4.2. Газовые углеводородные топлива

Первые двигатели на газовом топливе работали ещё в середине ХІХ столетия. Использование газового топлива даёт возможность значительно сократить расход жидкого нефтяного топлива, уменьшить загрязнения окружающей среды. В отработанных газах автомобилей, например, работающих на сжиженном газе, приблизительно в 5 раз меньше оксида углерода и в 3…3,5 раза меньше несгоревших углеводородов по сравнению с содержанием этих компонентов в отработанных газах автомобилей, работающих на бензине. При работе на газовом топливе уменьшается износ ЦПГ вследствие отсутствия смывания масляной плёнки жидким топливом, а также увеличивается срок работы масла до замены, т.к. отсутствует разбавление картерного масла несгоревшим топливом. Пи работе на газовом топливе снижается уровень шума приблизительно на 8…9 дБ.

Переоборудование бензиновых двигателей на газовое топливо не дает ощутимых экономических преимуществ по сравнению с работой двигателя на бензине. Энергетические показатели двигателя при переводе с бензина на газовое топливо без специальных доработок ухудшаются: снижается мощность с 6…8 до 18…19%, повышается расход топлива до 10…12%, пуск двигателя затруднен, часто – невозможный за счет обеднения смеси. Газовые топлива целесообразно использовать как добавки к низкооктановым бензинам, а как самостоятельное топливо – в специальных газовых двигателях, которые обеспечивают стабильное горение на обедненных смесях, что позволяет снизить расход топлива, повысить мощность двигателя на 15% и больше по сравнению с бензиновыми двигателями. В дизелях газовое углеводородное топливо может использоваться как самостоятельное (в этом случае двигатель теряет свои преимущества, как дизель), так и в смеси с дизельным топливом.

Углеводородные газовые топлива складываются из углеводородов и других горючих (оксида углерода, водорода) и негорючих компонентов (азота, углекислого газа СО₂, кислорода, паров воды). Углеводородные топлива имеют значительный запас тепловой энергии по сравнению со средней теплотой горения разных топлив (в кДж/кг): древесина, торф – 19500…19600; угля – 33300; бензин, гас, мазут – 44000-38400; газы (в кДж/м³); природные – 30000-36000; попутные и нефтеперерабатывающих заводов – 36000-44000. Теплотехнические показатели газовых топлив приведены в табл.48.

Объёмные теплотехнические характеристики водорода меньшие по сравнению с бензином вследствие очень малой густоты.

Таблица 48

Теплотехнические показатели газового топлива

Показатели	Газы
	Водород, Н2	Оксид углерода, СО2	Метан, СН4	Этан, С2Н6	Пропан, С3Н8	Бутан, С4Н10
Низшая теплота горения, кДж/м3	10500 МДж/м3	12645	35818	63748	91251	118645
Необходимое количество воздуха для горения, м3/м3	2,38	2,38	9,52	16,66	23,80	30,94
Температура горения, *С: - калориметричная - теоретичная	2210 2045	2468 2100	2065 1775	2115 1900	2115 1925	2130 1900
Концентрация газа в воздухе при максимальной скорости распространения пламени, % об.	38,5	45,0	9,8	6,5	4,6	3,6
Максимальная скорость распространения пламени, м/сек.	4,83	1,25	0,67	0,85	0,82	0,82
Температура воспламенения,*С	530-590	610-658	645-800	530-594	530-588	490-569

Важной характеристикой газоподобных топлив является температура горения, которую подразделяется на:

- калориметричную - температуру, которую будут иметь продукты горения при условии расхода теплоты, которая выделяется только на их нагревание;

- теоретическую – температуру, которая отвечает мгновенному и полному сгоранию газа без расхода на окружающую среду;

- действительную – температуру, которая отвечает расходу теплоты на нагревание продуктов горения, диссоциацию газа и рассеивание в окружающую среду.

Газовое углеводородное топливо имеет высокие октановые числа, что делает целесообразным его использование в двигателях со степенью сжатия 12…14.

Однородность горючей смеси при использовании газа обеспечивает полноту сгорания большую, чем при использовании жидкого топлива. Поэтому расход газа меньше, чем бензина. Поскольку топливо в двигатель подается в газообразном состоянии и возможно использование обедненных смесей. Уменьшается содержание оксидов углерода в отработанных газах. Снижение температуры рабочего цикла дает возможность уменьшить количество оксидов азота. Содержание оксидов азота в отработанных газах при переходе с бензина на сжиженный газ уменьшается не только за счет более низких температур горения, но и за счет большей гомогенности и меньшей скорости сгорания газо-воздушной смеси (см. табл.48). Содержание оксидов азота уменьшается в 1,2…3 раза. Именно поэтому снижается количество оксидов азота в отработанных газах при добавках спиртов к бензинам либо использовании спиртов как топлива в чистом виде.

Принципиального конструкционного отличия газового двигателя от бензинового нет. Смена и усложнение системы питания, и повышение степени сжатия – основная разница между газовым и бензиновым двигателем.

Имея преимущества перед жидким топливом, газовое углеводородное топливо одновременно имеет ряд недостатков. Это, прежде всего, большее сложные и дорогие газонаполняющие станции по сравнению автозаправочными станциями жидким топливом, более трудоемкое техническое обслуживание газобаллонных автомобилей. Потери газового топлива превышают потери жидкого топлива, которые имеют место при их добыче, транспортировании и заправках, а также могут быть из системы питания вследствие их неисправности либо несовершенства.

Газовое топливо – невосстанавливающееся природное богатство и относится к нему необходимо бережно. Углеводородное газовое топливо имеет повышенную опасность во время эксплуатации, т.к. в его состав входят низкокипящие углеводороды. Оно легко проникает через не плотность соединений, образует с воздухом взрывоопасную смесь в широком диапазоне концентраций, имеет наркотические и отравляющие свойства. Вследствие вытекания газа могут быть отравления водителей, пожары, взрывы. Густота газовых углеводородных топлив, за исключением метана, большая густоты воздуха (табл.49).

Таблица 49

Физические свойства газов и пентана

Название	Температура, *С		Давление для преобразования газа в жидкость при температуре, МПа		,,,	,,,	,,,
	кипения	критическая	21*С	32*С
Метан	-161	-82,1	-	-	0,554	0,7168	120
Этан	-94	+32,3	37,6	48	1,038	1,3564	116,3
Пропан	-44	+95,7	9,14	11,6	1,529	2,0196	111,6
Бутан	+0,4	+152,8	2,58	3,74	2,007	2,6726	95,8
Изобутан	-11,7	+134	3,6	4,8	2,007	2,6726	102,1
Пентан	+36,4	+191,2	0,56	0,83	2,491	-	61,9
Водород	-252,7	-240	-	-	0,069	0,090	-
Оксид углерода	-205,1*	-140,3	-	-	0,191	1,250	-
Диоксид углерода	-57,5*	+31	-	-	1,521	1,977	-
Воздух	-	-	-	-	1	1,293	-

*Температура плавления твердых.

Пары углеводородных топлив могут накапливаться в низких и непроветриваемых местах и помещениях, что может привести к аварийной ситуации. Взрывоопасная концентрация газов с воздухом составляет 1,5…8,5% для бутана и 5,3…15% для метана при температуре 20*С. Граничная допустимая концентрация газов в воздухе составляет 100…300 мг/м³. Человек, находящийся в атмосфере с небольшим содержанием паров газа, может чувствовать кислородное голодание, а при значительных концентрациях – погибнуть от отравления.

Основными компонентами углеводородных газовых топлив является метан, этан, пропан, бутаны и некоторые другие, показатели качества которых приведены в табл.49.

Сырьем для получения газовых топлив являются природные и попутные газы, выделяемые при добыче нефти, газы газоконденсатных месторождений, а также газы нефтеперерабатывающих и нефтехимических заводов. Углеводороды, имеющие критическую температуру, выше обычных температур использования этого топлива, легко переходят в жидкое состояние под незначительным давлением. Критическая температура – это температура, выше значения которой газ перевести в жидкое состояние невозможно ни под каким давлением. Такие углеводороды, как пропан и бутаны, для перевода в жидкое состояние требуется давление 0,85…0,21 МПа при 20*С.

Углеводороды, перевод которых в жидкое состояние связано с большими значениями давления и низкими температурами, используют чаще в сжатом состоянии. Это – метан и этан. Для перевода метана в жидкое состояние необходима температура, ниже минус 161*С, а при температурах выше минус 82*С его нельзя перевести в жидкое состояние при сжатии до любого высокого давления.

Газовое углеводородное топливо используют в сжиженном и сжатом состоянии.

Сжиженный газ содержит пропан и бутаны (основные компоненты), а также более легкие и тяжёлые углеводороды (в незначительном количестве). Оптимальное давление в баллонах обеспечивается, в основном, пропаном. Давление насыщенных паров значительно влияет на работу газового оборудования. Практика эксплуатации свидетельствует, что в большинстве конструкций газовой аппаратуры с давлением в баллоне меньше 0,5 МПа имеет место осложнения в подаче топлива, а при атмосферном давлении в баллоне подача топлива останавливается. Пуск двигателя обеспечивается газовой фазой топлива. Продолжительная работа двигателя с отбором газовой фазы приводит к переохлаждению топлива вследствие затрат его на выпаривание и снижение содержания пропановой фракции в газовой смеси. Пропановая фракция имеет более низкие температуры выпаривания по сравнению с температурами кипения бутановой фракции, поэтому концентрация пропанов уменьшается в смеси, давление насыщенных паров в газовом баллоне падает. Это ведёт к утяжелению топлива, ухудшению выпаривания, осложнению при пусках двигателя, перерасходу топлива, повышенному загрязнению окружающей среды, а позднее – к остановке поступления топлива в цилиндры двигателя.

По густоте жидкой фазы можно определить концентрацию энергии в единице объёма сжиженных газов, которые являются очень легкими жидкостями. Их густота составляет приблизительно 0,50…0,55 кг/дм³. Особенностью сжиженных газов является более высокий коэффициент объёмного расширения, чем в жидких нефтепродуктах. Так, густота пропана в жидком состоянии при минус 10*С составляет 0,54 кг/дм³, а при температуре +30*С понижается до 0,48 кг/дм³. Удельный объём при этом увеличивается на 11%. Это свойство необходимо учитывать при заполнении баллонов газом, оставляя приблизительно 10% пространства на «паровую подушку». При полном заполнении баллона даже незначительное повышение температуры приведет к повышению давления в баллоне. Прирост давления в баллоне составляет приблизительно 0,7 МПа на один градус повышения температуры сжиженного газа. Поэтому запрещается использовать и хранить баллоны с сжиженным газом в закрытых и отапливаемых помещениях, где температура повышается до 25*С и выше.

Сжиженные газы имеют высокую детонационную стойкость, их октановое число по моторному методу составляет 95…105. Используя сжиженный газ , следует периодически сливать из баллона конденсат, который накапливается по мере эксплуатации газов. Конденсаты уменьшают полезный объём газового топлива, заправляемого в баллон, и, поэтому, уменьшается запас хода автомобиля или другой техники. Часть топлива, которую слили из баллона можно использовать как добавку к бензину в зимний период в количестве 10% и больше при температурах воздуха от минус 10 до минус 25*С и ниже.

При использовании пропан-бутановой смеси необходимо строго придерживаться требований охраны труда и техники безопасности, следить за герметичностью системы подачи газа, хранения и транспортирования газа. Сжиженный газы при попадании на тело человека вызывают обморожение, которое напоминает ожог. В помещениях для хранения сжиженного газа не допускается работа с открытым пламенем; искусственное освещение должно быть в защитном исполнении от взрыва; ёмкости, коммуникации, насосные агрегаты должны быть герметичны и заземлены; все работы должны проводиться инструментами, не дающими искру. В случае загорания используют пенные и углекислотные огнетушители, воду в виде компактного и тонкораспыленного потока, песок, водяной пар, асбестовое полотно.

Главным компонентом сжатых газов является метан. Теплота горения (калорийность) природного газа выше по сравнению с теплотой горения бензина и дизельного топлива. Сжатый газ находится в баллонах под высоким давлением (выше 19,6 МПа). Температура воспламенения сжатого газа в камере горения составляет 635..647*С, что в трое выше температуры воспламенения бензина. Это является причиной осложненного пуска двигателя, который работает на сжатом газе, особенно при низких температурах воздуха.

Перед использованием сжатый газ проходит обезвоживание. Водяной пар способен образовывать с газовыми углеводородами комплексные соединения, так называемые гидраты (СН₄*6Н₂О, СН₄*7Н₂О, С₂Н₆*7Н₂О, С₃Н₈*18Н₂О и пр.), которые при определенных условиях являются белыми кристаллами, внешне похожие на уплотненный снег или лёд. При транспортировании газа трубопроводами гидраты способны забивать трубопроводы, осложняя работу компрессоров. Тоже самое происходит в случае использования сжатого газа (метана) как топлива для двигателя при содержании в его составе воды.

В состав сжатого газа, кроме метана, входят этан, пропан и некоторые другие вещества, октановые числа которых имеют разные значения. Октановое число в целом сжатого газа составляет 94…105 по моторному методу. При работе на сжатом газе практически нет нагарообразования, на 30…40% повышается моторесурс двигателя, до 40% - срок службы свечей зажигания, вдвое - срок службы моторного масла, значительно уменьшается токсичность отработанных газов. Но ухудшается экономическая эффективность, а именно: увеличивается на 11…12% стоимость автомобиля и амортизационные отчисления, уменьшается грузоподъёмность вследствие большого веса баллонов и запас хода автомобиля, возрастает трудоемкость обслуживания, ухудшаются тягово-динамичные и эксплуатационные характеристики автомобиля. Снижение тяговых характеристик ухудшает, а иногда и исключает возможность работы автомобиля с прицепом. Высокие антидетонационные свойства сжатого газа дают возможность использовать его в двигателях со степенью сжатия 10…12.

Сжатый газ принадлежит к группе веществ, способных образовывать с воздухом взрывоопасные смеси. Границы опасных концентраций воспламенения (метана) в смеси с воздухом: нижняя – 5% об., верхняя – 15% об. Граничная допустимая концентрация углеводородов сжатого газа в воздухе рабочей зоны составляет не больше 300 мг/м³ в пересчете на углерод. Сжатые газы быстро выпариваются, могут иметь месть большие затраты газа. Опыт работы автотранспорта на газе показал, что двигатели работают нормально, не дымят, практически нет нагаров, значительно уменьшается износ двигателя по сравнению с износом двигателя при работе на бензине.

При использовании сжатых газов особое внимание следует уделять коррозийности и влажности, особенно последнему показателю, потому что повышенная влажность значительно осложняет эксплуатацию и провоцирует коррозийные процессы. Не менее актуальным может быть утечка газовых углеводородных топлив вследствие плохой герметичности всей топливной аппаратуры, что может привести к опасным последствиям: отравление людей, пожары, взрывы.