Газообразное топливо для автомобилей реферат

Обновлено: 02.07.2024

Физико-химические свойства природного газа как перспективного вида топлива, условия и особенности его применения в транспортной сфере. Преимущества и недостатки использования данного топлива в двигателях внутреннего сгорания, устройство его системы.

Рубрика	Физика и энергетика
Вид	контрольная работа
Язык	русский
Дата добавления	05.02.2018
Размер файла	79,2 K

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Контрольная работа

Природный газ как источник энергии для двигателей внутреннего сгорания

Введение

газ топливо транспортный двигатель

Объектом исследования выполняемой данной контрольной работы является природный газ как источник энергии для двигателя внутреннего сгорания.

Для достижения поставленной цели будут решены следующие задачи:

? Изучим устройство и принцип действия газового двигателя;

? Ознакомимся с видами газового топлива;

? Рассмотрим природный газ как моторное топливо;

? Ознакомимся с физико-химическими свойствами газового топлива.

Говоря о разработанности темы выполняемой контрольной работы, хочу отметить, что мною использована в основном специальная литература, которая будет перечислена в списке литературы, после разъяснения всех основных аспектов данной выполняемой работы, и, конечно же, основном описательном методе для изучения предмета.

Для более точного констатирования фактов, мною использовалась схема исследования, в которой по каждому пункту и вопросу были проанализированы теоретические, практические и организационные аспекты:

· Необходимость использования природного газа;

· Преимущества и недостатки использования природного газа как источник энергии для двигателя внутреннего сгорания;

· Устройство системы питания двигателя внутреннего сгорания.

Тема данной выполняемой контрольной работы раскрыта под определенным углом зрения, чтобы уделить отдельным вопросам особое внимание.

1. Необходимость применения природного газа

Экологическая безопасность газовых двигателей в начале 21 века стала главным фактором, делающим преимущества газового моторного топлива неоспоримыми. Эта безопасность определяется тремя факторами:

· сокращение расхода быстро истощающихся ресурсов;

· значительно меньшими выбросами в воздух загрязняющих веществ двигателями, работающими на газе, чем использующими нефтяные топлива;

· снижением выброса тепличных газов.

Природные ресурсы метана на порядок превышают запасы нефти. При этом в случае применения природного газа в качестве моторного топлива практически все добытое из недр может быть использовано по квалифицированному назначению. Нефтяные же топлива получаются после переработки, при этом доля светлых нефтепродуктов далека от 100%. То есть применение нефтяного топлива требует большего истощения природных ресурсов, чем потребляется топлива. Расчеты показывают, что в случае перевода транспортных средств на газовое топливо, топливная безопасность человечества составит не меньше 200 лет. В то время, как ресурсы нефти могут истощиться за 30 - 50 лет, то есть за очень короткий срок для перестройки энерго-ресурсной политики.

Тепличный газ - двуокись углерода - образуется при сгорании углерода, входящего в состав топлива. Содержание углерода в составе метана 75% по весу, в составе бензина 85%. Поэтому при полном сгорании метана образуется двуокиси углерода (СО2) на 13% меньше, чем бензина. То есть применение природного газа в качестве автомобильного топлива вместо бензина приведет и к снижению выделения парниковых газов, что в последнее время становится одной из главных экологических проблем Земли.

2. Природный газ как источник энергии для двигателя внутреннего сгорания

Природный газ - это полезное ископаемое. Газ, так же как нефть и уголь, образовался в земных недрах из органических веществ животного происхождения (то есть отложений давно живших организмов) под действием высоких давлений и температур.

На сегодняшний день природный газ является наиболее важным первичным источником энергии. Все газообразные, в большинстве своем неочищенные углеводородные соединения, которые добываются из недр земли и являются горючими, называются природным газом. Они не имеют запаха и содержат множество примесей.

В топливно-энергетических ресурсах мира природный газ оценивается в 630 млрд. м3 тут, что составляет 4,9% от общей суммы топливных ресурсов, а возможное извлекаемое количество его определяется в 500 млрд. м3 тут, т.е. Около 80% от прогнозных ресурсов. Известно, что доля природного газа в общемировом энергетическом балансе с 1900 г. возрастала медленными темпами и в мировом потреблении различных видов топлива в начале текущего столетия оценивалось в 0,9%.

Природный газ - это лучший вид чистого и удобного топлива.

На нем можно готовить, им можно отапливать дома. На нем можно готовить, им можно отапливать дома. Природный газ имеет широкое применение в народном хозяйстве. Его отличают полнота сгорания без дыма и копоти; отсутствие золы после сгорания; легкость розжига и регулирование процесса горения.

Теплота сгорания метана составляет 49,4 МДж/кг. У автомобильного бензина этот показатель равен 45,2 МДж/кг, что на 9% меньше. По сравнению с авиационным керосином преимущества метана еще выше - 11%. Это дает перспективу применения метана в качестве авиационного моторного топлива, поскольку весовые показатели в этом виде транспорта являются решающими.

Топливная экономичность газового двигателя - наиболее важный показатель автомобильного мотора - определяется октановым числом топлива и пределом воспламенения топливовоздушной смеси.

Октановое число является показателем детонационной стойкости топлива, которая ограничивает возможность применения топлива в мощных и экономичных двигателях с высокой степенью сжатия. В современной технике октановое число является главным показателем сортности топлива: чем оно выше, тем качественнее и дороже топливо. Благодаря высокой стойкости молекулы метана природный газ имеет наиболее высокое значение октанового числа из всех углеводородных топлив от 105 до 120 единиц, то есть имеет детонационную стойкость выше, чем у эталона этого показателя - изооктана. Наиболее распространенные в России бензины имеют октановые числа: 80-АИ, АИ-92, АИ-95 и АИ-98. Это качество позволяет применять природный газ не только для всех видов находящихся в эксплуатации двигателей с искровым зажиганием, но и форсировать эти двигатели по степени сжатия, улучшая мощностные и экономические показатели.

Природный газ в большинстве стран является наиболее распространенным видом альтернативного моторного топлива. Природный газ в качестве моторного топлива может применяться как в виде компримированного, сжатого до давления 200 атмосфер, газа, так и в виде сжиженного, охлажденного до -160°С газа. В настоящее время наиболее перспективным является применение сжиженного газа (пропан-бутан). В Европе это топливо называется LPG (Liquefied petroleum gas - сжиженный бензиновый газ). В то время как сжатый газ (метан) находится в баках под давлением 200 бар, что само по себе представляет повышенную опасность, LPG сжиживается при давлении 6-8 бар. В Европе сегодня насчитывается около 2,8 млн машин, работающих на LPG.

2.1 Физико-химические свойства топлива

В начале проектирования автомобильного ДВС необходимо определиться, какого качества природный газ будет заправляться в газовые баллоны. Строгая регламентация параметров природного газа влияет на рабочий процесс и расчетные показатели. Но природный газ с разных месторождений различается по низшей теплоте сгорания в диапазоне от 33?294 до 47?007 кДж?/?м3, содержанию метана от 69,1 до 99,6 процента и имеет диапазон октанового числа от 80 до 115 единиц. Газы могут содержать большое количество сероводорода, смол, пыли, кислорода, цианистых соединений и других примесей, которые сокращают срок службы ДВС. Это доказывает необходимость химической и механической подготовки природного газа перед заправкой автомобиля на АГНКС.

* давление газа в баллонах, не менее 19,62 (200) Мпа (кгс?/?см2);

* температура газа, подаваемого на заправку газобаллонных автомобилей,°C, не более

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.

Содержание

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

Работа состоит из 1 файл

Реферат. Газообразные топлива.docx

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.

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.

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.

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.

Газообразное топливо известно еще с середины 19 века. Именно тогда известный инженер Ленуар построил свой первый газовый двигатель внутреннего сгорания. Этот аппарат был примитивным и работал без предварительного сжатия камеры сгорания. Современные двигатели не входят с ним ни в какое сравнение. Сегодня применение газообразного топлива не ограничивается лишь автомобилями. Этот экологичный, дешевый и доступный вид топлива активно завоевывает все новые и новые ниши и активно используется во всех отраслях народного хозяйства. В данной статье дается описание, характеристики топлива. В общих чертах рассказывается о способах их производства и применении.

Общие сведения

Под газообразным топливом понимается вещество, которое легко воспламеняется. Это его качество и полезное свойство применяется в различных отраслях науки и техники. Например, все чаще и активнее население и промышленность используют котлы на газообразном топливе. В этом топливе в различных количествах могут присутствовать оксиды (диоксиды) углерода, пары углекислого газа, а также такие элементы, как азот, водород кислород и другие примеси. Современные аппараты, работающие на газообразном топливе, весьма чувствительны к химическому составу рабочего газа. Если он не будет соответствовать нормам, рекомендованным производителем, то техника, скорее всего, выйдет из строя и потребуется дорогостоящий ремонт.

Все вещества, входящие в состав газов, можно разделить на горючие и негорючие. Первыми, помимо метана, являются этан, пропан и бутан. Взрывоопасными и, соответственно, горючими являются оксид углерода и водород. Водород является особо опасным. Именно по этой причине его не рекомендуют хранить в газовых баллонах. Лучшее решение заключается в приобретении водородного генератора. Это устройство выделяет водород из дистиллированной воды по мере необходимости. Таким образом, угроза детонации большого объема газа устраняется.

Государство является монополистом в сфере оптовой торговли жидким и газообразным топливом. Это свидетельствует о стратегически важном значении данного вида сырья.

Классификация топлива по происхождению

Как и жидкое, газообразное топливо может добываться в качестве полезного ископаемого, а может производиться в искусственных условиях. В первом случае такое топливо называется естественным, а во втором – искусственным.

К искусственным видам газообразного топлива относят вещества, получаемые в результате переработки твердого или жидкого топлива. Наиболее распространенными и популярными его видами являются коксовый крекинговый газы. В эту группу можно также включить светильный, водяной и смешанный виды топлива. В зависимости от химического состава конкретного газа, уровень выделения теплоты при сгорании варьируется в широком диапазоне. Такие вещества являются особо взрывоопасными. По этой причине их рекомендуется смешивать перед сжиганием с природным газом. Эта мера на порядок повышает безопасность эксплуатации аппаратов, работающих на газообразном топливе. Эти манипуляции проводятся на специально оборудованных базах. Затем такой газ поставляется конечному пользователю в баллонах или иным способом. Но несмотря на то, что такая смесь является менее опасной, с ней все же необходимо обращаться крайне осторожно, с соблюдением всех норм и правил работы с сосудами под давлением и техники безопасности. И это не единственная опасность. Данное вещество является токсичным, и его вдыхание может вызвать серьезные последствия и даже привести к летальному исходу.

Классификация топлива по назначению

Топливо в газообразном виде используется как в тепловых установках, так и в двигателях внутреннего сгорания. Соответственно по этому признаку оно может быть поделенным на моторное топливо и топливо котельно-печное.

В качестве котельно-печного топлива традиционно используется природный газ. В редких случаях применяют искусственное топливо. Этот же вид топлива, лишь с некоторыми добавками, применяется и для заправки автомобилей.

Описание природного газа

Трудно переоценить значимость этого полезного ископаемого для экономики нашего государства и экономического развития мира в целом. Многие автомобили, котлы на газообразном топливе, электростанции и теплоэлектроцентрали используют именно его. Исходя из прогнозируемых цен на голубое топливо (так иногда называют природный газ) верстаются бюджеты государств.

Более чем на 90 % этот газ состоит из молекул метана (СН₄). Помимо метана в природном газе содержатся и бутан с пропаном, азот, углекислый газ, водяные пары и другие примеси (они считаются вредными). В незначительных количествах природный газ содержит также инертные газы (гелий и другие). Считается, что последние оказывают благоприятное воздействия на машины, приборы и механизмы, работающие на газе, а также улучшают физику процессов горения топлива. О пригодности топлива к использованию, о его качестве судят по процентному содержанию углеводородных компонентов.

Природный газ является не только ценным видом топлива, но и сырьем для целого ряда отраслей промышленности. Так, из метана, который в нем содержится, крупные химические комбинаты вырабатывают водород. Для протекания такой реакции нужно его окислить. Помимо водорода из него вырабатывают ацетилен. На основе этих веществ производят всевозможные альдегиды, метиловый спирт (очень токсичное и опасное вещество), аммиак, ацетон, уксусную кислоту и так далее. Однако факт остается фактом – основной сферой применения природного газа является сжигание газообразного топлива с целью в различных приводных механизмах (двигатели машин) и котельных устройствах.

Основные свойства газов

Все газы (не только топливо) объединяет сравнительно незначительный показатель плотности. Для рассматриваемых природного газа и его искусственных аналогов его значение держится в районе 0,8 килограмма на метр кубический. Плотность сжиженного газообразного топлива несколько выше и составляет примерно 2,3 килограмма на метр кубический.

Газы в большинстве своем являются токсичными веществами. Токсичность возрастает по мере увеличения содержания оксидов углерода и соединений серы с водородом в газе. При содержании одного и более процентов описанных вредных газов в атмосфере человек за три минуты вдохнет летальную дозу отравляющего вещества.

Рассматриваемые газы являются взрывоопасными. Причем с повышением процентного содержания окиси углерода и водорода опасность детонации возрастает. Интересная особенность: при содержании этих веществ более чем 74% вероятность детонации газа практически равна нулю.

Основные характеристики топлива

При сравнительном анализе того или иного вида топлива специалисты оперируют следующими понятиями: влага топлива, содержание серы, зола (остаток), выделяемая теплота сгорания и жаропроизводительность.

Под жаропроизводительностью понимается температура, достаточная для процесса горения при минимальном содержании кислорода. При этом не осуществляется дополнительный подогрев ни воздуха, ни горючей смеси.

Твердый остаток поле сгорания топлива называется золой. Она уже не может гореть. Шлак – это та же зола, только после оплавления. Образование этого вещества негативно сказывается на работе всей системы, забивает топливную аппаратуру. Поэтому данный показатель важно учитывать при проектных работах.

Важным показателем является влага. Она негативно влияет на характеристики топлива. Ее присутствие вызывает увеличение объемов выхлопов, уменьшению коэффициента полезного действия установки.

Продукты сгорания серы и ее соединений вызывают и активизируют коррозионные процессы на поверхностях стальных частей двигателей и выхлопных систем. Кроме того, они оказывают негативное воздействие на окружающую среду и здоровье человек. Поэтому этот показатель также очень важно учитывать.

Теплота сгорания – очень важная характеристика. Она учитывается при расчете и проектировании оборудования и позволяет определить расход топлива. Данная величина определяется экспериментально. Для этих целей используется специальный калориметр. Сжигается заведомо известное количество (масса) топлива и фиксируется изменение температуры воды калориметра. Далее достаточно подставить в формулу полученные сведения и подсчитать теплоту сгорания.

Попутный газ

Если природный газ добывается из буровых скважин, то попутный является побочным продуктом нефтедобычи. Содержание метана в таком газе несколько меньше, чем в традиционном природном. Однако при сгорании газообразного топлива выделяется сопоставимое тепло.

Побочный газ (попутный) вырабатывается также металлургическими комбинатами. На этих предприятиях горючее выделяется в печах. Это так называемые коксовый и доменный газы. Как правило, эти газы сжигаются на месте (подаются в печь или в котельную станцию). Аналогичный побочный продукт вырабатывается в глубоких шахтах, что часто приводит к катастрофам.

Получение газа методом сухой перегонки

Искусственный газ получается путем дополнительной обработки твердого (жидкого) топлива. Таким образом можно получить так называемый генераторный газ и газ сухой перегонки.

При сухой перегонке топливо разлагается под воздействием высоких температур. При этом необходимо исключить доступ окислителя (воздуха). После ряда этапов, исходное топливо разлагается на собственно газ, соединения смолы и кокс. Точный состав образованных продуктов зависит от исходного состава топлива и условиях протекания процесса (прежде всего от температуры).

Процесс перегонки, который протекает при высоких температурах (в районе 1000 – 1100 градусов Цельсия), называется коксованием. Продуктами распада в таком случае являются собственно газ (коксовый) и кокс. Плотность и теплота сгорания полученного газа сравнительно невелики (0,5 килограмм на метр в кубе и 16000 килоджоулей на метр кубический соответственно). Одна тонна каменного угля при такой обработке преобразуется в 350 кубических метров газа. Этот показатель может разниться и зависит от условий проведения процесса и от химического состава и происхождения исходного сырья (угля).

Существует и низкотемпературная сухая перегонка. Она заключается в обработке твердого топлива температурами в районе 500 градусов по Цельсию. Газа при таком методе образуется минимальное количество (не более 30 метров кубических с одной тонны сырья). Основной продукт в данном случае – смола, которая в дальнейшем используется в производстве моторных масел и топлив.

Получение газа путем газификации твердого топлива

Один из распространенных методов получения газообразного топлива – так называемая газификация. Она заключается в химико-термической обработки твердого топлива (совместном воздействии высоких температур и химической обработке). Атомы углерода, содержащегося в твердом топливе, взаимодействуют и вступают в реакцию с водой и паром, образуя газ (топливо). В процессе газификации протекает и сухая перегонка. Газогенератор – это прибор для газификации твердых видов топлива (прежде всего – угля). Это устройство вырабатывает следующие вещества: метан, водород и угарный газ. Помимо озвученных газов вырабатываются и негорючие вещества (двуокись углерода, кислород с азотом и водяной пар).

Газогенератор – лишь основа всей установки, ядро, так сказать. Если посмотреть на схемы подобного оборудования, то станет понятно, что все остальные узлы и устройства предназначены для приведения газа в нормальное состояние (очистка, охлаждение и так далее).

Преимущества применения и использования газа

Состав газообразного топлива позволяет эффективно использовать его как альтернативу традиционным бензину, мазуту и дизелю. Запасы нефти истощаются. По подсчетам специалистов, ее хватит не несколько десятилетий. Запасов газа гораздо больше. Таким образом, активное внедрение и использование газовой аппаратуры во всех отраслях народного хозяйства позволит если не решить, то по крайней мере, отсрочить острую проблему дефицита углеводородного сырья.

Вторым, и весьма важным преимуществом является относительная чистота продуктов сгорания газа по сравнению с выхлопами бензиновых агрегатов. Иными словами машины и механизмы, работающие на газообразном топливе, более экологичные и не так сильно загрязняют окружающую среду. В мегаполисах и крупных городах эта проблема стоит особенно остро. Поэтому власти стремятся перевести весь парк городского общественного транспорта на новые экологические стандарты.

Третье преимущество – возможность подстраивать работу двигателя под личные потребности и предпочтения, регулируя состав смеси. В перспективе это позволит не переплачивать лишние деньги.

Четвертое преимущество заключается в увеличении полезного срока эксплуатации двигателя и увеличении времени между полной заменой моторного масла. Ведь газ, в отличие от нефтепродуктов, не удаляет смазку (масло) с поверхностей трущихся деталей механизма (двигателя).

Пятое - газовая смесь имеет гораздо большую детонационную способность, по сравнению с традиционным топливом. Это позволяет значительно повысить мощность двигателя транспортного средства.

Шестое - в отличие от твердого и жидкого, газообразное топливо не нужно разогревать перед впрыском. Это положительно сказывается как на надежности всей системы, так и на всех без исключения показателях работы.

Седьмое преимущество: с применением газа впрыск в цилиндры становится более равномерным. Таким образом, повышается плавность хода и работы движущих механизмов, уменьшается износ высоконагруженных частей.

К сожалению, далеко не всегда все описанные преимущества достигаются. Чаще всего владельцы транспортных средств переводят на газовое топливо бензиновые двигатели с целью экономии средств на разнице в стоимости топлива. Однако двигатель проектировался под бензин или дизель. Отсюда и не очень слаженная работа всех частей. Инженеры просчитали, что при переводе автомобиля с бензина на газ двигатель теряет около 20 процентов своей мощности. Чтобы компенсировать потери, многие владельцы увеличивают степень сжатия пространства камеры сжигания. Это значительно сокращает срок службы двигателя. Другая мера – установка системы турбонаддува. Но в это мероприятие придется вложить значительные денежные средства. Работа двигателя или котельной на жидком и газообразном топливе демонстрирует совершенно разные показатели эффективности. Причем преимущество далеко не на стороне твердых видов топлива.

Газобаллонные автомобили наиболее широко используют в качестве топлива сжатые природные газы, а также сжиженные нефтяные и природные газы, Кроме того, в качестве газового топлива для газобаллонных автомобилей могут использоваться канализационные газы.

Сжиженные газы

Сжиженные газы получаются при добыче и переработке нефти и превращаются в жидкость в интервале температур от –20 до +20 °С при давлениях 1,0…2,0 МПа.
Обычно используют пропанобутановые смеси с содержанием пропана 70…95% (для зимнего периода большее содержание).
Октановое число нефтяного газа зависит от состава смеси и составляет приблизительно 100…105 единиц.

Газ тяжелее воздуха в 1,5…2 раза, а температуры воспламенения газа и бензина близки. В состав сжиженных или жидких газов, применяемых для автомобильных двигателей, входят бутан и пропан с добавлением бутилена, пропилена, этана и этилена.

Величина давления сжиженного газа имеет важное практическое значение.
С одной стороны, давление в баллоне желательно иметь более низким, так как при этом можно применять более тонкостенные, а, следовательно, и более легкие баллоны.
С другой стороны, давление сжиженного газа в баллоне при любой температуре должно быть достаточным для обеспечения подачи топлива к двигателю и работы газовой аппаратуры.

Пропан (а также пропилен) обеспечивает удовлетворительную величину давления в баллоне при любых климатических условиях.

Бутан в чистом виде пригоден лишь для районов с жарким климатом, так как при температуре воздуха ниже 0 °С он уже не обеспечивает избыточного давления в баллоне.

Этан применяется в сжиженных газах в виде незначительных примесей для повышения давления.

Основными производителями сжиженных газов являются:

газолиновые заводы, вырабатывающие бензин из нефтяных газов, выход сжиженного газа составляет до 50 % от производства бензина;
крекинговые заводы, на которых сжиженные газы получают в качестве побочного продукта в количестве до 3 % по весу от исходного сырья;
заводы, вырабатывающие бензин из каменного угля, выход сжиженного газа доходит до 10…12 % от веса основной продукции.

Основные требования, предъявляемые к сжиженным газам:

соответствие их состава климатическим условиям;
строго ограниченное содержание загрязняющих и вредных примесей.

При самых низких температурах воздуха давление в баллоне со сжиженным газом не должно быть ниже 0,2 МПа, при самых высоких - не более 1,6 МПа.
Предельное содержание сернистых соединений составляет 0,15 %.
Газ не должен содержать воды, механических примесей, водорастворимых кислот, щелочей и смолистых веществ.

Сжатые газы

Сжатые газы разделяются на природные (естественные), нефтяные и канализационные.

Природные (естественные) газы добывают из буровых газовых скважин.
Природные газы однородны по составу, в большинстве случаев не содержат загрязняющих и вредных примесей, обладают высокими антидетонационными свойствами и дешевы.

Нефтяные газы получают в качестве побочного продукта при добыче нефти, переработке нефти на нефтеперегонных и крекинговых заводах, а также при производстве бензина из нефтяного газа на газолиновых заводах.
Нефтяные газы менее однородны по составу и более загрязнены примесями, чем природные газы. Их теплопроводность выше теплотворности природных газов, так как они содержат больше тяжелых газов.

Канализационные газы выделяются при переработке сточных вод канализации на специальных станциях, имеющихся в крупных городах. Эти газы состоят главным образом из метана и углекислотного газа.
Выход канализационного газа со станции переработки сточных вод, обслуживающей население в 100 000 человек, достигает 2500 м 3 в сутки, что равноценно примерно 2000 л бензина.

Сравнение различных видов сжатого газа

Газы с большим содержанием метана и незначительным содержанием тяжелых углеводородов являются наилучшим видом топлива для автомобилей.
Наоборот, газы, в составе которых преобладают водород и окись углерода, имеют низкую теплотворность и поэтому наименее пригодны для использования в качестве автомобильного топлива.

Сравнение сжиженных и сжатых газов

Как высококалорийные сжатые газы, так и сжиженные пропанобутановые газы являются высококачественным топливом для автомобильных двигателей.
Однако сжиженные газы обладают существенными преимуществами перед сжатыми газами:

значительно более низкое рабочее давление (до 1,6 МПа против 20 МПа), что позволяет применять более легкие и дешевые баллоны и газопроводы;
возможность перевозки в железнодорожных и автомобильных цистернах на любые расстояния; перевозка сжатых газов практически не осуществляется;
более дешевые и простые газозаправочные устройства, не требующие сложного оборудования; заправка баллонов сжатым газом возможна лишь на газонаполнительных станциях, снабженных компрессорами высокого давления;
увеличенная дальность поездок и большая полезная грузоподъемность газобаллонных автомобилей, работающих на сжиженных газах.

Сжатые газы, в свою очередь, имеют преимущества перед сжиженными:

это дешевый, часто малоиспользуемый вид местного топлива; сжиженные газы, наоборот, являются более дорогим продуктом, применяемым при производстве ряда ценных химических веществ, высокосортных бензинов, в бытовых целях;
источники природных и промышленных газов расположены в самых различных районах страны, что позволяет значительно сократить доставку топлива в эти регионы; станции заправки сжатыми газами менее распространены.

Для автомобильного транспорта целесообразно использование как сжиженных, так и сжатых газов, в зависимости от наличия местных источников газа и от возможности организации газоснабжения.

Преимущества газового топлива по сравнению с бензином

К числу преимуществ горючих газов перед бензином следует отнести:

В сумме все эти факторы дают двойную экономию средств на топливе, продлевают срок службы двигателя на 30…40% , масла и свечей - в два раза и, как следствие, значительно снижают не только эксплуатационные, но и ремонтные затраты.
К тому же газ не более опасен, чем бензин, и практически безвреден для окружающей среды.

Недостатки горючих газов, как автомобильного топлива

В качестве топлива для автомобильных двигателей горючие газы имеют следующие недостатки:

усложнение и удорожание системы топливоподачи, так как газовые баллоны с их арматурой, газопроводы и газовая аппаратура сложнее по конструкции, дороже и тяжелее, чем бензобак, бензопроводы и бензонасос;
затрудненность запуска двигателя при низких температурах;
снижение мощности при переводе бензинового двигателя на газ без всяких переделок. Это обусловлено более низкой теплотворностью газовоздушной смеси по сравнению с бензиновоздушной смесью и ухудшением наполнения цилиндров двигателя вследствие более высокой температуры горючей смеси во впускном трубопроводе.

Температура горючей смеси при работе на газе на 15..20 °С выше, чем при работе на бензине, так как на испарение бензина в карбюраторе и впускном трубопроводе затрачивается некоторое количество теплоты.
При одинаковом составе горючей смеси теплотворность газовоздушной смеси для всех видов газов, за исключением окиси углерода, ниже теплотворности бензиновоздушной смеси: для природного газа на 9%, для коксового газа на 10%, для сжиженных газов на 2…3%.

Подогрев впускного трубопровода, необходимый при работе на бензине, вреден при работе на всех видах газов, так как вызывает снижение мощности на 4…6%.

Общее снижение мощности двигателя при переводе его с бензина на газ без переделок составляет: для сжиженных газов 5…9%, для сжатых газов 13…21%.
Снижение мощности двигателей, а также их топливной экономичности при работе на газе может быть полностью устранено, если повысить степень сжатия, отделить впускной трубопровод от выпускного, установить специальный газовый смеситель. Введение этих изменений позволяет не только сохранить мощность и экономичность двигателя при его работе на газе, но и значительно повысить их.

Читайте также: