А. Н. КартАшевич в. С. товСтыка а в. ГордееНКо топливо, СмАзочНые мАтериАлы
 Скачать 2.39 Mb.
|
Сжиженные нефтяные газыСжиженныйнефтянойгаз(СНГ) (англ. liquefied petroleum gas — LPG), или сжиженныйуглеводородныйгаз(СУГ), — смесь сжатых под давлением легких углеводородов с температурой кипе- ния от –50 до 0 C. Предназначен для применения в качестве то- плива. Состав может существенно различаться. Основные компо- ненты: пропан, пропилен, изобутан, изобутилен, н-бутан и бутилен. СНГ являются наиболее высококачественным продуктом пе- реработки нефти и нефтяного попутного газа. Как моторное то- пливо СНГ обладают важными преимуществами при использова- нии в автомобильных двигателях. Эти газы обладают высокой теплотой сгорания, транспортабельны. При работе на сжиженных газах двигатели имеют высокие технико-экономические и сани- тарно-гигиенические показатели. Сжиженные газы переходят из газообразного состояния (паровой фазы) в жидкое (жидкую фазу) при температуре окружающего воздуха и относительно небольших давлениях. Для автомобильного транспорта по ГОСТ 27578–87 выпуска- ют сжиженный газ марок ПА — пропан автомобильный — и ПБА — пропан-бутан автомобильный (табл. 2.16). Газ марки ПБА пред- назначен для всех климатических районов при температуре окружающего воздуха не ниже –20 С, а для газа марки ПА реко- мендуется температурный интервал применения от –20 до –35 С. В весенний период с целью полного израсходования запасов сжи- женного газа марку ПА допускается применять при температуре до 10 С. Таблица2.16 Физико-химические показатели сжиженных автомобильных газов марок ПА и ПБА
По ГОСТ 20448–88 выпускают сжиженные газы следующих марок: СПБТЗ — смесь пропана и бутана техническая зимняя для коммунально-бытового потребления; СПБТЛ — смесь пропана и бутана техническая летняя для коммунально-бытового потре- бления и других целей; БТ — бутан технический для коммунально- бытового потребления и других целей (табл. 2.17). Таблица2.17 Основные нормативные показатели сжиженных газов разных марок
Окончаниетабл.2.17
Основные компоненты сжиженного газа, обеспечивающие оптимальное давление насыщенных паров в газовом баллоне, — пропан и пропилен. Давление насыщенных паров существенно влияет на работу газовой установки автомобиля. Давление паров растет с повышением температуры, причем у пропана значительно быстрее, чем у бутана. Чем больше в пропан-бутановой смеси про- пана, тем выше упругость паров смеси. Зная давление смеси при определенной температуре, можно оценить процентное содержа- ние в нем пропана и бутана. Все компоненты сжиженного газа, кроме метана и этилена, тя- желее воздуха, поэтому при утечках они скапливаются в низких местах (на полу, в канавах, приямках), образуя взрывоопасную смесь. Сжиженные газы менее пожаро- и взрывоопасны, чем пары бензина. Сжиженные газы образуют с воздухом взрывоопасные смеси при концентрации паров пропана от 2,1 до 9,5 %, изобута- на — от 1,8 до 8,4 %, нормального бутана — от 1,5 до 8,5 % по объ- ему при температуре 15...20 С. Температура самовоспламенения в воздухе при давлении 0,1 МПа (760 мм рт. ст.) составляет: 466 С — для пропана; 462 С — для изобутана; 405 С — для бутана. Предельно допустимая кон- центрация в воздухе рабочей зоны (в перерасчете на углерод): про- пана — 300 мг/м3, непредельных углеводородов — 100 мг/м3. Сжиженные газы обладают высокой детонационной стойко- стью. Например, октановое число пропана, определенное по мо- торному методу, равно 96, бутана — 90. Однако некоторые компо- ненты газа имеют сравнительно низкие октановые числа. Так, октановое число бутилена 80, пропилена — 85, вследствие чего их содержание в сжиженном газе ограничивают [17]. Для ощущения присутствия газа в окружающем воздухе ему придают специфический запах, добавляя резко пахнущие веще- ства — одоранты. Из них наиболее широко применяют этилмер- каптан: 2,5 г на 100 л сжиженного газа. При такой степени одоризации можно по запаху определить 0,4…0,5 % газа в воз- духе. Данная концентрация газа в воздухе невзрывоопасна, так как составляет всего лишь 20 % нижнего предела воспламеняе- мости. Основные физико-химические характеристики — давление на- сыщенных паров, плотность газа, теплота сгорания, точка росы и элементарный состав. Физические свойства СНГ в значитель- ной степени зависят от их химического состава. Основные компоненты СНГ (табл. 2.18) кипят при низких температурах, поэтому при нормальной температуре и атмосфер- ном давлении они могут находиться только в газовой фазе. Для хранения СНГ в жидком виде необходимо повышать давление, и тем больше, чем выше температура, что объясняется ростом дав- ления насыщенных паров СНГ. Пропан и бутан при температуре соответственно 96,6 и 152,0 С не могут существовать в жидкой фазе даже в случае превышения давления, соответственно 4,25 и 3,80 МПа. Такие параметры для пропана и бутана являются кри- тическими. Давление насыщенных паров — давление паров в присутствии жидкой фазы. СНГ представляют собой насыщенные кипящие жидкости. При наличии свободной поверхности над жидкой фа- зой всегда возникает двухфазная система жидкость — пар. Давле- ние паров СНГ изменяется в зависимости от температуры жидкой фазы. При температуре кипения СНГ давление насыщенных па- ров равно атмосферному. При повышении температуры внешней среды до температуры, равной критической температуре компо- нентов газа, давление насыщенных паров резко возрастает. Таблица2.18 Основные физико-химические свойства отдельных составляющих СНГ
Примечание. Приведенные параметры, кроме плотности, получены при температуре газа 15 С. Зная давление насыщенных паров, можно правильно рассчи- тать объем, который может занимать СНГ при определенной мак- симальной температуре внешней среды, а также обеспечить пода- чу жидкой и газовой фаз в систему питания двигателя. Этан, входящий в состав СНГ в незначительных количествах, обладает достаточно высоким давлением насыщенных паров. По- следнее способствует поддержанию необходимого давления в бал- лоне при отрицательных температурах внешней среды. Бутановая составляющая, которая включает нормальный бутан, изобутан, бу- тилен, изобутилен и другие изомеры, имеет высокую теплоту сго- рания и легко сжижается. СНГ с большим содержанием бутана целесообразно применять при положительных температурах окру- жающей среды, особенно в районах с жарким климатом [62]. В зависимости от температуры газа насыщенные пары СНГ имеют широкие пределы изменения давления. При одной и той же температуре давление насыщенных паров различных углеводоро- дов неодинаково. Давление насыщенных паров оказывает заметное влияние на эффективность подачи газового топлива в двигатель. При отрица- тельных температурах для надежной подачи газа в баллоне необ- ходимо иметь достаточное избыточное давление. К факторам, влияющим на давление внутри баллона, относят температуру и соотношение основных компонентов СНГ (пропа- на и бутана). Для смеси СНГ, состоящей из 80 % пропана и 20 % бутана, при температуре –25 С давление насыщенных паров со- ставляет 0,1 МПа, а при температуре 30 С достигает 0,8 МПа. СНГ обладают большим коэффициентом объемного расшире- ния. При полном заполнении баллона (паровая подушка отсутству- ет) даже незначительное повышение температуры может привести к резкому увеличению давления, которое в этом случае составит около 0,7 МПа на 1 С. В эксплуатационных условиях паровая подушка газового балло- на для обеспечения безопасной эксплуатации автомобиля должна иметь определенный объем. Объем паровой подушки, составляю- щий 10 % полного объема, обеспечивает оптимальное давление в газовом баллоне при изменении температуры СНГ в пределах от –10 до 25 С. Повышение температуры газа в указанных пределах может произойти лишь при длительном хранении автомобиля с полностью заправленным баллоном. Поэтому при постановке ав- томобиля на длительное хранение часть газа из баллона должна быть израсходована. При эксплуатации автомобиля, когда газ рас- ходуют из баллона постоянно, возникновение подобной ситуации практически исключено. Плотность СНГ в жидком состоянии определяют при темпера- туре 15 С и давлении, равном давлению насыщенных паров, а в газовом — при атмосферном давлении и температуре 0 и 15 С. Плотность СНГ в жидком состоянии, как и любой жидкости, не зависит от давления и является функцией температуры. С увели- чением температуры СНГ плотность компонентов уменьшается в результате теплового расширения. При нормальных атмосфер- ных условиях и температуре 15 С плотность пропана в жидком состоянии составляет 510 кг/м3, бутана — 580 кг/м3. Плотность пропана в газовом состоянии при атмосферном давлении и темпе- ратуре 15 С равна 1,9 кг/м3, бутана — 2,55 кг/м3. При нормальных атмосферных условиях и температуре 15 С из 1 кг жидкого бута- на образуется 0,392 м3 газа, из 1 кг пропана — 0,526 м3. Относительная плотность основных газовых компонентов СНГ (по воздуху) составляет: для пропана — 1,562, для бутана — 2,091. Поэтому при наличии утечек СНГ могут скапливаться в ис- кусственных (осмотровые канавы, траншеи и приямки) и есте- ственных непроветриваемых углублениях, а также на поверхности земли, образуя взрывоопасную смесь. Теплота сгорания — количество теплоты, выделяющееся при полном сгорании 1 м3 газа при атмосферном давлении и темпера- туре 20 С, — является одним из важнейших количественных по- казателей топливно-энергетических возможностей СНГ. Различают высшую Qв и низшую Qн теплоту сгорания газа. При определении высшей теплоты сгорания газа учитывают всю теплоту, выделившуюся во время сгорания и отведенную от про- дуктов сгорания путем их охлаждения до начальной температуры. На практике образовавшиеся пары воды не конденсируются и уно- сят часть теплоты, затраченной на нагревание 1 кг воды от 0 до 100 С, которая равна 418,6 кДж. При сгорании на испарение влаги, содержащейся в топливе и полученной от сгорания водорода, затрачивается теплота. Поэто- му для характеристики газовых топлив на практике применяют низшую теплоту сгорания газа, которая является стандартной ве- личиной. Точка росы паров СНГ при атмосферном давлении совпадает с температурой кипения. По мере увеличения давления точка росы жидкой фазы СНГ заметно повышается. Бутан по сравнению с пропаном склонен к конденсации в большей степени. Элементарный состав СНГ относят к числу наиболее важных оценочных параметров газа. Он позволяет судить о качестве СНГ. Зная элементарный состав, можно расчетным путем определить теплоту сгорания газа и количество воздуха, необходимое для пол- ного его сгорания. Теплота сгорания (кДж/кг) газа может быть рассчитана по формуле Qи 33 210QC 109 060QН, (2.16) где Qи — теплота сгорания газа, кДж/кг; QC — количество углерода, в объемных долях; QН — количество водорода, в объемных долях. В формуле (2.16) состав СНГ представлен в объемных долях или в процентах. СНГ характеризуется углеродным числом, представляющим собой отношение молекулярных масс углерода и водорода. Газовое топливо имеет более благоприятное, чем бензин, соотношение углерода (С) и водорода (Н). Углеродное число у современных бензинов составляет около 6, а у СНГ оно равно 4,9 (ПГ 2,98). Бо- лее высокое содержание в газовом топливе водорода обеспечивает более полное сгорание в цилиндрах двигателя. Основные моторные свойства СНГ приведены в табл. 2.19. Таблица2.19 Основные моторные свойства СНГ
СНГ обладают сравнительно простыми структурами молекул, поэтому имеют более высокие октановые числа по сравнению с жидкими топливами нефтяного происхождения. Октановое чис- ло отдельных компонентов СНГ составляет 85…125. Влияние сте- пени сжатия на мощностные и экономические показатели двигате- ля связано с высокой антидетонационной стойкостью газовых топлив. Детонационные характеристики газов и бензинов приве- дены в табл. 2.20. Теплота сгорания характеризуется стехиометрическим соста- вом смеси и теоретически необходимым количеством воздуха для ее полного сгорания. Таблица2.20 Детонационные характеристики газов и бензинов
Примечание. В скобках приведены данные, полученные исследователь- ским методом. Стехиометрический коэффициент представляет собой массу (объем) воздуха, теоретически необходимого для полного сгора- ния топлива. При полном сгорании газ превращается в продукты полного окисления — углекислый газ и водяные пары: С3Н8 5О2 3СО2 4Н2О; С4Н8 6,5О2 4СО2 5Н2О. (2.17) Для полного сгорания пропана на одну его молекулу требуется 5 молекул кислорода, бутана — 6,5 молекулы. Содержание кисло- рода в воздухе, как известно, составляет 21,0 %. Поэтому для пол- ного сгорания 1 м3 пропана требуется 24 м3 воздуха, для бутана — 31 м3. При сгорании СНГ необходимая масса (объем) воздуха всегда будет больше по сравнению с массой бензина. Верхний пре- дел воспламеняемости пропан-бутановых смесей характеризуется содержанием 8,4…9,9 % газа в воздухе, нижний предел — 1,8…2,4 %, пределы воспламенения бензина в смеси с воздухом составляют соответственно 6,0 и 1,5 %. Таким образом, пределы воспламене- ния СНГ на 15…25 % выше по сравнению с бензином. Теплота сгорания газового топлива не эквивалентна теплоте сгорания горючей смеси, поэтому законы аддитивности при расче- тах неприменимы. Для газообразных топлив теплота сгорания го- рючей смеси Qн Нн 1 dl0 , (2.18) где Нн — удельная теплота сгорания единицы объема газа, кДж/м3; l0 — стехиометрический коэффициент горючей смеси, м3/м3. Выделение теплоты на единицу массы у СНГ несколько боль- ше, чем у бензина. Однако если сравнивать выделение теплоты на единицу объема горючей смеси, то окажется, что при использова- нии СНГ оно снижается по сравнению с бензином на 6…8 %. С уве- личением коэффициента l0 теплота сгорания горючей смеси газо- вых топлив уменьшается в меньшей степени по сравнению с жидкими топливами. При переводе двигателя с жидкого топлива на СНГ при одних и тех же режимах работы его мощность снижается. Причины этого явления связаны в основном с уменьшением: теплоты сгорания горючей смеси; коэффициента наполнения цилиндра; коэффици- ента молекулярного изменения при сгорании газообразных то- плив. Поскольку СНГ поступает в двигатель только в газообразном состоянии, то в результате уменьшения коэффициента наполне- ния снижается мощность двигателя. Наиболее заметно (5…10 %) снижается мощность двигателя при высокой частоте вращения ко- ленчатого вала. Ранней установкой угла опережения зажигания до высшей мертвой точки на 3…5 этот недостаток можно несколько компенсировать. |