Виды газового топлива

ОГЛАВЛЕНИЕ

 

1. Введение………………….…………………………………………….…….....3

2. Виды газового топлива………………………………………………………...3

3. Сжиженные нефтяные газы………..………………………..………………....5

4. Сжатые природные газы……………………………………………………….9

5.Сжиженные природные газы…………………………………………….........12

6. Водород как моторное  топливо………………………………………………13

7.Требования к качеству газообразных топлив………………………………..15

8.Автомобили, работающие на сжатом природном газе……………………...16

9.Автомобили, работающие на сжиженном нефтяном газе………..................18

10. Заключение………………………………………………………………….21

Список использованных источников…………………………………..……....22

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1 Введение

Автомобильный парк нашей  страны значительно вырос за последние  годы и его увеличение продолжается.

Связанный с этим рост потребления  жидкого топлива на транспорте сопровождается истощением хорошо освоенных и удобно расположенных нефтяных месторождений, вследствие чего приходится осваивать  новые, расположенные в труднодоступных  районах. Это, в свою очередь, приводит к удорожанию как сырой нефти, так и получаемых из нее нефтепродуктов.

Между тем страна располагает  большими запасами высококачественного  моторного топлива, не требующего для  использования в двигателях никакой  химической переработки. Речь идет о  природном газе. Как моторное топливо, природный газ в натуральном  виде превосходит нефтяное топливо. При использовании его обеспечиваются высокие технико-экономические показатели в ДВС, так как природный газ  имеет хорошие антидетонационные  качества, создает благоприятные  условия смесеобразования и обладает широкими пределами воспламенения  в смеси с воздухом. По-видимому, по этой причине первые ДВС делались для работы именно на газе.

2 Виды газового  топлива

В конце 40-х и начале 50-х  годов в СССР было освоено производство газобаллонных автомобилей, использовавших сжатый природный газ. Несколько  тысяч таких автомобилей в  течение нескольких лет эксплуатировались  в Украине и Поволжье – районах, достаточно обеспеченных в то время  природным газом.

Однако начальный уровень  газоснабжения и относительно малый  в то время объем добычи газа не позволили расширить применение газобаллонных автомобилей, а возросшая  потребность других отраслей промышленности (например, по производству удобрений), не обеспеченных приростом добычи, привела, в конечном итоге, к прекращению выпуска таких машин и изъятия их из эксплуатации.

В настоящее время положение  в корне изменилось. Отдельные  магистральные газопроводы давно  объединены в Единую Систему Газоснабжения, которая густой сетью покрывает  всю европейскую часть России, Среднюю Азию, Приморский край и  остров Сахалин. И газификация продолжается бурными темпами.

Таким образом, имеется комплекс факторов – от высоких качеств  природного газа, как моторного топлива, до эффективного уровня развития Единой Системы Газоснабжения – определяющих широкие перспективы применения газового топлива на транспорте.

Косвенным подтверждением целесообразности использования природного газа в  качестве топлива для ДВС служит широкое использование его в  Италии, США, Японии, ФРГ, Канаде, Нидерландах  и т. д.

Горючие газы, применяемые  в качестве моторного топлива  для автомобилей, можно условно  разделить на три основных вида по условиям специфики содержания, влияющей на возможность использования на разных классах автомобилей (легковых, грузовых, автобусов):

    1. Сжиженные нефтяные газы (СНГ);

     2. Компримированные (сжатые) природные газы (КПГ);

   3. Сжиженные природные газы (СПГ);

4. Водородное топливо.

 

 

3 Сжиженные нефтяные газы

Основными компонентами сжиженных  газов (современного топлива для  двигателей) являются пропан С₃Н₈, бутан С₄Н₁₀ и их смеси. Получают эти углеводороды из газов, сопутствующих нефти, при бурении скважин и из газообразных фракций, образующихся при различных видах переработки нефтепродуктов и каменного угля.

Критические температуры  пропана (97 °С) и бутана (126 °С) значительно  выше обычных температур окружающей среды, поэтому эти углеводороды при небольшом давлении (без охлаждения) переходят в жидкое состояние. При 20 °С пропан сжижается под давлением 0,716 МПа, а бутан — под давлением 0,103 МПа, т.е. газобаллонные установки  для производства сжиженного газа являются установками среднего давления.

Хранят сжиженные газы в баллонах емкостью 250 л (162...225 л  газа обеспечивают запас хода автомобиля до 500 км), рассчитанных на рабочее давление 1,6 МПа. В таких условиях даже чистый пропан находится в жидком виде, что позволяет эксплуатировать  автомобили на сжиженных нефтяных газах (СНГ) круглогодично (кроме южных  районов в летнее время, где температура  выше 48,5 °С).

На рисунке 1 приведена схема автомобильного баллона для сжиженного газа.

Октановое число пропана 105, а нормального бутана и изобутана 94. Плотность сжиженных газов  составляет 510... 580 кг/м3, т. е. они почти  в два раза легче воды. Вязкость газов очень мала, что облегчает  транспортирование их по трубопроводам. Коэффициент объемного расширения СНГ очень велик, т. е. при повышении  наружной температуры они значительно  расширяются, поэтому при заполнении резервуаров необходимо оставлять  свободное пространство (примерно 15 % емкости). В нормальном состоянии  СНГ неядовиты и не имеют запаха.

Рис. 1 1 — предохранительный клапан; 2 — указатель уровня жидкой фазы; 3 — наполнительный клапан; 4 — паровая фаза; 5 — расходный вентиль для паровой фазы; 6 — расходный вентиль для жидкой фазы;  7 — стенка баллона; 8 — спускная пробка; 9 — жидкая фаза.

СНГ вдвое дешевле бензина  и при этом обеспечивают до 10...20% экономии энергии, т.е. для автомобиля, расходующего на 100 км пробега 15 л высокооктанового бензина, достаточно 13 л СНГ, а для  автомобиля с расходом 11 л бензина  на 100 км достаточно 9,8 л СНГ.

На рисунке 2 приведена принципиальная схема подачи СНГ.

Применение СНГ можно  рассматривать как первоначальный этап перехода промышленности и транспорта в будущем на водородную энергетику, так как технология их производства, хранения и распределения во многом идентична.

Установлено, что при переходе транспортных дизелей на сжиженный  газ самым рациональным является непосредственное впрыскивание в цилиндр  двигателя топливной смеси, состоящей  из сжиженного газа (пропан - бутана), дизельного топлива и присадки, интенсифицирующей процесс горения. Этот способ требует менее сложной переделки топливоподающей аппаратуры и позволяет обеспечивать регулирование двигателя. Введенное в состав бутан - пропановой смеси некоторое количество обычного дизельного топлива улучшает ее самовоспламеняемость и одновременно смазывает трущиеся детали топливной аппаратуры.

Пропан и бутан являются ценным сырьем для химической промышленности, что ограничивает перспективы их широкого применения на автомобильном  транспорте.

ГОСТ 27578 — 87 «Газы углеводородные сжиженные для автомобильного транспорта»  устанавливает следующие марки  СНГ: ПА — пропан автомобильный для  применения в зимний период при температуре  от -20° до —30 °С; ПБА — пропан-бутан  автомобильный для применения при  температуре не ниже —20 °С (табл. 1).

 

Рисунок 2 Принципиальная схема системы подачи сжиженного газа:

1 — топливный баллон; 2 — магистральный вентиль; 3 —  испаритель; 4 — фильтр; 5 — двухступенчатый  редуктор; 6 — дозатор газа; 7 —  карбюратор-смеситель; 8 —манометры

 

 

Таблица 1 Физико-химические показатели углеводородных сжиженных газов

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4 Сжатые природные газы

Большое значение имеют осуществляемые в нашей стране меры по улучшению  структуры топливно-энергетического  баланса, снижению в нем доли нефти.

Одной из крупномасштабных задач является расширение использования  в народном хозяйстве сжатого (компримированного) природного газа (КПГ) в качестве моторного топлива, что помимо экономических соображений (нефтесберегающий фактор) диктуется потребностью оздоровления воздушной среды, особенно в крупных городах, так как газ является среди углеводородных топлив наиболее экологически чистым видом горючего.

Природный топливный сжатый газ получают из горючего природного газа, транспортируемого по магистральным  газопроводам или городским газовым сетям, компрессированием и удалением примесей по технологии, не допускающей изменения компонентного состава (табл. 2). Природный газ состоит из метана СН₄, оксида углерода СО и водорода Н₂.

В зависимости от месторождения  содержание метана в газе может быть в пределах 40... 82 %. Его критическая  температура составляет —82 °С. Поэтому  при нормальных температурах даже при  высоком давлении эти газы не могут  быть сжижены: для этого необходимы низкие температуры. Октановое число метана 110.

Горючие газы как моторные топлива на автомобильном транспорте стали применяться в нашей  стране еще в 30-х годах XX века из-за ограниченных ресурсов бензина.

 

 

Таблица 2

Физико-химические показатели сжатого природного газа (ГОСТ 27577-87)

В послевоенное время открытие и освоение месторождений природного газа позволило увеличить использование  газообразного топлива для автомобилей  и к 1954 г. был освоен выпуск газобаллонных  автомобилей ГАЗ-516; ЗИС-156; ЗИС-166 и  построено 30 газонаполнительных станций.

Однако в 60-е годы XX века в связи с большим приростом  добычи нефти и увеличением ресурсов бензина работы эти бьши прерваны. В настоящее время КПГ является альтернативным топливом, способным  покрыть возможный дефицит жидкого  моторного топлива в стране. Применение его на автомобильном транспорте может обеспечить создание газобаллонных автомобилей с мощностью бензиновых, и эффективным КПД до 38...40%, при одновременном увеличении срока службы двигателя в полтора и сроков смены масла в два раза.

Опыт эксплуатации современных  отечественных автомобилей, работающих на сжатом газе, выявил ряд положительных  факторов его использования: срок службы двигателя увеличивается на 50... 70 %, срок службы свечей — на 30...40 %, расход масла снижается благодаря увеличению периодичности его замены в 2... 3 раза, на 30...75% уменьшается количество токсичных компонентов в отработанных газах.

 

 

Рисунок 3 Принципиальная схема системы подачи сжатого газа:

1 — баллоны с газом  под высоким давлением; 2 — наполнительный  вентиль; 3 — подогреватель газа; 4— выпускной трубопровод (глушитель); 5— манометры; 6 — магистральный  вентиль; 7 — фильтр; 8 — редуктор; 9 — дозатор; 10 — карбюратор-смеситель

Вместе с тем ухудшаются некоторые эксплуатационные показатели автомобилей: мощность двигателя снижается  на 18...20%, время разгона возрастает на 24...30%, а максимальный преодолеваемый угол подъема уменьшается. Из-за большой  массы металлических баллонов, требуемых  для хранения сжатого под высоким  давлением газа (330 кг для ГАЗ-53 и 800 кг для ЗИЛ-130) полезная нагрузка автомобиля снижается на 14... 20 %. Возможная дальность поездки на одной заправке газа составляет 200...250 км, т.е. запас хода снижается на 30...40 %. Из-за необходимости сохранения дополнительной топливной системы трудоемкость технического обслуживания и ремонта газового автомобиля увеличивается на 7... 8 %.

Сжатый газ на борту  автомобиля хранится в 4... 8 баллонах (в  зависимости от типа двигателя) вместимостью по 50 л под давлением 19,6 МПа.

На рисунке 3 приведена принципиальная схема системы подачи сжатого газа.

5 Сжиженные природные газы

Сжиженные природные газы (СПГ) имеют такое же происхождение и состав, как и компримированные природные газы. Они получаются охлаждением метана до минус 162 °C. Хранятся в теплоизолированных емкостях.

Независимо от качества теплоизоляции  газосодержащих емкостей (сосуды Дюара), температура в них повышается, а следовательно, этот способ содержания газового топлива может быть использован  при интенсивной эксплуатации транспортного  средства и его безгаражном хранении, так как периодически требуется  сброс давления, т. е. выпуск порции газа.

При переводе автотранспорта на СПГ его низкую температуру  возможно использовать для компенсации  потерь мощности или кондиционирования  воздуха в салоне автомобиля.

 Переоборудование автомобиля для работы на СПГ заключается в установке специальной криогенной емкости, небольшого испарителя, использующего тепло выпускных газов, и монтаже газовой топливной аппаратуры, которая аналогична применяемой на газобаллонных автомобилях при работе на КПГ. Затраты на получение СПГ в 2–3 раза больше, чем на получение КПГ. Поэтому сжиженный природный газ целесообразно применять на автомобилях-рефрижераторах, где он может выполнять дополнительные функции хладагента для холодильников и кондиционеров.

6 Водород как  моторное топливо

Одним из серьезных вопросов в применении водорода в качестве моторного топлива является выбор  способа его хранения на борту  автотранспортного средства. Водород  – самый легкий среди химических элементов, поэтому в заданном объеме его помещается значительно меньше, чем других видов топлива.

Так, при комнатной температуре  и нормальном атмосферном давлении водород занимает примерно в 3 тыс. раз  больший объем, чем бензин с равным количеством энергии. Поэтому для  того, чтобы заправить машину достаточным  количеством топлива, необходимо либо нагнетать водород под высоким  давлением, либо использовать его в  виде криогенной жидкости, либо же оборудовать  автомобили сложнейшими топливными системами.

Обеспечение автозаправочных  станций сжатым водородом и заполнение баллонов, находящихся в автомобиле, технически больших проблем не представляет. Современные материалы гарантируют  высокую надежность таких сосудов. Однако увеличивается вес автомобиля и уменьшается полезное пространство, т. к. баллон с одним кг сжатого  при 70 МПа водорода занимает в 7,5 раза больше места, чем энергетически  эквивалентное количество бензина.