Пропан и пропан-бутан как газ и топливо для автомобилей.

Пропан и пропан-бутан как газ и топливо для автомобилей.


Пропан-бутан (сжиженный нефтяной газ, СНГ, по-английски - liquified petroleum gas, LPG) - это смесь двух газов. В обиходе ее называют кратко:пропан. Пропан-бутан получают из нефти и сконденсированных нефтяных попутных газов. Чтобы эта смесь оставалась жидкой, ее хранят и перевозят под давлением в 1,6 МПа (16 атмосфер). Процесс заправки машин пропаном внешне очень похож на заправку бензином, потому что это - сжижженный газ.

Количество АГЗС в Украине увеличивается из года в год. Установка пропан-бутанового ГБО на автомобили в Украине растет такими же высокими темпами. Это связано со многими преимуществами пропана, как моторного топлива, перед бензином. Прежде всего стоимость: цена на сжижженный газ пропан традиционно сохраняется на уровне 50% от цены на 95-й бензин. (пропан-бутан производится в Украине, в отличие от метана). Кроме этого, он обладает более высоким октановым числом и лучшими экологическими и эксплуатационными свойствами. 

   Пропан -  Молекулярная формула - C3H6; Плотность жидкости при атмосферном давлении- 584 кг/м3; Температура кипения при атмосферном давлении -42,1 С; Критическая температура +95,7 С;


Основные свойства сжиженного газа

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 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.

Рис. 1. Зависимость давления насыщенных паров пропана и бутана от температуры

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, 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. 

Рис. 2. Зависимость давления насыщенных паров смеси пропана и бутана от температуры

Теплота сгорания газа несколько больше, чем у бензина. Однако с увеличением количества подаваемого в двигатель воздуха теплота сгорания несколько уменьшается. 
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%, но не надо забывать об экономии денежных средств. Мировое соотношение цены бензина к газу - 10:6. 

Снижение мощности двигателя происходит по причине более низкой, чем у бензина, теплоты сгорания газа (см. табл.2). И в результате происходит неполное наполнение цилиндров двигателя газо-воздушной смесью. Иногда ранней установкой угла опережения зажигания до ВМТ на 3 - 5° этот недостаток пытаются устранить. В условиях эксплуатации большой разницы при движении автомобиля на газе или на бензине не ощущается.

Cжиженный газ как атомобильное топливо.

 Рассмотрим использование сжиженного газа в двух видах двигателей внутреннего сгорания: бензиновых и дизельных. Основное внимание уделим только основным принципам конструктивного оформления и работы двигателей, работающих на сжиженном газе.
    Стандартные виды топлива для двигателей внутреннего сгорания - бензин и дизельное топливо. Основное преимущество сжиженного газа перед ними - чистота, поскольку в сжиженном газе нет свинца, очень низкое содержание серы, окислов других металлов, ароматических углеводородов и других загрязняющих примесей. Особенно это касается свинца, который для улучшения антидетонационных свойств в обязательном порядке добавляют в бензин в виде тетраэтилсвинца и который засоряет запальные свечи, является потенциальным отравителем атмосферы, а также серы, которая выбрасывается в атмосферу вместе с продуктами сгорания. Использование сжиженного газа облегчает запуск двигателя в холодное время года, обеспечивает более ровное и устойчивое горение внутри рабочего пространства цилиндров двигателя. Тот факт, что при сжигании сжиженного газа обычно полностью отсутствуют загрязнения, объясняет и большую долговечность работающих на сжиженном газе двигателей по сравнению с двигателями, работающими на бензине или дизельном топливе, поскольку в первом случае образуется значительно меньше нагара и отложений углерода на внутренней поверхности цилиндров.
    Двигатели, работающие на сжиженном газе, имеют меньшую стоимость. Во многих странах сжиженный газ облагается незначительным налогом или вообще им не облагается, хотя автомобильное топливо повсюду считается одним из наилучших доходов от налогообложения. 
Помимо двигателей, которые можно перевести на сжиженный газ, на рынке имеются двигатели, которые разработаны только для работы на этих газах. Среди них следует назвать небольшие двигатели, предназначенные для работы внутри помещений, где благодаря их использованию требуется меньшая степень вентиляции (автопогрузчики на складах или корабельных трюмах, цементные смесители, оборудование для угольных шахт и рудников и прочие виды внутрицехового и подземного транспорта). Для работы только на сжиженном газе разработаны также разнообразные виды тракторов и других машин для сельского хозяйства.
    Говоря о модификациях двигателей внутреннего сгорания, необходимо подчеркнуть важность сохранения возможности их работы в необходимых случаях на первоначальном виде топлива. Необходимость двухтопливного обеспечения возникает, в частности, при расположении заправочных пунктов сжиженным газом, на значительном удалении друг от друга.
    Дизельные двигатели невозможно полностью перевести на сжиженный газ, поскольку они не способны устойчиво поддерживать работу по дизельному циклу. Смесь сжиженного газа с воздухом не может воспламениться подобно смеси дизельного топлива с воздухом, когда дизельное топливо впрыскивается в сжатый воздух. Кроме того, при избытке в топливной смеси сжиженного газа дизельный двигатель может начать детонировать. В связи с этим запуск дизельного двигателя следует осуществлять только на дизельном топливе. Далее он может работать на смеси дизельного топлива со сжиженным газом, доля которых не должна превышать определенной величины.

Сжиженный газ как топливо для карбюраторных двигателей.

Когда в качестве топлива в карбюраторных двигателях применяют бензин, горючая смесь образуется в карбюраторе, который преобразует жидкое топливо и воздух в паровую смесь, поступающую в рабочее пространство цилиндра. Весьма важно, чтобы топливо-воздушная смесь воспламенилась в точно заданный момент времени. Это достигается благодаря тому, что искра на воспламенение подается от высоковольтного источника тока за несколько градусов до подхода поршня к верхней мертвой точке в конце такта сжатия. Следует избегать несвоевременного воспламенения смеси из-за повышения температуры ее при сжатии, поскольку это приводит к потере мощности. В топливо для карбюраторных двигателей часто добавляют антидетонационные компоненты (тетраэтил и тетраметилсвинец), повышающие сопротивляемость преждевременному воспламенению. 
При замене бензина на сжиженный газ необходимость в антидетонаторах отпадает. Смесь сжиженный газ - воздух чисто газовая, поэтому тетраэтил или тетраметил свинца, являющийся жидкостью, не может быть подан в виде суспензии в газовый поток. К счастью, большинство компонентов сжиженного газа обладают повышенными антидетонационными качествами. Следует также отметить, что у сжиженного газа октановое число значительно выше, чем у замещаемого бензина.

Характеристика топлива.

Вид топлива 

Октановое число 

Макс. степень сжатия

экспериментальное 

моторное 

Пропан 

111,5 

105 

11: 1

Бутан 

95 

92 

8 : 1

Изобутан 

100,4 

99 

9 : 1

Пропилен 

100,2 

90 

7,5 : 1

Бензин рядовой 

92 - 95 

83 - 86 

9 : 1

Бензин улучшенный 

98 - 101 

90 - 92 

10,5 : 1


Это означает, что двигатели, работающие на сжиженном газе, могут иметь высокую степень сжатия, а следовательно, и более высокий, чем у бензинового двигателя КПД. При переводе на сжиженный газ в двигателе можно увеличить степень сжатия при использовании более мелкой головки блока или куполообразных поршней. Степень сжатия карбюраторного двигателя, рассчитанного на использование только сжиженного газа, должна должна быть сразу повышена.  

    Зажигание смеси в карбюраторных двигателях осуществляется с помощью запальных свечей. Их конструкции разнообразны и зависят от типа двигателя, степени сгорания и прочих характеристик. При переходе с бензина на сжиженный газ характеристики двигателя могут быть улучшены за счет использования свечи малого теплового радиуса, или холодной свечи, но при этом необходимо повысить степень сжатия из-за малого размера зазора между электродами в свече. Пропуски зажигания из-за отложения на электродах нагара при работе на сжиженном газе практически невозможны.
    Положительными факторами, наблюдаемыми при переходе двигателя с бензина на сжиженный газ, являются более устойчивое и спокойное горение, а также полное отсутствие явления смыва и выгорания масла со стенок цилиндра. Сжиженный газ, будучи чистым, свободным от серы топливом, не вызывает такого корродирования клапанов, уплотнительных поршневых колец, поршней и стенок гильз цилиндров, какое возможно при работе на бензине. Поступая в цилиндры в виде чисто газовой смеси, сжиженный газ не растворяет смазочное масло, в результате чего рабочие свойства его сохраняются значительно дольше, чем при работе на бензине.
    При переводе двигателя с бензина на газовое топливо следует помнить о том, что сжиженный газ имеет более низкую удельную плотность и что его расход выше, чем бензина. Например, работающий на сжиженном газе автомобиль будет проходить только 0,8 того расстояния, которое он прошел бы при работе на бензине. Однако на практике благодаря высокой эффективности сжигания и чистоте продуктов сгорания газовые двигатели в среднем потребляют топлива на 15% меньше, чем бензиновые.

  Характеристика карбюраторных двигателей, работающих на бензине и пропане.

Параметр 

Бензин 

Пропан

Степень сжатия 

10 : 1 

11 : 1

Содержание серы, % 

0,01 

0,001

Ровность работы двигателя 

хорошая 

отличная

Растворение смазочных масел топливом 

возможно 

невозможно

Напряжение тока зажигания, кВ 

3 - 6 

5 - 7

Зазор между электродами, мм 

стандартный 

0,25 и менее

Тепловой радиус 

стандартный 

один радиус гнезда свечи

Вредные выбросы.

    Точно установлено, что двигатели внутреннего сгорания, прежде всего, автомобильные карбюраторные двигатели, являются основными источниками загрязнения. Выхлопные газы автомобилей, работающих на бензине, в отличие от автомобилей, работающих на сжиженном газе, содержат соединения свинца. Если применяются очистительные фильтры каталитического действия, то поглощаемые ими соединения свинца дезактивируют катализатор, в результате чего не только свинец, но и окись углерода, не сгоревшие углеводороды выбрасываются вместе с выхлопными газами в количестве, зависящем от условий и стандартов на эксплуатацию двигателей, а также от условий очистки и других факторов. Количественно концентрацию загрязняющих компонентов в выхлопных газах при работе двигателей как на бензине, так и на сжиженном газе определяют по специальной методике. При проведении большинства экспериментов было выявлено, что перевод двигателей с бензина на сжиженный газ приводит к снижению количества выбросов окиси углерода в 10 раз и несгоревших углеводородов в 5 раз. 
Примесями, содержащимися в выхлопных газах при работе на бензине, так и на сжиженном газе, являются окислы серы и азота. Концентрация окислов серы при работе двигателя на сжиженном газе может быть в десятки раз ниже, чем при работе его на бензине. Окислы азота, как было установлено, являются основными виновниками образования оптического смога. В сочетании с ненасыщенными углеводородами под влиянием ультрафиолетового излучения они образуют канцерогены. Эксперименты показали, что при переводе двигателей с бензина на сжиженный газ наблюдается снижение (до 70 %) выбросов окислов азота. При работе двигателей на бензине были получены следующие показатели по загрязнению атмосферы: соединения свинца и окислы серы присутствуют, окиси углерода и несгоревших углеводородов - стандартное содержание; при работе на сжиженном газе - соединения свинца отсутствуют, окислы серы практически отсутствуют, содержание окиси углерода и несгоревших углеводородов снижено соответственно на 80 и 70 %. 

Перевод двигателей с бензина на сжиженный газ.

     Перевод двигателей с бензина на сжиженный газ относительно прост и дешев, хотя и зависит от размеров двигателя и типа выбранного оборудования. Стоимость перевода, включая стоимость специального оборудования и топливного баллона, обычно не превышает 200 - 800 $. 
При переводе двигателей с любого бензина на сжиженный газ обязательно иметь три основных устройства: топливный бак (баллон) под сжиженный газ, редуктор испаритель и карбюратор.    
    Топливный бак работающего на сжиженном газе автомобиля является резервуаром высокого давления. Он представляет собой баллон цилиндрической формы, располагаемый обычно в багажном отделении автомобиля. 
Жидкая фаза сжиженного газа из топливного бака через глубоко погруженную в нее трубку и установленный на ней рабочий клапан поступает в трубопровод, а из него - в редуктор-испаритель, который обычно расположен в моторном отделении. В системе двухтопливного обеспечения автомобиля линия подачи сжиженного газа снабжена переключателем вида топлива, который мгновенно открывает или закрывает отсечные клапаны бензина или сжиженного газа. Обычно отсечной клапан используют для предотвращения образования вакуума в сборном коллекторе топлива и попадания топлива в смесительную камеру до запуска двигателя. Топливный фильтр защищает редуктор-испаритель от засорения примесями. 
Сжиженный газ начинает испаряться в центральной камере редуктора-испарителя после запуска двигателя вследствие аккумулированного тепла самого испарителя. После того как через него начнет циркулировать горячая вода охлаждающей системы, жидкий сжиженный газ станет испаряться за счет подогрева в процессе теплообмена. Давление испаренной фазы сжиженного газа редуцируется в одну или две ступени да атмосферного давления с помощью обычного регулятора мембранного типа. При двухступенчатом понижении давления клапан высокого давления сначала обеспечивает подачу жидкости в испарительную камеру при избыточном давлении 83,4 кПа. После испарения газовая фаза, проходя через клапан низкого давления, расширяется и поступает в линию низкого давления, ведущую в карбюратор. 
Принцип действия жидкостного и газового карбюратора одинаков. Это устройство смешивает топливо с воздухом для получения воспламеняющейся смеси, предназначенной для сжигания в двигателе. Проблемы, возникающие при этом, связаны прежде всего с необходимостью работы двигателя на переменной мощности, т.е. при изменяющемся в широком диапазоне расходе топлива, а также с необходимостью поддержания оптимального соотношения топливо-воздух при быстро изменяющемся положении дроссельной заслонки и обеспечения холостого хода при минимальном расходе топлива. Проблема хорошо сбалансированной по воздуху и топливу подачи смеси на всех скоростях и нагрузках двигателя решается несколькими путями:

  • Расход газа регулируется и определяется по перепаду давления в трубе Вентури.
  • Расход газа зависит от положения воздушного клапана и одноступенчатого клапана для смеси газа и воздуха.
  • Расход газа регулируется положением воздушного клапана, связанного с топливным клапаном.
  • Расход газа зависит от давления на клапане сжиженного газа, механически связанном с дроссельной заслонкой.

Для получения оптимальных характеристик двигателя автомобиля, переведенного с бензина на сжиженный газ или двойное топливо, весьма важно отрегулировать работу карбюратора как для холостого хода, так и для широкого диапазона режимов работы с переменным положением дроссельной заслонки. Во всех случаях весьма важно обеспечить достаточную пропускную способность газопровода и устойчивую работу двигателя при максимальном расходе газа и минимальных потерях давления в газопроводе, редукционном клапане и испарителе.


Требование к сжиженному газу как автомобильному топливу.

Первоначально считалось, что для использования в автомобилях необходимы специальные сорта сжиженного газа, отличные от сортов, имевшихся на коммерческом рынке. Однако опыт показал, что стандартный сжиженный газ для коммунально-бытового потребления (ГОСТ 20448 - 90) пригоден для этой цели, поскольку основной параметр - октановое число - соответствует всем нормам и стандартам предъявляемым к автомобильному топливу. 
Октановое число пропана - 105, бутана - 92, т.е. они имеют преимущество перед бензином, октановое число которого в среднем равно 85. 
Другой качественный критерий - давление насыщенных паров. Оно должно обеспечить хорошие характеристики запуска двигателя зимой и исключать образование паровых пробок летом. В нашей стране применяются зимние и летние сорта сжиженного газа, представляющие собой смесь пропана и бутана.

 

Период 

Соотношение пропана и бутана (в %)

Максимальное давление насыщенных паров:

Зима 

60:40   

При температуре -20Сне более 0,16 Мпа

Лето

40:60

При температуре +45С - не более 1,6 Мпа

Требования техники безопасности.

При размещении и установке баллонов под сжиженный газ, предназначаемых для обеспечения потребностей автомобильного транспорта, следует выполнять те же требования техники безопасности, что и для баллонов предназначенных для коммунально-бытового пользования:

  • Установку газового оборудования и его элементов, предназначенных для перехода автомобилей на сжиженный газ, должна производить только специализированная организация, имеющая соответствующие разрешения и сертификаты.
  • Максимальный уровень наполнения резервуара предназначенного для сжиженного газа не должен превышать 85 % геометрической емкости резервуара.
  • Автомобили, переоборудованные для работы на сжиженном газе, обязательно должны быть обеспечены одним огнетушителем ОУ-2 или ОП-5.