Un motore diesel alimentato interamente a metano farà risparmiare fino a 60% dall'ammontare dei costi convenzionali e, naturalmente, ridurre significativamente l'inquinamento ambientale.
Siamo in grado di convertire praticamente qualsiasi motore diesel per utilizzare il metano come carburante per motori a gas.
Non aspettare domani, inizia a risparmiare oggi!
Come può un motore diesel funzionare a metano?
Un motore diesel è un motore in cui l'accensione del carburante viene effettuata mediante riscaldamento a compressione. Un motore diesel standard non può funzionare a gas naturale perché il metano ha un punto di infiammabilità significativamente più alto rispetto al gasolio (DF - 300-330 C, metano - 650 C) che non può essere raggiunto ai rapporti di compressione utilizzati nei motori diesel.
Il secondo motivo per cui un motore diesel non può funzionare a gas è il fenomeno della detonazione, cioè non standard (combustione esplosiva del carburante che si verifica con un rapporto di compressione eccessivo. Per i motori diesel, il rapporto di compressione della miscela aria-carburante è di 14-22 volte, un motore a metano può avere un rapporto di compressione fino a 12-16 volte .
Pertanto, per trasferire un motore diesel in modalità motore a gas, sarà necessario eseguire due operazioni principali:
- Ridurre la compressione del motore
- Installare il sistema di accensione a scintilla
Dopo queste modifiche il tuo motore funzionerà solo a metano. Un ritorno alla modalità diesel è possibile solo dopo aver eseguito lavori speciali.
Per ulteriori informazioni sull'essenza del lavoro svolto, consultare la sezione "Come avviene esattamente la conversione del gasolio in metano"
Che risparmio posso ottenere?
L'importo del tuo risparmio è calcolato come differenza tra il costo per 100 km di percorrenza del gasolio prima della trasformazione del motore e il costo per l'acquisto del gasolio.
Ad esempio, per un camion Freigtleiner Cascadia, il consumo medio di gasolio era di 35 litri per 100 km e, dopo la conversione al funzionamento a metano, il consumo di gasolio era di 42 Nm3. metano. Quindi, con il costo del gasolio a 31 rubli 100 km. il chilometraggio inizialmente costava 1.085 rubli e, dopo la conversione, con il costo del metano di 11 rubli per normale metro cubo (nm3), 100 km di corsa iniziarono a costare 462 rubli.
Il risparmio è stato di 623 rubli per 100 chilometri o del 57%. Tenendo conto del chilometraggio annuale di 100.000 km, il risparmio annuo ammontava a 623.000 rubli. Il costo per l'installazione del propano su questa macchina era di 600.000 rubli. Pertanto, il periodo di ammortamento del sistema è stato di circa 11 mesi.
Inoltre, un ulteriore vantaggio del metano come carburante per motori a gas è che è estremamente difficile da rubare e praticamente impossibile da "svuotare", poiché in condizioni normali è un gas. Per gli stessi motivi non è possibile venderlo.
Il consumo di metano dopo la conversione di un motore diesel in modalità motore a gas può variare da 1,05 a 1,25 Nm3 di metano per litro di consumo di gasolio (a seconda del design del motore diesel, della sua usura, ecc.).
Puoi leggere esempi tratti dalla nostra esperienza sui consumi di metano dei diesel da noi convertiti.
In media, per i calcoli preliminari, un motore diesel funzionante a metano consumerà carburante per motore a gas al ritmo di 1 litro di consumo di gasolio in modalità diesel = 1,2 Nm3 di metano in modalità motore a gas.Puoi ottenere risparmi specifici per la tua auto compilando una richiesta di conversione facendo clic sul pulsante rosso alla fine di questa pagina.
Dove puoi fare il pieno di metano?
Nei paesi della CSI, ce ne sono finiti 500 stazioni di metano, e la Russia conta più di 240 stazioni di rifornimento di metano.
È possibile visualizzare informazioni aggiornate sulla posizione e sugli orari di apertura delle stazioni di rifornimento di metano sulla mappa interattiva sottostante. Mappa per gentile concessione di gazmap.ru
E se c'è un tubo del gas vicino alla tua flotta di veicoli, allora ha senso considerare le opzioni per costruire la tua stazione di rifornimento di metano.
Chiamaci e saremo felici di consigliarti su tutte le opzioni.
Qual è il chilometraggio di una stazione di servizio con metano?
Il metano a bordo del veicolo è stoccato allo stato gassoso ad alta pressione di 200 atmosfere in apposite bombole. Il grande peso e le dimensioni di questi cilindri è un fattore negativo significativo che limita l'uso del metano come carburante per motori a gas.
RAGSK LLC utilizza nel suo lavoro cilindri compositi metallo-plastica di alta qualità (tipo 2), certificati per l'uso nella Federazione Russa.
La parte interna di questi cilindri è realizzata in acciaio al cromo-molibdeno ad alta resistenza e la parte esterna è avvolta con fibra di vetro e riempita con resina epossidica.
Per immagazzinare 1 Nm3 di metano sono necessari 5 litri di volume idraulico del cilindro, ovvero ad esempio una bombola da 100 litri permette di immagazzinare circa 20 Nm3 di metano (anzi, poco di più, dato che il metano non è un gas ideale e si comprime meglio). Il peso di 1 litro di olio idraulico è di circa 0,85 kg, cioè il peso dell'impianto di accumulo per 20 Nm3 di metano sarà di circa 100 kg (85 kg è il peso della bombola e 15 kg è il peso del metano stesso).
I cilindri di stoccaggio del metano di tipo 2 hanno questo aspetto:
Il sistema di stoccaggio del metano assemblato si presenta così:
In pratica, di solito è possibile raggiungere i seguenti valori di chilometraggio:
- 200-250 km - per minibus. Peso del sistema di archiviazione - 250 kg
- 250-300 km - per autobus urbani di medie dimensioni. Peso del sistema di stoccaggio - 450 kg
- 500 km - per trattori per camion. Peso del sistema di stoccaggio - 900 kg
Puoi ottenere valori specifici di chilometraggio del metano per la tua auto compilando una domanda di conversione cliccando sul pulsante rosso alla fine di questa pagina.
Come avviene esattamente la conversione del gasolio in metano?
La conversione di un motore diesel in modalità gas richiederà un serio intervento nel motore stesso.
Per prima cosa dobbiamo modificare il rapporto di compressione (perché? vedi la sezione "Come può funzionare un motore diesel a metano?") Usiamo vari metodi per farlo, scegliendo quello migliore per il tuo motore:
- Fresatura a pistone
- Guarnizione sotto testata
- Installazione di nuovi pistoni
- Accorciamento della biella
Nella maggior parte dei casi, utilizziamo la fresatura a pistone (vedi illustrazione sopra).
I pistoni avranno un aspetto simile a questo dopo la fresatura:
Installiamo anche una serie di sensori e dispositivi aggiuntivi (pedale dell'acceleratore elettronico, sensore di posizione dell'albero motore, sensore di quantità di ossigeno, sensore di detonazione, ecc.).
Tutti i componenti del sistema sono controllati da un'unità di controllo elettronica (ECU).
Il set di componenti per l'installazione sul motore sarà simile a questo:
Le caratteristiche del motore cambieranno durante il funzionamento a metano?
Potenza È opinione comune che a metano il motore perda fino al 25% di potenza. Questa opinione è vera per i motori a doppia alimentazione "benzina-gas" e in parte vera per i motori diesel aspirati.Per i moderni motori sovralimentati, questa opinione è errata.
L'elevata durata del motore diesel originale, progettato per funzionare con un rapporto di compressione di 16-22 volte e l'elevato numero di ottani del gasolio, ci consentono di utilizzare un rapporto di compressione di 12-14 volte. Questo elevato rapporto di compressione consente di ottenere la stessa (e anche maggiore) densità di potenza, lavorando su miscele di carburanti stechiometriche, ma non è possibile soddisfare standard di tossicità superiori a EURO-3 e aumenta anche lo stress termico del motore convertito.
I moderni motori diesel gonfiabili (soprattutto con aria intercooler) consentono di lavorare su miscele notevolmente magre mantenendo la potenza del motore diesel originale, mantenendo il regime termico entro gli stessi limiti e rispettando le norme di tossicità EURO-4.
Per i motori diesel ad aspirazione naturale, offriamo 2 alternative: ridurre la potenza operativa del 10-15% o utilizzare un sistema di iniezione dell'acqua nel collettore di aspirazione per mantenere una temperatura operativa accettabile e raggiungere gli standard sulle emissioni EURO-4
Tipo di dipendenze tipiche della potenza dalla velocità del motore, per tipo di carburante:
Una soluzione radicale al problema dello spostamento del picco di coppia per un motore a gas consiste nel sostituire la turbina con una turbina maggiorata di tipo speciale con elettrovalvola di bypass agli alti regimi. Tuttavia, l'alto costo di tale soluzione non ci consente di utilizzarla per la conversione individuale.
Affidabilità La durata del motore aumenterà in modo significativo. Poiché la combustione del gas avviene in modo più uniforme rispetto al gasolio, il rapporto di compressione del motore a gas è inferiore a quello del gasolio e il gas non contiene impurità estranee, a differenza del gasolio. I motori a gasolio sono più esigenti in termini di qualità dell'olio. Si consiglia di utilizzare oli per tutte le stagioni di alta qualità delle classi SAE 15W-40, 10W-40 e di cambiare l'olio almeno 10.000 km.Se possibile, è consigliabile utilizzare oli speciali, come LUKOIL EFFORSE 4004 o Shell Mysella LA SAE 40. Questo non è necessario, ma con essi il motore durerà a lungo.
A causa del maggiore contenuto di acqua nei prodotti della combustione delle miscele gas-aria nei motori a gas, possono verificarsi problemi con la resistenza all'acqua degli oli motore e i motori a gas sono anche più sensibili alla formazione di depositi di cenere nella camera di combustione. Pertanto, il contenuto di ceneri solfate degli oli per motori a gas è limitato a valori inferiori e i requisiti per l'idrofobicità dell'olio sono aumentati.
Rumore Sarai molto sorpreso! Un motore a gas è una macchina molto silenziosa rispetto a un motore diesel. Il livello di rumore diminuirà di 10-15 dB sugli strumenti, il che corrisponde a un funzionamento più silenzioso di 2-3 secondo le sensazioni soggettive.Certo, a nessuno importa dell'ambiente. Ma in ogni caso… ?
Il motore a gas metano è significativamente superiore in tutte le caratteristiche ambientali a un motore di potenza simile alimentato a gasolio ed è inferiore in termini di emissioni solo ai motori elettrici ea idrogeno.
Ciò è particolarmente evidente in un indicatore così importante per le grandi città come il fumo. Tutti i cittadini sono piuttosto infastiditi dalle code fumose dietro i LIAZ, questo non accadrà con il metano, quindi non c'è formazione di fuliggine durante la combustione del gas!
Di norma, la classe ambientale per un motore a metano è Euro-4 (senza l'utilizzo di urea o sistema di ricircolo del gas). Tuttavia, installando un catalizzatore aggiuntivo, è possibile aumentare la classe ambientale a Euro-5.
1 Centro scientifico statale della Federazione Russa - Impresa unitaria statale federale "Ordine centrale della bandiera rossa dell'Istituto automobilistico e automobilistico di ricerca sul lavoro (NAMI)"
Quando si converte un motore diesel in un motore a gas, la sovralimentazione viene utilizzata per compensare la diminuzione di potenza. Per prevenire la detonazione, il rapporto di compressione geometrica viene ridotto, il che provoca una diminuzione dell'efficienza dell'indicatore. Vengono analizzate le differenze tra i rapporti di compressione geometrici e reali. La chiusura della valvola di aspirazione della stessa quantità prima o dopo il PMI provoca la stessa riduzione del rapporto di compressione effettivo rispetto al rapporto di compressione geometrico. Viene fornito un confronto dei parametri del processo di riempimento con una fase di aspirazione standard e ridotta. Si dimostra che la chiusura anticipata della valvola di aspirazione consente di ridurre il rapporto di compressione effettivo, abbassando la soglia di detonazione, pur mantenendo un elevato rapporto di compressione geometrico e un'elevata efficienza dell'indicatore. L'ingresso accorciato fornisce un aumento dell'efficienza meccanica riducendo la pressione delle perdite di pompaggio.
motore a benzina
rapporto di compressione geometrico
rapporto di compressione effettivo
fasatura delle valvole
efficienza dell'indicatore
efficienza meccanica
detonazione
perdite di pompaggio
1. Kamenev V.F. Prospettive di miglioramento delle prestazioni tossiche dei motori diesel dei veicoli di peso superiore a 3,5 tonnellate / V.F. Kamenev, A.A. Demidov, PA Shcheglov // Atti di NAMI: sab. scientifico Arte. - M., 2014. - Problema. N. 256. - P. 5–24.
2. Nikitin A.A. Attuatore regolabile della valvola per l'ingresso del fluido di lavoro nel cilindro del motore: Pat. 2476691 Federazione Russa, IPC F01L1/34 / A.A. Nikitin, G.E. Sedych, G.G. Ter-Mkrtichyan; richiedente e titolare del brevetto SSC RF FSUE "NAMI", pubbl. 27/02/2013.
3. Ter-Mkrtichyan G.G. Motore con controllo quantitativo della potenza senza acceleratore // Industria automobilistica. - 2014. - N. 3. - P. 4-12.
4. Ter-Mkrtichyan G.G. Base scientifica per la creazione di motori a rapporto di compressione controllato: dis. doc. …tecnico. Scienze. - M., 2004. - 323 p.
5. Ter-Mkrtichyan G.G. Controllo del moto del pistone nei motori a combustione interna. - M. : Metallurgizdat, 2011. - 304 p.
6. Ter-Mkrtichyan G.G. Tendenze nello sviluppo di sistemi di alimentazione a batteria per grandi motori diesel / G.G. Ter-Mkrtichyan, E.E. Starkov // Atti di NAMI: sab. scientifico Arte. - M., 2013. - Problema. N. 255. - S. 22-47.
Recentemente, i motori a gas convertiti da motori diesel sono stati ampiamente utilizzati su camion e autobus modificando la testata sostituendo l'ugello con una candela e dotando il motore di apparecchiature per l'alimentazione del gas alla tubazione di ingresso o ai canali di ingresso. Per evitare la detonazione, il rapporto di compressione viene abbassato, di norma, modificando il pistone.
Un motore a gas a priori ha meno potenza e una minore efficienza del carburante rispetto al diesel di base. La diminuzione della potenza di un motore a gas si spiega con una diminuzione del riempimento dei cilindri con una miscela aria-carburante dovuta alla sostituzione di parte dell'aria con un gas che ha un volume maggiore rispetto al carburante liquido. Per compensare la riduzione di potenza, viene utilizzata la sovralimentazione, che richiede un'ulteriore riduzione del rapporto di compressione. Allo stesso tempo, l'efficienza dell'indicatore del motore diminuisce, accompagnata da un deterioramento dell'efficienza del carburante.
Il motore diesel della famiglia YaMZ-536 (6CHN10.5/12.8) con un rapporto di compressione geometrico è stato scelto come motore base per la conversione a gas. ε \u003d 17,5 e una potenza nominale di 180 kW a una velocità dell'albero motore di 2300 min -1.
Fig. 1. Dipendenza della potenza massima di un motore a gas dal grado di compressione (limite di detonazione).
La figura 1 mostra la dipendenza della potenza massima di un motore a gas dal rapporto di compressione (limite di detonazione). In un motore convertito con fasatura standard delle valvole, la potenza nominale specificata di 180 kW senza detonazione può essere raggiunta solo con una significativa riduzione del rapporto di compressione geometrica da 17,5 a 10, provocando una notevole diminuzione dell'efficienza indicata.
La detonazione può essere evitata senza diminuzione o con una diminuzione minima del rapporto di compressione geometrica, e quindi una diminuzione minima dell'efficienza dell'indicatore, attuando un ciclo con chiusura anticipata della valvola di aspirazione. In questo ciclo, la valvola di aspirazione si chiude prima che il pistone raggiunga il PMI. Dopo che la valvola di aspirazione è chiusa, quando il pistone si sposta al PMI, la miscela gas-aria prima si espande e si raffredda, e solo dopo che il pistone ha attraversato il PMI e si è spostato al PMS, inizia a comprimersi. La perdita di riempimento dei cilindri viene compensata aumentando la pressione di sovralimentazione.
Gli obiettivi principali della ricerca erano identificare la possibilità di convertire un moderno motore diesel in un motore a gas con formazione esterna della miscela e controllo quantitativo mantenendo elevata la potenza e l'efficienza del carburante del motore diesel di base. Consideriamo alcuni momenti chiave degli approcci alla decisione dei compiti in vista.
Rapporti di compressione geometrici ed effettivi
L'inizio del processo di compressione coincide con il momento di chiusura della valvola di aspirazione φ un. Se ciò accade a LDC, allora il rapporto di compressione effettivo ε fè uguale al rapporto di compressione geometrica ε. Con l'organizzazione tradizionale del processo di lavoro, la valvola di aspirazione si chiude 20-40° dopo il PMI per migliorare il riempimento dovuto alla ricarica. In un breve ciclo di aspirazione, la valvola di aspirazione si chiude al PMI. Pertanto, nei motori reali, il rapporto di compressione effettivo è sempre inferiore al rapporto di compressione geometrico.
La chiusura della valvola di aspirazione della stessa quantità prima o dopo il PMI provoca la stessa diminuzione del rapporto di compressione effettivo rispetto al rapporto di compressione geometrico. Quindi, ad esempio, quando si cambia φ un 30° prima o dopo il PMI, il rapporto di compressione effettivo si riduce di circa il 5%.
Modifica dei parametri del corpo di lavoro durante il riempimento
Durante la ricerca sono state mantenute le fasi di scarico standard e sono state modificate le fasi di aspirazione variando l'angolo di chiusura della valvola di aspirazione φ un. In questo caso, con chiusura anticipata della valvola di aspirazione (fino al PMI) e mantenimento della durata standard di aspirazione (Δφ vp=230°), la valvola di aspirazione dovrebbe essere aperta molto prima del PMS, il che, a causa della grande sovrapposizione delle valvole, porterebbe inevitabilmente ad un eccessivo aumento del rapporto dei gas residui e disturbi nel flusso del processo di lavoro . Pertanto, la chiusura anticipata della valvola di aspirazione ha richiesto una significativa riduzione della durata dell'aspirazione a 180°.
La figura 2 mostra un diagramma della pressione di carica durante il riempimento in funzione dell'angolo di chiusura della valvola di aspirazione rispetto al PMI. Pressione a fine riempimento papà inferiore alla pressione nel collettore di aspirazione e la diminuzione della pressione è tanto maggiore quanto prima la valvola di aspirazione si chiude al PMI.
Quando la valvola di aspirazione è chiusa al PMS, la temperatura di carica a fine riempimento T.a leggermente superiore alla temperatura nella tubazione di ingresso Tk. Quando la valvola di aspirazione si chiude prima, le temperature si avvicinano l'una all'altra e quando φ un>35...40° La carica PCV non si riscalda durante il riempimento, ma si raffredda.
1 - φ un=0°; 2 - φ un=30°; 3 - φ un=60°.
Fig. 2. Influenza dell'angolo di chiusura della valvola di ingresso sulla variazione di pressione durante il processo di riempimento.
Ottimizzazione della fase di aspirazione alla potenza nominale
Ceteris paribus, l'aumento o l'aumento del rapporto di compressione nei motori con formazione di miscela esterna è limitato dallo stesso fenomeno: il verificarsi della detonazione. Ovviamente, a parità di coefficiente di eccesso d'aria e di stessa fasatura di accensione, le condizioni per l'inizio della detonazione corrispondono a determinati valori di pressione pc e temperatura Tc carica a fine compressione, in funzione del rapporto di compressione effettivo .
A parità di rapporto geometrico di compressione e, di conseguenza, stesso volume di compressione, il rapporto pc/ Tc determina in modo univoco la quantità di carica fresca nel cilindro. Il rapporto tra la pressione del fluido di lavoro e la sua temperatura è proporzionale alla densità. Pertanto, il rapporto di compressione effettivo mostra quanto aumenta la densità del fluido di lavoro durante il processo di compressione. I parametri del fluido di lavoro al termine della compressione, oltre all'effettivo grado di compressione, sono notevolmente influenzati dalla pressione e dalla temperatura della carica al termine del riempimento, che sono determinate dall'andamento dei processi di scambio gassoso, principalmente il processo di riempimento.
Considera le opzioni del motore con lo stesso rapporto di compressione geometrico e la stessa pressione media dell'indicatore, una delle quali ha una durata di aspirazione standard ( Δφ vp=230°), e nell'altro l'ingresso è accorciato ( Δφ vp\u003d 180 °), i cui parametri sono presentati nella tabella 1. Nella prima variante la valvola di aspirazione si chiude 30 ° dopo il PMS e nella seconda variante la valvola di aspirazione si chiude 30 ° prima del PMS. Pertanto, il rapporto di compressione effettivo e f le due varianti con chiusura ritardata e anticipata della valvola di aspirazione sono le stesse.
Tabella 1
Parametri del fluido di lavoro alla fine del riempimento per un ingresso standard e accorciato
|
Δφ vp, ° |
φ un, ° |
Pk, MPa |
papà, MPa |
ρ un, kg/m3 |
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La pressione media dell'indicatore a valore costante del coefficiente di eccesso d'aria è proporzionale al prodotto dell'efficienza dell'indicatore per la quantità di carica a fine riempimento. L'efficienza dell'indicatore, a parità di altre condizioni, è determinata dal rapporto di compressione geometrica, che è lo stesso nelle opzioni in esame. Pertanto, anche l'efficienza dell'indicatore può essere considerata la stessa.
La quantità di carica alla fine del riempimento è determinata dal prodotto della densità di carica all'ingresso per il fattore di riempimento ρ Kvv. L'uso di efficienti intercooler consente di mantenere la temperatura di carica nel collettore di aspirazione approssimativamente costante, indipendentemente dal grado di aumento della pressione nel compressore. Pertanto, assumeremo in prima approssimazione che la densità di carica nel collettore di aspirazione sia direttamente proporzionale alla pressione di sovralimentazione.
Nella variante con durata di aspirazione standard e chiusura della valvola di aspirazione dopo il PMI, il rapporto di riempimento è superiore del 50% rispetto alla variante con aspirazione breve e chiusura della valvola di aspirazione fino al PMI.
Con una diminuzione del rapporto di riempimento, per mantenere la pressione media dell'indicatore a un determinato livello, è necessario proporzionalmente, ad es. dello stesso 50%, aumentare la pressione di sovralimentazione. In questo caso, nella variante con chiusura anticipata della valvola di aspirazione, sia la pressione che la temperatura della carica a fine riempimento saranno inferiori del 12% rispetto alla corrispondente pressione e temperatura nella variante con chiusura della valvola di aspirazione dopo il PMI . Poiché nelle varianti considerate il rapporto di compressione effettivo è lo stesso, anche la pressione e la temperatura di fine compressione nella variante con chiusura anticipata della valvola di aspirazione saranno inferiori del 12% rispetto a quando la valvola di aspirazione viene chiusa dopo BDC.
Pertanto, in un motore con un'aspirazione accorciata e chiudendo la valvola di aspirazione a BDC, pur mantenendo la stessa pressione media dell'indicatore, la probabilità di detonazione può essere notevolmente ridotta rispetto a un motore con una durata di aspirazione standard e chiudendo la valvola di aspirazione dopo BDC.
La tabella 2 confronta i parametri delle opzioni del motore a gas durante il funzionamento in modalità nominale.
Tavolo 2
Parametri delle opzioni del motore a gas
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numero di opzione |
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Rapporto di compressione ε |
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Apertura valvola di aspirazione φ S, °PCV |
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Chiusura valvola di aspirazione φ un, °PCV |
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Rapporto di pressione del compressore pK |
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Pompaggio perdita di pressione pnp, MPa |
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Perdita di pressione meccanica pm, MPa |
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Rapporto di riempimento η v |
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Efficienza dell'indicatore η io |
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Efficienza meccanica η m |
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Efficienza efficace η e |
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Pressione di inizio compressione papà, MPa |
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Temperatura di inizio compressione T.a, K |
In figura 3 sono riportati i diagrammi di scambio gassoso a parità di angoli di chiusura valvola di aspirazione e stesso tempo di riempimento, mentre in figura 4 sono riportati i diagrammi di scambio gassoso a parità di rapporto di compressione effettivo e tempi di riempimento diversi.
Nella modalità di potenza nominale, l'angolo di chiusura della valvola di ingresso φ un=30° al PMI rapporto di compressione effettivo ε f=14.2 e il grado di aumento della pressione nel compressore π K=2.41. Ciò garantisce il livello minimo di perdite di pompaggio. Con una chiusura anticipata della valvola di aspirazione a causa di una diminuzione del rapporto di riempimento, è necessario aumentare significativamente la pressione di sovralimentazione del 43% (π K=3.44), che è accompagnato da un aumento significativo della pressione di perdita di pompaggio.
Con una chiusura anticipata della valvola di aspirazione, la temperatura di carica all'inizio della corsa di compressione T a, a causa della sua pre-espansione, è inferiore di 42 K rispetto a un motore con fasi di aspirazione standard.
Il raffreddamento interno del fluido di lavoro, accompagnato dalla rimozione di parte del calore dagli elementi più caldi della camera di combustione, riduce il rischio di detonazione e incandescenza. Il fattore di riempimento è ridotto di un terzo. Diventa possibile lavorare senza detonazione con un rapporto di compressione di 15, contro 10 con una durata di aspirazione standard.
1 - φ un=0°; 2 - φ un=30°; 3 - φ un=60°.
Riso. 3. Diagrammi di scambio gassoso ai diversi angoli di chiusura della valvola di aspirazione.
1-φ un=30°prima del PMS; 2-φ un\u003d 30 ° dietro PMS.
Fig.4. Diagrammi di scambio gassoso a parità di rapporto di compressione effettivo.
La sezione temporale delle valvole di aspirazione del motore può essere modificata regolando l'altezza della loro alzata. Una delle possibili soluzioni tecniche è il meccanismo di controllo dell'alzata della valvola di aspirazione sviluppato presso SSC NAMI. Lo sviluppo di dispositivi ad azionamento idraulico per il controllo elettronico indipendente delle valvole di apertura e chiusura, basati sui principi implementati industrialmente nei sistemi di stoccaggio del carburante diesel, ha grandi prospettive.
Nonostante l'aumento della pressione di sovralimentazione e il rapporto di compressione più elevato nel motore ad aspirazione corta dovuto alla chiusura anticipata della valvola di aspirazione e quindi alla minore pressione di inizio compressione, la pressione media nel cilindro non aumenta. Pertanto, anche la pressione di attrito non aumenta. D'altra parte, con un ingresso accorciato, la pressione delle perdite di pompaggio diminuisce in modo significativo (del 21%), il che porta ad un aumento dell'efficienza meccanica.
L'implementazione di un rapporto di compressione più elevato in un motore con aspirazione corta provoca un aumento del rendimento indicato e, in combinazione con un leggero aumento del rendimento meccanico, è accompagnato da un aumento del rendimento effettivo dell'8%.
Conclusione
I risultati degli studi effettuati indicano che la chiusura anticipata della valvola di aspirazione consente di manipolare il rapporto di riempimento e il rapporto di compressione effettivo in un ampio intervallo, riducendo la soglia di detonazione senza ridurre l'efficienza dell'indicatore. L'ingresso accorciato fornisce un aumento dell'efficienza meccanica riducendo la pressione delle perdite di pompaggio.
Revisori:
Kamenev V.F., Dottore in Scienze Tecniche, Professore, Massimo Esperto, Centro Scientifico Statale della Federazione Russa FSUE "NAMI", Mosca.
Saikin A.M., dottore in scienze tecniche, capo dipartimento, SSC RF FSUE "NAMI", Mosca.
Link bibliografico
Ter-Mkrtichyan G.G. CONVERSIONE DI UN DIESEL IN UN MOTORE A GAS CON UNA DIMINUZIONE DEL TASSO DI COMPRESSIONE EFFETTIVO // Modern Problems of Science and Education. - 2014. - N. 5.;URL: http://science-education.ru/ru/article/view?id=14894 (data di accesso: 01.02.2020). Portiamo alla vostra attenzione le riviste pubblicate dalla casa editrice "Academy of Natural History"
I vantaggi del gas per utilizzarlo come carburante per auto sono i seguenti indicatori:
Risparmio di carburante
Risparmio di carburante motore a benzina- l'indicatore più importante del motore - è determinato dal numero di ottano del carburante e dal limite di accensione della miscela aria-carburante. Il numero di ottano è una misura della resistenza alla detonazione di un carburante, che limita la capacità del carburante di essere utilizzato in motori ad alta potenza ea basso consumo con un elevato rapporto di compressione. Nella tecnologia moderna, il numero di ottano è il principale indicatore del grado del carburante: più è alto, migliore e più costoso è il carburante. SPBT (miscela tecnica propano-butano) ha un numero di ottano da 100 a 110 unità, quindi la detonazione non si verifica in nessuna modalità operativa del motore.
Un'analisi delle proprietà termofisiche del combustibile e della sua miscela combustibile (potere calorifico e potere calorifico della miscela combustibile) mostra che tutti i gas sono superiori alla benzina in termini di potere calorifico, tuttavia, se miscelati con l'aria, le loro prestazioni energetiche diminuiscono, che è uno dei motivi della diminuzione della potenza del motore. La riduzione di potenza durante il funzionamento con carburante liquefatto è fino al 7%. Un motore simile, quando funziona a metano compresso (compresso), perde fino al 20% della sua potenza.
Allo stesso tempo, numeri di ottano elevati consentono di aumentare il rapporto di compressione. motori a gas e aumentare la potenza, ma solo le fabbriche di automobili possono fare questo lavoro a buon mercato. Nelle condizioni del sito di installazione, effettuare questa revisione è troppo costoso e spesso è semplicemente impossibile.
Numeri di ottano elevati richiedono un aumento della fasatura dell'accensione di 5 ° ... 7 °. Tuttavia, l'accensione anticipata può portare al surriscaldamento delle parti del motore. Nella pratica del funzionamento dei motori a gas, si sono verificati casi di esaurimento delle teste dei pistoni e delle valvole durante l'accensione troppo anticipata e il funzionamento con miscele molto magre.
Il consumo specifico di carburante del motore è tanto minore quanto più povera è la miscela aria-carburante su cui gira il motore, ovvero minore è il carburante per 1 kg di aria che entra nel motore. Tuttavia, miscele molto magre, dove c'è troppo poco carburante, semplicemente non si accendono da una scintilla. Ciò pone un limite al miglioramento dell'efficienza del carburante. Nelle miscele di benzina con aria, il contenuto massimo di carburante in 1 kg di aria, a cui è possibile l'accensione, è di 54 g In una miscela gas-aria estremamente magra, questo contenuto è di soli 40 g Il gas naturale è molto più economico di benzina. Gli esperimenti hanno dimostrato che il consumo di carburante per 100 km quando si guida un'auto a gas a velocità comprese tra 25 e 50 km / h è 2 volte inferiore a quello della stessa auto a benzina nelle stesse condizioni. I componenti del carburante gassoso hanno limiti di accensione che sono notevolmente spostati verso miscele magre, il che offre ulteriori opportunità per migliorare il risparmio di carburante.
Sicurezza ambientale dei motori a gas
I carburanti a base di idrocarburi gassosi sono tra i carburanti più ecologici. Le emissioni di sostanze tossiche con i gas di scarico sono 3-5 volte inferiori rispetto alle emissioni durante il funzionamento a benzina.
I motori a benzina, a causa dell'elevato valore del limite magro (54 g di carburante per 1 kg di aria), sono costretti a regolare su miscele ricche, il che porta ad una mancanza di ossigeno nella miscela e ad una combustione incompleta del carburante. Di conseguenza, lo scarico di un tale motore può contenere una quantità significativa di monossido di carbonio (CO), che si forma sempre in caso di mancanza di ossigeno. Nel caso in cui vi sia abbastanza ossigeno, nel motore si sviluppa una temperatura elevata durante la combustione (più di 1800 gradi), alla quale l'azoto atmosferico viene ossidato con l'ossigeno in eccesso per formare ossidi di azoto, la cui tossicità è 41 volte superiore alla tossicità di CO.
Oltre a questi componenti, lo scarico dei motori a benzina contiene idrocarburi e prodotti della loro ossidazione incompleta, che si formano nello strato vicino alla parete della camera di combustione, dove le pareti raffreddate ad acqua non consentono l'evaporazione del carburante liquido in breve tempo tempo di ciclo del motore e limitare l'accesso di ossigeno al carburante. Nel caso dell'utilizzo di combustibili gassosi tutti questi fattori sono molto più deboli, principalmente a causa di miscele più povere. I prodotti della combustione incompleta non si formano praticamente, poiché c'è sempre un eccesso di ossigeno. Gli ossidi di azoto si formano in quantità minori, poiché con miscele magre la temperatura di combustione è molto più bassa. Lo strato vicino alla parete della camera di combustione contiene meno carburante con miscele gas-aria povere rispetto a miscele aria-benzina più ricche. Quindi, con gas correttamente regolato motore le emissioni di monossido di carbonio nell'atmosfera sono 5-10 volte inferiori a quelle della benzina, gli ossidi di azoto sono 1,5-2,0 volte inferiori e gli idrocarburi sono 2-3 volte inferiori. Ciò consente di rispettare i promettenti standard di tossicità dei veicoli ("Euro-2" e possibilmente "Euro-3") con un adeguato sviluppo del motore.
L'utilizzo del gas come carburante per autotrazione è una delle poche misure ambientali i cui costi sono ripagati da un effetto economico diretto sotto forma di riduzione del costo del carburante e dei lubrificanti. La stragrande maggioranza delle altre attività ambientali è estremamente costosa.
In una città con un milione di motori, l'uso del gas come combustibile può ridurre notevolmente l'inquinamento ambientale. In molti paesi, programmi ambientali separati mirano a risolvere questo problema, stimolando la conversione dei motori da benzina a gas. I programmi ambientali di Mosca ogni anno rafforzano i requisiti per i proprietari di veicoli in relazione alle emissioni di scarico. Il passaggio all'utilizzo del gas è una soluzione ad un problema ambientale unito ad un effetto economico.
Resistenza all'usura e sicurezza del motore a gas
La resistenza all'usura del motore è strettamente correlata all'interazione tra carburante e olio motore. Uno dei fenomeni spiacevoli nei motori a benzina è il lavaggio del film d'olio dalla superficie interna dei cilindri del motore da parte della benzina durante l'avviamento a freddo, quando il carburante entra nei cilindri senza evaporare. Inoltre, la benzina in forma liquida entra nell'olio, si dissolve in esso e lo diluisce, peggiorando le proprietà lubrificanti. Entrambi gli effetti accelerano l'usura del motore. L'HOS, indipendentemente dalla temperatura del motore, rimane sempre nella fase gassosa, il che elimina completamente i fattori indicati. Il GPL (gas di petrolio liquefatto) non può entrare nel cilindro come avviene con i combustibili liquidi convenzionali, quindi non è necessario lavare il motore. La testata del monoblocco e il monoblocco si consumano meno, il che aumenta la durata del motore.
Se le regole di funzionamento e manutenzione non vengono seguite, qualsiasi prodotto tecnico rappresenta un certo pericolo. Gli impianti a gas non fanno eccezione. Allo stesso tempo, nel determinare i rischi potenziali, dovrebbero essere prese in considerazione tali proprietà fisico-chimiche oggettive dei gas come limiti di temperatura e concentrazione di autoaccensione. Un'esplosione o un'accensione richiede la formazione di una miscela aria-carburante, ovvero una miscelazione volumetrica di gas con aria. La presenza di gas in una bombola in pressione esclude la possibilità che vi penetri aria, mentre nei serbatoi con benzina o gasolio c'è sempre una miscela dei loro vapori con l'aria.
Di norma, vengono installati nelle aree meno vulnerabili e statisticamente meno danneggiate dell'auto. Sulla base dei dati reali è stata calcolata la probabilità di danneggiamento e distruzione strutturale della carrozzeria. I risultati dei calcoli indicano che la probabilità di distruzione della carrozzeria nell'area dei cilindri è dell'1-5%.
L'esperienza di utilizzo di motori a gas, sia qui che all'estero, dimostra che i motori a gas sono meno infiammabili ed esplosivi in situazioni di emergenza.
Fattibilità economica dell'applicazione
Il funzionamento di un'auto sul GOS comporta un risparmio di circa il 40%. Poiché, per le sue caratteristiche, è la miscela di propano e butano più vicina alla benzina, non richiede grandi modifiche al dispositivo del motore per utilizzarla. Il sistema di alimentazione del motore universale mantiene un sistema di alimentazione a benzina a tutti gli effetti e semplifica il passaggio dalla benzina al gas e viceversa. Un motore dotato di un sistema universale può funzionare sia a benzina che a gas. Il costo per convertire un'auto a benzina in una miscela propano-butano, a seconda dell'attrezzatura selezionata, varia da 4 a 12 mila rubli.
Quando viene prodotto il gas, il motore non si ferma immediatamente, ma smette di funzionare dopo 2-4 km di corsa. Sistema di alimentazione combinato "gas più benzina" - è di 1000 km su una stazione di servizio di entrambi i sistemi di alimentazione. Tuttavia, esistono ancora alcune differenze nelle caratteristiche di questi combustibili. Quindi, quando si utilizza gas liquefatto, è necessaria una tensione più elevata nella candela affinché appaia una scintilla. Può superare la tensione quando la macchina funziona a benzina del 10-15%.
Il passaggio del motore al gas ne aumenta la durata di 1,5-2 volte. Il funzionamento del sistema di accensione migliora, la durata delle candele aumenta del 40%, la miscela aria-gas viene bruciata più completamente rispetto a quando si utilizza la benzina. Riduce l'accumulo di carbonio nella camera di combustione, nella testata del cilindro e nei pistoni poiché i depositi di carbonio vengono ridotti.
Un altro aspetto della fattibilità economica dell'utilizzo dell'SPBT come carburante per motori è che l'uso del gas consente di ridurre al minimo la possibilità di scarico non autorizzato del carburante.
Le auto con sistema di iniezione del carburante dotate di apparecchiature a gas sono più facili da proteggere dai furti rispetto alle auto con motori a benzina: scollegando e portando con sé un interruttore facilmente rimovibile, è possibile bloccare in modo affidabile l'alimentazione del carburante e quindi prevenire il furto. Un tale "bloccante" è difficile da riconoscere, che funge da serio dispositivo antifurto per l'avviamento non autorizzato del motore.
Pertanto, in generale, l'uso del gas come carburante per motori è economico, ecologico e abbastanza sicuro.
Si è parlato molto dei vantaggi dei carburanti a gas, in particolare del metano, ma ricordiamoli ancora una volta.
È uno scarico ecologico che soddisfa le normative sulle emissioni attuali e anche future. Come parte del culto del riscaldamento globale, questo è un vantaggio importante, poiché Euro 5, Euro 6 e tutti gli standard successivi saranno applicati senza fallo e il problema dello scarico dovrà essere risolto in un modo o nell'altro. Entro il 2020, l'UE consentirà ai nuovi veicoli di produrre in media non più di 95 g di CO2 per chilometro. Entro il 2025, questo limite consentito potrebbe ancora essere abbassato. I motori a gas naturale sono in grado di soddisfare questi standard di emissione, e non solo grazie alle loro minori emissioni di CO2. Anche le emissioni di particolato nei motori a gas sono inferiori a quelle delle loro controparti a benzina o diesel.
Inoltre, il carburante per motori a gas non lava via l'olio dalle pareti del cilindro, il che ne rallenta l'usura. Secondo i propagandisti del carburante per motori a gas, la risorsa del motore aumenta magicamente in modo significativo. Allo stesso tempo, tacciono modestamente sullo stress termico di un motore a gas.
E il vantaggio principale del carburante per motori a gas è il prezzo. Il prezzo e solo il prezzo copre tutte le carenze del gas come carburante per motori. Se parliamo di metano, allora questa è una rete di stazioni di rifornimento di metano non sviluppata, che letteralmente collega un'auto a benzina a una stazione di servizio. Il numero di stazioni di rifornimento di gas naturale liquefatto è trascurabile, oggi questo tipo di carburanti a gas è un prodotto di nicchia altamente specializzato. Inoltre, le apparecchiature GPL occupano parte della capacità di carico utile e dello spazio utilizzabile, HBO è problematico e costoso da mantenere.
Il progresso tecnologico ha dato origine a un tipo di motore come il gas diesel, che vive in due mondi: diesel e gas. Ma come mezzo universale, il gas-diesel non realizza pienamente le possibilità dell'uno o dell'altro mondo. Non è possibile ottimizzare il processo di combustione, l'efficienza o le emissioni per due carburanti sullo stesso motore. Per ottimizzare il ciclo gas-aria, è necessario uno strumento specializzato: un motore a gas.
Oggi, tutti i motori a gas utilizzano la formazione esterna della miscela gas/aria e l'accensione tramite candela, come in un motore a benzina con carburatore. Opzioni alternative sono in fase di sviluppo. La miscela gas-aria si forma nel collettore di aspirazione mediante iniezione di gas. Più vicino al cilindro si verifica questo processo, più rapida è la reazione del motore. Idealmente, il gas dovrebbe essere iniettato direttamente nella camera di combustione, come discusso di seguito. La complessità del controllo non è l'unico svantaggio del missaggio esterno.
L'iniezione del gas è controllata da un'unità elettronica, che controlla anche la fasatura dell'accensione. Il metano brucia più lentamente del gasolio, cioè la miscela gas-aria dovrebbe accendersi prima, anche l'angolo di anticipo è regolato in base al carico. Inoltre, il metano necessita di un rapporto di compressione inferiore rispetto al gasolio. Quindi, in un motore aspirato, il rapporto di compressione è ridotto a 12-14. Per i motori atmosferici, la composizione stechiometrica della miscela gas-aria è tipica, ovvero il coefficiente di aria in eccesso a è pari a 1, che in una certa misura compensa la perdita di potenza dovuta a una diminuzione del rapporto di compressione. L'efficienza di un motore a gas atmosferico è al livello del 35%, mentre l'efficienza di un motore diesel atmosferico è al livello del 40%.
Le case automobilistiche raccomandano l'uso di oli motore speciali nei motori a gas che sono resistenti all'acqua, hanno un basso contenuto di ceneri solfate e, allo stesso tempo, hanno un numero di base elevato, ma oli multigrado per motori diesel delle classi SAE 15W-40 e 10W-40 non sono proibiti, che vengono utilizzati in pratica in nove casi su dieci.
Il turbocompressore consente di ridurre il rapporto di compressione a 10–12, a seconda delle dimensioni del motore e della pressione nel tratto di aspirazione, e di aumentare il rapporto dell'aria in eccesso a 1,4–1,5. In questo caso l'efficienza raggiunge il 37%, ma allo stesso tempo lo stress termico del motore aumenta notevolmente. Per fare un confronto: l'efficienza di un motore diesel turbocompresso raggiunge il 50%.
L'aumento dello stress termico di un motore a gas è associato all'impossibilità di spurgare la camera di combustione quando le valvole sono chiuse, quando le valvole di scarico e di aspirazione sono contemporaneamente aperte alla fine della corsa di scarico. Il flusso di aria fresca, soprattutto in un motore sovralimentato, potrebbe raffreddare le superfici della camera di combustione, riducendo così la densità termica del motore, e riducendo anche il riscaldamento della carica fresca, questo aumenterebbe il rapporto di riempimento, ma per un motore a gas, la sovrapposizione delle valvole è inaccettabile. A causa della formazione esterna della miscela gas-aria, l'aria viene sempre fornita al cilindro insieme al metano e le valvole di scarico devono essere chiuse in questo momento per evitare che il metano entri nel tratto di scarico e provochi un'esplosione.
Un rapporto di compressione ridotto, un aumento dello stress termico e le caratteristiche del ciclo gas-aria richiedono modifiche appropriate, in particolare, nel sistema di raffreddamento, nella progettazione delle parti dell'albero a camme e del CPG, nonché nei materiali utilizzati per mantenere le prestazioni e risorsa. Pertanto, il costo di un motore a gas non è molto diverso dal costo di una controparte diesel, o addirittura superiore. Inoltre, il costo delle apparecchiature a gas.
Il fiore all'occhiello dell'industria automobilistica nazionale, PJSC KAMAZ, produce in serie motori a V a 8 cilindri a gas delle serie KamAZ-820.60 e KamAZ-820.70 con una dimensione di 120x130 e un volume di lavoro di 11.762 litri. Per i motori a gas viene utilizzato un CPG che fornisce un rapporto di compressione di 12 (per un KamAZ-740 diesel, un rapporto di compressione di 17). Nel cilindro, la miscela gas-aria viene accesa da una candela installata al posto dell'ugello.
Per i veicoli pesanti con motori a gas vengono utilizzate candele speciali. Ad esempio, Federal-Mogul commercializza candele con un elettrodo centrale in iridio e un elettrodo di massa in iridio o platino. Il design, i materiali e le caratteristiche degli elettrodi e delle stesse candele tengono conto del regime di temperatura di un veicolo pesante, caratterizzato da un'ampia gamma di carichi e da un rapporto di compressione relativamente elevato.
I motori KamAZ-820 sono dotati di un sistema di iniezione di metano distribuito nella tubazione di aspirazione tramite ugelli con un dispositivo di dosaggio elettromagnetico. Il gas viene iniettato singolarmente nel tratto di aspirazione di ciascun cilindro, il che consente di regolare la composizione della miscela gas-aria per ciascun cilindro al fine di ottenere emissioni minime di sostanze nocive. Il flusso del gas è regolato da un sistema a microprocessore in funzione della pressione davanti all'iniettore, l'alimentazione dell'aria è regolata da una valvola a farfalla azionata da un pedale dell'acceleratore elettronico. Il sistema a microprocessore controlla la fasatura dell'accensione, fornisce protezione contro l'accensione del metano nelle tubazioni di aspirazione in caso di malfunzionamento del sistema di accensione o malfunzionamento della valvola, nonché protezione del motore dalle modalità di emergenza, mantiene una determinata velocità del veicolo, fornisce limitazione di coppia sulle ruote motrici del veicolo e autodiagnosi all'inserimento del sistema .
KAMAZ ha ampiamente unificato le parti dei motori a gas e diesel, ma non tutte, e molte parti esternamente simili per un motore diesel: albero motore, albero a camme, pistoni con bielle e anelli, testate, turbocompressore, pompa dell'acqua, pompa dell'olio, aspirazione tubazione, coppa, alloggiamento del volano - non adatto per un motore a gas.
Nell'aprile 2015, KAMAZ ha lanciato un edificio di veicoli a gas con una capacità di 8.000 veicoli all'anno. La produzione si trova nell'ex edificio gas-diesel dello stabilimento automobilistico. La tecnologia di assemblaggio è la seguente: il telaio viene assemblato e su di esso viene installato un motore a gas sulla linea di assemblaggio principale di uno stabilimento automobilistico. Successivamente il telaio viene rimorchiato nella carrozzeria dei veicoli a gas per l'installazione dell'equipaggiamento del pallone a gas e l'intero ciclo di prova, nonché per il rodaggio dei veicoli e del telaio. Allo stesso tempo, anche i motori a gas KAMAZ (compresi quelli aggiornati con la base di componenti BOSCH) assemblati nella produzione del motore vengono testati e rodati completamente.
Avtodizel (Yaroslavl Motor Plant), in collaborazione con Westport, ha sviluppato e produce una linea di motori a gas basati sulla famiglia YaMZ-530 di motori in linea a 4 e 6 cilindri. La versione a sei cilindri può essere installata sui veicoli Ural NEXT di nuova generazione.
Come accennato in precedenza, la versione ideale di un motore a gas è l'iniezione diretta di gas nella camera di combustione, ma finora la più potente ingegneria meccanica globale non ha creato una tale tecnologia. In Germania, la ricerca è condotta dal consorzio Direct4Gas guidato da Robert Bosch GmbH in collaborazione con Daimler AG e lo Stuttgart Automotive and Engine Research Institute (FKFS). Il Ministero dell'Economia e dell'Energia tedesco ha sostenuto il progetto con 3,8 milioni di euro, che in realtà non è poi così tanto. Il progetto durerà dal 2015 a gennaio 2017. Nagora dovrebbe rilasciare un disegno industriale del sistema di iniezione diretta del metano e, non meno importante, la tecnologia per la sua produzione.
Rispetto agli attuali sistemi che utilizzano l'iniezione di gas multiporta nel collettore, il futuro sistema di iniezione diretta è in grado di aumentare la coppia ai bassi regimi del 60%, ovvero eliminare il punto debole del motore a gas. L'iniezione diretta risolve tutta una serie di malattie "infantili" di un motore a gas portate con la carburazione esterna.
Il progetto Direct4Gas sta sviluppando un sistema di iniezione diretta in grado di essere affidabile e sigillato e dosare l'esatta quantità di gas da iniettare. Le modifiche al motore stesso sono ridotte al minimo in modo che l'industria possa utilizzare componenti legacy. Il team del progetto completa i motori a gas sperimentali con una valvola di iniezione ad alta pressione di nuova concezione. Il sistema dovrebbe essere testato in laboratorio e direttamente sui veicoli. I ricercatori stanno anche studiando la formazione della miscela aria-carburante, il processo di controllo dell'accensione e la formazione di gas tossici. L'obiettivo a lungo termine del consorzio è creare le condizioni in cui la tecnologia possa entrare nel mercato.
Quindi, i motori a gas sono una direzione giovane che non ha ancora raggiunto la maturità tecnologica. La maturità arriverà quando Bosch ei suoi compagni creeranno la tecnologia per l'iniezione diretta di metano nella camera di combustione.
Evgenij Konstantinov
Mentre la benzina e il gasolio stanno inesorabilmente diventando più costosi e tutti i tipi di centrali elettriche alternative per i veicoli rimangono terribilmente lontane dalle persone, perdendo rispetto ai tradizionali motori a combustione interna in termini di prezzo, autonomia e costi operativi, il modo più realistico per risparmiare sul rifornimento è trasferire l'auto a una "dieta a gas". A prima vista, questo è vantaggioso: il costo del riequipaggiamento dell'auto verrà presto ripagato a causa della differenza dei prezzi del carburante, soprattutto nel normale traffico commerciale e passeggeri. Non senza motivo, a Mosca e in molte altre città, una parte significativa dei veicoli municipali è passata da tempo al gas. Ma qui sorge spontanea una domanda: perché, allora, la quota di veicoli a GPL nel flusso di traffico sia nel nostro Paese che all'estero non supera qualche punto percentuale? Cosa si nasconde dietro la bombola del gas?
Scienza e vita // Illustrazioni
I segnali di avvertimento alla stazione di servizio non sono senza motivo: ogni collegamento del gasdotto di processo è un potenziale luogo di perdite di gas combustibile.
Le bombole di gas liquefatto sono più leggere, più economiche e di forma più varia rispetto al gas compresso, e quindi sono più facili da sistemare in base allo spazio libero nell'auto e all'autonomia richiesta.
Prestare attenzione alla differenza di prezzo dei combustibili liquidi e gassosi.
Bombole con metano compresso nella parte posteriore di una Gazelle ribaltabile.
Il riduttore-evaporatore nel sistema a propano richiede il riscaldamento. La foto mostra chiaramente il tubo che collega lo scambiatore di calore a liquido del cambio al sistema di raffreddamento del motore.
Diagramma schematico del funzionamento dell'attrezzatura del pallone a gas su un motore a carburatore.
Schema di funzionamento dell'impianto per gas liquefatto senza trasferimento in fase gassosa in un motore a combustione interna ad iniezione distribuita.
Il propano-butano viene immagazzinato e trasportato in serbatoi (nella foto dietro il cancello blu). Grazie a questa mobilità, la stazione di servizio può essere collocata in qualsiasi luogo conveniente e, se necessario, trasferita rapidamente in un altro.
Alla colonna di propano non vengono riempite solo le auto, ma anche le bombole domestiche.
La colonna per il gas liquefatto ha un aspetto diverso dalla benzina, ma il processo di rifornimento è simile. La lettura del carburante riempito è in litri.
Il concetto di "carburante a gas per autotrazione" comprende due miscele di composizione completamente diversa: il gas naturale, in cui fino al 98% è metano, e il propano-butano prodotto dal gas di petrolio associato. Oltre all'infiammabilità incondizionata, hanno anche un comune stato di aggregazione a pressione atmosferica e temperature confortevoli per la vita. Tuttavia, a basse temperature, le proprietà fisiche di questi due gruppi di idrocarburi leggeri sono piuttosto diverse. Per questo motivo, richiedono attrezzature completamente diverse per lo stoccaggio a bordo e l'alimentazione del motore e, durante il funzionamento, le auto con diversi sistemi di alimentazione del gas presentano diverse differenze significative.
Gas liquefatto
La miscela propano-butano è ben nota ai turisti e ai residenti estivi: è lei che viene riempita nelle bombole di gas domestiche. Costituisce anche la maggior parte del gas che viene sprecato nelle torce delle imprese di produzione e lavorazione del petrolio. La composizione proporzionale della miscela di carburante propano-butano può variare. Il punto non è tanto nella composizione iniziale del gas di petrolio, ma nelle proprietà di temperatura del combustibile risultante. Come carburante per motori, il butano puro (C 4 H 10) è buono sotto tutti gli aspetti, tranne per il fatto che passa allo stato liquido già a 0,5 ° C a pressione atmosferica. Pertanto, viene aggiunto propano meno calorico, ma più resistente al freddo (C 2 H 8) con un punto di ebollizione di -43 ° C. Il rapporto di questi gas nella miscela stabilisce il limite inferiore di temperatura per l'utilizzo del carburante, che per lo stesso motivo può essere "estivo" e "invernale".
Il punto di ebollizione relativamente alto del propano-butano, anche nella versione "invernale", ne consente lo stoccaggio in bombole sotto forma liquida: anche a bassa pressione passa nella fase liquida. Da qui un altro nome per il carburante propano-butano: gas liquefatto. È conveniente ed economico: l'elevata densità della fase liquida consente di inserire una grande quantità di carburante in un piccolo volume. Lo spazio libero sopra il liquido nel cilindro è occupato dal vapore saturo. Man mano che il gas viene consumato, la pressione nella bombola rimane costante finché non è vuota. I conducenti di auto "propano" durante il rifornimento devono riempire il serbatoio fino a un massimo del 90% per lasciare spazio a un cuscino di vapore all'interno.
La pressione all'interno del cilindro dipende principalmente dalla temperatura ambiente. A temperature negative scende al di sotto di un'atmosfera, ma anche questo è sufficiente per mantenere le prestazioni del sistema. Ma con il riscaldamento cresce rapidamente. A 20°C la pressione nel cilindro è già di 3-4 atmosfere, a 50°C raggiunge le 15-16 atmosfere. Per la maggior parte delle bombole di gas per autoveicoli, questi valori sono vicini al limite. E questo significa che quando si surriscalda in un caldo pomeriggio sotto il sole del sud, un'auto scura con a bordo una bombola di gas liquefatto ... No, non esploderà, come in un film d'azione di Hollywood, ma inizierà a scaricare il propano in eccesso -butano nell'atmosfera attraverso una valvola di sicurezza progettata appositamente per tale caso. Di sera, quando farà di nuovo freddo, ci sarà notevolmente meno carburante nel cilindro, ma nessuno e niente si farà male. È vero, come mostrano le statistiche, alcuni dilettanti risparmiano anche su una valvola di sicurezza di volta in volta riempiendo la cronaca degli incidenti.
gas compresso
Altri principi sono alla base del funzionamento delle apparecchiature a pallone a gas per veicoli che consumano gas naturale come carburante, comunemente indicato come metano nella vita di tutti i giorni dal suo componente principale. Questo è lo stesso gas che viene fornito attraverso i tubi agli appartamenti cittadini. A differenza del gas di petrolio, il metano (CH 4) ha una bassa densità (1,6 volte più leggero dell'aria) e, soprattutto, un basso punto di ebollizione. Passa allo stato liquido solo a –164°C. La presenza di una piccola percentuale di impurità di altri idrocarburi nel gas naturale non modifica di molto le proprietà del metano puro. Ciò significa che trasformare questo gas in un liquido per l'uso in un'auto è incredibilmente difficile. Nell'ultimo decennio si è lavorato attivamente alla realizzazione dei cosiddetti serbatoi criogenici, che consentono di immagazzinare metano liquefatto in un'auto a temperature di -150 ° C e inferiori e pressioni fino a 6 atmosfere. Sono stati creati prototipi di stazioni di trasporto e di servizio per questa opzione di carburante. Ma finora questa tecnologia non ha ricevuto una distribuzione pratica.
Pertanto, nella stragrande maggioranza dei casi, per essere utilizzato come carburante per autotrazione, il metano viene semplicemente compresso, portando la pressione in bombola a 200 atmosfere. Di conseguenza, la forza e, di conseguenza, la massa di un tale cilindro dovrebbero essere notevolmente superiori a quelle del propano. Sì, e collocato nello stesso volume di gas compresso è significativamente inferiore a quello liquefatto (in termini di moli). E questa è una diminuzione dell'autonomia dell'auto. Un altro aspetto negativo è il prezzo. Un margine di sicurezza significativamente maggiore incorporato nelle apparecchiature a metano risulta essere che il prezzo di un kit per un'auto risulta essere quasi dieci volte superiore rispetto a un'apparecchiatura a propano di una classe simile.
Le bombole di metano sono disponibili in tre dimensioni standard, di cui solo la più piccola, con un volume di 33 litri, può essere collocata in un'autovettura. Ma per garantire un'autonomia garantita di trecento chilometri, sono necessari cinque di questi cilindri, con una massa totale di 150 kg. È chiaro che in un runabout urbano compatto non ha senso trasportare costantemente un carico del genere invece di un bagaglio utile. Pertanto, c'è un motivo per convertire a metano solo le auto di grandi dimensioni. Prima di tutto, camion e autobus.
Con tutto ciò, il metano ha due vantaggi significativi rispetto al gas di petrolio. Innanzitutto, è ancora più economico e non è legato al prezzo del petrolio. E in secondo luogo, l'attrezzatura a metano è strutturalmente assicurata contro i problemi con il funzionamento invernale e consente, se lo si desidera, di fare a meno della benzina. Nel caso del propano-butano nelle nostre condizioni climatiche, tale concentrazione non funzionerà. In effetti, l'auto rimarrà a doppia alimentazione. Il motivo è il gas liquefatto. Più precisamente, nel processo di evaporazione attiva, il gas si raffredda bruscamente. Di conseguenza, la temperatura nel cilindro scende bruscamente, e soprattutto nel riduttore del gas. Per evitare il congelamento dell'apparecchiatura, il cambio viene riscaldato incorporando uno scambiatore di calore collegato al sistema di raffreddamento del motore. Ma affinché questo sistema inizi a funzionare, il liquido nella linea deve prima essere riscaldato. Pertanto, si consiglia di avviare e riscaldare il motore a una temperatura ambiente inferiore a 10 ° C rigorosamente a benzina. E solo allora, quando il motore raggiunge la temperatura di esercizio, passa a gas. Tuttavia, i moderni sistemi elettronici commutano tutto da soli, senza l'ausilio di un conducente, controllando automaticamente la temperatura e impedendo il congelamento delle apparecchiature. È vero, per mantenere il corretto funzionamento dell'elettronica in questi sistemi, è impossibile svuotare il serbatoio del gas fino a quando non si asciuga anche quando fa caldo. La modalità di avviamento a gas è di emergenza per tali apparecchiature e il sistema può essere attivato forzatamente solo in caso di emergenza.
Gli impianti a metano non hanno difficoltà con l'avviamento invernale. Al contrario, è ancora più facile avviare il motore con questo gas quando fa freddo che con la benzina. L'assenza di una fase liquida non richiede il riscaldamento del riduttore, che abbassa solo la pressione nel sistema da 200 atmosfere di trasporto a una di lavoro.
Le meraviglie dell'iniezione diretta
La cosa più difficile è convertire a gas i motori moderni con iniezione diretta di carburante nei cilindri. Il motivo è che gli iniettori di gas si trovano tradizionalmente nel tratto di aspirazione, dove avviene la formazione della miscela in tutti gli altri tipi di motori a combustione interna senza iniezione diretta. Ma la presenza di tali cancella completamente la possibilità di aggiungere l'approvvigionamento di gas in modo così semplice e tecnologico. In primo luogo, idealmente, anche il gas dovrebbe essere immesso direttamente nel cilindro e, in secondo luogo, e soprattutto, il carburante liquido serve a raffreddare i propri ugelli di iniezione diretta. Senza di esso, falliscono molto rapidamente a causa del surriscaldamento.
Ci sono soluzioni a questo problema, e almeno due. Il primo trasforma il motore in un dual-fuel. È stato inventato molto tempo fa, ancor prima dell'avvento dell'iniezione diretta sui motori a benzina, ed è stato proposto per adattare i motori diesel al funzionamento a metano. Il gas non si accende per compressione, quindi il "diesel gassato" si avvia con il gasolio e continua a lavorarci in modalità minimo e carico minimo. E poi entra in gioco il gas. È grazie alla sua alimentazione che la velocità di rotazione dell'albero motore è regolata nella modalità di giri medi e alti. Per fare ciò, la pompa di iniezione (pompa del carburante ad alta pressione) è limitata alla fornitura di carburante liquido al 25-30% del valore nominale. Il metano entra nel motore attraverso la propria linea, bypassando la pompa di iniezione. Non ci sono problemi con la sua lubrificazione a causa di una diminuzione della fornitura di gasolio alle alte velocità. Gli iniettori diesel continuano ad essere raffreddati dal carburante che li attraversa. È vero, il carico termico su di essi nella modalità ad alta velocità rimane ancora aumentato.
Uno schema di potenza simile iniziò ad essere utilizzato per i motori a benzina con iniezione diretta. Inoltre funziona sia con impianti a metano che propano-butano. Ma in quest'ultimo caso, una soluzione alternativa apparsa abbastanza di recente è considerata più promettente. Tutto è iniziato con l'idea di abbandonare il tradizionale cambio dell'evaporatore e fornire propano-butano al motore sotto pressione in fase liquida. I passi successivi sono stati il rifiuto degli iniettori di gas e la fornitura di gas liquefatto tramite iniettori di benzina standard. Al circuito è stato aggiunto un modulo di adattamento elettronico, collegando una linea del gas o della benzina a seconda della situazione. Allo stesso tempo, il nuovo sistema ha perso i tradizionali problemi con un avviamento a freddo a gas: nessuna evaporazione - nessun raffreddamento. È vero, il costo dell'attrezzatura per i motori con iniezione diretta in entrambi i casi è tale da ripagare solo con un chilometraggio molto elevato.
A proposito, la fattibilità economica limita l'uso di apparecchiature a gas nei motori diesel. È per motivi di vantaggio che per i motori ad accensione spontanea vengono utilizzati solo impianti a metano e solo i motori con equipaggiamento pesante dotati di tradizionali pompe del carburante ad alta pressione sono adatti in termini di caratteristiche. Il fatto è che il trasferimento di piccoli motori passeggeri economici dal diesel al gas non si ripaga da solo, e lo sviluppo e l'implementazione tecnica di attrezzature per palloncini a gas per gli ultimi motori con common rail (common rail) sono considerati economicamente ingiustificati al momento tempo presente.
È vero, esiste un altro modo alternativo per trasferire il diesel al gas, trasformandolo completamente in un motore a gas con accensione a scintilla. In un motore del genere, il rapporto di compressione scende a 10-11 unità, compaiono candele e componenti elettrici ad alta tensione e dice addio per sempre al gasolio. Ma inizia a consumare benzina senza dolore.
Condizioni di lavoro
Le vecchie istruzioni sovietiche per convertire le auto a benzina in gas richiedevano la rettifica delle testate dei cilindri (testate) per aumentare il rapporto di compressione. Questo è comprensibile: l'oggetto della gassificazione in essi erano i propulsori dei veicoli commerciali che funzionavano a benzina con un numero di ottano di 76 e inferiore. Il metano ha un numero di ottani di 117, mentre le miscele propano-butano ne hanno circa un centinaio. Pertanto, entrambi i combustibili gassosi sono significativamente meno soggetti alla detonazione rispetto alla benzina e consentono di aumentare il rapporto di compressione del motore per ottimizzare il processo di combustione.
Inoltre, per i motori a carburatore arcaici dotati di sistemi meccanici di alimentazione del gas, un aumento del rapporto di compressione ha permesso di compensare la perdita di potenza che si è verificata durante il passaggio a gas. Il fatto è che benzina e gas si mescolano con l'aria nel tratto di aspirazione in proporzioni completamente diverse, motivo per cui quando si utilizza propano-butano, e soprattutto metano, il motore deve funzionare con una miscela notevolmente più magra. Di conseguenza, la coppia del motore si riduce, portando a un calo di potenza del 5-7% nel primo caso e del 18-20% nel secondo. Allo stesso tempo, sul grafico della caratteristica di velocità esterna, rimane invariata la forma della curva di coppia di ogni specifico motore. Sposta semplicemente verso il basso "l'asse dei Newton-metri".
Tuttavia, per i motori con sistemi di iniezione elettronica dotati di moderni sistemi di alimentazione del gas, tutte queste raccomandazioni e cifre non hanno quasi alcun significato pratico. Perché, in primis, il loro rapporto di compressione è già sufficiente, e anche per il passaggio al metano il lavoro di rettifica della testata è del tutto ingiustificato economicamente. E in secondo luogo, il processore dell'apparecchiatura del gas, coordinato con l'elettronica dell'auto, organizza l'alimentazione del carburante in modo tale che almeno la metà compensi la mancanza di coppia di cui sopra. Nei sistemi ad iniezione diretta e nei motori gas-diesel, il gasolio in determinate gamme di velocità è completamente in grado di aumentare la coppia.
Inoltre, l'elettronica monitora chiaramente i tempi di accensione richiesti, che, quando si passa a gas, devono essere maggiori rispetto alla benzina, a parità di altre condizioni. Il gas combustibile brucia più lentamente, il che significa che deve essere acceso prima. Per lo stesso motivo aumenta il carico termico sulle valvole e sulle loro sedi. D'altra parte, il carico d'urto sul gruppo cilindro-pistone diminuisce. Inoltre, l'avviamento invernale a metano è molto più utile che a benzina: il gas non lava via l'olio dalle pareti dei cilindri. E in generale, il gas combustibile non contiene catalizzatori di invecchiamento del metallo, una combustione più completa del carburante riduce la tossicità dello scarico e i depositi di carbonio nei cilindri.
Navigazione autonoma
Forse lo svantaggio più evidente in un'auto a benzina è la sua limitata autonomia. In primo luogo, il consumo di gasolio, se considerato in volume, è superiore a quello della benzina, e ancor più del gasolio. E in secondo luogo, l'auto a benzina risulta essere legata alle corrispondenti stazioni di servizio. Altrimenti, il significato del suo trasferimento a carburante alternativo inizia a tendere a zero. È particolarmente difficile per chi guida a metano. I distributori di metano sono pochissimi e sono tutti collegati ai principali gasdotti. Queste sono solo piccole stazioni di compressione sui rami del tubo principale. Tra la fine degli anni '80 e l'inizio degli anni '90 del XX secolo nel nostro Paese si è cercato di convertire attivamente i trasporti al metano nell'ambito del programma statale. Fu allora che apparve la maggior parte delle stazioni di servizio del metano. Nel 1993 ne erano stati costruiti 368 e da allora questo numero, se non del tutto, è cresciuto solo leggermente. La maggior parte delle stazioni di servizio si trova nella parte europea del paese, vicino alle autostrade e alle città federali. Ma allo stesso tempo, la loro posizione è stata determinata non tanto dal punto di vista della comodità degli automobilisti, quanto dal punto di vista dei lavoratori del gas. Pertanto, solo in casi molto rari, le stazioni di servizio erano situate direttamente sull'autostrada e quasi mai all'interno delle megalopoli. Quasi ovunque, per fare rifornimento di metano, è necessario fare una deviazione di diversi chilometri verso qualche zona industriale. Pertanto, quando si pianifica un percorso a lunga distanza, queste stazioni di servizio devono essere cercate e ricordate in anticipo. L'unica cosa conveniente in una situazione del genere è la qualità costantemente elevata del carburante in qualsiasi stazione di metano. Il gas proveniente dal gasdotto principale è molto problematico da diluire o rovinare. A meno che il filtro o il sistema di essiccazione in una di queste stazioni di servizio non possano improvvisamente guastarsi.
Il propano-butano può essere trasportato in serbatoi e, a causa di questa proprietà, la geografia delle stazioni di servizio è molto più ampia. In alcune regioni è possibile fare rifornimento anche nell'entroterra più remoto. Ma non fa male studiare la presenza di stazioni di propano sul percorso imminente, in modo che la loro improvvisa assenza in autostrada non diventi una spiacevole sorpresa. Allo stesso tempo, il gas liquefatto lascia sempre un certo rischio di entrare nel carburante fuori stagione o semplicemente di scarsa qualità.
