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 табл. 4.5.

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.

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 на 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.

Контрольные вопросы

1. В чем заключаются достоинства и недостатки применения газового топлива на автомобильном транспорте?

2. Каковы основные компоненты сжиженных газов?

3. Как хранится сжиженный газ на автомобиле?

4. Какие марки СНГ установлены стандартами и на каких моделях ав­томобилей они применяются?

5. Каковы достоинства и недостатки сжатых углеводородных газов?

6. Какими свойствами обладает главный составляющий компонент природных газов — метан?

7. Какие основные модели автомобилей, работающих на сжатом при­родном газе, выпускаются в нашей стране?

8. Что представляют собой газогенераторные автомобили?

ГЛАВА 5

ТОПЛИВА НЕНЕФТЯНОГО ПРОИСХОЖДЕНИЯ

Экономия топлива при эксплуатации автомобилей, снижение вредных выбросов в атмосферу — важнейшие задачи дальнейше­го развития автомобильного транспорта. Одним из перспектив­ных путей решения этих задач считается частичная или полная замена традиционного топлива топливом ненефтяного происхож­дения.

Синтетические спирты

Все большее развитие получает синтез жидкого искусственного топлива, приближающегося по качеству к топливам нефтяного происхождения. Из угля, природного газа, известняка, отходов лесного хозяйства получают метиловый спирт — метанол, а из сахарного тростника, свеклы, зерновых культур вырабатывают эти­ловый спирт — этанол. Выпуск в нашей стране синтетического спирта метанола достиг в 1998 г. 44 млн т.

Наиболее перспективным сырьем для расширения производ­ства метанола являются природный газ, нефтяные остатки и осо­бенно уголь.

Для производства 1 т синтетического топлива необходимо боль­шое количество угля — от 3 до 6 т, поэтому оно пока еще дороже бензина в 1,5...2 раза.

Метанол и этанол, используемые в качестве топлива для ав­томобильных двигателей, характеризуются высоким октановым числом, меньшей по сравнению с бензином теплотворной спо­собностью, высокой скрытой теплотой испарения, низкими уп­ругостью паров и температурой кипения. Кроме того, метанол как автомобильное топливо обусловливает рост мощности и КПД двигателя, снижение теплонапряженности деталей цилиндропорш­невой группы, закоксовывания и нагарообразования. Также при использовании метанола (при том же уровне концентрации окси­да углерода, что и при работе двигателя на бензине) наблюдается уменьшение в 1,5...2 раза содержания оксида азота и в 1,3... 1,7 раза — углеводородов в отработавших газах.

Однако для повседневного использования метанола в качестве автомобильного топлива необходимы конструктивные изменения топливной аппаратуры двигателя и в какой-то мере самого авто­мобиля. Поэтому в настоящее время метанол лучше использовать в качестве добавки к бензину. Установлено, что добавка 3...5 % ме­танола обеспечивает экономию 2,5 % бензина при сохранении мощ­ности двигателя, его динамических и экономических показателей, а также уровня токсичности выхлопных газов. При этом допустимо использовать бензин с несколько меньшим октановым числом или заменять этилированный бензин на неэтилированный.

Применение бензометанольной смеси (с добавкой 15 % мета­нола и 7 % стабилизатора — изобутилового спирта) позволяет по­высить на 6 % динамические качества автомобиля и на 3... 5 % его мощность, одновременно уменьшить выброс оксида азота на 30...35% и углеводородов на 20%, а также получить экономию бензина до 14 %.

При использовании бензометанольной смеси М15 устойчивый пуск холодного двигателя обеспечивается при температуре воздуха -26 °С.

Предельно допустимая концентрация паров метанола в возду­хе рабочей зоны двигателя значительно выше, чем при исполь­зовании таких антидетонаторов, как ТЭС и ТМС, и составляет 5 мг/м³.

В целом применение метанола как добавки к бензину, улуч­шающей ряд его эксплуатационных свойств, рассматривается как реальный фактор увеличения ресурсов автомобильного топлива.

Реальное улучшение эксплуатационных свойств дизельного топ­лива при добавлении спирта сопоставимо с улучшением свойств бен­зина, т. е. низкая температура самовоспламенения (низкое цетановое число) не исключает использования метанола и этанола в качестве добавки к дизельному топливу (при условии конструктивного изме­нения двигателя) в количестве, не превышающем 15...20%.

Метилтретичнобутиловый эфир

В качестве добавки к бензину используют также Метилтрети­чнобутиловый эфир (МТБЭ), получаемый путем синтеза 65 % изо­бутилена и 35 % метанола в присутствии катализаторов. Добавка МТБЭ к бензину обеспечивает:

получение неэтилированных высокооктановых бензинов;

повышение октанового числа (при добавке 10 % МТБЭ ОЧИ уве­личивается на 2,1 ...5,9 единиц, а при добавке 20 % — на 4,6... 12,6 еди­ниц);

облегчение фракционного состава бензина и снижение темпе­ратуры перегонки 50 % фракции (но при этом возможно образова­ние паровых пробок);

некоторое улучшение мощностных и экономических показате­лей двигателя;

снижение токсичности отработавших газов примерно на 10 %;

снижение расхода бензина на 4 %, а также снижение необходи­мого количества ТЭС почти в два раза.

Кроме того, при использовании МТБЭ нет необходимости из­менять регулировку топливной аппаратуры, так как МТБЭ отлича­ется высокой теплотворной способностью 37700 кДж/кг.

Неэтилированный бензин АИ-93 с добавкой 18...16% МТБЭ во всем диапазоне скоростей движения ВАЗ-2101 и ВАЗ-2103 пре­восходит по антидетонационным качествам товарный неэтилиро­ванный бензин.

Использование МТБЭ в настоящее время одно из самых перс­пективных направлений расширения ресурсов высокооктановых неэтилированных бензинов.

Газовые конденсаты

Высокие темпы добычи природного газа обеспечивают значи­тельный прирост добычи сопутствующего ему продукта — газово­го конденсата, который на нефтеперерабатывающих заводах совместно с нефтью перерабатывается в моторные топлива. В нашей стране крупнейшие газоконденсатные месторождения (ГКМ) на­ходятся на Крайнем Севере, в Западной Сибири и Якутии.

Содержание газового конденсата по отдельным месторождени­ям колеблется от 52 до 300 г и выше на 1 м³ добываемого природ­ного газа.

В зависимости от компонентного состава природного газа кон­денсат содержит до 20 % легких углеводородных газов (метана, эта­на, пропана и бутана).

Стабильный газовый конденсат нашел широкое применение как сырье для производства автомобильного бензина, дизельного и реактивного топлива.

В среднем выход ароматических углеводородов при каталити­ческом риформинге фракций газового конденсата на 20...25% выше, чем из соответствующих фракций, полученных при перера­ботке нефти.

Содержание светлых нефтепродуктов (бензиновых и дизельных фракций) в газовых конденсатах составляет 90... 100 %, в то время как в нефти их не больше 30...40 %.

Газовые конденсаты различных месторождений на 60... 80 % со­стоят из фракций, выкипающих до 200°С. Плотность конденсатов колеблется от 0,676 до 0,791 г/см³, их кинематическая вязкость составляет при 20 °С от 0,540 до 2,02 мм²/с, температура застыва­ния изменяется в пределах от —5 до —70 °С.

На Уренгойском месторождении с 1979 г. действует малогаба­ритная промышленная установка для переработки конденсата с получением дизельного топлива.

С 1982 г. в городе Дудинка в эксплуатации находится промыш­ленная установка с годовой производительностью по сырью до 50 тыс. т, с помощью которой конденсат разделяется на дизельную и бензиновую товарные фракции.

В настоящее время разработаны малогабаритные установки для переработки конденсата с производительностью по сырью 12, 25 и 50 тыс. т в год.

Для эксплуатации автомобилей с карбюраторными двигателя­ми в районах Уренгойского и Норильского месторождений при­меняют бензин, вырабатываемый прямой перегонкой из газовых конденсатов.

В настоящее время из газовых конденсатов в России вырабаты­ваются бензины марок АГ-72 и АГ-76 (ТУ 51-126—83) и летний и зимний бензины А-76 (ТУ 51-03-06-86).

По согласованию с потребителем для повышения октанового числа допускается вводить в газоконденсатный бензин в качестве добавки экстралин в количестве 1,5% (ТУ 6-02-571—81).

Получаемая с помощью малогабаритной перерабатывающей установки из газоконденсата вместе с дизельным топливом бензиновая фракция с выходом порядка 50 % на сырье за исключением октанового числа (68...72 по моторному методу) полностью соот­ветствует требованиям ГОСТ 2084—77.

Водород

В настоящее время ведутся работы по применению в качестве топлива для автомобилей водорода, а также его смеси с бензином. Водород самый легкий элемент, даже в жидком состоянии он при­мерно в 14 раз легче воды.

Водородовоздушная смесь воспламеняется при содержании во­дорода от 4 до 74 %. В то же время из-за низкой теплотворной спо­собности водородовоздушной смеси мощность работающего на ней двигателя на 15...20% ниже, чем при работе на бензине. При по­ступлении водорода непосредственно в цилиндр двигателя в такте всасывания или в начале такта сжатия падения мощности можно избежать. Однако в этом случае необходимо значительное измене­ние конструкции системы подачи питания и самого двигателя.

При использовании водорода в качестве добавки к бензиновоз­душной смеси не требуется изменения конструкции двигателя. Если же бензин добавлять на режиме холостого хода при малых и сред­них нагрузках, то обеспечиваются оптимальные мощностные и ди­намические показатели автомобиля. Причем, если обычный рас­ход бензина составляет 12,2 кг на 100 км, то в данном случае он снизится до 5,5 кг, а расход водорода составит всего 1,8 кг. Следо­вательно, 6,7 кг бензина заменяются 1,8 кг водорода, т.е. эконо­мится 50... 55 % бензина. При этом концентрация оксида углерода в отработавших газах снижается в 13 раз, оксидов азота — в 5 раз, углеводородов — на 30 %.

По предложениям ученых при городском режиме работы ос­новным топливом для автомобиля должен быть водород, а бензин должен использоваться как добавка для стабилизации горения воз­духа на режиме холостого хода, малых и средних нагрузках. При эксплуатации же автомобиля на трассе (при средних и полных на­грузках) двигатель должен работать на бензине с минимальной добавкой водорода.

Использование в качестве топлива для автомобилей бензиноводо­родных смесей в условиях интенсивного городского движения позво­ляет экономить топливо нефтяного происхождения и при этом сни­жать загрязнение окружающей среды токсичными продуктами отра­ботавших газов. Следует также иметь в виду, что стоимость водород­ного топлива не выше, чем стоимость других синтетических топлив.

Известно, что жидкий водород занимает в 3,5 раза больший объем, чем эквивалентное по выделяемой энергии количество бен­зина, что усложняет его хранение и распределение. Необходима

также надежная теплоизоляция баков, так как температура жид­кого водорода —253 °С. Поэтому в качестве емкостей для транспор­тирования и хранения водорода приходится использовать крио­генные баки с двойными стенками, пространство между которы­ми заполнено изолирующими материалами.

Получают водород электролизом, термической диссоциацией и фотолизом воды, термохимическим способом из гидрида маг­ния с добавкой 5% никелевого катализатора при нагревании до 257 °С (порошкообразный гидрид магния занимает в 4,6 раза боль­ший объем, чем эквивалентное количество бензина), что доволь­но сложно.

Учитывая, что смесь газообразного водорода с кислородом воз­духа в широком диапазоне концентраций образует гремучий газ, который в закрытых емкостях или помещениях горит очень быстро при значительном повышении давления, создавая возможность взрыва и разрушений, необходима полная герметизация топливо­подающей системы автомобиля и организация сброса избыточно­го давления водорода в баке с его последующей нейтрализацией на каталитических дожигателях. Специальная система, исключаю­щая утечки жидких и газообразных фаз топлива, требуется и для заправки автомобиля жидким водородом.

Для комбинированного питания двигателя бензиноводородной смесью при невысоком содержании водорода (в пределах 20%), возможно его использование в сжатом виде. Включение и отсечка подачи водорода в этом случае не вызывают затруднений и обыч­но производятся с помощью электромагнитного клапана.

В качестве наиболее перспективной формы использования водо­рода рассматриваются вторичные энергоносители, например водо­род, аккумулированный в составе металлогидридов. В этом случае успешно решается проблема безопасности эксплуатации водород­ного топлива и обеспечивается возможность создания приемлемого энергозапаса без высоких давлений или криогенных температур.

Выделение водорода происходит при подогреве гидридов горя­чей жидкостью из системы охлаждения или непосредственно от­работавшими газами. Для зарядки гидридного аккумулятора через восстановленный металлический компонент пропускается водо­род под небольшим давлением и одновременно отводится образу­ющееся тепло. Процесс зарядки может повторяться несколько ты­сяч циклов без ухудшения энергоемкости аккумулятора. В случае аварии и разрушения наружной оболочки емкости для хранения часть водорода быстро улетучивается, вызывая понижение темпе­ратуры гидрида и прекращение выделения водорода. Благодаря это­му гидридный аккумулятор водорода во многих отношениях безо­паснее бака с бензином.

Объемная энергоемкость лучших гидридов приближается к уров­ню энергоемкости жидкого водорода, т.е. объем гидридного бака может быть меньше объема криогенного бака для жидкого водорода. Масса же самого гидридного блока примерно на порядок выше массы необходимого жидкого водорода из-за значительной плотности ме­таллического носителя. Тем не менее суммарные массы гидридной и жидководородной топливных систем соизмеримы вследствие боль­шой массы криогенных баков.

Гидридный аккумулятор не требует особого ухода, быстро заря­жается, его себестоимость ниже, а срок службы больше, чем у ак­кумуляторных батарей.

Автомобили с гидридными аккумуляторами наиболее целесо­образно использовать в городских условиях, где они могут ус­пешно конкурировать с обычными автомобилями и электромо­билями.

Контрольные вопросы

1. Какие топлива ненефтяного происхождения могут заменить тради­ционные автомобильные топлива?

2. Какими свойствами обладают синтетические спирты, используемые в качестве топлива для автомобильных двигателей?

3. Каковы преимущества МТБЭ по сравнению с этиловой жидкостью для повышения октанового числа автомобильных бензинов?

4. Какие топлива для автомобильных двигателей получают из газовых конденсатов на крупнейших газоконденсатных месторождениях Западной Сибири?

ГЛАВА 6

СМАЗОЧНЫЕ МАСЛА

Моторные масла

Все масла нефтяного происхождения делятся на четыре группы: моторные (для авиационных, газотурбинных, карбюраторных и ди­зельных двигателей), трансмиссионные (в том числе для гидропере­дач гидродинамических и гидрообъемных приводов), специальные (турбинные, компрессорные и др.) и различного назначения.

Современные моторные масла подразделяются на три вида: минеральные, синтетические и частично синтетические. Все они состоят из базовых масел и точно подобранного пакета присадок, которые вводятся для улучшения эксплуатационных свойств.

Условия работы масел в двигателях различных конструкций могут существенно отличаться друг от друга, что обусловливает выбор моторного масла для конкретного типа двигателя.

Для обеспечения правильности выбора и решения вопроса вза­имозаменяемости масел в нашей стране и за рубежом существуют различные их классификации.

Основное назначение смазочного масла — это обеспечение на­дежной экономичной работы двигателя, в течение установленного для него моторесурса, т.е. любое смазочное масло должно обеспе­чивать:

уменьшение износа деталей;

снижение потерь энергии на трение;

уплотнение зазоров между деталями (например, между порш­нем и гильзой цилиндра двигателя);

отвод тепла от нагретых деталей;

вынос из зон трения продуктов износа и перенос их в фильтру­ющие устройства систем смазки;

защиту металлических поверхностей от коррозии.

Для успешного выполнения перечисленных функций моторные масла должны удовлетворять ряду эксплуатационных требований: иметь минимально возможную температуру застывания и опреде­ленные вязкостные показатели, быть достаточно физически и хи­мически стабильными, обладать минимальным коррозионным воз­действием на металлы и не содержать механических примесей и воды.