Застосування газоподібного палива у ДВЗ

Газ у вигляді палива використовують головним чином для автомобільних двигунів внутрішнього згоряння (ДВЗ) у стисну­тому або розрідженому виді. Для газобалонних автомобілів використовують тільки високо - і середньо калорійні гази в стиснутому або рідкому стані, оскільки тільки вони забезпе­чують досягнення необхідних техніко-економічних показників автомобіля.

Використання газоподібного палива для ДВЗ має переваги в порівнянні з рідкими паливами:

- зменшується токсичність відпрацьованих газів, що при сучасній концентрації автомобілів суттєво оздоровлює навко­лишнє середовище;

- збільшується в середньому на 35...45% моторесурс дви­гуна і в 2-3 рази строк роботи моторного масла, оскільки газо­повітряна суміш не змиває масляної плівки із дзеркал циліндрів;

- висока детонаційна стійкість газоподібного палива доз­воляє підвищити ступінь стиску двигуна та відповідно його потужність до 15% і паливну економічність до 12%;

- поліпшуються розподіл паливної суміші між цилін­драми двигуна і сумішоутворення, що також впливає на підви­щення потужності двигуна.

Зауважимо також легкість перебудови карбюраторного двигуна для роботи на газі.

Проте ці переваги не завжди повністю реалізуються вна­слідок зменшення наповнення циліндрів, оскільки для роботи на газ переводять карбюраторні двигуни, рідше дизелі, а не викори­стовують спеціальні газові двигуни. Крім того переведення двигунів для роботи на газоподібному паливі пов’язано з рядом факторів:

- ціна автомобіля зростає із-за наявності додаткової газо­вої апаратури;

- металоємність газобалонних автомобілів збільшується на 65-160 кг, а при використанні стиснутого газу - на 400-950 кг, залежно від кількості і маси балонів високого тиску, що призводить до зниження вантажопідйомності на 14-18%;

- трудомісткість технічного обслуговування і ремонту газобалонних автомобілів при використанні зрідженого газу збільшується на 3-5%, а при використанні стиснутого - на 12-15%;

- при використанні стиснутого газу пробіг автомобіля на одній заправці скорочується на 40-45%.

Стиснуті гази для газобалонних автомобілів стандарти­зовані зі наступними видами: природний, коксовий, збагачений. В таблиці 1.23 наведені основні показники цих газів.

Головним пальним компонентом газів є метан СН4. У природному газі вміст метану складає 90-98%, у коксовому металізованому - не менше 65%, у коксовому збагаченому - не менше 50%.

У газоподібному паливі, як і у рідкому, небажано присутності сірководню Н2S, який викликає корозійний знос газової апаратури та деталей двигуна. Дуже негативно впливає присутність в газі сполучення CN, яке у з’єднанні з водою утворює синильну кислоту, у результаті чого на стінках балонів виникають малі міжкристалічні щілини, які приводять до їх руйнування. Як і для рідкого палива, небажано присутності у газі смолянистих сполук, механічних домішок, вологи. В загалі на автомобілі ставлять циліндричні балони, розраховані на робочий тиск 20 МПа. У одному такому балоні об’ємом 50л (по воді) утримується 10 м3 газу при нормальних умовах.

Переведення стандартних карбюраторних двигунів на газоподібне паливо супроводжується деяким зниженням їх потужності. Це відображають швидкісні характеристики двигу­нів автомобілів ГАЗ-53А та ЗИЛ-130, показані на рисунку 1.39.

 

Рис. 1.39. Зміна потужності Nе та крутного моменту Мк двигунів

автомобілів ЗИЛ-130 (криві 1) та ГАЗ-53А (криві 2) в залежності від

числа обертів колінчастого валу двигуна при роботі на бензині

(суцільні лінії) та на стиснутому газі (штрихові лінії)

 

Зменшення потужності пов’язано зі зменшенням темпера­тури згоряння газоповітряної суміші у порівнянні з бензиновою, а також із зниженням коефіцієнту наповнення горючої суміші циліндрів двигуна. Однак збільшення ступеня стиску газових двигунів практично вирівнює експлуатаційні властивості авто­мобілів, працюючих на бензині та газі.

Зріджений природний газ. Основними компонентами цього виду палива є метан (90-97%) і азот (3-4%). Його застосування як моторного палива дає можливість використати великий енергетичний потенціал газових родовищ. Разом з тим зрідження метану, який має температуру кипіння нижче -160°С, пов’язане з відповідними труднощами. Крім того для його зберігання і транспортування необхідна спеціальна термо­статична тара з вакуумом або іншою надійною термоізоляцією. При заправці рідким метаном може виникнути забруднення навколишнього середовища: при зрідженні різко збільшується його вартість; втрати метану від випаровування, навіть в умовах вакуумної ізоляції складають 7,0-8,0% на добу, причому це не тільки втрати палива, але і різке збільшення ризику пожежі і вибуху. В той же час об’єм рідкого метану в 3 рази менший, ніж об’єм стиснутого при 20 МПа газу, а маса термостатичних балонів у 8 разів менша маси балонів стиснутого газу. Но­мінальний тиск в кріогенному балоні, залежно від конструкції, становить 0,07-0,7 МПа.

Фізико-хімічні властивості зрідженого природного газу приведена в таблиці 1.25.

 

Таблиця 1.25

Фізико-хімічні властивості зрідженого природного газу

 

Показники Значення показників
Густина при температурі 0 °С, і тиску 0,1013 МПа, Н/м3   7,00
Температура, °С - кипіння - затвердіння   - 161,74 - 182,5
Критичний тиск, МПа 4,73
Критична температура, °С - 82,61
Відносна густина за повітрям 0,554
Молярна маса, кг/моль 16,043

Зріджене газоподібне паливо – це пропан-бутанові суміші газів, які мають теплоту згоряння біля 46,0 мДж/м3. Зріджені гази можна транспортувати в звичайних і автомобільних цистернах. Для заправки ними автомобілів використовують прості і дешеві газонаповнювальні і пересувні установки.

Зріджений пропан-бутановий газ має максимальний тиск 1,6 МПа, для його зберігання і транспортування на борту авто­мобіля використовують балони місткістю до 250 дм3. Балони заповнюють зрідженим газом не більше 90% об’єму (врахову­ється можливе теплове розширення газу). Решту (10%) займає газоподібна фаза, яка використовується для пуску холодного двигуна.

Відповідно до ГОСТ 27578-87 “Гази вуглеводні зріджені для автомобільного транспорту” зріджені гази випускають двох марок: ПА - пропан автомобільний, рекомендується використо­вувати при температурі до мінус 20-35°С; ПБА - пропан-бутан автомобільний, рекомендується використовувати при темпера­турі до мінус 20°С. Фізико-хімічні показники цих газів при­ведені в таблиці 1.26.

 

Марка Показники ПА ПБА
Масова частка компонентів, %: - метан і етан - пропан - вуглеводні С5 (і вище) - не насичені вуглеводні, не більше Об’ємна частка рідкого залишку при 40 °С Надлишковий тиск насиченої пари, МПа: - при 45 °С, не більше - при мінус 35 °С, не менше - при мінус 20 °С, не менше Масова частка сірки і сірчистих сполук, % - не більше - у тому числі сірководню, не більше Вміст вільної води і лугів   Не нормуються 90±10 50±10 Не нормується Відсутність   1,6 0,07 - - 0,07   0,01 0,003 Відсутність