Основные свойства сжиженных углеводородных газов. Конструктивные особенности газобаллонного оборудования для сжиженного нефтяного газа

ГАЗОБАЛЛОННОЕ ОБОРУДОВАНИЕ АВТОМОБИЛЕЙ Лекция № 2 «Основные свойства сжиженных углеводородных газов. Конструктивные особенности газобаллонного оборудования для сжиженного нефтяного газа» Типы ДВС по способу применения газового топлива • однотопливные (газовые) – двигатели, работающие только на природном газе с воспламенением газовоздушной смеси в цилиндрах от электрической искры или свечи накаливания. • двухтопливные (битопливные) – с универсальной системой питания и с искровым зажиганием, включающие две равноценные системы питания на газе и бензине с независимым питанием двигателя одним из топлив; • двухтопливные газожидкостные (газодизельные) – с системой питания, у которой часть дизельного топлива при работе двигателя на компримированном природном газе используется в качестве запальной дозы для воспламенения газовоздушной смеси в ДВС. Применительно к бензиновым ДВС с искровым зажиганием наиболее часто применяется концепция битопливного автомобиля, суть которого заключается в том, что ДВС имеет две системы питания топливом, одна из которых предназначена для работы на бензине, а другая – для работы на газе. Трансформация легкового транспортного средства с бензиновым ДВС в битопливный вариант представляет собой оснащение газобаллонным оборудованием чаще всего для сжиженного углеводородного газа. Газобаллонное оборудование (ГБО) транспортного средства — дополнительное оборудование, позволяющее хранить и подавать в двигатель внутреннего сгорания (ДВС) газообразное топливо. Сжиженный углеводородный газ Сжиженные углеводородные газы (СУГ) или сжиженный нефтяной газ (СНГ, англ. LPG – Liquefied petroleum gas) получают: 1) из широкой фракции легких углеводородов, (ШФЛУ) которую, в свою очередь, выделяют из попутного нефтяного газа – сопутствующего продукта нефтедобычи. Путем разделения ШФЛУ получают технический бутан и технический пропан, пропан автомобильный (ПА) или смесь ПБА (пропан-бутан автомобильный). В целом типичный состав ШФЛУ выглядит следующим образом: этан от 2 до 5%; сжиженный газ фракций 40-85% (пропан и бутан); гексановая фракция от 15 до 30%, на пентановую фракцию приходится остаток. 2) при переработке сырой нефти или ее соединений на нефтеперерабатывающих заводах. Сжиженные углеводородные газы относятся к низкокипящим жидкостям, способным находиться в жидком состоянии под давлением насыщенных паров. Температура кипения при атмосферном давлении: пропан - 420С; бутан 0,50С. Основное преимущество СУГ – возможность их существования при температуре окружающей среды и небольших давлениях, как в жидком, так и в газообразном состоянии. В жидком состоянии они легко перерабатываются, хранятся и транспортируются, в газообразном имеют лучшую характеристику сгорания. СУГ практически не пахнет, поэтому для безопасности и своевременной диагностики утечек газа в него добавляют незначительные количества сильнопахнущих веществ – одоранты. Одоризация – процесс добавления в газ химического соединения, для придания ему характерного запаха. Для одорации применяется этилмеркаптан (С2Н5SH), представляющий собой неприятно пахнущую жидкость плотностью 0,839 кг/л и с точкой кипения 35°С. Порог чувствительности запаха 0,00019 мг/л, концентрация одоранта составляет 2,5г/100л. Показатели Пропан Бутан Бензин Химическая формула C3H8 C4H10 C8H18 Коэффициент диффузии в воздухе, см2 / с 0,0977 0,0605 0,06 Пределы воспламеняемости по коэффициенту избытка воздуха 0,4 … 1,7 0,35 … 1,67 0,3 … 1,3 Температура кипения, оC -43 -0,5 30 - 225 Октановое число (по исследовательскому методу) 111 102 92…98 81,8 18,2 82,8 17,2 85 15 Теплота сгорания стехиометрической смеси, МДж/нм3 3,41 3,47 3,74 Плотность при 15 оC 0,508 0,584 0,73 - 0,78 Содержание, % по массе: - углерода - водорода И пропан, и бутан лучше бензина смешиваются с воздухом, поэтому в процессе смесеобразования готовится более гомогенная топливовоздушная смесь, что подтверждается более высоким коэффициентом диффузии. Более полному сгоранию в двигателе также способствуют более широкие пределы воспламенения углеводородных газов. При использовании газа в качестве топлива для автомобильных двигателей исключается возможность попадания жидкой фазы в цилиндры ДВС, вследствие чего снижается смывание масляной пленки со стенок цилиндра и замедляется изнашивание цилиндропоршневой группы. Срок службы моторного масла увеличивается в 1,5…2 раза, а расход его в эксплуатации уменьшается на 15…20 %. Углеводородные газы обладают высокой детонационной стойкостью. Это обеспечивает возможность использования высоких степеней сжатия в ДВС с искровым зажиганием, что благоприятно сказывается на топливной экономичности двигателя. При правильной регулировке и нормальном оптимальном режиме работы системы подачи газового топлива применение СУГ заметно снижает суммарную токсичность отработавших газов (ОГ). Выбросы вредных веществ автомобилем ГАЗ-2410, г/км (данные НАМИ) Вид топлива СО C n Hm NOx СО2 Бензин АИ-92 10,3 2,17 2,25 2,1 СУГ 4,7 1,19 2,15 2,0 Однако если сравнивать выделение теплоты на единицу объема горючей смеси, то окажется, что при использовании СУГ оно снижается по сравнению с бензином на 6...8 %. Поэтому при переводе двигателя с жидкого топлива на СУГ при одних и тех же режимах работы его мощность снижается. Причины этого явления связаны в основном с уменьшением теплоты сгорания горючей смеси и коэффициента наполнения цилиндра. Поскольку в двигатель сжиженный газ поступает в газообразном состоянии, то по сравнению с бензином несколько уменьшается наполнение им цилиндров. Уменьшается массовый заряд топлива в цилиндре. Наиболее заметно (на 5...10%) снижается мощность двигателя при высокой частоте вращения коленчатого вала. При небольшой частоте вращения, когда объем заряда смеси, поступающей в цилиндры двигателя, сравнительно невелик, заметного снижения мощности не происходит. Подогрев горючей смеси в газовых двигателях оказывает вредное воздействие на характеристики рабочего процесса. Поэтому подогрев нецелесообразно применять в современных газовых двигателях. Однако ранней установкой угла опережения зажигания до ВМТ на 3–5° этот недостаток частично устраняется. Большой разницы в условиях эксплуатации автомобиля, работающего на газе или на бензине, не ощущается. Битопливный автомобильный ДВС + - • достаточная простота монтажа газобаллонного оборудования на автомобиле; • более низкая стоимость газомоторного топлива по сравнению с традиционными видами топлив; •лучшие экологические характеристики газомоторного топлива; •увеличение дальности пробега транспортного средства. • утяжеление автомобиля и усложнение его конструкции; • необходимость изменения регулировок ДВС при переходе с бензина на газ; • выбор газобаллонной аппаратуры производится, зачастую, без анализа особенностей конвертируемого ДВС; •необходимость легализации газобаллонного оборудования. Применительно к бензиновым ДВС с искровым зажиганием наиболее часто применяется концепция битопливного двигателя, работающего как на СУГ, так и на бензине. Суть ее заключается в том, что ДВС имеет две системы питания топливом, одна из которых предназначена для работы на бензине, а другая – для работы на газе. Трансформация бензинового ДВС в битопливный вариант представляет собой оснащение транспортного средства газобаллонным оборудованием. Следует отметить, что никакой официально утвержденной, международной классификации автомобильного газобаллонного оборудования не существует. Ниже приведены описания ГБО, деление которых на поколения достаточно условно. Тем не менее, приведенная классификация наиболее часто встречается в практике производителей и установщиков газобаллонного оборудования. Следует отметить, что никакой официально утвержденной, международной классификации автомобильного газобаллонного оборудования не существует. Ниже приведены описания ГБО, деление которых на поколения достаточно условно. Тем не менее, приведенная классификация наиболее часто встречается в практике производителей и установщиков газобаллонного оборудования. Порядок регистрации ГБО •Пройти предварительную экспертизу, подтверждающую возможность установки ГБО; •Написать заявление в ГИБДД и получить разрешение на переоборудование ТС; •После получения разрешения установить газобаллонное оборудование; •Пройти внеочередной техосмотр; •Пройти заключительную экспертизу после установки газобаллонного оборудования; •Подать заявление в ГИБДД на внесение произошедших изменений в техническую документацию ТС (в техпаспорт). Схема ГБО 1-го поколения 1 - баллон СУГ с блоком арматуры (мультиклапаном); 2 - электромагнитный клапан (СУГ); 3 – редуктор-испаритель; 4 - механический регулирующий клапан (дозатор); 5 – смеситель; 6 – карбюратор; 7- электромагнитный клапан (бензин); 8 – бензобак; 9 – переключатель газ/бензин Газовый баллон – стальной резервуар, предназначенный для хранения сжиженного нефтяного газа при температуре от – 40° до + 45 °C. На легковом автомобиле он крепится в багажном отделении или в нише для запасного колеса, а на малотоннажных автомобилях – на раме. Газовый баллон для СУГ может иметь цилиндрическую или тороидальную форму. Установка газового баллона Установите на горловину баллона мультиклапан. Закрепите жестко торроидальный баллон в нише запасного колеска. Запрещается: •устанавливать баллоны не имеющие технического паспорта, с истекшим сроком периодического освидетельствования или с поврежденным корпусом; •применение сварки для присоединения деталей крепления к баллону. Газобаллонное оборудование на транспортных средствах в специально уполномоченных организациях подвергается периодическим испытаниям с периодичностью, совпадающей с периодичностью освидетельствования баллонов, установленной изготовителем баллонов и указанной в паспорте на баллон (баллоны). Газовые баллоны для СУГ проверяются раз в два года. По результатам периодических испытаний специально уполномоченные организации оформляют свидетельство о проведении периодических испытаний газобаллонного оборудования, установленного на транспортном средстве. Мультиклапан устанавливается на горловину баллона и служит его запорным устройством: • обеспечивает отсечку дальнейшей заправки при заполнении баллона на 80-85% жидкой фазой - защита от переполнения баллона; • обеспечивает аварийное стравливание газа при превышении давления в баллоне (предохранительный клапан); • имеет встроенный скоростной клапан, ограничивающий выход газа при обрыве магистрального трубопровода – обеспечивает защиту от утечек. Выносное заправочное устройство (ВЗУ) предназначено для подключения заправочного шланга газонаполнительной станции и заправки баллона газом. Встроенный обратный клапан препятствует выбросу газа из системы при отсоединении заправочного устройства газонаполнительной станции. Установка заправочного устройства Установите заправочное устройство, учитывая пожелания клиента; Для подсоединения заправочного устройства к баллону используйте медную трубку диаметром 8 мм. Для подачи газа из баллона в газовый редуктор используйте медную трубку диаметром 6 мм. Схема размещения элементов ГБО 1 поколения на автомобиле Медные трубки для ГБО Электромагнитный клапан Кнопка переключения топлива Установка переключателя вида топлива •Установите переключатель вида топлива, учитывая пожелания клиента; •Протяните провода подключения переключателя в салон автомобиля по штатному жгуту проводов; •Просверлите отверстие диаметром 12 мм под переключатель в выбранном заранее месте. Внимание! Действуйте аккуратно, чтобы не повредить штатную проводку автомобиля. •Протяните проводку через отверстие. Вставьте разъем в переключатель. Приклейте переключатель к заглушке на двухсторонний скотч. Редуктор-испаритель Двухступенчатый редуктор-испаритель 1 – входной канал для газа, 2 – седло клапана первой ступени, 3 – диафрагма второй ступени, 4 – диафрагма разгрузочного устройства, 5 – пружина разгрузочного устройства, 6 – электромагнит, 7 – постоянный магнит, 8 – рычаг клапана второй ступени, 9 – регулировочный винт холостого хода, 10 – клапан второй ступени, 11 – канал, 12 – диафрагма первой ступени, 13 – рычаг клапана первой ступени, 14 – пружина, 15 – клапан первой ступени, А – полость камеры первой ступени, В – полость камеры второй ступени, С – полость теплообменника, D – полость разгрузочного устройства, Е – штуцер разгрузочного устройства. Редуктор состоит из корпуса, двух крышек и деталей клапанных механизмов. В полости С непрерывно циркулирует горячая ОЖ из системы охлаждения двигателя. В результате этого весь корпус редуктора прогревается до рабочей температуры двигателя и, поэтому, сжиженный газ, попадая через канал 1 в полость А, испаряется и переходит в газообразное состояние. При этом газ воздействует на диафрагму первой ступени 12 и, преодолевая сопротивление пружины 14, смещает её вниз и через рычаг 13 закрывает клапан первой ступени 15. Равновесие силы давления газа и силы упругости пружины достигается при давлении 0,05…0,07 МПа. Из полости А через канал 11 газ поступает к клапану первой ступени 10 и, проходя через него, заполняет полость В второй ступени. При этом газ воздействует на диафрагму 3 второй ступени, поднимает её, и через рычаг 8 закрывает клапан 10. Равновесие наступает при давлении в полости В 50…100 Па (0,0005…0,001 кГ/см2), то есть, чуть выше атмосферного. При работающем двигателе разрежение из смесителя передается по шлангу в полость В второй ступени и газ из неё поступает в смеситель. При этом давление в полости В снижается, диафрагма 3 опускается, открывает клапан 10 второй ступени, и газ из полости А поступает в полость В, а оттуда в смеситель. По мере расхода газа из полости А давление в ней снижается, диафрагма 12 поднимается, открывает клапан первой ступени 15 и газ из канала 1 поступает в полость А. Разгрузочное устройство D предназначено для принудительного закрытия клапана второй ступени 10 при неработающем двигателе. Это необходимо для обеспечения пожарной безопасности автомобиля. Полость D связана с штуцером Е и далее, через шланг, с задроссельным пространством двигателя. При неработающем двигателе в полости D атмосферное давление и пружина 5 через рычаг 8 принудительно закрывает клапан 10 второй ступени, в результате чего газ из редуктора не выходит. При работающем двигателе разрежение из задроссельного пространства по шлангу, через штуцер Е передается в полость D. При этом диафрагма разгрузочного устройства, преодолевая сопротивление пружины 5, опускается и не препятствует движению рычага 8, которым управляет диафрагма 3 второй ступени. На короткое плечо рычага 8 воздействует пружина и регулировочный винт 9 холостого хода. При помощи этого винта настраивают работу двигателя на холостом ходу. Электромагнит 6 используется для принудительного открытия клапана 10 второй ступени. Это может потребоваться для выпуска газа из редуктора перед его обслуживанием или ремонтом. Для включения электромагнита водитель нажимает на кнопку управления в кабине. При этом напряжение 12В подается на обмотку электромагнита 6. Его сердечник втягивается внутрь обмотки и воздействует на рычаг 8, открывая клапан 10 второй ступени, – газ поступает в смеситель. Сердечник электромагнита выступает наружу и, в случае необходимости, водитель может нажать на него непосредственно, со стороны моторного отсека. Установка газового редуктора •Для крепления редуктора необходимо изготовить 2 кронштейна из металлической полосы. •Газовый редуктор должен располагаться ниже уровня охлаждающей жидкости в расширительном бачке. Подключение обогрева газового редуктора Подключение газового редуктора к системе охлаждения двигателя осуществляется с помощью Т – образных переходников, устанавливаемых в малый круг циркуляции охлаждающей жидкости, как правило в шланги на отопитель салона. Через каждые 500 км пробега (после 3-4 заправок) автомобиля на газе необходимо производить слив газового конденсата из редуктора. Разлив газового конденсата в подкапотном пространстве не допускается, так как приводит к появлению запаха в салоне автомобиля! Газовый конденсат в ГБО - жидкость коричнево-бурого цвета, имеет неприятный въедливый запах бензольных смол (в зависимости от состава газовой горючей смеси), может иметь гамму запахов от резкого ацетонового до запаха табачного дыма (это зависит от состава присадок, которые добавляют для запаха газа). пробка для слива конденсата Механический регулирующий клапан (дозатор) Дозатор регулирует количество подаваемого газа в двигатель в зависимости от его нагрузки. Дозатор снабжен вакуумным устройством. Разрежение из коллектора передается в полость дозатора, при этом диафрагма, выгибаясь, увлекает за собой связанный с ней шток 1, и плунжер 4, поднимаясь, уменьшает проходное для газа отверстие. Смеситель Смеситель – это устройство, обеспечивающее приготовление газовоздушной смеси. Внешний вид кольцевых смесителей для топливных систем с моновпрыском ГБО 2-го поколения ГБО 2 поколения представляется собой механические системы ГБО 1 поколения, дополненные электро-механическим дозирующим устройством. ГБО 2 поколения могут устанавливаться на автомобили, оснащенные инжекторным двигателем с катализатором и одним датчиком кислорода. Электро-механический дозатор имеет шаговый электродвигатель, который управляется собственным, независящим от штатного контроллера. • 1-е поколение: система эжекционного типа (газ поступает в камеру сгорания в момент всасывания под действием сил разрежения воздуха во впускном коллекторе двигателя) для использования в карбюраторных и инжекторных (моновпрыск) автомобилях без катализатора. • 2-е поколение: ГБО 1-го поколения + электромеханическая система контроля подачи и регулировки потока газа, которое устанавливается на инжекторные автомобили с каталитическим нейтрализатором и датчиком кислорода. Преимущества Недостатки Невысокая стоимость оборудования Низкие нормы токсичности Высокая ремонтопригодность Медленная реакция ГБО при изменении режима работы ДВС Простота и доступность регулировки газового оборудования Возможность самовоспламенения газовоздушной смеси во впускном коллекторе Антихлопковые клапана – это обязательный элемент для газобаллонного оборудования первого и второго поколений. Антихлопковый клапан представляет собой механизм для сброса избыточного давления, образующегося при сгорании воздушно-газовой смеси в во впускном коллекторе. Газобаллонное оборудование III поколения Системы, обеспечивающие распределенный синхронный впрыск газа по цилиндрам с дозатором-распределителем, который управляется электронным блоком управления, принято относить к ГБО третьего поколения. В этих системах газ подается во впускной коллектор с помощью механических форсунок, которые открываются за счет избыточного давления в магистрали подачи газа. Однако такие системы выпускались достаточно недолго, поскольку оборудование оказалось недостаточно надежным в эксплуатации, а также из-за отсутствия понятного инструмента для настройки и регулировки электронного блока управления. Газобаллонное оборудование IV поколения ГБО четвертого поколения характеризует наличие отдельных электромагнитных форсунок впрыска газа в каждый цилиндр, что полностью аналогично распределенной системе впрыска бензина. Системы распределенного последовательного впрыска газа с электромагнитными форсунками, которые управляются более совершенным электронным блоком. Основываясь на сигналах, подаваемых на впрыск бензина, газовый ЭБУ формирует управляющий сигнал на газовые электромагнитные форсунки, а подачу импульсов на бензиновые блокирует. Для коррекции смесеобразования используются дополнительно устанавливаемые датчики: температуры газа, давления газа, температуры редуктора. Рампа газовых форсунок Установка рампы форсунок Используя крепеж, имеющийся в комплекте, изготовьте кронштейны для крепления рампы форсунок на клапанной крышке двигателя. Соедините газовые штуцера на впускном коллекторе с соответствующими штуцерами газовой рампы форсунок, фиксируя пружинными хомутами. Располагайте рампу форсунок вертикально. Горизонтально расположенная рампа может привести к образованию конденсата внутри самой форсунки. Это уменьшает срок службы и искажает длительность открытия газовых форсунок. Установка газовых врезок на впускном коллекторе Выбирая место для установки рампы форсунок, примите во внимание, что для 4-х цилиндровых двигателей максимальная длина подающего шланга должна быть в пределах 20 см, а для 6 цилиндровых – 30 см. Все шланги должны быть одной длины, допустимое расхождение – 1,5 см. Врезки устанавливаются на одинаковом расстоянии от бензиновых форсунок, расстояние от которых не должно превышать 5 см. Просверлите отверстие, используя сверло 4,8 мм, а затем нарежьте резьбу метчиком М6х1. Внимание! Сверлите аккуратно, стружка и обломки сверла или метчика могут негативно отразиться на работе двигателя и рампы форсунок! Нанесите на резьбовую часть штуцера фиксатор резьбы (например, Loctite 542) и закрутите его в просверленное ранее отверстие. Установка вакуумного штуцера управления газового редуктора Просверлите отверстие в общей части впускного коллектора за дроссельной заслонкой, используя сверло 4,8 мм, а затем нарежьте резьбу метчиком М6х1. Установка электронного блока управления (ЭБУ) Располагайте ЭБУ там, где будет наиболее отдален от источников тепла, системы зажигания и прямого попадания воды. Разрешается устанавливать ЭБУ как горизонтально, так и вертикально (контактами вниз). Установка датчика МАР Датчик МАР представляет собой совокупность датчиков разряжения во впускном коллекторе, давления и температуры газа в одном корпусе. Данный датчик необходимо устанавливать на минимальном расстоянии от рампы форсунок. При установке также имеет значение его ориентация. Установка и укладка газовых шлангов от редуктора до рампы форсунок При укладке шлангов необходимо убедиться, что в процессе эксплуатации шланги не перетрутся от вибрации, не перегнутся, не попадут на выпускной коллектор и на вращающиеся элементы навесного оборудования двигателя. • 3-е поколение: ГБО 2-го поколения + система параллельного впрыска газа. • 4-е поколение: система распределенного впрыска газа. Подача газа осуществляется во впускной коллектор на каждый цилиндр двигателя. 3-е поколение Преимущества Недостатки простота конструкции и ремонта оборудования не использует топливные карты бензинового ЭБУ нормы токсичности Евро-2 4-е поколение отсутствие «хлопков» во впускном коллекторе небольшая потеря мощности более точное дозирование газа по цилиндрам нормы токсичности до Евро-4 высокая скорость реакции при изменении режима работы ДВС сложность настройки оборудования Принципиальная схема ГБО 5-го поколения - LPi (Liquid Propane injection) нейтрализатор ГБО 5 поколения называют: "LPI – Liquid Petroleum gas Injection" или "Распределённый впрыск сжиженного нефтяного газа". В отличие от ГБО 4 поколения, в ГБО 5 поколения газ подается во впускной коллектор в жидкой фазе. Система ГБО 5 поколения уже не имеет традиционного редуктора с испарителем: газ подается к форсункам посредством насоса, установленного в баллоне. ГБО 5 поколения характеризует наличие отдельных электромагнитных форсунок впрыска газа на каждый цилиндр. Газовые форсунки 4 размещаются во впускном коллекторе, как и бензиновые форсунки 5, т. е. полностью аналогично бензиновой системе, при этом направленность газовой струи выставлена очень точно. К преимуществу ГБО5 поколения можно отнести отсутствие потери мощности и отсутствие повышенного расхода газа, а также возможность запуска двигателя на газе при любых отрицательных температурах, так как исчезла необходимость испарять газ перед подачей в двигатель. К недостаткам системы можно отнести её высокую чувствительность к грязному газу, низкую ремонтопригодность и высокую сложность. Три этих недостатка практически перечёркивают все её преимущества эксплуатации в России. Принципиальная схема ГБО 6-го поколения - LPdi (Liquid Propane direct ingection) 1 - баллон СУГ, 2 - электромагнитный клапан (СУГ); 3 – газовая форсунка непосредственного впрыска; 4 – штатный ЭБУ; 5 – газовый ЭБУ; 6 – насос высокого давления; 7- модуль выбора топлива ГБО 6 поколения с непосредственным впрыском сжиженного пропана в камеру сгорания ДВС (распылители бензиновых форсунок расположены внутри головки блока цилиндров). Как и в системе ГБО 5 поколения, газ подается в жидкой фазе. Для того чтобы избежать сгорания распылителей бензиновых форсунок при езде на газе, разработчики приняли решение через них подавать газ в двигатель, тем самым, обеспечив постоянное охлаждение, как при работе на бензине. • 5-е поколение: система распределенного впрыска газа, находящегося в жидкой фазе, во впускной коллектор двигателя. • 6-е поколение: система непосредственного впрыска газа, находящегося в жидкой фазе, в цилиндр двигателя. Преимущества Недостатки отсутствие потери мощности высокая стоимость и сложность оборудования возможность запуска двигателя на газовом оборудовании при любых отрицательных температурах низкая ремонтопригодность оборудования высокие экологические характеристики (до Евро 6) большой срок окупаемости отсутствие повышенного расхода газа