Тепловозы на природном газе
Дипломная работа - Транспорт, логистика
Другие дипломы по предмету Транспорт, логистика
? и присущие ему низкие значения важных качественных показателей. Важно также отметить, что под водородным топливом понимается не обязательно чистый водород. Он может составлять преобладающую часть топлива, как метан в природном газе. Остальная же часть в зависимости от способов получения может быть представлена различными горючими и негорючими газами, меняя тем самым не только энергетические, но и экологические свойства этого топлива.
Рассмотренные четыре вида газовых топлив имеют разные значения показателей, определяющих их качества, как моторных топлив.
Самыми важными являются показатели, определяющие протекание рабочего процесса в двигателе, т.е. собственно моторные свойства топлива. Из собственно моторных свойств в первую очередь обращают внимание на энергетические возможности топлива, которые оценивают теплотой сгорания (табл. 1.2.).
Таблица 1.2. Энергетические показатели горючих компонентов газового моторного топлива
ВеществоХим. формулаНизшая теплота сгоранияПлотность, кг/м3объемная, кДж/м3массовая, кДж/кгВодородН2100501200700,0837МетанСН433410499900,6683ЭтанС2Н659850474801,2604ПропанС3Н886530463601,8665БутанС4Н10114270457902,4956ПентанС5Н12144020455103,1643
Как и следовало ожидать, водород особенно резко отличается от других газов, хотя и соответствует общей тенденции. Его объемная теплота сгорания в 3,3 раза ниже, чем у ближайшего к нему по плотности метана, а массовая теплота сгорания в 2,4 раза выше. Такое резкое отличие от общего ряда уже в первом из рассматриваемых показателей говорит о необходимости иных подходов к конструированию двигателей и транспортных средств, использующих водородное топливо.
Интерес также представляют различия энергетических свойств газового топлива (нефтяного и природного газа) от жидкого топлива (бензина). Усредненные значения октанового числа, удельной теплоты сгорания, стехиометрического отношения (количество воздуха, необходимого для полного сгорания топлива), теплоты сгорания стехиометрической смеси представлены в таблице 1.3. [1].
Таблица 1.3. Энергетические свойства различных видов топлива
ПоказательБензинНефтяной газПриродный газОктановое число76 - 98100 - 110110 - 125Низшая теплота сгорания, кДж/кг444648,5Стехиометрическое отношение, кг воздуха/кг топлива151617Теплота сгорания стехиометрической смеси (объёмная), кДж/м33,63,573,5
Теплота сгорания не является сама по себе параметром, прямо влияющим на показатели работы двигателя. На мощностные показатели рабочего процесса двигателя влияет теплота сгорания топливовоздушной смеси, поступающей в двигатель. Наибольшую мощность следует ожидать при прочих равных условиях от двигателя, использующего смесь, выделяющую при сгорании наибольшее количество тепла в единице объема.
Если справедливо условие, что наибольшая полнота сгорания имеет место при горении стехиометрической смеси, то мощностные показатели двигателя для каждого вида топлива определяются теплотой сгорания именно такой смеси. Однако хорошо известно, что максимум мощности, например, бензинового двигателя имеет место не при стехиометрическом составе, а при несколько переобогащенной смеси, имеющей коэффициент избытка воздуха в пределах 0,87-0,9. С другой стороны при использовании сжиженного нефтяного газа (СНГ), максимум мощности соответствует коэффициенту избытка воздуха 0,94-0,96 и только для природного газа оптимум соответствует стехиометрии. Различия в значениях оптимального по максимуму мощности коэффициента избытка воздуха объясняются более тонкими различиями в физико-химической природе веществ, чем элементарный состав (табл. 1.4.).
Таблица 1.4. Энергетические показатели газовых моторных топлив
Расчетный составМассовое содержание, %Теплота сгораниятоплива, кДж/кгстехиометрической смеси, кДж/м3Природный газМетан92497903380Этан5Пропан2Бутан1Сжиженный нефтяной газПропан30459903440Бутан70Пропан50461103440Бутан50Пропан70462203510Бутан30БиогазМетан70350203310Углекислый газ30Метан50250103070Углекислый газ50Метан30150102950Углекислый газ70Водородное топливоВодород951140002440Азот5
Из данных таблицы следует, что наибольшей мощностью при одинаковых размерностях оптимально сконструированных двигателей должны обладать агрегаты, работающие на сжиженном нефтяном газе, имеющем самый высокий энергетический фактор. Расхождение этого вывода с имеющейся практикой, когда при переводе бензиновых двигателей на СНГ наблюдается потеря мощности, доходящая до 7%, объясняется тем, что газовый двигатель в этом случае не имеет оптимальных конструктивных решений. В частности, в них как правило сохраняется подогрев рабочей смеси, требуемый для бензиновых двигателей и совершенно ненужный, более того вредный, для газовых машин [2].
Также важнейшими характеристиками любого моторного топлива являются: теплохимические свойства, соотношение содержания водорода и углерода (Н/С), размеры и характер строения молекул. У газовых видов топлива соотношение водород-углерод составляет 2,5 - 4; молекулы химически устойчивы и просты по строению. Это обеспечивает высококачественное протекание процесса сгорания, работу двигателя без детонации и большую экологическую чистоту продуктов сгорания в отличие от жидких нефтяных топлив (табл. 1.5. и рис. 1.5.).
Таблица 1.5. Соотношение водород / углерод у различных видов топлива
ТопливоХимическая формулаСоотношение Н/СметанСН44,0пропанС3Н82,7бутанС4Н102,5бензинСmНn2,0спиртСmНnO2,0керосинСmНn1,9дизельное топливоСmНn1,8мазутСmНn1,7
Рис. 1.5. Содержание СО2 и Н2О в продуктах сгорани