Вуглеводневі гази

Перспективність використання вуглеводневих газів - стисненого природного газу (СПГ) і скрапленого нафтового газу (СНД) - в якості альтернативного моторного палива для ДВЗ вже стала очевидною для більшості країн світу. Пов'язано це, перш за все, з їх низькою вартістю, розвиненою видобутком і доступністю в багатьох регіонах світу.

Беручи до уваги, що Росія володіє величезними запасами природного газу (приблизно 1/3 всіх світових запасів), освоєння його в якості моторного палива для автотранспортних засобів має для нашої країни стратегічне значення.

Вуглеводневі гази як моторне паливо володіють рядом важливих переваг перед бензином і дизельним паливом.

Основні властивості СПГ і СНД у порівнянні з іншими видами паливами представлені в таблиці 4.2.

Таблиця 4.2

Основні властивості палив

Показники	СПГ	СНГ	Бензин	Дизельне паливо
Октанове число (за моторним методом)		95…105	72…84	-
Межі займистості по α	0,6…1,9	0,4…1,7	0,3…1,4	-
Теплота згоряння нормальної суміші, МДж/нм3	3,4	3,56	3,74	3,75
Коефіцієнт дифузії в повітрі, см2 / с	0,19	0,1	0,06	0,048
Мінімальна енергія запалювання, мДж	0,29	0,26	0,24…0,27	-

 

Вуглеводневі гази мають високу детонаційної стійкістю. Це забезпечує можливість використання високих ступенів стиснення в ДВЗ з іскровим запалюванням, що сприятливо позначається на паливній економічності двигуна.

Газ краще бензину змішується з повітрям, тому в процесі сумішоутворення готується більш гомогенна паливо-повітряна суміш, яка більш повно згорає в двигуні. Останній обставині також сприяють більш широкі межі займання вуглеводневих газів.

При використанні газу як палива для автомобільних двигунів виключається можливість попадання рідкої фази в циліндри ДВЗ, внаслідок чого знижується змивання масляної плівки зі стінок циліндра і сповільнюється зношування циліндро-поршневої групи. Термін служби моторного масла збільшується в 1,5... 2 рази, а витрата його в експлуатації зменшується на 15... 20%

При правильному регулюванні і нормальному оптимальному режимі роботи системи подачі газового палива застосування газу помітно знижує сумарну токсичність відпрацьованих газів. Так, більш ніж в три рази зменшується кількість СО, більш ніж у 1,5 рази скорочується вміст CnHm (при роботі на СНД), викиди оксидів азоту NOx знижуються більш ніж в 1,2 рази. Димність дизельного ДВЗ при роботі на газовому паливі в три рази нижче, ніж при роботі на дизельному паливі.

При використанні вуглеводневих газів істотно знижуються питомі витрати на паливо. При застосуванні СПГ і СНД вони менше відповідно на 45... 55% і 35... 42%.

Особливістю автомобілів, що використовують вуглеводневі гази, є наявність газобалонної установки, яка представляє собою комплект газового, бензинового або дизельного обладнання.

Переклад автомобілів на газове паливо вимагає деяких конструктивних змін, інакше потужність ДВЗ може знизитися на 6... 18%, а витрата палива збільшиться на 10... 11%, що пов'язано з меншою теплотою згоряння газів.

Сучасні заходи щодо переведення бензинового ДВЗ на газове паливо полягають у збільшенні ступеня стиснення на 1,5... 2 одиниці, зменшенні підігріву впускного патрубка, застосуванні систем упорскування палива.

У разі бензинових двигунів для легкових автомобілів найбільш часто застосовується концепція двопаливного двигуна, що працює як на зрідженому нафтовому газі, так і на бензині. При цьому газову паливну апаратуру можна встановити на будь моделі легкових автомобілів вітчизняного та іноземного виробництва з карбюратором або системою уприскування, якщо конструкція дозволяє розмістити в багажнику балон з СНД. Газову апаратуру встановлюють також на малотоннажних автомобілях типу «Газель», на вантажних автомобілях і автобусах з двигуном робочим об'ємом не більше 4,0 л.

Для стисненого газу застосовують газобалонні установки (балони, арматура, редуктор, газопроводи тощо), розраховані на роботу при високому тиску - порядку 20 МПа. У міру витрачання газу з балона безперервно зменшується і робочий тиск в ньому.

Установка газової системи живлення, особливого СПГ, значно ускладнює автомобіль і ускладнює його конструкцію (таблиця 4.3).

Таблиця 4.3

Порівняльні характеристики систем зберігання палива

Параметр	Бензин	СПГ	СНГ
Обсяг палива, л
Маса палива, кг
Маса палива + маса паливного бака

 

Частково вирішити дану проблему для природного газу можна за рахунок створення конструкцій балонів високого тиску, призначених для роботи з робочими тисками 30 МПа і більше, а також розвитком кріогенних систем бортового зберігання природного газу (при зріджуванні обсяг природного газу зменшується приблизно в 600 разів).

Основні труднощі використання СНД і СПГ в дизелях полягають в їх більш високій температурі самозаймання.

З цієї причини найбільшого поширення набув нині газодизельний процес, при якому на впуску в циліндри подається газоповітряна суміш, а наприкінці такту стиснення впорскується незначне пілотне кількість дизельного палива. Використання дизельних двигунів за газодизельним циклом дає зниження в кілька разів викиду сажі і на 40... 50% - альдегідів і поліароматичних сполук.

До недоліком природного газу можна віднести малу активність при горінні. Причина цього пов'язана з тим, що реакція окислення основного компонента природного газу - метану - відноситься до числа важкорозчеплюваних. Тому у суміші природного газу з повітрям у двигуні розтягнутий у часі процес згоряння, що призводить до погіршення ефективності роботи двигуна і підвищенню викидів CnHm. Особливо помітним це стає в міру збіднення газоповітряної суміші.

Водень

Інтерес до водню як до палива для ДВЗ обумовлений його високими енергетичними показниками, унікальними кінетичними характеристиками, відсутністю більшості шкідливих речовин в продуктах згоряння.

Водень з масової енергоємності перевершує традиційні вуглеводневі палива приблизно в 2,5... 3; спирти в 5... 6 разів. Нижча теплота згоряння молекулярного водню становить 120 МДж / кг.

Однак через низьку енергощільність водень по об'ємної теплопродуктивності поступається більшості рідких і газоподібних палив. Теплота згоряння 1 м ³ нормальної водне-повітряної суміші становить 3,1 МДж, що менше приблизно на 15 і 10% по відношенню відповідно до бензинів і спиртам.

З повітрям водень стійко запалюється в широкому діапазоні концентрацій (від α = 0,2 до α = 10). У зв'язку з цим потужність водневого двигуна може змінюватися якісним регулюванням, при якому його ККД на часткових навантаженнях збільшується на 25... 50%.

Однак, якщо максимальне значення ефективного ККД двигуна при роботі на водні вище, ніж при роботі на бензині, то ефективна потужність помітно падає. Останнє обумовлено дуже низькою щільністю водню, що призводить до зменшення наповнення двигуна паливом. Наприклад, при нормальному складі суміші газоподібний водень, що подається разом з повітрям, займає майже 30% обсягу циліндра, тоді як розпорошений і випарів бензин - тільки 2... 4%. В цілому переклад на водень викликає зниження потужності двигуна в середньому на 20... 25%.

Температура займання водневих сумішей вище, ніж вуглеводневих, однак завдяки нижчим значенням енергії активації для займання водню потрібна менша кількість енергії. Мінімальна енергія запалення водню становить 0,02 мДж проти 0,28 мДж у бензину і 0,23 мДж в метану.

Водне-повітряні суміші характеризуються високою швидкістю згоряння в двигуні (таблиця 4.4), причому в нормальній області згоряння протікає практично при постійному обсязі.

Таблиця 4.4

Двигун	Частота обертання, хв-1	Ступінь стиснення	Швидкість поширення полум'я, м / с
Водневий			48,43
Бензиновий			16,45

 

Склад ВГ водневого двигуна істотно відрізняється від складу ВГ бензинових і дизельних ДВЗ в основному за рахунок відсутності вуглецю в паливі. Практично єдиними токсичними компонентами, представленими в ВГ водневого ДВЗ, є оксиди азоту. Максимальна величина емісії NOx внаслідок більш високих температур згоряння водню приблизно вдвічі вище, ніж у бензинового двигуна. Однак з зубожінням суміші питомий викид NOx водневого двигуна швидко знижується і при α> 1,8 їх емісія практично відсутня.

Одним із серйозних питань у застосуванні водню як моторного палива є його зберігання на борту автотранспортного засобу.

Прийнятні об'ємно-масові показники системи зберігання водню на автомобілі в чистому вигляді забезпечуються тільки при його зріджуванні, тобто в кріогенних балонах, або в металогідридних акумуляторах (таблиця 4.5).

Таблиця 4.5

Порівняльні характеристики паливних систем

Показник	Бензин	Стиснутий водень	Зріджений водень	Водень в складі гідридів
Вага палива, кг	53,5	13,4	13,4	13,4
Об’єм палива, м3	0,07	1,0	0,19	0,23
Вага баку, кг	13,06			45,4
Об’єм бака, м3	0,08	1,53	0,28	0,25
Загальна вага паливної системи, кг

 

Однією з проблем зберігання водню в рідкому стані є те, що в такому вигляді він знаходиться у вузькому інтервалі температур: від точки кипіння 24 К до точки замерзання 17 К, коли він переходить у твердий стан. Якщо температура піднімається вище точки кипіння, водень переходить з рідкого стану в газоподібний. Ще однією проблемою є втрати на випаровування. За кожну добу википає 3... 4% рідкого водню.

До числа невирішених проблем використання водню як палива для ДВС належать відсутність відносно дешевих способів його отримання.

Способи отримання водню, що грунтуються на процесі електролізу води, володіють великою енергоємністю. Як правило, для цього потрібно затратити більшу кількість енергії, ніж те, що може бути виділено при спалюванні виробленого водню.

На сьогоднішній день найдешевшим способом виробництва водню є отримання його шляхом конверсії природного газу. Але і в цьому випадку за кількістю енергії, еквівалентного літру бензину, виробництво водню обходиться в 5... 6 разів дорожче.