Повышение эксплуатационной надежности газобаллонных автомобилей при низких температурах окружающего воздуха

Повышение эксплуатационной надежности газобаллонных автомобилей при низких температурах окружающего воздуха

Н.Г. Певнев,

зав. кафедрой Сибирской государственной автомобильно-дорожной академии (СибАДИ), профессор, д.т.н., М.В. Банкет, аспирант СибАДИ

В последнее десятилетие ХХ в. в мировой экономике начала набирать силу волна популярности сжиженного нефтяного газа (СУГ) как моторного топлива. Сегодня только в США пропановый бизнес оценивается в 8 млрд. долл. США. По прогнозам специалистов эта волна достигнет своего высшего уровня к концу первой четверти ХХ! в. В России также наблюдается повышенный интерес к использованию СУГ в качестве моторного топлива. Так, рост объемов СУГ, реализуемого через автомобильные газовые заправочные станции (АГЗС), за последние три года вырос на 60% [1].

По мнению аналитиков, если стоимость нефтяного жидкого моторного топлива в течение ближайших лет повысится, спрос перераспределится в сторону СУГ.

В настоящее время в России основными альтернативными видами моторного топлива являются ком-примированный природный газ (КПГ) и СУГ [2].

Реализация КПГ в Российской Федерации в 2008 г. продолжила свой рост и составила 321 млн. м3, что на 4% больше, чем в предыдущем году. Традиционно наибольшим спросом пользуется метан у автомобилистов Ставропольского края. За год тут было продано более 33 млн. м3, что составляет более 10% от общероссийского рынка КПГ. На втором месте находится Свердловская область - 28,2 млн. м3, на третьем Краснодарский край - 23,2 млн. м3, затем Челябинская область - 19,7 млн. м3, Ростовская область - 16,1 млн. м3. Самый впечатляющий рост спроса в 2008 г. по сравнению с 2007 г. отмечен в Башкирии - 80% (7,6-13,6 млн. м3). За последние семь лет спрос на автомобильный метан значительно вырос. Почти на 60% вырос спрос на КПГ в Республике Адыгея и Оренбургской области [3].

Однако в некоторых регионах России инфраструктура для применения КПГ не подготовлена, требуется значительное финансирование для внедрения КПГ на автомобильном транспорте, что в условиях финансового кризиса не представляется возможным. Например, в Западной Сибири широкое распространение получил СУГ, так как здесь находятся нефтеперерабатывающие заводы и научные центры по использованию СУГ на автомобильном транспорте.

История развития газомоторного топлива показывает, что применение газа в двигателях внутреннего сгорания зависит от следующих основных факторов: уровня технического прогресса; дефицита нефтяного моторного топлива; ухудшения экологии городов, вызванного вредными выбросами автомобилей, работающих на бензине и дизельном топливе; наличия ресурсов и уровня добычи нефти и газа.

Сейчас во всем мире СУГ производится и используется как высококачественное бытовое и альтернативное моторное топливо, что является следствием основных его преимуществ:

экономическая целесообразность применения;

экологическая безопасность газовых двигателей;

износостойкость цилиндропор-шневой группы газового двигателя;

возможность использования СУГ при температуре окружающей среды и умеренных давлениях как в жидком, так и газообразном состоянии. В жидком виде эти газы хранятся и легко транспортируются, а в газообразном используются и имеют лучшую, чем искусственные газы, характеристику сгорания при отсутствии вредных примесей.

Особенностью автомобилей, переоборудованных на СУГ, является оснащение их комплектом газобаллонного оборудования для обеспечения работы на газовом топливе при сохранении штатной бензиновой системы питания. При переоборудовании базовых грузовых и легковых автомобилей на СУГ не требуется принципиальных изменений конструкций. Двигатели грузовых и легковых автомобилей, переоборудованных на СУГ, работают полноценно как на сжиженном газе, так и на бензине.

Недостатками СУГ являются:

одорация (присутствие неприятного запаха в узлах и агрегатах при использовании одорированного СУГ);

незначительное снижение мощности двигателя автомобиля;

травмоопасность;

невозможность эксплуатации автомобилей, работающих на СУГ, при низких температурах окружающего воздуха [4].

Согласно ГОСТ 16350-80 территория России расположена в макрокли-матических районах с умеренным и холодным климатом [5]. В результате чего проблема эксплуатации автомобилей, работающих на СУГ, при отрицательных температурах окружающего воздуха является актуальной.

В настоящее время превалирующее количество современных автомобилей оснащено инжекторной системой питания двигателя. При подаче

Р,МПа

>г

2 с * £

*! «

г

-35 -30 -25 -20 -15 -10 -5

Рис. 1. Изменение давления насыщенных паров СУГ по ГОСТ 27578-87 в зависимости от температуры пропан-бутанового топлива: 1 - пропан; 2 - ПА; 3 - ПБА; 4 - бутан

СУГ через электромагнитные форсунки по требованию ГОСТ Р 52087-2003 необходимо обеспечить избыточное давление насыщенных паров газа от 0,1 до 0,15 МПа в интервале температур от +35°С до -30°С [6].

Анализ данных (рис. 1) показывает, что минимально возможная температура пропан-бутанового топлива, при которой соблюдаются требования к работе впрысковой системы питания двигателя на пропане автомобильном (ПА), составляет -20°С, а на пропан-бутане автомобильном (ПБА) -5°С. На АГЗС заправка автомобилей выполняется, как правило, не ПА, а ПБА.

В баллоне СУГ находится в двух состояниях - в жидком и парообразном. В двигатель СУГ поступает в жидком состоянии, а в редукторе-испарителе он переходит в парообразное состояние. Давление паровой фазы в баллоне позволяет поддерживать давление газа после испарителя по принципу сообщающихся сосудов. После испарителя

давление газа будет равно давлению газа в баллоне [7].

Следует отметить, что большое влияние на температуру газового топлива оказывает не только температура окружающей среды, но и место расположения газового баллона (в салоне или на раме автомобиля).

С учетом продолжительности зимнего периода в России, в частности, в Сибири, использование СУГ на автомобиле становится проблематичным в течение 5-6 мес., что влечет за собой увеличение эксплуатационных затрат на топливо в результате использования дорогостоящего бензина.

Повышение эксплуатационной надежности газобаллонных автомобилей в условиях отрицательных температур возможно получить двумя методами:

1) применять СУГ марки ПА;

2) применять устройства для поддержания давления СУГ в автомобильных газовых баллонах.

Применять СУГ марки ПА в настоящее время не представляется возмож-

Рис. 2. Схема трубчатого электронагревателя: Э - диаметр оболочки; L - развернутая длина ТЭН; Lk - длина контактного стержня в заделке

ным ввиду ограниченных поставок его нефтеперерабатывающими заводами.

Поддерживать давление СУГ в автомобильных газовых баллонах с помощью устройств возможно также двумя путями:

1) выполнять подачу жидкой фазы СУГ с помощью насоса - жидкий фазированный распределенный впрыск (5-е поколение ГБО);

2) поддерживать избыточное давление насыщенных паров, используя подогрев жидкой фазы СУГ.

Обеспечить безотказную эксплуатацию автомобилей на СУГ при низких температурах можно за счет применения топливных систем ГБО 5-го поколения [8]. В отличие от систем 4-го поколения в топливных системах 5-го поколения газ поступает в цилиндры в жидкой фазе. Для этого в баллоне находится газовый насос, который обеспечивает циркуляцию жидкой фазы газа из баллона через рампу газовых форсунок с клапаном обратного давления [9].

Рис. 3. Общий вид автомобильного газового баллона с установленным дополнительным фланцем

К недостаткам топливной системы 5-го поколения следует отнести ее высокую чувствительность к «грязному газу», низкую ремонтопригодность и большую сложность. Все эти недостатки практически перечеркивают ее преимущества в условиях эксплуатации в России и поэтому упомянутое газобаллонное оборудование не нашло широкого применения в России.

Из вышесказанного следует, что наиболее приемлемым для обеспечения безотказной эксплуатации автомобиля на СУГ в условиях отрицательных температур является испарение жидкой фракции газа.

Для выбора испарителя газа необходимо произвести анализ конструкций нагревателей.

Анализируя опыт ГОУ ВПО «СибАДИ» и МГТУ «МАМИ», которые в разное

<ш

Транспорт на СУГ

время предлагали устройства для испарения СУГ, такие как утилизационный контур отработавших газов двигателя на баллоне СУГ [7], электронагревательный контур на баллоне СУГ, вариант подогрева автомобильного газового баллона с помощью охлаждающей жидкости [10], а также опыт подогрева газа в подземных резервуарах в системе жилищно-коммунального хозяйства, можно сделать вывод, что наиболее подходящим для подогрева газа в автомобильном газовом баллоне был бы трубчатый электронагреватель (ТЭН) [11,12].

Трубчатый электронагреватель - это электрический нагреватель сопротивления, состоящий из нагревательного элемента и имеющий на концах контактные стержни, запрессованный вместе с наполнителем в металлическую оболочку в соответствии с рис. 2 [13].

В зависимости от формы ТЭНы подразделяются на трубчатые ореб-ренные, угловые, патронные и для агрессивных сред [14]. Поскольку СУГ является агрессивной средой, рассмотрим данный вид ТЭНов.

ТЭНы из коррозионностойких металлов изготавливаются по условиям работы в конкретной емкости (вид раствора, концентрация, рабочая температура, время разогрева). Для оболочек стандартных ТЭНов, кроме бесшовных труб из нержавеющей стали 12Х18Н10Т, рекомендуемой для слабых растворов кислот и щелочей (рН=5-9), в агрессивных средах используется химически стойкая сталь 10Х17Н13М2Т, а также такие металлы как медь, свинец, титан, цирконий и тантал [14].

Исключительно химически стойким материалом, на который не дейс-

твуют кислоты, щелочи, окислители и растворители, является политетрафторэтилен (фторопласт). Он совершенно негорюч, абсолютно негигроскопичен, обладает практически нулевой адгезией и относится к одним из лучших диэлектриков. Естественно, такой материал привлекателен для устройств низкотемпературного электронагрева, поскольку диапазон его рабочих температур от -60°С до +250°С. Для подогрева нефтепродуктов в оборудовании нефтедобычи и емкостях хранения, особенно в зимних условиях, фторопластовые нагреватели также имеют преимущества как по требованиям безопасности, так и по отсутствию коррозионных отложений, которые могут ухудшить теплоотдачу и вызвать выход из строя ТЭНов [14].

В наших исследованиях были испытаны два варианта оболочки ТЭНа (медь и нержавеющая сталь), так как оболочку из фторопласта изготовить не представилось возможным.

Для установки ТЭНа необходимо произвести конструктивную доработку газового баллона, которая должна производиться на заводе-изготовителе. Она заключается в установке на баллон дополнительного фланца, аналогичного фланцу, предназначенному для блока арматуры (рис. 3).

На рис. 4 показано место расположения ТЭНа в газовом баллоне на примере 50-литрового цилиндрического автомобильного баллона.

При размещении дополнительного фланца необходимо соблюдать следующие условия: ТЭН должен быть размещен в газовом баллоне таким образом, чтобы он находился в жидкой фазе в погруженном состоянии,

нагревательная часть ТЭНа должна располагаться вблизи трубки забора газа блока арматуры для наиболее эффективного использования нагревателя, доступ к фланцу после монтажа баллона должен быть свободным.

ТЭН крепится к фланцу только с помощью латунных конусных муфт [15].

На рис. 5 представлен фланец с трубчатым электронагревателем, закрепленным посредством латунной конусной муфты. Материал фланца

- латунь, материал оболочки ТЭНа

- бесшовная медная трубка марки М1 диаметром 10 мм, конусная муфта -внутренний диаметр 10 мм, наружный 14 мм, датчик давления - ММ120Д [16].

Преимуществами данного соединения являются: возможность демонтажа ТЭНа из фланца при обслуживании или выходе ТЭНа из строя; минимальные затраты при замене ТЭНа (замена конусной муфты); возможность регулировать длину ТЭНа в зависимости от диаметра газового баллона.

Для поддержания заданного давления предусмотрена автоматичес-

Рис. 5. Соединение фланца и ТЭНа с помощью латунных конусных муфт: 1 - контактная часть ТЭНа; 2 - датчик давления; 3 - фланец для крепления ТЭНа; 4 - ТЭН; 5 - конический штуцер; 6 - конусная муфта

Рис. 6. Схема автоматической защиты ТЭНа: АБ - аккумуляторная батарея; Л - лампа; Кл - клавиша; К1, К2 - катушки; К1-1, К2-1 - контакты; ПВТ - переключатель вида топлива; ЭБУГФ - электронный блок управления газовыми форсунками

Литература

кая схема защиты ТЭНа, которая представлена на рис. 6 [9].

На схеме рис. 6 питание указано от аккумуляторной батареи (АБ), но на автомобиле АБ и генераторная установка запитаны параллельно, поэтому все потребители электроэнергии при работающем ДВС питаются от генераторной установки.

Датчик давления используется серийный, применяемый для контроля давления в системе смазки двигателя (рис. 7) [16].

Датчик ввернут в резьбовое отверстие во фланце трубчатого электронагревателя и каналом соединен с газовым баллоном. Если давление в баллоне менее 0,6 МПа, то диафрагма датчика остается неподвижной, и электрический ток поступает в ТЭН, а в случае повышения давления диафрагма датчика прогибается вверх, его подвижный контакт замыкается, отключая питание ТЭНа и включая сигнальную лампу в цепь. После монтажа ТЭНа в газовый баллон не-

обходимо произвести испытания на герметичность. Схема защиты выполнена в виде блока, который крепится в подкапотном пространстве автомобиля.

Предложенный вариант обеспечения работоспособности с использованием ТЭНа позволит выполнять круглогодичную эксплуатацию газобаллонных автомобилей с достаточно высокими эффективными показателями.

Выводы

1. В регионах, где имеется развитая инфраструктура для использования СУГ на автомобильном транспорте, применение этого вида жидкого моторного топлива следует считать перспективным.

2. Для обеспечения круглогодичной эксплуатации автомобильного транспорта на СУГ можно рекомендовать предложенный вариант поддержания заданного давления в автомобильном газовом баллоне.

Рис. 7. Датчик давления

1. http://firma-trader.ru/sggaz.html.

2. Ким А.А. Актуальность принятия Федерального закона «Об использовании альтернативных видов моторного топлива». - Транспорт на альтернативном топливе, № 3 (9) 2009. - С. 24.

3. Кавтарадзе Р.З. Новости из регионов. - Транспорт на альтернативном топливе, № 3 (9) 2009. - С. 44-46.

4. http://www.ikirov.ru/article_id_265_ mid_129.html.

5. ГОСТ 16350-80 «Районирование и статистические параметры климатических факторов для технических целей».

- М.: Государственный комитет СССР по гидрометеорологии и контролю природной среды, 1981. - С. 114.

6. ГОСТ Р 52087-2003 «Газы углеводородные сжиженные топливные. Технические условия». - М.: Издательство стандартов, 2003. - С. 7.

7. Певнев Н.Г. Техническая эксплуатация газобаллонных автомобилей: Учебное пособие. Омск. СибАДИ. - 2002 г. - С. 218.

8. http://www.avtogaz.land.ru/sistems / 5_pokol.html.

9. Певнев Н.Г., Банкет М. В. К выбору испарителя жидкой фазы сжиженного нефтяного газа в автомобильном баллоне при отрицательных температурах окружающего воздуха. Вестник СибАДИ. - Омск, 2009. - С. 5-9.

10. Ерохов В.И. Система питания двигателя внутреннего сгорания сжиженным газовым топливом. АГЗК+АТ. 2008 г., № 2 (38) - С. 55-60.

11. Чукарин Л.А. Сельская газовая служба. - Ленинград «Недра», 1984 г.

- С. 215.

12. Банкет М.В. Анализ устройств, применяемых для испарения сжиженных газов в емкостях хранения: Материалы 59-й Международной научно-технической конференции Ассоциации автомобильных инженеров (24-25.09.2007 г). - Омск. СибАДИ, 2007. - С. 43-52.

13. ГОСТ 13268-88 «Электронагреватели трубчатые. Технические условия». - М.: Издательство стандартов, 1998. - С. 16.

14. http://www.forkom.ru/production_ teny / ten_agressive.htm.

15. Певнев Н.Г., Банкет М. В. Анализ способов крепления трубчатого электронагревателя жидкой фазы СУГ к фланцу автомобильного баллона. - Омск. СибАДИ, 2009. - С. 244-247.

16. Вахламов А.А. Автомобиль. Основы конструкции. - Москва: Машиностроение, 1981. - С. 44-53.