X Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2018

Транспорт является одним из ключевых элементов современной цивилизации. Его состояние и перспективы развития в огромной степени зависят от возможностей снабжения транспортных энергоустановок топливом. Истощение запасов жидких углеводородных топлив и проблемы загрязнения окружающей среды могут поставить человечество перед альтернативой – либо сократить транспортные перевозки, либо найти новые пути энергоснабжения транспорта [1,2,8].

Перспективы решения топливной проблемы транспорта, основной энергетической установкой которого является двигатель внутреннего сгорания, связаны с применением газовых топлив, в первую очередь – природного газа, в дальнейшей перспективе – водорода.

Двигатели, работающие на газовом топливе, относятся к тепловым двигателям с принудительным воспламенением рабочей смеси, т. е. используют искровое зажигание, как и бензиновые двигатели, поэтому оценивать достоинства и недостатки газообразного топлива объективнее в сравнении с бензином.

В настоящее время в связи с отсутствием массового выпуска автомобилей заводской готовности, работающих на КНГ или СНГ, существует 2 основных типа переоборудования легковых и грузовых автомобилей на природный газ:

переоборудование автотранспорта на битопливную систему (газодизель, газобензин);

полный перевод автотранспорта на монотопливую систему.

Монотопливная и битопливная системы для работы с природным газом имеют несколько основных отличий.

Монотопливная система подразумевает полный переход с бензина/дизеля на газ без возможности возврата к дизелю; требует существенной переработки двигателя для работы на КНГ/СНГ, в том числе замены оригинальных деталей системы подачи топлива.

Монотопливный вариант перевода транспорта на КНГ/СНГ - радикальный. На двигателе снимают топливную аппаратуру, вместо нее монтируют систему зажигания, устанавливают свечи зажигания, модифицируются головка и поршни двигателя. Иначе говоря, двигатель подвергается существенной реконструкции. После внесенных изменений такой двигатель может работать только на природном газе (КНГ или СНГ). Возврат к бензину или дизелю не представляется возможным (только через обратное полное переоборудование, что не является целесообразным).

Битопливная система позволяет работать на смеси газа и бензинового/дизельного топлива; в случае, если газ заканчивается, двигатель продолжает работать на бензине или дизеле; не требует переработки двигателя, необходима лишь модернизация топливной системы для работы на газе.

К основным недостаткам газообразного топлива можно отнести:

более низкая скорость сгорания по сравнению с бензином, в результате чего мощность двигателя снижается примерно на 7…12% (до 20%);

затрудненный пуск двигателя при низких температурах;

увеличение металлоемкости автомобиля на 25…30 кг при работе на сжиженном газе и на 700…800 кг при работе на сжатом газе;

применение дополнительного дорогостоящего оборудования, что приводит к увеличению стоимости автомобиля на 20..27%;

повышенный расход газа по сравнению с бензином;

необходимость периодического освидетельствования баллонов для хранения газа на испытательных станциях;

трудоемкость технического обслуживания и ремонта двигателя возрастает на 3...5%, однако эти затраты перекрываются экономией от увеличения межремонтного ресурса двигателей;

дальность поездки на одной заправке не превышает 200...250 км;

повышенные требования техники безопасности при использовании газобаллонных установок.

Битопливная система требует меньших трудозатрат, а, следовательно, финансовых. В этом случае двигатель автомобиля работает на смеси бензинового или дизельного и газового топлива. В конструкцию двигателя добавляются газовый смеситель, механизм ограничения подачи бензинового или дизельного топлива, система регулировки подачи газа, устройство для взаимосвязанного управления топливным насосом высокого давления и подачей газа, а также электрооборудование, которое обеспечивает необходимую информативность и защиту от нештатных режимов работы.

К основным преимуществам битопливной системы относятся:

переоборудование на битопливную систему обеспечивает работу двигателя на КНГ и СНГ любого бензинового или дизельного мотора, в том числе, находящихся в эксплуатации;

снижение уровня шума;

сохранение энергетических параметров на уровне базового двигателя;

снижение в 2 … 4 раза дымности отработанных газов;

экономия до 80% базового топлива за счет замещения его газом;

относительная простота переоборудования, заключающаяся в модернизации топливной системы для работы на природном газе, не требующая изменений в двигателе;

увеличение срока службы моторного масла и уменьшение износа цилиндропоршневой группы;

возможность вернуться к 100%-му использованию базового топлива;

Увеличение запаса хода (КНГ или СНГ).

Наиболее объективной является следующая система классификации различного газобаллонного оборудования (ГБО) [3,4].

Оборудованием первого поколения являются системы ГБО, оснащенные испарителем газа и раздельным редуктором. Технология производства ГБО данного типа успешно внедрена на рязанском заводе РЗАА, использовалось на карбюраторных и на автомобилях с моноинжектором, токсичность выбросов таких автомобилей ниже Евро.

Оборудование 2-го поколения отличается способом дозирования подачи газа в автомобильный двигатель; в системах ГБО-2 регулирование подачи топлива в смеситель производилась ручным способом при помощи специального дозатора.

Все системы 3-го поколения ГБО оснащены электронным дозатором, регулирование подачи газа осуществлялось при помощи шагового электрического мотора.

В оборудовании 4-е поколение ГБО топливо из редуктора поступает к электромагнитным клапанам - форсункам. Принцип работы газовых форсунок не отличается от способа функционирования бензиновых клапанов.

В настоящее время на европейском рынке представлена голландская система LPI, которую называют ГБО 5-го пятого поколения. Система LPI предполагает впрыск сжиженного газа непосредственно в цилиндр транспортного средства и оптимально подходит для монтажа на автомобили. Функционирование системы LPI возможно только при наличии насоса высокого давления, установленного внутри баллона. Эксплуатация системы LPI в условиях российской действительности может вызывать определенные трудности: насос высокого давления нередко выходит из строя из-за низкого качества отечественного газового топлива.

В системе 6-го поколения ГБО используется емкость для содержания газа – баллон. Для того чтобы газ оставался в жидком состоянии, его необходимо подавать под высоким давлением, для создания которого в баллон интегрировали газовый насос высокого давления (рис. 1).

Рисунок 1 – Насос высокого давления

Из баллона выходят две магистрали (рис. 2). Первая используется для дальнейшей передачи жидкого газа под давлением на остальные элементы оборудования, а вторая магистраль предназначена для возвращения невостребованного газа обратно в баллон.

Рисунок 2 - Багажное отделение (баллон)

Эти магистрали определяют два конструктивных сходства по механической части между ГБО 5 и 6 поколений, в отличие от трубопроводов первых четырех поколений, сделанных из меди, состоят из синтетического волокна, что обеспечивает им высокую надежность.

Далее конструкция у этих оборудований различная, в том числе газобаллонного оборудования в ГБО-6 нет, жидкий газ подается в блок замещения топлива, он же модуль согласования или Fuel Selection Unit (FSU). Этот блок врезается в магистраль подачи бензина и получается, что к нему подводится и бензиновые магистрали и газовые (рис. 3, 4).

Рисунок 3 – Схема ГБО 6 поколения

Электронная часть ГБО-6 состоит из блока управления, подключенного к штатному блоку управления инжекторной системы. При включении системы в работу, насос начинает качать жидкий газ, для увеличения давления и исключения перехода газа в газообразное состояние. Под давлением газ по магистрали подачи поступает к блоку замещения топлива. При переходе работы силовой установки на газ, блок замещения перекрывает бензиновые магистрали и открывает газовые. Газ в жидком состоянии, уже по бензиновым магистралям, проходит через бензиновый насос высокого давления, где его давление выравнивается согласно требованиям и далее подается на бензиновые форсунки, которые выполняют роль газовых. При этом газом производится смазка и охлаждение их, а также предотвращается закоксовывание распылителей, поскольку форсунки постоянно включены в работу. Излишки газа, которые были не востребованы, по магистрали обратной подачи возвращаются в баллон.

Рисунок 4 - Блок замещения топлива

Рисунок 5 – Цилиндр – поршень - форсунка

Поскольку дозировка газа производится штатной системой питания, то в задачу газового электронного блока входит только переключение магистралей подачи в блоке замещения топлива.

В условиях холодного климата в сжиженном нефтяном газе - смеси пропана и бутана, - предназначенном для использования в качестве автомобильного топлива, должен преобладать пропан для лучшей газификации смеси. На газозаправочные станции, поступает сжиженный нефтяной газ двух марок: летний ГТБА - пропан-бутан автомобильный с содержанием 50 + 10% пропана, остальное бутан и зимний ПА - пропан автомобильный с содержанием 90 + 10% пропана.

Диапазон кипения бензина и дизеля выше температуры окружающей среды (табл. 1), в то время как СНГ кипит при более низкой температуре. Это значит, что бензин и дизель остаются в жидком состоянии в бензобаке при атмосферном давлении, в то время как СНГ должен подвергнуться воздействию определенного давления. Это давление, как следует из таблицы 1, является довольно низким (несколько бар).

Таблица 1 – Характеристики основных типов топлива

Характеристика	Пропан	Бутан	Бензин	Дизель
Плотность 15°C (кг/л)	0,508	0,584	0,73 - 0,78	0,81-0,85
Напряжение пара при 37,8°C (бар)	12,1	2,6	0,5 - 0,9	0,003
Точка кипения (°C)	- 43	- 0,5	30 - 225	150-560
Октановое число по исследовательскому методу R.O.N.	111	103	96 - 98	-
Октановое число по моторному методу M.O.N.	97	89	85 - 87	-
Миним. теплотворная способность (МДж/кг)	46,1	45,46	44,03	42,4
Миним. теплотворная способность (МДж/л)	23,4	26,5	32,3	35,6
Стехиометрическая смесь (кг/кг)	15,8	15,6	14,7	-
Теплотворная способность стехиом. смеси (КДж/м3)	3414	3446	3482	-

Теоретически для бензина точка кипения выше температуры окружающей среды, но бензин подвержен испарению, поэтому в современных автомобилях он содержится в герметичных бензобаках. Анализ значений октанового числа по исследовательскому методу (RON) и значений октанового числа по моторному методу (MON) показал [3-7], что антидетонационная способность СНГ значительно выше по сравнению с бензином Супер-98. Теплотворная способность СНГ по сравнению с дизелем и бензином является более высокой. В случае дизеля и бензина, их расход автомобилем, по отношению к кг/массы, более низкий по сравнению с СНГ; если сравнить расход по отношению к объему, результат получается противоположным по причине иного удельного веса.

Установлено, что стандартный сжиженный газ для коммунально-бытового потребления (ГОСТ 20448 - 90) пригоден для использования в двигателях, поскольку основной параметр - октановое число - соответствует всем нормам и стандартам, предъявляемым к автомобильному топливу.

По качественному критерию - давление насыщенных паров, топливо должно обеспечить хорошие характеристики запуска двигателя зимой и исключать образование паровых пробок летом. В России применяются зимние и летние сорта сжиженного газа, представляющие собой смесь пропана и бутана, которые обеспечивают хорошее смесеобразование; высокую калорийность горючей смеси; отсутствие коррозии и коррозионных износов; минимальное образование отложений во впускном и выпускном трактах; сохранение качества при хранении и транспортировании; низкую стоимость производства и транспортирования.

Список использованных источников

Галышев Ю.В. Конвертирование рабочего процесса транспортных двс на природный газ и водород. Автореф. дис. на соискание ученой степени доктора техн. наук. СПб. – 2010.

Полетаева О.Ю. Совершенствование процессов переработки углеводородного сырья и облагораживания моторных топлив. Автореф. дис. на соискание ученой степени доктора техн. наук. Уфа. – 2015.

Прияндака Д.А. Совершенствование динамических качеств транспортного дизеля корректированием его скоростной характеристики добавкой сжиженного нефтяного газа к топливу. Автореф. дис. на соискание учен. степ. канд. техн. наук. М.- 2006.

Медведев Е.В. Повышение эффективности неустановившихся режимов работы дизеля 8413/14 добавкой сжиженного нефтяного газа к топливу. Автореф. дис. на соискание ученой степени канд. техн. наук. М. - 2006.

Камышников О.В. Применение сжиженного нефтяного газа для организации газодизельного процесса с внутренним смесеобразованием. Автореф. дис. на соискание учёной степени канд. техн. наук. М.-2004.

Певнев Н.Г. Совершенствование процесса эксплуатации газобаллонных автомобилей с двухтопливной системой питания. Автореф. дис. на соискание ученой степени доктора техн. наук. Оренбург.- 2004.

Сапожников С.В. Улучшение основных показателей работы двигателя с искровым зажиганием путем применения альтернативного топлива и обоснования оптимальных температурных режимов. Автореферат дис. на соискание ученой степени канд. техн. наук. СПб– Пушкин. - 2005.

8 Салова Т.Ю., Громова Н.Ю., Громова Е.А. Термические методы переработки органических отходов. Источники возобновляемой энергии. СПб.: СПбГАУ, 2016. – 224 с.

Код для цитирования: Скопировать