Двигунний двигун повністю працює на метані дозволить заощадити на паливі до 60% від суми звичайних витрат і, звичайно, істотно скоротити забруднення навколишнього середовища.

Ми можемо перевести практично будь-який дизельний двигун на використання метану як газомоторного палива.

Не чекайте завтра, починайте економити сьогодні!

Як дизельний двигун може працювати на метані?

Дизельний двигун є двигуном, займання палива в якому здійснюється при нагріванні від стиснення. Стандартний дизельний двигун не може працювати на газовому паливі, тому що метан має істотно вищу температуру займання, ніж дизельне паливо (ДП - 300-330 С, метан - 650 С), яка не може бути досягнута при ступенях стиснення, що використовуються в дизельних двигунах.

Другий причиною, через яку дизельний двигун зможе працювати на газовому паливі є явище детонації, тобто. не штатного (вибухоподібного горіння палива, яке виникає при надмірному ступені стиснення. Для дизельних двигунів використовуються ступінь стиснення паливо-повітряної суміші в 14-22 рази, метановий двигун може мати ступінь стиснення до 12-16 разів.

Тому для переведення дизельного двигуна в газомоторний режим потрібно зробити дві основні речі:

• Зменшити ступінь стиснення двигуна

• Встановити іскрову систему запалювання

Після цих доопрацювань Ваш двигун працюватиме лише на метані. Повернення в дизельний режим можливе лише після проведення спеціальних робіт.

Докладніше про суть виконуваних робіт дивіться у розділі «Як саме здійснюється переведення дизеля на метан»

Яку економію я можу отримати?

Величина Вашої економії розраховується як різниця між витратами на 100 км пробігу на дизельне паливо до конвертації двигуна і витратами на придбання газового палива.

Наприклад, для вантажного автомобіля Freigtleiner Cascadia середня витрата дизельного палива становила 35 літрів на 100 км, а після конвертації для роботи на метнані витрата газового палива склала 42 нм3. метану. Тоді за вартості дизельного палива 31 рубль 100 км. пробігу спочатку коштувало 1085 рублів, а після конвертації за вартістю метану 11 рублів за нормальний кубічний метр (нм3) 100 км пробігу стало коштувати 462 рубля.

Економія становила 623 рубль на 100 км пробігу чи 57%. З урахуванням річного пробігу 100.000 км, річна економія становили 623.000 рубль. Вартість установки пропану на цю машину склала 600 000 рублів. Таким чином, термін окупності системи склав — приблизно 11 місяців.

Також додатковою перевагою метану як газомоторного палива є те, що його вкрай важко вкрасти і практично неможливо «злити», оскільки за нормальних умов це газ. З тих же міркувань, його неможливо продати.

Витрата метану після обробки дизеля в газомоторний режим може коливатися в межах від 1.05 до 1,25 нм3 метану на літр витрати дизельного палива (залежить від конструкції дизеля, його зношеності та інше).

Приклади з нашого досвіду зі споживання метану, які ми конвертували дизелями, Ви зможете прочитати .

У середньому для попередніх розрахунків дизельний двигун при роботі на метані споживатиме газомоторне паливо з розрахунку 1 л споживання ДП у дизельному режимі = 1,2 нм3 метану в газомоторному режимі.

Конкретні значення економії для Вашої машини Ви зможете отримати, заповнивши заявку на конвертацію, натиснувши червону кнопку в кінці цієї сторінки.

Де можна заправитися метаном?

У країнах СНД налічується понад 500 АГНКС, причому на Росію припадає більше 240 АГНКС.

Ви зможете переглянути актуальну інформацію щодо розташування та годин роботи АГНКС на інтерактивній карті, розташованій нижче. Карта люб'язно надана сайтом gazmap.ru

А якщо ще поряд з Вашим автогосподарством проходить газова труба, то варто розглянути варіанти будівництва власної АГНКС.

Просто зателефонуйте нам і ми із задоволенням Вас проконсультуємо за всіма варіантами.

Який пробіг буде на одній заправці метаном?

Метан на борту автомашини зберігається в газоподібному стані під високим тиском 200 атмосфер у спеціальних балонах. Велика вага та розмір цих балонів є суттєвим негативним фактором, що обмежує використання метану як газомоторного палива.

ТОВ "РАГСК" використовуємо у своїй роботі високоякісні металопластикові композитні балони (Тип-2), сертифіковані для використання в РФ.

Внутрішня частина цих балонів виконана з високоміцної хромо-молібденової сталі, а зовнішня обмотана склопластиком і залита епоксидною смолою.

Для зберігання 1 нм3 метану потрібно 5 літрів об'єму гідравлічного балона, тобто. наприклад 100-літровий балон дозволяє зберігати приблизно 20 нм3 метану (насправді трохи більше, за рахунок того, що метан не є ідеальним газом і краще стискається). Вага 1 літра гідравлічного становить 0,85 кг, тобто. вага системи зберігання 20 нм3 метану буде приблизно 100 кг (85 кг це вага балона і 15 кг вага власне метану).

Балони Типу-2 для зберігання метану виглядають так:

Система зберігання метану у зборі виглядає так:

Насправді, зазвичай вдається, досягти наступних значень пробігу:

• 200-250 км - для мікроавтобусів. Вага системи зберігання - 250 кг
• 250-300 км - для міських автобусів середнього розміру. Вага системи зберігання - 450 кг
• 500 км - для сідельних тягачів. Вага системи зберігання - 900 кг

Конкретні значення пробігу на метані для Вашої машини Ви зможете отримати, заповнивши заявку на конвертацію, натиснувши червону кнопку в кінці цієї сторінки.

Як саме здійснюється переведення дизеля на метан?

Переведення дизельного двигуна в газовий режим вимагатиме серйозного втручання в сам двигун.

Спочатку ми повинні змінити ступінь стиснення (навіщо? див. розділ » Як дизельний двигун може працювати на метані?») Ми використовуємо різні методи для цього, підбираючи найкращий для Вашого двигуна:

• Фрезерування поршня
• Прокладка під ГБЦ

• Встановлення нових поршнів
• Укорочення шатуна

Найчастіше ми застосовуємо фрезерування поршнів (див. ілюстрацію вище).

Приблизно так виглядатимуть поршні після фрезерування:

Також ми встановлюємо ряд додаткових датчиків та пристроїв (електронну педаль газу, датчик положення колінвалу, датчик кількості кисню, датчик детонації тощо).

Усі компоненти системи керуються електронним блоком керування (ECU).

Приблизно так виглядатиме комплект компонентів для установки на двигун:

Чи зміниться характеристики двигуна під час роботи на метані?

Потужність Є поширена думка, що на метані двигун втрачає потужність до 25%. Ця думка справедлива для двопаливних «бензин-газ» двигунів і частково справедлива для безнадувних дизельних двигунів.

Для сучасних двигунів, оснащених надувом, ця думка помилкова.

Високий ресурс міцності вихідного дизельного двигуна, призначений для роботи зі ступенем стиснення 16-22 рази і високе октанове число газового палива дозволяють нам використовувати ступінь стиснення 12-14 разів. Такий високий ступінь стиснення дозволяє отримувати ті ж (і такі ж великі) питомі потужності, працюючи на стехеометрических паливних сумішах.Однак виконання при цьому норм токсичності вище ЄВРО-3 не є можливим, так само зростає теплова напруженість конвертованого двигуна.

Сучасні надувні дизелі (особливо з проміжним охолодженням надувного повітря) дозволяють працювати на суттєво збіднених сумішах із збереженням потужності вихідного дизельного двигуна, утримавши тепловий режим у колишніх межах та вклавшись у норми токсичності ЄВРО-4.

Для безнадувних дизельних двигунів ми пропонуємо 2 альтернативи: або зниження робочої потужності на 10-15% або застосування системи упорскування води у впускний колектор з метою підтримки прийнятної робочої температури та досягнення норм токсичності викидів ЄВРО-4

Вид типової залежності потужності від оборотів двигуна, за типами палива:

Момент Максимальна величина моменту, що крутить, не зміниться і навіть може бути трохи збільшена. Однак точка досягнення максимального моменту зміститься у бік вищих обертів. Це звичайно неприємно, але на практиці водії практично не скаржаться і швидко звикають, особливо якщо є запас потужності двигуна.

Радикальним рішенням проблеми зміщення піку моменту для газового двигуна є заміна турбіни на перерозміряну турбіну спеціального типу з електромагнітним клапаном перепуску на високих обертах. Проте висока вартість такого рішення не дає нам можливості застосовувати його за індивідуальної конвертації.

Надійність Ресурс двигуна значно збільшиться. Так як горіння газу відбувається більш рівномірно ніж дизельного палива, ступінь стиснення газового двигуна менше ніж дизельного і газ не містить на відміну від дизельного палива сторонніх домішок. Олія Газові двигуни більш вимогливі до якості олії. Ми рекомендуємо застосовувати якісні всесезонні олії класів SAE 15W-40, 10W-40 та міняти олію не рідше 10.000 км.

Якщо є можливість, бажано використовувати спеціальні олії, типу ЛУКОЙЛ ЕФОРСЕ 4004 або Shell Mysella LA SAE 40. Це не обов'язково, але з ними двигун прослужить дуже довго.

Внаслідок більшого вмісту води в продуктах згоряння газоповітряних сумішей у газових двигунах можуть виникати проблеми водостійкості моторних масел, газові двигуни більш чутливі до утворення зольних відкладень у камері згоряння. Тому сульфатна зольність масел для газових двигунів обмежується нижчими значеннями, а вимоги до гідрофобності олії підвищуються.

Шум Ви будете дуже здивовані! Газовий двигун дуже тиха машина в порівнянні з дизельним. Рівень шуму знизиться на 10-15 Дб за приладами, що відповідає в 2-3 тихішій роботі з суб'єктивних відчуттів.

Звичайно, всім начхати на екологію. Але все таки… ?

Метановий газовий двигун істотно перевершує за всіма екологічними характеристиками аналогічний за потужністю двигун, що працює на дизельному паливі та поступається за рівнем викидів тільки електричним та водневим двигунам.

Особливо це помітно за таким важливим для великих міст показником як димність. Усіх городян неабияк дратують димні хвости за ліазами На метані цього не буде, так при горінні газу сажеутворення відсутнє!

Як правило, екологічний клас для метанового двигуна — це Євро-4 (без використання сечовини або системи рецеркуляції газів). Однак при встановленні додаткового каталізатора можна підвищити екологічний клас рівня Євро-5.

1

1 Державний науковий центр Російської Федерації - Федеральне державне унітарне підприємство «Центральний ордена Трудового Червоного Прапора науково-дослідний автомобільний та автомоторний інститут (НАМІ)»

При конвертації дизеля газовий двигун для компенсації зменшення потужності застосовують наддув. Для запобігання детонації знижують геометричний ступінь стиснення, що спричиняє зменшення індикаторного ККД. Аналізуються відмінності між геометричним і фактичним ступенями стиснення. Закриття впускного клапана на однакову величину до або після НМТ викликає однакове зменшення фактичного ступеня стиснення порівняно з геометричним ступенем стиснення. Дано порівняння параметрів процесу наповнення при стандартній та укороченій фазі впуску. Показано, що раннє закриття впускного клапана дозволяє зменшити фактичний ступінь стиснення, знижуючи поріг детонації, зберігаючи при цьому високий геометричний ступінь стиснення та високий індикаторний ККД. Укорочений впуск забезпечує зростання механічного ККД з допомогою зниження тиску насосних втрат.

газовий двигун

геометричний ступінь стиснення

фактичний ступінь стиснення

фази газорозподілу

індикаторний ККД

механічний ККД

детонація

насосні втрати

1. Каменєв В.Ф. Перспективи покращення токсичних показників дизельних двигунів автотранспортних засобів масою понад 3,5 т/В.Ф. Каменєв, А.А. Демідов, П.А. Щеглов // Праці НАМІ: зб. наук. ст. - М., 2014. - Вип. № 256. - С. 5-24.

2. Нікітін А.А. Регульований привод клапана впуску робочого середовища в циліндр двигуна: Пат. 2476691 Російська Федерація, МПК F01L1/34/А.А. Нікітін, Г.Є. Сєдих, Г.Г. Тер-Мкртичян; заявник та патентовласник ДНЦ РФ ФГУП «НАМИ», опубл. 27.02.2013.

3. Тер-Мкртичян Г.Г. Двигун з кількісним бездросельним регулюванням потужності // Автомобільна промисловість. – 2014. - № 3. – С. 4-12.

4. Тер-Мкртичян Г.Г. Наукові основи створення двигунів із керованим ступенем стиснення: дис. докт. … техн. наук. - М., 2004. - 323 с.

5. Тер-Мкртичян Г.Г. Управління рухом поршнів у двигунах внутрішнього згоряння. - М.: Металургіздат, 2011. - 304 с.

6. Тер-Мкртичян Г.Г. Тенденції розвитку акумуляторних паливних систем великих дизелів/Г.Г. Тер-Мкртичян, Є.Є. Старков // Праці НАМІ: зб. наук. ст. - М., 2013. - Вип. № 255. - С. 22-47.

Останнім часом досить широке застосування у вантажних автомобілях та автобусах знаходять газові двигуни, що конвертуються з дизелів шляхом доопрацювання головки блоку циліндрів із заміною форсунки на свічку запалювання та оснащення двигуна апаратурою подачі газу у впускний трубопровід, або у впускні канали. Для запобігання детонації ступінь стиснення знижують, як правило, доопрацьовуючи поршень.

Газовий двигун апріорі має меншу потужність та гіршу паливну економічність у порівнянні з базовим дизелем. Зниження потужності газового двигуна пояснюється зменшенням наповнення циліндрів паливоповітряною сумішшю за рахунок заміщення частини повітря газом, що має більший обсяг порівняно з рідким паливом. Для компенсації зниження потужності застосовують наддув, що потребує додаткового зниження ступеня стиснення. При цьому зменшується індикаторний ККД двигуна, що супроводжується погіршенням паливної економічності.

Як базовий двигун для конвертації на газ був обраний дизель сімейства ЯМЗ-536 (6ЧН10,5/12,8) з геометричним ступенем стиснення ε = 17,5 та номінальною потужністю 180 кВт при частоті обертання колінчастого валу 2300 хв -1 .

Рис.1. Залежність максимальної потужності газового двигуна від ступеня стиснення (кордон детонації).

На малюнку 1 наведено залежність максимальної потужності газового двигуна від ступеня стиснення (кордон детонації). У конвертованому двигуні при стандартних фазах газорозподілу задана номінальна потужність 180 кВт без детонації може бути забезпечена лише при значному зниженні геометричного ступеня стиснення з 17,5 до 10, що викликає відчутне зменшення індикаторного ККД.

Уникнути детонації без зниження або при мінімальному зниженні геометричного ступеня стиснення, а отже, і мінімальному зменшенні індикаторного ККД дозволяє реалізація циклу з раннім закриттям впускного клапана. У цьому циклі впускний клапан закривається до приходу поршня до НМТ. Після закриття впускного клапана при русі поршня до НМТ газоповітряна суміш спочатку розширюється і охолоджується і тільки після проходження поршнем НМТ і його руху до ВМТ починає стискатися. Втрати наповнення циліндрів компенсуються рахунок підвищення тиску наддува.

Основними завданнями досліджень було виявлення можливості конвертації сучасного дизеля в газовий двигун із зовнішнім сумішоутворенням та кількісним регулюванням із збереженням високих потужностей та паливної економічності базового дизеля. Розглянемо деякі ключові моменти підходів до вирішення поставлених завдань.

Геометрична та фактична ступеня стиснення

Початок процесу стиснення збігається з моментом закриття впускного клапана φ a. Якщо це відбувається в НМТ, то фактичний ступінь стиснення ε фдорівнює геометричному ступеню стиснення ε. При традиційній організації робочого процесу впускний клапан для поліпшення наповнення за рахунок дозарядки закривається через 20-40° після НМТ. При реалізації циклу з укороченим впуском клапан впускний закривається до НМТ. Тому в реальних двигунах фактичний ступінь стиснення завжди менший за геометричний ступінь стиснення.

Закриття впускного клапана на однакову величину або до або після НМТ викликає однакове зменшення фактичного ступеня стиснення в порівнянні з геометричним ступенем стиснення. Так, наприклад, при зміні? aна 30 ° до або після НМТ фактичний ступінь стиснення зменшується приблизно на 5%.

Зміна параметрів робочого тіла у процесі наповнення

При проведенні досліджень було збережено стандартні фази випуску, а фази впуску змінювалися за рахунок варіації кута закриття впускного клапана φ a. У цьому випадку при ранньому закритті впускного клапана (до НМТ) та збереженні стандартної тривалості впуску (Δφ вп=230°) впускний клапан довелося б відкривати задовго до ВМТ, що внаслідок великого перекриття клапанів неминуче призвело б до надмірного зростання коефіцієнта залишкових газів та порушень у протіканні робочого процесу. Тому раннє закриття впускного клапана вимагає значного зменшення тривалості впуску до 180°.

На малюнку 2 наведена діаграма тиску заряду у процесі наповнення залежно від кута закриття впускного клапана до НМТ. Тиск у кінці наповнення p aнижче тиску у впускному трубопроводі, причому зниження тиску тим більше, що раніше до НМТ закривається впускний клапан.

При закритті впускного клапана ВМТ температура заряду в кінці наповнення T aтрохи вище температури у впускному трубопроводі T k. При більш ранньому закритті впускного клапана температури зближуються, і при φ a>35...40° ПКВ заряд під час наповнення не нагрівається, а охолоджується.

1 - φ a= 0 °; 2 - φ a= 30 °; 3 - φ a= 60 °.

Рис.2.Вплив кута закриття впускного клапана зміну тиску у процесі наповнення.

Оптимізація фази впуску на режимі номінальної потужності

За інших рівних умов наддув або підвищення ступеня стиснення в двигунах із зовнішнім сумішоутворенням обмежуються тим самим явищем - виникненням детонації. Очевидно, що при однаковому коефіцієнті надлишку повітря та однакових кутах випередження запалення умови виникнення детонації відповідають певним значенням тиску p cта температури T c заряду в кінці стиснення, що залежить від фактичного ступеня стиснення .

При однаковому геометричному ступені стиснення і, отже, однаковому обсязі стиснення p c/ T cоднозначно визначає кількість свіжого заряду у циліндрі. Відношення тиску робочого тіла до його температури пропорційно до щільності. Тому фактичний ступінь стиснення показує, наскільки збільшується щільність робочого тіла у процесі стиснення. На параметри робочого тіла в кінці стиснення, крім фактичного ступеня стиснення, істотно впливають тиск і температура заряду в кінці наповнення, що визначаються протіканням процесів газообміну, насамперед процесу наповнення.

Розглянемо варіанти двигуна з однаковим геометричним ступенем стиснення та однаковою величиною середнього індикаторного тиску, один з яких має стандартну тривалість впуску ( Δφ вп=230°), а іншому впуск вкорочений ( Δφ вп=180°), параметри яких представлені у таблиці 1. У першому варіанті впускний клапан закривається через 30° після ВМТ, а в другому варіанті впускний клапан закривається за 30° до ВМТ. Тому фактичний ступінь стиснення ε фу двох варіантів з пізнім та раннім закриттям впускного клапана однакова.

Таблиця 1

Параметри робочого тіла в кінці наповнення для стандартного та укороченого впуску

Δφ вп, °	φ a, °	P k, МПа		P a, МПа		ρ a, кг/м3

Середній індикаторний тиск при незмінній величині коефіцієнта надлишку повітря пропорційно добутку індикаторного ККД кількість заряду в кінці наповнення. Індикаторний ККД за інших рівних умов визначається геометричним ступенем стиснення, яка в варіантах, що розглядаються, однакова. Тому індикаторний ККД також може бути прийнятий однаковим.

Кількість заряду наприкінці наповнення визначається добутком щільності заряду на впуску на коефіцієнт наповнення ρ kη v. Використання ефективних охолоджувачів наддувного повітря дозволяє підтримувати температуру заряду у впускному трубопроводі приблизно постійної незалежно від рівня підвищення тиску в компресорі. Тому приймемо у першому наближенні, що щільність заряду у впускному трубопроводі прямо пропорційна тиску наддуву.

У варіанті зі стандартною тривалістю впуску та закриттям впускного клапана після НМТ коефіцієнт наповнення на 50% вище, ніж у варіанті з укороченим впуском та закриттям впускного клапана до НМТ.

При зменшенні коефіцієнта наповнення підтримки середнього індикаторного тиску на заданому рівні необхідно пропорційно, тобто. на ті ж 50% збільшити тиск наддуву. При цьому у варіанті з раннім закриттям впускного клапана тиск і температура заряду в кінці наповнення будуть на 12% нижче, ніж відповідні тиск і температура у варіанті із закриттям впускного клапана після НМТ. У зв'язку з тим, що у аналізованих варіантах фактичний ступінь стиснення однаковий, тиск і температура кінця стиснення у варіанті з раннім закриттям впускного клапана також будуть на 12% нижче, ніж при закритті впускного клапана після НМТ.

Таким чином, у двигуні з укороченим впуском та закриттям впускного клапана до НМТ при збереженні незмінним середнього індикаторного тиску можна відчутно знизити ймовірність виникнення детонації порівняно з двигуном, що має стандартну тривалість впуску та закриття впускного клапана після НМТ.

У таблиці 2 дано порівняння параметрів варіантів газового двигуна під час роботи на номінальному режимі.

Таблиця 2

Параметри варіантів газового двигуна

№ варіанта
Ступінь стиску ε
Відкриття впускного клапана φ s, ° ПКВ
Закриття впускного клапана φ a, ° ПКВ
Ступінь підвищення тиску в компресорі pk
Тиск насосних втрат pнп, МПа
Тиск механічних втрат pм, МПа
Коефіцієнт наповнення η v
Індикаторний ККД η i
Механічний ККД η м
Ефективний ККД η e
Тиск початку стиснення p a, МПа
Температура початку стиснення T a, K

На малюнку 3 представлені діаграми газообміну при різних кутах закриття впускного клапана і однаковою тривалістю наповнення, а на малюнку 4 дано діаграми газообміну за однакового фактичного ступеня стиснення та різної тривалості наповнення.

На режимі номінальної потужності кут закриття впускного клапана φ a=30° до НМТ фактичний ступінь стиснення ε ф=14,2 і рівень підвищення тиску в компресорі π k=2,41. У цьому забезпечується мінімальний рівень насосних втрат. При більш ранньому закритті впускного клапана через зниження коефіцієнта наповнення потрібно суттєво збільшити тиск наддуву на 43% (π k=3,44), що супроводжується значним зростанням тиску насосних втрат.

При ранньому закритті впускного клапана температура заряду на початку такту стиснення Та, внаслідок його попереднього розширення, на 42 К нижче порівняно з двигуном зі стандартними фазами впуску.

Внутрішнє охолодження робочого тіла, що супроводжується відбором частини теплоти від гарячих елементів камери згоряння, знижує ризик детонації і калільного запалення. Коефіцієнт заповнення зменшується на третину. З'являється можливість працювати без детонації зі ступенем стиснення 15 проти 10 при стандартній тривалості впуску.

1 - φ a= 0 °; 2 - φ a= 30 °; 3 - φ a= 60 °.

Мал. 3. Діаграми газообміну при різних кутах закриття впускного клапана.

1 -φ a= 30 ° до ВМТ; 2 -φ a= 30 ° за ВМТ.

Рис.4. Діаграми газообміну за однакового фактичного ступеня стиснення.

Час-перетин впускних клапанів двигуна можна змінювати, регулюючи висоту їхнього підйому. Одним із можливих технічних рішень є розроблений у ГНЦ НАМІ механізм керування висотою підйому впускного клапана. Велику перспективу мають розробки гідроприводних пристроїв незалежного електронного управління відкриттям і закриттям клапанів, засновані на принципах, промислово реалізованих в акумуляторних паливних системах дизелів.

Незважаючи на підвищення тиску наддуву і більш високий ступінь стиснення в двигуні з укороченим впуском через раннє закриття впускного клапана і, отже, нижчий тиск початку стиснення, середній тиск в циліндрі не збільшується. Тому також не збільшується тиск тертя. З іншого боку, при укороченому впуску відчутно (на 21%) зменшується тиск насосних втрат, що призводить до зростання механічного ККД.

Реалізація вищого ступеня стиснення у двигуні з укороченим впуском викликає зростання індикаторного ККД та у поєднанні з деяким збільшенням механічного ККД супроводжується підвищенням ефективного ККД на 8%.

Висновок

Результати проведених досліджень свідчать про те, що раннє закриття впускного клапана дозволяє в широких межах маніпулювати коефіцієнтом наповнення та фактичною мірою стиснення, знижуючи поріг детонації без зменшення індикаторного ККД. Укорочений впуск забезпечує зростання механічного ККД з допомогою зниження тиску насосних втрат.

Рецензенти:

Каменєв В.Ф., д.т.н., професор, провідний експерт, ДНЦ РФ ФГУП «НАМІ», м. Москва.

Сайкін А.М., д.т.н., начальник управління, ДНЦ РФ ФГУП "НАМІ", м. Москва.

Бібліографічне посилання

Тер-Мкртичян Г.Г. КОНВЕРТАЦІЯ ДИЗЕЛЯ У ГАЗОВИЙ ДВИГУН З ЗМЕНШЕННЯМ ФАКТИЧНОГО СТУПЕНЯ СТРУМКУ // Сучасні проблеми науки та освіти. - 2014. - № 5.;
URL: http://science-education.ru/ru/article/view?id=14894 (дата звернення: 01.02.2020). Пропонуємо до вашої уваги журнали, що видаються у видавництві «Академія Природознавства»

Перевагами газу для використання його як толлива для автомобілів є такі показники:

Економія палива

Економія палива газового двигуна- Найважливіший показник двигуна - визначається октановим числом палива і межею займання паливоповітряної суміші. Октанове число є показником детонаційної стійкості палива, яка обмежує можливість застосування палива в потужних та економічних двигунах з високим ступенем стиснення. У сучасній техніці октанове число є головним показником сортності палива: чим воно вище, тим якісніше і дорожче паливо. СПБТ (суміш пропанобутанова технічна) має значення октанового числа від 100 до 110 одиниць, тому на жодному режимі роботи двигуна не виникає детонація.

Аналіз теплофізичних властивостей палива та його горючої суміші (теплота згоряння та теплотворність горючої суміші) показує, що всі гази перевершують бензин за теплотворною здатністю, однак у суміші з повітрям їх енергетичні показники знижуються, що є однією з причин зменшення потужності двигуна. Зменшення потужності під час роботи на зрідженому становить до 7%. Аналогічний двигун під час роботи на стиснутому (компримованому) метані втрачає до 20% потужності.

Разом з тим, високі октанові числа дозволяють підвищити ступінь стиснення. газових двигуніві підняти показник потужності, але дешево виконати цю роботу під силу лише автозаводам. В умовах монтажної ділянки зробити дане доопрацювання занадто дорого, а часто просто неможливо.

Високі октанові числа вимагають збільшення кута випередження запалення на 5 ° ... 7 °. Однак, раннє запалювання може призвести до перегріву деталей двигуна. У практиці експлуатації газових двигунів спостерігалися випадки прогару днищ поршня та клапанів при надто ранньому запаленні та роботі на сильно збіднених сумішах.

Питомі витрати палива двигуном тим менші, чим бідніша паливоповітряна суміш, на якій працює двигун, тобто чим менше палива припадає на 1 кг повітря, що надходить у двигун. Однак дуже бідні суміші, де палива дуже мало просто не спалахують від іскри. Це й ставить межу підвищення паливної економічності. У сумішах бензину з повітрям граничний вміст палива в 1 кг повітря, при якому запалення можливе, становить 54 г. У гранично бідній газо-повітряній суміші цей вміст становить лише 40 г. природному газі значно економічніше, ніж бензиновий. Досліди показали, що витрата палива на 100 км при русі автомобіля, що працює на газі, зі швидкостями в межах від 25 до 50 км/год у 2 рази менша ніж у того ж автомобіля в тих же умовах, що працює на бензині. Компоненти газового палива мають межі займання, значно зміщені у бік збіднених сумішей, що дає додаткові можливості для підвищення економії палива.

Екологічна безпека газових двигунів

Газоподібні вуглеводневі палива відносяться до найбільш чистих в екологічному відношенні моторних палив. Викиди токсичних речовин з відпрацьованими газами порівняно з викидами при роботі на бензині в 3-5 разів менші.
Бензинові двигуни в силу високого значення межі збіднення (54 г палива на 1 кг повітря) вимушено регулюються на багаті суміші, що призводить до нестачі кисню в суміші та неповному згорянню палива. У результаті вихлоп такого двигуна може міститися значна кількість чадного газу (СО), який завжди утворюється при нестачі кисню. У разі, коли кисню достатньо, у двигуні при згорянні розвивається висока температура (понад 1800 градусів), коли він відбувається окислення азоту повітря надлишковим киснем з утворенням оксидів азоту, токсичність яких у 41 раз перевищує токсичність СО.

Крім цих компонентів, у вихлопі бензинових двигунів містяться вуглеводні та продукти їх неповного окислення, які утворюються в пристіночному шарі камери згоряння, де стінки, що охолоджуються водою, не дозволяють рідкому паливу випаруватися за короткий час робочого циклу двигуна і обмежують доступ кисню до палива. У разі застосування газового палива всі зазначені фактори діють значно слабше, в основному внаслідок бідніших сумішей. Продукти неповного згоряння практично не утворюються, оскільки є надлишок кисню. Окиси азоту утворюються в меншій кількості, тому що при збіднених сумішах температура згоряння значно нижча. Пристінковий шар камери згоряння містить менше палива при бідних газоповітряних сумішах, ніж при багатших бензино-повітряних. Таким чином, при правильно відрегульованому газовому двигунівикиди в атмосферу чадного газу виявляються в 5-10 разів менше, ніж у бензинового, оксидів азоту в 1,5 - 2,0 рази менше і вуглеводнів у 2 -3 рази менше. Це дозволяє дотримуватись перспективних норм токсичності автомобілів («Євро-2» і можливо і «Євро-3») при належному відпрацюванні двигунів.

Використання газу як моторного палива є одним із небагатьох екологічних заходів, витрати на яке окупаються прямим економічним ефектом у вигляді скорочення витрат на пально-мастильні матеріали. Переважна більшість інших екологічних заходів є винятково витратними.

В умовах міста з мільйонною кількістю двигунів використання газу як паливо дозволяє значно знизити забруднення навколишнього середовища. У багатьох країнах на вирішення цієї проблеми спрямовані окремі екологічні програми, що стимулюють переведення двигунів з бензину на газ. Московські екологічні програми з кожним роком посилюють вимоги до власників транспортних засобів щодо викиду вихлопних газів. Перехід використання газу - це вирішення екологічної проблеми разом із економічним ефектом.

Зносостійкість та безпека газового двигуна

Зносостійкість двигуна впритул пов'язана із взаємодією палива та моторного масла. Одним із неприємних явищ у бензинових двигунах є змивання бензином масляної плівки з внутрішньої поверхні циліндрів двигуна при холодному запуску, коли паливо надходить у циліндри не випаровуючись. Далі бензин у рідкому вигляді потрапляє в масло, розчиняється в ньому і розріджує його, погіршуючи мастила. Обидва ефекти прискорюють зношування двигуна. ГСН незалежно від температури двигуна завжди залишається у газовій фазі, що повністю виключає зазначені фактори. ГСН (газ скраплений нафтовий) не може проникнути в циліндр, як це відбувається при використанні звичайних рідких видів палива, тому не виникає необхідності промивання двигуна. Головка блоку та блок циліндрів менше зношуються, що збільшує термін служби двигуна.

При недотриманні правил експлуатації та обслуговування будь-який технічний виріб становить певну небезпеку. Газобалонні установки - не виняток. У той самий час щодо потенційних ризиків слід враховувати такі об'єктивні фізико-хімічні властивості газів, як температура і концентраційні межі самозаймання. Для вибуху чи займання необхідне утворення паливоповітряної суміші, тобто об'ємне змішування газу з повітрям. Знаходження газу в балоні під тиском виключає можливість проникнення туди повітря, тоді як у баках з бензином або дизельним паливом завжди присутня суміш їхньої пари з повітрям.

Як правило, встановлюються в найменш уразливих та статистично рідше пошкоджених місцях автомобіля. На основі фактичних даних була розрахована ймовірність ураження та конструктивного руйнування корпусу автомобіля. Результати розрахунків свідчать, що ймовірність руйнування корпусу автомобіля в зоні розташування балонів становить 1-5%.
Досвід експлуатації газових двигунів, як у нас, так із кордоном показує, що двигуни, що працюють на газі, менш пожежо- та вибухонебезпечні в аварійних ситуаціях.

Економічна доцільність застосування

Експлуатація автомобіля на ДСП приносить близько 40% економії. Оскільки за своїми характеристиками до бензину найближча саме суміш пропану та бутану, то для його використання капітальних переробок у пристрої двигуна не потрібно. Універсальна система живлення двигуна зберігає повноцінну бензинову паливну систему та дає можливість легко перемикатися з бензину на газ та назад. Двигун, обладнаний універсальною системою, може працювати або на бензині або на газовому паливі. Вартість переобладнання бензинового автомобіля на пропан-бутанову суміш залежно від обраного обладнання коливається від 4-х до 12 тисяч рублів.

Під час вироблення газу двигун зупиняється не відразу, а припиняє роботу через 2-4 км пробігу. Комбінована система живлення "газ плюс бензин" - це 1000 км шляху на одній заправці обох паливних систем. Тим не менш, певні відмінності в характеристиках цих видів палива все ж таки існують. Так, при використанні зрідженого газу для появи іскри потрібна вища напруга у свічці запалювання. Воно може перевищувати величину напруги під час роботи машини на бензині на 10-15%.

Переведення двигуна на газове паливо збільшує ресурс його роботи у 1,5-2 рази. Поліпшується робота системи запалення, термін служби свічок зростає на 40%, відбувається повніше згоряння газоповітряної суміші, ніж під час роботи на бензині. Зменшується нагароутворення в камері згоряння, головці блоку циліндрів та на поршнях, оскільки скорочується кількість вуглецевих опадів.

Іншим аспектом економічної доцільності використання СПБТ як моторне паливо є те, що використання газу дозволяє звести до мінімуму можливість несанкціонованого зливу палива.

Автомобілі з системою упорскування палива, обладнані газовою апаратурою, простіше захищати від викрадення, ніж автомобілі з бензиновими двигунами: від'єднавши та забравши з собою легкознімний комутатор, можна надійно заблокувати подачу палива і тим самим перешкодити угону. Такий блокатор важко розпізнати, що служить серйозним протиугінним пристроєм для несанкціонованого пуску двигуна.

Таким чином, загалом використання газу як моторного палива є економічно ефективним, екологічним і досить безпечним.

Про переваги газомоторного палива, зокрема метану, сказано чимало, але нагадаємо про них ще раз.

Це екологічний вихлоп, що відповідає поточним і навіть майбутнім законодавчим вимогам до токсичності. У рамках культу глобального потепління це важлива перевага, оскільки норми Euro 5, Euro 6 і всі наступні будуть насаджуватись в обов'язковому порядку і проблему з вихлопом так чи інакше доведеться вирішувати. До 2020 р. у Євросоюзі новим транспортним засобам буде дозволено виробляти в середньому не більше ніж 95 г СО2 на кілометр. До 2025 р. цю допустиму межу можуть ще опустити. Двигуни на метані здатні задовольнити ці норми токсичності і не тільки завдяки меншому викиду СО2. Показники викидів твердих частинок у газових двигунах також нижчі, ніж у бензинових чи дизельних аналогів.

Далі, газомоторне паливо не змиває олію зі стінок циліндра, що уповільнює їх знос. Як стверджують пропагандисти газомоторного палива, ресурс двигуна чарівним чином зростає у рази. При цьому вони скромно замовчують теплонапруженість працюючого на газі двигуна.

І головна перевага газомоторного палива – це ціна. Ціна і лише ціна покриває всі недоліки газу як моторного палива. Якщо ми говоримо про метан, це нерозвинена мережа АГНКС, яка буквально прив'язує газовий автомобіль до заправки. Кількість заправок зрідженим природним газом мізерна, цей вид газомоторного палива сьогодні є нішевим, вузькоспеціальним продуктом. Далі, газобалонне обладнання займає частину корисної вантажопідйомності та корисного простору, ГБО клопітно та накладно в обслуговуванні.

Технічний прогрес породив такий вид двигуна, як газодизель, що живе у двох світах: дизельному та газовому. Але як універсальний засіб газодизель не реалізує повному обсязі можливості ні того, ні іншого світу. Не можна оптимізувати процес згоряння, ні показники ККД, ні утворення викидів для двох видів палива на одному двигуні. Для оптимізації газоповітряного циклу потрібен спеціалізований засіб - газовий двигун.

Сьогодні всі газові двигуни використовують зовнішнє утворення газоповітряної суміші та займання від свічки запалювання, як у карбюраторному бензиновому двигуні. Альтернативні варіанти – на стадії розробки. Газоповітряна суміш утворюється у впускному колекторі шляхом інжекції газу. Що ближче до циліндра відбувається цей процес, то швидше реакція двигуна. В ідеалі газ повинен упорскуватися прямо в камеру згоряння, про що йтиметься нижче. Складність управління не єдиний недолік зовнішнього сумішоутворення.

Інжекція газу керується електронним блоком, що також регулює кут випередження запалювання. Метан горить повільніше дизельного палива, тобто газоповітряна суміш повинна займатися раніше, кут випередження також регулюється залежно від навантаження. Крім того, метану потрібний менший ступінь стиснення, ніж дизельне паливо. Так, у атмосферному двигуні ступінь стиснення знижують до 12–14. Для атмосферних двигунів характерний стехіометричний склад газоповітряної суміші, тобто коефіцієнт надлишку повітря a дорівнює 1, що певною мірою компенсує втрату потужності від зниження ступеня стиснення. ККД атмосферного газового двигуна на рівні 35%, тоді як у атмосферного дизеля ККД на рівні 40%.

Автовиробники рекомендують використовувати в газових двигунах спеціальні моторні олії, що відрізняються водостійкістю, зниженою сульфатною зольністю і одночасно високим значенням лужного числа, але не забороняються і всесезонні олії для дизельних двигунів класів SAE 15W-40 і 10W-40, які на практиці застосовують у дев'яти випадках десяти.

Турбокомпресор дозволяє знизити ступінь стиснення до 10-12 залежно від розмірності двигуна і тиску у впускному тракті, а коефіцієнт надлишку повітря збільшити до 1,4-1,5. При цьому ККД досягає 37%, але одночасно значно зростає теплонапруженість двигуна. Для порівняння: ККД турбованого дизельного двигуна сягає 50%.

Підвищена теплонапруженість газового двигуна пов'язана з неможливістю продування камери згоряння при перекритті клапанів, коли в кінці такту випуску одночасно відкриті випускні та впускні клапани. Потік свіжого повітря, особливо в наддувному двигуні, міг би охолоджувати поверхні камери згоряння, знижуючи таким чином теплонапруженість двигуна, а також знижуючи нагрівання свіжого заряду, це збільшило коефіцієнт наповнення, але для газового двигуна перекриття клапанів неприпустимо. Через зовнішнє утворення газоповітряної суміші повітря завжди подається в циліндр разом з метаном, і випускні клапани в цей час повинні бути закриті, щоб уникнути попадання метану у випускний тракт і вибуху.

Зменшений ступінь стиснення, підвищена теплонапруженість та особливості газоповітряного циклу вимагають відповідних змін, зокрема, в системі охолодження, конструкції распредвала і деталей ЦПГ, а також у застосовуваних для них матеріалах для збереження працездатності та ресурсу. Таким чином, вартість газового двигуна не так відрізняється від вартості дизельного аналога, а то й вище. Плюс до цього вартість газобалонного обладнання.

Флагман вітчизняного автомобілебудування ПАТ «КАМАЗ» серійно випускає газові 8-циліндрові V-подібні двигуни серій КамАЗ-820.60 та КамАЗ-820.70 розмірністю 120х130 та робочим об'ємом 11,762 л. Для газових двигунів використовують ЦПГ, що забезпечує ступінь стиснення 12 (дизельного КамАЗ-740 ступінь стиснення 17). У циліндрі газоповітряна суміш займається іскровою свічкою запалювання, встановленої замість форсунки.

Для великовантажних автомобілів із газовими двигунами використовують спеціальні свічки запалювання. Так, Federal-Mogul поставляє ринку свічки з іридієвим центральним електродом і бічним електродом, виконаним з іридію чи платини. Конструкція, матеріали та характеристики електродів та самих свічок враховують температурний режим роботи великовантажного автомобіля, характерний широким діапазоном навантажень та порівняно високий ступінь стиснення.

Двигуни КамАЗ-820 обладнають системою розподіленого упорскування метану у впускний трубопровід через форсунки з електромагнітним дозуючим пристроєм. Газ інжектується у впускний тракт кожного циліндра індивідуально, що дозволяє коригувати склад газоповітряної суміші для кожного циліндра з метою отримання мінімальних викидів шкідливих речовин. Витрата газу регулюється мікропроцесорною системою залежно від тиску перед інжектором, подача повітря регулюється дросельною заслінкою із приводом від електронної педалі акселератора. Мікропроцесорна система керує кутом випередження запалення, забезпечує захист від запалення метану у впускному трубопроводі при збої в системі запалення або несправності клапанів, а також захист двигуна від аварійних режимів, підтримує задану швидкість автомобіля, забезпечує обмеження моменту, що крутить, на провідних колесах автомобіля і самодіагностику при включенні системи .

«КАМАЗ» значною мірою уніфікував деталі газових та дизельних двигунів, але далеко не всі, і багато зовні схожих деталей для дизеля – колінвал, распредвал, поршні з шатунами та кільцями, головки блоку циліндрів, турбокомпресор, водяний насос, масляний насос, впуск , піддон картера, картер маховика - не підходять для газового двигуна.

У квітні 2015 р. "КАМАЗ" запустив корпус газових автомобілів потужністю 8 тис. одиниць техніки на рік. Виробництво розміщено у колишньому газодизельному корпусі автозаводу. Технологія збирання наступна: шасі збирають і встановлюють на нього газовий двигун на головному конвеєрі складального автомобільного заводу. Потім шасі буксують у корпус газових автомобілів для монтажу газобалонного обладнання та проведення всього циклу випробувань, а також для обкатки автотехніки та шасі. При цьому газові двигуни КАМАЗ (у тому числі модернізовані з компонентною базою «БОШ»), що збираються на моторному виробництві, також проходять випробування та обкатування в повному обсязі.

«Автодизель» (Ярославський моторний завод) у співдружності з компанією Westport розробив та випускає лінійку газових двигунів на базі сімейства 4- та 6-циліндрових рядних двигунів ЯМЗ-530. Шестициліндровий варіант може встановлюватись на автомобілі нового покоління «Урал NEXT».

Як уже говорилося вище, ідеальний варіант газового двигуна - це безпосереднє впорскування газу в камеру згоряння, але досі потужне глобальне машинобудування не створило такої технології. У Німеччині дослідження веде консорціум Direct4Gas, очолюваний компанією Robert Bosch GmbH у партнерстві з Daimler AG та Штутгартським науково-дослідним інститутом автомобільної техніки та двигунів (FKFS). Міністерство економіки та енергетики Німеччини підтримало проект сумою в 3,8 млн євро, що насправді не так багато. Проект працюватиме з 2015-го до січня 2017 р. На-гора мають видати промисловий зразок системи безпосереднього упорскування метану і, що не менш важливо, технологію її виробництва.

Порівняно з нинішніми системами, що використовують багатоточковий впорскування газу в колектор, перспективна система безпосереднього впорскування здатна на 60% збільшити момент, що крутить, на низьких оборотах, тобто ліквідувати слабке місце газового двигуна. Безпосереднє упорскування вирішує цілий комплекс «дитячих» хвороб газового двигуна, принесених разом із зовнішнім сумішоутворенням.

У проекті Direct4Gas розробляють систему безпосереднього впорскування, здатну бути надійною та герметичною та дозувати точну кількість газу для впорскування. Модифікації самого двигуна зведені до мінімуму, щоб промисловість могла використовувати колишні компоненти. Команда проекту комплектує експериментальні газові двигуни нещодавно розробленим клапаном упорскування високого тиску. Систему передбачається тестувати у лабораторії та безпосередньо на транспортних засобах. Дослідники також вивчають утворення паливно-повітряної суміші, процес управління запаленням та утворення токсичних газів. Довгострокова мета консорціуму - створення умов, за яких технологія зможе вийти на ринок.

Отже, газові двигуни – це молодий напрямок, який ще не досяг технологічної зрілості. Зрілість настане, коли Bosch з товаришами створять технологію безпосередньо впорскування метану в камеру згоряння.

Євген Константинов

Поки бензин і дизельне паливо невблаганно дорожчають, а всілякі альтернативні силові установки для автотранспорту залишаються дуже далекими від народу, програючи традиційним двигунам внутрішнього згоряння в ціні, автономності та експлуатаційних витратах, найреальнішим способом заощадити на заправці залишається переведення автомобіля на «газову дієту». На перший погляд, це вигідно: вартість переобладнання автомобіля незабаром окупається за рахунок різниці в ціні пального, особливо при регулярних комерційних та пасажирських перевезеннях. Недарма в Москві та багатьох інших містах значну частку муніципального автотранспорту вже давно переведено на газ. Але тут виникає закономірне питання: чому тоді частка газобалонних автомобілів у транспортному потоці і в нашій країні, і за кордоном не перевищує кількох відсотків? Що таїть зворотний бік газового балона?

Наука та життя // Ілюстрації

Запобіжні таблички на заправці встановлені недарма: кожне з'єднання технологічного газопроводу – потенційне місце витоків пального газу.

Балони для зрідженого газу легші, дешевші та різноманітніші за формою, ніж для стисненого, а тому їх простіше компонувати виходячи з вільного простору в автомобілі та необхідного запасу ходу.

Зверніть увагу на різницю в ціні рідкого та газоподібного палива.

Балони зі стислим метаном у кузові тентованої «Газелі».

Редуктор-випарник у пропановій системі потребує підігріву. На фото добре видно шланг, що з'єднує рідинний теплообмінник редуктора із системою охолодження двигуна.

Принципова схема роботи газобалонного обладнання на карбюраторному двигуні.

Схема роботи обладнання для зрідженого газу без переведення його в газоподібну фазу у двигуні внутрішнього згоряння з розподіленим упорскуванням.

Пропан-бутан зберігають та перевозять у цистернах (на фото – за синіми воротами). Завдяки такій мобільності заправку можна розмістити в будь-якому зручному місці, а за потреби швидко перенести в інше.

На пропановій колонці заправляють не лише автомобілі, а й побутові балони.

Колонка для зрідженого газу зовні відрізняється від бензинової, але процес заправки схожий. Відлік залитого палива йде у літрах.

Поняття «газове автомобільне паливо» включає дві абсолютно різних за складом суміші: природний газ, в якому до 98% припадає на метан, і пропан-бутан, що виробляється з попутного нафтового газу. Окрім безумовної горючості загальним для них є ще й агрегатний стан при атмосферному тиску та комфортних для життя температурах. Однак за низьких температур фізичні властивості цих двох наборів легких вуглеводнів здорово різняться. Через це вони вимагають абсолютно різного обладнання для зберігання на борту та подачі в двигун, та й в експлуатації автомобілі з різними системами газового живлення мають кілька суттєвих відмінностей.

Зріджений газ

Пропан-бутанова суміш добре знайома туристам та дачникам: саме її заправляють у побутові газові балони. Вона ж становить основну частку газу, який марно згоряє у факелах нафтовидобувних та переробних підприємств. Пропорційний склад паливної пропан-бутанової суміші може бути різним. Справа не так у вихідному складі нафтового газу, як у температурних властивостях одержуваного пального. Як моторне паливо чистий бутан (З 4 Н 10) хороший у всіх відношеннях, крім того, що він переходить у рідкий стан вже при 0,5 ° С при атмосферному тиску. Тому до нього додають менш калорійний, але більш холодостійкий пропан (2Н8) з температурою кипіння -43°С. Співвідношення цих газів у суміші задає нижню температурну межу застосування палива, яке з цієї ж причини буває «літнім» і «зимовим».

Відносно висока температура кипіння пропан-бутану навіть у «зимовому» виконанні дозволяє зберігати його у балонах у вигляді рідини: вже під невеликим тиском він переходить у рідку фазу. Звідси й інша назва пропан-бутанового палива – скраплений газ. Це зручно та економічно: висока щільність рідкої фази дозволяє вмістити в малому обсязі велику кількість палива. Вільний простір над рідиною в балоні зайнятий насиченою парою. У міру витрати газу тиск у балоні залишається постійним до його спустошення. Водіям пропанових машин при заправці слід заливати балон максимум на 90%, щоб залишити всередині місце для парової подушки.

Тиск усередині балона насамперед залежить від температури довкілля. При негативних температурах воно падає нижче за одну атмосферу, але навіть цього достатньо для підтримки працездатності системи. Проте з потеплінням воно швидко росте. При 20 ° C тиск у балоні становить вже 3-4 атмосфери, а при 50 ° C досягає 15-16 атмосфер. Більшість автомобільних газових балонів ці значення близькі до граничним. А це означає, що при перегріві в спекотний полудень на південному сонці темний автомобіль з балоном зрідженого газу на борту ... Ні, не вибухне, як у голлівудському бойовику, а почне скидати надлишки пропан-бутану в атмосферу через запобіжний клапан, призначений саме для такого випадку . До вечора, коли знову похолодає, палива в балоні виявиться помітно менше, проте ніхто і ніщо не постраждає. Щоправда, як показує статистика, окремі любителі додатково заощадити на запобіжному клапані іноді поповнюють хроніку подій.

Стиснутий газ

Інші принципи лежать в основі роботи газобалонного обладнання для машин, що споживають як паливо природний газ, зазвичай зазвичай іменований метаном за своїм основним компонентом. Це той самий газ, що подається трубами до міських квартир. На відміну від нафтового газу метан (СН 4) має низьку щільність (в 1,6 рази легше за повітря), а головне - низьку температуру кипіння. Він перетворюється на рідкий стан лише за –164°С. Наявність невеликого відсотка домішок інших вуглеводнів у природному газі не сильно змінює властивості чистого метану. Отже, перетворити цей газ на рідину для використання в автомобілі неймовірно складно. В останнє десятиліття активно велися роботи зі створення так званих кріогенних баків, що дозволяють зберігати в автомобілі скраплений метан при температурах -150 ° С і нижче і тиск до 6 атмосфер. Було створено дослідні зразки транспорту та заправок під цей варіант палива. Але поки що практичного поширення ця технологія не отримала.

А тому в переважній більшості випадків для використання як моторне паливо метан просто стискають, доводячи тиск у балоні до 200 атмосфер. Як наслідок, міцність і відповідно маса такого балона повинні бути помітно вищими, ніж для пропанового. Та й міститься в однаковому обсязі стисненого газу значно менше, ніж зрідженого (у перерахунку на молі). А це – зменшення автономності автомобіля. Інший мінус – ціна. Суттєво більший запас міцності, закладений у метанове обладнання, обертається тим, що ціна комплекту на автомобіль виявляється майже вдесятеро вищою за аналогічну за класом пропанову апаратуру.

Метанові балони бувають трьох типорозмірів, з яких у легковику можна розмістити тільки найменші, об'ємом 33 л. Але для того, щоб забезпечити гарантовану дальність ходу триста кілометрів, таких балонів потрібно п'ять, сумарною масою 150 кг. Зрозуміло, що в компактній міській малолітражці возити постійно такий вантаж замість корисного багажу немає сенсу. Тому є сенс переводити на метан лише великі автомобілі. Насамперед, вантажівки та автобуси.

При всьому цьому метан має дві істотні переваги перед нафтовим газом. По-перше, він ще дешевший і не прив'язаний до ціни на нафту. А по-друге, метанове обладнання конструктивно застраховано від проблем із зимовою експлуатацією та дозволяє за бажання взагалі обходитися без бензину. У разі пропан-бутану в наших кліматичних умовах такий фокус не пройде. Автомобіль за фактом залишиться двопаливним. Причина саме у зрідженості газу. А точніше, у тому, що у процесі активного випаровування газ різко охолоджується. В результаті сильно падає температура в балоні і особливо – у газовому редукторі. Щоб апаратура не замерзала, редуктор підігрівають, вбудовуючи в нього теплообмінник, з'єднаний із системою охолодження двигуна. Але щоб ця система почала працювати, рідину в магістралі треба заздалегідь підігріти. А тому запускати і прогрівати двигун при температурі навколишнього повітря нижче 10 ° С рекомендується строго на бензині. І лише потім, з виходом двигуна на робочу температуру, перемикатися на газ. Втім, сучасні електронні системи перемикають все самі, без допомоги водія, автоматично контролюючи температуру та не допускаючи замерзання обладнання. Щоправда, для підтримки коректної роботи електроніки у цих системах не можна насухо спустошувати бензобак навіть у спеку. Пусковий режим газу для подібної апаратури аварійним, і його систему можна переключити лише примусово у разі крайньої необхідності.

Метанова апаратура ніяких труднощів із зимовим пуском не має. Навпаки, на цьому газі у морози запустити двигун навіть легше, ніж на бензині. Відсутність рідкої фази не вимагає і підігріву редуктора, який лише знижує тиск у системі з 200 атмосфер транспортування до однієї робочої.

Чудеса безпосереднього упорскування

Найскладніше переводити на газ сучасні двигуни з безпосереднім упорскуванням палива в циліндри. Причина в тому, що газові форсунки зазвичай розміщуються у впускному тракті, де і відбувається сумішоутворення у всіх інших типах двигунів внутрішнього згоряння без безпосереднього впорскування. Але наявність такого геть-чисто перекреслює можливість так легко і технологічно додати газове харчування. По-перше, в ідеалі газ теж треба подавати прямо в циліндр, а по-друге, і це ще важливіше, рідке паливо служить для охолодження власних форсунок безпосереднього упорскування. Без нього вони дуже швидко виходять із ладу від перегріву.

Варіанти вирішення цієї проблеми є, причому щонайменше два. Перший перетворює двигун на двопаливний. Він був вигаданий досить давно, ще до появи безпосереднього упорскування на бензинових моторах і пропонувався для адаптації дизелів до роботи на метані. Газ не спалахує від стиснення, а тому «газований дизель» заводиться на солярці і продовжує на ній працювати в режимі холостих оборотів і мінімального навантаження. А далі у справу вступає газ. Саме рахунок його подачі регулюють швидкість обертання коленвала як середніх і високих оборотів. Для цього ТНВД (паливний насос високого тиску) обмежують подачі рідкого палива до 25-30% від номіналу. Метан надходить у двигун своєю магістралі в обхід ТНВД. Жодних проблем з його мастилом через зниження подачі солярки на високих оборотах не виникає. Дизельні форсунки при цьому продовжують охолоджуватися паливом, що проходить через них. Щоправда, теплове навантаження на них у режимі високих оборотів все одно залишається підвищеним.

Аналогічну схему живлення стали застосовувати і для бензинових двигунів з безпосереднім упорскуванням. Причому працює вона як із метановою, так і з пропан-бутановою апаратурою. Але в останньому випадку перспективнішим вважається альтернативне рішення, яке з'явилося зовсім недавно. Все почалося з ідеї відмовитися від традиційного редуктора з випарником та подавати пропан-бутан у двигун під тиском у рідкій фазі. Наступними кроками стали відмова від газових форсунок та подача зрідженого газу через штатні форсунки для бензину. У схему додали електронний модуль узгодження, що підключає щодо ситуації газову або бензинову магістраль. При цьому нова система втратила традиційні проблеми з холодним пуском на газі: немає випаровування - немає і охолодження. Щоправда, вартість обладнання для моторів з безпосереднім упорскуванням в обох випадках така, що окупається воно лише за дуже великих пробігів.

До речі, економічна доцільність обмежує застосування газобалонного обладнання дизелях. Саме з міркувань вигоди для моторів із запаленням від стиску використовують лише метанову апаратуру, причому відповідну за характеристиками лише двигунам важкої техніки, оснащеним традиційними ТНВД. Справа в тому, що переведення невеликих економічних легкових двигунів з дизеля на газ себе не окупає, а технологія і технічне втілення газобалонної апаратури для нових двигунів із загальною паливною рампою (common rail) на сьогодні вважаються економічно невиправданими.

Щоправда, є й інший, альтернативний шлях переведення дизеля на газ шляхом повної конвертації в газовий двигун з іскровим запалюванням. У такого двигуна зменшується до 10-11 одиниць ступінь стиснення, з'являються свічки та високовольтна електрика, і він назавжди прощається з дизельним паливом. Натомість починає безболісно споживати бензин.

Умови роботи

Старі радянські інструкції щодо переведення бензинових автомобілів на газ наказували шліфувати головки блоку циліндрів (ГБЦ), щоб підняти ступінь стиснення. Воно й зрозуміло: об'єктом газифікації у яких виступали силові агрегати комерційного транспорту, які працювали бензині з октановим числом 76 і від. У метану ж октанове число 117, а у пропан-бутанових сумішей воно близько ста. Таким чином, обидва види газового палива істотно менш схильні до детонації, ніж бензин, і дозволяють підняти рівень стиснення двигуна, щоб оптимізувати процес згоряння.

Крім того, для архаїчних карбюраторних моторів, що оснащувалися механічними системами подачі газу, збільшення ступеня стиснення дозволяло компенсувати втрату потужності, що виникала під час переходу на газ. Справа в тому, що бензин і гази змішуються з повітрям у впускному тракті в різних пропорціях, через що при використанні пропан-бутану, а особливо метану, двигуну доводиться працювати на істотно біднішій суміші. Як результат - зниження крутного моменту двигуна, що призводить до падіння потужності на 5-7% у першому випадку та на 18-20% у другому. При цьому на графіку зовнішньої швидкісної характеристики форма кривої моменту, що крутить, кожного конкретного мотора залишається без змін. Вона просто зміщується вниз по осі ньютон-метрів.

Однак для двигунів з електронними системами упорскування, що оснащуються сучасними системами газового живлення, всі ці рекомендації та цифри не мають майже ніякого практичного значення. Тому що, по-перше, їх ступінь стиснення і така достатня, і навіть для переходу на метан роботи з шліфування ГБЦ зовсім не виправдані економічно. А по-друге, узгоджений з електронікою автомобіля процесор газової апаратури організує подачу палива таким чином, що як мінімум наполовину компенсує вищезгаданий провал за моментом, що крутить. У системах з безпосереднім упорскуванням і в газодизельних моторах газове паливо в окремих діапазонах оборотів і зовсім здатне піднімати крутний момент.

Крім того, електроніка чітко відстежує необхідне випередження запалення, яке при перемиканні на газ має бути більшим, ніж для бензину, за інших рівних умов. Газове паливо горить повільніше, а значить і підпалювати його потрібно раніше. З цієї причини зростає теплове навантаження на клапани та його седла. З іншого боку, меншим стає ударне навантаження на циліндро-поршневу групу. Крім того, для неї зимовий пуск на метані значно корисніший, ніж на бензині: газ не змиває масло зі стін циліндрів. Та й взагалі в газовому паливі немає каталізаторів старіння металів, більш повне згоряння палива зменшує токсичність вихлопу і нагар в циліндрах.

Автономне плавання

Мабуть, найбільш помітним мінусом у газовому автомобілі стає його обмежена автономність. По-перше, витрата газового палива, якщо рахувати за обсягом, виходить більше, ніж бензину і тим більше солярки. А по-друге, газова машина виявляється прив'язаною до відповідних заправок. Інакше зміст її переведення на альтернативне паливо починає прагнути нуля. Особливо складно тим, хто їздить метаном. Метанових заправок дуже мало і всі вони прив'язані до магістральних газопроводів. Це просто невеликі компресорні станції на відгалуженнях головної труби. Наприкінці 80-х – на початку 90-х років ХХ століття в нашій країні намагалися активно переводити транспорт на метан у рамках державної програми. Саме тоді й виникла більшість метанових заправок. До 1993 року їх було побудовано 368, і з того часу це число якщо й зросло, то зовсім небагато. Більшість заправок знаходиться в європейській частині країни поблизу федеральних трас та міст. Але при цьому їхнє розташування визначали не стільки з точки зору зручності автомобілістів, скільки з точки зору газовиків. Тому лише в дуже поодиноких випадках газові заправки виявилися безпосередньо біля шосе і практично ніколи всередині мегаполісів. Майже скрізь, щоб заправитися метаном, необхідно зробити гачок на кілька кілометрів у якусь промзону. Тому, плануючи далекий маршрут, ці заправки треба шукати та запам'ятовувати заздалегідь. Єдине, що зручно в такій ситуації, – стабільно висока якість палива на будь-якій з метанових станцій. Газ із магістрального газопроводу дуже проблематично розбавити чи зіпсувати. Хіба що фільтр чи система осушення на якійсь із таких заправок може раптово вийти з ладу.

Пропан-бутан можна перевозити в цистернах, і завдяки цій властивості географія заправок для нього значно ширша. У деяких регіонах їм можна заправитися навіть у найдальшій глушині. Але вивчити наявність пропанових заправок на майбутньому маршруті теж не завадить, щоб їхня раптова відсутність на шосе не стала неприємним сюрпризом. При цьому скраплений газ завжди залишає частку ризику потрапити на паливо не за сезоном чи просто неякісне.