2295
.pdf
0,0 0,1 0,2 0,3 I C4H10
Содержание изобутана в смеси, доли единицы
Рис. 2.3. Номограмма для определения октановых чисел сжиженных нефтяных газов с установки ЦГФУ (превалирующий компонент - пропан).
Обозначения на рис.2.3 те же, что и на рис. 2.2
Рис.2.4. Номограмма для определения октановых чисел сжиженных нефтяных газов ГФУ (превалирующий компонент - изобутан)
Обозначения на рис. 2.4 те же, что на рис.2.2
Эти прямые являются также линиями постоянного значения объемной концентрации данного компонента в смеси. Полученные графические зависимости (рис.2.4) можно рассматривать как номограммы по определению октановых чисел трехкомпонентных смесей с превалирующим содержанием в смеси одного из компонентов, полученных с газофракционирующих установок (ГФУ),
атмосферной (АГФУ) и центральной (ЦГФУ). Приведенные номограммы позволяют по составу смесей, определяемому хроматографическим методом, подсчитать их октановые числа, как показано на рис.2.2. Кроме того, по ним можно подбирать нужный состав компонентов газовой смеси для получения топлива нужной детонационной стойкости, а также устанавливать границы рационального содержания в смеси различных компонентов. Как видно из рис.2.3 и 2.4, вырабатываемые смеси с установок ЦГФУ и ГФУ имеют одинаковые октановые числа, определенные моторным методом. Максимальные колебания значений октановых чисел этих смесей не выходят за пределы порога чувствительности автомобильного двигателя.
Учитывая незначительную разницу по низшей теплотворной способности этих смесей (828 и 832 ккал/кг), их можно рекомендовать как топливо для газовых двигателей (технический изобутан предпочтителен летом).
Смеси с установок АГФУ (см. рис.2.2), содержащие пропилен, имеют большой разброс октановых чисел, и в то же время октановые числа этих смесей в среднем на четыре единицы меньше. Как видно из рис.2.1, содержание пропилена должно составлять не более 5% для получения детонационной стойкости смеси, эквивалентной предыдущим.
2.5. Сжатые природные газы (СПГ)
СПГ являются смесью различных углеводородов метанового ряда, а также не углеводородных компонентов - сероводорода, гелия, азота, углекислого газа и др. СПГ получают из природного газа (ПГ) непосредственно на газовых месторождениях или из попутных газов при разработке нефтяных месторождений.
ПГ состоят в основном из метана (82…98%) с небольшими примесями этана (до 6%), пропана (до 1,5%) и бутана (до 1%). ПГ по разветвленной сети газопроводов поступает к газонаполнительным компрессорным станциям (АГНКС).
Метан – газ без цвета и запаха, малорастворим в воде, легче воздуха (относительная плотность по воздуху 0,55). Его относят к предельным углеводородам, молекулы которых состоят только из углерода и водорода. Высокое содержание водорода в СПГ обеспечивает более полное сгорание топлива в цилиндрах двигателя по сравнению с ГСН и бензином.
ПГ по своим свойствам пригоден для использования в качестве топлива для автомобильных двигателей без значительной технологической обработки. Однако, как и любое топливо, газ должен пройти предварительную подготовку не только для хранения на автомобиле, но и для регламентации параметров,
влияющих на эксплуатационные качества автомобиля.
Заданные мощностные, топливо-экономические, экологические показатели двигателей, тягово-динамические качества автомобилей, также их стабильность в эксплуатации могут быть достигнуты только при условии заправки автомобилей высококачественным газовым топливом.
Основные физико-химические свойства СПГ
Низшая удельная теплота сгорания, кДж/м3.…………32600 - 36000 Относительная плотность(по воздуху).......……………...0,56 - 0,60 Объемный стехиометрический коэффициент (теоретически необходимое количество воздуха
для сгорания 1 м3 газа), м3 / м3……………………………..9,6 - 10,2
Расчетное октановое число, не менее…………………………...105 Суммарная объемная доля негорючих компонентов,
включая кислород, %, не более……………..……………………...7,0
Содержание, не более:
влаги, мг/ м3…………………….……………………….…..9,0 сероводорода, г/ м3 ….…………..…………………….... 0,02 меркаптановой серы, г/ м3….…………………….…… 0,036
механических примесей, мг/ м3 ……………………….……1
Одна из наиболее важных проблем при применении ПГ на автотранспорте связана с содержанием влаги в природном газе и его осушкой, так как содержание влаги в ПГ, перекачиваемых по магистральным трубопроводам нашей страны, может достигать больших величин. Наличие влаги в газовом топливе для автомобилей не должно превышать 9 мг/ м3. На АГНКС этот показатель контролируют в начале каждой рабочей смены. Наличие влаги в ПГ вызывает образование ледяных пробок в системе питания двигателя. Опыт эксплуатации показывает, что подобные явления наступают при содержании 15...30 мг/м3 влаги (рис.2.5).
Рис. 2.5. Кривая конденсации метана:
I и II - области состояния метана соответственно газообразного и жидкого
При заправке газового баллона в начальный период происходит охлаждение газа. Понижение температуры газа связано с дроссельным эффектом Джоуля-
t, oC
-100
I
-120
II
-140
-160
-170
0 1 2 3 Р, МПа
Томсона в процессе расширения газа. При снижении давления на каждые 0,1 МПа температура газа снижается на 2,5оС. Кроме того, в результате торможения струи газа, входящего в баллон, происходит интенсивный теплообмен между баллоном и газом. По мере увеличения степени заполнения баллона дроссельный эффект снижается, в результате чего повышается теплосодержание газа в баллоне по сравнению с его теплосодержанием в аккумуляторах АГНКС.
2.6. Сжиженные природные газы (СжПГ)
При нормальных условиях ПГ не может быть получен в жидком состоянии. В жидкое или твердое состояние ПГ могут быть переведены только при глубоком охлаждении, сопровождающемся значительными затратами энергии. На рис. 2.5 показана кривая кипения (конденсации) метана. В области температур и давлений, лежащих правее и ниже кривой, метан находится в жидком состоянии (область 1), и границы этой области определяют диапазон возможных условий получения и хранения жидкого метана. Охлаждаемый до температуры -161,7 оС метан при атмосферном давлении переходит в жидкое состояние и уменьшается в объеме в 600 раз, плотность СжПГ 0,7 кг/л. Температура кипения сжиженного метана составляет -161,74 оС.
СжПГ можно транспортировать железнодорожным, автомобильным и водным транспортом в специальных изотермических баллонах, а также по изотермическим трубопроводам. Криогенную технологию хранения СжПГ на автомобиле считают более перспективной, чем хранение в сжатом виде.
Сжижают ПГ на специальных установках. Технология сжижения предусматривает и операции очистки, осушки, отделения тяжелых углеводородов, азота и других примесей. Номинальное рабочее давление в криогенном баллоне автомобиля, работающего на СжПГ, в зависимости от конструкции баллона составляет
0,07...0,7 МПа.
Основными компонентами этого вида являются метан (96...
97%) и азот (3…4%).
2.7. Оценка применения различных видов топлива
При применении газового топлива на автомобильном транспорте не только экономится традиционное топливо, но и снижается загрязнение окружающей среды. В настоящее время ГСН и СПГ в качестве топлива для автомобильных двигателей получили широкое распространение. В меньшей степени пока
применяют СжПГ.
При использовании газа в качестве топлива для автомобильных двигателей исключается возможность попадания жидкой фазы в цилиндры двигателя, вследствие чего снижается смывание масляной пленки со стенок цилиндров и замедляется изнашивание цилиндропоршневой группы. При этом не образуются лаковые отложения и отсутствует нагарообразование в цилиндре двигателя и в системе питания. В условиях эксплуатации это дает возможность увеличить сроки замены моторного масла, масляных фильтров и реже проводить регулировки двигателя и его систем.
При применении газового топлива на автомобильном транспорте увеличивается срок службы моторного масла в 1,5...2 раза, в результате чего расход его в эксплуатации уменьшается на 15...20% (по сравнению с бензиновыми двигателями), а затраты сокращаются на 15...30%, возрастает моторесурс двигателя, срок службы свечей зажигания увеличивается примерно на 40%.
К важным преимуществам ГСН следует отнести и относительно невысокую их стоимость, что способствует снижению затрат на топливо при переводе двигателей с бензина на газ как в результате более низкой стоимости газа по сравнению с жидким топливом, так и вследствие уменьшения удельного расхода топлива. Последнее объясняется повышением степени сжатия двигателя, улучшением условий работы системы питания, свечей зажигания и глушителей шума выпуска. Газообразное состояние топлива значительно снижает вероятность засорения топливоподающей аппаратуры газобаллонных автомобилей.
Более совершенное и полное сгорание топлива в газовом двигателе обеспечивает крайне незначительное нагарообразование, что создает благоприятные условия для работы свечей зажигания.
Меньшее содержание корродирующих примесей в газе и отработавших газах, а также уменьшение догорания рабочей смеси создают благоприятные условия для увеличения срока службы глушителей шума выпуска двигателя.
В зависимости от режима работы газовый двигатель из-за более "мягкого" протекания рабочего процесса обеспечивает снижение уровня шума на 8...9 дБ по сравнению с бензиновым. Однако перевод бензинового двигателя на питание ГСН сопровождается снижением его максимальной мощности на 5...7%, а при работе на СПГ – на 18...20%. Последнее в некоторых случаях не позволяет применять автомобильные прицепы и снижает коэффициент использования грузоподъемности автомобиля.
Металлоемкость газобаллонных автомобилей на 60...750 кг больше по сравнению с бензиновыми автомобилями, что уменьшает грузоподъемность автомобиля до 18%.
Для проведения технического обслуживания и ремонта газобаллонных автомобилей требуется более высокая квалификация обслуживающего персонала. По сравнению с обслуживанием бензиновых двигателей и дизелей увеличивается трудоемкость технического обслуживания и ремонта аппаратуры на 15%, а затраты – на 3…5%. Однако увеличение межремонтных пробегов газобаллонных автомобилей несколько компенсирует этот показатель. Средняя продолжительность простоев газобаллонных автомобилей по ряду причин (повышение трудоемкости обслуживания и ремонта и т.д.) несколько больше, чем у автомобилей, работающих на бензине и дизельном топливе. Снижение максимальной мощности газовых двигателей, работающих на СПГ, сопровождается ухудшением тяговодинамических и эксплуатационных характеристик автомобилей:
-время разгона уменьшается на 24…30%;
-максимальная скорость уменьшается на 5...6%.
Удаленность газонаполнительных компрессорных станций от автотранспортных предприятий и сокращение пробега автомобиля между заправками газом до 190...200 км (вместо 450…500 км на бензине) сопровождается уменьшением коэффициента использования пробега на 8...13% (характерно для автомобилей, использующих ПГ). Удельные затраты на топливо при применении ГСН и СПГ соответственно на 45…55 и 35...42% меньше.
Контрольные вопросы
1.Какие виды топлив используются для двигателей газобаллонных автомобилей?
2.Свойства сжиженных нефтяных пропан-бутановых газов.
3.Для какой цели применяются одоранты?
4.Объясните, в чем заключаются различия топлив ГСН и СПГ.
Типы и принципиальное устройство систем питания ДВС газом
3.1.Классификация и общее описание устройства
систем питания ДВС газом
Вобщем случае системы питания двигателя газом можно подразделить на однотопливные и многотопливные. Однотопливные газовые системы могут использовать в качестве топлива только один вид топлива, в том числе ГСН, СПГ или другие газы (водород, коксовый газ и т.д.). Многотопливные системы могут быть газобензиновые или газодизельные.
Многотопливные системы питания, в свою очередь, подразделяются по способам использования различных видов топлива на универсальные (схема «или») и на комбинированные (схема «и»).
Универсальные системы питания работают по схеме «или», то есть такие системы позволяют двигателю одновременно использовать только один вид топлива, который выбирает водитель с помощью электрического переключателя вида топлива.
Комбинированные системы питания работают по схеме «и», то есть позволяют двигателю одновременно использовать несколько (обычно два) видов топлива, с регулируемым или нерегулируемым соотношением подаваемых топлив.
Можно выделить три группы систем питания по месту подачи газа в ДВС:
-системы с подачей газа до дроссельной заслонки;
-системы с подачей газа за дроссельную заслонку;
-системы с подачей газа непосредственно в камеру сгорания.
Подача газа до дроссельной заслонки имеет следующие особенности:
-относительно небольшие перепады давления на регулирующем элементе требуют больших проходных сечений регулирующего элемента (для обеспечения необходимого расхода), что позволяет снизить требования к точности изготовления;
-прямая функциональная зависимость между разрежением в диффузоре смесителя и расходом воздуха облегчает согласование с редуктором;
-простота конструктивных решений по вводу газа с минимальными переделками штатной бензиновой системы
питания.
Подачу газа за дроссельную заслонку характеризует следующее:
-относительно большие перепады давления на регулирующем элементе, повышающие требования к точности изготовления и регулирования;
-обратная зависимость разрежения за регулирующим элементом от требуемого расхода значительно увеличивает диапазон необходимого регулирования;
-сложность выполнения уплотнений в элементах подвода газа.
Подача газа непосредственно в камеру сгорания пока не получила распространения в связи со сложностью конструктивного исполнения.
По типу привода элемента, регулирующего подачу газа, можно выделить системы с механическим, пневматическим, электрическим (электромагнитным) или комбинированным приводом. Тип привода регулирующего элемента определяет способ регулирования и возможность использования управляющих параметров.
По способу регулирования подачи газа можно выделить системы с линейным регулированием и системы с дискретным регулированием.
По количеству элементов, регулирующих подачу газа, можно выделить следующие системы:
-с одним всережимным регулятором;
-с индивидуальными регуляторами для диапазонов, соответствующих определенным режимам работы двигателя (холостой ход, частичные нагрузки, максимальные нагрузки), общие для всех цилиндров двигателя;
-с одним всережимным регулятором на каждый цилиндр двигателя;
-с индивидуальными регуляторами для диапазонов, соответствующих определенным режимам работы двигателя (холостой ход, частичные нагрузки, максимальные нагрузки),
на каждый цилиндр двигателя.
Системы питания могут отличаться по управляющим параметрам и их сочетаниям, используемым в задающей функции регулирования подачи газа.
Вкачестве управляющих параметров могут быть использованы:
-частота вращения коленчатого вала ДВС (n);
-степень открытия дроссельной заслонки ( );
-температура воздуха (Тв);
-температура охлаждающей жидкости двигателя (Тд);
-температура газа (Тг);
-состав газового топлива (CnHm);
-расход газа объемный (Vг) или массовый (Gг);
-расход воздуха объемный (Vв) или массовый (Gв);
-разрежение во впускном коллекторе двигателя (Рк);
-давление газа в баллоне (Рб);
-скорость открытия дроссельной заслонки (d /dt);
-коэффициент избытка воздуха ( );
-содержание кислорода в отработавших газах ( );
-плотность газа ( г);
-плотность воздуха ( в);
-другие.
Оценка эффективности систем питания ДВС газом может быть проведена по следующим факторам:
-стоимости изготовления, монтажа и обслуживания;
-точности и оптимальности дозирования подачи газа на различных режимах работы двигателя;
-стабильности состояния системы (необходимость и периодичность регулировочных и ремонтных воздействий);
-степени реализации потенциальных возможностей газового топлива;
-степени влияния на бензиновую систему питания (при наличии);
-сложности (трудоемкости) монтажа, обслуживания и ремонта;
-универсальности (применимость на различных автомобилях);
-обратимости процесса переоборудования (степень переделки узлов).
Система питания ДВС газом в общем случае предназначена для хранения и пополнения запаса газа, необходимого для работы ДВС, подачи газа в цилиндры ДВС, смесеобразования и регулирования количества и состава топливно-воздушной смеси, поступающей в цилиндры двигателя на различных режимах его работы.
В общем случае регулирование подачи газа в ДВС осуществляется по схеме (рис. 3.1). Система питания ДВС газом должна обеспечивать автоматическое поддержание фактической подачи
газа в ДВС (Vф), равной значению задающей функции (fз), определяемой значением требуемой
подачи (Vтр). При этом следует учитывать, что возмущающие факторы (ВФ) внешнего воздействия на
объект регулирования (ОР) стремятся изменить фактическую подачу газа (Vф). Под возмущающими факторами следует понимать внешние воздействия случайного характера, не учтенные в задающей функции управления, влияющие на регулируемую величину.
Автоматическое регулирование – частный случай автоматического управления. Если в системе регулирования подачи газа использовать принцип автоматического регулирования по отклонению, то необходима обратная связь через датчик фактического расхода (рис. 3.2).
Для формирования задающей функции целесообразно использовать состояние (режим работы) ДВС, зависящее от возмущающих факторов внешнего воздействия, учитываемое системой задающих
датчиков (ДЗ) (рис. 3.3).
Такая система автоматического регулирования должна обеспечивать автоматическое поддержание регулируемой величины (фактический расход газа, подаваемого в ДВС) в соответствии с требуемой величиной расхода, в зависимости от режима работы двигателя.
Точность и оптимальность подачи газа в ДВС определяются точностью и функциональным соответствием элементов системы. Такая система может быть реализована в виде элементов различных типов: механических, пневматических, электрических или комбинированных. В связи с интенсивным развитием электроники, огромные перспективы у систем с датчиками и исполнительными механизмами, использующими электрические сигналы.
В системах регулирования, при отсутствии обратной связи, необходимо стремиться снизить влияние возмущающих факторов на объект регулирования. Это может быть достигнуто путем ввода в
конструкцию корректирующей функциональной зависимости задающей функции от возмущающих факторов или обеспечением значительного превышения усилия исполнительного механизма, зависящего от задающей функции, по сравнению с усилием, передаваемым на объект регулирования под воздействием возмущающих факторов (помех).