Теорія

Теорія

Розглянемо використання скрапленого газу в двох видах двигунів внутрішнього згоряння : карбюраторних і дизельних . Основну увагу приділимо тільки основним принципам конструктивного оформлення і роботи двигунів, що працюють на зрідженому газі.

Стандартні види палива для двигунів внутрішнього згоряння - бензин і дизельне паливо. Основна перевага зрідженого газу перед ними - чистота, оскільки в зрідженому газі немає свинцю, дуже низький вміст сірки, оксидів інших металів, ароматичних вуглеводнів та інших забруднюючих домішок. Особливо це стосується свинцю, який для поліпшення антидетонаційних властивостей в обов'язковому порядку додають у бензин у вигляді тетраетилсвинцю і який засмічує запальні свічки, є потенційним отруйником атмосфери, а також сірки, яка викидається в атмосферу разом з продуктами згоряння. Використання зрідженого газу полегшує запуск двигуна в холодну пору року, забезпечує більш рівне і стійке горіння всередині робочого простору циліндрів двигуна. Той факт, що при спалюванні зрідженого газу зазвичай повністю відсутні забруднення, пояснює і велику довговічність працюючих на зрідженому газі двигунів в порівнянні з двигунами, що працюють на бензині або дизельному паливі, оскільки в першому випадку утворюється значно менше нагару і відкладень вуглецю на внутрішній поверхні циліндрів.

Двигуни, що працюють на зрідженому газі, мають меншу вартість . У багатьох країнах зріджений газ обкладається незначним податком або взагалі їм не обкладається, хоча автомобільне паливо всюди вважається одним з найкращих доходів від оподаткування.

Крім двигунів, які можна перевести на скраплений газ, на ринку є двигуни, які розроблені тільки для роботи на цих газах. Серед них слід назвати невеликі двигуни, призначені для роботи всередині приміщень, де завдяки їх використанню потрібна менша ступінь вентиляції (автонавантажувачі на складах або корабельних трюмах, цементні змішувачі, обладнання для вугільних шахт і копалень та інші види внутрішньоцехового і підземного транспорту). Для роботи тільки на зрідженому газі розроблені також різноманітні види тракторів та інших машин для сільського господарства.

Говорячи про модифікаціях двигунів внутрішнього згоряння, необхідно підкреслити важливість збереження можливості їх роботи в необхідних випадках на первинному вигляді палива. Необхідність двопаливного забезпечення виникає, зокрема, при розташуванні заправних пунктів скрапленим газом, на значній відстані один від одного.

Дизельний двигун неможливо повністю перевести на скраплений газ, оскільки вони не здатні стійко підтримувати роботу по дизельному циклу. Суміш скрапленого газу з повітрям не може спалахнути подібно суміші дизельного палива з повітрям, коли дизельне паливо впорскується в стисле повітря. Крім того, при надлишку в паливній суміші зрідженого газу дизельний двигун може почати детонувати . У зв'язку з цим запуск дизельного двигуна слід здійснювати тільки на дизельному паливі. Далі він може працювати на суміші дизельного палива зі скрапленим газом, частка яких не повинна перевищувати певної величини.

Зріджений газ як паливо для карбюраторних двигунів.

Деякі аспекти конструкцій і роботи карбюраторних двигунів.

Коли в якості палива в карбюраторних двигунах застосовують бензин, горюча суміш утворюється в карбюраторі, який перетворює рідке паливо і повітря в парову суміш, що надходить у робочий простір циліндра. Вельми важливо, щоб паливо -повітряна суміш запалала в точно заданий момент часу. Це досягається завдяки тому, що іскра на займання подається від високовольтного джерела струму за кілька градусів до підходу поршня до верхньої мертвої точки в кінці такту стиснення. Слід уникати несвоєчасного запалення суміші через підвищення температури її при стисненні, оскільки це призводить до втрати потужності. У паливо для карбюраторних двигунів часто додають антидетонаційні компоненти (тетраэтил і тетраэтилсвинец), що підвищують опірність передчасного займання.

При заміні бензину на зріджений газ необхідність у антидетонатора відпадає. Суміш скраплений газ - повітря чисто газова, тому тетраетіл або тетраметил свинцю, що є рідиною, не може бути поданий у вигляді суспензії в газовий потік . На щастя, більшість компонентів скрапленого газу володіють підвищеними антидетонаційними якостями. Слід також зазначити, що у скрапленого газу октанове число значно вище, ніж у замещаемого бензину.

Характеристика палива.

Вид паливаОктанове числоМаксимальний ступінь стиснення
Пропан 111,5 105 11: 1
Бутан 95 92 8 : 1
Ізобутан 100,4 99 9 : 1
Пропілен 100,2 90 7,5 : 1
Бензин рядовой 92 - 95 83 - 86 9 : 1
Бензин покращений 98 - 101 90 - 92 10,5 : 1

Це означає, що двигуни, що працюють на зрідженому газі, можуть мати високий ступінь стиснення, а отже, і більш високий, ніж у бензинового двигуна ККД. При перекладі на скраплений газ в двигуні можна збільшити ступінь стиснення при використанні більш дрібної головки блоку або куполоподібних поршнів. Ступінь стиснення карбюраторного двигуна, розрахованого на використання тільки скрапленого газу, повинна бути відразу підвищена.

Запалювання суміші в карбюраторних двигунах здійснюється за допомогою запальних свічок . Їх конструкції різноманітні і залежать від типу двигуна, ступеня згоряння та інших характеристик. При переході з бензину на зріджений газ характеристики двигуна можуть бути поліпшені за рахунок використання свічки малого теплового радіусу, або холодної свічки, але при цьому необхідно підвищити ступінь стиснення за малого розміру зазору між електродами в свічці . Пропуски запалювання через відкладення на електродах нагару при роботі на зрідженому газі практично неможливі.

Позитивними факторами, що спостерігаються при переході двигуна з бензину на зріджений газ, є більш стійке і спокійне горіння, а також повна відсутність явища змиву та вигоряння масла зі стінок циліндра. Зріджений газ, будучи чистим, вільним від сірки паливом, не викликає такого коррозирування клапанів, ущільнювальних поршневих кілець, поршнів і стінок гільз циліндрів, яке можливо при роботі на бензині. Поступаючи в циліндри у вигляді чисто газової суміші, зріджений газ не розчиняє мастило, в результаті чого робочі властивості його зберігаються значно довше, ніж при роботі на бензині.

При перекладі двигуна з бензину на газове паливо слід пам'ятати про те, що зріджений газ має більш низьку питому щільність і що його витрата вище, ніж бензину . Наприклад, що працює на зрідженому газі автомобіль буде проходити тільки 0,8 того відстані, яку він пройшов би при роботі на бензині. Однак на практиці завдяки високій ефективності спалювання та чистоті продуктів згоряння газові двигуни в середньому споживають палива на 15 % менше, ніж бензинові.

Характеристика карбюраторных двигателей, работающих на бензине и пропане.
ПараметрБензинПропан
Ступінь стиснення 10 : 1 11 : 1
Вміст сірки, % 0,01 0,001
Рівність роботи двигуна хороша відмінна
Розчинення мастильних масел топлива можливо неможливо
Напруга струму запалювання, кВ 3 - 6 5 - 7
Зазор між електродами, мм стандартний 0,25 и менше
Тепловий радіус стандартний один радіус гнізда свічки

 

Шкідливі викиди.

Точно встановлено, що двигуни внутрішнього згоряння, насамперед, автомобільні карбюраторні двигуни, є основними джерелами забруднення. Вихлопні гази автомобілів, що працюють на бензині, на відміну від автомобілів, що працюють на зрідженому газі, містять сполуки свинцю. Якщо застосовуються очисні фільтри каталітичної дії, то поглинаються ними сполуки свинцю дезактивують каталізатор, в результаті чого не тільки свинець, а й окис вуглецю, які не згоріли вуглеводні викидаються разом з вихлопними газами в кількості, що залежить від умов і стандартів на експлуатацію двигунів, а також від умов очищення та інших факторів. Кількісно концентрацію забруднюючих компонентів у вихлопних газах при роботі двигунів як на бензині, так і на зрідженому газі визначають за спеціальною методикою. При проведенні більшості експериментів було виявлено, що переведення двигунів з бензину на зріджений газ призводить до зниження кількості викидів окису вуглецю в 10 разів і незгорілих вуглеводнів в 5 разів.

Домішками, що містяться у вихлопних газах при роботі на бензині, так і на зрідженому газі, є окису сірки та азоту. Концентрація окисів сірки при роботі двигуна на зрідженому газі може бути в десятки разів нижче, ніж при роботі його на бензині. Окису азоту, як було встановлено, є основними винуватцями освіти оптичного смогу. У поєднанні з ненасиченими вуглеводнями під впливом ультрафіолетового випромінювання вони утворюють канцерогени. Експерименти показали, що при перекладі двигунів з бензину на зріджений газ спостерігається зниження (до 70 %) викидів окислів азоту. При роботі двигунів на бензині були отримані наступні показники по забрудненню атмосфери: сполуки свинцю і оксиди сірки присутні, окису вуглецю і незгорілих вуглеводнів - стандартний зміст ; при роботі на зрідженому газі - сполуки свинцю відсутні, оксиди сірки практично відсутні, вміст окису вуглецю і незгорілих вуглеводнів знижено відповідно на 80 і 70 %.

Переклад двигунів з бензину на зріджений газ.

Переклад двигунів з бензину на зріджений газ відносно простий, хоч і залежить від розмірів двигуна і типу обраного обладнання. При перекладі двигунів з будь-якого бензину на зріджений газ обов'язково мати три основні пристрої: паливний бак ( балон ) під скраплений газ, редуктор випарник і карбюратор.

Паливний бак працює на зрідженому газі автомобіля є резервуаром високого тиску. Він являє собою балон циліндричної форми, наявний зазвичай в багажному відділенні автомобіля.

Рідка фаза скрапленого газу з паливного бака через глибоко занурену в неї трубку і встановлений на ній робочий клапан надходить у трубопровід, а з нього - в редуктор -випарник, який зазвичай розташований в моторному відділенні. В системі двопаливного забезпечення автомобіля лінія подачі зрідженого газу забезпечена перемикачем виду палива, який миттєво відкриває або закриває запірні клапани бензину або скрапленого газу. Зазвичай отсечной клапан використовують для запобігання утворення вакууму в збірному колекторі палива та попадання палива в змішувальну камеру до запуску двигуна . Паливний фільтр захищає редуктор -випарник від засмічення домішками.

Зріджений газ починає випаровуватися в центральній камері редуктора - випарника після запуску двигуна внаслідок акумульованого тепла самого випарника. Після того як через нього почне циркулювати гаряча вода охолоджуючої системи, рідкий скраплений газ стане випаровуватися за рахунок підігріву в процесі теплообміну. Тиск випариної фази зрідженого газу редукується в одну або дві ступені да атмосферного тиску за допомогою звичайного регулятора мембранного типу. При двухступенчатом зниженні тиску клапан високого тиску спочатку забезпечує подачу рідини в испарительную камеру при надмірному тиску 83,4 кПа. Після випаровування газова фаза, проходячи через клапан низького тиску, розширюється і надходить у лінію низького тиску, що веде в карбюратор.

Принцип дії рідинного і газового карбюратора однаковий. Це пристрій змішує паливо з повітрям для отримання займистою суміші, призначеної для спалювання в двигуні. Проблеми, що виникають при цьому, пов'язані насамперед з необхідністю роботи двигуна на змінної потужності, тобто при змінюваному в широкому діапазоні витраті палива, а також з необхідністю підтримки оптимального співвідношення паливо -повітря при швидко змінюваному положенні дросельної заслінки і забезпечення холостого ходу при мінімальній витраті палива . Проблема добре збалансованої по повітрю і паливу подачі суміші на всіх швидкостях і навантаженнях двигуна вирішується декількома шляхами:

  • Витрата газу регулюється і визначається по перепаду тиску в трубі Вентурі.

  • Витрата газу залежить від положення повітряного клапана і одноступінчатого клапана для суміші газу і повітря.

  • Витрата газу регулюється положенням повітряного клапана, пов'язаного з паливним клапаном.

  • Витрата газу залежить від тиску на клапані скрапленого газу, механічно пов'язаному з дросельної заслінкою.

Для отримання оптимальних характеристик двигуна автомобіля, переведеного з бензину на зріджений газ або подвійне паливо, вельми важливо відрегулювати роботу карбюратора як для холостого ходу, так і для широкого діапазону режимів роботи з перемінним положенням дросельної заслінки. У всіх випадках вельми важливо забезпечити достатню пропускну спроможність газопроводу і стійку роботу двигуна при максимальній витраті газу і мінімальних втратах тиску в газопроводі, редукційному клапані і випарнику.

Зріджений газ як паливо для дизельних двигунів.

Деякі аспекти конструкцій і роботи дизельних двигунів.

Компресійне запалювання в дизельному двигуні відрізняється від іскрового запалювання в карбюраторному двигуні тим, що в ньому чисте повітря стискається до утворення суміші повітря і пари палива, а паливо в рідкому вигляді впорскується строго дозованими порціями за кілька градусів кута повороту колінчастого вала до верхньої мертвої точки поршня двигуна в циклі стиснення, тобто раніше, ніж воно буде захоплена потоком повітря на горіння . Дизельне паливо займається при взаємодії з високонагретим стисненим повітрям і рівномірно згорає на протязі всього циклу розширення при зворотному ході поршня. Для забезпечення миттєвого запалювання палива, що впорскується вельми важливо, щоб воно володіло необхідними характеристиками займання, зазвичай виразимими цетановим числом. На жаль, цетанові числа всіх компонентів скрапленого газу є вельми низькими, тому в чистому вигляді скраплений газ не буде запалюється при уприскуванні їх замість дизельного палива в циліндри дизельного двигуна. Такий двигун може працювати лише за умови, що основним видом палива є дизельне, а зріджений газ відіграє допоміжну роль. Співвідношення між ними буде визначатися техніко - економічними міркуваннями.

Досвід показав, що за рахунок добавки скрапленого газу потужність дизельних двигунів підвищується. При цьому скраплений газ змішується з повітрям на горіння аналогічно тому, як це здійснюється в карбюраторних двигунах. Однак, слід мати на увазі, що частка скрапленого газу, що подається в дизельний двигун, значно менше частки зрідженого газу, що подається в карбюраторний двигун.

При занадто високих ступенях стиснення горючої суміші, що складається з повітря і скрапленого газу, можливо передчасне займання і, отже, виникнення детонації. Зазвичай ступінь стиснення в дизельних двигунах дорівнює 12-20, тобто знаходиться поза межами безпечних ступенів стиснення горючих сумішей повітря зі скрапленим газом. З цієї причини кількість зрідженого газу, який додається в стискуваний повітря дизельного двигуна, повинне обмежуватися рівнем, що забезпечує стійку і рівну роботу двигуна. На практиці частка заміщує дизельне паливо скрапленого газу зазвичай становить 40 %. Частка скрапленого газу, використовуваного для підвищення потужності дизельного двигуна, не повинна перевищувати 25 %. Якщо частка скрапленого газу в паливній суміші перевищує 25-40%, виникають детонація, нестійка робота та інші явища, що погіршують роботу дизельних двигунів.

Димоутворення і його усунення.

Незважаючи на зазначені труднощі, інтерес до використання скрапленого газу в автомобільних дизельних двигунах постійно зростає. Головна причина цього - викид чорного диму, який є характерною ознакою незадовільної експлуатації дизельного двигуна, виходу з ладу інжектора чи поганий конструкції двигуна. Немає сумніву в тому, що більшість існуючих або перебувають на стадії розробки конструкцій дизельних двигунів не має регуляторів, що попереджають утворення диму.

 

Один з напрямків використання скрапленого газу в дизельних двигунах - досягнення їх бездимної роботи в режимі максимальної потужності.

Зниження диму за рахунок добавок скрапленого газу досягається при дуже незначних витратах, проте ККД двигуна при цьому істотно зростає. Інші добре відомі методи зниження димоутворення в дизельних двигунах (горючі присадки, використання більш легких сортів моторного палива ) не дають такого ефекту.

З точки зору захисту навколишнього середовища від шкідливих викидів використання скрапленого газу в якості добавки в дизельні двигуни сприяє зниженню окислів азоту набагато більше, ніж пізніша подача палива.

Система двопаливного дизельних двигунів.

Комерційне використання скрапленого газу в якості додаткового палива в дизельному двигуні не забезпечує тих переваг, які досягаються при їх застосуванні в карбюраторних двигунах. Є декілька промислово освоєних систем забезпечення роботи дизельних двигунів на подвійному паливі. Однак переклад на ці системи досить складний через те, що подачу скрапленого газу слід контролювати становищем паливного інжектується пристрою. Отже, ідеальна система додаткової подачі зрідженого газу буде працювати за допомогою мікровимикачів, контролюючих положення паливного насоса, а значить, може виникнути необхідність модифікації паливного насоса або заміни його .

Не дивлячись на перераховані труднощі, комерційне освоєння подібних систем йде швидкими темпами, особливо на міському транспорті.

Переобладнання дизельних двигунів для використання скрапленого газу.

У дизельних двигунах можлива лише часткова заміна дизельного палива на зріджений газ. Зазвичай зберігається наступні співвідношення : при частковому дроселюванні - 70 % скрапленого газу та 30 % дизельного палива, при повному дроселюванні - 25 % скрапленого газу та 75 % дизельного палива. Однак при кардинальній реконструкції дизельного двигуна можна домогтися повного переведення його на скраплений газ. Установка модифікованого газового двигуна на великі автобуси або вантажні автомобілі цілком доступна і обходиться значно дешевше, ніж покупка нового дизельного двигуна тієї ж потужності.

Переваги газового двигуна в порівнянні з дизельним наступні: знижений рівень шуму, більш рівна і стійка робота, менший викид диму, знижена емісія сумарних оксидів азоту і вуглеводнів, менші витрати на експлуатацію, підвищений термін служби . Основні недоліки його - підвищення витрати палива, приблизно, на 15 % внаслідок зменшення його щільності і термічного коефіцієнта корисної дії .

Вимога до скрапленого газу як автомобільного палива.

Вимоги до якості зрідженого газу.

Спочатку вважалося, що для використання в автомобілях необхідні спеціальні сорти скрапленого газу, відмінні від сортів, що були на комерційному ринку . Проте досвід показав, що стандартний скраплений газ для комунально- побутового споживання (ГОСТ 20448 - 90) придатний для цієї мети, оскільки основний параметр - октанове число - відповідає всім нормам і стандартам пред'являються до автомобільного палива.

Октанове число пропану - 105, бутану - 92, тобто вони мають перевагу перед бензином, октанове число якого в середньому дорівнює 85.

Інший якісний критерій - тиск насичених парів . Воно повинно забезпечити гарні характеристики запуску двигуна взимку і виключати утворення парових пробок влітку . У нашій країні застосовуються зимові та літні сорти скрапленого газу, що представляють собою суміш пропану і бутану.

ПереодСпіввідношення пропану і бутану (у %)Максимальний тиск насичених парів:
Зима 60:40 При температурі -20С не більше 0,16 Мпа
Літо 40:60 При температурі +45С не більше 1,6 Мпа

 

Вимоги техніки безпеки.

При розміщенні і установці балонів під скраплений газ, що призначаються для забезпечення потреб автомобільного транспорту, слід виконувати ті ж вимоги техніки безпеки, що і для балонів призначених для комунально-побутового користування:

Установку газового обладнання та його елементів, призначених для переходу автомобілів на зріджений газ, повинна робити тільки спеціалізована організація, що має відповідні дозволи та сертифікати.

Максимальний рівень наповнення резервуара призначеного для зрідженого газу не повинен перевищувати 85 % геометричної місткості резервуара.

Автомобілі, переобладнані для роботи на зрідженому газі, обов'язково повинні бути забезпечені одним вогнегасником ОУ- 2 або ОП- 5.

При експлуатації автомобільного газового обладнання необхідно дотримуватися і суворо дотримуватися вимог безпеки систем газопостачання України затверджених Наказом Держнаглядохоронпраці 01.10.97 (ДНАОП 0.00-1.20-98)

Яндекс.Метрика