Използването на газ вместо бензин в извънбордови двигатели (Корабостроене
Възможно ли е да се преобразува стационарен двигател на лодка на газово гориво? Възможно ли е да се използва газов генератор на лодка с двигател GAZ-21? Как да конвертирам моя извънбордов двигател на газ? Подобни въпроси започнаха да се появяват все по-често в пощата на списанието. Някои са привлечени главно от ниската потребителска цена на газа в сравнение с бензина, докато други са привлечени от възможността за използване на местно гориво от дървесина.
За съжаление, досега на повечето от тези въпроси трябва да се отговори отрицателно, въпреки че теоретично работата на всеки бензинов двигател на газ е възможна.
Прехвърлянето на четиритактови извънбордови бензинови двигатели на втечнен газ по принцип е напълно осъществимо, въпреки че е свързано със значително увеличаване на масата на захранването с гориво (заедно с цилиндър, предназначен за високо налягане). Въпреки това е много трудно да направите това сами. Първо, ще трябва да се изправите пред факта, че оборудването, фитингите и резервните части, необходими за такъв трансфер, произведени за серийни автомобилни инсталации с газови бутилки, не се предлагат за свободна продажба и не могат да се използват произволни компоненти и части. Второ, проблемът с зареждането на лодката с газ ще представлява значителна трудност. Трето, експлоатацията на газови бутилки на малки кораби е възможна само ако се спазват определени специфични технически изисквания, които гарантират безопасността на хората, а такива изисквания все още не съществуват; И накрая, има нужда от специално обучение за любители навигатори, което днес никой не осигурява.
Двутактовите двигатели, т.е. всички извънбордови мотори за лодки, не могат да бъдат преобразувани на втечнен газ поради конструктивни причини.
Проблемът като цяло обаче е изключително актуален и,очевидно в бъдеще може да бъде решен. Енергийната и екологичната криза принуждават инженерите и учените да продължат да търсят възможно най-широко използване на инсталациите с газови бутилки в транспорта, включително малки лодки за развлечение. И, както читателят може да види, има някои успехи (вижте бележката за четиритактовите "Khomleites" с пропан и 55 конски сили).
Малко теория и история
Да започнем с факта, че в термодинамиката всички двигатели с вътрешно горене (ДВГ) се наричат газ, а техните цикли се наричат топлинно-енергийни газови цикли. Това е естествено, тъй като работният орган във всеки d. с. на първия етап е въздух или неговата смес с гориво (течно или газообразно), а на втория етап - продукти от горенето. В диапазона от температури и налягания, при които протичат процесите в d. s., работният флуид с напълно приемливо приближение винаги се счита за идеален газ.
По този начин всички съществуващи разновидности на d.v. с. теоретично работи на газ. Ако се обърнем към историята на д.в. с., тогава ще се уверим, че първите двигатели са били газови и „на практика“ - те са работили от газов цилиндър, тъй като самата концепция за течно гориво тогава не е съществувала.
През 1729 г. френският инженер Лебон открива метод за производство на горим газ. И първият двигател, подходящ за практическа употреба, работещ със смес от осветителен газ и въздух, е построен през 1860 г. от Lenoir. Той развива мощност от 12 литра. с., (8,8 kW), имаше незначителен коефициент на полезно действие, равен на само 4,6%, и беше наречен от съвременниците "газоядец". Въпреки това двигателите Lenoir намериха приложение в малки фабрики, от които имаше много във Франция до края на миналия век.
Задачата за повишаване на ефективността на d.v. с. успява да разреши през 1876 г. от немизобретателите Ото и Ленген, които предложиха газовата смес да се компресира, преди да се запали. Четиритактовият газов двигател, построен от Ото, е високо оценен на Световното изложение в Париж през 1878 г. Този двигател обаче не се използва в транспорта поради недостига на газ за осветление, който се използва само за осветление в големите градове. В началото на 20 век газовите двигатели консумират около 20% от целия произведен газ. Впоследствие газообразните горива бяха заменени с по-енергоемки течни горива.
През 30-те години в някои градове на страната ни могат да се срещнат камиони с газов балон "ЗИС-30" и "ГАЗ-44", които работят на сгъстено осветление или коксов газ. Те обаче не получиха широко разпространение, тъй като захранването с газ беше достатъчно само за 100-130 км пробег.
През 40-те години се произвеждат автомобили, оборудвани с газови генератори за райони, богати на твърдо гориво и отдалечени от петролни полета. Газовите генератори, работещи на дървен клин, също бяха оборудвани с малки влекачи за речен газ.
Интерес към използването на газообразни горива в д.в. с. се увеличи, след като бяха открити големи запаси от природен газ и възникна проблемът с използването на свързаните нефтени газове. През 50-те години на миналия век в СССР стартира серийно производство на камиони ЗИС-156 и ГАЗ-51Б, работещи на компресиран природен и промишлен газ, пробегът им нараства съответно до 210 и 190 км, а максималната скорост достига 70-74 км / ч.
От 1953 г. започва промишленото производство на камиони ZIL-166A и GAZ-51Zh, работещи с втечнени нефтени газове. Пробегът им нараства до 450 и 310 км, а скоростта до 80-78 км/ч.
През 70-те години стартира производството на автомобили, работещи с втечнен нефтен газ:"ЗИЛ-138", "ГАЗ-52-07", "ГАЗ-53-07", "ГАЗ-24-07".
Дизеловите двигатели на сондажни платформи, газопомпени станции и трактори започнаха да се преобразуват на газово гориво. Технически и икономически целесъобразно е използването на газово гориво на танкери, превозващи втечнени газове, газовози, рейдови влекачи и кораби на спомагателния флот в места с установено газоснабдяване.
Понастоящем използването на газово гориво в транспортните двигатели се счита за един от начините за намаляване на вредните емисии от отработените газове в атмосферата и спестяване на течно гориво, чиито запаси на Земята, уви, не са неограничени.
Защо изоставиха клина?
При преминаване към генераторен газ, бензиновите двигатели значително намаляват мощността си, докато общата маса на инсталацията се увеличава значително поради газовия генератор. Например, газогенераторният двигател GAZ-42 (масата на газовия генератор без двигател е 240 kg) развива мощност от 30 литра. с. (21,7 kW) вместо 50 литра. с. (36,7 kW) от GAZ-MM, а газовият генератор ZIS-41 с маса на газовия генератор 390 kg имаше 45 литра. с. (33 kW) вместо 73 литра. с. (53,6 kW) при ZIS-5. Габаритните размери на инсталацията също растат.
За да се увеличи мощността на газогенераторните модификации на двигателите до 85-90% от мощността на техните бензинови прототипи, в газогенераторните инсталации беше използвано турбокомпресор, използващ турбокомпресор, захранван от отработени газове, и степента на компресия на двигателя също беше увеличена. Еквивалентният разход на гориво на газогенераторната установка спрямо 1 кг бензин беше 3,5 кг дърва.
Работата на газовия генератор е по-сложна от бензиновия двигател и изисква допълнително време за запалване, стартиране, почистване и презареждане на газовия генератор. Средно време зазапалване-пускане на газова генераторна инсталация през лятото без използване на бензин е 9-12 минути. В газовия генератор най-уязвими са горивната камера, решетката, пречиствателите и газопроводите. Въпреки това, износването на двигател в газов генератор на дърва може да бъде по-ниско от това на бензиновите двигатели за сравним период от време, като ефективността на почистване на генераторния газ има голямо влияние върху износването.
Дори от бегъл преглед става ясно, че газовите генераторни инсталации на високоскоростни лодки изобщо не могат да се използват по отношение на теглото и габаритните размери. На лодка със средна водоизместимост използването им по принцип е възможно. Това обаче води до необходимостта от спазване на специални изисквания за пожарна безопасност и значително усложняване на поддръжката.
В момента не се произвеждат автомобилни газогенераторни агрегати. Информация за проектирането и изчисляването на газогенераторни инсталации е дадена в енциклопедичния справочник "Инженеринг" (ESM), т. 11 (виж също списание "Зад волана", № 3, 1982 г.).
Използването на природен газ позволява значително намаляване на токсичността на отработените газове. с. и премахване на атмосферното замърсяване чрез изпаряване на въглеводороди благодарение на затворена система за подаване на гориво. Природният газ е по-лек от въздуха и се изпарява нагоре, за разлика от пропан-бутана и бензиновите пари. Изгорели газове по време на работа с. на природен газ, те са практически без мирис и не образуват сажди.
Свойства на природния и втечнения газ
При нормални условия горимите газове, които имат по-ниска плътност, имат съответно по-ниска енергийна интензивност от течните горива. Следователно в д.в. с. използват се в пресовано или втечнено състояние. Съхранението на компресирани природни газове изисква тежки бутилки, предназначени заналягане 20 MPa или 197 atm). Масата на такъв цилиндър с капацитет 50 литра е 62,5 kg, а по отношение на енергийното съдържание запасът от газ в цилиндъра е еквивалентен на 10 литра бензин.
За съхранение и транспортиране на втечнени газове се използват по-леки бутилки, предназначени за налягане от 1,6 MPa (15,8 atm).
Основните двигателни свойства на природния и втечнения газ пропан-бутан са дадени в табл. 1.
Втечнените газове се получават главно по време на преработката на нефтен (свързан) газ в газо-бензинови инсталации, както и от природни газове от газови кондензатни находища, съдържащи тежки въглеводороди. В СССР са установени следните марки втечнени газове: SPBTL - техническа лятна смес от пропан и бутан, SPBTZ - техническа зимна смес от пропан и бутан и BT - технически бутан. Втечненият газ бутан-пропан трябва да има поне 70% пропан през лятото и 90% през зимата. Енергийните характеристики на втечнените газове от различни марки се различават донякъде поради различното съдържание на пропан и бутан в тях. Калоричността на 1 литър бутан е приблизително с 14% по-висока от калоричността на пропана.
Когато бензиновите двигатели се преобразуват на газово гориво без специални модификации, поради по-ниска топлинна мощност и влошаване на пълненето, енергийните показатели падат: на втечнен газ мощността на двигателя намалява с 6-8%, на природен газ - 10-11%. Въпреки това, високите антидетонационни свойства на нефтените газове (октаново число е 90-96) позволяват да се увеличи степента на сгъстяване на двигателя и да работи при по-ранно време на запалване, което води до увеличаване на мощността на двигателя в литри и намаляване на специфичния разход на гориво.
Когато двигателят работи на газ, горимата смес има съотношение въздух-гориво, близко до идеалното. Следователно, на бутала и цилиндривъглеродните отлагания на двигателя не се образуват. Няма разреждане на смазката, в резултат на което маслото може да се сменя по-рядко, отколкото при работа с бензин.
Поради ниското съдържание на сяра в газа, буталата, пръстените и изпускателните клапани корозират по-бавно. В резултат на това моторният ресурс на двигателя се увеличава 1,5–2 пъти и разходът на масло намалява.
Основните свойства на въглеводородите, които съставляват втечнените газове, са дадени в таблица. 2.
LPG инсталации
LPG инсталацията осигурява съхранение на втечнен газ, неговото изпаряване, пречистване, стъпаловидно намаляване, дозиране, смесване и подаване на газовъздушна смес към двигателя. В зависимост от устройството на захранващата система газовите бутилки могат да бъдат универсални (бензин) и чисто газови. Универсалните двигатели имат бензинов карбуратор, пригоден за работа както на газ, така и на бензин. Сравнителните характеристики на газовите двигатели и техните основни модели са дадени в таблица. 3.
Принципна схема на универсална газово-бензинова инсталация е показана на фиг. 1.
От цилиндър 1. втечненият газ през клапан 3(4), главен клапан и филтър 6 влиза в изпарителя, загрят от гореща течност от охладителната система на двигателя. В изпарителя газът от течно агрегатно състояние преминава в газообразно състояние. След това газът навлиза в двустепенния редуктор 8. От редуктора, през дозиращото устройство, газът навлиза в смесителя 13, където се образува смес от гориво и въздух, която след това се засмуква в цилиндрите на двигателя.
Целта на изпарителя е да осигури пълно изпаряване на газа при неговия максимален дебит възможно най-скоро след стартиране на студен двигател.
Вентилите за втечнени газове се произвеждат с диафрагмауплътнение вместо обичайната салникова кутия, тъй като втечнените газове, въпреки ниското налягане, имат висока способност да проникват през уплътненията.
Пълненето на цилиндъра с втечнен газ не трябва да бъде повече от 90% от обема, тъй като коефициентът на разширение на газа в течната фаза е значителен. За пропана, например, той е 0,00306, т.е. 16 пъти по-голям от този на водата.
Дългосрочното извличане на газ от парната фаза е неприемливо поради охлаждане на цилиндъра (поради консумация на топлина за изпаряване) и намаляване на налягането на парите. В допълнение, по време на екстракцията от парната фаза съставът на газа се променя, тъй като леките компоненти се изразходват първо. Извличането на парна фаза се използва само при стартиране и загряване на студен двигател.
На фиг. 2 е показана схема на газова бутилка на френската фирма Citroen. Двигателят е четиритактов, двуцилиндров, работен обем 600 cm 3 с хоризонтално срещуположно разположение на цилиндрите и въздушно охлаждане.
Пълненето на цилиндър с вместимост 53 литра с втечнен газ се извършва до 85% от общия му обем, за което е монтиран клапан 2 в гърловината за пълнене, който се затваря от лоста на индикатора за нивото на горивото при зареждане. От цилиндъра, през спирателния вентил 4, газът навлиза в изпарителя-редуктор 7. Спирателният вентил се отваря само при стартиране, за което е свързан към ключа за запалване 5.
Изпарителят се нагрява с вода от специална система с разширителен резервоар 8 и топлообменник 11, монтиран вместо горивната помпа. От изпарителя газът навлиза в цилиндрите през смесителя 9. За улесняване на стартирането на двигателя в изпарителя е монтиран електрически нагревател, който се активира с бутон на арматурното табло.
При преминаване към втечнен газ масата на инсталациите се увеличава. Например LPG системата на един автомобил тежи100 кг включително бутилка LPG.