Газобаллонное оборудование автомобилей

ГАЗОБАЛЛОННОЕ ОБОРУДОВАНИЕ АВТОМОБИЛЕЙ Лекция № 1 «История использования газового топлива в ДВС: опыт, проблемы, перспективы» 1860 г. - француз Жан Этьен Ленуар Двигатель Ленуара – двусторонний и двухтактный двигатель внутреннего сгорания на светильном газе. Мощность – 2 л.с., КПД – 5 %. Светильный газ –это смесь водорода (54-36%), метана (30-45%), оксидов углерода (5-15%) и др. горючих газов, получаемая при пиролизе угля или нефти. 1861 г. – немец Август Отто В 1864 году Август Отто получил патент на свою модель газового двигателя и в том же году заключил договор с богатым инженером Лангеном для эксплуатации этого изобретения. Вскоре была создана фирма "Deutz AG". В 1883 г. Англичанин Э. Даусон впервые сформулировал концепцию сочетания газогенератора и двигателя внутреннего сгорания на транспортной или иной машине. Первый классический газогенераторный автомобиль, использующий в качестве топлива древесные чурки и древесный уголь, был построен Тейлором в 1900 г. во Франции (патент в России выдан в 1901 г.). 1928 г. - установка газогенератора Наумова на грузовике FIAT-15. В 1934 г. машина участвовала и пробеге Москва—Ленинград— Москва, в нем также участвовали автомобили ГАЗ-АА и ЗИС-5 . Схема автомобильной газогенераторной установки Газогенератор – это установка для получения горючего газа из твердого топлива (уголь, торф, древесина, солома, а так же отходы деревообрабатывающих производств). Превращение твердого топлива в газообразное называется «газификацией» и заключается в сжигании топлива с поступлением количества кислорода воздуха или водяного пара, недостаточном для полного сгорания. а - зона подсушки топлива (100-150 °С); б - зона сухой перегонки (150-450 °С); в - зона горения (1300-1700 °С) ; г - зона восстановления (700-900 °С); Состав генераторного газа (в % по объему) Использование газогенераторного топлива позволяет решать проблему утилизации отходов практически любого производства (сельскохозяйственного, лесного и др.), связанного с переработкой органического сырья. В Советском Союзе в 1936 г. была выпущена первая партия газогенераторных грузовиков ЗИС-13, а затем – ЗИС-21 и ГАЗ-42 (в период с 1939 г. по 1946 г. их было выпущено 33 840 шт., рис. 3). К началу 1941 года выпускались работавшие на древесных чурках газогенераторные установки как для автомобилей ЗИС, так и для тракторов Челябинского и Харьковского тракторных заводов. ХТЗ Т2Г (общий выпуск составил около 16 000 шт.). Однако для сравнения общий выпуск транспортных средств, работающих на газгене, в фашистской Германии соствил около 500 тыс. Автомобили с газогенераторными установками Общий вид газогенераторного автомобиля ГАЗ-42 со снятой грузовой платформой: 1 – газогенератор; 2 – грубые очистители-охладители газа; 3 – тонкий очиститель; 4 – раздувочный вентилятор; 5, 6, 7 – соединительные газопроводы Газогенераторный трактор ХТЗ-Т2Г Автомобили с газогенераторными установками Автомобиль с газогенераторной установкой, Берлин, 1946 Газогенераторный трактор производства ГДР, 1949 год Автомобили с газогенераторными установками Недостатки газогенераторных автомобилей: 1. Необходимость длительной (до 15-30 мин.) подготовки к работе. 2. Более низкая теплота сгорания (падение мощности до 40 % в сравнении с бензином). 3. Трудоемкое обслуживание газогенераторной установки: требуется более частое пополнение топливом (догрузку топлива в бункер можно производить в течение дня во время погрузочно-разгрузочных работ или стоянок). 4. Снижение грузоподъемности автомобиля. 5. Наличие СО в составе генераторного газа. Применение водорода Одним из первых и до настоящего времени наиболее реальным альтернативным газообразным топливом для ДВС является водород. Водород входит в состав самого распространенного вещества на Земле – воды. Водород является возобновляемым ресурсом, и он не иссякнет, так как при сгорании водорода образуется водяной пар, который после конденсации вновь превращается в источник получения водорода. Интерес к водороду как к топливу для ДВС обусловлен его высокими энергетическими показателями, уникальными кинетическими характеристиками, отсутствием большинства вредных веществ в продуктах сгорания. Применение водорода Осенью и зимой 1941 г. в блокадном Ленинграде была проведена беспрецедентная техническая операция по переводу двигателей автомобилей ГАЗАА к применению водородовоздушных смесей. Двигатели использовались как привод лебедок, с помощью которых спускались аэростаты для перезаправки водородом. Резиновая оболочка аэростатов пропускала водород, его место занимал воздух, вследствие чего аэростат терял подъемную силу. Их периодически опускали, стравливали «отработанный» водород и заправляли чистым. В отсутствие бензина использование водорода из отработавших аэростатов стало единственной возможностью для бесперебойной работы аэростатного заграждения, сыгравшего немаловажную роль в противовоздушной обороне Ленинграда. Инициировал и руководил этими работами лейтенант Б. И. Щелищ. Схема, предложенная им, была предельно проста: отработанный водород шлангу подводился к впускному коллектору двигателя. Минуя карбюратор, газ поступал в рабочие цилиндры. Однако к негативным факторам работы ДВС на водороде можно отнести преждевременные вспышки, которые возникают вследствие низкой энергии активации горения водорода. Поэтому для безопасной эксплуатации двигателя Б. И. Щелищем был придуман специальный водяной затвор, исключавший воспламенение водородо-воздушной смеси во всасывающей трубе двигателя. В сложнейших условиях за короткий срок удалось переоборудовать 200 единиц техники. Учитывая полученный положительный опыт применения водорода, зимой 1942 аналогичные работы были проведены в частях ПВО Москвы. Преимущества водорода: 1. Неисчерпаемость ресурсов; 2. Высокая теплотворная способность; 3. Наибольшая скорость распространения пламени; 4. Наименьшая энергия воспламенения; 5. Экологичность. Виды топлива Бензин Водород Нормы Евро-5 Выброс вредных веществ, г/км CO CH NOx 10,3 2,17 2,25 0,02 2,5 0,08 0,05 0,06 Проблемы использования водорода в автомобильных ДВС 1. Высокая стоимость производства водорода Способ получения водорода Себестоимость производства, $ США/кг Паровая конверсия метана 4…6 Электролиз воды от электроэнергии: •единой энергосистемы; 6…7 • солнечной электростанции; 10…30 • ветрогенераторов; 7…11 Проблемы использования водорода в автомобильных ДВС 2. Сложности хранения на борту автомобиля Бензин Сжатый водород Сжиженный водород* Плотность топлива, кг/литр 0,75 0,016 0,07 0,016 Масса топлива, кг 53,5 13 13 13 Объем топлива, м3 0,07 1,0 0,19 0,23 Масса бака, кг 13,06 1361 181 314 Объем бака, м3 0,08 1,53 0,28 0,25 67 1374 194 327 Показатель Общая масса топливной системы, кг Водород в составе гидридов * В сжиженном виде водород существует в диапазоне температур -252.87 °С…−259.14 °С. Проблемы использования водорода в автомобильных ДВС 3. Отсутствие развитой инфраструктуры заправочных станций, специализирующихся на заправке водородом: К концу 2017 года во всем мире функционировало около 3 000 водородных автомобильных заправочных станций. Из общего количества заправочных станций, всего 10 % работают с жидким водородом, остальные с газообразным. При современном уровне развития техники и инфраструктуры наиболее эффективным является использование водорода как добавки к традиционным топливам. BMW 7 серии и Mini Cooper (Водород или бензин) В Европе, безусловно, лидером по разработкам водородного автомобиля является BMW со своей программой Clear Energy. BMW Group разрабатывает водородные технологии более 20 лет. Поршневые двигатели внутреннего сгорания могут работать на бензине или водороде. За основу битопливного автомобиля была взята BMW 7-й серии и Mini Cooper Hydrogen, оборудованые системой впрыска жидкого и охлажденного водорода, который смешивается с воздухом во впускном трубопроводе. Такой подход дает возможность улучшить наполнение цилиндров ДВС топливновоздушной смесью и свести до минимума загрязнение окружающей среды и потери мощности при работе на чистом водороде. Водородный автомобиль фирмы Mazda с роторнопоршневым двигателем Ванкеля Изюминка машины Mazda RX -8 Hydrogen RE это не традиционный поршневой мотор, а роторно-поршневой двигатель Ванкеля, который японцы переоборудовали под двойное питание, который имеет возможность чередовать топливо (водород и бензин). При этом хранение водорода на борту автомобиля производится в сжатом состоянии в баллонах до 350 атмосфер. Пробег на водородном топливе составляет при данном способе хранения водорода 100 км + пробег на чистом бензине 550 км. Мощность этого двигателя падает с 210 л. с. при работе на бензине до 110 л. с. Этапы развития применения углеводородных газов как топлива для отечественных автомобилей 1936 г. – Совнарком СССР принял решение о газификации автотранспорта. 1939 г. – в НАТИ создали первые газобаллонные автомобили ЗИС-30, ГАЗ-44 и автобус ЗИС-8, использовавшие компримированный (сжатый) природный газ. 1939 г. – строительство первых автомобильных газонаполнительных компрессорных станций (АГНКС) в Горловке, Мелитополе, Москве. 1949 г. – выпуск автомобилей ГАЗ-51Б и ЗИС-156 на природном газе. 1950 г. – построено 30 АГНКС. 1953-54 гг. – выпуск автомобилей для работы на сжиженном углеводородном газе (ГАЗ-51Ж и ЗИС-156А). 1973-75 гг. – выпуск автомобилей следующего поколения: ЗИЛ-138, ГАЗ-52-07, ГАЗ53-07, ЗИЛ-138В1, ЗИЛ-ММЗ-45023. 1970-е гг. – разработка унифицированной газобаллонной аппаратуры для автомобилей ЗИЛ-130, ГАЗ-53, а также их модификаций. 1981 г. – принятие госпрограммы развития газобаллонного автотранспорта. 1982 г. – начало серийного производства автомобилей ГАЗ-52-27, ГАЗ-53-27 и ЗИЛ-138А, использующих компримированный (сжатый) природный газ. 1980-е гг. – серийный выпуск автобусов, легковых и грузовых автомобилей на заводах ГАЗ, РАФ, ЛАЗ, ЛиАЗ, УАЗ, КамАЗ, ММЗ. 1990 г. – производство природного газа превысило 1 млрд. м3. 1990-е гг. – создание сети заправок СУГ и КПГ. Автомобильный транспорт с газобаллонным оборудованием в СССР ГАЗ-44 ЛиАЗ-677М ЗИС-156А ЗИЛ-138 Обобщение опыта стимулирования использования газомоторного топлива. Организационные меры:  ограничение использования дизельного топлива на автомобилях малой и средней грузоподъемности/пассажировместимости (Бразилия, Египет, Южная Корея);  ограничение использования любых углеводородных видов моторного топлива за исключением природного газа на муниципальных автобусах и мусороуборочных автомобилях (Франция);  ограничение строительства АЗС без блока заправки машин природным газом (Италия);  нераспространение на автомобили, работающие на КПГ, запрета на въезд в природоохранные зоны (Великобритания, Италия, Чили, Китай);  нераспространение на автомобили, работающие на КПГ, ограничения движения по временам года, четным и нечетным дням, времени суток (Франция, Италия, Германия, Греция, Китай). Финансовые меры: • Выплата владельцам единовременных премий или компенсация части затрат на переоборудование автомобиля для работы на КПГ (в Италии) или на покупку нового автомобиля, использующего КПГ (в Германии); • Освобождение владельцев от платежей за парковку (в Швеции); • Освобождение импортного газозаправочного и газоиспользующего оборудования для КПГ от ввозных таможенных пошлин (действует в странах ЕС и Иране); • Отказ от ценовой привязки природного газа к нефтяному топливу (в странах ЕС), что позволяет устранить зависимость от рынка нефтяных топлив. В рамках изучения дисциплины «Газобаллонное оборудование автомобилей» студент должен знать: • преимущества и недостатки газобаллонных автомобилей; • эксплуатационные свойства газов, применяемых в качестве топлива для автомобильных ДВС; • общие требованиях к организации переоборудования базовых АТС в газобаллонные для работы на сжатом природном газе (СПГ) и сжиженном углеводородном газе (СУГ); • технические требования к газобаллонному оборудованию, устанавливаемому на АТС при переоборудовании; • технические требования к монтажу на АТС газобаллонного оборудования, включая монтаж газотопливной аппаратуры, газопроводов и баллонов для хранения газа; студент должен уметь: • определять основные неисправности газобаллонных систем и давать заключения о методах их устранения.