2295

Базовые автомобили с бензиновыми двигателями, находящиеся в эксплуатации и переоборудованные на сжиженный нефтяной газ, имеют две равноценные автономные системы питания – бензиновую и газовую. В связи с тем, что сжиженный нефтяной газ на переоборудованном автомобиле хранится под высоким давлением, а подается в двигатель при давлении, близком к атмосферному, то при переоборудовании такие автомобили необходимо оснащать комплектом, обеспечивающим соответствие редуцирования газа, оптимизацию его подачи в газосмесительное устройство согласно режимам работы двигателя.

В настоящее время в Омске эксплуатируется более двадцати тысяч автомобилей с бензиновыми двигателями, переоборудованных в условиях автотранспортных предприятий для работы на сжиженном нефтяном газе. Эти автомобили используются при перевозке пассажиров, обслуживании жилищнокоммунального хозяйства, доставке продовольственных и промышленных товаров и др.

В2000 г. в СибАДИ разработан комплект ГБО для легковых автомобилей семейства ВАЗ. Изготовленный на предприятиях военно-промышленного комплекса г. Омска комплект прошел сертификационные испытания в лабораториях авто ВАЗА (г. Тольятти). На комплект получен сертификат соответствия сроком на 3 года.

Втечение 2001–2002 гг. комплект был доработан, проведены дополнительные сертификационные испытания, и в марте 2002 г. на него был получен сертификат соответствия для автомобилей категории М2 семейства ГАЗ.

Многие узлы комплекта газобаллонного оборудования, разработанные в СибАДИ, выполнены на уровне изобретений и защищены авторскими свидетельствами СССР: № 58949 от 28.09.1977; № 1268778 от 08. 07. 1986 г.; №1390422 от 22.12.1987 г.; №166845 от 14.04.1988 г.; патент РФ № 2094641 от 21.10.1997; патент РФ № 2131990 от 16. 07.1999. Многолетний опыт эксплуатации газобаллонных автомобилей с бензиновыми двигателями подтверждает целесообразность переоборудования автомобилей на сжиженный нефтяной газ в широком масштабе непосредственно в условиях автотранспортных предприятий с использованием комплекта газобаллонного оборудования.

Контрольные вопросы

1.Этапы развития г/б автомобилей и их особенности.

2.Какая организация выступила пионером в разработке и испытании г/б аппаратуры?

3.Что в работе ряда министерств послужило толчком к освоению производства г/б аппаратуры?

4.На каких предприятиях г. Омска и других городов производилась и производится г/б аппаратура для автомобилей по технической документации СибАДИ?

5.В чем отличие комплектов ГБА легковых и грузовых автомобилей?

6.Какое оригинальное решение в изготовлении газового оборудования, предложенное авторским коллективом СибАДИ, позволило с небольшими затратами решить проблему перевода автомобилей на газовое топливо?

Глава 2. ТОПЛИВО ДЛЯ ГАЗОБАЛЛОННЫХ АВТОМОБИЛЕЙ

В качестве топлива для двигателей газобаллонных автомобилей используют: сжиженные нефтяные газы (ГСН), сжатые природные газы (СПГ), сжиженные природные газы (СжПГ).

2.1. Сжиженные нефтяные газы. Общие сведения

Сжиженные нефтяные пропан-бутановые газы не имеют запаха, бесцветные, неядовиты, тяжелее воздуха, в жидком виде обладают большим коэффициентом объемного расширения, кипят при низких температурах, что может вызвать местное обморожение тела при попадании на него сжиженного газа.Чтобы ощутить наличие газа в воздухе, ему придается специфический запах. Для этой цели используют вещества, называемые одорантами. В качестве одоранта широко применяют этил-меркаптан (С2Н2 СН4). На 100 л сжиженного газа добавляют приблизительно 2,5 г одоранта. При таком количестве одоранта можно по запаху определить 0,4-0,5% газа в воздухе. Указанная концентрация не взрывоопасна, так как составляет всего 20% от нижнего предела воспламеняемости. К сжиженным газам относятся такие, которые переходят из газообразного состояния в жидкое при температуре окружающей среды и сравнительно небольших избыточных давлениях. Сжиженные газы должны удовлетворять следующим требованиям:

-иметь стабильный компонентный состав в условиях эксплуатации;

-обеспечивать избыточное давление насыщенных паров от 0,16 до 1,6 МПа в интервале температур от +45 до -20 оС;

-не иметь неиспаряющегося осадка при испарении и редуцировании в автомобильной газовой аппаратуре. Опыт эксплуатации газобаллонных автомобилей показал, что наилучшие показатели газобаллонных автомобилей, и прежде всего экологические, могут быть получены только при строгой

регламентации компонентного состава ГСН, используемого в качестве моторного топлива.

Основными компонентами ГСН являются: пропан С3 Н8, n-бутан С4 Н10, i-бутан С4Н10, пропилен С3Н6, бутилены С4Н8, в незначительных количествах этан С2Н6 и этилен C2H4.

Непредельные углеводороды в смесях ГСН нежелательны. ГОСТ 27578-87 "Газы углеводородные сжиженные для автомобильного транспорта "предусматривает выпуск двух марок ГСН:

ПА - пропан автомобильный, применяют при температуре до - (20…35) оС, и ПБА – пропан-бутан автомобильный, применяют при температуре до -20 оС.

Физико-химические показатели углеводородных ГСН должны соответствовать нормам и требованиям, приведенным ниже.

Марка...............................…………………………….ПА… ПБА Массовая доля компонентов, %:

метан и этан ...............………………………..не нормируются пропан...............……………………..………...90 +5 … 50 + 10

углеводороды С (и выше)…..…...….……….не нормируются непредельные углеводороды %, не более ………...6

Объемная доля жидкого остатка при +40 оС …………отсутствует Избыточное давление насыщенных паров, МПа:

при +45 оС, не более………………………………….…1,6

при -35 оС, не менее............... ………………………..0,07 при -20 оС, не менее................……………… ………...0,07

Массовая доля серы и сернистых соединений, %,

не более..........................................……………… …………...0,01

в том числе сероводорода, не более………… …………….0,003

Содержание свободной воды и щелочи ....……………отсутствуют

Регламентируемый состав компонентов ПА и ПБА был бы очень желательным для автомобилистов, но наши заводы его выпускают незначительное количество, и до автотранспорта он не доходит. Поэтому на автомобильных заправках раздается сжиженный газ, предназначенный для коммунально-бытовых целей. Его состав регламентирован ГОСТ 20448-80.

Углеводородный состав данных газов изменяется в широких пределах. Поэтому при их использовании на автотранспорте не обеспечивается стабильность мощностных, экономических показателей и показателей токсичности двигателей, а наличие примесей затрудняет работу газовой аппаратуры.

Компонентный состав ГСН для коммунально-бытовых целей очень близко подходит к составу ГСН, регламентированному ГОСТ 20448-75, которым предусматривался ГСН двух марок:

-смесь пропан-бутановая зимняя (СПБТЗ) с содержанием пропана до 75%;

-смесь пропан-бутановая летняя (СПБТЛ) с содержанием

пропана до 30 %.

Показатели смесей пропан-бутановых газов приведены ниже.

В ГСН, поставляемом автомобильному транспорту, по технологическим причинам содержится некоторое количество масла, в дальнейшем это отрицательно сказывается на надежности работы газовой аппаратуры и стабильности регулировок газового редуктора. Повышенное содержание масла в ГСН связано с тем, что в процессе транспортирования ГСН от завода-изготовителя до потребителя их несколько раз перекачивают.

Примеси в ГСН масла, тяжелых остатков концентрируются на резинотехнических изделиях ГБА аппаратуры, адсорбируют на себя одоранты, значительно повышая их местную концентрацию, и получаются дурно пахнущие осадки. По этой и ряду других причин некоторые страны отказались от использования одорантов в ГСН, применяемых в качестве моторных топлив.

2.2. Физико-химические свойства компонентов ГСН

Основные компоненты ГСН кипят при низких температурах, поэтому при нормальной температуре и атмосферном давлении они могут находиться только в паровой (газовой) фазе. Для хранения ГСН в жидком виде необходимо повышать давление. Оно зависит от температуры окружающей среды. Чем выше температура, тем более должно быть давление для сохранения газа в жидкой фазе. Рассмотрим наиболее характерные физикохимические свойства основных компонентов ГСН (табл.2.1).

Таблица 2.1

Физико-химические свойства компонентов ГСН

Элементарный состав ГСН относят к числу наиболее важных оценочных параметров газа. Он позволяет судить о качестве ГСН. Зная элементарный состав ГСН, можно расчетным путем определить теплоту сгорания газа и количество воздуха, необходимого для полного его сгорания. Теплота сгорания (в кДЖ/кг) газа может быть рассчитана по формуле

QCМ = 3321QC + 109060 QН .

В формуле состав ГСН представлен в объемных долях или в процентах. ГСН характеризуется углеродным числом, представляющим собой отношение молекулярных масс углерода и водорода.

Газовое топливо имеет более благоприятное, чем бензин, соотношение С и Н. Углеродное число у современных бензинов составляет около 6, а у ГСН оно равно 4,9 (у ПГ 2,98). Более высокое содержание в газовом топливе водорода обеспечивает и более полное его сгорание в цилиндрах двигателя [2, c. 19-22].

Свойства смесей сжиженных газов определяются по параметрам входящих в смесь отдельных компонентов (углеводородов).

Благодаря идентичности строения молекул углеводородов (пропан-бутан), их смеси по ряду свойств подчиняются правилу аддитивности, т.е. параметры смеси пропорциональны параметрам входящих в смесь компонентов с учетом их объемной концентрации

всмеси.

Сучетом этого правила рассматриваются основные

эксплуатационные параметры (свойства) смесей ГСН.

2.3. Эксплуатационные свойства смесей ГСН

Здесь специально выделяются параметры смесей, оказывающие влияние на надежность и показатели работы двигателя при использовании ГСН.

Давление насыщенных паров оказывает наибольшее влияние на работу газовой установки автомобиля. По максимальному давлению насыщенных паров газа рассчитывают прочность газового баллона. Кроме того, сжиженный газ должен иметь достаточное минимальное избыточное давление (0,01-0,2 МПа) для обеспечения нормальной работы топливоподающей аппаратуры. Однако при одной и той же температуре различные углеводородные газы имеют разные давления насыщенных паров.

Давление паров смеси сжиженных газов зависит как от температуры, так и от состава смеси. Давление смеси газов можно определить по значению составляющих (парциальных) давлений углеводородных газов, входящих в состав смеси пропорционально концентрациям, а для смесей, содержащих пропан и бутан, по давлению и температуре можно судить о процентном содержании компонентов (рис. 2.1).

Рис. 2.1. Зависимость упругости паров пропанбутановых смесей от температуры:

1 - пропан; 2 - 80 % пропана + 20 % бутана; 3 - 60 % пропана + 40 % бутана; 4 - 40 % пропана + 60 % бутана; 5 - 20 % пропана + 80 % бутана; 6 – бутан

Плотность паровой фазы газа оказывает влияние на массовый заряд газовоздушной смеси, поступающей в

цилиндры двигателя, а следовательно, на мощность и топливную экономичность двигателя. Плотность жидкой фазы углеводородных газов позволяет судить о концентрации энергии в единице объема.

эффективность его работы.

2.4. Основные моторные свойства ГСН

К основным моторным свойствам газов относят детонационную стойкость, теплоту сгорания в смеси с воздухом и теоретически необходимое количество воздуха для полного сгорания стехиометрической смеси.

По двум последним параметрам в литературных источниках приводятся стабильные показатели. Что касается детонационной стойкости газовых топлив, то целесообразно раскрыть более полно этот параметр с учетом химического состава смесей ГСН, вырабатываемых нашими заводами.

На моторных установках детонационная стойкость газовых смесей по моторному методу определения октановых чисел (ММ) и исследовательскому методу определения октановых чисел (ИМ) была определена в СибАДИ в 1970 г. аспирантом Н.Г. Певневым.

Детонационную стойкость газовых топлив можно определить по метановому числу. В качестве одного из компонентов эталонной смеси используют метан, обладающий самой высокой стойкостью к детонации из всех применяемых на автомобильном транспорте углеводородов, в качестве легко детонирующего компонента - водород. Метановое число испытуемого газа соответствует объемному содержанию (в процентах) метана в эталонной смеси его с водородом, которая при работе специального газового двигателя на выбранных режимах вызывает такую же детонацию, как и испытуемое газовое топливо.

Но поскольку ГСН используют в большинстве случаев в универсальных карбюраторах ДВС, то наиболее полную сопоставимую картину по детонационной стойкости будет отражать ее оценка по шкале октановых чисел. Кроме того, с учетом состава газовых смесей и доказанного автором условия, что детонационная стойкость смеси подчиняется правилу аддитивности, детонационную стойкость смесей ГСН целесообразно представить в виде номограмм, где в зависимости от химического состава легко определяем октановое число (ОЧ) смеси (рис. 2.2, 2.3, 2.4).

Химический состав вырабатываемых сжиженных газов на установках "Омскнефтеоргсинтеза", по данным центральной заводской лаборатории, характеризуется данными, приведенными в табл. 2.2.

Одним из определяющих параметров пригодности использования в газовых модификациях ДВС вырабатываемых смесей является детонационная стойкость. По этому параметру входящие в смесь углеводороды в наибольшей степени различаются между

собой.

Смеси сжиженных газов по детонационной стойкости подчиняются правилу аддитивности. Зная химический состав газовой смеси и фактическую детонационную стойкость входящих компонентов, подсчитали октановые числа газовых смесей приведенного химического состава.

Для простоты и удобства обсуждения результатов подсчета предлагается графический метод определения октановых чисел газовых смесей. Предлагаемый метод основан на том, что содержание в смесях С, Н - С Н, по статистическим данным, незначительно и при подсчете октанового числа смеси оно изменяет конечный результат не более чем на одну октановую единицу. Октановые числа топлив определяют на установках ИТ-9 с погрешностью в одну октановую единицу (ГОСТ 571-66 и ГОСТ 8226-66). Такую же погрешность мы будем допускать при подсчете октановых чисел указанных смесей без учета содержания С2 и С5, рассматривая их как трехкомпонентные, но при условии, что

i 1

Ui 1,0, где Ui–количество компонентов от 1 до 3.

i n

Если в трехкомпонентной смеси оставлять значение объемного содержания одного компонента постоянным, то концентрации двух других компонентов будут изменяться в определенном интервале значений. Если придать различные постоянные значения наибольшему по объему из входящих в смесь углеводороду, то концентрации остальных компонентов смеси будут изменяться в интересующих нас пределах.

Таким образом, охватывается весь диапазон изменений концентраций компонентов сжиженных газов. Представляя результаты подсчета графически, мы видим, что октановые числа для смесей с различными значениями наибольшего по концентрации компонента укладываются в ряд эквидистантных прямых.

Cодержание пропилена в смеси, доли единицы

Рис. 2.2. Номограмма для определения октановых чисел сжиженных нефтяных газов с установки АГФУ:

А – по моторному методу; Б – по исследовательскому методу. Цифры на кривых (0,4; 0,5; 0,6 и т.д.) означают объемное содержание превалирующего компонента в смеси – пропана (в долях единицы). Стрелками показано, как пользоваться номограммой