Библиографическое описание:

Султанов И. Р., Аманбаева Д. А. Актуальные вопросы эффективного газового автомобильного топлива [Текст] // Современные тенденции технических наук: материалы V Междунар. науч. конф. (г. Казань, май 2017 г.). — Казань: Бук, 2017. — С. 80-82.



Одна из главных задач в энергообеспечении нашей цивилизации. Сочетание устойчивого экономического развития с сохранением здоровой среды обитания основано на концепции обязательного снижения вредных выбросов энергообъектов.

Ключевые слова: углеводородного топлива, метан, баллон, октановое число, сжиженный газ, экологическая чистота

В настоящее время использование углеводородного топлива для получения энергии основано преимущественно на его пламенном сжигании в различных устройствах. При пламенном сжигании природного газа основными загрязнителями в продуктах сгорания являются монооксид углерода CO, несгоревшие углеводороды (НУВ) и оксиды азота NOx.

«Газовое автомобильное топливо» включает в себя две совершенно разных по составу смеси: природный газ, в котором до 98 % приходится на метан, и производимый из попутного нефтяного газа пропан-бутан. Кроме безусловной горючести общим для них является ещё и агрегатное состояние при атмосферном давлении и комфортных для жизни температурах. Однако при низких температурах физические свойства этих двух наборов лёгких углеводородов здорово различаются. Из-за этого они требуют совершенно разного оборудования для хранения на борту и подачи в двигатель, да и в эксплуатации автомобили с разными системами газового питания имеют несколько существенных различий. [1]

Иные принципы лежат в основе работы газобаллонного оборудования для машин, потребляющих в качестве топлива природный газ, в обиходе обычно именуемый метаном по своему основному компоненту. Это тот же газ, что подаётся по трубам в городские квартиры. В отличие от нефтяного газа метан (СН4) обладает низкой плотностью (в 1,6 раза легче воздуха), а главное — низкой температурой кипения. Он переходит в жидкое состояние лишь при –164°С. Наличие небольшого процента примесей других углеводородов в природном газе не сильно изменяет свойства чистого метана. А значит, превратить этот газ в жидкость для использования в автомобиле невероятно сложно. В последнее десятилетие активно велись работы по созданию так называемых криогенных баков, позволяющих хранить в автомобиле сжиженный метан при температурах –150°С и ниже и давлении до 6 атмосфер. Были созданы опытные образцы транспорта и заправок под этот вариант топлива. Но пока практического распространения эта технология не получила.

А потому в подавляющем большинстве случаев для использования в качестве моторного топлива метан просто сжимают, доводя давление в баллоне до 200 атмосфер. Как следствие, прочность и соответственно масса такого баллона должны быть заметно выше, чем для пропанового. Да и помещается в одинаковом объёме сжатого газа существенно меньше, чем сжиженного (в пересчёте на моли). А это — уменьшение автономности автомобиля. Другой минус — цена. Существенно больший запас прочности, заложенный в метановое оборудование, оборачивается тем, что цена комплекта на автомобиль оказывается почти в десять раз выше аналогичной по классу пропановой аппаратуры.

В наши дни метановые баллоны бывают разных размеров, из которых в легковом автомобиле можно разместить, объёмом до 100 л.

Для метановых баллонов CNG-3 средний коэффициент совершенства (отношение массы к объему) = 0.65, т. е. баллон объемом 100 литров будет весить примерно 65 кг. [2]

Таблица 1

Объем, л.

Вместимость газа, м3

Наружный диаметр, мм

Длина, мм

Масса, кг

Макс. рабочее давление, МПа

Пробное давление, МПа

47

11,75

326

860

33,6

20

30

50

12,5

326

900

35,2

20

30

67

16,75

326

1140

44,6

20

30

80

20

326

1360

53,2

20

30

100

25

326

1660

65

20

30

При всём этом у метана есть два существенных преимущества перед нефтяным газом. Во-первых, он ещё дешевле и не привязан к цене на нефть. А во-вторых, метановое оборудование конструктивно застраховано от проблем с зимней эксплуатацией и позволяет при желании вообще обходиться без бензина.

Автомобиль по факту останется двухтопливным. Причина именно в сжиженности газа. А точнее, в том, что в процессе активного испарения газ резко охлаждается. В результате сильно падает температура в баллоне и особенно — в газовом редукторе. Чтобы аппаратура не замерзала, редуктор подогревают, встраивая в него теплообменник, соединённый с системой охлаждения двигателя. Но чтобы эта система начала работать, жидкость в магистрали надо предварительно подогреть. А потому запускать и прогревать мотор при температуре окружающего воздуха ниже 10°С рекомендуется строго на бензине. И лишь затем, с выходом мотора на рабочую температуру, переключаться на газ. Впрочем, современные электронные системы переключают всё сами, без помощи водителя, автоматически контролируя температуру и не допуская замерзания оборудования. Правда, для поддержания корректной работы электроники в этих системах нельзя досуха опустошать бензобак даже в жаркую погоду. Пусковой режим на газу является для подобной аппаратуры аварийным, и на него систему можно переключить лишь принудительно в случае крайней необходимости. [3]

Значение октанового числа углеводородов и различных видов топлива показано в таблице 2. [4]

Таблица 2

Вещество

ОЧМ

ОЧИ

Метан

110,0

107,5

Пропан

100,0

105,7

Бензин Н-80

76

84

Бензин АИ-92

83,5

92

Бензин АИ-95

85,0

95

Исследовательское октановое число (ОЧИ) (англ. Research Octane Number — RON) определяется на одноцилиндровой установке с переменной степенью сжатия, называемой УИТ-65 или УИТ-85, при частоте вращения коленчатого вала 600 об/мин, температуре всасываемого воздуха 52°C и угле опережения зажигания 13°. Оно показывает, как ведёт себя бензин в режимах малых и средних нагрузок.

Моторное октановое число (ОЧМ) (англ. Motor Octane Number — MON) определяется также на одноцилиндровой установке, при частоте вращения коленчатого вала 900 об/мин, температуре всасываемой смеси 149°C и переменном угле опережения зажигания. ОЧМ имеет более низкие значения, чем ОЧИ. ОЧМ характеризует поведение бензина на режимах больших нагрузок. Оказывает влияние на высокую скорость и детонацию при частичном дроссельном ускорении и работе двигателя под нагрузкой, движении в гору и т. д.

Отсюда следует по значениям таблицы октановое число метана выше остальных иприменения синтетических реагентов для повышения октановое число не следует

Расход топлива транспортного средства в стандартных условиях

На расход топлива в нашем случае метан, влияют следующие факторы: техническое состояние автомобиля — пока двигатель проходит обкатку он потребляет больше топлива, затем уровень расхода снижается до нормы, указанной в инструкции, а по мере износа опять повышается; стиль езды — это индивидуальное значение для каждого отдельно взятого человека; погодные условия — зимой двигатель потребляет больше топлива, летом — меньше; использование дополнительных потребителей энергии; аэродинамика — при открытых окнах аэродинамические свойства снижаются, возрастает сопротивление воздуха, соответственно и бензина нужно больше; аэродинамические свойства можно улучшить за счет установки спойлеров, обтекаемых элементов.

Исследовании автомобилей произведенных в Узбекистане

Ravon Nexia R3,1.5 л (107 л.с.), на

280–300 км — баллон 100 литр с сжатым газом 20 МПа (201 кгс/см2)

Модель Chevrolet Lacetti с объемом двигателя 1.8 литра

250–280 км — баллон 100 литр с сжатым газом 20 Мпа (201 кгс/см2)

Nexia I, II, III с объемом двигателя 1.6 литра 109 л.с.

260–275 км — баллон 100 литр с сжатым газом 20 Мпа (201 кгс/см2)

Ravon Nexia R3 1.5 AT Optimum1.5 л (107 л.с.)

280–300 км — баллон 100 литр с сжатым газом 20 Мпа (201 кгс/см2)

При этом химический состав рабочего газа (в % по объему): [4]

Таблица 3

CH4

C2H6

C3H8

C4H10

C5H12

CO2

N2

H2O

Сумма

97,0 %

0,5 %

0,3 %

0,1 %

0,2 %

0,1 %

0,8 %

1,0 %

100,0 %

Рис. 1. Расход топлива транспортного средства в стандартных условиях. [5]

Экологическая чистота. Экологическая чистота газообразного топлива по сравнению с тяжелыми нефтяными топливами очевидна.

СН4 + 2О2 = СО2 + 2Н2О

метан + кислород = углекислый газ + вода

Это прежде всего отсутствующие загрязнения при транспортировке и разгрузке, а также существенно меньше выбросы вредных веществ при сжигании в качестве топлива в котельных. При сжигании СУГ лишь на 10–15 % выше процентное содержание СО в выбросах, чем при сжигании самого чистого топлива — природного газа и минимальное количество сероводорода, этого нельзя сказать о сжигаемых тяжелых нефтяных топливах.

Для обеспечения качественного горения газа необходимо в достаточном количестве подвести воздух в зону горения и добиться хорошего перемешивания газа с воздухом. Оптимальным считается соотношение 1: 10. То есть на одну часть газа приходится десять частей воздуха.

Литература:

1. Ахметов A., Иванов В. Н., Ерохов В. И. Экономическая эффективность и эксплуатационные качества газобаллонных автомобилей. Т. Узбекистан, 1984. 191 с.

2. «Метановые баллоны CNG-2 DIGITRONIC Light»

3. Гулиа Н. В. Инерционные аккумуляторы энергии. — Воронеж: Изд-во ВГУ, 1973. — С. 112–118. — 240 с.; УДК 621.8.032.2–562.

4. Гуреев А. А., Жоров Ю. М., Смидович Е. В. Производство высокооктановых бензинов. — М.: Химия, 1981. — 224 с. — 2670 экз

5. Газобалонные автомобили. Е. Е. Ерохов., Б. Д. Колубаев., В. И. Ерохов и др. М., Машиностроение, 1989.

Основные термины (генерируются автоматически): октановое число, сжатым газом, углеводородного топлива, качестве топлива, частоте вращения коленчатого, вращения коленчатого вала, пламенном сжигании, угле опережения зажигания, моторного топлива метан, нефтяного газа, топлива природный газ, природного газа, сжигании природного газа, нефтяного газа метан, использование углеводородного топлива, газового автомобильного топлива, Ravon Nexia, автомобиле сжиженный метан, Исследовательское октановое число, октановое число метана.

Ключевые слова

метан, углеводородного топлива, баллон, октановое число, сжиженный газ, экологическая чистота

Обсуждение

Социальные комментарии Cackle
Задать вопрос