Состав, свойства и ассортимент сжатых газов

Основные компоненты сжатых газов: метан СН₄ (как правило, более 90 %), монооксид углерода СО и водород Н₂ – получают из горючих газов различного происхождения (природных, попутных, нефтяных, коксовых и др.). Основной компонент природного газа – метан. Его содержание в зависимости от месторождения составляет 95…99 % [5]. В попутных и нефтяных газах содержание метана может быть в пределах 40…82 %, остальное – более тяжелые газы: этан, пропан, бутан и другие высшие углеводороды. В составе природного газа могут присутствовать также азот и углекислый газ в количестве до 4 %. Метан характеризуется критической температурой минус 82 °С, поэтому при нормальных температурах даже при высоком давлении он не может быть сжижен: для этого необходимы низкие температуры.

Для хранения метана в сжатом виде применяют газобаллонные установки (баллоны, арматура, редукторы, газопроводы и пр.), рассчитанные на работу при высоком давлении – до 20 МПа в условиях транспортного средства и до 25 МПа в условиях автомобильных газонаполнительных компрессорных станций (АГНКС). По мере расходования газа из автомобильного баллона в нем непрерывно уменьшается рабочее давление. При дросселировании газа, находящегося под высоким давлением, его температура резко снижается (эффект Джоуля–Томсона). Это приводит к необходимости тщательного обезвоживания газа при компримировании и подогрева газовых редукторов во избежание закупорки льдом элементов системы топливоподачи. Основной нормативный документ, в соответствии с которым поставляется КПГ, – ГОСТ 27577–2000 (табл. 27).

Таблица 27. Параметры компримированного природного газа
по ГОСТ 27577–2000

Параметр	Значение
Теплота сгорания объемная, МДж/м^3, не менее	31,8
Относительная плотность по отношению к воздуху	0,55…0,70
Расчетное ОЧ по моторному методу, не менее
Концентрация сероводорода, г/м^3, не более	0,02
Концентрация меркаптановой серы, г/м^3, не более	0,036
Масса механических примесей, мг/м^3, не более	1,0
Объемная доля негорючих компонентов, %, не более	7,0
Содержание воды, мг/м^3, не более	9,0

Для заправки автомобилей применяют также две марки КПГ – А и Б в соответствии с ТУ 51-16.6–83 (табл. 28).

Низшая теплотворная способность КПГ составляет 48…50 МДж/кг в зависимости от содержания горючих и негорючих компонентов. Кроме упомянутых в состав КПГ могут попасть нежелательные примеси паров воды, сероводорода, аммиака, циана, цианистоводородной кислоты и т.д. При их наличии, особенно циана (CN), стенки баллонов быстро разрушаются из-за возникновения микротрещин, являющихся следствием межкристаллитной коррозии.

Таблица 28. Параметры сжатого природного газа
по ТУ 51-16.6–83

Параметр	Марка А	Марка Б
Состав, об. %: метан азот другие газы	95±5 0…4 »5 %	90±5 4…7 »5 %
Октановое число

Наиболее перспективная новация в применении КПГ – его криогенное хранение на транспортном средстве под давлением всего 0,5 МПа и температуре минус 160 °С. Конструкция современного криогенного баллона позволяет хранить газ на автомобиле без потерь в течение пяти суток. Плотность сжиженного метана существенно выше, чем сжатого, поэтому емкости баллона в 100 л достаточно для обеспечения пробега такого автомобиля, как “Газель”, в 450 км.

5.3. Преимущества и проблемы применения
горючих газов как топлив для ДВС
на автотранспорте

Применение газообразного топлива принципиально возможно как в изначально бензиновом, так и в дизельном двигателе. При конвертации двигателей на газовое топливо при внешнем смесеобразовании мощность их неизменно падает, поскольку газ занимает больший по сравнению с
парами жидкого топлива объем (см. Приложение 1) и масса свежего заряда воздуха при этом уменьшается. Рабочий процесс в двигателе с искровым зажиганием протекает аналогично работе на бензине. В газодизеле
для зажигания смеси используется запальная доля штатного дизельного топлива.

Помимо того, что газообразные топлива СНГ и КПГ обладают высокими антидетонационными свойствами, позволяющими легко повысить мощность двигателя за счет применения наддува, использование их снижает износ цилиндро-поршневой группы главным образом вследствие отсутствия явлений смыва жидким топливом масляной пленки со стенок цилиндра и отсутствия нагара на деталях. За счет этого до 1,5…2 раз растет ресурс двигателя, в 2…3 раза – ресурс свечей зажигания. Газы не вызывают разжижения и загрязнения картерного масла, что повышает срок его службы до замены в 2…3 раза. При внешнем смесеобразовании улучшается равномерность распределения смеси по цилиндрам, смесеобразование становится более качественным, так как газ и воздух имеют одинаковое агрегатное состояние. Более широкие пределы воспламеняемости газового топлива позволяют на основных эксплуатационных режимах эффективно обеднять горючую смесь до a = 1,2…1,3. Все это приводит к более полному сгоранию топлива и значительному снижению токсичности отработавших газов (по СО в 2 раза) при работе на СНГ и КПГ. Затраты на установку газовой аппаратуры окупаются в течение 2…3 лет.

Однако при неизменной степени сжатия (конвертированный двигатель внешнего смесеобразования, работающий и на бензине и на газе) очевидно уменьшение максимальной мощности двигателя на 6…8 % при работе на СНГ и на 18…20 % при работе на КПГ. Это происходит из-за снижения коэффициента наполнения на 8…10 % и уменьшения скорости распространения фронта пламени в камере сгорания.

Кроме уменьшения мощности при работе на газовом топливе конвертированного бензинового двигателя можно отметить также следующие недостатки:

ухудшаются динамические свойства транспортного средства (время разгона до 100 км/ч возрастает на 6…8 %);

затруднен пуск в зимнее время из-за высокой температуры воспламенения газовоздушной смеси, поэтому пуск производят на бензине;

увеличивается трудоемкость технического обслуживания и возрастает цена автомобиля до 30 % из-за наличия дополнительной газобаллонной аппаратуры;

уменьшается величина пробега на одной заправке газом (не превышает 200…250 км при объеме газовых баллонов, не оказывающем существенного влияния на потребительские характеристики автомобиля), а также грузоподъемность автомобиля на 9…14 %. Это относится в первую очередь к автомобилям, в которых используется в качестве топлива сжатый природный газ.

Поскольку баллоны для хранения сжатого газа изготавливаются толстостенными, батарея из восьми баллонов емкостью 50 л каждый тяжела – более 0,5 т – и приемлема только для грузового автомобиля. Поэтому криогенная технология хранения КПГ на автомобиле более перспективна.

Из изложенного следует, что ДВС должны специально проектироваться под газообразное топливо. Высокие ОЧ газовых топлив дают возможность повысить степень сжатия до 12,5…13,5 единиц. Кроме того, желательно организовать впрыск газа непосредственно в цилиндры и исключить подогрев впускного тракта. Перечисленные мероприятия позволят не только компенсировать потери наполнения цилиндров, а наоборот, увеличить его. При выполнении этих конструктивных мер мощность, экономичность и экологичность газового двигателя окажутся существенно выше, чем бензинового.

Основная проблема перевода дизельного двигателя на газ – существенное увеличение теплонапряженности деталей ЦПГ в первую очередь за счет снижения рабочих значений коэффициента избытка воздуха и увеличения в связи с этим максимальных и средних температур в рабочем
цикле. Это же является ограничивающим фактором повышения мощности газодизельных двигателей.

Перспективна разработка чисто газовых двигателей как большой, так и малой размерности, позволяющих использовать все преимущества газового топлива. При организации внутреннего смесеобразования путем впрыска газа в цилиндры мощность двигателя может быть повышена на 10…15 %. Экономичность при этом будет на 10…20 % выше, чем у бензинового двигателя, а эксплуатационные расходы на топливо снижены до 50 %. Моторесурс газовых двигателей на 20…40 % выше аналогичных по размерности и назначению бензиновых двигателей и дизелей.