Використання газу замість бензину на човнових моторах (Суднобудування
Чи можливе переведення катерного стаціонарного двигуна на газове паливо? Чи можна на катері із двигуном «ГАЗ-21» використовувати газогенератор? Як перевести на живлення підвісний човновий мотор? Подібні питання стали все частіше з'являтися у пошті журналу. Одних приваблює переважно низька споживча вартість газу в порівнянні з бензином, інших — можливість використання місцевого дров'яного палива.
На жаль, поки що на більшість цих питань доводиться відповідати негативно, хоча теоретично робота будь-якого бензинового двигуна на газі можлива.
Переведення чотиритактних катерних бензинових двигунів на живлення зрідженим газом у принципі цілком здійснимо, хоч і пов'язане із суттєвим зростанням маси запасу палива (разом з балоном, розрахованим на високий тиск). Однак зробити це самотужки практично дуже складно. По-перше, доведеться зіткнутися з тим, що необхідні для такого переведення апаратура, арматура та запчастини, що випускаються для серійних автомобільних газобалонних установок, у вільний продаж не надходять, а застосовувати випадкові Вузли та деталі не можна. По-друге, чималу складність уявитиме проблема заправки катера газом. По-третє, експлуатація газобалонних установок на малих суднах можлива лише за дотримання якихось певних технічних вимог, які гарантують безпеку людей, а подібних вимог поки що немає; нарешті, потрібна і спеціальна підготовка судноводіїв-аматорів, яку на сьогодні ніхто не проводить.
Двотактні ж двигуни, тобто всі човнові підвісні мотори, не можуть бути переведені на скраплений газ з конструктивних міркувань.
Однак поставлена проблема в цілому винятково актуальна і,Вочевидь, у майбутньому можна вирішити. Енергетична та екологічна кризи змушують інженерів та вчених продовжувати пошук можливостей найширшого використання газобалонних установок на транспорті — у тому числі й на малих прогулянково-туристських судах. І, як читач може переконатися, певні успіхи є (див. замітку про 55-сильних чотиритактних «Хомляйтах», що працюють на пропані).
Трохи теорії та історії
Почнемо з того, що в термодинаміці всі двигуни внутрішнього згоряння (д. ст с.) називаються газовими, а їх цикли - теплосиловими газовими циклами. Це закономірно, оскільки робочим тілом у будь-яких д. в. с. першому етапі є повітря чи його суміш із паливом (рідким чи газоподібним), але в другому етапі — продукти згоряння. У тому діапазоні температур та тисків, при яких відбуваються процеси в буд. с., робоче тіло із цілком прийнятним наближенням завжди розглядається як ідеальний газ.
Таким чином, всі існуючі різновиди буд. с. теоретично працюють на газі. Якщо ми звернемося до історії д. в. с., то переконаємося, що найперші двигуни були газовими та «практично» — працювали від балона з газом, оскільки самого поняття рідке паливо тоді не існувало.
У 1729 р. французький інженер Лебон відкрив спосіб отримання пального газу. А перший придатний для використання практично двигун, який працював на суміші світильного газу з повітрям, був побудований в 1860 р. Ленуаром. Він розвивав потужність 12 л. с., (8,8 кВт), мав нікчемний ККД, що дорівнює всього 4,6%, і був прозваний сучасниками «пожирачем газу». Незважаючи на це, двигуни Ленуара знайшли застосування на дрібних фабриках, яких у Франції до кінця минулого століття було безліч.
Завдання підвищення економічності буд. с. вдалося вирішити у 1876 р. німецькоювинахідникам Отто та Ленгену, які запропонували стискати газову суміш перед її займанням. Побудований Отто чотиритактний газовий двигун отримав високу оцінку на Паризькій Всесвітній виставці в 1878 р. Однак на транспорті цей двигун не застосовувався через дефіцит світильника, який використовували тільки для освітлення у великих містах. На початку XX століття газові двигуни споживали близько 20% всього газу, що виробляється. Згодом газове паливо було витіснене енергоємнішим рідким паливом.
У 30-х роках у деяких містах нашої країни можна було зустріти газобалонні вантажні автомобілі «ЗІС-30» та «ГАЗ-44», які працювали на стислому світильному або коксовому газі. Однак широкого поширення вони не набули, оскільки запасу газу вистачало лише на 100-130 км пробігу.
У 40-ті роки для районів, багатих на тверде паливо і віддалених від родовищ нафти, випускалися автомобілі, забезпечені газогенераторами. Газогенераторними установками, які працюють на дерев'яній чурці, обладналися також невеликі річкові буксири-газоходи.
Інтерес до застосування газового палива у буд. с. зріс після того, як було виявлено великі запаси природного газу та виникла проблема використання попутних нафтових газів. У 50-ті роки в СРСР було налагоджено серійне виробництво вантажних автомобілів «ЗІС-156» та «ГАЗ-51Б», які працювали на стислому природному та промисловому газі, пробіг їх збільшився до 210 і 190 км відповідно, а максимальна швидкість руху досягала 70— 74 км/год.
З 1953 р. розпочинається промисловий випуск вантажних автомобілів «ЗІЛ-166А» та «ГАЗ-51Ж», що працюють на зріджених нафтових газах. Пробіг їх зріс до 450 і 310 км, а швидкості до 80-78 км/год.
У 70-ті роки було розпочато випуск автомобілів, що працюють на зріджених нафтових газах:"ЗІЛ-138", "ГАЗ-52-07", "ГАЗ-53-07", "ГАЗ-24-07".
На газове паливо стали переводити і дизельні двигуни на бурильних установках, газоперекачувальних станціях, тракторах. Технічно та економічно доцільно застосовувати газове паливо на танкерах, що транспортують зріджені гази, суднах-газовозах, рейдових буксирах та суднах допоміжного флоту в місцях з налагодженим газопостачанням.
В даний час застосування газового палива в транспортних двигунах розглядається як один із способів зменшення шкідливих викидів з відпрацьованими газами в атмосферу та економії рідкого палива, запаси якого на Землі, на жаль, не безмежні.
Чому відмовилися від цурки?
При переведенні на генераторний газ бензинові двигуни значно знижують свою потужність, при цьому суттєво збільшується загальна маса установки за рахунок газогенератора. Наприклад, газогенераторний двигун «ГАЗ-42» (маса газогенератора без двигуна 240 кг) розвивав потужність 30 л. с. (21,7 кВт) замість 50 л. с. (36,7 кВт) у "ГАЗ-ММ", а газогенераторний "ЗІС-41" при масі газогенератора 390 кг мав 45 л. с. (33 кВт) замість 73 л. с. (53,6 кВт) у ЗІС-5. Загальні габарити установки також зростають.
Для підвищення потужності газогенераторних модифікацій двигунів до 85-90% від потужності їх бензинових прототипів в газогенераторних установках застосовувався турбонаддув за допомогою турбокомпресора, що працює від газів, що відпрацювали, а також збільшувалася ступінь стиснення двигуна. Еквівалентна витрата палива газогенераторної установки по відношенню до 1 кг бензину складала 3,5 кг дров'яних чурок.
Експлуатація газогенераторної установки складніше, ніж бензинового двигуна, і вимагає додаткової витрати часу на розжиг-запуск, чищення та перезарядку газогенератора. Середній час длярозпалювання-запуску газогенераторної установки влітку без застосування бензину становить 9-12 хв. У газогенераторі найбільш уразливі паливник, колосникові грати, очищувачі та газопроводи. Однак зношування двигуна в газогенераторній установці на дров'яному паливі може бути за порівнянний проміжок часу нижче зносу бензинових двигунів, причому великий вплив на зношування має ефективність очищення генераторного газу.
Навіть з огляду, що побіжно, ясно, що газогенераторні установки на швидкохідних катерах за ваговими і габаритними показниками взагалі застосовуватися не можуть. На середньому водовипромінювальний катер застосування їх у принципі можливе. Однак це спричиняє необхідність виконання спеціальних вимог пожежної безпеки та значне ускладнення обслуговування.
Наразі автомобільні газогенераторні установки не випускаються. Відомості про пристрій та розрахунок газогенераторних установок наводяться в енциклопедичному довіднику «Машинобудування» (ЕСМ), т. 11 (див. також журн. «За кермом», № 3, 1982).
Застосування природного газу дає можливість суттєво знизити токсичність газів, що відпрацювали д. в. с. і виключити забруднення атмосфери вуглеводнями, що випаровуються, завдяки закритій системі паливоподачі. Природний газ легший за повітря і випаровується вгору, на відміну від пропан-бутану і парів бензину. Відпрацьовані гази під час роботи буд. с. на природному газі практично не мають запаху та не утворюють сажі.
Властивості природного та зрідженого газу
За нормальних умов горючі гази, що мають меншу щільність, мають відповідно і меншу енергоємність, ніж рідкі палива. Тому в д. в. с. їх застосовують у стислому або зрідженому стані. Для зберігання стислих природних газів необхідні важкі балони, розраховані натиск 20 МПа чи 197 атм). Маса такого балона ємністю 50 л дорівнює 62,5 кг, а за вмістом енергії запас газу в балоні еквівалентний 10 л бензину.
Для зберігання та транспортування зріджених газів застосовуються легші балони, розраховані на тиск 1,6 МПа (15,8 атм).
Основні моторні властивості природного та зрідженого пропан-бутанового газу наведені у табл. 1.
Зріджені гази отримують головним чином при переробці нафтового (попутного) газу на газобензинових заводах, а також із природних газів газоконденсатних родовищ, що містять важкі вуглеводні. У СРСР встановлено такі марки зріджених газів: СПБТЛ - суміш пропану та бутану технічна літня, СПБТЗ - суміш пропану та бутану технічна зимова та БТ - бутан технічний. Зріджений бутано-пропановий газ повинен мати влітку пропану не менше ніж 70%, узимку — 90%. Енергетичні характеристики зріджених газів різних марок дещо відрізняються через неоднаковий вміст у них пропану та бутану. Теплота згоряння 1 л бутану вище за теплоту згоряння пропану приблизно на 14%.
При переведенні бензинових двигунів на газове паливо без спеціальних доопрацювань внаслідок меншої теплопродуктивності та погіршення наповнення падають енергетичні показники: на зрідженому газі потужність двигуна знижується на 6—8%, на природному — 10—11%. Однак високі антидетонаційні властивості нафтових газів (октанове число становить 90-96) дозволяють форсувати двигун за ступенем стиснення і працювати на ранніх кутах випередження запалення, в результаті чого підвищується літрова потужність двигуна і знижується питома витрата палива.
При роботі двигуна на газі горюча суміш має співвідношення повітря та палива, близьке до ідеального. Тому на поршнях та циліндрахдвигуна нагар не утворюється. Відсутнє розрідження мастила, внаслідок чого олію можна міняти рідше, ніж під час роботи на бензині.
Завдяки малому вмісту в газі сірки повільніше кородують поршні, кільця та випускні клапани. В результаті моторесурс двигуна підвищується в 15-2 рази і знижується витрата масла.
Основні властивості вуглеводнів, що входять до складу зріджених газів, наведено у табл. 2.
Газобалонні установки на зрідженому газі
Газобалонна установка забезпечує зберігання зрідженого газу, його випаровування, очищення, ступінчасте редукування, дозування, сумішоутворення та подачу газоповітряної суміші в двигун. Залежно від пристрою живлення газобалонні установки можуть бути універсальні (газобензинові) і чисто газові. Універсальні двигуни мають бензиновий карбюратор, пристосований до роботи як у газі, і на бензині. Порівняльні характеристики газових двигунів та їх базових моделей наведено у табл. 3.
Принципова схема універсальної газобензинової установки показано на рис. 1.
З балона 1. скраплений газ через вентиль 3(4), магістральний вентиль і фільтр 6 потрапляє у випарник, що обігрівається гарячою рідиною із системи охолодження двигуна. У випарнику газ із рідкого агрегатного стану переходить у газоподібний. Потім газ потрапляє в двоступінчастий редуктор 8. З редуктора через дозуючий пристрій газ надходить у змішувач 13 де утворюється паливо-повітряна суміш, яка потім засмоктується в циліндри двигуна.
Призначення випарника полягає в тому, щоб у найкоротший термін після запуску холодного двигуна забезпечити повне випаровування газу при максимальній його витраті.
Вентилі для зріджених газів виготовляються, з мембраннимущільненням замість звичайного сальникового, так як зріджені гази, незважаючи на невисокий тиск, мають велику здатність проникати через ущільнення.
Наповнення балона зрідженим газом повинно проводитися більш ніж на 90% за обсягом, оскільки коефіцієнт розширення газу в рідкій фазі значний. Для пропану, наприклад, він дорівнює 0,00306, тобто в 16 разів більше, ніж у води.
Тривалий відбір газу з парової фази неприпустимий внаслідок охолодження балона (через витрати тепла на випаровування) та зниження пружності парів. Крім того, при відборі з парової фази змінюється склад газу, так як насамперед витрачаються легкі компоненти. Відбором із парової фази користуються лише при запуску та прогріві холодного двигуна.
На рис. 2 наведено схему газобалонної установки французької фірми «Сітроен». Двигун чотиритактний, двоциліндровий, робочим об'ємом 600 см 3 з горизонтальним розташуванням опозиційним циліндрів і повітряним охолодженням.
Заправка балона ємністю 53 л зрідженим газом проводиться до 85% від його повного об'єму, для чого в заливній горловині встановлено клапан 2, що закривається важелем вказівника рівня палива при заправці. З балона через запірний клапан газ 4 надходить у випарник-редуктор 7. Запірний клапан відкривається тільки при пуску, для чого він з'єднаний із замком запалювання 5.
Випарник обігрівається водою від спеціальної системи з розширювальним бачком 8 і теплообмінником 11, встановленим замість бензонасоса. З випарника газ через змішувач 9 надходить у циліндри. Для полегшення пуску двигуна у випарнику встановлений електричний підігрівач, що вмикається кнопкою панелі приладів.
При переведенні на скраплений газ маса установок збільшується. Наприклад, газобалонна система легкового автомобіля важить100 кг, включаючи балон зі зрідженим газом.