Глава 4

Газообразные топлива

Первые поршневые двигатели Ленуара и Отто работали на газовом топливе – светильном газе. Затем газ был вытеснен бензином и дизельным топливом.

В 1939 году в России начался выпуск газобаллонных автомобилей     ЗИС-30 и ГАЗ-4А, а в 50-е годы – ЗИС-156 и ГАЗ-51Б, предназначенных для работы на сжатом природном газе. Эти автомобили эксплуатировались в районах, обеспеченных сырьём для производства газового топлива.

В 1954 году было начато производство газобаллонных автомобилей   ЗИС-156А и ГАЗ-51Ж, предназначенных для работы на сжиженном пропан- бутановом газе.

В 30-е годы прошлого века в России были разработаны и серийно выпускались автомобили, оборудованные газогенераторными установками. Эти установки позволяли получать горючие газы при сжигании углеводородного топлива. Автомобили ГАЗ-42 и ЗИС-21 во многом помогли в начале войны 1941–45 гг., когда были уничтожены излишне приближенные к границам запасы горючего.

Однако позже, в 60-е годы, в связи с бурным развитием нефтедобывающей и нефтеперерабатывающей промышленности и организа-цией массового выпуска дешёвых высокооктановых бензинов применение газовых топлив было практически прекращено.

В настоящее время в целях экономии нефти и снижения загрязнения окружающей среды, особенно в крупных городах, вновь получают широкое распространение автомобили, работающие на газообразном топливе.

Автомобили этого типа можно разделить на газобаллонные, работающие на сжатом природном газе и сжиженном нефтяном, а также газогенераторные, работающие на смеси горючих газов, получаемых в газогенераторе. Газогенераторные автомобили вновь заинтересовали автомобилистов. Газогенераторы в качестве сырья могут использовать отходы деревообрабаты-вающей промышленности, а также весьма некачественные топлива, например бурые угли.

Рекомендуемые материалы

Сжиженные нефтяные (СНГ) и сжатые природные (СПГ) газы имеют преимущества по сравнению с бензином:

– богатые природные ресурсы горючих газов и относительная простота их добычи. Специалисты считают, что запасов газа на Земле в 10–12 раз больше, чем нефти;

– высокая детонационная стойкость: ОЧМ СНГ – 90–100 ед., ОЧМ  СПГ – 105–110 ед. [1];

– полное сгорание топлива, т. е. отсутствие несгоревшей жидкой фазы, что исключает смыв масляной плёнки с цилиндра и разжижение запаса масла, находящегося в картере двигателя, отсюда – повышение ресурса двигателя в 1,5–2 , а масла в 2–2,5 раза [5];

– скрытая теплота испарения весьма мала (116 кВт/кг), т. е. влияние на температурный режим камеры сгорания незначительно [5];

– меньшая токсичность отработавших газов;

– более высокая теплотворность (теплота сгорания);

– сравнительная дешевизна;

– экономичность газобаллонных автомобилей в процессе эксплуатации.

Наряду с этим газобаллонные автомобили (ГБА) имеют и ряд недостатков:

– снижение мощности двигателя за счёт меньшего коэффициента наполнения цилиндров: СНГ – 3–4%, СПГ – 18–20% [3];

– неудовлетворительные пусковые качества при низких температурах;

– увеличенное, из-за повышенного температурного режима работы двигателя, содержание в отработавших газах окислов азота, что ведёт к «нитрированию» масел и в конечном итоге коррозии при большом нагреве;

– повышенная степень сжатия двигателей ГБА требует применения высокооктанового бензина (резервное топливо);

– усложнение системы питания, увеличение объёма и стоимости обслуживания и ремонта;

– снижение грузоподъёмности автомобилей, работающих на СПГ из-за использования баллонов большой массы (800 кг у ЗИЛ-138);

– удорожание автомобиля на 20–26%.

4.1. Сжиженные нефтяные газы

К сжиженным нефтяным газам относят углеводороды, которые извлекают из сопутствующего нефти газа. При повышении давления до   0,8–1,6 МПа эти газы легко переходят в жидкое состояние. Хранение запаса газа в жидком состоянии позволяет значительно увеличить энерговооружённость автомобиля.

Особенности работы с СНГ:

– газы хранят под давлением только собственных паров. Давление сильно зависит от температуры – при росте температуры от минус 20 °С до 45 °С давление насыщенных паров возрастает от 0,07 до 1,6 МПа;

– плотность в сжиженном состоянии 510–580 кг/м³, а в газообразном – в 1,5–2,1 раза тяжелее воздуха, что приводит к накапливанию газа в смотровых ямах, подвалах и т. д.;

– низкая вязкость облегчает перекачку, но увеличивает возможность утечек через неплотности, чему способствует повышенное давление паров;

– скорость диффуции паров СНГ и воздуха в спокойной атмосфере невелика;

– при ускоренном отборе (утечке) паровой фазы температура жидкости снижается, баллоны покрываются инеем, могут даже обледеневать. Это служит индикатором негерметичности системы;

– коэффициент объёмного расширения значителен, поэтому баллоны заполняют СНГ на 80% вместимости;

– СНГ – хороший растворитель нефтепродуктов, следовательно, необхо-димо применение специальных уплотнительных смазок и заменителей резины;

– СНГ в целом неядовиты и только содержание их в воздухе более 30% вызывает у человека некоторую потерю чувствительности.

Испытаниями установлено, что СНГ обеспечивает по сравнению с бензинами до 10–20% экономии энергии и почти 50% экономии стоимости топлива. Для  автомобиля, расходующего на 100 км пробега 15 л высоко-октанового бензина, достаточно 13 л СНГ [5].

Характеристики ГБА, работающих на СНГ приведены в табл. 4.1.

Цетановые числа СНГ весьма малы (4–5 ед.), что весьма затрудняет применение их в двигателях с воспламенением от сжатия даже при использовании присадок, повышающих самовоспламеняемость.

Таблица 4.1

Характеристики основных моделей газобалонных автомобилей,

работающих на СНГ

ГОСТ 27578-87 «Газы углеводородные сжиженные для автомобильного транспорта » устанавливают две марки СНГ (табл. 4.1):

– ПА – пропан автомобильный, применяемый в зимнее время температурах окружающего воздуха от минус 20 °С до минус 30 °С;

– ПБА – пропан-бутан автомобильный для применения при температурах не ниже минус 20 °С. Добавка бутана повышает энергосодержание смеси.

Показатели качества СНГ представлены в табл. 4.2.

При запуске холодного двигателя открывают вентиль, соединяющий систему питания с паровой фазой СНГ, хранящегося в баллоне. После пуска и прогрева охлаждающей жидкости, обеспечивающей нормальную работу испарителя, в систему подают жидкую фазу СНГ. При низких температурах возможен запуск и прогрев двигателя с использованием резервной системы питания бензином.

Доставка сжиженных газов в настоящее время осуществляется в железнодорожных цистернах – с верхним наливом и сливом продукта. Вмести-мость цистерн 51 и 54 м³. В баллонах сжиженный газ доставляют в крытых вагонах. Возможно транспортирование в судах – танкерах и сухогрузах для перевозки баллонов. Местные перевозки осуществляют в специальных цистернах, установленных на шасси автомобилей. Это такие цистерны, как АЦЖГ-4-264 и АЦ-5-130, изготовленные в соответствии с требованиями ГОСТ 21561-76 «Автоцистерны для транспортирования сжиженных углеводородных газов на давление до 1,8 МПа. Общие технические условия».

Заправка ГБА сжиженным газом производится на газонаполнительных станциях. Здесь газы должны быть очищены от сероводорода и в, холодное время года, от воды.

Большой интерес вызывает использование бензо-газо-воздушной топливной смеси с присадкой отработавших газов. Для дополнительного снижения токсичности по оксидам азота NO_x среднюю температуру цикла уменьшают за счёт подачи на всасывание предварительно охлаждённых отработавших газов (авт. свид. СССР № 1483076, № 1548496, № 1355743).

Переоборудование автомобилей для работы на бинарном топливе не представляет серьёзных технических или финансовых трудностей.

Испытания легковых автомобилей, оборудованных упомянутой системой подачи газового топлива, показали, что возможно понизить до 50% потребление дорогостоящих бензинов за счёт использования газового топлива. Уменьшение эквивалентной токсичности отработавших газов достигло 40–70% за счёт более полного сгорания бензо-газо-воздушной топливной смеси [5].

4.2. Сжатый природный газ

 Сжатые горючие газы как моторные топлива на автомобильном транспорте стали применяться в нашей стране ещё в 30-е годы прошлого века. Сначала использовали сжатые коксовый и светильный газы, на которых эксплуатировались автомобили ГАЗ-4А и ЗИС-30 с запасом хода на одной заправке до 120 км [5].

После войны открытие и освоение крупных месторождений природного газа, а также строительство ряда магистральных трубопроводов позволили расширить использование газообразного топлива на автомобильном транспорте. Но в дальнейшем в связи с резким ростом добычи нефти и строительства крупных нефтеперерабатывающих заводов использование сжатого природного газа сократилось и многие газонаполнительные станции были законсервированы.

На заводах ГАЗ, ЗИЛ, ЛАЗ разработаны конструкции газобаллонных автомобилей ЗИЛ-138А, ЗИЛ-53-27, ЛАЗ-695Н и др. Запас сжатого газа находится на этих автомобилях в баллонах из углеродистой стали массой 93 кг, вместимостью 50 л, под давлением 20 МПа. В полностью заполненном баллоне содержится около 10 м³ газа, что эквивалентно примерно 10 л бензина. Характеристики ГБА на СПГ приведены в табл. 4.3.

Таблица 4.3

Характеристика основных моделей газобалонных автомобилей,

работающих на сжатом природном газе

Были разработаны опытные образцы и легковых автомобилей, например на базе «Москвича». Баллон изготавливался из низколегированной стали, общей массой 63 кг при толщине стенок 6 мм [7].

Очевидно, что целесообразно изготовление баллонов из лёгких и прочных полимерных материалов.

По сравнению с СНГ сжатый природный газ при использовании в ГБА имеет преимущества:

– разведанных и освоенных запасов природного газа гораздо больше. Уже сейчас можно перевести на СПГ весь автомобильный парк страны [7];

– отработавшие газы содержат значительно меньше вредных веществ;

– сжатый газ при налаженном производстве дешевле сжиженного;

– СПГ легче воздуха, поэтому при утечках не образуются взрывоопасные конструкции, как у СНГ.

Вместе с тем сжатый природный газ имеет и ряд недостатков, сдержи-вающих его широкое применение:

– хранить СПГ приходится в сжатом виде, так как в сжиженное состояние он переходит трудно – при температуре минус 82 °С и давлении не ниже         4,5 МПа;

 – большая масса баллонов значительно снижает грузоподъёмность автомобиля;

– небольшой запас хода (табл. 4.3);

– сложность заправочного оборудования газонаполнительных станций.

Природные месторождения содержат 82–98% метана, до 6% этана и 4–20% пропана.

Природный сжатый газ получают из горючего природного газа, транспортируемого по магистральным газопроводам или городским газовым сетям, удалением примесей, осушкой и последующем компрессированием по технологии, не допускающей изменения компонентного состава. Предназначенный для заправки ГБА сжатый природный газ должен отвечать требованиям ГОСТ 27577-87 «Газ природный топливный сжатый для газобаллонных автомобилей». Физико-химические показатели СПГ для ГБА приведены в табл. 4.4.

Таблица 4.4

Физико-химические показатели сжатого природного газа

по ГОСТ 27577-87

      Окончание табл. 4.4

            Примечание. Значения показателей установлены при температуре 20 °С и давлении 0,1013 МПа (1 атм).

Особое внимание при компрессировании сжатого газа уделяют его предварительной осушке. Максимальное содержание воды в одном кубическом метре газа допускается не более 9 мг. Это обусловлено тем, что в редукторе высокого давления происходит резкое снижение давления газа. При избыточном содержании воды происходит её кристаллизация. Кроме того, перед снижением давления газ нагревают в подогревателе за счёт тепла отработавших газов. Температура после снижения давления остаётся в допустимых пределах.

У газодизельных двигателей температура в конце такта сжатия  (500…780 °С) недостаточна для самовоспламенения смеси газа и воздуха. Применение системы зажигания с установкой свечей зажигания в отверстия для форсунок технически сложно и значительно увеличивает время при переходе с одного вида топлива на другое. Поэтому на топливный насос высокого давления устанавливают ограничитель запальной дозы. Педаль подачи топлива изменяет подачу только газа, а порция дизельного топлива постоянна и примерно равна объёму подачи на уровне 15–20% от максимальной.

Большое внимание уделяется применению газового топлива в сельском хозяйстве. Кировским сельхозинститутом разработан и успешно прошёл испытания трактор «Универсал – 445». Двигатель его работает на сжатом газе. Трактор предназначен для эксплуатации в помещениях с ограниченным воздухообменом (теплицах, складах). Сжатый газ хранится в 4-х баллонах вместимостью 50 л, размещённых по бокам моторного отсека. Запуск газодизеля производится на дизельном топливе, а затем включается подача сжатого газа и работа трактора осуществляется путём регулирования подачи газа. Доза запального дизельного топлива постоянная и составляет 1,6 кг/ч. Расход газа при номинальном режиме не превышает 53 м³/ч. При этом  мощность, развиваемая дизелем, равна 33 кВт при частоте вращения коленчатого вала 2400 мин^-1. Трактор надёжно работает на всех режимах, обеспечивая экономию дизельного топлива при снижении содержания в выхлопных газах сажи в 4–5 раз.

Этим же институтом также переоборудовано на использование СПГ в качестве топлива самоходное шасси Т-16 МГ, где, как и на тракторе, замещается газом до 80% дизельного топлива. Характерным является то, что перевод на СПГ тракторов и самоходных тележек не требует дорогостоящего оборудования и может производиться в условиях специализированных мастерских [5].

За рубежом [9] применению СПГ в качестве топлива уделяется большое внимание. Это обусловлено в первую очередь в зависимости от соотношения цен на жидкое и газовое топливо, а также с учётом требования максимального использования собственных ресурсов топлива и сведения к минимуму зависимости от конъюнктуры рынка.

Ведущее место в этой области занимает Италия. Стоимость газобаллон-ного оборудования в Италии в 2 раза ниже, чем, например, в США. Это связано с более широким применением этого оборудования. По своему составу парк газобаллонных автомобилей Италии, работающих на СПГ, состоит из легковых автомобилей индивидуального пользования. Грузовые автомобили имеют дизельные двигатели.

В США фирма Ford разработала специальную модель автомобиля для работы на природном газе. Ведутся работы по применению газобаллонных установок среднего давления (2 МПа) с использованием твёрдого адсорбента. В настоящее время созданы опытные адсорбенты и баллоны, которые при давлении 2 МПа содержат запас газа, эквивалентный запасу в баллонах с давлением 15 МПа, т. е. обеспечивают коэффициент заполнения равный 7,5.

         Растёт парк автомобилей, работающих на СПГ и в Канаде. Для газобаллонных автомобилей в Канаде принято рабочее давление газа, равное  21 МПа. Стальные баллоны проходят освидетельствование (гидравлические испытания) один раз в три года. Не разрешается установка баллонов на крышах транспортных средств.

         Аналогичное направление развития ГБА осуществляется и в других странах.

         Итальянская фирма Landi Renzo выпускает газовую аппаратуру для работы на СПГ (метане) и сжиженном углеводородном газе (СНГ). Конструктивно оба типа аппаратуры работают по универсальной схеме, т. е. обеспечивают полноценную работу автомобиля на газе и бензине. Характерным для этой фирмы является широкое использование электромагнит-ных клапанов и приводов с электрической коммутацией. Фирма считает нецелесообразным выпускать универсальные редукторы для работы на сжатом и сжиженном газах и выпускает два типа редукторов. Уделяет внимание фирма и совершенствованию топливной аппаратуры для газодизелей.

         Наряду с продукцией Landi Renzo широкой популярностью пользуется газобаллонная аппаратура питания бензиновых двигателей фирмы Tartarini. Широкое использование электроники обеспечивает выпуск высококачествен-ной газосмесительной аппаратуры.

         Одной из ведущих фирм, производящих газовые баллоны, является и фирма Faber.

4.3. Генераторный газ

         В последние годы в ряде стран возобновился интерес к газогенераторным автомобилям, что позволяет перевести генераторный газ из разряда альтернативных топлив в обычное газообразное топливо. В этих автомобилях двигатель работает на продуктах газификации твёрдого топлива, получаемых в специальном устройстве - газогенераторе.

         Генераторный газ получают при переработке твёрдого топлива – древесных чурок и отходов, древесного и каменного угля, торфяных и соломенных брикетов, кокса и т. д. Газ образуется в результате термохимиче-ского взаимодействия кислорода с углеродом твёрдого топлива в процессе газификации. Для этого процесса очень важны такие показатели твёрдого топлива, как битуминозность, зольность, реакционная способность, влажность, механическая прочность, корродирующее действие, объёмная масса, спекаемость и т. д.

         Битуминозность характеризует степень выхода из топлива летучих веществ при его газификации. Этим качеством в наибольшей степени обладают древесина, торф, бурый уголь. Древесный уголь, кокс, антрацит содержат мало летучих веществ и как малобитуминозное топливо не полностью отвечают требованиям газификации.

         Реакционная способность топлива обуславливает быстроту разжигания генератора и стабильность процесса газификации на переменных режимах работы.

         Процесс газификации осуществляется в основной части установки – газогенераторе. Там происходит сгорание части углерода твёрдого топлива. За счёт выделяющегося тепла осуществляется процесс восстановления двуокиси углерода до окиси углерода. В результате этого процесса образуется также водород, метан и другие газы.

         Из газогенераторной установки газы выходят с высокой температурой (более 100 °С), увлекая за собой значительное количество примесей – золы, угольной пыли, летучих смол. Высокая температура газа неизбежно ведёт к уменьшению наполнения цилиндров двигателя и к снижению его мощности, а наличие твёрдых примесей резко увеличивает износ трущихся поверхностей. Поэтому каждая газогенераторная установка включает в себя агрегаты для очистки и охлаждения газа.

         Газогенераторы бывают с прямым, обращённым и горизонтальными процессами (рис. 4.1). Условно всю внутреннюю полость газогенератора можно разделить на 4 зоны:

         – горения;

         – газификации (восстановления);

         – сухой перегонки;

         – подсушки топлива.

Рис. 4.1. Газогенераторы с различными процессами газификации топлива:

а – с прямым; б – с обращённым; в – с горизонтальным.

I – зона горения; II – зона восстановления; III – зона сухой перегонки;

IV – зона подсушки.

        

В зоне горения I происходят экзотермические реакции с выделением углекислого газа СО₂ и воды. Кроме того, частично протекает реакция образования окиси углерода СО с последующим окислением её в СО₂. Под действием выделяемой теплоты температура в зоне горения поднимается до 1200…1500 °С, в результате чего разогревается верхний слой топлива, относящийся уже к зоне II.

         В зоне газификации II протекают эндотермические реакции с образованием горючих компонентов – газа СО и частично метана СН₄. Температура во второй зоне понижается до 900…1100 °С. Если температура становится ниже 900 °С, то процесс газификации топлива нарушается.

         В зоне сухой перегонки III горячие газообразные компоненты воздействуют на твёрдое топливо. Поскольку кислорода в зоне реакции нет, протекает процесс сухой перегонки с выделением из топлива паров воды, газов и смолистых веществ, которые подмешиваются к поступающему из II зоны газу. Температура в этой зоне снижается до 300…900 °С.

         В зоне подсушки IV из топлива выделяются только пары воды, которые также смешиваются с генераторным газом. Температура в зоне подсушки снижается с 300 до 105 °С.

         Выше были перечислены недостатки газогенератора с прямым процессом, в частности загрязнение получаемого газа механическими и другими примесями. К этому необходимо добавить ещё одно неприятное обстоятельство: при загрузке газогенератора прекращается поступление газогенераторного газа.

         Эти недостатки устранены в газогенераторах с обращённым и горизонтальным процессами. В них генераторный газ отводится снизу генератора после зоны II, а продукты зон III и IV, проходя зоны горения и восстановления, дополнительно газифицируются, и поэтому качество получаемого газа становится выше.

         Если к газогенератору для процесса горения подводят только воздух, получается воздушный газ. При подводе поочерёдно воздуха и паров воды или совместной паровоздушной смеси получается смешанный газ. При пропускании через раскалённый уголь водяного пара получается водяной газ. Эти газы различаются содержанием горючих компонентов СО и Н₂.

         В результате газификации твёрдого топлива получаются сырой генераторный газ, содержащий СО, Н_2, СН₄, СО₂, Н₂О и смолистые вещества. Перед подачей в цилиндры двигателя такой газ подлежит обязательной очистке.

         В зависимости от вида топлива получается несколько различный по составу и теплоте сгорания генераторный газ. Состав этих газов и теплота сгорания показаны в табл. 4.5.

 Таблица 4.5

Состав генераторного газа

Бесплатная лекция: "7.2 Кочевники Восточной Европы в средние века" также доступна.

        

Следует отметить, что генераторный газ, применяемый в качестве топлива, не обеспечивает номинальной мощности двигателя даже при повышении степени сжатия. Например, снаряжённая масса газогенераторного автомобиля ЗИС-21 больше по сравнению с базовой моделью ЗИС-5 на  600 кг. При этом мощность его двигателя снизилась с 72 л. с. при степени сжатия 4,6 до 48 л. с., даже при повышении степени сжатия до 7,0. Грузоподъемность понизилась с 3000 до 2500 кг, а максимальная скорость с полной нагрузкой – с 60 до 50 км/ч. Расход топлива составлял примерно 90 кг древесных чурок на 100 км пути [7].

         При всех недостатках газогенераторных автомобилей – сложность эксплуатации, снижение мощности двигателя и грузоподъемности – они обладали одним бесспорным преимуществом – возможностью работы на легкодоступном и дешёвом топливе.

Сегодня возрождается интерес к газогенераторным автомобилям, позволяющим эффективно утилизировать отходы деревообрабатывающей промышленности. Например, специалисты французской фирмы «Рено» создали газогенераторный грузовик, использующий древесное топливо. Для активизации сгорания к древесным чуркам добавляется стружка, пропитанная отработанным моторным маслом. Кроме того, вместе с газом в цилиндры двигателя подают небольшие порции дизельного топлива. В результате автомобиль с двигателем в 300 л. с. и грузоподъемностью 40 т расходует на 100 км пути 100 кг древесины и 9 литров жидкого топлива вместо прежних 45 л.

         Таким образом, газообразное топливо для современных автомобилей является доступным, дешёвым и более экологичным по сравнению с бензинами и дизельными топливами. Весьма перспективна возможность хранения запасов природного газа на автомобиле в сжиженном состоянии. В настоящее время этот вопрос технически сложен.

         Применение газогенераторных установок позволит получать дешёвое топливо в неограниченном количестве. Оптимизация технологического процесса получения генераторного газа не представляется технически особенно сложной.