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.

Автомобильный справочник

для настоящих любителей техники

Работа двигателя на сжатом природном газе

Ввиду повсеместных усилий, направленных на снижение выбросов СO₂, природный газ приобретает все большую важность в ка­честве альтернативного вида топлива для автомобилей. Сжатый природный газ (СПГ), который не следует путать со сжиженным нефтяным газом (СНГ), в основном состоит из метана. Сжиженный нефтяной газ в основ­ном состоит из пропана и бутана. Работа двигателя на сжатом природном газе несколько отличается. Вот о том как происходит работа двигателя на природном газе, мы и поговорим в этой статье.

Применение сжатого природного газа на автомобилях

По сравнению с бензином, при сгорании сжатого природного газа образуется приблизительно на 25% меньше СO₂. Таким образом, сжатый природный газ дает наи­меньшее количество выбросов СO₂ из всех видов ископаемого топлива. Применение в качестве топлива биогаза позволит в еще большей степени снизить глобальные вы­бросы парниковых газов. В связи с более низким содержанием СO₂ в отработавших га­зах, транспортный налог на автомобили, ра­ботающие на сжатом природном газе, во многих странах снижен.

Тем временем различные производители начали предлагать варианты автомобилей, оборудованных для работы на сжатом при­родном газе. При этом баллоны для СПГ большего объема размещаются более удобно и эффективно, без потерь полезного объема багажного отделения, практически неизбеж­ных при доделке автомобилей.

Последнюю информацию о количестве автомобилей, которые могут работать на СПГ, и сети заправочных станций сжатого природного газа в Гер­мании можно найти в Интернете. Такие автомобили, как правило, явля­ются двухтопливными, т.е. водитель может переключаться с бензина на газ и обратно. Существуют также варианты, получившие название «Monovalent plus», в которых дви­гатель оптимизирован для работы на природ­ном газе с целью как можно более полного использования его преимуществ по сравне­нию с бензином (более высокая стойкость к детонации, меньшее количество выбросов СO₂ и токсичных веществ). На автомобилях варианта «Monovalent plus», тем не менее, предусмотрен небольшой бензобак ( п омощи регулировочного винта на заводе-изготовителе.

Принцип действия модуля регулирования давления

Поток газа со стороны высокого давления че­рез регулируемую дроссельную диафрагму поступает в камеру низкого давления, в ко­торой находится мембрана. Мембрана через регулирующий стержень регулирует степень открытия дроссельной диафрагмы. Когда дав­ление в камере низкого давления понижается, мембрана прижимается пружиной к дроссель­ной диафрагме, которая открывается, позво­ляя возрастать давлению на стороне низкого давления. При повышении давления в камере низкого давления пружина дополнительно сжи­мается, и дроссельная диафрагма закрывается. Уменьшение проходного сечения дроссельной диафрагмы вызывает снижение давления на стороне низкого давления. В установившемся режиме образуется проходное сечение дроссельной диафрагмы, требуемое для создания рабочего давления, и давление в камере низкого давления остается практически постоянным.

Минимальные колебания рабочего давле­ния при изменениях нагрузки свидетельствуют об исправности регулятора давления.

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ СЖИЖЕННЫХ И СЖАТЫХ ГАЗОВ В КАЧЕСТВЕ АВТОМОБИЛЬНОГО ГОРЮЧЕГО

Горючие газы, используемые в газобаллонных автомобилях, могут быть естественными и искусственными. Естественные (природные) газы добываются из газовых или нефтяных скважин. Искусственные газы являются побочными продуктами, получаемыми на химических или металлургических заводах.

Газовые топливные системы (ГТС)могут работать на сжиженном (пропан-бутан, С₃Н₈ — С₄Н₁₀) и сжатом (метан, СН₄) газе, обеспечивают экономию топлива, более чистый выхлоп, увеличение ресурса двигателя.

Газобаллонные автомобили имеют также и недостатки:

§ расход газа выше, чем традиционного топлива (в городе на 15%, на загородных дорогах на 10%);

§ уменьшается мощность двигателя;

§ более трудоемко ТО.

Сжатыми (сжимаемыми) называют газы, которые при обычной температуре окружающей среды и высоком давлении (до 20 МПа) сохраняют газообразное состояние. Кроме метана, к сжатым относятся и промышленные газы: светильный, коксовый и синтез-газ, но они содержат окись углерода (СО) и поэтому ядовиты.

Сжиженными (сжижаемыми) газами называют такие, которые переходят из газообразного состояния в жидкое при нормальной температуре и небольшом давлении до 1,6 МПа. Их получают при переработке нефти и, соответственно, их запасы ограничены.

Газобаллонные автомобили, работающие на сжиженных газах, по сравнению с автомобилями, работающими на сжатых газах, имеют следующие преимущества:

§ у них больше грузоподъемность, так как баллоны легче и их число меньше;

§ меньше рабочее давление в газобаллонной установке, а следовательно, надежнее и безопаснее работа на таком автомобиле;

§ выше теплотворная способность газовоздушной смеси, что способствует увеличению мощности двигателя;

§ больше концентрация тепловой энергии в единице объема, что позволяет увеличить радиус действия автомобиля;

§ перевозка сжиженных газов проще.

Установлены следующие марки газов:

· СПБТЗ — смесь пропана и бутана техническая зимняя;

· СПБТ Л — смесь пропана и бутана техническая летняя;

· БТ — бутан технический.

Сжиженный пропан — бутановый газ согласно стандарту должен содержать пропана зимой не менее 90 %, а летом — не менее 70 %. Газ не должен содержать механических примесей, воды, водорастворимых кислот, щелочей, смол и других загрязняющих веществ. Гарантийный срок хранения сжиженного газа три месяца со дня изготовления.

УСТРОЙСТВО ГАЗОБАЛЛОННЫХ УСТАНОВОК

Ус­тановка газовой аппаратуры возможна на любых двигате­лях со степенью сжатия от 8,2 до 12 и мощностью до 300 л.с. При этом ГТС не ис­ключает питания двигателя бензином, а лишь подменяет его. Так, пуск двигателя в холодное время лучше осу­ществлять на бензине. Переход двигателя после пуска на работу на га­зе происходит тем быстрее, чем выше температура охла­ждающей жидкости, обогре­вающей редуктор-испари­тель.

Основное различие ГТС — принцип управления: ваку­умный пли электронный. Применение автоматики на карбюраторных двигателях не оправдывает себя, в то время как на моторах с впрыском подобные систе­мы более желательны. По­добные системы могут ра­ботать незави­симо от водителя, по задан­ной программе отключая и возобновляя подачу бензи­на.

В установку для сжатого газа входят: баллоны; наполнительный, расходный и магистральный вентили; подогреватель сжатого газа; редуктор с фильтром и дозирующим устройством; газопроводы высокого и низкого давления; карбюратор-смеситель.

Газобаллонная установка для сжиженного газа включает: баллон для сжиженного газа; магистральный, паровой, наполнительный, контрольный вентили; испаритель сжиженного газа; газовый редуктор; смеситель газа; резервную бензиновую топливную систему.

Баллоны для сжатого газа изготовляют из бесшовных труб (материал — легированная сталь), подвергают термической обработке для повышения прочности и обеспечения безосколочности при разрушении. На баллоне выбиты клейма с указанием завода, массы, объема, даты (месяц и год) изготовления, давлений — рабочего и при испытании, года следующего испытания, а также клеймо контролера ОТК (отдела технического контроля) завода.

При открытом магистральном вентиле газ поступает в редуктор, который уменьшает его давление, автоматически изменяет количество газа, поступающего к смесителю (в зависимости от режима работы двигателя), и быстро выключает подачу газа при любой остановке двигателя.

При эксплуатации автомобиля на сжиженном газе обязательна регулярная, тщательная проверка герметичности газовой установки и немедленное устранение причин, вызывающих утечки газа. Значительные утечки обнаруживают на слух или по обмерзанию соединения, пропускающего газ. Жидкие газы, выходя на воздух, интенсивно испаряются и отбирают теплоту из окружающей среды. Небольшие утечки определяют при помощи мыльного раствора или масла.

Ремонт ГТС обычно сво­дится к устранению неплот­ностей в соединениях при утечке газа, а также чистке приборов (прежде всего газового фильтра и его отстой­ника) и замене поврежден­ных диафрагм в редукторе-испарителе.

Обслуживание: один раз в месяц сливать конден­сат из редуктора-испарите­ля, в тех случаях, когда слив его не производится автома­тически. Переосвидетель­ствовать газовый баллон один раз в два года, при этом его необходимо демонтиро­вать.

СМЕСЕОБРАЗОВАНИЕ В ДИЗЕЛЬНЫХ ДВИГАТЕЛЯХ

Экономические и экологические показатели автомобильного дизельного двигателя (ДД) в первую очередь зависят от особенностей рабочего процесса и, в частности, от типа камеры сгорания, системы впрыскивания топлива. Камеры сгорания ДД делятся на разделенные (вихрекамерные и форкамерные), полуразделенные и неразделенные. ДД с неразделенной камерой иногда называют двигателями с непосредственным впрыском.

ДД с разделенной камерой сгорания обычно устанавливаются на грузовики малой грузоподъемности и легковые автомобили. Они имеют низкий уровень шума и меньшую жесткость работы. При подходе поршня к ВМТ воздух из основного объема камеры сгорания вытесняется в дополнительный, создавая в нем интенсивную турбулизацию заряда, что способствует лучшему перемешиванию капель топлива с воздухом. Недостатком ДД с разделенной камерой сгорания являются: некоторое увеличение расхода топлива вследствие повышения потерь в охлаждающую среду из-за увеличенной поверхности камеры сгорания, больших потерь на перетекание воздушного заряда в дополнительную камеру и горящей смеси обратно в цилиндр. Кроме того, ухудшаются пусковые качества. Для облегчения пуска ДД с разделенной камерой оснащаются электрическими свечами накаливания, устанавливаемыми в форкамеру или вихревую камеру. Реже свечи устанавливаются в ДД с непосредственным впрыском.

ДД с неразделенной камерой сгорания имеют низкие расходы топлива и легче запускаются. Недостатком их является повышенная жесткость работы и соответственно — высокий уровень шума.

ДИЗЕЛЬНЫЕ ТОПЛИВА

Дизельные топлива (ДТ) предназначены для дви­гателей внутреннего сгорания с воспламенением от сжатия. Представляют собой смесь углеводо­родов с температурой кипения 180—360 0 С. ДТ, впрыснутое в сжатый и нагретый в цилиндре воздух (500-700 0 С), должно распылиться, частично испариться и самовос­пламениться за очень короткий (0,002-0,003 с) промежуток времени, называемый периодом задержки самовоспламенения (ПЗС).

Цетановое число (ЦЧ) характеризует воспла­меняемость ДТ (чем оно больше, тем мень­ше ПЗС). При ЦЧ менее 40 (большом ПЗС) топливо в цилиндре успевает хорошо прогреться, поэтому воспламенение носит взрывной характер и рез­ко повышает давление в цилиндре. Такую рабо­ту дизеля называют «жесткой», она вызывает ударные нагрузки на поршень, подшипники ко­ленвала, приводит к их ускоренному износу. ДТ с ЦЧ выше 55 (малым ПЗС), поступив в цилиндр, не успевает хорошо прогреться, поэтому давление в цилиндре нарастает равно­мерно, дизель работает «мягко». Однако при этом ухудшается процесс смесеобразования, что приводит к неполному сгоранию топлива, падению мощности и экономичности двигателя, повышению дымности отработавших газов.

ЦЧ связано с низкотемператур­ными характеристиками топлива — чем оно меньше, тем ниже температура застывания. Поэтому летние и зимние ДТ имеют разные ЦЧ. У арктического ДТ оно находится на грани «жесткой» работы дизе­ля. «Мягкой» работой двигателя «жертвуют» для обеспечения возможности его пуска, прохожде­ния топлива через фильтры, прокачиваемости по топливной системы и т.д.

Прокачиваемость ДТ долж­на обеспечивать бесперебойную подачу его в цилиндры в необходимом количестве. Опреде­ляется вязкостью, низкотемпературными ха­рактеристиками, содержанием механических примесей, смол и других загрязнений, влияю­щих на прохождение топлива через фильтр.

Вязкость ДТ должна находиться в определенных пределах. Если она чрезмерно высокая, ухудшается прокачиваемость по системе и процесс смесеобразования из-за неудовлетворительной тонкости распыления. Это снижает экономичность двигателя и повышает дымность отработавших газов. Топливо с низкой вязкостью хуже обеспечивает смазку и герметизирует зазор плунжерных пар топливного насоса высокого давления, что может привести к выходу его из строя.

Низкотемпературные свойства ДТ — температура помутнения (кристаллизации парафинов), застывания (полная потеря текучести) и предельной фильтруемости (температура, при которой топливо еще способно проходить через фильтр). Они определяют способность топлива проходить через фильтр и обеспечивать прокачку по трубопроводам в условиях низких температур.

Таблица 1. Цетановые числа дизельных топлив различных марок

Марка ДТ	Летнее	Зимнее (-35 0 С)	Зимнее (-45 0 С)	Арктическое
ЦЧ	47 — 51	45 — 49	40 — 42	38 — 40

Для обеспечения низкотемпературных свойств зимнее и арктическое ДТ получают из бо­лее легких фракций, чем летнее, или проводят его депарафинизацию (извлечение парафинов), а в то­пливо марки ДЗп вводят депрессорные присадки. В арктическое ДТ для повышения ЦЧ вводят специальные присадки, повышающие его с 38 до 40. Гидроочисткой получают экологи­чески чистые топлива летних (ДЛЭЧ-В и ДЛЭЧ) и зимней марок (ДЗЭЧ), которые обладают по­ниженным содержанием серы.

Введением в экологически чистое топливо присадок (летом антидымной, зимой еще и депрессорной) получают городское ДТ.

Зимнее ДТ дороже летнего, поэтому недобросовестные производители для сниже­ния температуры застывании добавляют зимой в летнюю марку бензины или керосины. У них низкое цетановое число (у керосина — 20-40, у бензина — 14-24), что приводит к жест­кой работе дизеля, соответственно к повыше­нию износа и т.д. Добавление в ДТ некачественных депрессорных присадок, понижающих только температуру застывания и не влияющих на пре­дельную температуру фильтруемости, вызыва­ет забивание фильтров.