Машины на газовом топливе

Содержание  
Введение  
1. Газ, как альтернативное топливо для автомобилей  
1.1.Общая характеристика газа, как альтернативного топлива для автомобилей  
1.2. Сравнительный анализ метановой и пропан-бутановой газовых смесей  
1.3. Специфика газобалонного оборудования для автомобилей.  
1.4. Устройство системы газового оборудования на автомобиле  
1.5. Проблема безопасности системы газового оборудования на автомобиле  
1.6. Производство газового оборудования для автомобилей.  
2. Машины на газовом топливе. 
2.1.Государственная политика поддержки перевода автомобилей на газовое топливо  
Введение  
Автомобиль по праву считается детищем XX века. Появившись в начале столетия, он прошел невиданный эволюционный путь, обеспечив современному человеку возможность преодолевать за короткое время большие расстояния, комфорт и удобство передвижения. Развитие автомобилестроения обеспечило быстрое развитие нефтяной отрасли. Своему ведущему положению в мировой экономике она во многом обязана двигателю внутреннего сгорания (ДВС).  
Но на рубеже веков стало очевидным, что автомобиль породил ряд проблем, три из которых можно смело считать общечеловеческими. Это экологические и ресурсные проблемы, проблемы утилизации. Но на сегодня только утилизацию автомобиля можно считать технически решенной проблемой.  
Вступая в XXI век, производители нефтепродуктов не могут не задать себе вопрос - "Какая судьба ждет сегодняшнее моторное топливо в будущем столетии?". Откажется ли мир от ДВС или от нефтепродуктов, как моторного топлива, в пользу иного источника энергии - экологически чистого, эффективного, недорогого, ресурсы которого, в отличие от нефти, неограниченны? На сегодня ответа на этот вопрос нет, но ведущие мировые автомобильные концерны инвестируют миллиарды долларов в развитие технологий альтернативных топлив. В этом направлении их стимулируют постоянно ужесточающиеся требования к экологии транспорта.  
В настоящее время среди множества вариантов альтернативных видов топлива наилучшие шансы потеснить традиционные бензин и дизельное топливо имеют природный газ и спирты, прежде всего в силу своей низкой себестоимости и налаженного производства. К 2010 году по разным оценкам до 1.5% транспортных средств в мире будут потреблять топливо, в производстве которого вообще не используется нефть. Еще до 30% автотранспорта будет оборудовано гибридными силовыми агрегатами (ДВС и электродвигатель) или иметь двухтопливную конфигурацию (бензин и газ). Автомобили, использующие в качестве топлива сжиженные углеводородные газы (пропан-бутановые смеси), хотя и не являющиеся альтернативными в строгом смысле этого слова, составят еще 3-5%. Данные схемы обеспечивают качественно новый уровень экономичности автомобиля и его экологичности, но все же являются полумерами.  
На сегодня главным направлением создания автомобиля "с нулевым выбросом" является технология топливных элементов (ТЭ) - устройств, генерирующих электроэнергию непосредственно на борту транспортного средства в результате электрохимической реакции. Все ТЭ нуждаются в топливе водородосодержащем веществе (кислород из воздуха), на роль которого лучше всего подходит метанол, притом КПД такого двигателя достигает 38% против 19% у стандартного ДВС. В настоящее время все большее число машин переводится на газовое топливо.  
Главный аргумент "газификации" — значительно меньшая цена пропан-бутана. При том, что на приобретение и монтаж российской системы надо затратить около 300 долларов, а самая дорогая импортная установка в сочетании с тороидальным баллоном обходится в 600 долларов, при нынешнем соотношении цен на пропан-бутан и бензин все затраты окупаются за 20—40 тысяч километров пробега. Такая же тенденция наблюдается и в Латвии.  
Еще одним существенным преимуществом газового топлива по сравнению с бензином является то, что газ не смывает со стенок цилиндра масляную пленку, в результате чего существенно повышается ресурс двигателя и увеличивается срок службы моторного масла. Кроме того, большее октановое число пропан-бутана значительно уменьшает вероятность детонационных процессов, и двигатель начинает работать заметно "мягче", чем на бензине. Есть и еще один сильный аргумент — теоретически выхлоп "газифицированных" автомобилей даже чище, чем у машин с бензиновыми двигателями, оснащенными каталитическими нейтрализаторами! 

Но при этом существуют и минусы, появляющиеся в следствии  перехода автомобиля на газ.  
Во-первых, это баллон в багажнике.  
Во-вторых, это необходимость следить за чистотой рабочей полости редуктора — к сожалению, степень очистки отечественной газовой смеси крайне низкая, и в редукторе постоянно скапливается парафиново-смоляной конденсат, который приходится сливать через две-три заправки. Кроме того, именно из-за сильной загрязненности российского газа все заявления о высокой экологичности автомобилей, работающих на газовом топливе, превращаются в пустой звук, и наши испытания, увы, это подтвердили. 
Также возникают сложности при заправке газом. Например, зимой малейшая не плотность соединения заправочного пистолета и штуцера из-за налипших кристалликов льда может привести к тому, что газ под давлением стравится наружу, что небезопасно.  
А главное — это небольшое число заправочных станций при достаточно большом парке автомобилей с газобаллонной аппаратурой.  
Также важным является то, что о пропан-бутан, так же, как и бензин, является продуктом, получаемым из нефти. А значит, и запасы этого вида топлива ограничены запасами нефтяных месторождений. Поэтому разработчики газовых топливных систем утверждают, что будущее топливо всего автотранспорта — это не сжиженный пропан-бутан, а сжатый метан. К тому же, его можно получать путем синтеза.  
Все это свидетельствует о том, что тема перевода автомобилей на газовое топливо является актуальной.  
Цель данной работы – проанализировать ситуацию, связанную с производством газового оборудования для автомобилей , а также с переводом автомобилей на газовое топливо.  
Задачи исследования:  
- Анализ материалов по теме исследования  
- Изучение ситуации перевода автомобилей на газовое топливо в разных странах, в том числе и в Латвии  
В работе представлены также список используемых материалов и приложения. 

 
1. Газ, как альтернативное топливо  для автомобилей 

 
1.1. Общая характеристика газа, как  альтернативного топлива для  автомобилей 

 
Природный газ может использоваться как в сжатом, так и в сжиженном  виде. Но, в отличие от сжатого  газа, который закачивается в баки под давлением 200 атм, сжиженный газ, охлажденный до температуры -161oC, содержит больше энергии. Самое перспективное топливо из числа альтернативных — это природный газ. Но он пока проигрывает солярке, и одна из причин в том, что дизтопливо обладает более высоким энергетическим потенциалом. Если из 1 литра дизтоплива можно получить 10 кВтч энергии, то такое же количество сжиженного (и охлажденного до -160оС) газа дает 7 кВтч, а литр газа, сжатого до 200 атмосфер, и того меньше — 2,5 кВтч. Есть и другие причины, которые мешают шествию газа по Европе: к примеру, газовые баллоны занимают немало места, а емкости для сжатого газа дороги. 

 
1.2. Сравнительный анализ метановой  и пропан-бутановой газовых смесей 

 
Поршневые двигатели внутреннего  сгорания работали на светильном газе еще в доавтомобильную эпоху. Теперь для питания автомобильных двигателей используют два различных типа газообразного топлива — метан или пропан-бутановую смесь. Многие их путают, и совершенно напрасно.  
Сжиженный    нефтяной   газ  (LPG)  обладает    всеми   качествами  полноценного   топлива для двигателей внутреннего сгорания.   Во  всем  мире  газ признан как дешевое,   экологически чистое топливо, по многим свойствам превосходящее бензин. Немаловажно, что использование LPG не требует изменения конструкции автомобиля, оставляя возможность использования как бензина, так и горючего газа в качестве топлива. Сжиженный нефтяной газ обладает  некоторыми  физико - химическими   свойствами,  которые   необходимо   учитывать  для  достижения   максимального экономического и эксплуатационного эффекта. Нефтяной газ представляет собой смесь пропана, бутана и незначительного количества (около 1%) непредельных углеводородов. Фактически на автомобильные газонаполнительные станции поступают  две  марки газа - зимняя (85-95% пропана) и летняя (45-55% пропана). Такое сочетание учитывает свойства LPG в зависимости от окружающей температуры и позволяет круглый год эксплуатировать автомобиль на газе. 

Как  видно  из таблицы  свойства  компонентов LPG отличаются  от свойств бензина. Сжиженный нефтяной  газ  находится  в  баллоне под давлением собственных насыщенных паров при данной температуре,  которое  практически   не  зависит  от  количества  газа   в  баллоне.   Это  свойство позволяет израсходовать практически полностью содержимое баллона.  
Параметры  
Пропан  
Бутан  
Бензин  
Молекулярная формула  
C3H8  
C4H10  
C8.1H17.1  
Плотность жидкости при t кипения и давлении 100 кПа, кг/м3  
584  
600  
735  
Температура кипения при давлении 100 кПа, Со  
-42.1  
-0.5  
-45...135  
Степень сжатия  
10...12  
7.5...8.5  
8.2  
Октановое число   
110  
95  
92  
Жидкие газы, как и другие продукты, базирующиеся на нефти, основываются на углеводородах. Жидкие газы содержат энергию (12,8 КВтч/ кг). Сырая нефть и конденсаты, собираемые с газовых полей, содержат жидкий газ. На нефтеперерабатывающих заводах жидкие газы разделяются на пропан и бутан. К ним добавляют жидкие газы, образующиеся в результате процессов последующей обработки, поступающие с химических заводов, эти жидкие газы базируются на олефине и содержат пропан и бутен.  
Обычно под жидким коммерческим газом подразумеваются пропан, бутан или их смесь, которые могут содержать олефин. Как имеющие особое качество продаются бензолефиновые жидкие газы.  
Под пропаном подразумевается соединение углеводородов, которое содержит в основном углеводород С3, наивысшее давление пара которого при температуре 40 град. C составляет 14,8 бар и где имеется не более 5 мол -% углеводорода C4. Такая формулировка не разделяет пропана и пропана и других более легких углеводородов, таких как этан, поскольку давление пара не превышают.  
Плотность при температуре 15 град. C составляет обычно 510 кг/м3.  
Содержание серы <_ 50 мг/кг, используемый пропан не содержит серу.  
Продукт не должен содержать влагу. Для предотвращения проблем при сжигании и хранении, предел содержания воды составляет <_200 мг/кг.  
Полезная энергоемкость 46,3 МДж/ кг (12,8 КВтч/кг). 
  Под бутаном подразумевается соединение углеводородов, которое содержит в основном углеводород С4, наивысшее давление пара которого при температуре 40 град. C составляет 4,9 бар и где имеется не более 2 мол -% углеводорода C5 или более тяжелых углеводородов.  
Плотность при температуре 15 град. C составляет обычно 580 кг/м3.  
Содержание серы <_ 50 мг/кг, предел содержания воды составляет <_200 мг/кг.  
Полезная энергоемкость 45,7 МДж/ кг (12,6 КВтч/кг). 
  Чистые жидкие газы не имеют запаха, бесцветные, к газам можно прибавлять ароматные вещества. Конденсированный жидкий газ существенно легче воды: 500-590 кг/м3 (+15 град. C). Плотность газа зависит от температуры. Возможную воду из цистерн хранения можно отделить через специальную систему отделения. По плотности газа можно приблизительно рассчитать состав жидкого газа.  
В нормальном состоянии жидкие газы находятся в газообразном состоянии, но путем повышения давления их можно привести в жидкое состояние. При хранении жидкости в герметичных цистернах, где жидкость только частично заполняет резервуар, и там отсутствуют воздух и другие газы, в цистерне имеется определенное давление, которое называется давлением насыщенного пара. Давление зависит только от температуры и вещества, находящегося в цистерне. В случае отсутствия потребления из цистерны, по давлению и температуре можно примерно определить состав жидкого газа. Точки кипения: Пропан -42,2 град. C, Бутан -1 град. C 

Жидкий газ применяют  в виде пара. В случае транспортировки  жидкого газа в виде жидкости, на месте потребления должна быть специальная  установка для испарения газа. Для испарения жидкого газа потребуется  тепловая энергия, необходимую температуру  извлекают из самой жидкости. При  испарении газа жидкость замораживается, между цистерной и окружающей средой возникает различие температур, и теплота переходит из окружающей среды в цистерну. При повышении  потребления в окружающей среде  должно содержаться больше теплоты. 1 кг жидкого бутана объемом около 1,7 л образует в нормальных условиях (абсолютное давление 1 бар, температура 0 град. C) газ объемом около 370 литров.1 кг жидкого пропана объемом около 1,9 л образует около 500 литров газа.  
Область применения жидкого газа варьируется в больших пределах, но по опыту можно в общих чертах сказать, что способность испарения заполненного пропаном баллона весом 33 кг составляет летом 2 кг/час, а в зимнее время года – около 1 кг/час. Подземная цистерна объемом 9 м3 способна постоянно испарять около 18 кг/час.  
В зимнее время года бутан нельзя использовать без внешнего испарителя. Такая ситуация знакома при использовании зажигалок, которые в холодное время необходимо согреть в руке, чтобы находящийся внутри газ испарился. При использовании смеси пропана-бутана давлением пара является сумма парциальных давлений. Зимой из этих цистерн и баллонов испаряется только пропан, а в цистерне остается бутан, который не испаряется.  
При высоком потреблении газа потребуется специальный испаритель, однородное давление или неизменяемый состав газа. Об этом можно говорить тогда, когда используется смесь пропана и бутана. Жидкий газ поступает в испаритель в качестве жидкости, переход в испаритель происходит либо с помощью давления в цистерне, либо насосом. Необходимая температура испарителя обеспечивается при помощи электричества или при помощи возникающей в ходе процесса температуры. 
Плотность газа (0 град. C, 1,0 бар): Пропан - 2,02 кг/м3n , Бутан  - 2,59 кг/м3n  
Относительная плотность (воздух=1) Пропан  = 1,56 , Бутан =-  2,08  
Испаренный жидкий газ тяжелее воздуха, таким образом, возможные утечки  
Метан — это тот самый природный газ, который по магистральным газопроводам поступает в крупные города и сгорает в конфорках бытовых газовых плит. Так как запасы метана практически неограниченны, он очень дешев. В жидкую фазу метан переходит только при низких температурах около –160°С, поэтому его хранят в газообразном виде, но под очень высоким давлением — 200 атмосфер. Обычный стальной метановый баллон емкостью 50 литров, рассчитанный на такое давление, весит 100 кг Об оснащении такими баллонами легковых автомобилей раньше не могло быть и речи — на сжатом метане ездили только грузовики и автобусы. Но недавно появились облегченные металлопластиковые, или композитные, баллоны, что и сделало возможным проведение этого теста. В багажнике автомобиля монтируют сразу два баллона — металлопластиковый емкостью 35 л для метана и обычный стальной 50-литровый для сжиженного газа. Под капотом размещают два редуктора именитой итальянской фирмы Lovato — один для метана, другой для пропан-бутана. Редукторы для метана тоже сложнее и дороже, нежели для сжиженного газа, — к двум ступеням понижения давления добавлена еще одна. Зато «метановому» редуктору не нужна пробка для слива конденсата. 

метане двигатель  выбрасывает в атмосферу гораздо  меньше окиси углерода СО и углеводородов  
Второй вид моторного газообразного топлива распространен куда шире. Это пропан-бутановая смесь — сопутствующий газ, который получают при добыче и переработке нефти. Пропан-бутан можно хранить в сжиженном виде под давлением в 16 атмосфер, а стальной баллон емкостью 50—80 л, который вполне подойдет для обычного легкового автомобиля, весит не более 40—70 килограммов. В газовых баллонах, которые продают для питания плит в загородных домах, используется тот же сжиженный пропан-бутан. Как и дизельное топливо, пропан-бутановая смесь бывает летней и зимней, и вызвано это разделение тоже особенностями сезонной эксплуатации. Дело в том, что пропан испаряется при -45оС, а бутан — при -0,5оС. Летом смесь на 75% состоит из бутана, а на 25% — из пропана, и при низких температурах она просто не сможет перейти в газообразное состояние. Поэтому зимний состав пропан-бутановой смеси содержит 75% пропана и 25% бутана.  
Запуск карбюраторного двигателя на газе возможен и при отрицательных температурах. Однако специалисты рекомендуют при температуре воздуха ниже +5оС пускать двигатель на бензине и переходить на газ спустя некоторое время. Кроме того, даже летом нужно давать двигателю хоть иногда поработать на бензине — для промывки карбюратора. Если этого периодически не делать, то его жиклеры забиваются смолами и грязью, которые неизбежно сопровождают плохо очищенный отечественный газ.  
В соответствии с сезонной сортностью немного изменяется и антидетонационная стойкость газовой смеси. Пропан имеет октановое число 110, а бутан — 95, поэтому октановое число пропан-бутана может варьироваться от 99 до 106.  
В настоящее время все западные автомобили оснащены каталитическими нейтрализаторами отработавших газов. Даже при работе на бензине нейтрализатор снижает выбросы СО и СН в 5 раз, а NOx — в 8 раз. И если питать «катализаторную» машину метаном при помощи впрыска, то она запросто сможет «уложиться» в строгие нормы Euro 2 

 
1.3. Специфика газобалонного оборудования для автомобилей. 

 
По принципу работы, применяемые в настоящее время газовые системы, можно разделить на четыре поколения:  
* I поколение  
Механические системы с вакуумным управлением, которые устанавливают на бензиновые карбюраторные автомобили.  
* II поколение  
Механические системы, дополненные электронным дозирующим устройством, работающим по принципу обратной связи с датчиком содержания кислорода (лямбда-зонд). Они устанавливаются на автомобили, оснащенные инжекторным двигателем и каталитическим нейтрализатором отработавших газов.  
* III поколение  
Системы, обеспечивающие распределенный синхронный впрыск газа с дозатором-распределителем, который управляется электронным блоком. Газ подается во впускной коллектор с помощью механических форсунок, которые открываются за счет избыточного давления в магистрали подачи газа.  
* IV поколение  
Системы распределенного последовательного впрыска газа с электромагнитными форсунками, которые управляются более совершенным электронным блоком. Как и в системе предыдущего поколения, газовые форсунки устанавливаются на коллекторе непосредственно у впускного клапана каждого цилиндра.  
Системы первого и второго поколений имеют ряд недостатков, и не отвечают действующим в настоящее время стандартам ЕЭК ООН. Токсичность отработавших газов (ОГ) автомобилей, оснащенных такими системами, как правило, находится на уровне норм ЕВРО-1, которые действовали в Европе до 1996 года, и лишь в отдельных случаях приближаются к нормам ЕВРО-2. В связи с этим производители газового оборудования разработали системы третьего и четвертого поколений, которые находят все большее распространение.