Министерство образования и науки РФ
Московский Государственный Открытый Университет
Чебоксарский институт
Кафедра
Автомобили и автомобильное хозяйство
( наименование кафедры)
Специальность 190601
(шифр специальности)
Газобалонное оборудование на автотранспорте
Выполнил: студент Иванов С.В.
Учебный шифр: 705183
Курс 4
Проверил: Мазяров В.П.
2008
Характеристика сжиженного газа для использования на автотранспортных двигателях.
Сжиженный углеводородный газ (СУГ) или пропан-бутан является одним из наиболее широко распространенных видов альтернативного топлива. Сжиженный газ в качестве топлива для автомобилей представляет собой смесь пропана, нормального бутана, изобутана, пропилена, этана, этилена и других углеводородов. Его получают как продукт переработки нефти на нефтеперерабатывающих заводах или при добыче нефти и природного газа.
Сравнительные характеристики пропана, бутана и бензина приведены в таблице:
| Параметры | Пропан | Бутан | Бензин |
| Химическая формула | C2H8 | C4H10 | C8H17 |
| Молекулярная масса | 44 | 58 | 114 |
| Плотность жидкой фазы при температуре 15° С и атмосферном давлении, кгм/м3 | 510 | 580 | 730 |
| Температура кипения при атмосферном давлении, С | -43 | -0,5 | Не ниже 35 |
| Теплота сгорания в газообразном состоянии, МДж/м3 | 85 | 111 | 213 |
| Пределы воспламеняемости в смеси с воздухом при нормальных атмосферных условиях, % объема: | |||
| нижний | 2,4 | 1,8 | 1,5 |
| верхний | 9,5 | 8,5 | 6,0 |
| Октановое число | 110 | 95 | 92 |
| Степень сжатия | 10...12 | 7,5...8,5 | 8,2 |
| Теоретически необходимое количество воздуха для сгорания 1 кг топлива, кг | 15,8 | 15,6 | 14,7 |
Из данных таблицы видно, что свойства бензина отличаются от свойств сжиженного нефтяного газа (пропана и бутана) углеродным числом, представляющим собой более благоприятное соотношение молекулярных масс углерода и водорода. Углеродное число у бензина — 8, у пропана — 3, а у бутана — 4.
Плотность жидкой фазы, как следует из таблицы, зависит от температуры, с увеличением которой плотность уменьшается в результате теплового расширения, а при атмосферном давлении и температуре 15° С плотность жидкой фазы пропана составляет 510 кг/м3, бутана — 580 кг/м3. Сжиженный газ тяжелее воздуха (пропан в 1,5 раза, бутан в 2 раза). Температура кипения у бензина выше температуры окружающей среды, а сжиженный нефтяной газ закипает при более низких температурах. Это означает, что бензин может быть в баке в жидком состоянии при атмосферном давлении, а сжиженный газ находится в баллоне при давлении, равном давлению его насыщенных паров при данной температуре. Хотя теоретически температура кипения бензина выше температуры окружающей среды, он также подвержен испарению, создавая в баке автомобиля повышенное давление.
Теплота сгорания газа — этот важный количественный показатель, определяющий количество теплоты, выделяемое при полном сгорании 1 м3 газа. Нижний предел воспламеняемости газа составляет 1,8 — 2,4%, а бензина — 1,5%. Поэтому при эксплуатации, техническом обслуживании и хранении газобаллонного автомобиля нужно тщательнейшим образом выполнять все предписываемые меры предосторожности.
Из октанового числа, очевидно, что сжиженный нефтяной газ обладает значительно лучшей антидетонационной способностью, чем высококачественный бензин. Это позволяет увеличить степень сжатия у двигателей и тем самым улучшить топливно-экономические показатели.
Теоретически необходимое количество воздуха для сгорания 1 кг топлива показывает, какое количество воздуха необходимо для полного сгорания 1 кг газа. Для газа этот показатель выше, чем для бензина.
Одним из наиболее важных свойств пропана и бутана, отличающих их от других видов автомобильного топлива, является образование при свободной поверхности над жидкой фазой двухфазной системы жидкость — пар вследствие возникновения давления насыщенного пара, т.е. давления пара в присутствии жидкой фазы в баллоне. В процессе наполнения баллона первые порции сжиженного газа быстро испаряются и заполняют весь его объем, создавая в нем определенное давление. При уменьшении давления газ мгновенно испаряется. Испарение сжиженного газа в баллоне продолжается до тех пор, пока образовавшиеся пары сжиженного газа не достигнут насыщения.
Это свойство пропана и бутана позволяет хранить газ в небольших объемах, что очень важно.
В качестве примера рассмотрим рис. 1. Давление насыщенного пара бутана составляет 0,1 МПа при 0° С и 0,17 МПа при 15° С, а давление насыщенного пара пропана при этих же температурах 0,59 и 0,9 МПа соответственно. Это различие приводит к значительной разнице в давлении смеси при изменении пропорции пропана и бутана. Давление растет при увеличении температуры, что приводит к большим изменениям объема сжиженного газа, находящегося в жидком состоянии. Следовательно, если сжиженный газ в жидком состоянии полностью заполняет баллон и температура продолжает увеличиваться, то давление будет быстро расти, что может привести к разрушению баллона.
Поэтому никогда не заполняйте баллон жидким сжиженным газом полностью. Обязательно оставляйте паровую подушку, объем которой равен 10% от полной емкости баллона.
Эти два газа (пропан и бутан) различаются между собой температурой кипения, при которой они переходят из жидкого в газообразное состояние. Пропан перестает переходить в газ и остается в жидком состоянии при температуре -43° С, для бутана эта температура равна 0° С.
В условиях холодного климата (или зимой) 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 согласно ГОСТу 27578-87, введенному с 1 июля 1988 г., 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.
Изменение давления насыщенных паров Р смеси пропана и бутана в зависимости от температуры в баллоне показано на рис. 2.
Отличительной чертой сжиженного нефтяного газа является его способность растворять жир: масло и краску. Он также деформирует натуральную резину. Следовательно, для трубопроводов низкого давления используются резиновые шланги из бензомаслостойкой резины или синтетических материалов.
Некоторую опасность представляет собой сжиженный газ, попавший на кожу: под действием быстро испаряющегося газа на коже могут возникнуть очаги обморожения.
Теплота сгорания газа несколько больше, чем у бензина. Однако с увеличением количества подаваемого в двигатель воздуха теплота сгорания несколько уменьшается.
Молекулярная масса сжиженного газа меньше, чем у бензина, и это ухудшает работу двигателя. Поскольку в двигатель сжиженный газ поступает в газообразном состоянии, то по сравнению с бензином уменьшается наполнение им цилиндров (ниже скорость горения газовоздушной смеси) при высокой частоте вращения коленчатого вала двигателя. При уменьшении частоты вращения в двигатель подается меньший объем газа. Таким образом, при работе двигателя на газе его мощность снижается. И в этом один из недостатков газобаллонного двигателя. Если мощность двигателя, работающего на бензине, принять за 100%, то мощность двигателя, работающего на газе, будет примерно равна 90%, что приводит к снижению максимальной скорости примерно на 4%.
Снижение мощности двигателя происходит по причине более низкой, чем у бензина, теплоты сгорания газа (см. табл.1). И в результате происходит неполное наполнение цилиндров двигателя газовоздушной смесью. Однако ранней установкой угла опережения зажигания до ВМТ на 3 — 5° этот недостаток частично устраняется. В условиях эксплуатации большой разницы при движении автомобиля на газе или на бензине не ощущается.
Назначение, устройство и работа испарителя сжиженного газа
Универсальный автомобильный газовый редуктор-испаритель низкого давления (РНД) осуществляет переход сжиженной пропан-бутановой смеси в газообразное состояние, автоматически снижает ее давление до рабочего, близкого к атмосферному, независимо от объема имеющегося газа, обеспечивает дозировку подачи газа на смеситель с четким переходом двигателя с одного режима работы на другой, автоматически прекращает подачу газа при остановке двигателя. Выполнен по двухступенчатой схеме.
Принцип работы (упрощенно) следующий. В редуктор подается жидкий газ. В полости первой ступени обеспечивается снижение его давления до 0,2 МПа. В полости второй ступени завершается переход в газообразное состояние и на выходе обеспечивается рабочее давление. Для компенсации тепловых потерь при испарении газа и подтверждения эффекта замерзания клапанов в редуктор параллельно движению охлаждающей жидкости в двигателе подается горячая жидкость, которая циркулирует в специальной полости испарителя, выполненной в виде теплообменника. Для дозировки выхода газа редуктор через вакуумную трубку и специальный штуцер соединяется с впускным коллектором двигателя или врезается в карбюратор за дроссельной заслонкой. Разрежение в нем управляет степенью открытия клапана второй ступени. Специальное устройство обеспечивает стабильную подачу газа через так называемый “протекающий” клапан второй ступени при холостых оборотах двигателя. Оно имеет регулировочный винт, позволяющий устанавливать обороты холостого хода. Пружины диафрагм и клапанов редуктора отрегулированы таким образом, что при остановке двигателя подача газа к карбюратору прекращается.