§ 4.2. Газообразные углеводородные топлива

Входящие в состав природных и промышленных горючих газов углеводороды с количеством атомов углерода в молекуле меньше шести при нормальных температуре и давлении представляют собой газ (табл. 4.7).

В состав горючих газов могут входить примеси в виде тяжелых углеводородов, окислов и диоксидов углерода и азота, кислорода,, водорода, а также вода и коррозионно-агрессивные вещества (например, сероводород, аммиак, циан, цианистоводородная кислота и пр.).

По происхождению (источником сырья) горючие газы разделяют на природные и промышленные (табл. 4.8). К природным относят горючие газы газовых, газоконденсатных и нефтяных месторождений; к промышленным — углеводородные газы, получаемые при различных видах переработки жидких и твердых полезных ископа­емых, растительных веществ и биомасс (биогаз).

Таблица 4.7

Приведенные в табл. 4.8 данные по теплом сгорания и бензино­вому эквиваленту горючих газов в значительной степени зависят от технологии переработки сырья (в первую очередь очистки от бал­ластных примесей). Например, хорошо очищенный биогаз обладает теплотой сгорания 30—35 МДж/м при бензиновом эквиваленте 0,70—0,81 кг/м³ , т.е. не уступает по этим показателям природному газу.

Таблица 4.8

Примечание. Бензиновым эквивалентом называют количество бензина (в кг), равноценное 1 м газа по теплоте сгорания.

После очистки от нежелательных примесей и обогащения (при необходимости) из горючих газов получают газообразные топлива (ГТ). На сегодняшний день ГТ являются основными альтер­нативными топливами для ДВС. Дальнейшее расширение использо­вания ГТ (первую очередь сжиженного нефтяного и природного газов) рассматривается как одно из основных направлений решения задач по улучшению структуры топливно-энергетического баланса и снижению в нем доли нефти, используемой в качестве моторного топлива. ГТ обладают высокими экологическими показателями, поэтому помимо экономических факторов перевод ДВС на этот вид топлива диктуется необходимостью уменьшения загрязнения воздуха, в особенности в крупных городах, имеющих большой парк авто­мобилей. Благодаря присущей ГТ большой детонационной стойкости (см. табл. 4.8) обеспечивается работа двигателя с высокими степе­нями сжатия, а следовательно, с хорошей топливной экономично­стью.

Учитывая высокую детонационную стойкость ГТ, регулирование угла опережения зажигания двигателя не может производиться общепринятым способом — по детонации в режиме повышения на грузки, а выполняется на стенде с беговыми барабанами по максимальной мощности двигателя. Концентрационные пределы вос­пламеняемости ГТ шире, чем у жидких (до а -1,25—1,32). Это обеспечивает устойчивую работу двигателя на обедненных смесях. Благодаря низкой температуре кипения ГТ в цилиндры двигателя поступает практически полностью гомогенная (парогазовая) горючая смесь, поэтому исключена возможность конденсации топлива во впускном тракте, на деталях цилиндропоршневой группы и в картере двигателя. В результате повышается полнота сгорания топлива, уменьшаются неравномерность распределения смеси по цилиндрам образование низко- и высокотемпературных отложений (в особен­ности нагара), а также увеличивается стабильность масляной пленки на поверхностях трения.

В зависимости от агрегатного состояния топлива в топливных баках (баллонах) различают сжатые (т.е. хранящиеся на борту ав­томобиля в виде сжатого газа) и сжиженные (т.е. хранящиеся в жидком состоянии) ГТ.

Следует отметить условность деления ГТ на сжатые и сжиженные. При обеспечении соответствующих условий хранения в топливных баках любое ГТ может находиться как в виде сжатого газа, так и в жидком состоянии, например метан.

Сжатые газообразные топлива хранятся в автомобиле в баллонах под давлением до 20 МПа. Основным веществом, входящим в состав сжатых ГТ, является метан.

Показатели сжатых ГТ, используемых для газобаллонных авто­мобилей, нормированы ТУ 51-16.6—83 (см. табл. 4.9).

Содержание в сжатых ГТ более тяжелых, чем метан, углеводо­родов ограничено для исключения образования отложений в агрега­тах газовой аппаратуры и соответственно нарушения их работы. Негорючие составляющие (азот, кислород, диоксид углерода) снижа­ют теплоту сгорания ГТ.

Таблица 4.9

При дросселировании газа, находящегося под высоким давлением, его температура понижается. Это приводит к необходимости тща­тельного обезвоживания газа во избежание закупорки льдом элемен­тов системы топливоподачи.

В сжатых ГТ ограничивается содержание коррозионно-агрессивных веществ для исключения их влияния на элементы, нахо­дящиеся под высоким давлением.

Основным недостатком сжатых ГТ является большая масса бал­лонов для сжатого газа. Для устранения этого недостатка разрабо­таны баллоны из легированных сталей (табл. 4.10), легких сплавов и композиционных пластмасс, упрочненных наружной оплеткой из высокопрочных материалов.

Таблица 4.10

Заправка автомобилей сжатым газом осуществляется на авто­мобильных газонаполнительных компрессорных станциях (АГНКС), в которых магистральный газ из единой системы газоснабжения про­ходит очистку от механических примесей и осушение, после чего в многоступенчатом компрессоре его давление повышается до 20—25 МПа. Из компрессора газ подается в аккумуляторы (газгольдеры) и затем в блок раздачи на заправку автомобиля. В нашей стране должно быть построено 700 АГНКС. Эти станции обеспечат заправку сжатым газом более 700 тыс. автомобилей, что дает экономию не менее 6,5 10* т нефтяного топлива в год. Дополнительно планируется использование малогабаритных АГНКС в блочно-контейнерном исполнении и применение передвижных автозаправщиков, на которых смонтированы аккумуляторы сжатого газа и блок за­правки. Имеются и более простые компрессорные газозаправочные установки, предназначенные для применения непосредственно в га­ражах.

Газовые топлива на основе метана применяют в дизелях в «газожидкостном» цикле. При этом во впускном тракте двигателя монтируется устройство для ввода дозированного количества ГТ в поток воздуха и устанавливается автономная топливоподающая система для ТТ. Учитывая высокое ОЧ (и соответственно низкое ЦЧ) этого топлива, в конце такта сжатия необходимо инициировать воспламенение топливно-воздушной смеси. Обычно это обеспечива­ется путем впрыска относительно небольшой (16—25 %) порции дизельного топлива через основную систему топливоподачи дизеля. В связи со стремлением к наиболее эффективному использованию природного газа проводятся работы по применению сжиженного ме­тана. Разработаны и находятся в опытной эксплуатации криогенные топливные баки с вакуумной термоизоляцией, в которых жидкий метан хранится при давлении 0,15 МПа до 5 сут практически без потерь. Эти работы имеют большое перспективное значение, так как позволяют создать производственную базу криогенной техники в автотракторной промышленности с последующим ее использованием для работы на сжиженном водороде.

Следует указать, что стоимость криогенных топливных баков высока (в десятки раз превышает стоимость обычных бензобаков), поэтому для некоторых категорий транспортных средств, для которых текущий и межсменный расходы топлива достаточно четко опреде­лены, а время стоянки с выключенным двигателем ограничено (например, трактора, внутри- и межгородские автобусы, такси и т.п.), требование длительного хранения бортового запаса жидкого метана является избыточным. Можно подобрать такую термоизо­ляцию, при которой испарение жидкого метана вследствие тепло-подвода к бакам будет соответствовать его расходу двигателем. Такие баки требуют значительно менее сложной, а следовательно, и менее дорогой термоизоляции. Они легче, проще, дешевле и надежнее в эксплуатации. Заправка транспортных средств топливом может осу­ществляться периодически перед началом рабочей смены или по мере необходимости от передвижного заправщика. Внедрение таких систем хранения жидкого метана в первую очередь на внутригородском транспорте и н агропромышленном комплексе позволит значительно расширим, использование природного газа.

Сжиженные газообразные топлива. Состоят из смеси пропана (С₃Н₈) с бутаном (С₄Н₁₀) с примесью этилена, пропилена и бутиле­на. В смеси в небольших количествах содержатся также пропен, бутен, изобутен и изобутан. Эти газы называют нефтяными попут­ными газами, потому что их получают в основном при добыче и переработке нефти. Основные физические параметры нефтяных газов даны в табл. 4.7. Показатели товарных сжиженных ГТ по ГОСТ 20448—80 приведены в табл. 4.11.

Таблица 4.11

Топливо СПБТЗ (смесь пропана и бутана технических зимняя) предназначено для зимней эксплуатации, топливо СПБТЛ (смесь пропана и бутана технических летняя) — для летней эксплуатации.

Техническими условиями предусмотрено отсутствие жидкого остатка в баке при температуре +40 С, воды и других загрязняющих примесей. В частности, наличие более тяжелых углеводородов (начиная с гексана С₆Н₁₄) обусловливает образование неиспаряющихся осадков и отложений в баке и газовой аппаратуре, что нарушает ее работу (например, газового редуктора). Параметры смеси пропана и бутана зависят от относительного количества этих компонентов, что дает возможность эффективно изменять показатели топлива, приспосабливая его к заданным климатическим условиям — с увеличением эксплуатационной температуры увеличивать количество углеводородов с низким давлением насыщенных паров и наоборот. Соответственно давление насыщенных паров пропан-бутановой смеси в зависимости от концентрации компонентов может изменяться в диапазоне, ограниченном кривыми 4 и 6 (рис. 4.1). Аналогичные закономерности справедливы и для изменения энер­гетического наполнения цилиндров (см. §2.4), определяющего мощ­ность, развиваемую двигателем. С увеличением содержания в смеси пропана энергетическое наполнение цилиндров будет уменьшаться из-за меньшей, в сравнении с бутаном, плотности его паров при практически разных теплотах сгорания (см. табл. 4.7).

Из данных табл. 4.11 и рис. 4.1 следует, что давление насы­щенных паров углеводородов, ис­пользуемых в сжиженных ГТ, относительно невелико, что позво­ляет хранить сжиженные ГТ в баллонах, рассчитанных на дав­ление в 1,6 МПа при температуре до 45 °С. Все сорта сжиженных ГТ относят к высококалорийным топливам (низшая теплота сгорания 44,8—46,9 МДж/м³).

Важной с эксплуатационной точки зрения особенностью сжи­женных ГТ является их отно­сительно высокий коэффициент объемного расширения (табл. 4.12), что приводит к необходимости наличия большого (до 10 %) сво­бодного (не заполненного топ­ливом) объема в топливных баллонах. В системах смесеобразо­вания в двигатель ГТ подается в паровой фазе. Испарение топлива и подогрев паров (необходимый для компенсации охлаждения при расширении в редукторе) осуществляются в теплообменнике, входя­щем в систему топливоподачи. При проектном расчете теплооб­менника теплоту испарения сжиженного ГТ принимают равной 400 кДж/кг и затраты теплоты на подогрев — 85 кДж/кг. Теплота под­водится от охлаждающей жидкости или отработавших газов двига­теля (в перспективе возможен подогрев газа путем его частичного окисления, осуществляемого, например, на катализаторе).

Таблица 4.12

Для запуска холодного двигателя, когда теплопровод к газу отсутствует, приникши отбор газовой фракции топлива из свобод­ного объема баллона. Длительная работа двигателя с отбором топлива из свободного объема недопустима, так как это приводит к переохлаждению топлива (из-за затрат теплоты на испарение) и неравномерному израсходованию компонентов, входящих в топливо: в первую очередь расходуются компоненты, обладающие наибольшим давлением насыщенных паров — пропан и пропилен. Это может привести к перебоям в подаче топлива.

Экспериментальные работы, а также отечественный и зарубеж­ный опыт эксплуатации двигателей, работающих на ГТ, позволили установить следующие преимущества использования ГТ в сравнении с бензином. Увеличение: в 1,25—2,00 раза моторесурса двигателя и в 2—3 раза ресурса свечей зажигания, в 2—4 раза срока службы моторного масла (при уменьшении на 30—40 % его расхода на угар); снижение: в 1,7—2,3 раза токсичности отработавших газов по оксиду углерода и углеводородам и в 5—7 раз по соединениям серы. К основным недостаткам конструкций автомобилей на ГТ относят: снижение пробега автомобиля без дозаправки в 1,5—3 раза и полез­ной грузоподъемности на 5—20 % (меньшие значения относятся к автомобилям на сжиженном газе, большие — на сжатом); умень­шение (до 20 %) мощности и тягово-динамических характеристик автомобиля; снижение надежности двигательной установки при увеличении капитальных затрат на эксплуатацию; ухудшение ус­ловий низкотемпературного запуска двигателя; повышение пожаро-и взрывоопасности ГТ. Совокупность влияния перечисленных фак­торов комплексно оценивается экономической эффективностью использования ГТ.

Затраты на переоборудование автомобилей для работы на ГТ окупаются в течение 2—3 лет. Стоимость эксплуатации городских автобусов в 1,5 раза, а такси на 30 % меньше, чем на бензине. Эксплуатация в Главмосавтотрансе работающих на ГТ автомобилей ЗИЛ-138А (сжатый газ) и ЗИЛ-138В (сжиженный газ) дала в срав­нении с базовым бензиновым автомобилем годовой экономический эффект на один автомобиль 718,5 и 1365 руб. при годовой экономии бензина одним автомобилем 10,3 и 21,4 т по каждой из указанных марок соответственно (по ценам 1988 г.).

Учитывая зависимость автомобилей, работающих на ГТ, от наличия и расположения заправочных станций, в настоящее время их оборудуют двигателями, имеющими возможность работать как на жидком, так и на газообразном топливах. Такие двигатели называют конвертированными. Использование конвертированных двигателей не дает возможности эффективно реализовывать все преимущества ГТ, так как нельзя повысить степень сжатия до пределов, обес­печиваемых ГТ (в противном случае при работе на жидком топливе возникает детонация); кроме того, впускной тракт двигателя не яилястся оптимальным для работы на ГТ — необходимо увеличим, сечения клапанов и исключить подогрев впускного тракта. Подогрев в этом случае не только не нужен, так как жидкого топлива нет,

но и вреден, так как из-за него уменьшается коэффициент напол­нения. Для повышения эффективности использования ГТ должны быть специально подобраны фазы газораспределения и харак­теристики системы зажигания.

В результате мощность конвертированного двигателя снижается

на 6—8 % при работе на сжиженном ГТ и на 18—19 % при работе на сжатом ГТ. Одновременно на 11 —12 % возрастает средний эксплуатационный расход топлива. Отсюда следует, что ДВС должны специально проектироваться под ГТ. В этом случае можно эф­фективно реализовать такие положительные качества ГТ, как высо­кую детонационную стойкость и устойчивое горение на бедных смесях.

Дальнейшим резервом реализации потенциальных возможностей ГТ является применение турбонаддува. Учитывая высокую дето­национную стойкость ГТ, представляется особо целесообразным использовать их в двигателях с принудительным воспламенением с турбонаддувом. Расчеты и эксперименты показали, что в этом случае в сравнении с бензиновым прототипом литровая мощность двигателя может быть увеличена на 15—25 %, а удельный расход топлива снижен на 10—12 %. При необходимости обеспечения работы таких двигателей на бензине в их конструкции можно предусмотреть отключение турбонаддува.

Эффективным способом повышения удельных параметров двига­телей, работающих на сжиженных ГТ, является непосредственный впрыск жидкого топлива на впускной клапан или во внутренний объем цилиндра. Это позволяет использовать холодопроизводительность (теплоту испарения) жидкого топлива для понижения темпе­ратуры горючей смеси, а следовательно, увеличения массового заряда цилиндра. Снижение температуры заряда позволяет дополнительно повысить степень сжатия двигателя. Предварительные исследования показали, что реализация этого метода на двигателе ЗИЛ-130 поз­воляет увеличить его литровую мощность до 30 % при росте топливной экономичности на 15—20 %. В перспективе возможно создание двигателя, сочетающего все перечисленные модификации: турбонаддув и непосредственный впрыск сжиженного ГТ. Такого двигателя еще нет, но его преимущества бесспорны.

Пусковые свойства сжиженных ГТ несколько хуже, чем у бензина, что объясняется более высокой температурой воспламенения газовоздушной смеси, меньшей скоростью распространения фроны пламени и особенностями современной конструкции системы топливоподачи газа, не обеспечивающей стабильность заданной величины коэффициента избытка воздуха при пуске.

На рис. 4.2 приведен экспериментальный график, характеризу­ющий изменение относительного коэффициента надежного пуска К (К равно отношению числа надежных пусков к общему числу попыток пуска двигателя) в зависимости от температуры воздуха, °С.

И з графика следует, что на­дежный пуск (К = 1) двигателя на сжиженном газе обеспечивается при t > —4 °С, на метане — при t > —8 °С. Минимальная пусковая частота вращения коленчатого ва­ла двигателя, работающего на ГТ, выше, чем у бензинового двигате­ля.

Смесь ГТ с воздухом взрывоо­пасна в широком диапазоне кон­центраций, опасность усугубляется отсутствием запаха. В некоторых случаях ГТ одоризируют — искус­ственно придают им запах.

Установлена норма ПДК содержания пропана в рабочей зоне, равная 1800 мг/м , или 0,09 % (об.). В природном газе содержатся различные примеси, из которых наиболее вреден для человека оксид углерода и сероводород.