Основные эксплуатационные свойства

Дизельных топлив

Дизельные топлива – высокостабильные нефтепродукты в условиях транспортирования и хранения. Без изменения качества они могут храниться в резервуарах не менее 10 лет, а в автоцистернах, бочках и канистрах – 5 лет.

К основным эксплуатационным свойствам дизельных топлив относятся:

– прокачиваемость;

– воспламеняемость;

– испаряемость;

– коррозионность.

Эти свойства оказывают наибольшее влияние на эффективность и надёжность работы двигателя.

1. Прокачиваемость дизельных топлив характеризуется такими показателями качества, как вязкость, коэффициент фильтруемости, содержание механических примесей и воды, температуры помутнения и застывания.

Коэффициент фильтруемости оценивают по изменению пропускной способности фильтра при последовательном пропускании через него определённых количеств топлива.

Вязкость дизельного топлива определяют по времени протекания определённого количества топлива через капилляр вискозиметра при 20 °С.

Вязкость влияет на эффективность подачи топливного насоса, на гидравлические потери напора в трубопроводах и на фильтре, на действительный угол опережения впрыска, качество распыливания и износ деталей топливной аппаратуры. Верхний предел вязкости дизельных топлив определяется максимально допустимыми потерями напора в топливной системе, а также размерами капель топлива, впрыскиваемого форсункой в камеру сгорания. Для большинства современных быстроходных дизелей максимальное значение вязкости находится в пределах 6–6,5 сСт при 20 °С для топлива Л. Дальнейшее повышение вязкости вызывает ухудшение распыливания, т. е. сильное увеличение размеров капель распыливаемого топлива, а это ведёт к неполному сгоранию и дымлению. Кроме того, повышение вязкости ухудшает прокачиваемость топлив при низких температурах. Зависимость вязкости дизельных топлив от температуры показана на рис. 3.3.

Рис. 3.3. Зависимость вязкости дизельных топлив от температуры:

1 – топливо ДЗ; 2 – топливо Л; 3 – топливо ДЛ.

По мере уменьшения вязкости снижается коэффициент подачи топливного насоса, зависящий от величины утечки топлива через зазоры в плунжерной паре (рис. 3.4).

Дизельное топливо является смазочным материалом в прецизионных парах топливной аппаратуры системы питания дизельных двигателей. Нижний допустимый предел вязкости топлив определяется условиями смазки прецизионных пар и однородности распыливания топлива. Этот предел составляет примерно 1,5 сСт для арктического топлива. Оптимальная вязкость дизельного топлива в топливной аппаратуре высокого давления составляет 2–2,5 сСт.

Рис. 3.4. Зависимость коэффициента подачи топливного насоса от вязкости топлива:

1 – при n = 100 мин^-1; 2 – при n = 1400 мин^-1

Повышенный износ топливной аппаратуры, недостаточное давление впрыска и, как следствие, перерасход топлива, уменьшение ресурсов двигателей являются причинами, по которым нецелесообразно применять зимние и особенно арктические марки дизельного топлива в условиях положительных температур.

Кроме того, следует иметь в виду, что стоимость производства дизельного топлива возрастает по мере улучшения его низкотемпературных свойств.

Низкотемпературные свойства дизельных топлив, в частности их прокачиваемость при низких температурах, характеризуются крутизной вязкостно-температурной кривой и температурами помутнения и застывания. Зависимость крутизны вязкостно-температурной кривой дизельных топлив от вязкости при 20 °С показана на рис. 3.3. Однако прокачиваемость дизельных топлив, особенно фильтруемость при низких температурах, в большей степени зависит от температуры их помутнения и застывания.

Температура помутнения соответствует температуре начала образования кристаллов высокоплавких углеводородов, вследствие чего топливо теряет свою прозрачность. Образующиеся кристаллы способны забивать топливные фильтры и даже образовывать вокруг фильтрующего элемента «парафиновую рубашку». Тем самым нарушается подача топлива к форсункам.

Повышенное количество сернистых соединений ухудшает прокачи-ваемость топлив через фильтрующие элементы из-за образования в объёме топлива коллоидных частиц из твёрдых углеводородов и полярных сернистых соединений, геометрические размеры которых значительно превосходят размеры пор фильтрующих элементов. Поэтому дизельные топлива с массовой долей серы 1% имеют худшую фильтруемость в топливных системах дизелей.

Температуре застывания соответствует температура, при которой топливо в условиях испытания перестаёт быть подвижным в результате образования структурного каркаса из высокоплавких углеводородов, входящих в состав топлива. Это такая температура, при достижении которой топливо, в наклонённой под углом 45° пробирке, сохраняет мениск перпендикулярно оси пробирки в течение не менее одной минуты. В динамических условиях этот каркас разрушается и в ряде случаев возможна перекачка топлива при температуре на 10…15 °С ниже температуры его застывания. Однако осколки структурного каркаса вместе с кристаллами углеводородов забивают фильтры, поэтому температура дизельного топлива должна быть выше температуры его помутнения.

В связи с возрастающими объёмами потребления дизельных топлив для улучшения их низкотемпературных свойств используют депрессорные присадки. Эти присадки позволяют значительно снизить температуру застывания, улучшить прокачиваемость топлива при низких температурах и мало влияют на температуру помутнения. Наиболее эффективными депрессорными присадками являются соединения полимерного типа, среди которых промышленное применение получили сополимеры этилена с винилацетатом. За рубежом эти присадки выпускаются под названием “Парадин” и другими в виде раствора в толуоле. При введении в концентрации 0,02–0,1% присадки снижают температуру застывания дизельных топлив на 20…30 °С [1].

2. Воспламеняемость дизельных топлив определяется их химическим составом. Воспламеняемость оказывает влияние на продолжительность пуска, мощность, экономичность и надёжность работы двигателя. При низких температурах влияние цетанового числа на продолжительность пуска двигателя сказывается сильнее, чем при высоких.

Влияние воспламеняемости топлива на основные параметры рабочего процесса, мощностные и экономические показатели дизельного двигателя показано на рис. 3.5, 3.6 и 3.7. Это влияние зависит от конструкции двигателя и режимов его работы.

Рис. 3.5. Влияние цетанового числа на длительность периода нарастания давления :

1 – четырёхтактный двигатель при , n = 900 мин ^-1; 2 – двухтактный двигатель при , n = 900 мин ^-1; 3 – двухтактный двигатель при , n = 1800 мин ^-1.

Рис. 3.6. Влияние цетанового числа на жесткость работы дизеля

(кривая 1) и удельный расход топлива (кривая2)

Рис. 3.7. Зависимость продолжительности пуска дизеля от цетанового числа топлива при различных температурах воздуха (n = 100 мин ^-1)

Для современных дизельных двигателей оптимальное значение цетанового числа применяемых топлив лежит в пределах 40–50 единиц. Товарные топлива, вырабатываемые по ГОСТ 305-82, вполне удовлетворяют современным требованиям дизелестроения по воспламеняемости.

Для работы дизельных двигателей в условиях пониженных температур желательно применение дизельных топлив с более высоким цетановым числом.В то же время, добавление в зимних условиях в дизельное топливо керосина и бензина понижает цетановое число смеси. Повышение цетанового числа за счёт утяжеления фракционного состава ухудшает низкотемпературные свойства дизельного топлива, в частности ухудшает его испаряемость и прокачиваемость.

Для повышения цетанового числа и улучшения испаряемости без отрицательного влияния на другие эксплуатационные свойства, топлива подвергают депарафинизации с последующим добавлением активирующих присадок. В качестве этих присадок наиболее широко применяют такие кислородосодержащие соединения, как органические перекиси, различные эфиры азотной кислоты (изопропилнитрат, этилнитрат, циклогексилнитрат) и др. Механизм их действия основан на образовании после реакций с топливом перекисей, разложение которых ускоряет предпламеные процессы и сокращает ПЗВ.

Наиболее интенсивный прирост цетанового числа наблюдается при добавлении 1–2% активирующих присадок. Так, введение 1% изопропил-нитрата повышает цетановое число дизельного топлива на 10–13 единиц, в связи с чем он используется для улучшения воспламеняемости и пусковых свойств арктических топлив, получаемых с помощью кренинга.

Воспламеняемость дизельного топлива оценивают по цетановому числу, которое определяют на специальных стандартных установках, например ИТД – 69 с рабочим объёмом цилиндра двигателя 652 см³ и переменной степенью сжатия.

Оценить воспламеняемость дизельного топлива можно и расчётным путём с помощью эмпирических формул, которые пригодны для топлив прямой перегонки без присадок, кроме топлива широкого фракционного состава, содержащего бензиновые и керосиновые фракции:

или ,

где - плотность топлива, г/см³ при 15 и 20 °С;

t_cp – средняя температура кипения топлива, °С;

– кинематическая вязкость при 20 °С, мм²/с [сСт].

За рубежом воспламеняемость определяют по дизельному индексу. Соответствие с цетановым числом [5]:

50 45

Дизельный индекс 20 30 40 62 70 80

Цетановое число 30 35 40 55 60 80

3. Испаряемость дизельного топлива, в основном, характеризуется его фракционным составом, в частности температурами выкипания 50 и 96% фракций.

Испаряемость дизельных топлив взаимосвязана с воспламеняемостью и оказывает влияние на лёгкость и продолжительность пуска холодного двигателя, на скорость и теплоту сгорания топлива в цилиндре и, в конечном итоге, на эффективность рабочего процесса двигателя.

Наличие в топливе лёгких, особенно бензиновых фракций, способствует быстрому испарению топлива в камере сгорания. Однако лёгкие фракции имеют наибольший ПЗВ. Цетановое число бензинов можно определить по эмпирической формуле:

ЦЧ = 60 – 0,5 ОЧИ.

Кроме того, из-за быстрого испарения большого количества топлива, температура в камере сгорания сильно понижается, что ещё больше увеличивает ПЗВ. Всё это приводит к затруднению пуска и жёсткой работе двигателя. На сильно облегченном топливе эффективность работы дизеля снижается даже тогда, когда воспламеняемость его повышена добавлением присадки. В основном это обусловлено образованием переобогащённой смеси вблизи форсунки и сильным обеднением в остальной части камеры сгорания.

Топливо тяжёлого фракционного состава, хотя и имеет очень малый ПЗВ, однако из-за недостаточной температуры в камере сгорания испаряется очень медленно, в результате чего пуск холодного двигателя, особенно при отрицательных температурах, также затруднён (рис. 3.8). Даже прогретый быстроходный двигатель при работе на тяжёлых топливах не развивает максимальную мощность и дымит из-за неполного сгорания топлива.

Рис. 3.8. Влияние t_50% дизельного топлива на продолжительность пуска дизеля t_пус (цифры у точек – цетановые числа)

Полнота сгорания, дымление и отложения в камере сгорания двигателя зависят от условий испарения, смешения и горения остающейся тяжёлой части топлива. В жидком остатке испаряющихся капель сосредоточиваются высокомолекулярные углеводороды и гетероорганические соединения.

Для снижения дымления применяются специальные антидымные присадки к дизельным топливам. Среди таких присадок наиболее эффективны соединения бария, способствующие уменьшению размеров частиц образующейся сажи и её быстрому и полному сгоранию. При добавлении барийсодержащих присадок к дизельным топливам содержание сажи в отработавших газах может быть уменьшено на 70–90%, а выбросы в атмосферу канцерогенных веществ – на 60–80%. Бариевые присадки не изменяют мощностные и экономические показатели дизеля и существенно не влияют на износ деталей топливной аппаратуры [5].

4. Коррозионность дизельных топлив проявляется в условиях хранения, транспортирования и при применении в двигателе.

Коррозионно-активными соединениями в топливе являются:

– органические кислоты;

– сернистые соединения, а также свободная сера;

– вода;

– минеральные кислоты и щёлочи.

Эти соединения могут быть в составе топлива (первые два), а также попадать в топливо извне.

Органические кислоты, как и все слабые кислоты, наибольшую агрессивность проявляют по отношению к цветным металлам. При достаточно больших концентрациях они коррозируют и чёрные металлы – детали топливоподающей аппаратуры и двигателя. Вода усиливает их действие.

При хранении дизельных топлив в них происходят окислительные процессы, ускоряющиеся в условиях повышенных температур, каталитического действия металлов и поступления кислорода воздуха. Образование органических кислот также ускоряется под действием присадок типа органических перекисей и алкилнитратов, добавляемых в качестве активирующих. Однако, скорость образования органических кислот без доступа свежего воздуха и при температурах ниже +50 °С незначительна.

Коррозионное действие серы и сернистых соединений проявляется в жидкой фазе и газообразных продуктах сгорания. В жидкой фазе наиболее активны сероводород и меркаптаны. Другие соединения действуют слабее.

Сероводород корродирует чёрные и цветные металлы и в условиях хранения и применения является наиболее опасным, поэтому из топлива его удаляют полностью.

Меркаптаны вызывают износ топливной аппаратуры, усиливающийся в присутствии воды (рис. 3.9).

Рис. 3.9. Влияние меркаптанов на коррозию плунжерных пар топливного насоса:

1– малосернистое топливо с общим содержанием серы до 0,2%; 2, 3 и 4 – сернистые топлива (содержание серы – 1%) с содержанием меркаптанов соответственно 0,009; 0,025 и 0,07%.

По отношению к топливной аппаратуре коррозионность топлив 1 и 2 видов с содержанием меркаптантов до 0,01% примерно одинакова, хотя эти топлива имеют различное содержание серы.

При содержании серы более 0,5%, её действие проявляется после сгорания в цилиндрах двигателя. Образующиеся оксиды SO₂ и SO₃ способны вызвать газовую коррозию камеры сгорания, тарелки и седла выпускного клапана и практически всего выпускного тракта двигателя. При понижении температуры ниже точки росы оксиды взаимодействуют с водой, образуя сернистую и серную кислоты, вызывая кислотную коррозию. Серная кислота H₂SO₄ более агрессивна. Интенсивность образования оксидов серы зависит от температуры, давления и состава горючей смеси.

Кислотная коррозия происходит обычно после остановки двигателя и ей подвержены также детали картера вследствие прорыва туда части газов из камеры сгорания. Масляная плёнка снижает корродирующее действие.

Современные моторные масла содержат высокоэффективные присадки, значительно снижающие коррозионное воздействие при работе на топливе с содержанием серы 0,5–1,0%. Наблюдаемое воздействие аналогично работе двигателя на топливе с содержанием серы до 0,2%. Это такие масла, как М 6з/10В; М 8В₂; М 8Г₂; М 10Г₂ и др.

Минеральные кислоты и щёлочи НСl, H₂SО₄, КОН, NaOH и др. коррозионно-агрессивны в высокой степени. Источник этих соединений в топливе – случайное попадание в средства хранения и транспортирования или неполная промывка этих средств после ремонта или очистки неорганическими растворами.

Коррозионность дизельных топлив оценивают по таким показателям их качества как массовая доля серы, содержание меркаптановой серы, сероводорода, испытание на медной пластинке, содержание воды, водорастворимых кислот и щелочей, кислотность.

5. Показатели качества дизельных топлив, их определение и сущность.

Кроме вышеупомянутых показателей о качестве дизельного топлива судят ещё и по следующим показателям качества:

– испытание на медной пластинке – пластинку из электролитической меди размером 40х10х2 мм полируют до блеска, обезжиривают, помещают в горючее и выдерживают при температуре 50 ± 2 °С в течение трёх часов. Появление на пластинке плёнок, налётов чёрного, серого, тёмно-коричневого цвета или чёрных точек является признаком наличия в горючем свободной серы или активных сернистых соединений. Малиновые пятна и разводы признаком присутствия активной серы не служит;

– водорастворимые кислоты и щёлочи (ВКЩ) определяют переводя их в воду. В образующуюся водную вытяжку добавляют индикаторы: метиловый оранжевый (Н⁺) и фенолфталеин (ОН^-). Изменение окраски индикаторов указывает на содержание кислот или щёлочей;

– содержание фактических смол (высокомолекулярных смолоподобных веществ) определяют выпариванием испытуемого горючего в струе водяного пара с последующим взвешиванием образовавшегося остатка. Содержание фактических смол можно определить по сжиганию топлива на часовом стекле. По величине диаметра остающегося жёлтого (коричневого) пятна судят о содержании смол;

– кислотность определяют по необходимому количеству щёлочи КОН для нейтрализации кислот в 100 см³ топлива;

– йодное число пропорционально содержанию непредельных углеводородов. Это количество йода необходимое для реакции с олефинами, находящимися в 100г топлива;

– зольность характеризует абразивность продуктов сгорания топлива. После полного сгорания на воздухе фильтра, пропитанного топливом, определяют количество золы на аналитических весах. Предварительно определяют массу золы после сгорания чистого фильтра;

– коксуемость топлива определяют выпариваем паров с их сжиганием, прокаливанием остатка и определением его количества. Коксуемость определяет интенсивность нагарообразования в камере сгорания;

– коэффициент фильтруемости заключается в фиксировании времени фильтрации первой порции топлива объёмом в 2 мл ( ) и десятой ( ) через фильтр. Коэффициент фильтруемости указывает на количество механических примесей в топливе.

Низкое качество дизельных топлив делает работу двигателей неэффективной или вообще невозможной.

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.

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%.

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

Показатель	ГАЗ-24-07	ЗИЛ-138	ГАЗ-53-07	ГАЗ-52-07	ЛиАЗ-677Г	ЛАЗ-695П
Тип автомобиля	легков.	г р у з о в о й			а в т о б у с
Степень сжатия двигателя, ед.	8,2	8,0	8,5	7,0	7,4	8,0
Maксимальная мощность двигателя при работе на газе, кВт	58,9	110,4	88,3	51,5	125,1	110,4
Линейная норма расхода газа, л/100км	16,5	42,0	37,0	30,0	67,0	51,0
Число баллонов	1	1	1	1	2	2
Марка резервного бензина	АИ-93	А-76	А-76	А-76	А-76	А-76
Запас топлива, л:
сжиженного газа	83,9	225	171	142	298	288
бензина	55	10	90	90	20	10
Максимальная скорость с полной загрузкой, км/ч	140	90	80	70	77	82
Запас хода, км	550	400	380	400	445	565

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.

Таблица 4.2 Физико-химические показатели углеводородных сжиженых газов

Показатель	ПА	ПБА
Массовая доля компонентов, % :
сумма метана и этана	не нормируется
пропан	90 ± 10	50 ± 10
сумма углеводородов С₄ и выше	не нормируется
сумма непредельных углеводородов, не более	6	6
Обьёмная доля жидкого остатка при 40 °С, %, не более	отсутствие
Давление насыщенных паров, избыточное, МПа,
при температуре: 45 °С, не более	—	1,60
–20 °С, не менее	—	0,07
–35 °С, не менее	0,07	—
Массовая доля серы и сернистых соединений, %, не более:	0,01	0,01
в том числе сероводорода, не более	0,003	0,003
Содержание свободной воды и щёлочи	отсутствие

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].

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

Показатель	ЗИЛ-138А	ГАЗ-52-27	ГАЗ-52-28	ГАЗ 53-27	КамАЗ-53208	КамАЗ-55118	ЛАЗ-695НГ	ГАЗ-24-27
Тип автомобиля	Гру-зовой	Борто-вой	Грузо-вой, фургон	Гру- зовой	Борто-вой	Само-свал	Авто-бус	Такси
Грузоподъём-ность, кг	5150	2000	1500	3800	7500	10000	–	–
Число газовых баллонов, шт.	8	4	7	7	10	8	8	3
Ёмкость заправки газом, м³	80	40	70	70	100	80	80	18
Степень сжатия двигателя	6,5	7,0	7,0	6,7	17,0	17,0	8,0	8,2
Максимальн. мощность двигателя, кВт	88,5	46	46	70	147	147	103	56,6
Контроль-ный расход газа, м³/100 км	29,3	19,6	21,5	23,8	27 (ДТ-6,5)	30 (ДТ-7,0)	32	7,2
Резервное топливо	А-76	А-76	А-76	А-76	–	–	АИ-93	АИ-93
Максималь-ная скорость, км/ч	90	85	80	85	80	80	85	120
Запас хода, км	228	200	285	230	300	250	225	180

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

Показатель	Норма
Объёмная теплота сгорания низшая, кДж/м³, не менее	32600–36000
Относительная плотность по отношению к воздуху, не менее	0,56–0,62
Расчётное октановое число газа, не менее	105
Концентрация сероводорода, г/м³, не более	0,2
Концентрация меркаптановой серы, г/м³, не более	0,036
Масса механических примесей в 1 м³, мг, не более	1,0
Суммарная объёмная доля негорючих компонентов, включая кислород, %, не более	7,0

Окончание табл. 4.4

Показатель	Норма
Содержание воды, мг/м³, не более	9,0

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.

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, Н₂_,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

Топливо	Состав газа, % по объёму						Теплота сгорания,
	СО	Н₂	СН₄	СО₂	О₂	N₂	кДж/м³
Дрова	28,5	14,0	3,5	8,0	0,5	45,5	5861
Древесный уголь	30,5	12,0	2,3	5,0	0,2	50,0	5778
Формовочный торф	28,0	15,0	3,0	8,0	0,4	45,6	6280
Донецкий антрацит	27,5	13,5	0,5	5,5	0,2	52,8	5024
Подмосковный уголь	25,0	14,0	2,2	6,5	0,2	52,1	4731

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.

Глава 5

Альтернативные топлива

Хотя добыча нефти постоянно возрастает, в настоящее время всё больше внимания во всём мире уделяется использованию ненефтяных видов топлива для двигателей внутреннего сгорания, или же снижению расхода нефтяных топлив за счёт различных добавок. Нефть – ценнейшее сырьё для лёгкой промышленности. Ещё Д. И. Менделеев указывал, что сжигать нефть и её производные в качестве топлива весьма нерационально. Ведутся постоянные поиски более дешёвых, технологичных в изготовлении, экологичных топлив, способных заменить нефтепродукты.

В качестве альтернативных топлив и добавок к нефтепродуктам можно выделить:

– синтетические топлива;

– спирты и бензо-спиртовые смеси;

– водород и бензо-водородные смеси;

– эфиры, как добавки к топливам;

– водотопливные эмульсии.

Для сравнения показателей бензинов, дизельных топлив и альтернативных топлив, их характеристики сведены в табл. 5.1 [1].

Таблица 5.1

Физико-химические и эксплуатационные показатели

нефтяных и альтернативных топлив

Показатели	Нефтяные топлива		Метанол СН₃ОН	Этанол С₂Н₅ОН	Водород Н₂
Показатели	Бензины	Дизельные топлива	Метанол СН₃ОН	Этанол С₂Н₅ОН	Водород Н₂
Плотность, кг/м³	710–760	820–870	792	789	0,09 (70^*)
Вязкость кинематическая при 20 °С, сСт	» 0,6	» 4	» 0,75	» 1,5	–
Температура кипения, °С	35–195	180–360	64,5	78,4	–252,7
Давление насыщенных паров, кПа	65–92	0,3–0,35	12,1	5,6	–
Теплота испарения, кДж/кг	289–306	210–250	1173	920	–
Стехиометрический коэффициент, кг/кг	14,5–15,0	14,1–14,3	6,51	9,06	34,8
Теплота сгорания МДж/кг	44,0	42,5	19,96	26,9	120

Окончание табл. 5.1

Показатели	Нефтяные топлива				Метанол СН₃ОН	Этанол С₂Н₅ОН	Водород Н₂
	Бензины		Дизельные топлива
Теплота сгорания топливовоздушной смеси, МДж/м³	3,5		3,4		3,63	3,68	2,99
Октановое число^**, ед	72–85		–		87–94	92	30–40
Цетановое число, ед	8–14		45–55		3	8	–
Предельно-допустимая концентрация паров, мг/м³	100	300		5,0		1000	–

* В жидком виде

** По моторному методу

Синтетические топлива

Производство синтетических топлив находится в сфере интересов практически всех стран. Во-первых, такие топлива помогают сохранить нефть как сырьё для нефтеперерабатывающей промышленности, а во-вторых, ряд стран не имеет запасов нефти. Покупка и транспортирование нефти значительно повышают стоимость любых её производных.

Разработка проблемы синтезирования топлив для двигателей внутреннего сгорания в нашей стране началась ещё в 1932–34 гг. Вначале работы носили поисковый характер, затем они были расширены. В 1937 году в г. Дзержинске на химическом заводе им. М. И. Калинина, в 1939 году в г. Кемерово были введены в эксплуатацию опытно-промышленные установки по получению синтетического бензина из угля. К началу 50-х годов прошлого века были закончены исследования и опытные работы, обеспечивавшие проектирование Ангарского и Салаватского комбинатов и Новочеркасского завода синтеза бензина [7].

Дальнейшие исследования были направлены на совершенствование и интенсификацию процессов, разработку новых катализаторов и более экономичной технологии производства синтетических топлив, однако широкое использование и доступность нефти привели к свёртыванию работ.

Зависимость от нефтяных поставок из Румынии вынудила немецких инженеров перед Второй мировой войной вести интенсивные поиски путей изготовления синтетических топлив из имевшихся больших запасов каменного угля. В результате было налажено крупнотоннажное производство – порядка более 15 тыс. м³ [7].

Дата добавления: 2019-01-14; просмотров: 742; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

⇐ Предыдущая 1 2 3 4 567 8 9 Следующая ⇒

Мы поможем в написании ваших работ!