Исследование влияния физико-химических свойств газомоторного топлива на эксплуатационные характеристики ДВС

Введение 5
1 Газомоторное топливо для поршневых ДВС 8
1.1 Сжиженные углеводородные газы (СУГ) 8
1.1.1 Общие сведения о СУГ 8
1.1.2 Физико-химические свойства компонентов СУГ 11
1.1.3 Эксплуатационные свойства смесей СУГ 13
1.1.4 Основные моторные свойства СУГ 15
1.2 Компримированный природный газ (КПГ) 21
1.3 Сжиженный природный газ (СПГ) 24
1.4 Оценка применимости газомоторного топлива на автомобильном транспорте в РФ 26
1.5 Выводы по главе 31
2 Сравнительный анализ эксплуатационных показателей двигателей разной размерности при работе на газомоторном топливе 33
2.1 Методика исследования 33
2.2 Бензиновый двигатель 8Ч9,2/8,8 (ЗМЗ-5231.10) 34
2.2.1 Постановка задачи 34
2.2.2 Результаты исследования 35
2.3 Бензиновый двигатель 8Ч9,2/8,0 (ЗМЗ-53) 40
2.3.1 Постановка задачи 40
2.3.2 Результаты исследования 41
2.4 Дизельный двигатель 4ЧН11,0/12,5 (Д-245.7) 45
2.4.1 Постановка задачи 45
2.4.2 Результаты исследования 46
2.5 Дизельный двигатель 4ЧН12/14 (СМД-18Н) 52
2.5.1 Постановка задачи 52
2.5.2 Результаты исследования 53
2.7 Выводы по главе 60
3 Влияние МЧ газомоторного топлива на эксплуатационные показатели ДВС 63
3.1 Методы определения детонационной стойкости газомоторного топлива 63
3.2 Определение оптимального МЧ газовой смеси 71
3.3 Выводы по главе 76
Заключение 78
Список сокращений 80
Список использованных источников 81

Весь текст будет доступен после покупки

Актуальность работы обусловлена постоянным увеличением количества транспортных средств и механизмов, оснащаемых поршневыми двигателями внутреннего сгорания (ДВС) и ужесточением требований экологических стандартов в части содержания вредных веществ в отработавших газах. Применение газомоторного топлива позволит улучшить экономические и экологические показатели ДВС [1].
В настоящее время в Российской Федерации реализуется государственная программа «Развитие энергетики», включающая подпрограмму «Развитие рынка газомоторного топлива», в которой отмечается необходимость содействия развитию внутреннего рынка природного газа как моторного топлива и проведения мероприятий по развитию рынка газомоторного топлива. Целью программы является стимулирование развития рынка газомоторного топлива, увеличение его потребления, расширение инфраструктуры и распространение транспорта на природном газе [2].
Из вышесказанного следует, что задача изучения степени влияния физико-химических свойств газомоторного топлива на эксплуатационные показатели работы ДВС является актуальной.

Весь текст будет доступен после покупки

1.1.1 Общие сведения о СУГ

СУГ не имеют запаха, бесцветные, неядовиты, тяжелее воздуха, в жидком виде обладают большим коэффициентом объемного расширения, кипят при низких температурах, что может вызвать местное обморожение тела при попадании на него сжиженного газа. К сжиженным газам относятся такие, которые переходят из газообразного состояния в жидкое при температуре окружающей среды и сравнительно небольших избыточных давлениях. Сжиженные газы должны удовлетворять следующим требованиям:
- иметь стабильный компонентный состав в условиях эксплуатации;
- обеспечивать избыточное давление насыщенных паров от 0,16 МПа до 1,6 МПа в интервале температур от плюс 45°C до минус 20°C;
- не иметь не испаряющегося осадка при испарении и редуцировании в автомобильной газовой аппаратуре. Опыт эксплуатации газобаллонных автомобилей показал, что наилучшие показатели газобаллонных автомобилей, и прежде всего экологические, могу быть получены только при строгой регламентации компонентного состава СУГ, используемого в качестве моторного топлива.
Основными компонентами СУГ являются: пропан C3H8, n-бутан C4H10, i-бутан C4H10, пропилен C3H6, бутилены C4H8, в незначительных количествах этан C2H6 и этилен C2H4.
Непредельные углеводороды в смесях СУГ нежелательны. ГОСТ 27578-2018 «Газы углеводородные сжиженные для автомобильного транспорта» [3] предусматривает выпуск двух марок СУГ:
- ПА – пропан автомобильный, применяют при температуре до минус 20-36°C;
- ПБА – пропан-бутан автомобильный, применяют при температуре до минус 20°C.

Таблица 1.1 – Физико-химические показатели СУГ
Марка ПА ПБА
Массовая доля компонентов, %:
метан и этан
пропан
углеводороды С (и выше)
непредельные углеводороды, %, не более
не нормируется
90+5 50+10
не нормируется
6
Объемная доля жидкого остатка при +40°C отсутствует
Избыточное давление насыщенных паров, МПа:
при +45°C, не более
при –35°C, не менее
при –20°C, не менее
1,6
0,07
0,07
Массовая доля серы и серистых соединений, %
не более
в том числе сероводорода, не более
0,01
0,003
Содержание свободной воды и щелочи отсутствуют

Углеводородный состав данных газов изменяется в широких пределах. Поэтому при их использовании на автотранспорте не обеспечивается стабильность мощностных, экономических показателей и показателей токсичности двигателей, а наличие примесей затрудняет работу газовой аппаратуры.
Компонентный состав СУГ для коммунально-бытовых целей очень близко подходит к составу СУГ, регламентированному ГОСТ 20448-2018 [4], которым предусматривался СУГ двух марок:
- смесь пропан-бутановая зимняя (СПБТЗ) с содержанием пропана до 75 %;
- смесь пропан-бутановая летняя (СПБТЛ) с содержанием пропана до 30 %.
Показатели смесей пропан-бутановых газов представлены в таблице 1.2.
Таблица 1.2 – Показатели смесей пропан-бутановых газов
Показатель СПБТЗ СПБТЛ
Компонентный состав, %, по массе:
метан, этан, этилен, не более
пропан и пропилен, не менее
бутан и бутилены, не более
4
75
20
6
34
60
Жидкий остаток при температуре +20°C, %, не более 1 2
Давление насыщенных паров (избыточное), МПа, не более
при плюс 45°C
при минус 20°C
1,6
0,16
1,6
–
Содержание сероводорода, г/100м3 газа, не более 5 5
Содержание общей серы, %, не более 0,015 0,015
Запах должен ощущаться при содержании газа, % 0,5 0,4

Чтобы ощутить наличие газа в воздухе, ему придается специфический запах. Для этой цели используют вещества, называемые одорантами. В качестве одоранта широко применяют этилмеркаптан (C2H2CH4). На 100 литров сжиженного газа добавляют приблизительно 2,5 грамм одоранта. При таком количестве одоранта можно по запаху определить 0,4–0,5 % газа в воздухе. Указанная концентрация не взрывоопасна, так как составляет всего 20 % от нижнего предела воспламеняемости.
В СУГ, поставляемом автомобильному транспорту, по технологическим причинам, содержится некоторое количество масла, в дальнейшем это отрицательно оказывается на надежности работы газовой аппаратуры и стабильности регулировок газового редуктора. Повышенное содержание масла в СУГ связано с тем, что в процессе транспортирования СУГ от завода-изготовителя до потребителя их несколько раз перекачивают.
Примеси в СУГ масла, тяжелых остатков концентрируются на резинотехнических изделиях газобаллонного оборудования, адсорбируют на себя одоранты, значительно повышая их местную концентрацию. По этой и ряду других причин некоторые страны отказались от использования одорантов в СУГ, применяемых в качестве моторных топлив.

1.1.2 Физико-химические свойства компонентов СУГ

Основные компоненты СУГ кипят при низких температурах, поэтому при нормальной температуре и атмосферном давлении они могут находиться только в паровой (газовой) фазе. Для хранения СУГ в жидком виде необходимо повышать давление. Оно зависит от температуры окружающей среды. Чем выше температура, тем более должно быть давление для сохранения газа в жидкой фазе. Рассмотрим наиболее характерные физико-химические свойства основных компонентов СУГ. Физико-химические свойства компонентов СУГ представлены в таблице 1.3 [5].

Весь текст будет доступен после покупки

1 Прогноз развития энергетики мира и России 2019 / А.А. Макаров [и др.]. – Москва : ИНЭИ РАН, 2019. – 210 с.
2 Государственная программа Российской Федерации «Развитие энергетики» // Министерство энергетики РФ : официальный сайт. – 2014. – URL: https://minenergo.gov.ru/node/323 (дата обращения 20.12. 2022).
3 ГОСТ 27578-2018. Газы углеводородные сжиженные для автомобильного транспорта. Технические условия = Liquefied hydrocarbon gases for automobile transport. Specifications : Межгосударственный стандарт : издание официальное : утвержден и введен в действие Приказом Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии от 9 октября 2018 г. № 729-ст : взамен ГОСТ 27578-87 : дата введения 2019-07-01 / разработан Акционерным обществом «Волжский научно-исследовательский институт углеводородного сырья» (АО «ВНИИУС»). – Москва : Стандартинформ, 2018. – 25 с.
4 ГОСТ 20448-2018. Газы углеводородные сжиженные топливные для коммунально-бытового потребления. Технические условия = Fuel liquefied hydrocarbon gases for domestic use. Specifications methods : Межгосударственный стандарт : издание официальное : утвержден и введен в действие Приказом Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии от 9 октября 2018 г. № 731-ст : взамен ГОСТ 20448-90 : дата введения 2019-07-01 / разработан Акционерным обществом "Волжский научно-исследовательский институт углеводородного сырья" (АО "ВНИИУС"). – Москва : Стандартинформ, 2018. – 15 с.
5 Ерохов, В. И. Физико-химические и моторные свойства газового топлива лекция № 2. Часть 1. Физико-химические и моторные свойства сжиженого углеводородного топлива / В. И. Ерохов // Автогазозаправочный комплекс + альтернативное топливо. – 2018. - №2. – С. 51-69.
6 ГОСТ 511-2015. Топливо для двигателей. Моторный метод определения октанового числа = Motor fuels. Motor method for determination of octane number : Межгосударственный стандарт : издание официальное : утвержден и введен в действие Приказом Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии от 11 декабря 2015 г. № 2151-ст : взамен ГОСТ 511-82 : дата введения 2017-01-01 / разработан Межгосударственным техническим комитетом по стандартизации МТК 31 "Нефтяные топлива и смазочные материалы", Открытым акционерным обществом "Всероссийский научно-исследовательский институт по переработке нефти" (ОАО "ВНИИ НП"). – Москва : Стандартинформ, 2016. – 47 с.
7 ГОСТ 511-2015. Топливо для двигателей. Исследовательский метод определения октанового числа = Motor fuels. Research method for determination of octane number : Межгосударственный стандарт : издание официальное : утвержден и введен в действие Приказом Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии от 11 декабря 2015 г. № 2152-ст : взамен ГОСТ 8226-82 : дата введения 2017-01-01 / разработан Межгосударственным техническим комитетом по стандартизации МТК 31 "Нефтяные топлива и смазочные материалы", Открытым акционерным обществом "Всероссийский научно-исследовательский институт по переработке нефти" (ОАО "ВНИИ НП"). – Москва : Стандартинформ, 2016. – 35 с.
8 ГОСТ Р 57433-2017. Использование природного газа в качестве моторного топлива. Термины и определения = Using of natural gas as a motor fuel. Terms and definitions : национальный стандарт Российской Федерации : издание официальное : утвержден и введен в действие Приказом Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии от 30 марта 2017 г. № 223-ст : введен впервые : дата введения 2017-09-01 / разработан Акционерным обществом "Головной научно-исследовательский и проектный институт по распределению и использованию газа" (АО "Гипрониигаз"), Обществом с ограниченной ответственностью "Газпром газомоторное топливо" (ООО "Газпром газомоторное топливо"). – Москва : Стандартинформ, 2017. – 8 с.
9 Ерохов, В. И. Физико-химические и моторные свойства газового топлива лекция № 2. Часть 2. Физико-химические и моторные свойства компримированного природного газа / В. И. Ерохов // Автогазозаправочный комплекс + альтернативное топливо. – 2018. - №4. – С. 147-165.
10 Газомоторные топлива на основе метана. Анализ требований к качеству и исходному сырью / Л. А. Гнедова, К. А. Гриценко, Н. А. Лапушкин [и др] // Вести газовой науки. – 2015. - №1 (21). – С. 86-97.
11 ГОСТ 27577-2022. Газ природный топливный компримированный для двигателей внутреннего сгорания. Технические условия = Compressed natural fuel gas for internal-combustion engines. Specifications : Межгосударственный стандарт : издание официальное : утвержден и введен в действие Приказом Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии от 3 августа 2022 г. № 725-ст : взамен ГОСТ 27577-2000 : дата введения 2023-01-07 / разработан Обществом с ограниченной ответственностью «Научно-исследовательский институт природных газов и газовых технологий — Газпром ВНИИГАЗ» (ООО «Газпром ВНИИГАЗ»). – Москва : Российский институт стандартизации, 2022. – 12 с.

Весь текст будет доступен после покупки