Анализ свойств газомоторных топлив

1. Важнейшими характеристиками любого моторного топлива являются энергетические свойства, отношение содержания водорода к углероду (Н/С), размеры и характер строения молекул. Для быстрого и качественного сгорания в двигателях с искровым воспламенением необходимы топлива, легко образующие с воздухом гомогенные смеси, недетонирующие, и в отличие от бензина состоящие из небольших и химически устойчивых молекул.

Низшая теплота сгорания стехиометрической смеси:

НистV	=		=	1565 х
		1 + L0

х (1)

Как видно из формулы (1) [118], характер влияния плотности газа на теплоту сгорания стехиометрической смеси неочевиден, изменения в составе газа не приводят к заметным изменениям этого показателя.

Поскольку сгорание смесей близких к стехиометрическому составу имеет место только в двигателях с искровым зажиганием, сравнивать газовое топливо по этому параметру можно только с бензином. Сравнение с данными табл.1 [118] показывает, что Н_истV у газов различных месторождений лежит в пределах 95-100% от значения этого показателя для бензина. Плотность паров бензина составляет 4,2 - 4,7 кг/м³, что дает расчетный показатель 3485-3500 кДж/м³.

Сравнение только по одному показателю означает, что в свойствах газового топлива заложено снижение мощности двигателя по сравнению с бензиновым на величину, доходящую до 5%. Такой вывод возможен при односторонности оценки энергетических качеств топлива по теплоте сгорания стехиометрической смеси.

Всесторонняя оценка энергетических качеств топлива предусматривает определение количества тепла, которое реально может выделиться при сгорании топлива в двигателе, т.е. то количество тепла, которым «располагает» двигатель для превращения его в механическую работу в каждом цикле. В этом смысле на значение теплоты сгорания стехиометрической смеси накладывается действие еще двух факторов – влияние свойств топлива на коэффициент наполнения и состав рабочей смеси, при которых двигатель развивает максимальную мощность.

Из этих условий рекомендуется использовать показатель Ф_э, оценивающий энергетические качества моторного топлива в полном объеме, который называется энергетическим фактором [118]:

Фэ=	Hв		T0	,
	Nt0		T0+Т

(2)

где Н_ - низшая массовая теплота сгорания топлива при коэффициенте избытка воздуха , кДж/кг:

_в – нормальная плотность воздуха, кг/м³;

_N - коэффициент избытка воздуха топливно-воздушной смеси, обеспечивающей максимальную мощность двигателя;

Т₀ – температура газов;

Т – повышение температуры воздуха при заполнении цилиндра.

Для бензина энергетический фактор Фэ составляет 3,13 МДж/м³, для сжатого природного газа – 3,21 МДж/м³, для сжиженного природного газа – 3,57 МДж/м³. При значениях коэффициента избытка воздуха 0,87 – 0,9 при работе на бензине, 0,94 – 0,96 – на смеси бутана с пропаном и 0,98 – 1,00 – на природном газе [118], обеспечивающих максимальную мощность. Поэтому особенно важным является то обстоятельство, что все горючие компоненты природного газа имеют более высокие октановые числа (ОЧ), чем бензин, а также более широкие пределы воспламенения и пределы на газовом топливе по сравнению с бензином.

На рис. 5.9 приведена диаграмма областей нормальной работы двигателя на различных видах топлива. Кривые 1, 2, 3 в координатах коэффициент избытка воздуха  - степень сжатия  являются пределами бездетонационной работы двигателя соответственно на метане, пропане, низкооктановом бензине (ОЧ/М = 58).

Рис. 9. Диаграмма областей нормальной работы двигателей на различных видах топлива [56]

Штриховкой отмечена недопустимая область работы. Аналогично кривые 4, 5, 6 означают предел обеднения по воспламенению смеси соответственно для метана, пропана, бензина. Соответственно кривые 7, 8, 9 дают положение пределов обогащения по условию воспламенения смеси. Верхняя граница области для каждого вида топлива определяется условиями воспламенения от сжатия. Наивысший уровень (прямая 10) имеет метан, температура воспламенения которого самая высокая. Прямые 11 и 12 соответственно ограничивают области работы для пропана и бензина. На каждом из видов топлива область нормальной работы двигателя изображается на диаграмме «двухрукавной» зоной.

Особенности воспламенения от сжатия ГМТ (жесткость воспламенения, высокая температура воспламенения, проблема смазки ТНВД) создают сложности формирования процесса сгорания в камере ДВС [114].

Эти противоречия газожидкостного процесса наглядно проявляются при рассмотрении качественной диаграммы (рис. 5.10). Диаграмма изображает допустимые области работы дизеля и газодизеля в координатах степень сжатия -коэффициент избытка воздуха .

Прямые В-В и Е-Е ограничивают работу дизеля соответственно по условиям воспламенения от сжатия к дымлению. Область допустимой работы дизеля ограничивается внутренней частью угла ЕОВ. Для дизеля с турбонаддувом границы В-В смещается в некоторое положение В-В вследствие повышения степени (давления) наддува при увеличении цикловой подачи топлива. Это, однако, не меняет фактически допустимой области работы дизеля, так как степень сжатия не регулируется в процессе работы и должна быть выше, чем требуют самые жесткие условия воспламенения. Для газодизельного процесса сохраняется только граница В-В, а вместо ограничения по дымлению появляются два других ограничения: по детонации (кривая Д-Д) и по пределу эффективного обеднения (кривая Б-Б). Кроме того, возможно ограничение по жесткости работы (кривая Ж-Ж).. В двигателях с турбонаддувом ограничение по детонации смещается в сторону меньших степеней сжатия вследствие увеличения давления наддува и температуры надувочного воздуха по мере обогащения рабочей смеси. Область рабочих режимов газодизеля ограничивается также эффективным пределом обогащения (кривая А-А). Однако, как видно из диаграммы, при переводе дизеля на газожидкостный процесс с условием сохранения той же мощности, эта граница не реализуется. Заметим, что условие сохранения мощности является обязательным по требованиям надежности и долговечности [114].

Б

Б

В

Рис. 10. Области осуществления дизельного и газожидкостного процессов [56]

Таким образом, двигатель, предназначенный для работы, как по дизельному, так и по газодизельному процессам может работать по внутренней области, ограниченной ломаным контуром ДКЛОМБ при наличии границы по жесткости работы и контуром ДСОМБ при ее отсутствии. Для двигателей с турбонаддувом имеет место соответствующее смещение границ общей области ДКЛОМБ или ДСОМБ.

Из диаграммы видно, что в режимах максимальной мощности общая область допустимой работы имеется только у двигателей с относительно малыми степенями сжатия и низкими значениями давления наддува. Если двигатель имеет степень сжатия выше уровня точки Л(С), то для достижения максимальной мощности, начиная с некоторого уровня, необходимо переходить на чисто дизельный процесс.

Необходимо отметить особенности термодинамических свойств природного газа в диапазоне давления 040 МПа:

- различные модификации уравнений состояния газа для этого диапазона давлений [119, 125];

- в диапазоне 5-20 МПа изменение ряда свойств метана имеет нерегулярный характер и в ряде случаев характеризуется экстремумами определенной функции. Так, минимумы имеют коэффициент сжимаемости газа и скорость звука в нем. Резко выраженные максимумы характеризуют показатель адиабаты метана;

- коэффициент сжимаемости метана и природного газа обычно определяют по широко известным графикам Брауна, Максвелла и других с использованием приведенных значений давления и температуры [126].

Гидродинамические свойства ГМТ связаны с тем, что почти все его компоненты существенно отличаются от идеального газа (кроме водорода), модель которого не учитывает взаимодействия между молекулами [127].

Важнейшей особенностью реальных газов является дроссельный эффект, проявляющийся в изменении температуры газа при протекании его через сопротивление. Редуцирование давления газа осуществляется путем дросселирования в регулируемых вентилях. Охлаждение природного газа может быть в этом процессе весьма значительным и вызывать обмерзание регулирующих устройств [128], его дроссельный эффект лежит в пределах от 0,1 до 0,7 К на 0,1 МПа снижения давления. При дросселировании с давления 20 до 1 МПа температура снижается до 70 К ниже. Еще более высокие значения дроссельного эффекта присущи биогазу.

Кроме того, что величина массовой доли водорода в ГМТ тем выше, чем меньше его стандартная плотность, воды образуется больше в камере сгорания, чем при сгорании бензина или СПБГ [118] рис. 5.11, что приводит к шунтированию свечей и ухудшает пусковые свойства двигателя.

Перечисленные особенности свойств предопределяют определенную сложность заполнения автомобильных баллонов ГАТС, опорожнения аккумуляторов АГНКС и ПАГЗ, а также проведение лабораторных и лабораторно-дорожных исследований при испытаниях.