Работа двигателя на сжиженном нефтяном газе

Работа двигателя на сжиженном нефтяном газе

Сжиженный нефтяной газ (СНГ) получается во время извлечения сырой нефти и природного газа, а также в ходе различных процессов не­фтепереработки. Основными его составляю­щими являются пропан и бутан. Поэтому работа двигателя на сжиженном нефтяном газе не случайна.

 

Применение сжиженного нефтяного газа

 

В связи со значительным увеличением стоимости обычных видов топлива (бензина и дизельного топлива) в течение нескольких последних лет сжиженный нефтяной газ находит все более широкое применение в качестве автомобильного топлива. В настоя­щее время (на 2010 год) по оценкам в мире насчитывается более 13 миллионов автомо­билей, работающих на СНГ. Информацию о количестве автомобилей, работающих на СНГ, и сети заправочных станций СНГ в Германии можно найти в Интернете (см. [1] и [2]). В за­висимости от двигателя, системы управления и газовой системы расход топлива (по объему) для автомобилей, работающих на СНГ, на 20 — 30 % выше по сравнению с автомобилями, работающими на бензине. Несмотря на это, перевод автомобилей на СНГ окупается.

Системы СНГ различаются по способу сме­сеобразования (впрыск газообразного или жидкого СНГ), по концепции управления — с одним общим или двумя отдельными блоками управления двигателем (ведущий/ведомый). Системы со смесителями Вентури (карбюра­торного типа) могут пока что использоваться на старых автомобилях или в странах с менее строгими требованиями к ограничению токсич­ности отработавших газов.

Практически все автомобили с двигателями с искровым зажиганием, которые могут рабо­тать на СНГ, являются двухтопливными, т.е. могут работать как на СНГ, так и на бензине. В основном, системы СНГ устанавливаются при модернизации автомобиля. В то же время все больше производителей автомобилей предла­гают новые автомобили, способные работать как на бензине, так и на СНГ. На этих автомо­билях, так же как на модернизированных ав­томобилях, бак с СНГ обычно устанавливается в углублении для запасного колеса. При этом полезный объем багажника остается неизмен­ным. Запасное колесо просто убирается из автомобиля, а вместо него устанавливается комплект для ремонта шин.



Конструкция систем автомобилей на сжиженном газе

 

Хранение сжиженного газа в автомобиле

В зависимости от соотношения пропана и бу­тана, СНГ может находиться в жидком состоя­нии при температуре окружающего воздуха от -200 до +40 °С, под давлением от 3 до 15 бар. СНГ хранится в жидком состоянии в сталь­ных баллонах. Система заправки СНГ включает ограничитель, не допускающий превышения объема заправки (жидкой фазы) свыше 80 % объема баллона. Это предотвращает увели­чение давления в баллоне выше допустимого уровня при нагреве баллона. На баллоны для СНГ распространяются требования Европей­ских правил безопасности, определяющие их характеристики, дополнительное оборудова­ние и правила установки — в настоящее время ECE-R67-01 [3]. Эти требования действуют также в некоторых неевропейских странах.

Предохранительные устройства баллона для СНГ включают клапан сброса давления, элек­тромагнитный запорный клапан с встроенным ограничителем расхода (защита в случае разрыва трубопровода) и, в качестве дополнительного обо­рудования, тепловой предохранительный клапан, осуществляющий контролируемый выпуск газа в случае возгорания. Конструкция заправочной горловины не стандартизована. По этой причине в разных странах могут потребоваться различные заправочные переходники. В настоящее время разрабатываются стандартизованные нормы.

Подача сжиженного газа в двигатель

В системах с нагнетанием газообразного топлива, получаемого из СНГ подача газа из баллона в двигатель, осуществляется за счет внутреннего давления в баллоне (давления паров сжиженного газа). Поскольку при понижении тем­пературы наружного воздуха это давление также понижается, применение таких систем частично ограничено в отношении их пригодности для работы в зимних условиях.

В системах с впрыском жидкого топлива СНГ подается насосом, установленным в баллоне, который в дополнение к внутреннему давлению в баллоне создает давление подачи. В отношении их пригодности для работы в зимних условиях — такие системы сравнимы с системами впрыска бензина.

Компоненты системы на сжиженном газе

Системы СНГ включают следующие компо­ненты (см. рис.1 и 2 ):

  • заправочная горловина со встроенным об­ратным клапаном;
  • стальной бак (цилиндрической или торои­дальной формы);
  • клапан сброса давления (27 бар);
  • датчик и указатель уровня топлива;
  • клапан с встроенным ограничителем объема заправки до 80% объема баллона;
  • электромагнитный запорный клапан (в баллоне);
  • запорный клапан (в моторном отсеке);
  • испаритель с регулятором давления (только в системах с подачей газообразного сжиженного газа);
  • регулятор давления (опция в системах с подачей жидкого сжиженного газа);
  • топливная рампа сжиженного газа с газовыми форсун­ками;
  • датчики температуры и давления (на то­пливной рампе);
  • фильтр СНГ;
  • при необходимости, дополнительный (под­чиненный) электронный блок управления;
  • регулируемый насос подачи сжиженного (только в системах с подачей жидкого сжиженного газа).

Системы управления двигателем с системой сжиженного газа

Так же как в системах сжатого природного газа, в системах СНГ управление может включать один или два (ведущий/ведомый) блока управления. Система управления двигателем учитывает дав­ление и температуру газа. Она включает систему регулирования коэффициента избытка воздуха λ, адаптированную к работе двигателя на газе, и выполняет дополнительные функции, связан­ные с переключением питания с газа на бензин и обратно. В системах с подачей жидкого СНГ система управления, кроме подготовки смеси и адаптации к качеству топлива, осуществляет управление насосом подачи СНГ и регулирова­ние температуры и давления в баллоне для СНГ.



Работа двигателей на сжиженном газе

 

Системы с подачей газообразного сжиженного газа

Сжиженный газ подается из баллона в жидком состоянии через электромагнитный запорный клапан в моторной отсек, где установлен дополнитель­ный запорный клапан (см. рис.1″Система с подачей газообразного сжиженного нефтяного газа»). Затем сжиженный газ переходит в газообразное состояние с давлением 2 — 3,5 бар в испарителе с регулятором давления. Для компенсации охлаждения во время фазы изменения состояния испаритель обогревается охлаждающей жидкостью двига­теля. Из испарителя сжиженного газа по трубопроводу высокого давления поступает в топливную рампу СНГ, а оттуда подается газовыми форсунками во впускной трубопровод.

Система воздухозабора двигателя остается без изменений, за исключением соединения газовых форсунок с впускным трубопроводом.

Система с подачей газообразного сжиженного нефтяного газа

 

Смесеобразование в двигателе с сжиженным газом

Смесеобразование осуществляется таким же образом, как в обычных многоточечных системах впрыска бензина. Топливная рампа сжиженного газа снабжает отдельные газовые форсунки газообразным СНГ. Система управления дви­гателем определяет требуемое количество подаваемого топлива и корректирует его путем регулирования λ. Количество топлива дополнительно корректируется путем регули­рования температуры и давления в топливной рампе СНГ.

Газообразный сжиженный газ вытесняет некоторое ко­личество воздуха из впускного трубопровода, что приводит к потерям заряда смеси на двига­телях без наддува. В связи с этим при работе на газе можно ожидать снижения эффективной мощности двигателя на 2-4 %.

Системы с подачей жидкого сжиженного нефтяного газа

 

В системах с подачей жидкого сжиженного газа (см. рис.2 «Система подачи жидкого сжиженного нефтяного газа») подача топлива осуществляется насосом, управляемым системой управления двига­телем. Некоторые системы также включают регулятор давления. Системы с подачей жид­кого СНГ должны быть оборудованы линией возврата топлива в бак. Кроме того, форсунки для сжиженного газа должны подавать топливо снизу, чтобы обеспечить удаление пузырьков паров газа, образующихся, например, при пуске горячего двигателя.

Система подачи жидкого сжиженного нефтяного газа

 

Смесеобразование в системе с подачей жидкого сжиженного газа

Также, как в обычных системах многоточеч­ного впрыска топлива, сжиженный газ подается во впуск­ной трубопровод перед впускными клапанами двигателя. Испарение сжиженного газа, про­исходящее во время подачи СНГ (эффект Джоуля-Томпсона) вызывает понижение температуры газовоздушной смеси, что ока­зывает благоприятное влияние на объемный к.п.д. двигателя и его рабочие характеристики. Поэтому в случае подачи жидкого сжиженного газа эффек­тивная мощность двигателя может быть даже несколько выше, чем при работе на бензине.

В настоящее время на стадии разработки находятся системы прямого впрыска жидкого сжиженного газа в камеру сгорания (LPG-DI).

Выбросы отработавших газов

В отношении ограничения количества выбро­сов токсичных составляющих отработавших газов НС, СО и NO*, использование в качестве топлива сжиженного газа дает некоторые преимущества. Что касается выбросов СO2, то здесь ситуация еще лучше. Здесь, при работе на сжиженном газе снижение количества выбросов может достигать 10%, по сравнению с работой на бензине. В основном это обусловлено более низким содержанием углерода в сжиженном газе. В отличие от дизельных дви­гателей, в выбросах практически отсутствуют твердые частицы. Работа двигателя на сжиженном газе также дает преимущества в отношении вред­ных для здоровья человека составляющих отработавших газов, содержание которых не ограничивается законодательством. Напри­мер, при работе на СНГ имеет место значи­тельно более низкое содержание в отрабо­тавших газах ароматических углеводородов (например, бензола).

В отличие от работы на СПГ (сжатом при­родном газе), работа двигателя на сжиженном газе не требует каких-либо изменений в системе очистки отработавших газов. В основном при работе на СНГ используются те же компоненты, что и при работе на бензине.

В следующей статье я расскажу о работа двигателя на сжатом природном газе.

Список литературы:

[1] gastankstellen.de.

[2] autogastanken.de.

[3] ECE-R67: Standard conditions on the:

  • Approval of specific equipment of motor vehicles using LPG in their propulsion system.
  • Approval of a vehicle fitted with specific equipment for the use of LPG in its propulsion system with regard to the installation of such equipment.

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *