Сжатые газы на автомобиле находятся в стальных баллонах под давлением
Добавил пользователь Cypher Обновлено: 05.10.2024
Какие бывают автомобильные газовые баллоны для ГБО метан
Одной из основных деталей метанового ГБО является емкость для хранения CNG топлива. Баллоны для метана на авто различаются не только по объёму и размерам, их главное отличие кроется в материалах и технологии производства. От правильного подхода к выбору газового бака зависят, уровень безопасности, оптимальный запас хода, а также грузопассажирские характеристики транспортного средства.
Виды баллонов для метана
В зависимости от материалов изготовления, автомобильные ёмкости для компримированного природного газа (КПГ) разделяют по типам:
- термообработка (нормализация) для придания прочностных свойств
- охлаждение
- механическая обработка со сверлением отверстия под вентиль
- нарезание конусной резьбы
- очистка, удаление окалин
- испытания (гидравлическое, пневматическое, ультразвуковое)
- маркировка
- окраска
Также производятся облегченные баллоны CNG-1 методом глубокой вытяжки из листовой стали (без сварных швов). Такие емкости имеют все необходимые прочностные параметры, но при этом их вес снижен до 20% по отношению к сосудам из труб.
Баллоны первого типа считаются очень надёжными, относительно не дорогими, однако они самые тяжёлые.
Металлокомпозитные ёмкости CNG-2 достаточно надёжны, имеют сравнительно небольшой вес. Их минус – это относительно высокая цена.
Тип 3 (КПГ-3) – емкости с металлическим лейнером из легких алюминиевых сплавов с наружной сплошной обмоткой полимерными материалами. Баллоны CNG-3 являются одними из самых лёгких и дорогих.
Тип 4 (КПГ-4) – композитные баллоны для метана имеют не металлический (пластиковый) лейнер с полимерной оболочкой по всей поверхности. Для горловины используется металлическая закладная. Ёмкости CNG-4 сверхлегкие, но очень дорогие.
Какое давление метана в баллоне авто
Метан при нормальном атмосферном давлении и температуре окружающего воздуха находится в газообразном состоянии. Поэтому для хранения необходимого количества газового топлива в ёмкостях машины, требуется уменьшать его объём методом компримирования, т.е. сжатием.
Регламентированное рабочее давление сжатого природного газа (СПГ) в баллонах автомобиля составляет 20-25 МПА (197-247 атмосфер или 200-250 бар).
Циклическая долговечность сосудов позволяет выдерживать нагрузки от заправок не менее 1000 раз за 1 год эксплуатации. Запас прочности КПГ баков в 2,4 раза превышает рабочее давление, т.е. разрушающее давление составляет не менее 48МПа.
Стоит отметить, что тороидальных баллонов для метана не существует, их производят только для пропана.
Сколько метана входит в баллон
Объём КПГ измеряется кубическими метрами (м³). Зная давление в баллоне, которое показывает штатный манометр, а также температуру окружающей среды можно рассчитать наполнение емкости самостоятельно.
Так при давлении 200 бар и t равной от -30 до +40°C в 50 литровый баллон входит 11,63-14,93 кубов метана.
Узнать вместимость любого другого метанового бака можно по формуле:
V/k=количество CNG (м³)
где, V-объём баллона, k-коэффициент, который узнаем из таблицы.
| Таблица для расчёта вместимости CNG в одном баллоне объёмом 50 литров, м³ | ||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Давление КПГ в баллоне, МПа (кг/см²) | Температура окружающей среды, °C | |||||||
| -30 | -20 | -10 | 0 | +10 | +20 | +30 | +40 | |
| 10 | 0.55 | 0.55 | 0.54 | 0.53 | 0.53 | 0.53 | 0.52 | 0.52 |
| 20 | 1.15 | 1.12 | 1.16 | 1.1 | 1.09 | 1.07 | 1.06 | 1.04 |
| 30 | 1.79 | 1.7 | 1.7 | 1.69 | 1.65 | 1.63 | 1.61 | 1.57 |
| 40 | 2.41 | 2.33 | 2.3 | 2.27 | 2.22 | 2.17 | 2.15 | 2.13 |
| 50 | 3.2 | 3.05 | 2.98 | 2.94 | 2.84 | 2.81 | 2.75 | 2.72 |
| 60 | 4.05 | 3.76 | 3.66 | 3.57 | 3.53 | 3.45 | 3.41 | 3.27 |
| 70 | 5 | 4.61 | 4.43 | 4.32 | 4.17 | 4.07 | 4.02 | 3.89 |
| 80 | 6.45 | 5.71 | 5.33 | 5.2 | 4.88 | 4.76 | 4.65 | 4.55 |
| 90 | 7.63 | 6.72 | 6.25 | 5.92 | 5.63 | 5.49 | 5.29 | 5.17 |
| 100 | 8.77 | 7.69 | 7.24 | 6.76 | 6.49 | 6.25 | 5.95 | 5.81 |
| 110 | 9.82 | 8.59 | 7.97 | 7.53 | 7.24 | 6.96 | 6.63 | 6.47 |
| 120 | 10.91 | 9.38 | 8.95 | 8.45 | 8 | 7.79 | 7.32 | 7.14 |
| 130 | 12.04 | 10.16 | 9.85 | 9.29 | 8.78 | 8.33 | 8.02 | 7.83 |
| 140 | 12.18 | 11.11 | 10.77 | 10.14 | 9.59 | 9.09 | 8.75 | 8.54 |
| 150 | 13.16 | 11.9 | 11.36 | 10.87 | 10.27 | 9.74 | 9.38 | 9.15 |
| 160 | 13.79 | 12.5 | 12.12 | 11.43 | 11.11 | 10.39 | 10.13 | 9.76 |
| 170 | 13.93 | 13.28 | 12.69 | 11.81 | 11.49 | 10.9 | 10.63 | 10.37 |
| 180 | 14.29 | 13.64 | 13.24 | 12.5 | 12 | 11.54 | 11.25 | 10.98 |
| 190 | 14.62 | 14.18 | 13.57 | 12.84 | 12.5 | 12.03 | 11.59 | 11.18 |
| 200 | 14.93 | 14.29 | 13.81 | 12.99 | 12.66 | 12.5 | 12.19 | 11.63 |
Пример для бака на 100 литров:
Проверяем показание манометра ГБО, допустим 200 бар. Температуру за бортом возьмем +20°C. Смотрим в таблицу на пересечение этих данных и находим цифру 12,5. Далее 50л/12,5=4 – это и есть искомый коэффициент. Затем 100л/4=25. Таким образом, получается, что в 100л баллоне при t=20°C помещается 25 кубов метана.
Сколько можно проехать на таком объёме КПГ, мы уже подробно разбирали в статье о сравнении двух видов газового топлива метана и пропана.
Срок службы метанового баллона
Согласно межгосударственному стандарту ГОСТ ISO 11439-2014 срок службы, в течении которого эксплуатация КПГ емкостей считается безопасной, устанавливается изготовителем, но этот период не должен превышать 20 лет со дня производства.
По факту практически все производители автомобильных сосудов под метановое топливо устанавливают срок службы на свою продукцию 15 лет. Заводам разрешается проставлять дату истечения срока непосредственно при отгрузке товара.
К тому же на протяжении всего срока эксплуатации необходимо обязательно проходить периодическое освидетельствование баллонов:
- первый тип не реже одного раза в 5 лет. Также это условие касается и емкостей из листовой стали, что является их преимуществом перед композитными ёмкостями
- типы 2,3,4 не реже одного раза в 3 года.
Маркировка
Помимо паспорта, каждый баллон должен иметь заводскую маркировку, которая наносится ударным способом клеймами или при помощи этикеток и содержит следующую информацию:
- «КПГ (CNG) ТОЛЬКО»
- «НЕ ИСПОЬЗОВАТЬ ПОСЛЕ XX/XXXX», где XX/XXXX месяц/год истечения срока службы
- товарный знак производителя
- индивидуальный серийный номер
- рабочее давление P, при температуре T, °C
- указывается стандарт, согласно которому произведен баллон
- слова «Использовать только предохранительное устройство, имеющее паспорт и маркировку изготовителя»
- дата изготовления
- дата следующего освидетельствования
- пробное давление Pпр, Мпа
- масса пустой емкости М, кг
- вместимость (литраж) V, л
- клеймо ОТК круглой формы.
Кроме этого баллон обязательно должен быть сертифицирован. Номер сертификата также указывается в маркировке. Не сертифицированная емкость сделает невозможной регистрацию ГБО.
Баллоны без паспорта или без маркировки, а также с неразборчивой обязательной информацией, к эксплуатации запрещены.
Производители и размеры метановых баллонов
Основные заводы по производству CNG баллонов первого типа:
Продукция этих заводов обладает отличным качеством и надёжностью, соответствует всем предъявляемым требованиям по безопасности, имеет широкую линейку размеров для подбора практически к любому автомобилю.
| Баллоны ТИП 1 «MMS» | |||
|---|---|---|---|
| Объём, л | Диаметр, мм | Длина, мм | Вес, кг |
| 30 | 232 | 940 | 38 |
| 40 | 232 | 1200 | 46 |
| 50 | 232 | 1470 | 54 |
| 52 | 219 | 1660 | 60 |
| 65* | 356 | 860 | 60 |
| 80* | 356 | 1000 | 71 |
| 80* | 406 | 840 | 73 |
| 90* | 406 | 925 | 80 |
| 100 | 356 | 1210 | 96 |
| 100* | 406 | 1000 | 90 |
| 100 | 406 | 1020 | 107 |
| 120 | 406 | 1224 | 120 |
| 120 | 356 | 1380 | 110 |
| 200 | 406 | 1750 | 185 |
| * - баллоны произведенные из листовой стали | |||
| Баллоны ТИП 1 «Орск» | Баллоны ТИП 1 «Орск» | |||
|---|---|---|---|---|
| Обозначение | Объём, л | Диаметр, мм | Длина, мм | Вес, кг |
| БТ-33-20-254/882-Т | 33 | 254 | 882 | 42 |
| БТ-37-20-322/660-Т | 37 | 322 | 660 | 53 |
| БТ-39-20-322/680-Т | 39 | 322 | 680 | 52 |
| БТ-44-20-219/1400-Т | 44 | 219 | 1400 | 48 |
| БТ-50-20-254/1262-Т | 50 | 254 | 1262 | 60 |
| БТ-50-20-322/827-Т | 50 | 322 | 827 | 60 |
| БТ-52-20-219/1652-Т | 52 | 219 | 1652 | 56 |
| БТ-62-20-322/980-Т | 62 | 322 | 980 | 72 |
| БТ-70-20-254/1652-Т | 70 | 254 | 1652 | 84 |
| Баллоны ТИП 1 «Jinhua» | |||
|---|---|---|---|
| Объём, л | Диаметр, мм | Длина, мм | Вес, кг |
| 28 | 232 | 880 | 31,5 |
| 50 | 219 | 1620 | 53 |
| 65 | 356 | 875 | 72 |
| 70 | 356 | 930 | 73 |
| 75 | 356 | 995 | 78 |
| 80 | 356 | 1050 | 85 |
| 80 | 406 | 850 | 91 |
| 90 | 356 | 1170 | 94 |
| 90 | 406 | 930 | 96 |
| 100 | 356 | 1290 | 96 |
| 100 | 406 | 1020 | 101 |
| 120 | 356 | 1450 | 110 |
Второй тип CNG емкостей, доступный для рынка РФ, пока производят только в КНР. Самые надёжные, проверенные китайские баллоны – от предприятий:
- «Sinoma» (в Россию поставляется под брендом «Италгаз»)
- «JINHUA» (также брендируется маркой «Digitronic»)
- «Lite» завод «Anhui CLEAN ENERGY»
Облегченные металлокомпозитные баллоны третьего типа от ООО «НПФ «Реал-Шторм» г. Ижевск уже много лет поставляются на ведущие российские автозаводы, в том числе пассажирской и грузовой техники.
| Баллоны ТИП 3 «Реал-Шторм» | |||
|---|---|---|---|
| Объём, л | Диаметр, мм | Длина, мм | Вес, кг |
| 47 | 327 | 860 | 36 |
| 50 | 327 | 900 | 37.5 |
| 67 | 327 | 1140 | 47.5 |
| 67 | 401 | 840 | 49.5 |
| 80 | 327 | 1360 | 56.5 |
| 80 | 401 | 965 | 57 |
| 85 | 401 | 1015 | 60 |
| 96 | 401 | 1125 | 67 |
| 100 | 327 | 1660 | 69 |
| 100 | 401 | 1165 | 69 |
| 123 | 327 | 2000 | 83.5 |
| 132 | 401 | 1485 | 88.5 |
| 160 | 401 | 1765 | 105.5 |
| 185 | 401 | 2005 | 120 |
Сертифицированные на территории РФ метановые баллоны 4-го типа производит компания «TK-FUJIKIN CORPORATION» Южная Корея, поставляются только оптовыми партиями под заказ.
| Баллоны ТИП 2 «TK-FUJIKIN CORPORATION» | |||
|---|---|---|---|
| Объём, л | Диаметр, мм | Длина, мм | Вес, кг |
| 42 | 311 | 820 | 14.5 |
| 60 | 335 | 1000 | 23 |
| 80 | 400 | 890 | 29 |
| 90 | 418 | 924 | 30 |
| 99 | 458 | 856 | 31 |
| 108 | 470 | 880 | 35 |
| 125 | 484 | 960 | 38 |
| 131 | 458 | 1084 | 38 |
| 138 | 358 | 1810 | 46 |
| 145 | 485 | 1070 | 47 |
| 164 | 392 | 1800 | 53 |
| 175 | 404 | 1779 | 54 |
| 236 | 458 | 1800 | 63 |
| 266 | 458 | 2044 | 71 |
| 319 | 404 | 3140 | 95 |
| 359 | 458 | 2704 | 94 |
| 464 | 650 | 1905 | 125 |
ВАЖНО! Никогда не покупайте б/у баллоны, а также емкости неизвестного производства, без документов и соответствующей сертификации. От этого напрямую зависит Ваша безопасность и безопасность окружающих Вас людей.
А у нас в машине газ…
Понятие «газовое автомобильное топливо» включает в себя две совершенно разных по составу смеси: природный газ, в котором до 98% приходится на метан, и производимый из попутного нефтяного газа пропан-бутан. Кроме безусловной горючести общим для них является ещё и агрегатное состояние при атмосферном давлении и комфортных для жизни температурах. Однако при низких температурах физические свойства этих двух наборов лёгких углеводородов здорово различаются. Из-за этого они требуют совершенно разного оборудования для хранения на борту и подачи в двигатель, да и в эксплуатации автомобили с разными системами газового питания имеют несколько существенных различий.
Пропан-бутановая смесь хорошо знакома туристам и дачникам: именно её заправляют в бытовые газовые баллоны. Она же составляет основную долю газа, который впустую сгорает в факелах нефтедобывающих и перерабатывающих предприятий. Пропорциональный состав топливной пропан-бутановой смеси может различаться. Дело не столько в исходном составе нефтяного газа, сколько в температурных свойствах получаемого горючего. Как моторное топливо чистый бутан (С4Н10) хорош во всех отношениях, кроме того, что он переходит в жидкое состояние уже при 0,5°С при атмосферном давлении. Поэтому к нему добавляют менее калорийный, но более холодостойкий пропан (С2Н8) с температурой кипения –43°С. Соотношение этих газов в смеси задаёт нижний температурный предел применения топлива, которое по этой же самой причине бывает «летним» и «зимним».
Относительно высокая температура кипения пропан-бутана даже в «зимнем» исполнении позволяет хранить его в баллонах в виде жидкости: уже под небольшим давлением он переходит в жидкую фазу. Отсюда и другое название пропан-бутанового топлива — сжиженный газ. Это удобно и экономично: высокая плотность жидкой фазы позволяет уместить в малом объёме большое количество топлива. Свободное пространство над жидкостью в баллоне занято насыщенным паром. По мере расхода газа давление в баллоне остаётся постоянным до самого его опустошения. Водителям «пропановых» машин при заправке следует заливать баллон максимум на 90%, чтобы оставить внутри место для паровой подушки.
Давление внутри баллона прежде всего зависит от температуры окружающей среды. При отрицательных температурах оно падает ниже одной атмосферы, но даже этого достаточно для поддержания работоспособности системы. Зато с потеплением оно быстро растёт. При 20°C давление в баллоне составляет уже 3—4 атмосферы, а при 50°C достигает 15—16 атмосфер. Для большинства автомобильных газовых баллонов эти значения близки к предельным. А это значит, что при перегреве в жаркий полдень на южном солнцепёке тёмный автомобиль с баллоном сжиженного газа на борту… Нет, не взорвётся, как в голливудском боевике, а начнёт сбрасывать излишки пропан-бутана в атмосферу через предохранительный клапан, предназначенный именно для такого случая. К вечеру, когда вновь похолодает, топлива в баллоне окажется заметно меньше, зато никто и ничто не пострадает. Правда, как показывает статистика, отдельные любители дополнительно сэкономить на предохранительном клапане время от времени пополняют хронику происшествий.
Иные принципы лежат в основе работы газобаллонного оборудования для машин, потребляющих в качестве топлива природный газ, в обиходе обычно именуемый метаном по своему основному компоненту. Это тот же газ, что подаётся по трубам в городские квартиры. В отличие от нефтяного газа метан (СН4) обладает низкой плотностью (в 1,6 раза легче воздуха), а главное — низкой температурой кипения. Он переходит в жидкое состояние лишь при –164°С. Наличие небольшого процента примесей других углеводородов в природном газе не сильно изменяет свойства чистого метана. А значит, превратить этот газ в жидкость для использования в автомобиле невероятно сложно. В последнее десятилетие активно велись работы по созданию так называемых криогенных баков, позволяющих хранить в автомобиле сжиженный метан при температурах –150°С и ниже и давлении до 6 атмосфер. Были созданы опытные образцы транспорта и заправок под этот вариант топлива. Но пока практического распространения эта технология не получила.
А потому в подавляющем большинстве случаев для использования в качестве моторного топлива метан просто сжимают, доводя давление в баллоне до 200 атмосфер. Как следствие, прочность и соответственно масса такого баллона должны быть заметно выше, чем для пропанового. Да и помещается в одинаковом объёме сжатого газа существенно меньше, чем сжиженного (в пересчёте на моли). А это — уменьшение автономности автомобиля. Другой минус — цена. Существенно больший запас прочности, заложенный в метановое оборудование, оборачивается тем, что цена комплекта на автомобиль оказывается почти в десять раз выше аналогичной по классу пропановой аппаратуры.
Метановые баллоны бывают трёх типоразмеров, из которых в легковом автомобиле можно разместить только самые маленькие, объёмом 33 л. Но для того, чтобы обеспечить гарантированную дальность хода в триста километров, таких баллонов нужно пять, суммарной массой 150 кг. Понятное дело, что в компактной городской малолитражке возить постоянно такой груз вместо полезного багажа смысла нет. Поэтому есть резон переводить на метан лишь большие автомобили. Прежде всего, грузовики и автобусы.
При всём этом у метана есть два существенных преимущества перед нефтяным газом. Во-первых, он ещё дешевле и не привязан к цене на нефть. А во-вторых, метановое оборудование конструктивно застраховано от проблем с зимней эксплуатацией и позволяет при желании вообще обходиться без бензина. В случае с пропан-бутаном в наших климатических условиях такой фокус не пройдёт. Автомобиль по факту останется двухтопливным. Причина именно в сжиженности газа. А точнее, в том, что в процессе активного испарения газ резко охлаждается. В результате сильно падает температура в баллоне и особенно — в газовом редукторе. Чтобы аппаратура не замерзала, редуктор подогревают, встраивая в него теплообменник, соединённый с системой охлаждения двигателя. Но чтобы эта система начала работать, жидкость в магистрали надо предварительно подогреть. А потому запускать и прогревать мотор при температуре окружающего воздуха ниже 10°С рекомендуется строго на бензине. И лишь затем, с выходом мотора на рабочую температуру, переключаться на газ. Впрочем, современные электронные системы переключают всё сами, без помощи водителя, автоматически контролируя температуру и не допуская замерзания оборудования. Правда, для поддержания корректной работы электроники в этих системах нельзя досуха опустошать бензобак даже в жаркую погоду. Пусковой режим на газу является для подобной аппаратуры аварийным, и на него систему можно переключить лишь принудительно в случае крайней необходимости.
У метановой аппаратуры никаких трудностей с зимним пуском нет. Наоборот, на этом газе в морозы запустить двигатель даже легче, чем на бензине. Отсутствие жидкой фазы не требует и подогрева редуктора, который лишь понижает давление в системе с 200 транспортировочных атмосфер до одной рабочей.
Чудеса непосредственного впрыска
Сложнее всего переводить на газ со-временные двигатели с непосредственным впрыском топлива в цилиндры. Причина в том, что газовые форсунки традиционно размещаются во впускном тракте, где и происходит смесеобразование во всех остальных типах двигателей внутреннего сгорания без непосредственного впрыска. Но наличие такового напрочь перечёркивает возможность столь легко и технологично добавить газовое питание. Во-первых, в идеале газ тоже надо подавать прямо в цилиндр, а во-вторых, и это ещё более важно, жидкое топливо служит для охлаждения собственных форсунок непосредственного впрыска. Без него они очень быстро выходят из строя от перегрева.
Варианты решения этой проблемы есть, причём как минимум два. Первый превращает двигатель в двухтопливный. Он был придуман довольно давно, ещё до появления непосредственного впрыска на бензиновых моторах и предлагался для адаптации дизелей к работе на метане. Газ не воспламеняется от сжатия, а потому «газированный дизель» заводится на солярке и продолжает на ней же работать в режиме холостых оборотов и минимальной нагрузки. А дальше в дело вступает газ. Именно за счёт его подачи регулируют скорость вращения коленвала в режиме средних и высоких оборотов. Для этого ТНВД (топливный насос высокого давления) ограничивают по подаче жидкого топлива до 25—30% от номинала. Метан поступает в двигатель по собственной магистрали в обход ТНВД. Никаких проблем с его смазкой из-за снижения подачи солярки на высоких оборотах не возникает. Дизельные форсунки при этом продолжают охлаждаться проходящим через них топливом. Правда, тепловая нагрузка на них в режиме высоких оборотов всё равно остаётся повышенной.
Аналогичную схему питания стали применять и для бензиновых моторов с непосредственным впрыском. Причём работает она как с метановой, так и с пропан-бутановой аппаратурой. Но в последнем случае более перспективным считается альтернативное решение, появившееся совсем недавно. Всё началось с идеи отказаться от традиционного редуктора с испарителем и подавать пропан-бутан в двигатель под давлением в жидкой фазе. Следующими шагами стали отказ от газовых форсунок и подача сжиженного газа через штатные форсунки для бензина. В схему добавили электронный модуль согласования, подключающий по ситуации газовую или бензиновую магистраль. При этом новая система лишилась традиционных проблем с холодным пуском на газе: нет испарения — нет и охлаждения. Правда, стоимость оборудования для моторов с непосредственным впрыском в обоих случаях такова, что окупается оно только при очень больших пробегах.
Кстати, экономическая целесообразность ограничивает применение газобаллонного оборудования в дизелях. Именно из соображений выгоды для моторов с воспламенением от сжатия используют только метановую аппаратуру, причём подходящую по характеристикам лишь двигателям тяжёлой техники, оснащённым традиционными ТНВД. Дело в том, что перевод маленьких экономичных легковых моторов с дизеля на газ себя не окупает, а разработка и техническое воплощение газобаллонной аппаратуры для новейших двигателей с общей топливной рампой (common rail) по нынешним временам считаются экономически неоправданными.
Правда, есть и другой, альтернативный путь перевода дизеля на газ — путём полной конвертации в газовый двигатель с искровым зажиганием. У такого мотора уменьшается до 10—11 единиц степень сжатия, появляются свечи и высоковольтная электрика, и он навсегда прощается с дизельным топливом. Зато начинает безболезненно потреблять бензин.
Условия работы
Старые советские инструкции по переводу бензиновых автомобилей на газ предписывали шлифовать головки блока цилиндров (ГБЦ), чтобы поднять степень сжатия. Оно и понятно: объектом газификации в них выступали силовые агрегаты коммерческого транспорта, работавшие на бензине с октановым числом 76 и ниже. У метана же октановое число 117, а у пропан-бутановых смесей оно около ста. Таким образом, оба вида газового топлива существенно менее склонны к детонации, чем бензин, и позволяют поднять степень сжатия двигателя, чтобы оптимизировать процесс сгорания.
Кроме того, для архаичных карбюраторных моторов, оснащавшихся механическими системами подачи газа, увеличение степени сжатия позволяло компенсировать потерю мощности, возникавшую при переходе на газ. Дело в том, что бензин и газы смешиваются с воздухом во впускном тракте в совершенно разных пропорциях, из-за чего при использовании пропан-бутана, а особенно метана, двигателю приходится работать на существенно более бедной смеси. Как результат — снижение крутящего момента двигателя, приводящее к падению мощности на 5—7% в первом случае и на 18—20% во втором. При этом на графике внешней скоростной характеристики форма кривой крутящего момента каждого конкретного мотора остаётся без изменений. Она просто смещается вниз по «оси ньютон-метров».
Однако для двигателей с электронными системами впрыска, оснащаемых современными системами газового питания, все эти рекомендации и цифры не имеют почти никакого практического значения. Потому что, во-первых, их степень сжатия и так достаточна, и даже для перехода на метан работы по шлифовке ГБЦ совершенно не оправданны экономически. А во-вторых, согласованный с электроникой автомобиля процессор газовой аппаратуры организует подачу топлива таким образом, что как минимум наполовину компенсирует вышеозначенный провал по крутящему моменту. В системах же с непосредственным впрыском и в газодизельных моторах газовое топливо в отдельных диапазонах оборотов и вовсе способно поднимать крутящий момент.
Кроме того, электроника чётко отслеживает необходимое опережение зажигания, которое при переключении на газ должно быть больше, чем для бензина, при прочих равных условиях. Газовое топливо горит медленнее, а значит, и поджигать его нужно раньше. По этой же причине возрастает тепловая нагрузка на клапаны и их сёдла. С другой стороны, меньшей становится ударная нагрузка на цилиндро-поршневую группу. Кроме того, для неё зимний пуск на метане существенно полезнее, чем на бензине: газ не смывает масло со стенок цилиндров. Да и вообще в газовом топливе не содержится катализаторов старения металлов, более полное сгорание топлива уменьшает токсичность выхлопа и нагар в цилиндрах.
Автономное плавание
Баллоны для сжатых газов
Для хранения и транспортировки сжатых, сжиженных и растворенных газов, находящихся под давлением, применяют стальные баллоны. Баллоны имеют различную вместимость - от 0,4 до 55 дм 3 .
Баллоны представляют собой стальные цилиндрические сосуды, в горловине которых имеется конусное отверстие с резьбой, куда ввертывается запорный вентиль. Для каждого газа разработаны свои конструкции вентилей, что исключает установку кислородных вентилей на ацетиленовый баллон и наоборот. На горловину плотно насаживают кольцо с наружной резьбой для навертывания предохранительного колпака, который служит для предохранения вентиля баллонов от возможных ударов при транспортировке.
Баллоны для сжатых, сжиженных и растворенных газов изготовляют из бесшовных труб углеродистой и легированной стали. Для сжиженных газов при рабочем давлении не свыше 3 МПа допускается применение сварных баллонов.
В зависимости от рода газа, находящегося в баллоне, баллоны окрашивают снаружи в условные цвета, а также соответствующей каждому газу краской наносят наименование газа. Например, кислородные баллоны окрашивают в голубой цвет, а надпись делают черной краской, ацетиленовый - в белый и красной краской, водородные - в темно-зеленый и красной краской, пропан - в красный и белой краской. Часть верхней сферической части баллона не окрашивают и выбивают на ней паспортные данные баллона: тип и заводской номер баллона, товарный знак завода-изготовителя, масса порожнего баллона, вместимость, рабочее и испытательное давление, дата изготовления, клеймо ОТК и клеймо инспекции Госгортехнадзора, дата следующего испытания. Баллоны периодически, через каждые пять лет, подвергают осмотру и испытанию.
Основные типы баллонов, применяемых для хранения и транспортировки кислорода, азота, водорода и других газов, приведены в таблице.
Кислородные баллоны
Для газовой сварки и резки кислород доставляют в стальных кислородных баллонах типа 150 и 150 Л. Кислородный баллон представляет собой стальной цельнотянутый цилиндрический сосуд 3, имеющий выпуклое днище 1, на которое напрессовывается башмак 2; вверху баллон заканчивается горловиной 4. В горловине имеется конусное отверстие, куда ввертывается запорный вентиль 5. На горловину для защиты вентиля навертывается предохранительный колпак 6.
Наибольшее распространение при газовой сварке и резке получили баллоны вместимостью 40 дм 3 . Эти баллоны имеют размеры: наружный диаметр - 219 мм, толщина стенки - 7 мм, высота - 1390 мм. Масса баллона без газа 67 кг. Они рассчитаны на рабочее давление 15 МПа, а испытательное - 22,5 МПа.
Чтобы определить количество кислорода, находящегося в баллоне, нужно вместимость баллона (дм 3 ) умножить на давление (МПа). Например, если вместимость баллона 40 дм 3 (0,04 м 3 ), давлением 15 МПа, то количество кислорода в баллоне равно 0,04х15=6 м 3 .
Рисунок 1 - Кислородный баллон
На сварочном посту кислородный баллон устанавливают в вертикальном положении и закрепляют цепью или хомутом. Для подготовки кислородного баллона к работе отвертывают колпак и заглушку штуцера, осматривают вентиль, чтобы установить, нет ли на нем жира или масла, осторожно открывают вентиль баллона и продувают его штуцер, после чего перекрывают вентиль, осматривают накидную гайку редуктора, присоединяют редуктор к вентилю баллона, устанавливают рабочее давление кислорода регулировочным винтом редуктора. При окончании отбора газа из баллона необходимо следить, чтобы остаточное давление в нем было не меньше 0,05-0,1 МПа.
При обращении с кислородными баллонами необходимо строго соблюдать правила эксплуатации и техники безопасности, что обусловлено высокой химической активностью кислорода и высоким давлением. При транспортировке баллонов к месту сварки необходимо твердо помнить, что запрещается перевозить кислородные баллоны вместе о баллонами горючих газов. При замерзании вентиля кислородного баллона отогревать его надо ветошью, смоченной в горячей воде.
Причинами взрыва кислородных баллонов могут быть попадания на вентиль жира или масла, падения или удары баллонов, появление искры при слишком большом отборе газа (электризуется горловина баллона) нагрев баллона каким-либо источником тепла, в результате чего давление газа в баллоне станет выше допустимого.
Таблица 1 - Типы баллонов для сжиженных газов
| Тип баллона | Давление, МПа | Предел прочности, МН/м 2 | Относительное удлинение, % | ||
| условное | гидравлическое | пневматическое | |||
| 100 | 10 | 15,0 | 10 | 650 | 15 |
| 150 | 15 | 22,5 | 15 | 650 | 15 |
| 200 | 20 | 30,0 | 20 | 650 | 15 |
| 150Л | 15 | 22,5 | 15 | 900 | 10 |
| 200Л | 20 | 30,0 | 20 | 900 | 10 |
Ацетиленовые баллоны
Питание постов газовой сварки и резки ацетиленом от ацетиленовых генераторов связано с рядом неудобств, поэтому в настоящее время большое распространение получило питание постов непосредственно от ацетиленовых баллонов. Они имеют те же размеры, что и кислородный. Ацетиленовый баллон заполняют пористой массой из активированного древесного угля (290- 320 г на 1 дм 3 вместимости баллона) или смесь угля, пемзы и инфузорной земли. Массу в баллоне пропитывают ацетоном (225-300 г на 1 дм 3 вместимости баллона), в котором хорошо растворяется ацетилен. Ацетилен, растворяясь в ацетоне и находясь в порах пористой массы, становится взрывобезопасным и его можно хранить в баллоне под давлением 2,5-3 МПа. Пористая масса должна иметь максимальную пористость, вести себя инертно по отношению к металлу баллона, ацетилену и ацетону, не давать осадка в процессе эксплуатации. В настоящее время в качестве пористой массы применяют активированный древесный дробленый уголь (ГОСТ 6217-74) с размером зерен от 1 до 3,5 мм.
Ацетон (химическая формула СН3СОСН3) является одним из лучших растворителей ацетилена, он пропитывает пористую массу и при наполнении баллонов ацетиленом растворяет его. Ацетилен, доставляемый потребителям в баллонах, называется растворенным ацетиленом.
Рисунок 2 - Ацетиленовый баллон
Максимальное давление ацетилена в баллоне составляет 3 МПа. Давление ацетилена в полностью наполненном баллоне изменяется при изменении температуры:
| Температура, °С | -5 | 0 | 5 | 10 | 15 | 20 | 25 | 30 | 35 | 40 |
| Давление, МПа | 1,34 | 1,4 | 1,5 | 1,65 | 1,8 | 1,9 | 2,15 | 2,35 | 2,6 | 3,0 |
Давление наполненных баллонов не должно превышать при 20°С 1,9 МПа.
При открывании вентиля баллона ацетилен выделяется из ацетона и в виде газа поступает через редуктор и шланг в горелку или резак. Ацетон остается в порах пористой массы и растворяет новые порции ацетилена при последующих наполнениях баллона газом. Для уменьшения потерь ацетона во время работы необходимо ацетиленовые баллоны держать в вертикальном положении. При нормальном атмосферном давлении и 20°С в 1 кг (л) ацетона растворяется 28 кг (л) ацетилена. Растворимость ацетилена в ацетоне увеличивается примерно прямо пропорционально с увеличением давления и уменьшается с понижением температуры.
Для полного использования емкости баллона порожние ацетиленовые баллоны рекомендуется хранить в горизонтальном положении, так как это способствует равномерному распределению ацетона по всему объему, и с плотно закрытыми вентилями. При отборе ацетилена из баллона он уносит часть ацетона в виде паров. Это уменьшает количество ацетилена в баллоне при следующих наполнениях. Для уменьшения потерь ацетона из баллона ацетилен необходимо отбирать со скоростью не более 1700 дм 3 /ч.
Для определения количества ацетилена баллон взвешивают до и после наполнения газом и по разнице определяют количество находящегося в баллоне ацетилена в кг.
Пример. Масса баллона с ацетиленом 89 кг, порожнего - 83 кг, следовательно, количество ацетилена в баллоне равно: по массе - 89-83=6 кг, по объему - 6/1,09=5,5 м 3 (1,09 кг/м 3 - плотность ацетилена при атмосферном давлении и температуре 20°С).
Масса пустого ацетиленового баллона складывается из массы самого баллона, пористой массы и ацетона. При отборе ацетилена из баллона вместе с газом расходуется 30- 40 г ацетона на 1 м 3 ацетилена. При отборе ацетилена из баллона необходимо следить за тем, чтобы в баллоне остаточное давление было не менее 0,05-0,1 МПа.
Использование ацетиленовых баллонов вместо ацетиленовых генераторов дает ряд преимуществ: компактность и простота обслуживания сварочной установки, безопасность и улучшение условий работы, повышение производительности труда газосварщиков. Кроме того, растворенный ацетилен содержит меньшее количество посторонних примесей, чем ацетилен, получаемый из ацетиленовых генераторов.
Причинами взрыва ацетиленовых баллонов могут быть резкие толчки и удары, сильный нагрев (свыше 40°С).
Баллоны для пронан-бутана
Баллоны для пропан-бутана изготовляют согласно ГОСТ 15860-84 сварными из листовой углеродистой стали. Основное применение нашли баллоны вместимостью 40 и 50 дм 3 . Балонны для пропан-бутана окрашиваются в красный цвет с белой надписью "пропан".
Баллон для пропан-бутана представляет собой цилиндрический сосуд 1, к верхней части которого приваривается горловина 5, а к нижней - днище 2 и башмак 3. В горловину ввертывается латунный вентиль 6. На корпус баллона напрессовываются подкладные кольца 4. Для защиты вентиля баллона служит колпак 7.
Баллоны рассчитаны на максимальное давление 1,6 МПа. Из-за большого коэффициента объемного расширения баллоны для сжиженных газов заполняют на 85-90% от общего объема. Норма заполнения баллонов для пропана - 0,425 кг сжиженного газа на 1 дм 3 вместимости баллона. В баллон вместимостью 55 дм 3 наливается 24 кг жидкого пропан-бутана. Максимальный отбор газа не должен превышать 1,25 м 3 /ч.
Рисунок 3 - Баллон для пропап-бутана
Хранение и транспортировка баллонов
Транспортировка баллонов разрешается только на рессорных транспортных средствах, а также на специальных ручных тележках или носилках. При бесконтейнерной транспортировке баллонов должны соблюдаться следующие требования:
- на всех баллонах должны быть до отказа навернуты предохранительные колпаки;
- кислородные баллоны должны укладываться в деревянные гнезда (разрешается применять металлические подкладки с гнездами, оклеенными резиной или другими мягкими материалами);
- кислородные баллоны должны укладываться только поперек кузова машины так, чтобы предохранительные колпаки были в одной стороне; укладывать баллоны допускается в пределах высоты бортов;
- баллоны должны грузить рабочие, прошедшие специальный инструктаж.
Перевозка в вертикальном положении кислородных и ацетиленовых баллонов допускается только в специальных контейнерах. Совместная транспортировка кислородных и ацетиленовых баллонов на всех видах транспорта запрещается, за исключением транспортировки двух баллонов на специальной тележке к рабочему месту. В летнее время баллоны должны быть защищены от солнечных лучей брезентом или другими покрытиями. Баллоны в пределах рабочего места разрешается перемещать кантовкой в наклонном положении. На рабочих местах баллоны должны быть прочно закреплены в вертикальном положении.
Сжатые газы на автомобиле находятся в стальных баллонах под давлением
Рис. 1. Схема газобаллонной установки для автомобилей ЗИЛ -156 и ЗИЛ -166, работающих на сжатом газе:
В состав установки входят: восемь стальных баллонов для сжатого таза, наполнительный, расходный и магистральный вентили, подогреватель сжатого газа, манометры высокого и низкого давления, редуктор с фильтром и дозирующим устройством, газопроводы высокого и низкого давления и карбюратор-смеситель.
Трубка соединяет разгрузочное устройство редуктора с впускным трубопроводом двигателя.
Баллоны емкостью по 50 л расположены под грузовой платформой. Горловины их направлены в разные стороны, благодаря чему увеличивается длина и упругость газопровода, что снижает вероятность поломки его при перекосах рамы.
Для удобства монтажа газобаллонной установки на автомобиле баллоны имеют угольники, тройники и крестовину наполнительного вентиля.
Во время работы двигателя вентили открыты. Сжатый газ под большим давлением проходит в подогреватель, фильтр и поступает в двухступенчатый газовый редуктор. По пути к редуктору сжатый газ подогревается, иначе может замерзнуть вода, выделяющаяся при уменьшении давления газа. В редукторе давление газа снижается примерно до 1 кГ/см2 (100 кн/м2), затем газ, пройдя дозирующее устройство, по газопроводу поступает к карбюратору-смесителю, где образуется газовоздушная смесь. Разрежение, создаваемое в цилиндре при такте впуска, передается к карбюратору-смесителю, и горючая смесь поступает в цилиндры двигателя.
Работу газобаллонной установки контролируют по двум манометрам. По манометру высокого давления определяют давление и количество газа, находящегося в баллонах.
Манометр низкого давления показывает давление газа в первой ступени редуктора.
Наполнение газобаллонной установки газом происходит через вентиль, установленный в крестовине баллона.
Для работы на жидком топливе (бензине) газобаллонный автомобиль имеет топливный бак, фильтр-отстойник, топливный насос и топливопроводы.
Газобаллонная установка для сжиженного газа (автомобиль ЗИЛ -166А) имеет баллон, снабженный расходными вентилями, указателем уровня жидкости и предохранительным клапаном. Сжиженный газ перед использованием необходимо испарить, т. е. перевести в газообразное состояние. Поэтому из баллона газ по газопроводу подводится к магистральному вентилю, а от него (если он открыт) по упругому газопроводу в испаритель, подогреваемый горячей водой из системы охлаждения двигателя.
Из испарителя газ подается по упругому газопроводу в фильтр и в двухступенчатый редуктор, где давление газа снижается до постоянной величины (примерно до 1 кГ/см2 или 100 кн/м2). Далее газ проходит через дозирующее экономайзерное устройство и по газопроводу поступает в карбюратор-смеситель. Горючая смесь, образующаяся в карбюраторе-смесителе, при такте впуска поступает в цилиндры двигателя.
Работу газобаллонной установки контролируют по манометрам. Манометр показывает давление газа в баллоне после магистрального вентиля, а манометр — давление в редукторе после первой ступени.
Трубка 9 соединяет вакуумную полость экономайзера и разгрузочного устройства редуктора с впускным трубопроводом.
Запас газа в баллоне пополняют через наполнительный вентиль, а контроль осуществляют, используя вентиль-указатель. Баллоны нельзя наполнять сжиженным газом полностью, так как с повышением температуры окружающего воздуха сжиженный газ расширяется и баллон может быть разрушен. Поэтому баллоны наполняют сжиженным газом на 90% объема, а 10% объема составляет паровая фаза. Таким образом, сжиженные газы находятся в баллонах в двух агрегатных состояниях — жидком и газообразном. Если давление газа в баллоне превысит 16,8 кГ/см2 (1680 кн/м2), то срабатывает предохранительный клапан и газ выходит в окружающее пространство. Для пуска и прогрева холодного двигателя лучше использовать газ паровой фазы.
Рис. 2. Схема газобаллонной установки для сжиженного газа автомобиля ЗИЛ -166А:
1 — вентиль-указатель максимального уровня наполнения баллона; 2 — предохранительный клапан; 3 — указатель уровня жидкости; 4 — наполнительный вентиль баллона; 5 — баллон в сборе с арматурой; 6 — магистральный вентиль; 7 — манометр баллона; 8 — манометр газового редуктора; 9 — трубка для соединения вакуумной полости экономайзера и разгрузочного устройства редуктора с впускным трубопроводом; 10 — упругий газопровод между испарителем и фильтром; 11 — фильтр; 12 — двухступенчатый редуктор; 13 — дозирующее экономайзерное устройство; 14 — газопровод к карбюратору-смесителю; 15 — карбюратор-смеситель; 16 — испаритель; 17 — упругий газопровод между магистральным вентилем и испарителем; 18 — вентиль для пара; 19 — вентиль для жидкости
Сжатые газы: классификация и опасности
Современные предприятия уже не могут су тысячи продуктов, которые содержат газы и смеси газов, хранящиеся под давлением в баллонах. Большинство из этих газов классифицируются как «сжатые газы».
В баллонах хранятся три основные группы сжатых газов: сжиженные, несжиженные и растворенные газы. В каждом случае давление газа в баллоне обычно указывается в единицах килопаскалей (кПа).
Атмосферное давление обычно составляет около 101,4 кПа. Обратите внимание, что баллон со сжатым газом с показаниями манометра 0 кПа на самом деле не пуст. Он все еще содержит газ при атмосферном давлении.
Сжиженные газы
Не сжиженные газы
Не сжиженные газы также известны как сжатые или постоянные газы. Эти газы не становятся жидкими, когда они сжимаются при нормальной температуре, даже при очень высоком давлении. Типичными примерами этого являются кислород, азот, гелий и аргон.
Растворенные газы
Это возможно, потому что ацетиленовые баллоны полностью заполнены инертным пористым наполнителем. Наполнитель насыщен ацетоном или другим подходящим растворителем. Когда ацетиленовый газ добавляется в цилиндр, газ растворяется в ацетоне. Ацетилен в растворе стабилен.
Эти и другие нюансы работ в опасных условиях Ваши сотрудники могут изучить на наших курсах обучения на право обслуживания установок для газопламенной обработки металлов и других материалов.
Какие опасности для здоровья связаны со сжатыми газами?
Многие сжатые газы токсичны или очень токсичны. Они могут вызывать различные проблемы со здоровьем в зависимости от конкретного газа, его концентрации, продолжительности воздействия и пути воздействия (вдыхание, попадание в глаза или на кожу). Контакт между кожей или глазом и сжиженными газами в жидкой форме может привести к замерзанию ткани и вызвать ожогоподобную травму. Обучение технике безопасности особенно обучение по обслуживанию сосудов под давлением видится весьма актуальным.
В чем опасность инертного газа?
Инертные газы, такие как аргон, гелий, неон и азот, не токсичны, не горят и не взрываются. Тем не менее, они могут привести к травме или смерти, если они присутствуют в достаточно высоких концентрациях. Они могут вытеснить достаточно воздуха, чтобы снизить уровень кислорода. Если уровень кислорода достаточно низок, люди, попадающие в зону, могут потерять сознание или умереть от удушья. Низкие уровни кислорода могут быть особенно проблемой в плохо проветриваемых замкнутых пространствах.
Каковы коррозионные опасности сжатых газов?
Некоторые сжатые газы едкие. Они могут сжечь и разрушить ткани тела при контакте. Коррозионные газы также могут атаковать и разъедать металлы. Обычные едкие газы включают аммиак, хлористый водород, хлор и метиламин.
Какие опасности давления связаны с баллонами со сжатым газом?
Все сжатые газы опасны из-за высокого давления внутри баллонов. Газ может быть выпущен преднамеренно, при открытии клапана баллона, или случайно из сломанного или протекающего клапана или из предохранительного устройства. Даже при относительно низком давлении газ может быстро вытекать из открытого или протекающего цилиндра. Именно поэтому так важно производить обучение рабочих на право обслуживания установок с газовыми горелками.
Было много случаев, когда поврежденные цилиндры становились неуправляемыми ракетами или вертушками и вызывали тяжелые травмы и повреждения. Эта опасность возникла, когда незащищенные баллоны без крышки были опрокинуты, что привело к поломке клапана баллона и быстрому выходу газа высокого давления.
Плохо контролируемое выделение сжатого газа в системах химической реакции может привести к взрыву сосудов, возникновению утечек в оборудовании или шлангах или возникновению побочных реакций.
Читайте также: