Пропан-бутан (сжиженный нефтяной газ, СНГ, по-английски - liquified petroleum gas, LPG) - это смесь двух газов. В обиходе ее называют кратко: пропан. Пропан-бутан получают из нефти и сконденсированных нефтяных попутных газов. Чтобы эта смесь оставалась жидкой, ее хранят и перевозят под давлением в 1,6 МПа (16 атмосфер). Процесс заправки машин пропаном внешне очень похож на заправку бензином, потому что это - сжижженный газ.

Количество заправок пропана увеличивается из года в год. Установка пропана-бутана на автомобили растет такими же высокими темпами. Это связано со многими преимуществами пропана, как моторного топлива, перед бензином. Прежде всего стоимость: цена на сжижженный газ пропан традиционно сохраняется на уровне 50% от цены на 95-й бензин. Кроме этого, он обладает более высоким октановым числом и лучшими экологическими и эксплуатационными свойствами.

Пропан  -  Молекулярная формула - C3H6; Плотность жидкости при атмосферном давлении- 584 кг/м3; Температура кипения при атмосферном давлении -42,1°С; Критическая температура +95,7°С;

Основные свойства сжиженного газа

Одним из наиболее важных свойств пропана и бутана, отличающих их от других видов автомобильного топлива, является образование при свободной поверхности над жидкой фазой двухфазной системы жидкость - пар, вследствие возникновения давления насыщенного пара, т.е. давления пара в присутствии жидкой фазы в баллоне. В процессе наполнения баллона первые порции сжиженного газа быстро испаряются и заполняют весь его объем, создавая в нем определенное давление. При уменьшении давления газ мгновенно испаряется. Испарение сжиженного газа в баллоне продолжается до тех пор, пока образовавшиеся пары сжиженного газа не достигнут насыщения.

Это свойство пропана и бутана позволяет хранить газ в небольших объемах, что очень важно. В качестве примера рассмотрим рис. 1. Давление насыщенного пара бутана составляет 0,1 МПа при 0 °С и 0,17 МПа при 15 °С, а давление насыщенного пара пропана при этих же температурах 0,59 и 0,9 МПа соответственно. Это различие приводит к значительной разнице в давлении смеси при изменении пропорции пропана и бутана. Давление растет при увеличении температуры, что приводит к большим изменениям объема сжиженного газа, находящегося в жидком состоянии. Следовательно, если сжиженный газ в жидком состоянии полностью заполняет баллон и температура продолжает увеличиваться, то давление будет быстро расти, что может привести к разрушению баллона.

Поэтому никогда не заполняйте баллон сжиженным газом полностью, Обязательно оставляйте паровую подушку, объем которой равен 10% от полной емкости баллона.

Эти два газа (пропан и бутан) различаются между собой температурой кипения, при которой они переходят из жидкого в газообразное состояние. Пропан перестает переходить в газ и остается в жидком состоянии при температуре -43 °С, для бутана эта температура равна 0° С.

Рис. 1. Зависимость давления насыщенных паров пропана и бутана от температуры

В условиях холодного климата (или зимой) в сжиженном нефтяном газе - смеси пропана и бутана, - предназначенном для использования в качестве автомобильного топлива, должен преобладать пропан для лучшей газификации смеси. На газозаправочные станции, поступает сжиженный нефтяной газ двух марок: летний ГТБА - пропан-бутан автомобильный с содержанием 50 ± 10% пропана, остальное бутан и зимний ПА - пропан автомобильный с содержанием 90 ± 10% пропана. Изменение давления насыщенных паров Р смеси пропана и бутана в зависимости от температуры в баллоне показано на рис. 2.

Рис. 2. Зависимость давления насыщенных паров смеси пропана и бутана от температуры

Теплота сгорания газа несколько больше, чем у бензина. Однако с увеличением количества подаваемого в двигатель воздуха теплота сгорания несколько уменьшается.

Если мощность двигателя, работающего на бензине, принять за 100%, то мощность двигателя, работающего на газе, будет примерно равна 90%, что приводит к снижению максимальной скорости примерно на 4%, но не надо забывать об экономии денежных средств. Мировое соотношение цены бензина к газу - 10:6.

Снижение мощности двигателя происходит по причине более низкой, чем у бензина, теплоты сгорания газа (см. табл.2). И в результате происходит неполное наполнение цилиндров двигателя газо-воздушной смесью. Иногда ранней установкой угла опережения зажигания до ВМТ на 3 - 5° этот недостаток пытаются устранить. В условиях эксплуатации большой разницы при движении автомобиля на газе или на бензине не ощущается.

Метан как газ и топливо для автомобилей. Установка оборудования для метана на авто. Метан (сжатый природный газ, СПГ, сompressed natural gas, CNG) - горючий газ, который является основным компонентом природного газа. Газ метан практически не оставляет вредных продуктов сгорания. Метан используется для газообеспечения населенных пунктов, но нас интересует его другое назначение, а именно - в качестве моторного топлива для автомобилей. К сожалению плотность природного метана в тысячу раз ниже плотности бензина. Поэтому, если заправлять автомобиль метаном при атмосферном давлении, то для равного с бензином количества топлива понадобится бак в 1000 раз больше. Чтобы не возить огромный прицеп с топливом, необходимо увеличить плотность газа. Это можно достичь сжатием метана до 20-25 МПа (200-250 атмосфер). Для хранения газа в таком состоянии используются специальные баллоны, которые устанавливаются на автомобилях. Заправки метана развиты очень хорошо. Сеть АГНКС состоит уже из нескольких сотен метановых заправок. Но установка газа метана на автомобили сейчас не очень популярна из-за трех факторов. Во-первых, цена на него полностью зависит от экспорта из России и постоянно растет. Во-вторых, газовое оборудование для метана очень дорогое, в основном из-за дефицитных баллонов под метан, которые должны выдерживать давление 200 атмосфер. В-третьих, метановые баллоны существенно уменьшают грузоподъемность автомобиля, поэтому если и стоит устанавливать метановое ГБО, то лишь на грузовые автомобили, такие как ЗИЛ, ГАЗон, ГАЗель. Наша компания не занимается установкой ГБО для метана, хотя мы иногда выолняем ремонт оборудования для метана.

  LPG означает - сжиженный нефтяной газ. Он представляет собой производный продукт неочищенной нефти и природный газ, например, метан, который добывается в месторождениях нефти. Сжиженный нефтяной газ представляет собой углеводород, состоящий преимущественно из смеси пропана и бутана. Его получают в результате переработки нефти или непосредственно отбором газа после отделения его фракций от CNG (сжатого природного газа) или нефти, в смеси с которыми он встречается в месторождениях нефти.

Бутан промышленного назначения состоит главным образом из бутана, формула которого - С₄Н₁₀.

Пропан промышленного назначения состоит главным образом из пропана, формула которого - С₃Н₈.

Одной из основных характеристик, отличающих бутан и пропан друг от друга и, следовательно, определяющих их применение, является "упругость парообразной смеси", которая соответствует сбалансированному соотношению давления газообразной фазы и жидкой фазы. Упругость парообразной смеси пропана и бутана пропорционально увеличивается с повышением температуры. Из графика следует, что давление сжиженного нефтяного газа при обычной температуре изменяется от минимального в 2 бар до максимального в 8 бар.

Поскольку сжиженный нефтяной газ в газообразной фазе имеет больший объем, чем воздух, то вытекать будут только протечки сжиженного нефтяного газа. В жидкой фазе сжиженный нефтяной газ имеет меньший объем, чем вода. Поэтому на дне цистерны могут отмечаться следы воды. Протечки сжиженного нефтяного газа в жидкой фазе намного опаснее, чем протечки в парообразном состоянии, потому что вытекающая масса более концентрированная, чем такой же объем газовых протечек. По сути, из одной доли в жидком состоянии получаются примерно 270 объемных долей парообразного вещества.

Другой характеристикой сжиженного нефтяного газа в жидкой фазе является изменение его объема в зависимости от изменений температуры. Сжиженный нефтяной газ растворяет такие вещества, как консистентная смазка, текучие смазочные вещества и краска. Он приводит к возникновению деформаций в натуральном каучуке, но не вызывает коррозии обычно используемых металлов и сплавов. Именно поэтому для изготовления топливопроводов используются синтетические каучуки, а для изготовления цистерн - нержавеющая сталь.

Как и ВСЯКОЕ топливо, пропан и бутан - воспламеняющиеся вещества. Поэтому очень важно избегать обращения с ними вблизи источников открытого огня или предметов с высокой температурой. В атмосфере сжиженный нефтяной газ может создавать воспламеняющиеся смеси, трудно различимые невооруженным глазом. Будучи в жидкой фазе, этот газ образует характерную, сильно воспламеняющуюся "пелену", которая оседает на землю. Также рекомендуется не вдыхать сжиженный нефтяной газ (пусть даже он и не ядовитый), потому что он имеет анестезирующие свойства. Кроме того, лучше избегать непосредственного контакта со сжиженным нефтяным газом в жидкой фазе, потому что он, быстро испаряясь, может вызвать ожоги как при обморожении.

Сжиженный нефтяной газ - высококачественный источник энергии и широко применяется в строительстве, промышленности, сельском хозяйстве, кустарных ремеслах, а также в автомобильной промышленности. Поскольку сжиженный нефтяной газ является реальной альтернативой бензину, то очень интересно будет сравнить их характеристики (см. Таблицу ниже).

Характеристики	Пропан	Бутан	Бензин
Объемная масса при 15°С (кг/дм)	0,508	0,584	0,73-0,78
Давление пара при 37,8°С (бар)	12,1	2,6	0,5-0,9
Температура испарения (°С)	-42	-0,5	30-225
Теоретическое октановое число	111	103	96-98
Октановое число топлива	97	89	85-87
Низшая теплотворная способность (МДж/кг)	46,1	45,46	44,03
Низшая теплотворная способность (МДж/дм³)	23,4	26,5	32,3
Стехиометрическое отношение (кг/кг)	15,8	15,6	14,7

можно сделать вывод, что температура испарения бензина выше температуры окружающей среды, и что испарение сжиженного нефтяного газа происходит при низких температурах. Отсюда следует, что для сохранения сжиженного нефтяного газа в жидком состоянии его нужно подвергать воздействию давления относительно малой величины.

Цифры, отражающие теоретическое октановое число и октановое число топлива, показывают, что бутан и пропан являются высокооктановым топливом, октановое число которого намного превосходит таковое для бензина. Показатель теплотворной способности по массе увеличивается от бензина к пропану, а объемная теплотворная способность - уменьшается. Это обозначает, что, чтобы получить одинаковую теплотворную способность этих взятых по отдельности видов топлива, то достаточно будет массы топлива, которая в цепочке бензин → бутан → пропан уменьшается. Однако по объему его должно быть больше. Отсюда следует, что расход топлива по массе транспортными средствами уменьшается от бензина к сжиженному нефтяному газу. В случае с объемным расходом подтверждается противоположная картина. Для лучшего понимания данной концепции выражением "теоретический коэффициент эквивалентности" мы определяем такой объем топлива, дающего определенное количество энергии, которая равна низшей теплотворной способности бензина. Выражением же "коэффициент эквивалентности" мы определяем соотношение различных, сопоставимых между собой значений расхода топлива двигателями.

В отношении двигателей, работающих на сжиженном нефтяном газе, результаты испытаний подтвердили, что, если сравнивать их с двигателями, работающими на бензине, то к.п.д. увеличивается примерно на 8%, т.е. коэффициенты эквивалентности пропана и бутана уменьшаются от их теоретических значений на эти 8%. Коэффициенты эквивалентности для указанных видов топлива приведены в Таблице №2. Эти коэффициенты получены посредством расчета соотношения между нижней теплотворной способностью на литр топлива и теплотворной способностью альтернативных видов топлива. Их значения приведены в колонке №1, в колонке №2 указаны соотношения, представляющие собой "коэффициент теоретической эквивалентности". В колонке №3 эти соотношения выражены реальными значениями, в которых учтены также и различные поправочные коэффициенты (по к.п.д.).

Топливо		Коэффициент теоретической эквивалентности	Коэффициент эквивалентности
	(1)	(2)	(3)
Бензин	32,32/32,32 =	1	1
Пропан	32,32/23,42 =	1,38	1,27
Бутан	32,32/26,55 =	1,22	1,11

На основе этой таблицы можно спрогнозировать расход топлива традиционным автомобилем, переведенным на работу на сжиженном нефтяном газе, зная расход топлива этим автомобилем при работе на бензине. Поскольку сжиженный нефтяной газ представляет собой смесь из пропана и бутана, то необходимо выставить среднее значение коэффициента эквивалентности, которое может быть равным 1,2 (это значение соответствует смеси, составленной в долях по 50 % по массе). При этом важно обратить внимание на то, что современные автомобили характеризуются очень высокими уровнями адаптируемости, а в плане снижения расхода топлива это - фактор преимущества, которое оказывается намного более существенным, чем цифры, приведенные в таблице. Таким образом, можно констатировать, что сжиженный нефтяной газ является очень хорошим топливом: он имеет очень высокое октановое число и обеспечивает выработку такой же мощности, как и мощность двигателей, работающих на бензине.

Кроме того, он (газ) более эффективный в плане расхода топлива, а выхлопные газы оказываются менее токсичные. Суммируя с технической точки зрения, сжиженный нефтяной газ обеспечивает:

• эмиссию более чистых выхлопных газов;
• увеличение рабочего ресурса смазочного масла (которое не нужно разбавлять бензином);
• увеличение рабочего ресурса двигателя (благодаря отсутствию углеродосодержащих налетов).

Для понимания принципов повышения мощности и эффективности двигателя внутреннего сгорания необходимо знать, что такое степень сжатия, компрессия и октановое число. Причем, не на уровне рассуждений, что 98-ой бензин более качественный чем 95-ый. Нужно понимать, что октановое число само по себе не самоцель, а лишь один из факторов достижения наилучших эксплуатационных характеристик ДВС.

Компрессия и степень сжатия - это совершенно разные вещи. Степень сжатия - это отношение полного объема цилиндра (то есть объема цилиндра плюс объема камеры сгорания) к объему одной лишь камеры сгорания.

Поскольку это отношение, называемое степенью сжатия, есть отношение объема, который занимает смесь при ее подаче в циллиндр, к объему, при котором смесь воспламеняется, то давление, при котором воспламеняется топливо, пропорционально этой величине. То есть чем больше степень сжатия, тем больше давление воспламеняемой смеси.

Для лучшего понимания стоит отметить, что поскольку давление зависит не только от степени сжатия, но и от, например, давления на фазе впуска, то давление воспламеняемой смеси может быть меньше у двигателя с большей степенью сжатия. Как? Например, у турбированных двигателей степень сжатия обычно меньше чем у атмосферных, при этом давление у них на всех фазах существенно выше, поскольку уже на впуск смесь подается в сжатом состоянии (в чем, собственно, и состоит их природа).

Компрессия - это давление в конце фазы сжатия. То есть она почти равна тому самому давлению воспламеняемой смеси. Почему почти? Потому что смесь воспламеняется всегда чуть позже или чуть раньше того момента, когда давление максимально.

Это "почти" определяется углом зажигания, который также нужен для борьбы с детонацией, о которой ниже.

Степень сжатия важна в контексте эффективности и мощности двигателя. Работа в двигателе внутренного сгорания совершается за счет расширения рабочего тела, в качестве которого в бензиновых двигателях выступает топливо-воздушная смесь. Горящая смесь расширяется, толкая при этом поршень, поступательное движение которого превращается во вращательное движение коленвала. Соответственно, при большей степени сжатия ход поршня, в рамках которого смесь может реализовать свой энергетический потенциал, оказывается больше, а следовательно совершается больше полезной работы. На самом деле это лишь один из факторов, все вместе же они определяют термический КПД - показатель эффективности расширения рабочего тела в момент сгорания. Для него даже формула есть:

Термический КПД = 1 - (1 / степень сжатия) ^ гамма - 1

Где гамма - значения некоей дискретной функции, зависящей от температуры, давления и объема востпламеняемой смеси. Чем больше степень сжатия, тем больше термический КПД. Также понятно, что это некоторое упрощение, поскольку для получения его максимального значения нужно подбирать массу параметров, где степень сжатия лишь один из многих, хоть и важный.

Чем больше степень сжатия, тем лучше. Но при повышении давления и температуры возникает два негативных явления: детонация и преждевременное воспламенение. Топливная смесь в ДВС не взрывается - она горит. Показатель гамма, который упоминался выше, зависит и от скорости горения и от формы фронта воспламенения и от температуры пламени. Скорость горения должна соотвествовать скорости движения поршня. Фронт воспламенения должен быть однородным и распространяться ровно по ходу поступательного движения. Чем меньше температура горения, тем меньше потери на тепловыделение.

Преждевременное воспламенение происходит, когда при увеличении давления в смеси она самопроизвольно воспламеняется. При этом получается, что часть работы затрачивается не на то, чтобы толкать поршень, а на то чтобы помешать завершить ему ход фазы сжатия, а та энергия расширения, которая еще останется (если останется), будет использована крайне неэффективно из-за нерассчетного профиля фронта горения.

Детонация - это когда воспламененная смесь взрывается. То есть после короткого момента, когда горение распространяется со скоростью, измеряемой дестяками сантиметров в секунду, она вдруг увеличивается в разы. Происходит это под влиянием и температуры и давления, а сам эффект обеспечивается наличием определенного количества одного из продуктов горения. Эффекты от детонации: вместо фронта горения получаем ударную волну, как следствие - резкое падение термического КПД и ударные нагрузки на поршневую группу. Что происходит, если детонация возникает не после поджига смеси свечой, а после самовоспламенения - все то же самое, но только против хода поршня.

Получается, что степень сжатия можно увеличивать только до тех пор, пока не начнут проявляться описанные эффекты.

У разных видов топлива стойкость к преждевременному воспламенению и детонации различается (все вместо это называют детонационной стойкостью). Октановое число является показателем этой стойкости. Чем оно выше, тем выше и стойкость. В большинстве случаев количество энергии, которую можно высвободить из литра топлива, от октанового числа не зависит.

Часто задают вопрос: прогорят ли клапаны, если залить топливо с большим октановым числом?
Действительно, в некоторых случаях использование бензина с большим октановым числом может привести к прогоранию выпускных клапанов.

При этом считается, что происходит это из-за большей температуры горения смеси с более высоким октановым числом. На самом деле все наоборот. Топливо с большим октановым числом обычно горит с меньшей температурой и медленнее. Из-за скорости горения ниже рассчетной может получиться так, что на фазе выпуска через клапан вместо отработанных газов будет выпущена еще горящая смесь. Горящая смесь может оказаться и в выпускном коллекторе - тогда пострадает и он. На практике же конструкция многих двигателей позволяет реализовать потенциал топлива с более высоким октановым числом без ущерба для ресурса.

Почему при использовании бензина с большим октановым числом на свечах образуется нагар?
Первая причина является следствием того, что в России высокооктановые бензины получают исключительно методом добавления присадок. При этом часто получается так, что для получения 95-ого бензина присадки используются менее качественные, чем для 98-ого. Так что заправившись 95-ым после 92-ого можно получить более ровную работу мотора и нагар на свечах одновременно.

Вторая причина - угол опережения зажигания. Если в вашем двигателе нет системы, которая автоматически регулирует угол зажигания, то залив высокооктановое топливо можно опять же загадить свечи и потерять часть мощности. Как упоминалось выше, высокооктановое топливо горит медленнее, а следовательно для правильного и полного сгорания смеси ее поджиг должен осуществляться раньше.