INŻYNIERIA MECHANICZNA

UDC 62l.43.052

REALIZACJA TECHNICZNA ZMIANY STOPNIA SPRĘŻENIA KOMPLETNEGO SILNIKA PRACUJĄCEGO NA GAZIE ZIEMNYM

FI Abramczuk, profesor, doktor nauk technicznych, A.N. Kabanov, profesor nadzwyczajny, kandydat nauk technicznych,

AP Kuzmenko, absolwent KhNADU

Adnotacja. Przedstawiono wyniki technicznego wdrożenia zmiany stopnia sprężania w silniku MeMZ-307 przystosowanym do zasilania gazem ziemnym.

Słowa kluczowe: stopień sprężania, silnik samochodowy, gaz ziemny.

REALIZACJA TECHNICZNA ZMIANY STANU SPRĘŻANIA W MAŁYM SILNIKU SAMOCHODOWYM,

CO DZIAŁA NA GAzie ZIEMNYM?

FI Abramczuk, profesor, doktor nauk technicznych, O.M. Kabanov, profesor nadzwyczajny, kandydat nauk technicznych,

AP Kuzmenko, absolwent KhNADU

Abstrakcyjny. Przedstawiono wyniki technicznego wdrożenia zmiany stopnia sprężania silnika MeMZ-307 i przystosowania do pracy na gazie ziemnym.

Słowa kluczowe: stopień sprężania, silnik samochodowy, gaz ziemny.

REALIZACJA TECHNICZNA ZMIANY STOPNIA SPRĘŻENIA SAMOCHODOWEGO SILNIKA NA GAZ ZIEMNY O MAŁEJ POJEMNOŚCI

F. Abramchuk, profesor, doktor nauk technicznych, A. Kabanov, profesor nadzwyczajny, doktor nauk technicznych, A. Kuźmenko, studia podyplomowe, KhNAHU

Abstrakcyjny. Podano wyniki technicznego wdrożenia zmiany stopnia sprężania silnika MeMZ-3Q7 przystosowanego do pracy na gazie ziemnym.

Słowa kluczowe: stopień sprężania, silnik samochodowy, gaz ziemny.

Wstęp

Powstanie i pomyślna eksploatacja silników na czysty gaz zasilanych gazem ziemnym zależy od prawidłowego doboru głównych parametrów procesu operacyjnego, które determinują ich właściwości techniczne, ekonomiczne i środowiskowe. Przede wszystkim dotyczy to wyboru stopnia sprężania.

Gaz ziemny o wysokiej liczbie oktanowej (110-130) pozwala zwiększyć stopień sprężania. Maksymalna wartość stopnia

kompresję eliminującą detonację można wybrać w pierwszym przybliżeniu w drodze obliczeń. Jednak weryfikację i wyjaśnienie obliczonych danych można dokonać jedynie eksperymentalnie.

Analiza publikacji

W pracy przy przeróbce silnika benzynowego (Vh = 1 l) samochodu VW POLO na gaz ziemny uproszczono kształt powierzchni zapłonu tłoka. Zmniejszenie objętości komory sprężania spowodowało wzrost stopnia sprężania z 10,7 do 13,5.

W silniku D21A tłok poddano dalszej obróbce w celu zmniejszenia stopnia sprężania z 16,5 do 9,5. Półkulista komora spalania silnika wysokoprężnego została zmodyfikowana tak, aby odpowiadała procesowi pracy silnika gazowego z zapłonem iskrowym.

Przy konwersji silnika wysokoprężnego YaMZ-236 na silnik gazowy zmniejszono również stopień sprężania z 16,2 do 12 w wyniku dodatkowej obróbki tłoka.

Sformułowanie celu i problemu

Celem pracy jest opracowanie projektu części komory spalania silnika MeMZ-307, pozwalającego na uzyskanie stopnia sprężania e = 12 i e = 14 do badań doświadczalnych.

Wybór podejścia do zmiany stopnia sprężania

Dla małopojemnego silnika benzynowego przerabianego na gaz zmiana stopnia sprężania oznacza wzrost w porównaniu z bazowym silnikiem spalinowym. Istnieje kilka sposobów wykonania tego zadania.

Idealnym rozwiązaniem byłoby zainstalowanie w silniku systemu zmiany stopnia sprężania, który umożliwi wykonanie tego zadania w czasie rzeczywistym, także bez przerywania pracy silnika. Układy takie są jednak bardzo drogie i skomplikowane w konstrukcji i działaniu, wymagają znacznych zmian w konstrukcji, a także są elementem zawodności silnika.

Stopień sprężania można również zmienić, zwiększając liczbę lub grubość uszczelek między głowicą a blokiem cylindrów. Metoda ta jest tania, ale zwiększa prawdopodobieństwo przepalenia się uszczelek w przypadku zakłócenia normalnego procesu spalania paliwa. Ponadto ta metoda regulacji stopnia sprężania charakteryzuje się niską dokładnością, ponieważ wartość e będzie zależała od siły dokręcania nakrętek na śrubach głowicy cylindrów i jakości uszczelek. Najczęściej tę metodę stosuje się w celu zmniejszenia stopnia sprężania.

Zastosowanie okładzin tłokowych jest trudne technicznie, gdyż pojawia się problem niezawodnego mocowania stosunkowo cienkiej okładziny (około 1 mm) do tłoka i niezawodnej pracy tego mocowania w warunkach panujących w komorze spalania.

Najlepszą opcją jest wykonanie zestawów tłoków, z których każdy zapewnia określony stopień sprężania. Metoda ta wymaga częściowego demontażu silnika w celu zmiany stopnia sprężania, ale zapewnia wystarczająco dużą dokładność wartości e w doświadczeniu i niezawodną pracę silnika przy zmienionym stopniu sprężania (wytrzymałość i niezawodność elementów konstrukcyjnych silnika jest nie obniżone). Ponadto metoda ta jest stosunkowo tania.

Winiki wyszukiwania

Istotą zadania było wykorzystanie pozytywnych właściwości gazu ziemnego (wysoka liczba oktanowa) i specyfiki tworzenia mieszanki do kompensacji utraty mocy, gdy silnik pracuje na tym paliwie. Aby zrealizować to zadanie zdecydowano się na zmianę stopnia sprężania.

Zgodnie z planem eksperymentalnym stopień sprężania powinien wahać się od e = 9,8 (wyposażenie standardowe) do e = 14. Wskazane jest wybranie pośredniej wartości stopnia sprężania e = 12 (jako średnia arytmetyczna wartości skrajnych z e). W razie potrzeby istnieje możliwość wykonania zestawów tłoków zapewniających inne pośrednie stopnie sprężania.

W celu technicznej realizacji wskazanych stopni sprężania wykonano obliczenia, opracowania konstrukcyjne oraz zweryfikowano doświadczalnie objętości komór sprężania metodą zalewania. Wyniki płukania przedstawiono w tabelach 1 i 2.

Tabela 1 Wyniki płukania komory spalania w głowicy cylindrów

1cyl. 2cyl. 3cyl. 4cyl.

22,78 22,81 22,79 22,79

Tabela 2 Wyniki płukania komory spalania w tłokach (tłok zamontowany w cylindrze)

1cyl. 2cyl. 3cyl. 4cyl.

9,7 9,68 9,71 9,69

Grubość skompresowanej uszczelki wynosi 1 mm. Wgłębienie tłoka względem płaszczyzny bloku cylindrów wynosi 0,5 mm, co określono na podstawie pomiarów.

Odpowiednio objętość komory spalania V będzie składać się z objętości w głowicy cylindra V, objętości w tłoku V i objętości szczeliny pomiędzy tłokiem a głowicą cylindra (zagłębienie tłoka w stosunku do płaszczyzny blok cylindrów + grubość uszczelki) V = 6,6 cm3.

Us = 22,79 + 9,7 + 4,4 = 36,89 (cm3).

Zdecydowano się na zmianę stopnia sprężania poprzez zmianę objętości komory spalania poprzez zmianę geometrii denka tłoka, ponieważ metoda ta pozwala na realizację wszystkich wariantów stopnia sprężania, a jednocześnie możliwe jest powrócić do konfiguracji szeregowej.

Na ryc. 1 przedstawia szeregową konfigurację części komory spalania o objętości tłoka UP = 7,5 cm3.

Ryż. 1. Konfiguracja szeregowa części komory spalania Ус = 36,9 cm3 (е = 9,8)

Aby uzyskać stopień sprężania e = 12, wystarczy wyposażyć komorę spalania w tłok z płaskim dnem, w którym wykonuje się dwie małe próbki o całkowitej objętości

0,1 cm3, zapobiegając zetknięciu się zaworów dolotowych i wydechowych z tłokiem podczas

sufity W tym przypadku objętość komory sprężania jest równa

Us = 36,9 - 7,4 = 29,5 (cm3).

W tym przypadku szczelina między tłokiem a głowicą cylindra pozostaje 8 = 1,5 mm. Konstrukcja komory spalania, zapewniająca є = 12, pokazano na ryc. 2.

Ryż. 2. Kompletny zestaw części do komory spalania silnika gazowego w celu uzyskania stopnia sprężania є = 12 (Uc = 29,5 m3)

Przyjmuje się realizację stopnia sprężania є = 14 poprzez zwiększenie wysokości tłoka z płaskim dnem o I = 1 mm. W tym przypadku tłok ma również dwa otwory zaworowe o łącznej objętości 0,2 cm3. Objętość komory sprężania zmniejsza się o

DU = - ORAZ = . 0,1 = 4,42 (cm3).

Taka konfiguracja części komory spalania nadaje objętość

Us = 29,4 - 4,22 = 25,18 (cm3).

Na ryc. Rysunek 3 pokazuje konfigurację komory spalania, zapewniając stopień sprężania є = 13,9.

Szczelina między powierzchnią zapłonu tłoka a głowicą cylindra wynosi 0,5 mm, co jest wystarczające do normalnej pracy części.

Ryż. 3. Kompletny zestaw części do komory spalania silnika gazowego o e = 13,9 (Uc = 25,18 cm3)

1. Uproszczenie geometrycznego kształtu powierzchni zapłonowej tłoka (płaska łeb z dwoma małymi wgłębieniami) umożliwiło zwiększenie stopnia sprężania z 9,8 do 12.

2. Zmniejszenie szczeliny między głowicą cylindra a tłokiem w GMP do 5 = 0,5 mm i uproszczenie geometrycznego kształtu powierzchni zapłonowej

powierzchnia tłoka umożliwiła zwiększenie є do 13,9 jednostek.

Literatura

1. Na podstawie materiałów ze strony: www.empa.ch

2. Bgantsev V.N. Oparta na silniku gazowym

czterosuwowy silnik wysokoprężny ogólnego przeznaczenia / V.N. Bgantsev, A.M. Lewterow,

B.P. Marakhovsky // Świat technologii i technologii. - 2003. - nr 10. - s. 74-75.

3. Zakharchuk V.I. Eksperyment Rozrakhunkovo-

dalsze badania silnika gazowego przerobionego z silnika wysokoprężnego / V.I. Zacharczuk, O.V. Sitovsky, I.S. Kozachuk // Transport samochodowy: odbiór. naukowy tr. -Charków: KHNADU. - 2005. - Wydanie. 16. -

4. Bogomołow V.A. Funkcje projektowe

instalacja doświadczalna do prowadzenia badań silnika gazowego 64 13/14 z zapłonem iskrowym / V.A. Bogomołow, FI. Abramczuk, V.M. Ma-noilo i inni // Biuletyn KhNADU: kolekcja. naukowy tr. - Charków: KHNADU. -2007. - nr 37. - s. 43-47.

Recenzent: M. A. Podrigalo, profesor, doktor nauk technicznych, KhNADU.

Jewgienij Konstantinow

Podczas gdy benzyna i olej napędowy nieubłaganie stają się droższe, a wszelkiego rodzaju alternatywne elektrownie do pojazdów pozostają strasznie daleko od ludzi, przegrywając z tradycyjnymi silnikami spalinowymi pod względem ceny, autonomii i kosztów eksploatacji, najbardziej realistycznym sposobem na zaoszczędzenie na tankowaniu jest przestawić samochód na „dietę gazową”. Na pierwszy rzut oka jest to korzystne: koszt ponownego wyposażenia samochodu szybko się zwraca ze względu na różnicę w cenie paliwa, szczególnie w przypadku regularnego transportu komercyjnego i pasażerskiego. Nie bez powodu w Moskwie i wielu innych miastach znaczna część pojazdów komunalnych już dawno została przestawiona na gaz. Ale tu pojawia się logiczne pytanie: dlaczego zatem udział pojazdów na butle gazowe w potoku ruchu zarówno w naszym kraju, jak i za granicą nie przekracza kilku procent? Jaka jest druga strona butli z gazem?

Nauka i życie // Ilustracje

Znaki ostrzegawcze na stacjach benzynowych instaluje się nie bez powodu: każde połączenie gazociągu technologicznego jest potencjalnym miejscem wycieku gazu palnego.

Butle na gaz skroplony są lżejsze, tańsze i bardziej zróżnicowane kształtowo niż na gaz sprężony, dlatego łatwiej je rozmieścić w oparciu o wolną przestrzeń w samochodzie i wymaganą rezerwę mocy.

Należy zwrócić uwagę na różnicę w cenie pomiędzy paliwami płynnymi i gazowymi.

Butle ze sprężonym metanem z tyłu namiotowej Gazeli.

Reduktor parownika w instalacji propanowej wymaga podgrzania. Na zdjęciu wyraźnie widać wąż łączący wymiennik ciepła cieczy skrzyni biegów z układem chłodzenia silnika.

Schemat ideowy działania urządzeń gazowych w silniku gaźnikowym.

Schemat działania urządzeń na gaz skroplony bez jego przemiany w fazę gazową w silniku spalinowym z wtryskiem rozproszonym.

Propan-butan magazynowany i transportowany jest w zbiornikach (na zdjęciu - za niebieską bramą). Dzięki tej mobilności stację benzynową można ustawić w dowolnym dogodnym miejscu, a w razie potrzeby szybko przenieść w inne.

Za pomocą pompy propanu tankuje się nie tylko samochody, ale także butle domowe.

Dystrybutor gazu skroplonego wygląda inaczej niż dystrybutor benzyny, ale proces tankowania jest podobny. Ilość dodanego paliwa mierzy się w litrach.

Pojęcie „gazowego paliwa samochodowego” obejmuje dwie zupełnie różne pod względem składu mieszaniny: gaz ziemny, w którym aż 98% stanowi metan, oraz propan-butan wytwarzany z towarzyszącego mu gazu ropopochodnego. Oprócz bezwarunkowej palności, łączy je także stan skupienia przy ciśnieniu atmosferycznym i temperaturach komfortowych dla życia. Jednakże w niskich temperaturach właściwości fizyczne tych dwóch zestawów lekkich węglowodorów są bardzo różne. Z tego powodu wymagają zupełnie innego sprzętu do przechowywania na pokładzie i zasilania silnika, a podczas pracy samochody z różnymi systemami zasilania gazem mają kilka istotnych różnic.

Gaz skroplony

Mieszanka propan-butan jest dobrze znana turystom i letniskom: wlewa się ją do domowych butli z gazem. Stanowi także większość gazu marnowanego na pochodniach w przedsiębiorstwach zajmujących się wydobyciem i przetwórstwem ropy. Proporcjonalny skład mieszanki paliwowej propan-butan może się różnić. Chodzi nie tyle o początkowy skład gazu ziemnego, ile o właściwości temperaturowe powstałego paliwa. Jako paliwo silnikowe czysty butan (C 4 H 10) jest dobry pod każdym względem, z tym wyjątkiem, że przechodzi w stan ciekły już w temperaturze 0,5 ° C pod ciśnieniem atmosferycznym. Dlatego dodaje się do niego mniej wysokokaloryczny, ale bardziej odporny na zimno propan (C 2 H 8) o temperaturze wrzenia –43 ° C. Stosunek tych gazów w mieszance wyznacza dolną granicę temperatury stosowania paliwa, która z tego samego powodu może być „letnia” i „zimowa”.

Stosunkowo wysoka temperatura wrzenia propanu-butanu, nawet w wersji „zimowej”, pozwala na przechowywanie go w butlach w postaci cieczy: już pod niskim ciśnieniem przechodzi w fazę ciekłą. Stąd inna nazwa paliwa propan-butan – gaz skroplony. Jest to wygodne i ekonomiczne: duża gęstość fazy ciekłej pozwala zmieścić dużą ilość paliwa w małej objętości. Wolną przestrzeń nad cieczą w cylindrze zajmuje para nasycona. W miarę zużywania się gazu ciśnienie w butli pozostaje stałe, aż do jej opróżnienia. Podczas tankowania kierowcy samochodów na propan powinni napełnić zbiornik maksymalnie do 90%, aby w środku pozostało miejsce na poduszkę parową.

Ciśnienie wewnątrz cylindra zależy przede wszystkim od temperatury otoczenia. W ujemnych temperaturach spada poniżej jednej atmosfery, ale nawet to wystarcza do utrzymania funkcjonalności systemu. Ale wraz z ociepleniem rośnie szybko. W temperaturze 20°C ciśnienie w butli wynosi już 3-4 atmosfery, a w temperaturze 50°C osiąga 15-16 atmosfer. W przypadku większości samochodowych butli gazowych wartości te są zbliżone do maksymalnych. Oznacza to, że jeśli w upalne popołudnie w południowym słońcu przegrzeje się, ciemny samochód z butlą ze skroplonym gazem na pokładzie... Nie, nie wybuchnie, jak w hollywoodzkim filmie akcji, ale zacznie wydzielać nadmiar propanu- butan do atmosfery poprzez zawór bezpieczeństwa zaprojektowany specjalnie do takiego przypadku. Wieczorem, gdy znów zrobi się chłodniej, paliwa w cylindrze będzie zauważalnie mniej, ale nikt i nic nie ucierpi. To prawda, jak pokazują statystyki, indywidualni miłośnicy dodatkowych oszczędności na zaworze bezpieczeństwa od czasu do czasu dopisują się do kroniki incydentów.

Sprężony gaz

Inne zasady leżą u podstaw działania wyposażenia butli gazowych w pojazdach zużywających jako paliwo gaz ziemny, powszechnie nazywany w potocznym języku metanem ze względu na jego główny składnik. To ten sam gaz, który rurami dostarczany jest do mieszkań w miastach. W przeciwieństwie do gazu ziemnego metan (CH 4) ma niską gęstość (1,6 razy lżejszą od powietrza), a co najważniejsze, niską temperaturę wrzenia. Przechodzi w stan ciekły dopiero w temperaturze –164°C. Obecność niewielkiego procentu zanieczyszczeń innymi węglowodorami w gazie ziemnym nie zmienia znacząco właściwości czystego metanu. Oznacza to, że niezwykle trudno jest zamienić ten gaz w ciecz do zastosowania w samochodzie. W ostatniej dekadzie aktywnie prowadzone są prace nad stworzeniem tzw. zbiorników kriogenicznych, które umożliwiają magazynowanie skroplonego metanu w samochodzie w temperaturze –150°C i niższej oraz pod ciśnieniem do 6 atmosfer. Powstały prototypy pojazdów i stacji benzynowych dla tej opcji paliwowej. Ale jak dotąd technologia ta nie doczekała się praktycznej dystrybucji.

Dlatego w zdecydowanej większości przypadków metan do wykorzystania jako paliwo silnikowe jest po prostu sprężany, podnosząc ciśnienie w cylindrze do 200 atmosfer. W rezultacie wytrzymałość, a co za tym idzie, masa takiej butli powinna być zauważalnie wyższa niż w przypadku butli propanowej. Tak, a ta sama objętość sprężonego gazu mieści znacznie mniej niż gazu skroplonego (w przeliczeniu na mole). A to zmniejszenie autonomii samochodu. Kolejnym minusem jest cena. Zdecydowanie większy margines bezpieczeństwa wbudowany w urządzenia metanowe powoduje, że cena zestawu do samochodu okazuje się niemal dziesięciokrotnie wyższa od urządzeń propanowych podobnej klasy.

Butle z metanem występują w trzech rozmiarach, z czego tylko najmniejsza, o pojemności 33 litrów, zmieści się w samochodzie osobowym. Aby jednak zapewnić gwarantowany zasięg trzystu kilometrów, potrzeba pięciu takich cylindrów o łącznej masie 150 kg. Oczywiste jest, że w kompaktowym miejskim samochodzie nie ma sensu stale przewozić takiego ładunku zamiast przydatnego bagażu. Dlatego istnieje powód, aby przerabiać na metan wyłącznie duże samochody. Przede wszystkim ciężarówki i autobusy.

Przy tym wszystkim metan ma dwie istotne zalety w porównaniu z gazem ropopochodnym. Po pierwsze, jest jeszcze tańszy i nie jest powiązany z ceną ropy. Po drugie, urządzenia metanowe są strukturalnie ubezpieczone na wypadek problemów z pracą w zimie i pozwalają, w razie potrzeby, całkowicie obejść się bez benzyny. W przypadku propanu-butanu ten trik nie sprawdzi się w naszych warunkach klimatycznych. Samochód faktycznie pozostanie dwupaliwowy. Powodem jest właśnie skroplony charakter gazu. Dokładniej, gaz gwałtownie się ochładza podczas procesu aktywnego parowania. W rezultacie temperatura w butli, a zwłaszcza w reduktorze gazu znacznie spada. Aby zapobiec zamarznięciu sprzętu, skrzynia biegów jest podgrzewana poprzez zintegrowanie wymiennika ciepła podłączonego do układu chłodzenia silnika. Aby jednak ten system zaczął działać, ciecz w linii musi zostać wstępnie podgrzana. Dlatego zaleca się uruchamianie i rozgrzewanie silnika w temperaturze otoczenia poniżej 10°C wyłącznie na benzynie. I dopiero wtedy, gdy silnik osiągnie temperaturę roboczą, przełącz się na gaz. Jednak nowoczesne systemy elektroniczne przełączają wszystko same, bez pomocy kierowcy, automatycznie kontrolując temperaturę i zapobiegając zamarznięciu sprzętu. To prawda, że ​​​​aby zachować prawidłowe działanie elektroniki w tych układach, nie należy całkowicie opróżniać zbiornika paliwa, nawet podczas upałów. Tryb rozruchu gazowego jest awaryjny dla takiego sprzętu, a system można na niego przełączyć na siłę tylko w sytuacji awaryjnej.

Urządzenia metanowe nie mają trudności z rozruchem zimą. Wręcz przeciwnie, uruchomienie silnika na tym gazie w chłodne dni jest jeszcze łatwiejsze niż na benzynie. Brak fazy ciekłej nie wymaga nagrzewania przekładni, co jedynie obniża ciśnienie w układzie z 200 atmosfer transportowych do jednej atmosfery roboczej.

Cuda bezpośredniego wtrysku

Najtrudniej jest przerobić na gaz nowoczesne silniki z bezpośrednim wtryskiem paliwa do cylindrów. Powodem jest to, że wtryskiwacze gazu tradycyjnie umieszcza się w przewodzie dolotowym, gdzie tworzenie mieszanki zachodzi we wszystkich pozostałych typach silników spalinowych bez bezpośredniego wtrysku. Ale obecność takich całkowicie neguje możliwość tak łatwego i technologicznego dodawania energii gazowej. Po pierwsze, w idealnym przypadku gaz powinien być również dostarczany bezpośrednio do cylindra, a po drugie, co jest jeszcze ważniejsze, paliwo płynne służy do chłodzenia własnych wtryskiwaczy z bezpośrednim wtryskiem. Bez tego bardzo szybko ulegną przegrzaniu.

Istnieją możliwości rozwiązania tego problemu, co najmniej dwie. Pierwszy przekształca silnik w silnik dwupaliwowy. Został wynaleziony dość dawno temu, jeszcze przed pojawieniem się bezpośredniego wtrysku paliwa w silnikach benzynowych, i zaproponowano go w celu przystosowania silników wysokoprężnych do pracy na metanie. Gaz nie zapala się w wyniku kompresji, dlatego „gazowany olej napędowy” uruchamia się na oleju napędowym i kontynuuje na nim pracę na biegu jałowym i minimalnym obciążeniu. I wtedy w grę wchodzi gaz. To dzięki jego zasilaniu prędkość obrotowa wału korbowego jest kontrolowana w trybie średniej i wysokiej prędkości. W tym celu pompa wtryskowa (wysokociśnieniowa pompa paliwa) ogranicza dopływ paliwa płynnego do 25-30% wartości nominalnej. Metan dostaje się do silnika własnym przewodem, omijając pompę wtryskową. Nie ma problemów z jego smarowaniem ze względu na spadek podaży oleju napędowego przy dużych prędkościach. Wtryskiwacze diesla są w dalszym ciągu chłodzone przez przepływające przez nie paliwo. To prawda, że ​​​​obciążenie termiczne na nich przy dużych prędkościach nadal pozostaje zwiększone.

Podobny schemat zasilania zaczęto stosować w silnikach benzynowych z bezpośrednim wtryskiem. Ponadto współpracuje zarówno z urządzeniami metanowymi, jak i propan-butanowymi. Jednak w tym drugim przypadku za bardziej obiecujące uważa się alternatywne rozwiązanie, które pojawiło się całkiem niedawno. Wszystko zaczęło się od pomysłu rezygnacji z tradycyjnej skrzyni biegów z parownikiem i zasilania silnika propan-butanem pod ciśnieniem w fazie ciekłej. Kolejnym krokiem była rezygnacja z wtryskiwaczy gazowych i dostarczanie gazu skroplonego poprzez standardowe wtryskiwacze benzynowe. Do obwodu dodano elektroniczny moduł dopasowujący, łączący linię gazową lub benzynową w zależności od sytuacji. Jednocześnie nowy system utracił tradycyjne problemy związane z rozruchem na zimno na gazie: brak parowania – brak chłodzenia. To prawda, że ​​​​koszt wyposażenia silników z bezpośrednim wtryskiem w obu przypadkach jest taki, że opłaca się tylko przy bardzo długich przebiegach.

Nawiasem mówiąc, wykonalność ekonomiczna ogranicza zastosowanie urządzeń gazowych w silnikach Diesla. Ze względów korzyściowych w silnikach z zapłonem samoczynnym stosuje się wyłącznie urządzenia metanowe, a jego charakterystyka jest odpowiednia tylko dla silników ciężkiego sprzętu wyposażonych w tradycyjne pompy wtryskowe paliwa. Faktem jest, że konwersja małych, ekonomicznych silników pasażerskich z diesla na gaz się nie opłaca, a rozwój i techniczne wdrażanie wyposażenia butli gazowych do najnowszych silników Common Rail uważane są obecnie za ekonomicznie nieuzasadnione.

To prawda, że ​​​​istnieje inny, alternatywny sposób konwersji oleju napędowego na gaz - poprzez całkowitą konwersję na silnik gazowy z zapłonem iskrowym. W takim silniku stopień sprężania zmniejsza się do 10-11 jednostek, pojawiają się świece zapłonowe i elektryka wysokiego napięcia, co na zawsze żegna się z olejem napędowym. Ale zaczyna bezboleśnie zużywać benzynę.

Warunki pracy

Stare radzieckie instrukcje dotyczące konwersji samochodów benzynowych na gaz wymagały szlifowania głowic cylindrów (głowic cylindrów) w celu podniesienia stopnia sprężania. Jest to zrozumiałe: przedmiotem zgazowania w nich były jednostki napędowe pojazdów użytkowych napędzanych benzyną o liczbie oktanowej 76 i niższej. Metan ma liczbę oktanową 117, natomiast mieszaniny propan-butan mają liczbę oktanową około stu. Tym samym oba rodzaje paliwa gazowego są znacznie mniej podatne na detonację niż benzyna i pozwalają na podniesienie stopnia sprężania silnika w celu optymalizacji procesu spalania.

Ponadto w przypadku archaicznych silników gaźnikowych wyposażonych w mechaniczne układy zasilania gazem zwiększenie stopnia sprężania umożliwiło zrekompensowanie utraty mocy powstałej przy przejściu na gaz. Faktem jest, że benzyna i gazy mieszają się z powietrzem w układzie dolotowym w zupełnie innych proporcjach, dlatego przy zastosowaniu propanu-butanu, a zwłaszcza metanu, silnik musi pracować na znacznie uboższej mieszance. Efektem jest spadek momentu obrotowego silnika, co w pierwszym przypadku skutkuje spadkiem mocy o 5-7%, a w drugim o 18-20%. Jednocześnie na wykresie zewnętrznej charakterystyki prędkości kształt krzywej momentu obrotowego każdego konkretnego silnika pozostaje niezmieniony. Po prostu porusza się w dół wzdłuż „osi niutonometru”.

Jednak w przypadku silników z elektronicznymi układami wtryskowymi wyposażonymi w nowoczesne układy zasilania gazem wszystkie te zalecenia i liczby nie mają prawie żadnego praktycznego znaczenia. Ponieważ po pierwsze ich stopień sprężania jest już wystarczający i nawet do przejścia na metan, prace przy szlifowaniu głowicy cylindrów są całkowicie nieuzasadnione ekonomicznie. Po drugie, procesor wyposażenia gazowego, skoordynowany z elektroniką samochodu, organizuje dopływ paliwa w taki sposób, aby choć w połowie kompensował wspomnianą lukę momentu obrotowego. W układach z wtryskiem bezpośrednim oraz w silnikach benzynowo-diesel, paliwo gazowe w pewnych zakresach prędkości jest w stanie nawet zwiększyć moment obrotowy.

Ponadto elektronika wyraźnie monitoruje wymagany czas zapłonu, który po przełączeniu na gaz powinien być większy niż w przypadku benzyny, przy wszystkich innych parametrach bez zmian. Paliwo gazowe pali się wolniej, co oznacza, że ​​należy je rozpalić wcześniej. Z tego samego powodu wzrasta obciążenie termiczne zaworów i ich gniazd. Z drugiej strony obciążenie udarowe zespołu cylinder-tłok staje się mniejsze. Ponadto zimowe uruchamianie na metanie jest dla niego znacznie bardziej przydatne niż na benzynie: gaz nie zmywa oleju ze ścianek cylindrów. Ogólnie rzecz biorąc, paliwo gazowe nie zawiera katalizatorów starzenia metali; pełniejsze spalanie paliwa zmniejsza toksyczność spalin i osadzanie się węgla w cylindrach.

Autonomiczne pływanie

Być może najbardziej zauważalną wadą samochodu na gaz jest jego ograniczona autonomia. Po pierwsze, zużycie paliwa gazowego, liczone objętościowo, jest większe niż benzyny, a zwłaszcza oleju napędowego. Po drugie, samochód benzynowy okazuje się być przywiązany do odpowiednich stacji benzynowych. W przeciwnym razie punkt jego konwersji na paliwo alternatywne zaczyna zbliżać się do zera. Szczególnie trudne jest to dla tych, którzy jeżdżą na metanie. Stacji metanu jest bardzo niewiele i wszystkie są podłączone do głównych gazociągów. Są to po prostu małe tłocznie na odgałęzieniach głównego rurociągu. Na przełomie lat 80. i 90. XX w. nasz kraj w ramach państwowego programu aktywnie podejmował próby konwersji transportu na metan. Wtedy właśnie powstało najwięcej stacji metanu. Do 1993 roku zbudowano ich 368 i od tego czasu liczba ta, jeśli w ogóle, wzrosła tylko nieznacznie. Większość stacji benzynowych zlokalizowana jest w europejskiej części kraju, w pobliżu autostrad federalnych i miast. Ale jednocześnie ich lokalizację określono nie tyle z punktu widzenia wygody kierowców, ale z punktu widzenia pracowników gazownictwa. Dlatego tylko w bardzo rzadkich przypadkach stacje benzynowe znajdowały się bezpośrednio przy autostradzie, a prawie nigdy w megamiastach. Niemal wszędzie, żeby zatankować metan, trzeba zjechać kilkukilometrowy objazd do jakiejś strefy przemysłowej. Dlatego planując trasę dalekobieżną, trzeba szukać tych stacji benzynowych i pamiętać o nich z wyprzedzeniem. Wygodne w takiej sytuacji jest jedynie niezmiennie wysoka jakość paliwa na każdej ze stacji metanowych. Gaz z głównego gazociągu bardzo trudno jest rozcieńczyć lub zepsuć. Chyba że nagle ulegnie awarii filtr lub system suszenia na jednej z tych stacji benzynowych.

Propan-butan można przewozić w cysternach, dzięki czemu geografia stacji benzynowych dla niego jest znacznie szersza. W niektórych regionach można nim zatankować nawet na najbardziej odległych terenach. Ale nie zaszkodzi też sprawdzić dostępność stacji benzynowych z propanem na najbliższej trasie, aby ich nagła nieobecność na autostradzie nie stała się niemiłą niespodzianką. Jednocześnie gaz skroplony zawsze niesie ze sobą ryzyko wykorzystania paliwa, które jest poza sezonem lub jest po prostu złej jakości.

O zaletach paliwa do silników gazowych, w szczególności metanu, powiedziano już wiele, ale przypomnijmy o nich jeszcze raz.

Jest to przyjazny dla środowiska układ wydechowy, który spełnia obecne, a nawet przyszłe wymagania prawne dotyczące emisji. W ramach kultu globalnego ocieplenia jest to ważna zaleta, ponieważ Euro 5, Euro 6 i wszystkie kolejne normy zostaną narzucone bez wątpienia, a problem spalin będzie musiał zostać rozwiązany w ten czy inny sposób. Do 2020 roku nowe pojazdy w Unii Europejskiej będą mogły emitować średnio nie więcej niż 95 g CO2 na kilometr. Do 2025 r. dopuszczalny limit może zostać jeszcze bardziej obniżony. Silniki na metan są w stanie sprostać tym normom toksyczności i to nie tylko dzięki niższej emisji CO2. Emisja cząstek stałych z silników gazowych jest również niższa niż w przypadku ich odpowiedników benzynowych lub wysokoprężnych.

Ponadto paliwo do silników gazowych nie zmywa oleju ze ścianek cylindrów, co spowalnia ich zużycie. Według propagandystów paliwa do silników gazowych żywotność silnika w magiczny sposób znacznie wzrasta. Jednocześnie skromnie milczą na temat naprężeń termicznych silnika zasilanego gazem.

Główną zaletą paliwa do silników gazowych jest cena. Cena i tylko cena pokrywa wszystkie mankamenty gazu jako paliwa silnikowego. Jeśli mówimy o metanie, to jest to niezabudowana sieć stacji tankowania CNG, która dosłownie przywiązuje samochód gazowy do stacji benzynowej. Liczba stacji tankowania skroplonego gazu ziemnego jest znikoma, ten rodzaj gazowego paliwa silnikowego jest dziś produktem niszowym, wysoce specjalistycznym. Ponadto urządzenia gazowe zajmują część ładowności, a ich utrzymanie jest kłopotliwe i kosztowne.

Postęp techniczny doprowadził do powstania takiego typu silnika jak gaz-diesel, który żyje w dwóch światach: oleju napędowego i gazu. Ale jako uniwersalny środek, gazowy olej napędowy nie w pełni wykorzystuje możliwości żadnego świata. Nie jest możliwa optymalizacja spalania, wydajności ani emisji dla dwóch paliw w tym samym silniku. Aby zoptymalizować cykl gaz-powietrze, potrzebujesz specjalistycznego narzędzia - silnika gazowego.

Obecnie wszystkie silniki gazowe wykorzystują zewnętrzne tworzenie mieszanki gazowo-powietrznej i zapłon ze świecy zapłonowej, tak jak w silniku benzynowym z gaźnikiem. Alternatywne opcje są w trakcie opracowywania. Mieszanka gazowo-powietrzna powstaje w kolektorze dolotowym poprzez wtrysk gazu. Im bliżej cylindra zachodzi ten proces, tym szybsza jest reakcja silnika. W idealnym przypadku gaz powinien być wtryskiwany bezpośrednio do komory spalania, jak omówiono poniżej. Złożoność sterowania nie jest jedyną wadą tworzenia mieszaniny zewnętrznej.

Wtrysk gazu sterowany jest przez jednostkę elektroniczną, która reguluje również czas zapłonu. Metan pali się wolniej niż olej napędowy, czyli mieszanka gazowo-powietrzna powinna zapalić się wcześniej, kąt wyprzedzenia również jest regulowany w zależności od obciążenia. Ponadto metan wymaga niższego stopnia sprężania niż olej napędowy. Tak więc w silniku wolnossącym stopień sprężania zmniejsza się do 12–14. Silniki wolnossące charakteryzują się stechiometrycznym składem mieszanki gazowo-powietrznej, to znaczy współczynnikiem nadmiaru powietrza a równym 1, co w pewnym stopniu kompensuje utratę mocy wynikającą ze spadku stopnia sprężania. Sprawność atmosferycznego silnika na gaz wynosi 35%, a atmosferycznego silnika wysokoprężnego 40%.

Producenci samochodów zalecają stosowanie w silnikach gazowych specjalnych olejów silnikowych, które charakteryzują się wodoodpornością, niską zawartością popiołów siarczanowych i jednocześnie wysoką liczbą zasadową, ale oleje całoroczne do silników Diesla SAE 15W-40 i 10W-40 zajęcia nie są zabronione, co jest stosowane w praktyce w dziewięciu przypadkach na dziesięć.

Turbosprężarka umożliwia zmniejszenie stopnia sprężania do 10–12, w zależności od wielkości silnika i ciśnienia w układzie dolotowym, oraz zwiększenie współczynnika nadmiaru powietrza do 1,4–1,5. W tym przypadku sprawność sięga 37%, ale jednocześnie znacznie wzrasta naprężenie termiczne silnika. Dla porównania sprawność turbodoładowanego silnika wysokoprężnego sięga 50%.

Zwiększone naprężenie termiczne silnika gazowego wiąże się z niemożnością oczyszczenia komory spalania przy zamkniętych zaworach, gdy zawory wydechowy i dolotowy są jednocześnie otwarte na końcu suwu wydechu. Przepływ świeżego powietrza, zwłaszcza w silniku doładowanym, mógłby ochłodzić powierzchnie komory spalania, zmniejszając w ten sposób naprężenia termiczne silnika, a także zmniejszając nagrzewanie się świeżego ładunku, zwiększyłoby to współczynnik wypełnienia, ale w przypadku silnik gazowy, zachodzenie zaworów jest niedopuszczalne. Ze względu na zewnętrzne tworzenie się mieszanki gazowo-powietrznej do cylindra zawsze dostarczane jest powietrze wraz z metanem, a zawory wydechowe muszą być w tym momencie zamknięte, aby zapobiec przedostawaniu się metanu do układu wydechowego i spowodowaniu eksplozji.

Obniżony stopień sprężania, zwiększone naprężenia termiczne i cechy obiegu gaz-powietrze wymagają odpowiednich zmian, w szczególności w układzie chłodzenia, konstrukcji wałka rozrządu i części CPG, a także zastosowanych do nich materiałów w celu utrzymania wydajności i żywotność. Zatem koszt silnika gazowego nie różni się tak bardzo od kosztu odpowiednika diesla, jeśli nie wyższy. Plus koszt sprzętu gazowego.

Flagowiec krajowego przemysłu motoryzacyjnego, KAMAZ PJSC, produkuje seryjnie 8-cylindrowe silniki gazowe w kształcie litery V serii KamAZ-820.60 i KamAZ-820.70 o wymiarach 120x130 i pojemności skokowej 11 762 litrów. W przypadku silników gazowych stosuje się CPG, który zapewnia stopień sprężania 12 (diesel KamAZ-740 ma stopień sprężania 17). W cylindrze mieszanka gazowo-powietrzna jest zapalana przez świecę zapłonową zainstalowaną zamiast wtryskiwacza.

W pojazdach ciężarowych z silnikami gazowymi stosuje się specjalne świece zapłonowe. Tym samym Federal-Mogul dostarcza na rynek świece zapłonowe z irydową elektrodą środkową i boczną elektrodą wykonaną z irydu lub platyny. Konstrukcja, materiały i charakterystyka elektrod oraz samych świec zapłonowych uwzględniają temperaturę pracy pojazdu ciężarowego, który charakteryzuje się szerokim zakresem obciążeń i stosunkowo wysokim stopniem sprężania.

Silniki KamAZ-820 są wyposażone w rozproszony układ wtrysku metanu do kolektora dolotowego poprzez dysze z elektromagnetycznym urządzeniem dozującym. Gaz wtryskiwany jest do układu dolotowego każdego cylindra indywidualnie, co pozwala na dostosowanie składu mieszanki gazowo-powietrznej dla każdego cylindra w celu uzyskania minimalnej emisji szkodliwych substancji. Przepływ gazu regulowany jest przez układ mikroprocesorowy w zależności od ciśnienia przed wtryskiwaczem, dopływ powietrza regulowany jest za pomocą przepustnicy napędzanej elektronicznym pedałem gazu. Układ mikroprocesorowy kontroluje czas zapłonu, zapewnia ochronę przed zapłonem metanu w kolektorze dolotowym w przypadku awarii układu zapłonowego lub nieprawidłowego działania zaworów, a także zabezpiecza silnik przed stanami awaryjnymi, utrzymuje zadaną prędkość pojazdu, zapewnia ograniczenie momentu obrotowego na kół napędowych pojazdu i autodiagnostyki po włączeniu systemu.

KAMAZ w dużej mierze ujednolicił części silników benzynowych i Diesla, ale nie wszystkie, ale wiele zewnętrznie podobnych części do silników Diesla - wał korbowy, wałek rozrządu, tłoki z korbowodami i pierścieniami, głowice cylindrów, turbosprężarkę, pompę wody, pompę oleju, rurociąg dolotowy, miska olejowa, obudowa koła zamachowego - nie nadaje się do silników gazowych.

W kwietniu 2015 roku KAMAZ uruchomił korpus pojazdów gazowych o pojemności 8 tys. jednostek sprzętu rocznie. Produkcja zlokalizowana jest w dawnym budynku fabryki samochodów zasilanych gazem i olejem napędowym. Technologia montażu jest następująca: podwozie jest montowane i instalowany jest na nim silnik gazowy na głównej linii montażowej fabryki samochodów. Następnie podwozie jest wciągane do nadwozia pojazdów gazowych w celu montażu urządzeń gazowych i przeprowadzenia całego cyklu badawczego, a także w celu docierania pojazdów i podwozia. Jednocześnie silniki gazowe KAMAZ (w tym modernizowane na podzespołach BOSCH), montowane w zakładzie produkcyjnym silników, również przechodzą pełne testy i docieranie.

Avtodiesel (Yaroslavl Motor Plant) we współpracy z Westport opracował i produkuje linię silników gazowych opartych na rodzinie 4- i 6-cylindrowych silników rzędowych YaMZ-530. Wersja sześciocylindrowa może być instalowana w pojazdach Ural NEXT nowej generacji.

Jak wspomniano powyżej, idealną wersją silnika gazowego jest bezpośredni wtrysk gazu do komory spalania, ale jak dotąd najpotężniejsza światowa inżynieria mechaniczna nie stworzyła takiej technologii. W Niemczech badania prowadzi konsorcjum Direct4Gas, na którego czele stoi Robert Bosch GmbH we współpracy z Daimler AG oraz Instytutem Badawczym Techniki i Silników Samochodowych w Stuttgarcie (FKFS). Niemieckie Ministerstwo Gospodarki i Energii wsparło projekt kwotą 3,8 mln euro, czyli faktycznie niewiele. Projekt potrwa od 2015 roku do stycznia 2017 roku. Na-gora musi dostarczyć projekt przemysłowy instalacji bezpośredniego zatłaczania metanu oraz, co nie mniej ważne, technologię jego produkcji.

W porównaniu do obecnych systemów wykorzystujących wielopunktowy wtrysk gazu do kolektora, zaawansowany system bezpośredniego wtrysku paliwa może zwiększyć moment obrotowy przy niskich obrotach o 60%, eliminując słaby punkt silnika gazowego. Wtrysk bezpośredni rozwiązuje cały kompleks chorób „dziecięcych” silnika gazowego, spowodowanych tworzeniem się mieszanki zewnętrznej.

W ramach projektu Direct4Gas opracowywany jest system bezpośredniego wtrysku, który może być niezawodny i szczelny oraz dozować dokładną ilość wtryskiwanego gazu. Modyfikacje samego silnika ograniczono do minimum, aby przemysł mógł używać tych samych podzespołów. Zespół projektowy wyposaża eksperymentalne silniki gazowe w nowo opracowany wysokociśnieniowy zawór wtryskowy. System ma być testowany w laboratorium i bezpośrednio na pojazdach. Naukowcy badają także powstawanie mieszanki paliwowo-powietrznej, proces kontroli zapłonu i powstawanie toksycznych gazów. Długoterminowym celem konsorcjum jest stworzenie warunków, w których technologia może wejść na rynek.

Silniki gazowe są więc dziedziną młodą, która nie osiągnęła jeszcze dojrzałości technologicznej. Dojrzałość nadejdzie, gdy Bosch i jego przyjaciele stworzą technologię bezpośredniego wtrysku metanu do komory spalania.