Устройство автомобилей

Система питания двигателя от газобаллонной установки

Виды и характеристики газообразных топлив

Газобаллонные автомобили наиболее широко используют в качестве топлива сжатые природные газы, а также сжиженные нефтяные и природные газы, Кроме того, в качестве газового топлива для газобаллонных автомобилей могут использоваться канализационные газы.

Сжиженные газы

Сжиженные газы получаются при добыче и переработке нефти и превращаются в жидкость в интервале температур от –20 до +20 °С при давлениях 1,0…2,0 МПа.
Обычно используют пропанобутановые смеси с содержанием пропана 70…95% (для зимнего периода большее содержание).
Октановое число нефтяного газа зависит от состава смеси и составляет приблизительно 100…105 единиц.

Газ тяжелее воздуха в 1,5…2 раза, а температуры воспламенения газа и бензина близки. В состав сжиженных или жидких газов, применяемых для автомобильных двигателей, входят бутан и пропан с добавлением бутилена, пропилена, этана и этилена.

Величина давления сжиженного газа имеет важное практическое значение.
С одной стороны, давление в баллоне желательно иметь более низким, так как при этом можно применять более тонкостенные, а, следовательно, и более легкие баллоны.
С другой стороны, давление сжиженного газа в баллоне при любой температуре должно быть достаточным для обеспечения подачи топлива к двигателю и работы газовой аппаратуры.

Пропан (а также пропилен) обеспечивает удовлетворительную величину давления в баллоне при любых климатических условиях.

Бутан в чистом виде пригоден лишь для районов с жарким климатом, так как при температуре воздуха ниже 0 °С он уже не обеспечивает избыточного давления в баллоне.

Этан применяется в сжиженных газах в виде незначительных примесей для повышения давления.

Основными производителями сжиженных газов являются:

• газолиновые заводы, вырабатывающие бензин из нефтяных газов, выход сжиженного газа составляет до 50 % от производства бензина;
• крекинговые заводы, на которых сжиженные газы получают в качестве побочного продукта в количестве до 3 % по весу от исходного сырья;
• заводы, вырабатывающие бензин из каменного угля, выход сжиженного газа доходит до 10…12 % от веса основной продукции.

Основные требования, предъявляемые к сжиженным газам:

• соответствие их состава климатическим условиям;
• строго ограниченное содержание загрязняющих и вредных примесей.

При самых низких температурах воздуха давление в баллоне со сжиженным газом не должно быть ниже 0,2 МПа, при самых высоких — не более 1,6 МПа.
Предельное содержание сернистых соединений составляет 0,15 %.
Газ не должен содержать воды, механических примесей, водорастворимых кислот, щелочей и смолистых веществ.

Сжатые газы

Сжатые газы разделяются на природные (естественные), нефтяные и канализационные.

Природные (естественные) газы добывают из буровых газовых скважин.
Природные газы однородны по составу, в большинстве случаев не содержат загрязняющих и вредных примесей, обладают высокими антидетонационными свойствами и дешевы.

Нефтяные газы получают в качестве побочного продукта при добыче нефти, переработке нефти на нефтеперегонных и крекинговых заводах, а также при производстве бензина из нефтяного газа на газолиновых заводах.
Нефтяные газы менее однородны по составу и более загрязнены примесями, чем природные газы. Их теплопроводность выше теплотворности природных газов, так как они содержат больше тяжелых газов.

Канализационные газы выделяются при переработке сточных вод канализации на специальных станциях, имеющихся в крупных городах. Эти газы состоят главным образом из метана и углекислотного газа.
Выход канализационного газа со станции переработки сточных вод, обслуживающей население в 100 000 человек, достигает 2500 м 3 в сутки, что равноценно примерно 2000 л бензина.

Сравнение различных видов сжатого газа

Газы с большим содержанием метана и незначительным содержанием тяжелых углеводородов являются наилучшим видом топлива для автомобилей.
Наоборот, газы, в составе которых преобладают водород и окись углерода, имеют низкую теплотворность и поэтому наименее пригодны для использования в качестве автомобильного топлива.

Сравнение сжиженных и сжатых газов

Как высококалорийные сжатые газы, так и сжиженные пропанобутановые газы являются высококачественным топливом для автомобильных двигателей.
Однако сжиженные газы обладают существенными преимуществами перед сжатыми газами:

• значительно более низкое рабочее давление (до 1,6 МПа против 20 МПа), что позволяет применять более легкие и дешевые баллоны и газопроводы;
• возможность перевозки в железнодорожных и автомобильных цистернах на любые расстояния; перевозка сжатых газов практически не осуществляется;
• более дешевые и простые газозаправочные устройства, не требующие сложного оборудования; заправка баллонов сжатым газом возможна лишь на газонаполнительных станциях, снабженных компрессорами высокого давления;
• увеличенная дальность поездок и большая полезная грузоподъемность газобаллонных автомобилей, работающих на сжиженных газах.

Сжатые газы, в свою очередь, имеют преимущества перед сжиженными:

• это дешевый, часто малоиспользуемый вид местного топлива; сжиженные газы, наоборот, являются более дорогим продуктом, применяемым при производстве ряда ценных химических веществ, высокосортных бензинов, в бытовых целях;
• источники природных и промышленных газов расположены в самых различных районах страны, что позволяет значительно сократить доставку топлива в эти регионы; станции заправки сжатыми газами менее распространены.

Для автомобильного транспорта целесообразно использование как сжиженных, так и сжатых газов, в зависимости от наличия местных источников газа и от возможности организации газоснабжения.

Преимущества газового топлива по сравнению с бензином

К числу преимуществ горючих газов перед бензином следует отнести:

• существенная экономия на топливе (один литр газа стоит в два раза дешевле бензина);
• экологичность (содержание вредных веществ в отработавших газах меньше в несколько раз);
• высокие антидетонационные свойства газа позволяют повысить значительно степень сжатия в цилиндрах, что благотворно влияет на мощность и экономичность двигателя;
• газ не содержит вредных примесей (свинец, сера), которые на химическом уровне разрушают детали камеры сгорания, каталитический нейтрализатор и лямбда зонд;
• газ легко смешивается с воздухом и равномерней наполняет цилиндры однородной смесью, поэтому двигатель работает ровнее и тише;
• газовая смесь сгорает почти полностью, поэтому не образуется нагар на поршнях, клапанах, свечах зажигания и стенках камер сгорания;
• газ поступает в двигатель в паровой фазе, поэтому он не смывает масляную пленку со стенок цилиндров и не разбавляет масло в картере, следовательно, уменьшается износ поршней и цилиндров и увеличивается срок службы масла и его расход;
• газ сгорает немного медленнее, чем бензин, что снижает нагрузки на поршневую группу и коленчатый вал, двигатель работает «мягче», но снижается мощность двигателя на 2…5% в зависимости от степени сжатия.

В сумме все эти факторы дают двойную экономию средств на топливе, продлевают срок службы двигателя на 30…40% , масла и свечей — в два раза и, как следствие, значительно снижают не только эксплуатационные, но и ремонтные затраты.
К тому же газ не более опасен, чем бензин, и практически безвреден для окружающей среды.

Недостатки горючих газов, как автомобильного топлива

В качестве топлива для автомобильных двигателей горючие газы имеют следующие недостатки:

• усложнение и удорожание системы топливоподачи, так как газовые баллоны с их арматурой, газопроводы и газовая аппаратура сложнее по конструкции, дороже и тяжелее, чем бензобак, бензопроводы и бензонасос;
• затрудненность запуска двигателя при низких температурах;
• снижение мощности при переводе бензинового двигателя на газ без всяких переделок. Это обусловлено более низкой теплотворностью газовоздушной смеси по сравнению с бензиновоздушной смесью и ухудшением наполнения цилиндров двигателя вследствие более высокой температуры горючей смеси во впускном трубопроводе.

Температура горючей смеси при работе на газе на 15..20 °С выше, чем при работе на бензине, так как на испарение бензина в карбюраторе и впускном трубопроводе затрачивается некоторое количество теплоты.
При одинаковом составе горючей смеси теплотворность газовоздушной смеси для всех видов газов, за исключением окиси углерода, ниже теплотворности бензиновоздушной смеси: для природного газа на 9%, для коксового газа на 10%, для сжиженных газов на 2…3%.

Подогрев впускного трубопровода, необходимый при работе на бензине, вреден при работе на всех видах газов, так как вызывает снижение мощности на 4…6%.

Общее снижение мощности двигателя при переводе его с бензина на газ без переделок составляет: для сжиженных газов 5…9%, для сжатых газов 13…21%.
Снижение мощности двигателей, а также их топливной экономичности при работе на газе может быть полностью устранено, если повысить степень сжатия, отделить впускной трубопровод от выпускного, установить специальный газовый смеситель. Введение этих изменений позволяет не только сохранить мощность и экономичность двигателя при его работе на газе, но и значительно повысить их.

Топливо для газобаллонных автомобилей

В тридцатые годы прошлого века англичанин Барнетт получил патент на газовый двигатель, а в 1860 году француз Э. Ленуар построил мотор, работающий на смеси воздуха и газа. Такой выбор горючего никого не удивил – бензина еще не было. О газе, как о возможном моторном топливе, надолго забыли. Через 100 лет, в конце тридцатых годов прошлого столетия, возродилась мысль о его использовании. Исследования показали перспективность использования газа, как топлива для автомобилей. Газовое топливо сгорает полнее, поэтому в выхлопе газового двигателя в несколько снижается окись углерода.

В конце 40-х и начале 50-х годов в СССР было освоено производство газобаллонных автомобилей, использовавших сжатый природный газ.

Горючие газы, применяемые в качестве топлива для газобаллонных автомобилей

2. Компримированные (сжатые) природные газы (КПГ).

Сжиженные нефтяные газы при нормальных температурах (в диапазоне от –20 °C до +20 °C) и относительно небольших давлениях (1,0. 2,0 МПа – 10. 20 кгс/см2) находятся в жидком состоянии. Их основные компоненты – этан, пропан, бутан. Получают их при добыче и переработке нефти и поэтому их называют сжиженные нефтяные газы (СНГ).

Компримированные (сжатые) природные газы (КПГ) при нормальных температурах и любых высоких давлениях находятся в газообразном состоянии. К таким газам относится метан. Он является основной частью добываемых природных газов. Главным недостатком природного газа, его, как топлива для автомобилей, является очень низкая объёмная концентрация энергии. По этой причине для использования газа в качестве топлива на транспортном средстве его надо предварительно сжать до высоких давлений и заполнить им специальные баллоны.

Сжиженные природные газы (СПГ) имеют такое же происхождение и состав, как и компримированные природные газы. Они получаются охлаждением метана до минус 162 °C. Хранятся в теплоизолированных ёмкостях.

В настоящее время многие переоборудуют свои автомобили, переводя их на газовое топливо.

Для газобаллонных автомобилей разработан стандарт, согласно которому газобаллонное оборудование должно быть рассчитано на работу в диапазоне температур, указанных в таблице.

В качестве топлива в газобаллонных автомобилях используют природный газ и сжиженный нефтяной газ (пропан-бутан).

Природный газ, как топливо для автомобилей, имеет ряд преимуществ перед бензином и сжиженным нефтяным газом на пропан-бутане:

— двигатель на природном газе не более опасен, чем бензиновый, и менее, чем на пропан-бутане, поскольку природный газ легче воздуха и при утечке не скапливается, а поднимается вверх и удаляется по вентиляционным каналам, не создавая взрывоопасной смеси;

— автомобиль на сжатом газе намного чище бензинового. Количество двуокиси углерода в выхлопных газах ниже на 25 %, а моноокиси углерода (СО) – в несколько раз;

— сжатый метановый газ гораздо дешевле бензина и пропан-бутана;

— природный газ имеет более высокое октановое число, чем бензин, что позволяет повышать степень сжатия и, как следствие, мощность двигателя;

— использование природного газа в качестве топлива позволяет увеличить срок службы двигателя на 50-70 %, срок службы свечей – на 30-40 %, расход масла снижается благодаря увеличению периодичности его замены в 2-3 раза.

К недостаткам природного газа как автомобильного топлива можно отнести:

— переводится в сжиженное состояние только при очень низкой температуре (-163º С);

— высокая стоимость баллонов для хранения сжатого газа по сравнению с обычными бензобаками, а также с баллонами для сжиженного пропан-бутанового газа.

Природный газ, используемый в качестве топлива для автомобилей, находиться в прочных тяжёлых баллонах в сжатом состоянии под большим давлением. От этого полезная грузоподъёмность автомобилей снижается на 15-20 % по сравнению с грузоподъёмностью базовых автомобилей. Запас хода газобаллонных автомобилей, работающих на сжатом природном газе, ниже запаса хода автомобилей, работающих на бензине и сжиженном газе, в 1,5 -2 раза.

Основными компонентами сжиженных газов являются два углеводорода: пропан С3Н8, бутан С4Н10 и их смеси. Критическая температура пропана +97 градусов, а бутана +126 градусов, поэтому эти углеводороды при температурах ниже критических и незначительном увеличении давления можно перевести в жидкое состояние при +20 градусов. Для хранения сжиженных газов газобаллонные автомобили рассчитаны на рабочее давление 1,57 МПа. Этого давления достаточно, для того чтобы поддерживать чистый пропан в жидком виде при температурах ниже +48 градусов.

Сжиженный нефтяной пропан-бутановый газ обладает рядом преимуществ перед бензином:

— благодаря отсутствию растворяющих и смазывающих свойств газа увеличивается срок службы моторного масла в 1,5-2 раза;

— практически не содержит серы, которая вызывает сильную коррозию деталей и износ;

— не накапливаются смолистые отложения в топливной системе и камере сгорания (сжиженный нефтяной газ растворяет их), улучшается работа системы зажигания и возрастает срок службы свечей зажигания на 40 %;

— снижается токсичность выхлопных газов: окиси углерода (СО) в 2-3 раза, окиси азота (NO) 1,2 раза, углеводородов (СН) в 1,3-1,9 раза, обеспечивается сохранность катализаторов;

Недостатком сжиженного газа является необходимость установки дополнительного бака.

Еще один минус: ухудшение разгонной динамики автомобиля (на 5%), что, впрочем, компенсируется некоторым увеличением расхода газа.

На установку газобаллонного оборудования придётся затратится: установка газового баллона ёмкостью 50 — 60 л владельцам автомобилей ВАЗ, Волга и Иномарок обойдётся примерно в 18000 руб.

При средней стоимости заправки 19-28 рублей за литр, что в почти в 2 раза дешевле бензина, если годовой побег автомобиля 10-15 тысяч, затраты окупятся не скоро. Но если ежедневный пробег составляет сотню-полторы километров, то оборудование окупит себя за полгода.

Проанализировав расходы на затраты горючего, решайте, что Вам выгоднее.