Возможные заменители бензина. Альтернативные заменители бензина могут быть естественного или искусственного происхождения. При нормальных условиях они могут находиться в жидком (метанол, этанол) или газообразном (метан, пропан, бутан, канализационный, коксовый, доменный и генераторный газы, водород) состояниях.

Все виды топлива имеют различную теплотворную способность, по-разному воздействуют на организм человека и соприкасающиеся материалы. Они могут являться и добавками к нефтяному моторному топливу. Преимущественное применение в качестве моторного топлива на автомобильном транспорте сжиженного нефтяного газа (ГСН) и сжатого природного газа (ГСП) обусловлено тем, что они имеют физико-химические свойства, близкие к бензину. Это в свою очередь требует незначительного изменения конструкции двигателя и позволяет равнозначно работать на двух видах топлива.

Углеводороды, входящие в состав ГСН, при нормальных условиях находятся в газообразном состоянии, но даже при незначительном увеличении давления меняют свое агрегатное состояние и превращаются в жидкость. Хранится ГСН на автомобиле в баллонах в жидком состоянии.

Углеводороды, входящие в состав ГСП, при нормальных условиях находятся в газообразном состоянии и не меняют своего агрегатного состояния даже при значительном изменении давления. Хранится ГСП на автомобиле в баллонах в газообразном состоянии под давлением 20 МПа. Проводятся работы по использованию ГСП, который хранится в специальном изотермическом сосуде при температуре -161°С и давлении 0,35 МПа. Преимущество в его применении заключается в значительном увеличении пробега автомобиля при одинаковой массе системы хранения газа. Недостатки — сложность и ненадежность изотермического сосуда, подвергающегося при эксплуатации автомобиля большим ударным нагрузкам.

Производство ГСН. Основными составляющими ГСН являются пропан (С3Н8) и бутан (С4Н10). Сжиженный нефтяной газ могут вырабатывать как из нефти, так и из конденсатной фракции природного газа. Существуют различные способы получения ГСН на нефтеперерабатывающих заводах (рис. 1). Образующаяся в процессе переработки нефти смесь углеводородов С1…С6 поступает на абсорбционно-газофракционирующую установку (АГФУ), где в специальных колоннах происходит их разделение на отдельные фракции. Пропан и бутан очищаются от сернистых соединений, щелочи, воды и других компонентов. В дальнейшем они могут поступать на химическую переработку или использоваться в качестве моторного топлива. В зависимости от марки ГСН, пропан и бутан смешиваются в необходимых соотношениях.

Физико-химические свойства ГСН. Существует две марки ГСН: ПА — пропан автомобильный и ПБА — пропан-бутан автомобильный (табл. 1, 2).

Таблица 1. Физико-химические показателии сжиженного газа

Показатель	Марка ГСН
	ПА	ПБА
Массовая доля компонентов, %:
метан и этан	Не нормируется
пропан	90+10	50+10
углеводороды С4 и выше	Не нормируется
непредельные углеводороды, (не более)	6	6
Объем жидкого остатка при +40°С, %	Отсутствует
Давление насыщенных паров, МПа:
при +45°С, (не более)	-	1,6
при -20°С, (не менее)	-	0,07
при -35°С, (не менее)	0,07	-
Массовая доля серы и сернистых соединений, %, не более	0,01	0,01
В том числе сероводорода, %, не более	0,003	0,003
Содержание свободной воды и щелочи	Отсутствует

Таблица 2. Физико-химические свойства составляющих сжиженного газа и бензина

Показатель	Пропан	Бутан (нормальный)	Бензин
Молекулярная масса	44,10	58,12	114,20
Плотность жидкой фазы, кг/м3, при температуре кипения и давлении 760 мм.рт.ст.	510	580	720
Плотность газовой фазы, кг/м3:
при нормальных условиях	2,019	2,703	-
при температуре 15°С	1,9	2,55	-
Теплота испарения, кДж/кг	484,5	395,0	397,5
Теплота сгорания низшая:
в жидком состоянии, кДж/л	65608	26417,6	62696
в газообразном состоянии, кДж/кг	45852,6	45431	48680
в газообразном состоянии, кДж/м3	85627,3	111593,5	213180
Октановое число	120	93	72-98
Пределы воспламеняемости в смеси с воздухом при нормальных условиях, %	2,1-9,5	1,5-8,5	1,0-6,0
Температура самовоспламенения, °С	466	405	255-370
Теоретически необходимое для сгорания 1 м3 газа количество воздуха, м3	23,80	30.94	14,70
Коэффициент объемного расширения жидкой фракции, % на 1°С	0,003	0,002	-
Точка кипения при давлении 101,4 кПа, °С	-42,1	-0,5	27

Марка газа ПБА допускается к применению во всех климатических районах при температуре окружающего воздуха не ниже -20°С. Марка ПА используется в зимний период в тех климатических районах, где температура воздуха опускается ниже -20°С (рекомендуемый интервал -20°С…-25°С). В весенний период времени с целью полной выработки запасов сжиженного газа марки ПА допускается ее применение при температуре до 10°С. Более высокая температура может привести к нежелательному повышению давления в газоподающей системе автомобиля и ее разгерметизации.

Давление в баллоне. В закрытом сосуде ГСН образует двухфазную систему, состоящую из жидкой и паровой фаз. Давление в баллоне зависит от давления насыщенных паров, которое в свою очередь зависит от температуры жидкой фазы и процентного соотношения пропана и бутана в ней (рис. 2).

Давлением насыщенных паров называют давление паров в закрытом объеме в присутствии жидкой фазы. Давление насыщенных паров характеризует испаряемость ГСН. Испаряемость пропана выше чем бутана, поэтому и давление при отрицательных температурах у него значительно выше.

Расчетами и экспериментами установлено (см. рис. 2):
при низких температурах окружающего воздуха эффективнее использовать ГСН с повышенным содержанием пропана, так как при этом обеспечивается надежное испарение газа, а следовательно и холодный запуск двигателя. Кроме того, достаточное избыточное давление в баллоне обеспечит надежную подачу газа в двигатель (ГСН марки ПА);
при высоких положительных температурах окружающего воздуха эффективнее использовать ГСН с меньшим содержанием пропана, так как при этом в баллоне и трубопроводах будет создаваться значительное избыточное давление, что может повлиять на герметичность газовой системы (ГСН марки ПБА).

Кроме пропана и бутана, в состав ГСН входит незначительное количество метана, этана и других углеводородов, которые могут изменять свойства ГСН. В процессе работы двигателя может образовываться неиспаряемый конденсат, который отрицательно сказывается на работе газовой аппаратуры. Этан обладает повышенным, по сравнению с пропаном, давлением насыщенных паров, что оказывает положительное влияние на поддержание давления в баллоне при отрицательных температурах и может оказать отрицательное влияние при положительных температурах.

Изменение объема жидкой фазы при нагревании. Правилами №67 БЭК ООН (Европейской Экономической Комиссии Организации Объединенных Наций) предусмотрена установка автоматического устройства, ограничивающего наполнение баллона до 80% его емкости. Данное требование объясняется большим коэффициентом объемного расширения жидкой фазы, который для пропана составляет 0,003, а для бутана 0,002 на 1°С повышения температуры газа. Для сравнения: коэффициент объемного расширения пропана в 15 раз, а бутана в 10 раз, больше, чем у воды.

Изменение объема газа при испарении. Для определения изменения объема газа при испарении проанализируем плотность пропана в жидком и газообразном состоянии. Из анализа следует, что при испарении 1 л сжиженного газа образуется окало 250 газообразного. Таким образом, даже незначительная утечка ГСН может быть очень опасной, так как объем газа при испарении увеличивается в 250 раз.

Плотность газовой фазы в 1,5-2,0 раза больше плотности воздуха. Этим объясняется тот факт, что при утечках газ с трудом рассеивается в воздухе, особенно в закрытом помещении. Пары его могут накапливаться в естественных и искусственных углублениях, образуя взрывоопасную смесь.

Образование газового конденсата. При эксплуатации автомобилей на ГСН во второй ступени редуктора скапливается значительное количество трудноиспаряющегося маслянистого конденсата.

Его образование связано с тем, что при испарении ГСН тяжелые неиспаряемые углеводороды находятся во взвешенном состоянии, а при резком уменьшении давления, скорости и изменении направления движения они выпадают в осадок и скапливаются в нижней части второй ступени редуктора-испарителя. Автомобильный газ не предусматривает наличие жидкого осадка при температуре +40°С.

Количество конденсата в редукторе зависит от режима работы двигателя. При работе двигателя на режиме холостого хода и малых нагрузках конденсата выпадает больше, так как скорости газа в редукторе минимальные. При работе двигателя на больших нагрузках тяжелые углеводороды не осаждаются в редукторе, а попадают непосредственнЬ в двигатель.

Температура подогрева газа в испарителе практически не влияет на количество конденсата, выпадающего во второй ступени редуктора.

Наличие конденсата в редукторе способствует быстрому старению мембранного полотна (особенно в нижней части, где скапливается конденсат). Значительное его количество изменяет регулировку редуктора, увеличивает токсичность отработавших газов и ухудшает стабильность работы двигателя. Конденсат обладает неприятным запахом, так как в нем скапливается значительное количество одоранта (специальной добавки, позволяющей обнаружить присутствие газа). Для слива конденсата во второй ступени редуктора предусмотрен краник.

Вязкость конденсата в значительной мере зависит от его температуры:
При температуре 100°С — 7,6 сСт
При температуре 50°С — 27.0 сСт
При температуре 20°С — 131,0 сСт
Поэтому слив конденсата следует производить при прогретом разовом редукторе.

Одорация ГСН. Одорация газа применяется для определения возможных его утечек органами обоняния человека. При массовой доле меркаптановой серы менее 0,001% ГСН должны быть одорированы. Для одорации применяется этилмеркаптан (С2Н5SH), представляющий собой неприятно пахнущую жидкость плотностью 0,839 кг/л и с точкой кипения 35°С. Порог чувствительности запаха 0,00019 мг/л, предельно допустимая концентрация в воздухе рабочей зоны 1 мг/м³.

Во время эксплуатации автомобиля одорант может накапливаться в топливоподающей аппаратуре, выпускном тракте автомобиля, на открытых поверхностях деталей. Выделение одоранта может происходить даже при полностью герметичной газовой системе питания при заправке автомобиля, сливе конденсата из редуктора и, главным образом, с отработавшими газами. Попадание одоранта в салон автомобиля происходит из атмосферы на стоянках через открытые окна и двери, что может вызывать ухудшение состояния человека. Сернистые соединения одоранта и самого газа снижают долговечность работы редуктора вследствие интенсивного старения мембран, резиновых уплотнений и вызывают коррозию трубопроводов.

Запах одоранта из выхлопной трубы особенно сильно ощущается при повышенной токсичности отработавших газов двигателя. В случае, когда их токсичность в норме или несколько ниже нормы, запах одоранта практически не ощущается и его накопления в салоне автомобиля не происходит.