CC BY
42
РАЗДЕЛ I
ТРАНСПОРТ.
ТРАНСПОРТНЫЕ И ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ МАШИНЫ
УДК 621.439:629.114.5
К ВЫБОРУ ИСПАРИТЕЛЯ ЖИДКОЙ ФАЗЫ СЖИЖЕННОГО НЕФТЯНОГО ГАЗА В АВТОМОБИЛЬНОМ БАЛЛОНЕ ПРИ ОТРИЦАТЕЛЬНЫХ ТЕМПЕРАТУРАХ ОКРУЖАЮЩЕГО ВОЗДУХА
Н.Г. Певнев, д-р техн. наук, проф., М.В. Банкет
Аннотация. В связи с высокой стоимостью бензина на автомобильном транспорте все чаще применяют сжиженный нефтяной газ (ГСН), однако использование ГСН при отрицательных температурах окружающего воздуха не всегда возможно, предлагается вариант обеспечения работоспособности системы питания газом при любых температурах.
Ключевые слова: испаритель, жидкая фаза газа, сжиженный нефтяной газ, автомобильный газовый баллон, отрицательная температура.
Введение
Автомобильный транспорт относят к числу наиболее энергоемких отраслей народного хозяйства. Он является самым крупным потребителем жидкого топлива нефтяного происхождения, мировые запасы которого непрерывно сокращаются. Одним из путей решения этой глобальной проблемы является применение на транспорте газобаллонных автомобилей, работающих на газовом топливе [1].
В настоящее время превалирующее количество современных автомобилей оснащены инжекторной системой питания двигателя. При подаче газового топлива 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.
Анализ данных на рис. 1 показывает, что минимально возможная температура, при которой соблюдаются требования к работе впрысковой системы двигателя на пропане автомобильном составляет (ПА) -20 °С, а на пропан-бутане автомобильном (ПБА) -5 °С.
На автогазозаправочных станциях (АГЗС) заправка автомобилей осуществляется, как правило не ПА, а ПБА. При отрицательной температуре окружающего воздуха сначала испаряется фракция пропана, после чего бутано-вая фракция. При температуре ниже -0,5°С
бутановая фракция не испаряется, а накапливается в газовом баллоне. При выработке фракции пропана, в баллоне не будет избыточного давления насыщенных паров газа, вследствие этого эксплуатация автомобиля на этом виде топлива становится невозможной.
Учитывая продолжительность зимнего периода в условиях Сибири, использование газового топлива на автомобиле становится проблематичным в течение 5-6 месяцев, что влечет за собой увеличение эксплуатационных затрат на топливо в результате использования дорогостоящего бензина.
Анализ устройств, применяемых для поддержания давления ГСН в автомобильных газовых баллонах
Обеспечение безотказной эксплуатации автомобиля на сжиженном нефтяном газе в условиях отрицательных температур возможно двумя путями: 1) осуществлять подачу жидкой фазы ГСН с помощью насоса (жидкий фазированный распределённый впрыск (5-е поколение ГБО)); 2) поддерживать избыточное давление насыщенных паров, используя подогрев жидкой фазы ГСН.
5-е поколение ГБО предназначено для использования в любых инжекторных автомобилях и совместимо с экологическими требованиями Евро-3, Евро-4, а так же системами бортовой диагностики OBD II, OBD III и EOBD [2-4].
1-пропан, 2- ПА, 3- ПБА, 4-бутан.
Рис. 1 Изменение давления насыщенных паров ГСН по ГОСТ 27578-87, в зависимости от
температуры окружающего воздуха
В отличие от систем 4 поколения, в системах 5 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. Не использованный газ поступает обратно в баллон. Все остальное аналогично системам четвертого поколения. Схема 5-ого поколения представлена на рис. 2. К преимуществу систем 5 поколения можно от-
нести возможность запуска двигателя на газе при любых отрицательных температурах, так как исчезла необходимость испарять газ перед подачей в двигатель. К недостаткам системы можно отнести её высокую чувствительность к «грязному газу», низкую ремонтопригодность и высокую сложность. Все эти недостатки практически перечёркивают её преимущества в условиях эксплуатации в России,- степень очистки пропан-бутановой смеси у нас очень низкая.
3
5
7 6
1-ВЗУ, 2-переключатель топлива, 3-блок управления DGI, 4-клапан обратного давления, 5-форсунки, 6-газовый насос, 7-газовый баллон
Рис. 2 Схема 5-ого поколения ГБО
Из выше сказанного следует, что наиболее приемлемым для обеспечения безотказной эксплуатации автомобиля на сжиженном нефтяном
газе в условиях отрицательных температур является испарение жидкой фракции газа.
Для выбора испарителя газа необходимо произвести анализ конструкций электрических нагревателей.
Анализируя опыт подогрева газа в подземных резервуарах в системе жилищнокоммунального хозяйства, был сделан вывод, что наиболее подходящим для подогрева газа в автомобильном газовом баллоне был бы трубчатый электронагреватель (ТЭН) с авто-
матическим поддержанием заданного давления паров газа [5, 6].
Трубчатый электронагреватель (ТЭН) -электрический нагреватель сопротивления, состоящий из нагревательного элемента, имеющего на концах контактные стержни, запрессованного вместе с наполнителем в металлическую оболочку в соответствии с рис. 3 [7].
D - диаметр оболочки, L - развернутая длина ТЭН, Lk - Длина контактного стержня в заделке
Рис. 3 Схема трубчатого электронагревателя
Нагревательный элемент - металлический проводник, выполненный из сплава с высоким удельным сопротивлением.
Наполнитель - уплотненный изолирующий материал, окружающий электронагревательный элемент.
Герметизация торцов - заполнение торцов ТЭН материалом, обеспечивающим защиту наполнителя от влияния на него влаги.
Как правило напряжение питания ТЭНов 220В, также могут быть изготовлены маломощные ТЭНы напряжением 12В. Трубчатый электронагреватель может быть согнут в любую форму в холодном состоянии после отжига трубки.
В зависимости от формы ТЭНы подразделяют: трубчатые оребренные, угловые, патронные и для агрессивных сред [8]. Поскольку сжиженный нефтяной газ является агрессивной средой рассмотрим данный вид ТЭНов.
ТЭНы для агрессивных сред с металлической оболочкой. 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. Другим «конверсионным» материалом
для ТЭНов, пришедшим из атомной техники, является цирконий [8].
ТЭНы для агрессивных сред с неметаллической оболочкой. Исключительно химически стойким материалом, на который не действуют кислоты, щелочи, окислители и растворители является политетрафторэтилен (фторопласт). Он совершенно не горюч, 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. Указанные свойства означают возможность его использования в широкой области техники (гальваника, химия, биотехнология, медицина, транспорт и т.д.).
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 отложений, которые могут ухудшить теплоотдачу и вызвать выход из строя ТЭНов [8].
При постоянной работе ТЭН давление газа в баллоне может увеличиться, в результате чего произойдет сброс газа через предохранительный клапан установленный на блоке арматуры. Для того чтобы ТЭН отключался при повышении давления и при выработки газа из баллона была предусмотрена защита. Устройство защиты представляет собой схему авто-
матического выключателя с датчиком давления. Принцип действия защиты заключается в следующем (рис. 4): если переключатель вида топлива находится в разомкнутом состоянии ток по цепи не течет и автомобиль работает на бензине. При замыкании контакта ПВТ ток течет по цепи и автомобиль переходит на питание газовым топливом, при этом сигнал с датчика уровня топлива непрерывно поступает к электронному блоку управления газовыми форсунками (ЭБУГФ). При допустимом уровне давления в баллоне подвижный контакт датчика давления находится в разомкнутом состоянии. По цепи Л-К ток не течет. Если клавиша Кл включения подогревателя замкнута, а давление меньше 0,6 МПа то электрический ток течет по цепи К1-1-Кл-К2, в катушке К2 возбуждается электромагнитное поле, которое воз-
действует на контакт К2-1, он замыкается и начинает работать подогреватель ТЭН. При увеличении допустимого давления в баллоне подвижный контакт датчика замыкается. По цепи Л-К начинает течь ток, загорается лампа Л, сигнализируя, что давление в баллоне максимально. Одновременно ток начинает течь и по цепи К1, в катушке К1 возбуждается электромагнитное поле, которое действует на постоянно замкнутый контакт К1-1 и он размыкается. По цепи К1-1-Кл-К2 перестает течь ток. Катушке К2 не создает электромагнитное поле и контакт К2-1 размыкается, отключая питание подогревателя баллона. В случае выработки газа из газового баллона ЭБУГФ автоматически разомкнет цепь, так как непосредственно связан с ПВТ, тем самым отключит ТЭН не допустив его перегорания.
АБ - аккумуляторная батарея; Л - лампа; Кл - клавиша; К1, К2 - катушка; К1-1, К2-1 - контакт; ПВТ -переключатель вида топлива; ЭБУГФ - электронный блок управления газовыми форсунками
Рис. 4 Схема защиты ТЭН
Датчик давления используется серийный, применяемый для контроля давления в системе смазки двигателя (рис. 5) [9].
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 к ТЭН, а в случае повышения давления, диафрагма датчика прогибается вверх, его подвижный контакт замыкается отключая питание ТЭН и включая сигнальную лампу в цепь.
Заключение
Проведя анализ конструкций электрических испарителей можно сделать вывод, что наиболее приемлемым для испарения жидкой
Рис. 5 Датчик давления
фазы сжиженного нефтяного газа был бы электронагреватель фторопластовый (ЭНФ).
На рис. 6 изображен ЭНФ, который устанавливается на специально изготовленный фланец (аналогичный фланцу, предназначенного для установки блока арматуры). В качестве энергоносителя для получения тепла
здесь используется электрический ток напряжением 12 В, подведенный к трубчатому электронагревателю типа ЭНФ, который размещен в газовом баллоне, таким образом, чтобы он находился в жидкой фазе в погруженном состоянии.
Рис. 6 Предлагаемый вариант подогрева автомобильного газового баллона при помощи трубчатого электронагревателя для агрессивных сред (ЭНФ)
Библиографический список
1. Жилин О.Ф. Российское газовое общество, эффективный механизм проведения государственной политики в газовой сфере// «Транспорт на альтернативном топливе». 2008, №2. С 13-14.
2. www.avtogaz.land.ru/sistems/5_pokol.html
3. www.eps21.ru/agzs.shtm
4. www.alphaautogas.ru/about.html
5. Чукарин Л.А. Сельская газовая служба.- Ленинград «Недра», 1984 г. -215 с.
6. Анализ устройств, применяемых для испарения сжиженных газов в емкостях хранения / М. В. Банкет // Автомобили специальные и технологические машины для сибири и крайнего севера: материалы 59-й Междунар. науч.-техн. конф. Ассоциации автомоб. инженеров 24-25 сент. 2007 г. / Си-бАДИ. - Омск, 2007. - С. 43-52.
7. ГОСТ 13268-88 Электронагреватели трубчатые. Технические условия. - М.: Издательство стандартов, 1998.- 16 с.
8. www.forkom.ru/
9. Вахламов А.А. Автомобиль. Основы конструкции. - Москва: Машиностроение, 1981. - 257 с. - С. 44-53.
10. ГОСТ Р 52087-2003 Газы углеводородные сжиженные топливные. Технические условия. - М.: Издательство стандартов, 2003.- 7 с.
To the problem of fixing vaporizer of liquid phase in liquefied petroleum gas inner tube by low temperature of air
N. G. Pevnev, M. V. Banket
In connection with high price of gasoline in automobile transport liquefied petroleum gas is often used, however, using LPC at low temperatures of air isn’t always possible, suggesting a version of providing a capacity for work of feed system by gas at any temperature.
Певнев Николай Гаврилович - д-р техн. наук, проф., заведующий кафедрой «Эксплуатация и ремонт автомобилей» Сибирской государственной автомобильно-дорожной академии. Основное направление научных исследований - эксплуатация автомобильного транспорта. Имеет 112 опубликованных работ. e-mail: pevnev_ng@sibadi.org
Банкет Михаил Викторович - преподаватель кафедры «Эксплуатация и ремонт автомобилей» Сибирской государственной автомобильнодорожной академии. Основное направление научных исследований - эксплуатация автомобильного транспорта. Имеет 2 опубликованные работы. e-mail: pevnev_ng@sibadi.org
Статья поступила 21.01. 2009 г.
