ОСОБЕННОСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ

АЛЬТЕРНАТИВНЫХ ВИДОВ ТОПЛИВ

К альтернативным топливам можно отнести:

- метанол, денатурированный этанол и др. спирты;

- смеси, содержащие не менее 70 % (обычно 85 %) спирта с бензином или дизельным топливом;

- природный газ (сжатый или сжиженный);

- сжиженный нефтяной газ;

- водород;

- жидкие топлива, полученные из угля и биологических материалов.

Также к альтернативным топливам условно можно отнести электрическую и солнечную энергию.

По данным Американского информационного отдела Комитета по энергетике в США эксплуатируются 518919 автомобилей, использующих альтернативное топливо (на конец 2002 г.). При этом в статистику не вошли автомобили с двигателями, которые могут работать как на бензине, так и на смеси Е 85. Таких автомобилей в США в 2000 г. насчитывалось более 2 млн 600 тыс.

Данные тенденции присущи также европейским и южным странам, в частности, производством автомобилей, работающих на альтернативных топливах, занимаются такие фирмы, как ''Mercedes-Benz'', ''MAN'', ''Messer'', ''BMW'', ''Mack'' [1, 12, 15].

Сжиженные газы

Сжиженный природный газ (СжПГ) является криогенной жидкостью, так как при атмосферном давлении температура его кипения составляет около –160 °С. Его применение в качестве топлива для автомобилей приводит к усложнению конструкции системы хранения и питания по сравнению с системами хранения и питания для сжиженного нефтяного и сжатого природного газов.

Кроме того, контакты человека с этим топливом или металлическим сосудом, в котором оно находится, могут приводить к сильным обморожениям. Для обнаружения утечек газа необходимо устанавливать специальные детекторы, так как добавление в газ пахучего вещества невозможно.

При нормальном атмосферном давлении и температуре выше 0 °С сжиженные нефтяные газы (СНГ) находятся в газообразном состоянии, но при сравнительно небольшом повышении давления (при 20 °С и давлении для бутана – 0,103 МПа, пропана – 0,716 МПа) они переходят в легкоиспаряющуюся жидкость. Поэтому для обеспечения сохранения жидкого состояния при более высоких температурах (до 45...50 °С) для сжиженного газа применяются достаточно легкие баллоны и несложная газовая аппаратура, рассчитанные на рабочее давление 1,6 МПа, которые практически не снижают грузоподъемность автомобиля.

По отношению к бензину пропан и бутан имеют более высокую массовую теплоту сгорания и характеризуются высокой детонационной стойкостью, в связи с чем эти газы являются хорошим топливом для двигателей внутреннего сгорания с принудительным (искровым) воспламенением.

Кроме того, данное топливо является очень летучим и температура его горения в два раза выше, чем у бензина.

Углеводородные сжиженные топливные газы должны отвечать требованиям ГОСТ 27578-87. Основные показатели сжиженного углеводородного газа для автомобильного транспорта приведены в таблице 12 [2].

Марка сжиженного газа ПА (пропан автомобильный) применяется при температуре окружающего воздуха (–20…–35 °С). Допускается применение этого газа при температуре не выше +10 °С. Марка ПБА (пропан-бутан автомобильный) применяется при температуре окружающего воздуха не ниже –20 °С. Стандартом предусмотрено полное отсутствие содержания в сжиженном газе свободной воды и щелочи.

Таблица 11 – Основные требования к сжиженным газам

Пропан-бутановые смеси характеризуются высоким коэффициентом объемного расширения: при увеличении температуры на 10 °С давление в газовом баллоне повышается на 0,6...0,7 МПа. Поэтому во избежание разрушения топливного баллона при повышении температуры в нем необходимо иметь паровую подушку с минимальным объемом не менее 10 % от всего объема, т.е. заполнение баллона осуществляется на 90 %. Особенностью компонентов сжиженного газа является также отсутствие запаха. Поэтому для обнаружения утечек смеси в нее добавляют специальные продукты – одоранты, обладающие специфическим сильным запахом. В качестве одоранта используется обычно этилмеркаптан C₂H₅SH, добавляемый в количестве 0,2...0,3 г на 1000 м³ газа. Запах должен ощущаться при содержании газа в воздухе 0,5 % по объему и более.

Практический опыт эксплуатации газобаллонных автомобилей показал ряд их преимуществ. Отсутствие жидкой фазы (фракций углеводородов) в топливно-воздушной смеси обеспечивает большую равномерность ее распределения по цилиндрам двигателя, исключает смывание смазки с их зеркала, а также значительно снижаются нагарообразование и загрязнение масла. Благодаря этому ресурс работы двигателя и его межремонтный пробег возрастают в 1,5...2, а сроки смены моторного масла – в 2...2,5 раза. При этом из-за сложности газобаллонной системы питания трудоемкость ее технического обслуживания и ремонта возрастает на 3...5 %, что, тем не менее, полностью компенсируется за счет увеличения межремонтного пробега. Кроме того, газовое топливо более дешевое в сравнении с бензином, особенно это актуально для автомобилей с большим объемом двигателя.

Из-за худших пусковых свойств СНГ надежный пуск холодного двигателя даже на зимней марке топлива возможен при температуре окружающего воздуха до –5...–7 °С. При более низких температурах в условиях безгаражного хранения для запуска двигателя требуется его тепловая подготовка.

При работе на сжиженных газах необходимо соблюдать предосторожности во избежание пожара, так как пары сжиженных газов могут сгорать в различных соотношениях в смеси с воздухом. При недостаточной герметичности могут легко скапливаться под капотом двигателя, снизу автомобиля, а также в закрытых помещениях. При появлении в этих местах открытого огня или искры может произойти взрыв.

Поэтому газовое оборудование требует постоянного внимания и контроля. Рекомендуется для обнаружения его утечки или разлива использовать детекторы.

Гарантийный срок хранения сжиженного газа – три месяца со дня изготовления. По истечении гарантийного срока хранения сжиженный газ должен быть проверен на соответствие требованиям действующего стандарта [1-3].

В зарубежных странах в качестве моторного топлива используют различные составы смеси пропан-бутанового газа, включая практически чистый пропан (США) и бутан (Швеция, Великобритания).

Сжатые газы

К сжатым природным газам (СПГ) относятся газы, которые при нормальной температуре сохраняют газообразное состояние даже при высоком давлении. Основным компонентом сжатого природного газа является метан.

Теплота сгорания природных газов отдельных месторождений может доходить до 47 МДж/м³, однако в среднем она составляет 33...36 МДж/м³. Эта величина почти в 1000 раз меньше, чем у жидкого нефтяного топлива, что и является основным недостатком природного газа как моторного топлива. Поэтому для обеспечения приемлемых эксплуатационных качеств автомобиля, прежде всего запаса хода при работе на природном газе, требуется его специальная подготовка: сжатие до давления 20 МПа и более с последующим хранением на автомобиле в баллонах высокого давления либо сжижение с помощью глубокого охлаждения до –162 °С с хранением в специальных криогенных (теплоизолированных) емкостях. Кроме того, для газобаллонных автомобилей могут применяться только высоко- и среднекалорийные газы. Однако и при этих условиях запас хода у газобаллонных автомобилей, работающих на сжатом газе, ниже запаса хода автомобилей, работающих на бензине и сжиженном газе (теплотворная способность газо-воздушной смеси ниже теплотворной способности бензино-воздушной смеси, из-за чего мощность двигателя при переводе на сжатый газ без конструктивных изменений снижается на 10–12 %.). И все же благодаря присущим положительным качествам и из-за большей простоты получения сжатые газы нашли применение в виде топлива для автомобилей.

К природному газу, используемому в сжатом виде в качестве моторного топлива, предъявляются следующие специфические требования: отсутствие пыли и жидкого остатка, а также минимальная влажность. Последнее требование связано с исключением возможности закупорки каналов топливной системы, вызываемой замерзанием и выпадением гидратов вследствие дросселирования и снижения температуры газа при заправке автомобиля. Для обеспечения выполнения этих требований природный газ подвергается очистке с помощью фильтрующего, сепарационного и осушительного оборудования, установленного на газонаполнительных станциях.

Опыт эксплуатации автомобилей, работающих на СПГ, выявил ряд положительных сторон, схожих с достоинствами при работе на СНГ. При использовании СПГ в качестве моторного топлива моторесурс двигателя увеличивается на 35…40 %, срок службы свечей на 30…40 %, расход моторного масла снижается благодаря увеличению периодичности (срока) его смены в 2…3 раза. Вместе с тем перевод на сжатый природный газ бензиновых автомобилей ведет к ухудшению ряда их эксплуатационных показателей. Мощность двигателя снижается на 18...20 %, что ведет к снижению максимальной скорости на 5...6 %, увеличению времени разгона на 24...30 % и уменьшению максимальных углов преодолеваемых подъемов. Из-за большой массы баллонов для хранения газа под высоким давлением грузоподъемность автомобиля снижается на 9...14 %. Дальность ездки на одной заправке газа не превышает 200...280 км. Из-за наличия дополнительной топливной системы трудоемкость технического обслуживания и ремонта базового автомобиля увеличивается на 7...8 %.

При использовании природного газа в качестве моторного топлива отмечены его плохие пусковые свойства. Предельное значение температуры холодного пуска двигателя (без дополнительных средств подогрева) на природном газе на 3...8 °С выше, чем на СНГ, и на 10...12 °С, чем на бензине. Трудность пуска объясняется высокой температурой воспламенения метана, а также тем, что в процессе воспламенения после нескольких вспышек на свечах осаждается вода, шунтирующая искровой промежуток.

Важным достоинством газовых топлив (СПГ и СНГ) по сравнению с нефтяными являются лучшие экологические свойства, связанные прежде всего с уменьшением выбросов вредных веществ с отработавшими газами двигателя. Как известно, такими веществами являются окись углерода СО, окислы азота NO_х, суммарные углеводороды СН и в случае применения этилированных бензинов – соединения свинца. Применение газовых топлив, отличающихся высокой детонационной стойкостью, исключает необходимость использования токсичного антидетонатора ТЭС и поэтому является эффективным фактором снижения загрязнения окружающей среды высокотоксичными свинцовыми соединениями. Изменение содержания окиси углерода при работе двигателя на газе и бензине в зависимости от состава топливно-воздушной смеси примерно одинаково. Однако, учитывая возможность работы газового двигателя на более бедных смесях, при его оптимальной регулировке обеспечиваются более низкие концентрации СО. Уровни выбросов СН также примерно одинаковы, однако их состав принципиально отличен. Вредное воздействие углеводородов, образующихся в продуктах сгорания нефтяных топлив, связано, главным образом, с образованием смога. При работе на природном газе углеводородная часть отработавших газов состоит в основном из метана, обладающего высокой устойчивостью к образованию смога.

Окислы азота являются наиболее токсичными компонентами отработавших газов. Их максимальное содержание для газового двигателя примерно в 2 раза меньше, чем для бензинового. Кроме того, оно может быть дополнительно снижено в 2...3 раза за счет регулировки состава топливной смеси.

Эффективность газобаллонных автомобилей, работающих на сжатом га-зе, возрастает также за счет применения двигателей с повышенной степе-нью сжатия (до 10), улучшения наполнения цилиндров рабочей смесью за счет применения впускного трубопровода с большим сечением и без подогрева, увеличения проходного сечения впускных клапанов и продолжительности их открытия путем изменения формы кулачков распределительного вала.

В таблице 13 приведены в соответствии с ГОСТ 27577-87 основные требования к сжатому природному газу для газобаллонных автомобилей.

Таблица 13 – Основные требования к сжатым газам

Сероводород, кислород, влага вызывают коррозию двигателя и оборудования газонаполнительной станции, поэтому содержание этих примесей в сжатом газе строго ограничивается.

Кислород, кроме коррозии газобаллонной аппаратуры, опасен тем, что образует с СПГ взрывчатую смесь. Концентрационные пределы воспламенения (по метану) в смеси с воздухом (по объему): нижний – 5 %, верхний – 15 %.

Влага в газе способствует образованию азотной кислоты (при наличии аммиака). При низких температурах влага может вывести из строя топливоподающую аппаратуру вследствие образования ледяных пробок при резких падениях давления газа в редукторе. Содержание; влаги в газе может быть снижено в результате его осушки.

Смолы и пыль (твердые механические примеси) вызывают отложения и загрязнения газобаллонной аппаратуры и двигателя, снижая надежность их работы.

Избыточное давление СПГ в момент окончания заправки баллона должно быть 19,0–19,6 МПа. Температура газа, заправляемого в баллон, должна быть не выше +40 °С. При температуре окружающего воздуха выше +35 °С температура заправляемого газа должна быть не более чем на 5 °С выше температуры воздуха.

Давление газа в баллонах определяют после окончания каждой заправки автомобиля с помощью манометров класса точности не ниже 2,5. Температуру СПГ при заправке определяют по требованию потребителя.

Метод измерения количества отпускаемого газа должен обеспечивать измерение с относительной погрешностью не более ±5 % [1-3, 6].