§ 17. Применение газообразного топлива для двигателей внутреннего сгорания

Для двигателей внутреннего сгорания применяют естественные и искусственные горючие газы, которые можно подавать по газопроводам или из баллонов. В ав­томобильных двигателях используют средне и высоко калорийное газообразное топливо. При переводе карбю­раторное двигателя на газ не требуется сложного пере­оборудования. Упрощается система питания, легче, осуществляется смесеобразование, двигатели работают с очень небольшим избытком воздуха. Газовоздушная смесь более однородна по составу, что обеспечивает луч­шую работу и более высокую приемистость двигателя. Детонационная стойкость газообразного топлива выше, чем бензина, заметно снижается скорость коррозионно­го и механического изнашивания деталей, не происходит разжижения масла топливом, выше экономичность двигателя. Все эти преимущества делают газообразное топ­ливо перспективным для двигателей внутреннего сгора­ния

В автомобилях, работающих на газообразном топли­ве, можно использовать сжатые и сжиженные газы Сжатые — это горючие газы, с низкой критической тем­пературой подвергаясь высокому сжатию — до 20 МПа (200 кгс/см²), они остаются в газообразном состоянии. К их числу относятся метан, водород, окись углерода Экономически выгодно подвергать сжатию высококало­рийные газы, например природные, теплота сгорания которых около 35 600 кДж/м³ (8500 ккал/м³)

Сжатые газы используют как топливо для грузовых автомобилей, которые называют газобаллонным. По действующему ГОСТу выпускают три вида сжатых газов природный, коксовый механизированный и коксо­вый обращенный. Однако широкого распространения двигатели на сжатом газе не получили, так как с одной стороны на 10—20% снижается их мощность, вследствие уменьшения наполнения цилиндров, а с другой — сни­жается грузоподъемность автомобиля. Газ, сжатый до такого высокого давления, требует для хранения тяже­лых баллонов (масса до 65—70 кг). Таких последовательно соединенных баллонов вместимостью по 10 м³ на автомобиль устанавливают шесть. Баллоны заполня­ют на специальных газонаполнительных станциях, где предварительно газ очищают и сушат.

Как в нашей стране, гак и за рубежом значительно более широкое распространение в автомобильных двига­телях получили сжиженные газы. Газы, сопутствующие добыче нефти, обычно состоят из пропанобутановых фракций, т. е. углеводородов, содержащих по три-четыре углеродных атома. Эти углеводороды и идут на произ­водство сжиженного газа. Кроме того, они являются цен­ным сырьем для нефтехимической промышленности Пропанобутановые фракции имеют высокую крити­ческую температуру, т е при обычных нормальных ус­ловиях (20° С и 0,1 МПа, или 760 мм рт. ст.) они находят­ся в газообразном состоянии, но достаточно небольшого избыточного давления или понижения температуры для их превращения в жидкость Избыточное давление для бутановых фракций составляет примерно 0,5 МПа (5 кгс/см²), а пропановых—1,2—1,4 МПа (12—14 кгс/см²). Следовательно, в резервуарах и баллонах они находятся в жидком состоянии, а установки (нормаль­ное давление) работают на газообразном топливе.

Все выпускаемые сжиженные газы относятся к высо­кокалорийному топливу с полезной теплотой сгорания 44800—47000 кДж/кг (10700—11200 ккал/кг). Тепло­та сгорания нормальной рабочей смеси сжиженного газа несколько выше, чем бензина, поэтому мощность двига­теля не снижается. Высокая детонационная стойкость сжиженных газов (октановое число пропана 96, а бута­на 90 единиц) позволяет использовать их в двигателях с высокими степенями сжатия, что улучшает динамиче­ские качества автомобиля.

В соответствии с требованиями стандарта выпуска­ются сжиженные газы трех марок: технический пропан, технический бутан и их смесь. Первый рекомендуется для использования зимой, второй — летом, а третий можно применять круглый год. По тепловой ценности и детонационной стойкости эти газы близки. В техниче­ском пропане не менее 93,0% (по объему) пропановых фракций. В техническом бутане не менее 93,0% — бутановых, а остальные 7% состоят из смеси более легких газообразных углеводородов. Допускаемое содержание сероводорода в газах — не более 5 г/100 м³. Поскольку природные сжиженные газы не обладают ни цветом, ни запахом, в них добавляют в небольшом количестве газо­образные вещества с сильным запахом, что позволяет обнаружить скопление газа при утечке (запах ощущает­ся при концентрации газа в воздухе около 0,5%).

Сжиженные газы транспортируют в специальных же­лезнодорожных или автомобильных цистернах и балло­нах, которые заполняют на газонаполнительных станци­ях. Здесь газ очищают от сероводорода для уменьшения коррозионного износа, а в холодное время года сушат от паров воды. При заправке любую емкость или баллон заполняют не более чем на 90% объема, чтобы над жид­костью всегда оставалось пространство для скопления газа. Кроме стационарных газонаполнительных станций для заправки автомобильных баллонов (емкостей) су­ществуют передвижные. Специально оборудованную цистерну со сжиженным газом монтируют на шасси ав­томобиля, и с помощью нагнетательного насоса или дру­гого устройства заполняют баллон.

На сжиженном газе работают газобаллонные авто­мобили различных марок. Автомобиль дополнительно оборудуют (рис. 8) газовым баллоном 5 вместимостью 250 л, который подвешивают под кузовом.

1O 11

Рис. 8 Схема газобаллонной установки:

1 —вентиль контроля максимального уровня. 2 — предохранительный клапан 3 — указатель уровня жидкости 4— наполни­тельный клапан 5—баллон, 6 — магистральный вентиль. 7, 8— манометры, 9—газовый фильтр 10 — двухступенчатый газовый редуктор, 11 — дозатор, 12 — воздушный фильтр, 13 — карбюратор смеситель, 14 — насос, 15 — топливный бак, 16 — расходный вентиль для пуска, 17 — расходный вентиль для работы

Для забора газа к баллону подведено две трубки с расходными вен­тилями 16 и 17. Одна из них находится выше уровня жидкости, через нее подают пары газа во время пуска и прогрева двигателя, вторая — у нижнего уровня, она служит для подачи топлива в прогретый двигатель. Вы­ходящий из баллона газ поступает в испаритель, где полностью испаряется, затем проходит через фильтр 12, редуктор 10, снижающий давление паров, поступает в дозатор 11 и далее в смеситель 13. Образовавшаяся газовоздушная горючая смесь через впускной трубопровод поступает в камеру сгорания.

Последние годы сделана попытка использовать газо­образное топливо и на легковом транспорте. Так, на Горьковском автозаводе выпущен автомобиль ГАЗ-24-07 с газовым двигателем 24-Д. В емкость заправляют 45 кг сжиженного газа, которого достаточно для пробега расстояния более 450 км

Несмотря на большие преимущества газообразного топлива, число газобаллонных автомобилей пока невели­ко Это объясняется тем, что радиус пробега автомобиля 01раничен (в стране еще мало газонаполнительных стан­ций). Не менее важно и то, что пропанобутановые фрак­ции являются очень ценным сырьем для нефтехимической промышленности.

Однако использование газобаллонных автомобилей неуклонно растет. В частности, в Москве в ближайшие годы на сжиженном газе будут работать свыше 35 тыс. легковых, грузовых автомобилей и автобусов.