хоча видобуток нафти постійно зростає, нині все більше уваги у всьому світі приділяється використанню ненафтових видів палива для двигунів внутрішнього згорання, або ж зниженню витрати нафтових палив за рахунок різних добавок. Нафта - цінна сировина для легкої промисловості. Ще Д. И. Менделєєв вказував, що спалювати нафту і її похідні як паливо дуже нераціонально. Ведуться постійні пошуки дешевших, технологічніших у виготовленні, екологічних палив, здатних замінити нафтопродукти.

Як альтернативні палива і добавки до нафтопродуктів можна виділити:

синтетичні палива; спирти і бензо-спиртовые суміші; водень і бензо-водневі суміші; ефіри, як добавки до палив; водопаливні емульсії.

Теоретично як паливо можна застосовувати аміак, азот, ацетон та деякі інші сполуки. Виходячи з вартості сировини і готової продукції, експлуатаційних властивостей, вони не набули практичного застосування.

Може знайти використання біогаз, який можна одержувати з біомаси, наприклад, відходів сільськогосподарського виробництва. Теплотворна здатність біогазу становить 20...25 МДж/кг. Зношування двигунів, що працюють на біогази, менше порівняно із зношуванням двигунів, що працюють на бензині.

Контрольні запитання:

1. Коли були зроблені перші спроби використання газового пального?

2. Які види газів використовують як пальне для автомобілів?

3. Які особливості роботи автомобіля на зріджених нафтових газах?

4. Які особливості роботи автомобіля на стиснутих природних газах?

5. Які переваги і недоліки газового пального над рідкими паливами?

6. Які переваги і недоліки стиснутого природного газу над зрідженим нафтовим газом?

7. Як використовують газове пальне за рубежем?

8. Що таке генераторний газі як його можна використовувати в якості пального для автомобілів?

Дата добавления: 2014-01-06