Ликбез для тех, кто хочет всё знать про газовое топливо

Ликбез для тех, кто хочет всё знать про газовое топливо

Сжиженный нефтяной газ — как альтернатива бензину. Украина на 300% обеспечена собственным пропан-бутаном, более того значительные количества данной смеси около 60% уходит на экспорт ( в основном Польша) и в связи с объемами экспорта колеблется сезонно цена, поскольку вывозная пошлина до смешного низкая ок. 25$ за 1тонну, против 125$ за 1 тонну, вывозная пошлина из России.

Смесь пропана и бутана, получаемая при перегонке сырой нефти или ее соединений на нефтеперерабатывающих заводах, образует сжиженный нефтяной газ, используемый как автомобильное топливо, в бытовых целях и для обогрева. Свойства бензина отличаются от свойств сжиженного нефтяного газа (пропана и бутана) углеродным числом, представляющим собой более благоприятное соотношение молекулярных масс углерода и водорода. Углеродное число у бензина ? 8, у пропана ? 3, а у бутана ? 4. Плотность жидкой фазы зависит от температуры, с увеличением которой плотность уменьшается в результате теплового расширения, а при атмосферном давлении и температуре 15? С, плотность жидкой фазы пропана составляет 510 кг/м3, бутана ? 580 кг/м3. Сжиженный газ тяжелее воздуха (пропан в 1,5 раза, бутан в 2 раза). Температура кипения у бензина выше температуры окружающей среды, а сжиженный нефтяной газ закипает при более низких температурах. Это означает, что бензин может быть в баке в жидком состоянии при атмосферном давлении, а сжиженный газ находится в баллоне при давлении, равном давлению его насыщенных паров при данной температуре. Хотя теоретически температура кипения бензина выше температуры окружающей среды, он также подвержен испарению, создавая в баке автомобиля повышенное давление. Из октанового числа очевидно, что сжиженный нефтяной газ обладает значительно лучшей антидетонационной способностью, чем высококачественный бензин. Это позволяет увеличить степень сжатия у двигателей и тем самым улучшить топливно-экономические показатели. Теоретически необходимое количество воздуха для сгорания 1 кг топлива показывает, какое количество воздуха необходимо для полного сгорания 1 кг газа. Для газа этот показатель выше, чем для бензина.

Основные свойства сжиженного нефтяного газа. Одним из наиболее важных свойств пропана и бутана, отличающих их от других видов автомобильного топлива, является образование при свободной поверхности над жидкой фазой двухфазной системы жидкость ? пар вследствие возникновения давления насыщенного пара, т.е. давления пара в присутствии жидкой фазы в баллоне. В процессе наполнения баллона первые порции сжиженного газа быстро испаряются и заполняют весь его объем, создавая в нем определенное давление. При уменьшении давления газ мгновенно испаряется. Испарение сжиженного газа в баллоне продолжается до тех пор, пока образовавшиеся пары сжиженного газа не достигнут насыщения. Это свойство пропана и бутана позволяет хранить газ в небольших объемах, что очень важно.

Рассмотрим пример: Давление насыщенного пара бутана составляет 0,1 МПа при 0? С и 0,17 МПа при 15? С, а давление насыщенного пара пропана при этих же температурах 0,59 и 0,9 МПа соответственно. Это различие приводит к значительной разнице в давлении смеси при изменении пропорции пропана и бутана. Давление растет при увеличении температуры, что приводит к большим изменениям объема сжиженного газа, находящегося в жидком состоянии. Следовательно, если сжиженный газ в жидком состоянии полностью заполняет баллон и температура продолжает увеличиваться, то давление будет быстро расти, что может привести к разрушению баллона. Поэтому никогда не заполняйте баллон жидким сжиженным газом полностью. Обязательно оставляйте паровую подушку, объем которой равен 10% от полной емкости баллона.

Эти два газа (пропан и бутан) различаются между собой температурой кипения, при которой они переходят из жидкого в газообразное состояние. Пропан перестает переходить в газ и остается в жидком состоянии при температуре -43? С, для бутана эта температура равна 0? С.

Зависимость давления насыщенных паров пропана и бутана от температуры.В условиях холодного климата (или зимой) в сжиженном нефтяном газе ? смеси пропана и бутана, ? предназначенном для использования в качестве автомобильного топлива, должен преобладать пропан для лучшей газификации смеси.

На газозаправочные станции согласно ГОСТу 27578-87, введенному с 1 июля 1988 г., должен поступать сжиженный нефтяной газ двух марок: летний ГТБА ? пропан-бутан автомобильный с содержанием 50 ? 10% пропана, остальное бутан и зимний ПА ? пропан автомобильный с содержанием 90 ? 10% пропана (а такой на Украине не существует).

Зависимость давления насыщенных паров смеси пропана и бутана от температуры. Некоторую опасность представляет собой сжиженный газ, попавший на кожу: под действием быстро испаряющегося газа на коже могут возникнуть очаги обморожения. Теплота сгорания газа несколько меньше, чем у бензина. Однако с увеличением количества подаваемого в двигатель воздуха теплота сгорания несколько увеличивается. Молекулярная масса сжиженного газа меньше, чем у бензина, и это ухудшает работу двигателя. Поскольку в двигатель сжиженный газ поступает в газообразном состоянии, то по сравнению с бензином уменьшается наполнение им цилиндров (ниже скорость горения газовоздушной смеси) при высокой частоте вращения коленчатого вала двигателя. При уменьшении частоты вращения в двигатель подается меньший объем газа. Таким образом, при работе двигателя на газе его мощность снижается. И в этом один из недостатков газобаллонного двигателя. Если мощность двигателя, работающего на бензине, принять за 100%, то мощность двигателя, работающего на газе, будет примерно равна 95%, что приводит к снижению максимальной скорости примерно на 4%.

Какая фирма-производитель лучше? Известно около 20 Итальянских производителей, 5-7 Турецких., несколько Польских, Голландских и Американских. Турецкие — это как правило, эконом-предложения, работает данное оборудование нормально, качество-переменное.Итальянское делиться на бизнес и элит.Бизнес-TOMASETTO, MARINI, STEFANELLI, LONGAS, STARGAS, LOVTEC и т.д. Работает в основном без проблем, изредка бывает брак, нет проблем с запчастями и ремонтом.Элит- LOVATO, TARTARINI, LANDI-RENZO, BRC. Работает без проблем, брака практически нет, но ремонт и запчасти дороги и плохо доступны.Ну и элита газового оборудования-то что сделано в Голландии: PRINS, VIALE, KOLTEK-NEKAM. Работает отлично, очень стабильно, очень дорого в закупке, длительный срок беспроблемной приятной эксплуатации , зачасти доступны но дороги.

Газ ? давний и вечный соперник бензина. Газ (фр. gaz, от греч. chaos — хаос), агрегатное состояние вещества, в котором оно равномерно заполняет весь предоставленный ему объем. В тридцатые годы прошлого века англичанин Барнетт получил патент на газовый двигатель, а в 1860 году француз Э. Ленуар построил мотор, работающий на смеси воздуха и газа. Такой выбор горючего никого не удивил — бензина еще не было. Бензин в качестве горючего был использован спустя два десятилетия, когда Г. Даймлер создал бензиновый двигатель внутреннего сгорания. Бензиновый мотор заменил лошадь в первых «самодвижущихся колясках» — автомобилях.

Повсеместный рост количества автомобилей потребовал значительного увеличения объемов производства бензина. О газе как о возможном моторном топливе надолго забыли. Лишь через 100 лет после Барнетта, в конце тридцатых годов нашего столетия, возродилась мысль о его использовании. Тогда появились первые газогенераторные автомобили. Газ вырабатывался в топке, а оттуда подавался в двигатель.

Бензин дорожает, и сегодня его пытаются заменить. И природным газом, и синтезированными газами и жидкостями, например — спиртом, который гонят из самого разного сырья: от тростника до апельсиновых корок. Все эти виды топлива менее опасны для окружающей среды, чем бензин.

Октановое число 105? Исследования опровергли устоявшееся мнение, что использование газа вместо бензина — вынужденная мера. Газовое топливо сгорает полнее, поэтому концентрация окиси углерода в выхлопе газового двигателя в несколько раз меньше.

Автомобиль на бензине выбрасывает в атмосферу сернистый газ, который образуется от сгорания сернистых компонентов топлива, и тетраэтилсвинец. В природном газе серы, как правило, нет, а поэтому в выхлопах газового двигателя нет ни сернистого газа, ни соединений свинца. В отработанных газах бензинового двигателя из-за неполного сгорания топлива содержится и окись углерода (СО) — токсичное для человека вещество. И газовые, и бензиновые автомобили выбрасывают в атмосферу одинаковое количество углеводородов. Для здоровья человека опасны не сами углеводороды, а продукты их окисления. Двигатель, работающий на бензине, выбрасывает сравнительно легко окисляющиеся вещества — этил и этилен, а газовый двигатель — метан, который из всех предельных углеводородов наиболее устойчив к окислению. Поэтому углеводородный выброс газового автомобиля менее опасен (см. рис. 1.5 книги «Источники энергии»).

Газ как моторное топливо не только не уступает бензину, но и превосходит его по своим свойствам. Двигатель внутреннего сгорания автомобиля работает по классическому четырехтактному циклу. Газообразная смесь воздуха и топлива всасывается в цилиндр двигателя, сжимается поршнем, воспламеняется искрой, давит на поршень и двигает шатунный механизм, а затем выбрасывается из цилиндра. Чем сильнее можно сжать топливо без возникновения детонации*, тем больше мощность двигателя. Антидетонационную способность топлива определяют октановым числом. Чем оно выше, тем лучше топливо. Среднее октановое число природного газа — 105 — недостижимо для любых марок бензина.

Детонация [лат. detonare прогреметь] — распространение пламени в веществе со скоростью, превышающей скорость звука в данном веществе.

Двигатель внутреннего сгорания работает на смеси воздуха и распыленного топлива. Для воспламенения смеси нужна определенная концентрация топлива. Газ, в сравнении с бензином, горит при меньших концентрациях, т.е. при более «бедных» смесях. В случае повышения концентрации газа и обогащения смеси можно добиться увеличения мощности двигателя. Обедняя смесь, наоборот, можно понизить мощность. Возникает возможность изменением состава смеси регулировать мощность двигателя: газ как топливо значительно «послушнее» бензина.

Эксплуатация показала, что автомобили на газе более выносливы — в полтора-два раза дольше работают без ремонта. При сгорании газа образуется меньше твердых частиц и золы, вызывающих повышенный износ цилиндров и поршней двигателя. Кроме того, масляная пленка дольше держится на металлических поверхностях — ее не смывает жидкое топливо, и, наконец, газ практически не вызывает коррозию металла.

Несмотря на многочисленные достоинства природного газа, закрывать заправочные станции и выбрасывать бензиновые канистры еще рано.

Метан. В переходе на газовое топливо есть свои сложности. Так, например, плотность природного метана в тысячу раз ниже плотности бензина. Поэтому, если заправлять автомобиль метаном при атмосферном давлении, то для равного с бензином количества топлива понадобится бак в 1000 раз больше. Чтобы не возить огромный прицеп с топливом, необходимо увеличить плотность газа. Это можно достичь сжатием метана до 20:25 МПа (200:250 атмосфер). Для хранения в таком состоянии используются специальные баллоны, которые устанавливаются на автомобилях.

Природный газ-метан способен резко уменьшать объем (в 600 раз) при его низкотемпературном cжижении. Такой жидкий газ можно перевозить в специальных «бензобаках» при давлении не более 6 атмосфер (давление воды в водопроводном кране). Имеется множество технических разработок и патентов по реализации такой технологии получения жидкого метана. Во всем мире уже производится и потребляется много миллионов тонн охлажденного (до температуры около -120?C) метана. Крупнейшими производителями является Индонезия, Алжир, Ливия, США, Норвегия и т.д. Для перевозки используются танкеры-метановозы водоизмещением до 120 000 тонн (Япония) Продуктами полного сгорания метана являются безвредные вещества — углекислый газ и вода. Именно поэтому мы не испытываем неудобств на наших кухнях, где иногда целый день горят газовые (метановые) горелки.

Пропан-бутан. Пропан-бутан — синтетическое топливо. Его получают из нефти и сконденсированных нефтяных попутных газов. Чтобы эта смесь оставалась жидкой, ее хранят и перевозят под давлением в 1,6 МПа (16 атмосфер). Газобаллонная аппаратура для сжиженного пропан бутана несколько проще. Процесс заправки машин на газонаполнительных станциях несложен и очень похож на заправку бензином. По своим свойствам сжиженный пропан-бутан почти не отличается от сжатого природного газа. То же высокое октановое число, те же неплохие экологические и эксплуатационные показатели. Есть у сжиженного пропан бутана и преимущество перед метаном — это запас хода. 225 литров этого горючего для грузовика ЗИЛ ;434730 (ЗИЛ-130)хватает на пробег около 500 километров, а метана, помещающегося в восьми баллонах — в 2,5 раза меньший

Классификация газовых топливных систем.

1 ПОКОЛЕНИЕ (пропан-бутан, метан). Предназначено для использования в карбюраторных и инжекторных автомобилях без катализатора. Различают 2 вида оборудования 1 поколения:
1. Вакуумное — для карбюраторных автомобилей без катализатора.
2. Электронное — для карбюраторных и инжекторных а/м без катализатора.
Принципиальное различие вакуумного редуктора от электронного заключается в запорном элементе разгрузочной камеры: в вакуумном эту функцию выполняет вакуумная мембрана к которой подаётся разрежение от впускного коллектора, — двигатель работает; есть вакуум редуктор открыт, двигатель заглушен, — вакуума нет редуктор закрыт. В электронном эту функцию выполняет электромагнитный клапан управляемый от <электронного блока безопасности> который при работающем двигателе открывает его обеспечивая подачу газа из 1 ступени редуктора во 2-ю. При прекращении работы двигателя электронный блок безопасности перекрывает подачу газа. Многие электронные редукторы в отличии от вакуумных имеют двойную регулировку <холостого хода>; — динамическую и статическую что позволяет более точно отрегулировать и более стабильно удерживать холостой ход. Для инжектроных а/м применяют защитный клапан обратного хлопка.

2 ПОКОЛЕНИЕ (пропан-бутан, метан). Предназначено для использования в инжекторных автомобилях с каталитическими нейтрализаторами (катализаторами). Состоит из электронного оборудования 1-го поколения и электро-механической системы контроля подачи и регулировки потока газа, для достижения точного состава топливно-воздушной смеси, которая необходима для (корректной) правильной работы нейтрализатора. Они называются системами <Лямбда Контроля>. Для поддержания правильного состава газо-воздушной смеси (Лямбда =1) Лямбда контроллеры используют сигнал от штатного Лямбда зонда автомобиля, а так же сигнал положения дроссельной заслонки и датчика оборотов двигателя, для оптимизации топливно-воздушной смеси на переходных режимах работы двигателя. Системы 2-го поколения гарантируют поддержание экологических требований Евро 1. Наиболее <продвинутые> системы Лямбда контроля, с двумя регулировками (на холостом ходу и на оборотах) поддерживают экологические требования Евро 2. Производители AUTRONIC-AL-700-800, KME-Bingo.

3 ПОКОЛЕНИЕ (пропан-бутан, метан). Предназначено для использования в а/м с экологическими требованиями не выше Евро 2. Системы 3 поколения принципиально отличаются от 1 систем 1 и 2 поколения и называются системами параллельного впрыска газа. Газ в таких системах подаётся во впускной коллектор в непосредственной близости к впускному клапану каждого цилиндра. Между редуктором который, подаёт избыточное давление и штуцерами-клапанами установленными во впускном коллекторе, находится электронно-механический шаговый дозатор — распределитель, который обеспечивает правильную дозировку потока газа во впускной коллектор. Управление переключением режимов и поддержанием правильной подачи газо-воздушной смеси занимается электронный блок управления на который поступают необходимые сигналы со штатных датчиков двигателя (TPS, Лямбда-зонд, MAP, RPM). Системы 3 поколения не используют вычислительных мощностей и топливных карт заложенных в штатных бензиновых контроллерах, они попросту работают в <параллельном> режиме, т. е. создают собственные топливные карты. Скорость реакции на корректировку смеси у систем 3 поколения довольно не высокая и обусловлена скоростью работы шагового дозатора — распределителя. Поэтому с проявлением Экологических требований Евро 3 и систем бортовой диагностики 2 поколения OBD II и EOBD спрос на газовые системы 3 поколения упал, — а учитывая их довольно высокую стоимость и появления систем 4 поколения практически исчез.

4 ПОКОЛЕНИЕ (пропан-бутан, метан). Предназначено для использования в любых инжекторных автомобилях и совместимы с экологическими требованиями Евро 3, а так же системами бортовой диагностики OBD II и EOBD. Системы 4 поколения называют: <Фазированный распределённый впрыск>. Они используют вычислительные мощности и топливные карты заложенные в штатный контроллер а/м, и вносят лишь необходимые поправки для адаптации газовой системы к бензиновой топливной карте. 4 поколение характеризует наличие отдельных электромагнитных форсунок впрыска газа в каждый цилиндр т. е. полностью аналогично бензиновой системе. Фазу и дозировку впрыска определяет штатный бензиновый контроллер а/м. Важным плюсом систем 3 и 4 поколения является функция автоматического перехода с газового топлива на бензиновое по окончании бензина или при невозможности использования газа на некоторых мощностных режимах. Производители AGC-AUTRONIC-Zenit, PRINS, KME-AKME-Diego, OMWL-DREAM XXI, AC-STAG 200-300 и другие.

5 ПОКОЛЕНИЕ (Только пропан-бутан). Предназначено для использования в любых инжекторных автомобилях и совместимы с экологическими требованиями Евро 3, Евро 4 а так же системами бортовой диагностики OBD II, OBD III и EOBD. Системы 5 поколения называют: или <Жидкий Фазированный распределённый впрыск>. В отличии от систем 4 поколения,- в 5 газ поступает в цилиндры в жидкой фазе. Для этого в баллоне находится <газонасос>, который обеспечивает циркуляцию жидкой фазы газа из баллона через рампу газовых форсунок с клапаном обратного давления обратно в баллон. Системы 5 поколения используют вычислительные мощности и топливные карты заложенные в штатный контроллер а/м, и вносят лишь необходимые поправки для адаптации газовой системы к бензиновой топливной карте. 5 поколение характеризует наличие отдельных электромагнитных форсунок впрыска газа в каждый цилиндр т. е. полностью аналогично бензиновой системе. Фазу и дозировку впрыска определяет штатный бензиновый контроллер а/м. Важным плюсом систем 3.4 и 5 поколения является функция автоматического перехода с газового топлива на бензиновое по окончании бензина или при невозможности использования газа на некоторых мощностных режимах. К преимуществу систем 5 поколения можно отнести отсутствие потери мощности и отсутствие повышенного расхода газа, также возможность запуска двигателя на газе при любых отрицательных температурах, -ввиду отсутствия необходимости испарять газ перед подачей в двигатель. К недостаткам системы можно отнести её высокую чувствительность к грязному газу, низкую ремонтопригодность и высокую сложность. Три этих недостатка практически перечёркивают все её преимущества в условиях эксплуатации в СНГ,- степень очистки пропан-бутановой смеси у нас <традиционно> очень низкая . Производители: VIALE, ICOM.

Преимущества использования газового топлива. Последнее время использование сжиженного нефтяного газа (пропан-бутан) стало более популярным, что объясняется в основном дешевизной газа по сравнению с бензином. Однако у сжиженного газа как автомобильного топлива есть и другие преимущества.

  1. Очень важно то, что это экологически более чистое топливо, в выхлопе при работе на газе содержится меньше вредных веществ.
  2. Газ имеет более высокое октановое число (порядка 105 и даже выше в зависимости от соотношения пропан/бутан). Соответственно, практическое отсутствие любых детонаций и как следствие снижение линейных нагрузок на цилиндро-поршневую и кривошипно-шатунную группы двигателя.
  3. Уменьшается износ цилиндро-поршневой группы, вследствии того, что газ в испарённом состоянии не смывает масляную плёнку со стенок цилиндров.
  4. Благодаря лучшему смесеобразованию газа с воздухом и тому, что газо-воздушная смесь равномернее распределяется по цилиндру — улучшается ХХ двигателя, двигатель работает <мягче> и тише.
  5. Газ не разжижает моторное масло и практически не засоряет его продуктами горения, поэтому масло можно менять реже, чем при эксплуатации на бензине.
  6. Газ в испарённом виде значительно чище чем бензин, поэтому в камере сгорания и в картере двигателя практически не образуется нагара и отложения смол.
  7. Автомобиль оборудованный газовой системой питания становится двухтопливным, — а это большое преимущество в случае отказа одной из систем.

 

Среди многих преимуществ есть и некоторые недостатки:

  1. Уменьшение максимальной мощности на 5-7% , которое можно частично скомпенсировать установкой более раннего угла опережения ,-на 5-7 град или установкой вариатора зажигания.
  2. Уменьшение полезного объёма багажного отделения из-за появления в нём ёмкости для газа.
  3. Не желательность запуска холодного двигателя на газе при t окружающего воздуха ниже 0 град. Хотя при аварийной ситуации такая возможность существует.
vipua625