Logo GenDocs.ru

Поиск по сайту:  


Загрузка...

Газообразные топлива - файл 1.docx


Газообразные топлива
скачать (898.4 kb.)

Доступные файлы (1):

1.docx899kb.15.12.2011 13:55скачать

содержание
Загрузка...

1.docx

Реклама MarketGid:
Загрузка...
ОГЛАВЛЕНИЕ

1. Введение………………….…………………………………………….…….....3

2. Виды газового топлива………………………………………………………...3

3. Сжиженные нефтяные газы………..………………………..………………....5

4. Сжатые природные газы……………………………………………………….9

5.Сжиженные природные газы…………………………………………….........12

6. Водород как моторное топливо………………………………………………13

7.Требования к качеству газообразных топлив………………………………..15

8.Автомобили, работающие на сжатом природном газе……………………...16

9.Автомобили, работающие на сжиженном нефтяном газе………..................18

10. Заключение………………………………………………………………….21

Список использованных источников…………………………………..……....22




1 Введение

Автомобильный парк нашей страны значительно вырос за последние годы и его увеличение продолжается.

Связанный с этим рост потребления жидкого топлива на транспорте сопровождается истощением хорошо освоенных и удобно расположенных нефтяных месторождений, вследствие чего приходится осваивать новые, расположенные в труднодоступных районах. Это, в свою очередь, приводит к удорожанию как сырой нефти, так и получаемых из нее нефтепродуктов.

Между тем страна располагает большими запасами высококачественного моторного топлива, не требующего для использования в двигателях никакой химической переработки. Речь идет о природном газе. Как моторное топливо, природный газ в натуральном виде превосходит нефтяное топливо. При использовании его обеспечиваются высокие технико-экономические показатели в ДВС, так как природный газ имеет хорошие антидетонационные качества, создает благоприятные условия смесеобразования и обладает широкими пределами воспламенения в смеси с воздухом. По-видимому, по этой причине первые ДВС делались для работы именно на газе.

^ 2 Виды газового топлива

В конце 40-х и начале 50-х годов в СССР было освоено производство газобаллонных автомобилей, использовавших сжатый природный газ. Несколько тысяч таких автомобилей в течение нескольких лет эксплуатировались в Украине и Поволжье – районах, достаточно обеспеченных в то время природным газом.

Однако начальный уровень газоснабжения и относительно малый в то время объем добычи газа не позволили расширить применение газобаллонных автомобилей, а возросшая потребность других отраслей 

промышленности (например, по производству удобрений), не обеспеченных приростом добычи, привела, в конечном итоге, к прекращению выпуска таких машин и изъятия их из эксплуатации.

В настоящее время положение в корне изменилось. Отдельные магистральные газопроводы давно объединены в Единую Систему Газоснабжения, которая густой сетью покрывает всю европейскую часть России, Среднюю Азию, Приморский край и остров Сахалин. И газификация продолжается бурными темпами.

Таким образом, имеется комплекс факторов – от высоких качеств природного газа, как моторного топлива, до эффективного уровня развития Единой Системы Газоснабжения – определяющих широкие перспективы применения газового топлива на транспорте.

Косвенным подтверждением целесообразности использования природного газа в качестве топлива для ДВС служит широкое использование его в Италии, США, Японии, ФРГ, Канаде, Нидерландах и т. д.

Горючие газы, применяемые в качестве моторного топлива для автомобилей, можно условно разделить на три основных вида по условиям специфики содержания, влияющей на возможность использования на разных классах автомобилей (легковых, грузовых, автобусов):

1. Сжиженные нефтяные газы (СНГ);

2. Компримированные (сжатые) природные газы (КПГ);

3. Сжиженные природные газы (СПГ);

4. Водородное топливо.



3 Сжиженные нефтяные газы

Основными компонентами сжиженных газов (современного топлива для двигателей) являются пропан С3Н8, бутан С4Н10 и их смеси. Получают эти углеводороды из газов, сопутствующих нефти, при бурении скважин и из газообразных фракций, образующихся при различных видах переработки нефтепродуктов и каменного угля.

Критические температуры пропана (97 °С) и бутана (126 °С) значительно выше обычных температур окружающей среды, поэтому эти углеводороды при небольшом давлении (без охлаждения) переходят в жидкое состояние. При 20 °С пропан сжижается под давлением 0,716 МПа, а бутан — под давлением 0,103 МПа, т.е. газобаллонные установки для производства сжиженного газа являются установками среднего давления.

Хранят сжиженные газы в баллонах емкостью 250 л (162...225 л газа обеспечивают запас хода автомобиля до 500 км), рассчитанных на рабочее давление 1,6 МПа. В таких условиях даже чистый пропан находится в жидком виде, что позволяет эксплуатировать автомобили на сжиженных нефтяных газах (СНГ) круглогодично (кроме южных районов в летнее время, где температура выше 48,5 °С).

На рисунке 1 приведена схема автомобильного баллона для сжиженного газа.

Октановое число пропана 105, а нормального бутана и изобутана 94. Плотность сжиженных газов составляет 510... 580 кг/м3, т. е. они почти в два раза легче воды. Вязкость газов очень мала, что облегчает транспортирование их по трубопроводам. Коэффициент объемного расширения СНГ очень велик, т. е. при повышении наружной температуры они значительно расширяются, поэтому при заполнении резервуаров необходимо оставлять свободное пространство (примерно 15 % емкости). В нормальном состоянии СНГ неядовиты и не имеют запаха.



Рис. 1 1 — предохранительный клапан; 2 — указатель уровня жидкой фазы; 3 — наполнительный клапан; 4 — паровая фаза; 5 — расходный вентиль для паровой фазы; 6 — расходный вентиль для жидкой фазы; 7 — стенка баллона; 8 — спускная пробка; 9 — жидкая фаза.

СНГ вдвое дешевле бензина и при этом обеспечивают до 10...20% экономии энергии, т.е. для автомобиля, расходующего на 100 км пробега 15 л высокооктанового бензина, достаточно 13 л СНГ, а для автомобиля с расходом 11 л бензина на 100 км достаточно 9,8 л СНГ.

На рисунке 2 приведена принципиальная схема подачи СНГ.

Применение СНГ можно рассматривать как первоначальный этап перехода промышленности и транспорта в будущем на водородную энергетику, так как технология их производства, хранения и распределения во многом идентична.

Установлено, что при переходе транспортных дизелей на сжиженный газ самым рациональным является непосредственное впрыскивание в цилиндр двигателя топливной смеси, состоящей из сжиженного газа (пропан - бутана), дизельного топлива и присадки, интенсифицирующей процесс горения. Этот способ требует менее сложной переделки топливоподающей аппаратуры и позволяет обеспечивать регулирование двигателя. Введенное в 

состав бутан - пропановой смеси некоторое количество обычного дизельного топлива улучшает ее самовоспламеняемость и одновременно смазывает трущиеся детали топливной аппаратуры.

Пропан и бутан являются ценным сырьем для химической промышленности, что ограничивает перспективы их широкого применения на автомобильном транспорте.

ГОСТ 27578 — 87 «Газы углеводородные сжиженные для автомобильного транспорта» устанавливает следующие марки СНГ: ПА — пропан автомобильный для применения в зимний период при температуре от -20° до —30 °С; ПБА — пропан-бутан автомобильный для применения при температуре не ниже —20 °С (табл. 1).

Рисунок 2 Принципиальная схема системы подачи сжиженного газа:

1 — топливный баллон; 2 — магистральный вентиль; 3 — испаритель; 4 — фильтр; 5 — двухступенчатый редуктор; 6 — дозатор газа; 7 — карбюратор-смеситель; 8 —манометры



^ Таблица 1 Физико-химические показатели углеводородных сжиженных газов



4 Сжатые природные газы


Большое значение имеют осуществляемые в нашей стране меры по улучшению структуры топливно-энергетического баланса, снижению в нем доли нефти.

Одной из крупномасштабных задач является расширение использования в народном хозяйстве сжатого (компримированного) природного газа (КПГ) в качестве моторного топлива, что помимо экономических соображений (нефтесберегающий фактор) диктуется потребностью оздоровления воздушной среды, особенно в крупных городах, так как газ является среди углеводородных топлив наиболее экологически чистым видом горючего.

Природный топливный сжатый газ получают из горючего природного газа, транспортируемого по магистральным газопроводам или городским газовым сетям, компрессированием и удалением примесей по технологии, не допускающей изменения компонентного состава (табл. 2). Природный газ состоит из метана СН4, оксида углерода СО и водорода Н2.

В зависимости от месторождения содержание метана в газе может быть в пределах 40... 82 %. Его критическая температура составляет —82 °С. Поэтому при нормальных температурах даже при высоком давлении эти газы не могут быть сжижены: для этого необходимы низкие температуры. Октановое число метана 110.

Горючие газы как моторные топлива на автомобильном транспорте стали применяться в нашей стране еще в 30-х годах XX века из-за ограниченных ресурсов бензина.



Таблица 2

Физико-химические показатели сжатого природного газа (ГОСТ 27577-87)

В послевоенное время открытие и освоение месторождений природного газа позволило увеличить использование газообразного топлива для автомобилей и к 1954 г. был освоен выпуск газобаллонных автомобилей ГАЗ-516; ЗИС-156; ЗИС-166 и построено 30 газонаполнительных станций.

Однако в 60-е годы XX века в связи с большим приростом добычи нефти и увеличением ресурсов бензина работы эти бьши прерваны. В настоящее время КПГ является альтернативным топливом, способным покрыть возможный дефицит жидкого моторного топлива в стране. Применение его на автомобильном транспорте может обеспечить создание газобаллонных автомобилей с мощностью бензиновых, и эффективным КПД до 38...40%, при одновременном увеличении срока службы двигателя в полтора и сроков смены масла в два раза.

Опыт эксплуатации современных отечественных автомобилей, работающих на сжатом газе, выявил ряд положительных факторов его использования: 

срок службы двигателя увеличивается на 50... 70 %, срок службы свечей — на 30...40 %, расход масла снижается благодаря увеличению периодичности его замены в 2... 3 раза, на 30...75% уменьшается количество токсичных компонентов в отработанных газах.

Рисунок 3 Принципиальная схема системы подачи сжатого газа:

1 — баллоны с газом под высоким давлением; 2 — наполнительный вентиль; 3 — подогреватель газа; 4— выпускной трубопровод (глушитель); 5— манометры; 6 — магистральный вентиль; 7 — фильтр; 8 — редуктор; 9 — дозатор; 10 — карбюратор-смеситель

Вместе с тем ухудшаются некоторые эксплуатационные показатели автомобилей: мощность двигателя снижается на 18...20%, время разгона возрастает на 24...30%, а максимальный преодолеваемый угол подъема уменьшается. Из-за большой массы металлических баллонов, требуемых для хранения сжатого под высоким давлением газа (330 кг для ГАЗ-53 и 800 кг 

для ЗИЛ-130) полезная нагрузка автомобиля снижается на 14... 20 %. Возможная дальность поездки на одной заправке газа составляет 200...250 км, т.е. запас хода снижается на 30...40 %. Из-за необходимости сохранения дополнительной топливной системы трудоемкость технического обслуживания и ремонта газового автомобиля увеличивается на 7... 8 %.

Сжатый газ на борту автомобиля хранится в 4... 8 баллонах (в зависимости от типа двигателя) вместимостью по 50 л под давлением 19,6 МПа.

На рисунке 3 приведена принципиальная схема системы подачи сжатого газа.

^ 5 Сжиженные природные газы

Сжиженные природные газы (СПГ) имеют такое же происхождение и состав, как и компримированные природные газы. Они получаются охлаждением метана до минус 162 °C. Хранятся в теплоизолированных емкостях.

Независимо от качества теплоизоляции газосодержащих емкостей (сосуды Дюара), температура в них повышается, а следовательно, этот способ содержания газового топлива может быть использован при интенсивной эксплуатации транспортного средства и его безгаражном хранении, так как периодически требуется сброс давления, т. е. выпуск порции газа.

При переводе автотранспорта на СПГ его низкую температуру возможно использовать для компенсации потерь мощности или кондиционирования воздуха в салоне автомобиля.

Переоборудование автомобиля для работы на СПГ заключается в установке специальной криогенной емкости, небольшого испарителя, использующего тепло выпускных газов, и монтаже газовой топливной аппаратуры, которая аналогична применяемой на газобаллонных 

автомобилях при работе на КПГ. Затраты на получение СПГ в 2–3 раза больше, чем на получение КПГ. Поэтому сжиженный природный газ целесообразно применять на автомобилях-рефрижераторах, где он может выполнять дополнительные функции хладагента для холодильников и кондиционеров.

^ 6 Водород как моторное топливо

Одним из серьезных вопросов в применении водорода в качестве моторного топлива является выбор способа его хранения на борту автотранспортного средства. Водород – самый легкий среди химических элементов, поэтому в заданном объеме его помещается значительно меньше, чем других видов топлива.

Так, при комнатной температуре и нормальном атмосферном давлении водород занимает примерно в 3 тыс. раз больший объем, чем бензин с равным количеством энергии. Поэтому для того, чтобы заправить машину достаточным количеством топлива, необходимо либо нагнетать водород под высоким давлением, либо использовать его в виде криогенной жидкости, либо же оборудовать автомобили сложнейшими топливными системами.

Обеспечение автозаправочных станций сжатым водородом и заполнение баллонов, находящихся в автомобиле, технически больших проблем не представляет. Современные материалы гарантируют высокую надежность таких сосудов. Однако увеличивается вес автомобиля и уменьшается полезное пространство, т. к. баллон с одним кг сжатого при 70 МПа водорода занимает в 7,5 раза больше места, чем энергетически эквивалентное количество бензина.

В сжиженном виде водород занимает значительно меньше места, хотя для этого его необходимо охладить всего до двух десятков градусов выше абсолютного нуля. Однако развитие криогенных технологий и успехи, достигнутые в сфере использования сверхнизких температур, уже сегодня 

позволяют без особого ущерба полезному пространству автомобиля хранить на его борту запас жидкого водорода, достаточный для пробега 500 км и более.

Достоинством данной системы хранения является наименьшая масса и высокая объемная концентрация водорода; жидкий водород эквивалентен газообразному топливу, сжатому до 170 МПа. Поэтому если к системе хранения водорода предъявляются ограничения по массе и по объему, что характерно для транспортных средств, то преимущество имеет криогенная система хранения.

Жидкий водород, производство которого растет в мире ежегодно на 5%, является важным элементом инфраструктуры снабжения потребителей водородом. В США производственные мощности позволяют в год получать до 120 тысяч тонн жидкого водорода, из которых 15% расходуется на РКТ, остальное используется в химической промышленности (37%), металлургии (21%), электронике (16%), стекольной промышленности (4%).

Одним из способов связанного хранения водорода являются гидриды. Однако лучшие из известных сегодня гидридов – железотитановые и никель-магниевые – уступают по объемным и весовым параметрам криогенному способу хранения водорода. Проводятся разработки в области систем хранения водорода с использованием углеродных нанотрубок, но все имеющиеся на сегодняшний день конструкции обладают рядом серьезных недостатков, которые не позволяют широко использовать на транспортных средствах.

Ввиду вышесказанного, очевидно, что в настоящее время криогенная система хранения водорода на борту транспортного средства благодаря своим массовым и объемным характеристикам, а также уровню безопасности более предпочтительна по сравнению с гидридной и системой хранения водорода в сжатом виде.



Именно по этому пути идут практически все автомобилестроительные фирмы. Так, при проектировании силовой установки для модели «Ford U» инженеры компании «Ford» за основу взяли четырехцилиндровый двигатель объемом 2,3, хорошо известный по «Ford Ranger» и «Mondeo». Семи килограммов водорода, хранящихся в двух криогенных емкостях, расположенных под задними сиденьями автомобиля, хватает на 500 км пробега. Багажное отделение не пострадало, а 118 л. с. мощности, которую развивает двигатель, достаточно «Ford U» на все случаи жизни.

В начале 2004 года два крупнейших автопроизводителя – «General Motors Corp» и «BMW Group» – объявили о намерении приступить к совместной разработке оборудования, предназначенного для заправки автомобилей жидким водородом. О масштабах задачи говорит такая цифра: в одной только Германии планируется построить до 10 тыс. криогенных водородных заправочных станций.

^ 7 Требования к качеству газообразных топлив

Основными требованиями, предъявляемыми к качеству топлив для газобаллонных автомобилей, являются следующие:

  • хорошая смешиваемость с воздухом для образования однородной горючей смеси;

  • высокая калорийность образуемой горючей смеси;

  • отсутствие детонации при сгорании в цилиндрах двигателя;

  • минимальное содержание смолистых веществ и механических примесей;

  • минимальное содержание веществ, вызывающих коррозию поверхностей деталей, окисление и разжижение масла в картере двигателя;

  • минимальное образование токсичных и канцерогенных веществ в продуктах сгорания;

  • 

  • способность сохранять состав и свойства во времени и объеме;

  • невысокая цена производства и транспортировки.

8 Автомобили, работающие на сжатом природном газе

В нашей стране для работы на сжатом газе предназначены следующие автомобили: грузовые ЗИЛ-138А, ГАЗ-52-27, ГАЗ-52-28, ГАЗ-53-27, КамАЗ-53208, КамАЗ-55118; автобус ЛАЗ-695НГ и легковой ГАЗ-24-27.

Характеристики автомобилей, работающих на сжатом природном газе, приведены в таблице 3

Установка газовой аппаратуры повышает затраты на изготовление автомобилей на 20...26 %, также газ предъявляет очень высокие требования к обеспечению пожаро- и взрывобезопасности.

Использование автомобильного транспорта на газообразном топливе требует создания в стране разветвленной сети газозаправочных станций, поэтому было намечено построить непосредственно в автохозяйствах несколько сотен малогабаритных контейнерных станций производительностью 75 заправок в сутки.

Интерес к использованию природного газа на транспорте за рубежом резко возрос в период мирового энергетического кризиса. Программы замены традиционного моторного топлива природным и нефтяным газами реализуются в США, Италии, Франции, Австралии, Бразилии, Аргентине и других странах.

В последние годы в ряде стран возобновился интерес к газогенераторным автомобилям, двигатель которых работает на продуктах газификации твердого топлива, получаемых в специальном устройстве — газогенераторе.



Таблица 3 Характеристики основных моделей автомобилей, работающих на cжатом природном газе

При газификации твердого топлива получают оксид углерода, являющийся основным топливным газом. Кроме того, в продуктах газификации содержатся водород, метан и другие горючие газы.

Следует отметить, что в результате применения генераторного газа, получаемого из различных видов твердого топлива, даже при повышении степени сжатия мощность двигателя снижается нг 15...30 % по сравнению с работой его на бензине.

В нашей стране серийно выпускались газогенераторные автомобили ГАЗ-42 и ЗИС-21, имевшие массу снаряженной газогенераторной установки соответственно 360 и 600 кг.

При всех недостатках газогенераторных автомобилей — сложность эксплуатации, снижение мощности двигателя и грузоподъемности, они обладают одним бесспорным преимуществом — возможностью работы на доступном и дешевом твердом топливе.



9 Автомобили, работающие на сжиженном нефтяном газе

В нашей стране для работы на сжиженном газе предназначены следующие автомобили: легковой ГАЗ-24-07; грузовые ЗИЛ-138 и ГАЗ-53-07; автобусы ГАЗ-52-07, ЛиАЗ-677г и ЛАЗ-695П.

Характеристики основных моделей автомобилей, предназначенных для работы на сжиженных газах, приведены в таблица 4.

Все газобаллонные автомобили имеют резервную систему питания на случай отсутствия газа. При этом, ввиду увеличения степени сжатия двигателей газобаллонных модификаций грузовых автомобилей и автобусов (на 1...2 единицы) их работа на товарном бензине А-76 допускается лишь в экстренных случаях при движении с пониженными скоростями (или уменьшенной нагрузкой) на небольшие расстояния. Запас хода, грузоподъемность, топливная экономичность и тягово-скоростные качества газобаллонных автомобилей находятся на уровне бензиновых моделей или отличаются от них незначительно.

Вместе с тем опыт эксплуатации газобаллонных автомобилей показал ряд их преимуществ. Благодаря отсутствию жидкой фазы в топливовоздушной смеси лучше обеспечивается равномерность ее распределения по цилиндрам двигателя, исключается смывание смазки с их зеркала, а загрязнение масла и нагарообразование значительно снижаются. В результате ресурс работы двигателя, его межремонтный пробег возрастают в 1,4...2 раза, а периодичность смены моторного масла в 2...2,5 раза.



Таблица 4

Однако из-за большей сложности газобаллонной системы питания трудоемкость ее технического обслуживания и ремонта возрастает на 3... 5 %. Кроме того, из-за худших пусковых свойств сжиженных газов надежный пуск холодного двигателя возможен только при температуре наружного воздуха до — 5...— 7"С. При более низких температурах требуется его тепловая подготовка, т. е. подогрев с помощью газовых инфракрасных излучателей, горячего воздуха и др. Допускается также запуск двигателя на резервном бензине.

Эксплуатирующиеся в нашей стране газобаллонные автотранспортные средства имеют меньшую грузоподъемность, большую теплонапряженность деталей двигателя, а также более высокие отпускную стоимость и трудоемкость обслуживания по сравнению с базовыми автомобилями.



Эффективность применения газового топлива в карбюраторных и дизельных двигателях может быть повышена за счет использова­ния композитных топливных систем питания (таблица 5), т.е. рассчитанных на жидкое углеродное топливо и природный или сжиженный нефтяной газ.

Таблица 5 Технические характеристики (в %) двигателя автомобиля ВАЗ, работающего на газовой и бензогазовой топливной смеси



10 Заключение

В заключении можно отметить, что использование газообразных топлив на автотранспорте целесообразней, чем использование жидких топлив, так как они более экологичны и природосберегающи. Также, преимуществом является то, что запасы газообразных видов топлив, на данный момент, гараздо больше, чем других видов.



Список использованных источников

  1. «Газобаллонные автомобили», А. И. Морев, В. Н. Ерохов, Б. А. Бекетов и др. – М.: «Транспорт», 1992.

  2. «Автомобильные газовые топливные системы», Владимир Золотницкий. – М.: «Астрель», 1999.

  3. П. Ревель, Ч. Ревель ''Среда нашего обитания. Энергетические проблемы человечества'', в 4-х книгах, книга 3-я; Москва, изд-во ''МИР'', 1995 год.

  4. http://ru.wikipedia.org/ Водородный_транспорт [электронный ресурс]






Скачать файл (898.4 kb.)

Поиск по сайту:  

© gendocs.ru
При копировании укажите ссылку.
обратиться к администрации
Рейтинг@Mail.ru