Описание технологического оборудования газового двигателя. Плюсы и минусы газового автомобильного оборудования. Компоненты двигателей на сжатом природном газе

В результате исследований по использованию природного газа в качестве топлива в дизелях установлено следующее:

• природный газ (метан) в отличие от дизельного топлива обладает малым цетановым числом (10 ед.) и, следовательно, плохой воспламеняемостью;
• осуществить воспламенение газа в дизеле со степенью сжатия менее 25 без постороннего источника зажигания смеси невозможно, так как температура воспламенения метана (680 °С) существенно выше температуры воспламенения дизельного топлива (280 °С);
• для природного газа наиболее приемлемым процессом организации воспламенения рабочей смеси является газодизельный, при котором газовоздушная смесь воспламеняется от небольшой запальной дозы дизельного топлива, впрыскиваемого в камеру сгорания в конце такта сжатия;
• газодизельный процесс является наиболее экономически оправданным, так как при этом не требуется переделка двигателя и его систем, а только дооборудование двигателя ГСП и перерегулировка топливной аппаратуры, которая выполняется автоматически с помощью электронных устройств;
• при прекращении подачи газа газодизель может полноценно работать как обычный дизель. В отличие от бензиновых ГБА газодизельный процесс ДВС не только не ухудшает технико-экономические показатели работы автомобиля, но даже несколько увеличивает КПД двигателя (на 1 …2 %) по сравнению с дизельным циклом;
• эксплутационный расход дизельного топлива при работе в газодизельном режиме снижается на 75…80 %.

Рис. Газовая система питания газодизельных и бензиновых двигателей внутреннего сгорания:1 - баллоны высокого давления; 2 - межбаллонные трубопроводы с компенсационными витками; 3 - манометр; 4 - расходный вентиль; 5 - межсекционная крестовина; 6 - наполнительный вентиль; 7 - магистральный вентиль; 8 - подогреватель газа; 9 - редуктор высокого давления; 10 - датчик падения давления газа в магистрали; 11 - предохранительный клапан; 12 - фильтр с электромагнитным клапаном; 13 - редуктор низкого давления; 14 - газовый смеситель; 15 - карбюратор-смеситель; 16 - трубка подачи газа системы холостою хода; 17- электромагнитный клапан пусковой системы; 18 - кнопочный переключатель; 19 - фильтр бензиновой системы питания с электромагнитным клапаном; 20 - дозатор газа; 21 - трехходовой электромагнитный клапан; 22 - смеситель газа; 23 - сопло Вентури; 24 - датчик блокировки; 25 - механизм установки запальной дозы; 26 - подвижный упор; 27 - телескопическая тяга; 28 - тяга регулятора ТНВД; 29 - датчик частоты вращения; 30 - зубчатый венец датчика; 31 - педаль акселератора

Конструкция газодизеля по сравнению с карбюраторной газобаллонной системой питания имеет некоторые отличия и дополнительно включает в себе следующие элементы: дозатор газа 20, трехходовой электромагнитный клапан 21, смеситель 22 с диффузором типа сопла Вентури 23, датчик блокировки 24, механизм установки запальной дозы 25, подвижный упор 26, телескопическую тягу 27 управления регулятора 28 ТНВД, индуктивный датчик 29 частоты вращения ДВС, зубчатый венец 30 коленчатого вала ДВС, рычаг-педаль 31 привода подачи топлива.

Газодизельный процесс осуществляется следующим образом. Газ после прохождения редуктора низкого давления 13 попадает в дозатор-смеситель, выполненный в виде самостоятельных блоков дозатора 20 и смесителя 22.

Дозатор газа, представляющий собой дроссельную заслонку, изготовлен в едином корпусе с диафрагменным механизмом ограничения подачи газа. Управление приводом дроссельной заслонки осуществляется с помощью педали 31 и соответствующей тяги из кабины водителя.

Управление работой диафрагменного механизма производится с помощью трехходового электропневматического клапана 21. Основное назначение дозатора - регулирование количества подаваемого в смеситель газа в зависимости от нагрузки двигателя и автоматическое уменьшение подачи газа при достижении двигателем максимальной частоты вращения коленчатого вала (2 550 мин»1). Система ограничения максимальной частоты вращения состоит из зубчатого венца 30, индуктивного датчика 29, электронного реле и трехходового электромагнитного клапана 21.

Смеситель 22 представляет собой цилиндр со вставленным в него диффузором типа сопла Вентури 23. Внутри диффузор имеет кольцевой коллектор подвода газа с радиальными отверстиями, через которые газ смешивается с воздухом, образуя гомогенную смесь, поступающую в цилиндры двигателя. Таким образом, мощность двигателя в газодизельном режиме меняется только за счет изменения количества поступающего в цилиндры газа через смеситель при постоянной величине запальной дозы дизельного топлива, равной 12… 16 мм3. Напомним, номинальная цикловая подача топлива при работе по дизельному циклу составляет в пять раз большую величину - 79…81 мм3.

Механизм установки запальной дозы топлива 25 при переводе тумблера, расположенного в кабине автомобиля, в положение «Газ» включает питание электромагнита, который переводит подвижный упор 26 в положение, когда он препятствует дальнейшему перемещению рычага управления регулятора топливного насоса 25.

Одновременно подвижный упор 26 при включении электромагнита отходит от концевого выключателя датчика 24 блокировки подачи газа и «неограниченной» доли дизельного топлива, обеспечивая тем самым включение питания электромагнитного клапана-фильтра 12 подачи газа. При выключении электропитания двигателя или в аварийных ситуациях, связанных, например, с выходом из строя электромагнита механизма установки запальной дозы 25, упор 26 вернется в первоначальное положение, включит датчик блокировки 24, который в свою очередь отключит цепь питания электромагнитного клапана 12 подачи газа. Аналогичные операции происходят при переводе двигателя из газодизельного в дизельный режим, когда тумблер в кабине водителя переводится в положение «Дизель».

Телескопическая тяга 27 служит для обеспечения перемещения педали 31 акселератора при включенном механизме ограничения хода рычага 28 управления регулятором ТНВД. В этом случае при нажатии на педаль 31 происходит сжатие пружины в телескопической тяге, и движение от педали передается на привод дроссельной заслонки дозатора 20 газа. В дизельном режиме телескопическая тяга работает как жесткий элемент, так как жесткость ее пружины значительно выше жесткости пружины рычага управления регулятора 28 ТНВД.

О достоинствах газомоторного топлива, в частности метана, сказано немало, но напомним о них еще раз.

Это экологичный выхлоп, удовлетворяющий текущие и даже будущие законодательные требования к токсичности. В рамках культа глобального потепления это важное преимущество, поскольку нормы Euro 5, Euro 6 и все последующие будут насаждаться в обязательном порядке и проблему с выхлопом так или иначе придется решать. К 2020 г. в Евросоюзе новым транспортным средствам будет разрешено производить в среднем не более 95 г СО2 на километр. К 2025 г. этот допустимый предел могут еще опустить. Двигатели на метане способны удовлетворить эти нормы токсичности, и не только благодаря меньшему выбросу СО2. Показатели выбросов твердых частиц в газовых двигателях также ниже, чем у бензиновых или дизельных аналогов.

Далее, газомоторное топливо не смывает масло со стенок цилиндра, что замедляет их износ. Как утверждают пропагандисты газомоторного топлива, ресурс двигателя волшебным образом вырастает в разы. При этом они скромно умалчивают о теплонапряженности работающего на газе двигателя.

И главное преимущество газомоторного топлива – это цена. Цена и только цена покрывает все недостатки газа как моторного топлива. Если мы говорим о метане, то это неразвитая сеть АГНКС, которая буквально привязывает газовый автомобиль к заправке. Количество заправок сжиженным природным газом ничтожно, этот вид газомоторного топлива сегодня представляет собой нишевой, узкоспециальный продукт. Далее, газобаллонное оборудование занимает часть полезной грузоподъемности и полезного пространства, ГБО хлопотно и накладно в обслуживании.

Технический прогресс породил такой вид двигателя, как газодизель, живущий в двух мирах: дизельном и газовом. Но как универсальное средство газодизель не реализует в полном объеме возможности ни того, ни другого мира. Нельзя оптимизировать ни процесс сгорания, ни показатели КПД, ни образование выбросов для двух видов топлива на одном двигателе. Для оптимизации газовоздушного цикла нужно специализированное средство – газовый двигатель.

Сегодня все газовые двигатели используют внешнее образование газовоздушной смеси и воспламенение от свечи зажигания, как в карбюраторном бензиновом двигателе. Альтернативные варианты – в стадии разработки. Газовоздушная смесь образуется во впускном коллекторе путем инжекции газа. Чем ближе к цилиндру происходит этот процесс, тем быстрее реакция двигателя. В идеале газ должен впрыскиваться прямо в камеру сгорания, о чем речь пойдет ниже. Сложность управления не единственный недостаток внешнего смесеобразования.

Инжекция газа управляется электронным блоком, который также регулирует угол опережения зажигания. Метан горит медленнее дизельного топлива, то есть газовоздушная смесь должна воспламеняться раньше, угол опережения также регулируется в зависимости от нагрузки. Кроме того, метану нужна меньшая степень сжатия, нежели дизельному топливу. Так, в атмосферном двигателе степень сжатия снижают до 12–14. Для атмо­сферных двигателей характерен стехиометрический состав газовоздушной смеси, то есть коэффициент избытка воздуха a равен 1, что в какой-то степени компенсирует потерю мощности от снижения степени сжатия. КПД атмосферного газового двигателя на уровне 35%, тогда как у атмосферного же дизеля КПД на уровне 40%.

Автопроизводители рекомендуют использовать в газовых двигателях специальные моторные масла, отличающиеся водостойкостью, пониженной сульфатной зольностью и одновременно высоким значением щелочного числа, но не возбраняются и всесезонные масла для дизельных двигателей классов SAE 15W-40 и 10W-40, которые на практике применяются в девяти случаях из десяти.

Турбокомпрессор позволяет снизить степень сжатия до 10–12 в зависимости от размерности двигателя и давления во впускном тракте, а коэффициент избытка воздуха увеличить до 1,4–1,5. При этом КПД достигает 37%, но одновременно значительно возрастает теплонапряженность двигателя. Для сравнения: КПД турбированного дизельного двигателя достигает 50%.

Повышенная теплонапряженность газового двигателя связана с невозможностью продувки камеры сгорания при перекрытии клапанов, когда в конце такта выпуска одновременно открыты выпускные и впускные клапаны. Поток свежего воздуха, особенно в наддувном двигателе, мог бы охлаждать поверхности камеры сгорания, снижая таким образом теплонапряженность двигателя, а также снижая нагрев свежего заряда, это увеличило бы коэффициент наполнения, но для газового двигателя перекрытие клапанов недопустимо. Из-за внешнего образования газовоздушной смеси воздух всегда подается в цилиндр вместе с метаном, и выпускные клапаны в это время должны быть закрыты во избежание попадания метана в выпускной тракт и взрыва.

Уменьшенная степень сжатия, повышенная теплонапряженность и особенности газовоздушного цикла требуют соответствующих изменений, в частности, в системе охлаждения, в конструкции распредвала и деталей ЦПГ, а также в применяемых для них материалах для сохранения работоспособности и ресурса. Таким образом, стоимость газового двигателя не так уж отличается от стоимости дизельного аналога, а то и выше. Плюс к этому стоимость газобаллонного оборудования.

Флагман отечественного автомобилестроения ПАО «КАМАЗ» серийно выпускает газовые 8-цилиндровые V-образные двигатели серий КамАЗ-820.60 и КамАЗ-820.70 размерностью 120х130 и рабочим объ­емом 11,762 л. Для газовых двигателей используют ЦПГ, обеспечивающую степень сжатия 12 (у дизельного КамАЗ-740 степень сжатия 17). В цилиндре газовоздушная смесь воспламеняется искровой свечой зажигания, установленной вместо форсунки.

Для большегрузных автомобилей с газовыми двигателями используют специальные свечи зажигания. Так, Federal-Mogul поставляет на рынок свечи с иридиевым центральным электродом и боковым электродом, выполненным из иридия или платины. Конструкция, материалы и характеристики электродов и самих свечей учитывают температурный режим работы большегрузного автомобиля, характерный широким диапазоном нагрузок, и сравнительно высокую степень сжатия.

Двигатели КамАЗ-820 оборудуют системой распределенного впрыска метана во впускной трубопровод через форсунки с электромагнитным дозирующим устройством. Газ инжектируется во впускной тракт каждого цилиндра индивидуально, что позволяет корректировать состав газовоздушной смеси для каждого цилиндра с целью получения минимальных выбросов вредных веществ. Расход газа регулируется микропроцессорной системой в зависимости от давления перед инжектором, подача воздуха регулируется дроссельной заслонкой с приводом от электронной педали акселератора. Микропроцесорная система управляет углом опережения зажигания, обеспечивает защиту от воспламенения метана во впускном трубопроводе при сбое в системе зажигания или неисправности клапанов, а также защиту двигателя от аварийных режимов, поддерживает заданную скорость автомобиля, обеспечивает ограничение крутящего момента на ведущих колесах автомобиля и самодиагностику при включении системы.

«КАМАЗ» в значительной степени унифицировал детали газовых и дизельных двигателей, но далеко не все, и многие внешне схожие детали для дизеля – коленвал, распредвал, поршни с шатунами и кольцами, головки блока цилиндров, турбокомпрессор, водяной насос, масляный насос, впускной трубопровод, поддон картера, картер маховика – не подходят для газового двигателя.

В апреле 2015 г. «КАМАЗ» запустил корпус газовых автомобилей мощностью 8 тыс. единиц техники в год. Производство размещено в бывшем газодизельном корпусе автозавода. Технология сборки следующая: шасси собирают и устанавливают на него газовый двигатель на главном сборочном конвейере автомобильного завода. Потом шасси буксируют в корпус газовых автомобилей для монтажа газобаллонного оборудования и проведения всего цикла испытаний, а также для обкатки автотехники и шасси. При этом газовые двигатели КАМАЗ (в том числе модернизированные с компонентной базой «БОШ»), собираемые на моторном производстве, также проходят испытания и обкатку в полном объеме.

«Автодизель» (Ярославский моторный завод) в содружестве с компанией Westport разработал и выпускает линейку газовых двигателей на базе семейства 4- и 6-цилиндровых рядных двигателей ЯМЗ-530. Шестицилиндровый вариант может устанавливаться на автомобили нового поколения «Урал NEXT».

Как уже говорилось выше, идеальный вариант газового двигателя – это непосредственный впрыск газа в камеру сгорания, но до сих пор мощнейшее глобальное машиностроение не создало такой технологии. В Германии исследования ведет консорциум Direct4Gas, возглавляемый компанией Robert Bosch GmbH в партнерстве с Daimler AG и Штутгартским научно-исследовательским институтом автомобильной техники и двигателей (FKFS). Министерство экономики и энергетики Германии поддержало проект суммой в 3,8 млн евро, что на самом деле не так уж много. Проект будет работать с 2015-го до января 2017 г. На-гора должны выдать промышленный образец системы непосредственного впрыска метана и, что не менее важно, технологию ее производства.

По сравнению с нынешними системами, использующими многоточечный впрыск газа в коллектор, перспективная система непосредственного впрыска способна на 60% увеличить крутящий момент на низких оборотах, то есть ликвидировать слабое место газового двигателя. Непосредственный впрыск решает целый комплекс «детских» болезней газового двигателя, принесенных вместе с внешним смесеобразованием.

В проекте Direct4Gas разрабатывают систему непосредственного впрыска, способную быть надежной и герметичной и дозировать точное количество газа для впрыска. Модификации самого двигателя сведены к минимуму, чтобы промышленность могла использовать прежние компоненты. Команда проекта комплектует экспериментальные газовые двигатели недавно разработанным клапаном впрыска высокого давления. Систему предполагается тестировать в лаборатории и непосредственно на транспортных средствах. Исследователи также изучают образование топливно-воздушной смеси, процесс управления зажиганием и образование токсичных газов. Долгосрочная цель консорциума – это создание условий, при которых технология сможет выйти на рынок.

Итак, газовые двигатели – это молодое направление, еще не достигшее технологической зрелости. Зрелость наступит, когда Bosch со товарищи создадут технологию непосредственно впрыска метана в камеру сгорания.

Не удивительно, что на фоне глобального удорожания нефтепродуктов огромное число автолюбителей пытается любым доступным способом снизить расход топлива. Сразу отметим, что в развитых странах проблему решили, но далеко не «бюджетно».

Простыми словами, более экономичный современный в Европе уверенно вытесняет . Для этого созданы условия в виде доступного кредитования, уменьшенного налогообложения на ТС с дизельным мотором и т.д.

Однако на территории СНГ по понятным причинам далеко не каждый может позволить себе новую или «свежую» двух или трехлетнюю дизельную машину б/у за наличные или даже в кредит. Получается, основной доступной альтернативой является перевод уже имеющегося бензинового автомобиля на газ, то есть установка ГБО.

При этом расход газа может быть даже больше, чем на бензине, но такой вид топлива стоит, в среднем, на 50% дешевле. Также особенностью газа является небольшая потеря (5-10%), которая на многих не сильно ощущается. Так или иначе, для тех, кто активно эксплуатирует свой авто, выгода очевидна.

Параллельно с этим ответственные водители часто интересуются, вреден ли газ для двигателя автомобиля. В этой статье мы поговорим о том, как газ влияет на двигатель, а также рассмотрим основные особенности работы бензинового ДВС на газо-воздушной смеси.

Читайте в этой статье

Влияние газа на мотор и его ресурс

Хорошо известно, что с учетом большой популярности и востребованности газового оборудования данное решение имеет как сторонников, так и противников. Сразу отметим, в этой статье мы не будем детально рассматривать все плюсы и минусы ГБО, а также особенности эксплуатации, установки оборудования и т.п. Заострим наше внимание исключительно на силовом агрегате.

Итак, оказывает ли газовое топливо влияние на срок службы и исправность бензинового мотора, и если да, тогда чем вреден газ для двигателя. Сразу отметим, газ не портит мотор и практически никак на него не влияет, однако на практике далеко не все так просто. Более того, этот вопрос окружен большим количеством мифов и заблуждений.

• Прежде всего, для нормальной работы мотора на газу как ГБО, так и сам двигатель должны быть правильно настроены. Другими словами, заниматься установкой и настройкой должен только квалифицированный специалист. Что касается владельца автомобиля, от него также требуется полностью придерживаться всех предписаний и рекомендаций касательно эксплуатации и обслуживания газового оборудования.

Игнорирование этих правил привело к распространенному мнению о том, что газ портит двигатель. Одним из аргументов является тот факт, что у газа более высокий показатель октанового числа по сравнению с бензином (92-98 у бензина, тогда как у газа около 110 и более). Многие водители утверждают, что более высокое октановое число приводит к тому, что мотор работает в нештатных режимах, газ «сушит» двигатель, происходит и т.п.

Действительно, газ имеет разницу по октановому числу и несколько отличается от бензина по характеристикам сгорания, однако при грамотных настройках значительного влияния на состояние ДВС, клапанов и других элементов оказать не может. Еще раз повторимся, для этого настройка должны быть выполнена правильно.

Главное, в двигатель нужно подавать правильно приготовленную газо-воздушную смесь. Если такая смесь окажется слишком или же переобогащенной, тогда возникнут последствия. Кстати, такие же последствия возникают и с бензином.

Богатая смесь выводит из строя катализаторы, может возникнуть прогар в выпускной системе, мотор работает с перебоями, возможно . Что касается бедной смеси, когда массовой части топлива (бензина или газа) в составе меньше, чем воздуха, тогда последствия от езды для мотора будут намного более серьезными.

Обеднение приводит к тому, что смесь горит в камере сгорания дольше, также увеличивается и температура сгорания. В результате прогорают клапана и седла клапанов, значительно сокращается , возникают локальные перегревы.

Далее проблемы прогрессируют, так как неправильная работа свечей и другие факторы становятся причиной . Если коротко, имеет место серьезное нарушение процесса сгорания топлива в цилиндрах. Еще нужно добавить к этому некомпетентность многих мастеров в различных кустарных сервисах по установке ГБО, а также стремление самих автовладельцев максимально экономить. Понятно, что причины многих проблем с мотором после монтажа газового оборудования очевидны.

Например, в газовом оборудовании, которое относится к начальным поколениям (ГБО-1 и ГБО-2) регулировки качества смеси представляют собой простой винт, которым можно только увеличить или уменьшить подачу газа. Другими словами, при помощи болта можно обогатить или обеднить смесь. Как правило, многие делали это просто «на глазок», лишь бы двигатель устойчиво работал.

При этом далеко не все водители в то время знали, что для правильных регулировок в сервисе должен был присутствовать специальный и не самый дешевый прибор (многокомпонентный газоанализатор). Более того, чтобы экономить газ, сами владельцы часто занимались регулировками, закручивая регулировочный винт и тем самым сильно обедняя смесь.

Машина нормально работала, расход газа падал, причем мощность ДВС также немного уменьшалась. Но спустя немного времени все заканчивалось, как минимум, прогоревшими клапанами. Так вот, становится понятно, что клапана прогорели не из-за того, что мотор работал на газу.

• Разобравшись со смесью, давайте также поговорим о хлопках, которые выделяют в списке частых проблем газового оборудования. Обратные хлопки на машинах с ГБО фактически являются неконтролируемым самопроизвольным возгоранием бензиново-воздушной или газо-воздушной смеси во .

Как правило, такие хлопки можно услышать на машинах, которые оборудованы все теми же устаревшими ГБО 1-3 поколения, которые являются установками эжекторного типа. Указанный хлопок-взрыв возникает в результате проблем с , неправильно или , прогара клапанов и по целому ряду других причин.

Главной угрозой для двигателя является то, что во впускном коллекторе во время хлопка создается избыток давления. Рост давления может вывести из строя или стать причиной некорректной работы датчика расхода воздуха, повредить воздуховод или корпус воздушного фильтра. Частыми случаями является разрушение самого впускного коллектора, особенно если элемент изготовлен из пластмассы.

Отметим, появление хлопков в коллекторе происходит не по причине перехода на газ, а в результате возникновения поломок самого ДВС и его систем. Другими словами, прострелы во впускном коллекторе могут возникнуть на машине и без газовой установки.

Еще добавим, что с выходом ГБО-4, которое является оборудованием впрыскового, а не эжекторного типа, такие хлопки практически полностью отсутствуют. Дело в том, что горючее в таких установках подается в небольших количествах на каждый цилиндр. Даже если в моторе имеются неисправности, роста количества хлопков из-за газа в коллекторе не наблюдается.

Моторное масло для двигателей на газу

Необходимо отметить, что специалисты после перехода на газ рекомендуют дополнительно для автомобилей с ГБО. Дело в том, что во время работы на смеси газа и воздуха температура в камере сгорания выше.

Смазка, которая предназначена для бензиновых и дизельных двигателей, может не соответствовать изменившимся условиям. Если просто, разница между расчетными рабочими температурами для бензинового и «газового» масла составляет около 200 градусов по Цельсию.

Для смазочного материала такая разница весьма значительна, некоторые бензиновые и попросту не справляются с такой повышенной температурой. В результате ухудшается защита деталей и узлов мотора. Также обычное масло при работе на газу может стать причиной усиленного коксования двигателя, так как смазка от нагрева «горит», после чего создается много нагара и отложений.

В результате двигатель коксуется, увеличивается расход масла на угар и т.п. Получается, после смены типа топлива, еще нужно отдельно подойти к вопросу подбора масла. Оптимально использовать масла, которые соответствуют требованиям и рекомендациям производителя ДВС по допускам, но также возможно их использование в газовых двигателях.

Сегодня выбор таких продуктов достаточно большой, так что с подбором моторного масла для двигателя на газу не возникает особых проблем. Такие смазки предлагают ведущие бренды Shell, Motul, отечественный Лукойл и другие известные производители.

Что в итоге

Как видно, любые проблемы с двигателем (как на газу, так и без газового оборудования) требуют комплексного подхода для их решения. Речь идет о развернутой , а также о диагностике ГБО и проверке его настроек.

Важно понимать, что на газу двигатель должен работать тихо и ровно, то есть аналогично работе на бензине. Не должно быть роста температуры ДВС, появления прострелов во впуске и выпуске, детонации и т.п. Допускается только небольшая потеря мощности мотора.

Сам газ изначально чище бензина (тем более на территории СНГ бензин содержит много примесей и добавок). Получается, во время работы на газу в моторе скапливается меньше грязи, нагара и отложений. В результате внутри такой двигатель чище.

Еще газ отличается тем, что не имеет свойства попадать в картер ДВС и , что особенно актуально для изношенных моторов с пробегом. Это дает возможность не так часто менять смазку, снижаются потери разжиженного масла на угар и т.д.

Читайте также

Преимущества и недостатки использования газобалонного оборудования. Обслуживание и эксплуатация ГБО, польза и вред газа для двигателя и штатных систем.

Когда теплота подводится к рабочему телу при постоянном объёме. Отличие от бензиновых двигателей , работающих по этому циклу - более высокая степень сжатия (около 17-ти). Объясняется это тем, что используемые газы имеют более высокое октановое число , чем бензин .

В целом, переоборудование двигателей внутреннего сгорания на транспорте под газовый двигатель существенно экономит средства их владельцам по причине более низкой отпускной цены на такой вид топлива.

Устройство и принцип работы газобалонного автомобиля

Газозаправочная аппаратура на автомобиле

Карбюратор-смеситель

На автомобиле сжиженная пропан -бутановая смесь находится в стальных цельнотянутых (без сварных швов) баллонах, установленных на раме , под полом салона автобуса или в багажнике легкового автомобиля . Сжиженный газ находится в баллоне под давлением 16 атмосфер (балон рассчитан на максимальное давление 25 атмосфер).

Баллоны для сжиженного газа имеют унифицированный заправочный вентиль , предохранительный клапан (стравливает газ при высоком давлении, например при перегреве баллона), также имеется пробка из легкоплавкого сплава (не допустить взрыва баллона при пожаре, сбросить газ в атмосферу, чтобы он просто сгорел) вентиль контроля наполнения (баллон заполняется жидкой фазой только на 90 %, 10 % должна составлять паровая подушка) и два расходных вентиля - отбор в двигатель паровой фазы при запуске холодного двигателя и отбор жидкого топлива на прогретом двигателе. В баллоне установлен датчик уровня, устроенный аналогично датчику уровня в бензобаке (поплавок на рычаге и переменный резистор).

Баллоны для сжатого природного газа находятся на раме, под полом салона автобуса или на его крыше (на легковых автомобилях сжатый газ не применяется - очень мало места для громоздких и тяжёлых баллонов). Сжатый метан находится под давлением до 150 атмосфер. Несколько баллонов объединены в общую магистраль, имеется общий заправочный вентиль, каждый баллон также имеет собственный вентиль.

Газ из общей магистрали поступает в испаритель (подогреватель) - теплообменник , включен в систему жидкостного охлаждения, после прогрева двигателя газ подогревается (сжиженный газ испаряется) до температуры ≈75 °C . Далее газ проходит через магистральный фильтр.

Затем газ поступает в двухступенчатый газовый редуктор , где его давление снижается до рабочего.

Далее, газ поступает в смеситель (или в карбюратор-смеситель или в смесительную проставку под штатным карбюратором , определяется конструкцией топливной аппаратуры). Смесители устроены аналогично карбюраторам, имеют дроссельную и воздушную заслонку, систему холостого хода, систему работы на полной мощности и др.

Двигатели разделяются на:

• специальные (или модифицированные), предназначенные только для работы на газе, бензин используется краткосрочно при неисправности газовой аппаратуры, когда нет возможности произвести ремонт на месте;
• универсальные, рассчитанные на длительную работу как на газе, так и на бензине.

Бензобак и топливный насос на автомобилях с газовыми двигателями сохраняются.

В холодное время года запуск двигателя, работающего на сжиженном газе производится путём отбора паровой фазы , после прогрева испарителя происходит переключение на жидкую фазу.

Ввиду повсеместных усилий, направленных на снижение выбросов СO 2 , природный газ приобретает все большую важность в ка­честве альтернативного вида топлива для автомобилей. Сжатый природный газ (СПГ), который не следует путать со (СНГ), в основном состоит из метана. Сжиженный нефтяной газ в основ­ном состоит из пропана и бутана. Работа двигателя на сжатом природном газе несколько отличается. Вот о том как происходит работа двигателя на природном газе, мы и поговорим в этой статье.

Содержание

Применение сжатого природного газа на автомобилях

По сравнению с бензином, при сгорании сжатого природного газа образуется приблизительно на 25% меньше СO 2 . Таким образом, сжатый природный газ дает наи­меньшее количество выбросов СO 2 из всех видов ископаемого топлива. Применение в качестве топлива биогаза позволит в еще большей степени снизить глобальные вы­бросы парниковых газов. В связи с более низким содержанием СO 2 в отработавших га­зах, транспортный налог на автомобили, ра­ботающие на сжатом природном газе, во многих странах снижен.

Тем временем различные производители начали предлагать варианты автомобилей, оборудованных для работы на сжатом при­родном газе. При этом баллоны для СПГ большего объема размещаются более удобно и эффективно, без потерь полезного объема багажного отделения, практически неизбеж­ных при доделке автомобилей.

Последнюю информацию о количестве автомобилей, которые могут работать на СПГ, и сети заправочных станций сжатого природного газа в Гер­мании можно найти в Интернете. Такие автомобили, как правило, явля­ются двухтопливными, т.е. водитель может переключаться с бензина на газ и обратно. Существуют также варианты, получившие название «Monovalent plus», в которых дви­гатель оптимизирован для работы на природ­ном газе с целью как можно более полного использования его преимуществ по сравне­нию с бензином (более высокая стойкость к детонации, меньшее количество выбросов СO 2 и токсичных веществ). На автомобилях варианта «Monovalent plus», тем не менее, предусмотрен небольшой бензобак (<15 л), чтобы можно было продолжать движение на бензине в случае отсутствия поблизости стан­ции заправки природным газом.

Конструкция автомобиля, работающего на сжатом природном газе

Хранение природного газа в автомобиле

Природный газ может храниться в жидком состоянии при температуре -162°С (сжижен­ный природный газ) или в сжатом виде при давлении до 200 бар (сжатый природный газ, СПГ). Ввиду больших затрат, связанных с хранением природного газа в жидком со­стоянии, стандартным способом стало хра­нение в сжатом виде при давлении 200 бар. Несмотря на столь высокое давление, плот­ность хранения энергии у природного газа значительно меньше, чем у бензина. Для хра­нения количества природного газа с таким же энергосодержанием, как у бензина, требуется бак в четыре раза большего объема.

Компоненты систем на сжатом природном газе

Автомобили, способные работать на при­родном газе, практически исключительно оборудованы двигателями с искровым зажи­ганием. Дополнительные компоненты вклю­чают следующее (см. рис. «Работа двигателя на природном газе или бензине» ):

• Заправочная горловина;
• Баллон для природного газа;
• Запорные клапаны высокого давления (на баллоне для природного газа);
• Регулятор давления природного газа с дат­чиком высокого давления;
• Газовая рампа с газовыми форсунками;
• Комбинированный датчик давления и тем­пературы.

Принцип действия двигателя на природном газе

Всасываемый двигателем воздух проходит через датчик массового расхода воздуха и дроссельную заслонку с электронной систе­мой управления и поступает во впускной тру­бопровод. Отсюда он подается в камеру сго­рания через впускные клапаны (см. рис.). Природный газ, находящийся в баллоне под давлением 200 бар, проходит через запорный клапан высокого давления на баллоне и по­ступает в модуль регулирования давления, который снижает давление до постоянного рабочего давления, составляющего прибли­зительно 7 бар (абсолютное давление). Затем по гибкому шлангу низкого давления газ поступает в газовую рампу, откуда он подается к газовым форсункам.

Системы управления двигателем для двух­топливных автомобилей

В настоящее время находят применение си­стемы как с двумя блоками управления (по одному блоку управления для работы на бен­зине и газе), так и с одним общим блоком управления. На некоторых двухтопливных ав­томобилях водитель может выбирать работу на бензине или газе при помощи переключателя, однако на большинстве моделей это пере­ключение осуществляется автоматически, т.е. двигатель работает на газе до тех пор, пока газ не заканчивается. В этом случае происходит автоматическое переключение на бензин.

Датчик высокой температуры, установлен­ный на модуле регулирования давления, вы­дает в систему управления двигателем данные о текущем запасе газа в баллоне, а также ис­пользуется при выполнении диагностики. Ком­бинированный датчик давления и температуры, установленный на газовой рампе, позволяет си­стеме управления двигателем корректировать момент и продолжительность впрыска газа та­ким образом, чтобы состав смеси во впускном трубопроводе оставался стехиометрическим, несмотря на колебания плотности газа. Система управления двигателем также включает меха­низм адаптации к изменениям свойств газа.

Остальные датчики и исполнительные устройства системы управления двигателем в основном идентичны используемым в бен­зиновом двигателе.

Смесеобразование в двигателях на сжатом природном газе

В большинстве двигателей при работе на при­родном газе, так же как при работе на бензине, газ подается во впускной трубопровод. Из «об­щей топливной рампы низкого давления» газ подается к форсункам, которые в импульсном режиме осуществляют впрыск природного газа во впускной трубопровод. При этом улуч­шаются условия смесеобразования, поскольку подача полностью газообразного топлива исключает возможность его конденсации на стенках впускного трубопровода и отложения на них пленки топлива, как это может проис­ходить при работе на бензине. Выброс токсич­ных компонентов с отработавшими газами при использовании сжатого природного газа снижается, особенно при работе двигателя в режиме прогрева.

В настоящее время на рынке предлага­ются двухтопливные автомобили и варианты «Monovalent plus». Двухтопливные автомо­били могут работать как на природном газе, так и на бензине, однако при работе на природ­ном газе эффективная мощность двигателя снижается приблизительно на 10-15%. Это связано с более низким значением мощности на единицу рабочего объема двигателя, что можно объяснить вытеснением всасываемого воздуха, нагнетаемым природным газом.

Двигатели автомобилей могут быть опти­мизированы специально для работы на при­родном газе. Чрезвычайно высокая стойкость природного газа к детонации (октановое число по исследовательскому методу (RON) до 130) дает возможность увеличить степень сжатия и делает природный газ идеальным топливом для двигателей с наддувом. Одновременное уменьшение рабочего объема цилиндров по­вышает к.п.д. двигателя, благодаря дополни­тельному снижению сопротивления и потерь на трение.

Выбросы отработавших газов

При работе двигателя на природном газе коли­чество выбросов СO 2 снижается, по сравнению с работой на бензине, приблизительно на 25%. Причина заключается в более благоприятном соотношении водород/углерод (отношение Н/С) — почти 4:1 (для бензина приблизительно 2:1). Это приводит к образованию во время сгорания природного газа большего количе­ства воды и меньшего количества СO 2 .

Кроме практически полного отсутствия в вы­бросах твердых частиц, в сочетании с трехком­понентным каталитическим нейтрализатором, двигатель, работающий на природном газе, производит очень небольшие количества ток­сичных веществ (NO x , СО и НС). Каталитический нейтрализатор для двигателя, работающего на природном газе, содержит большее количество благородного металла, что необходимо для улуч­шения преобразования углеводородов, состоя­щих в основном из химически стабильного ме­тана, и компенсации более высокой температуры «поджига» для природного газа (минимальная температура каталитического нейтрализатора, при которой начинается преобразование токсич­ных веществ). Следует указать, что, в отличие от Европы, в США метан классифицируется как нетоксичное вещество и, следовательно, не рас­сматривается американским законодательством в области ограничения токсичности отработав­ших газов, как загрязняющее вещество.

Автомобили, работающие на природном газе, отвечают высоким требованиям в отно­шении предельного содержания токсичных веществ в отработавших газах, особенно это относится к автобусам, которые должны отвечать более строгим требованиям EEV (усо­вершенствованный экологически чистый автомобиль). Использование природного газа также дает значительные преимущества по сравнению с бензиновыми и дизельными двигателями в отношении выбросов загряз­няющих веществ, не регламентируемых за­конодательством. Некоторые из них являются канцерогенами, а также способствуют образованию смога и кислотных дождей.

Компоненты двигателей на сжатом природном газе

Для обеспечения двигателя внутреннего сгора­ния газообразным топливом необходимо до­зировать через газовые форсунки значительно большие объемы газа, чем объемы бензина в обычном бензиновом двигателе. Это условие предъявляет особые требования к конструкции газовой форсунки, которая должна быть адап­тирована к этим высоким значениям объемного расхода газа посредством увеличения проход­ных сечений. Кроме того, высокие скорости по­тока газа требуют специальной формы каналов с целью снижения потерь давления в форсунке.

В двигателях с интенсивным наддувом дав­ление во впускном трубопроводе может воз­растать до 2,5 бар (абсолютное давление). Для снижения влияния давления во впускном трубо­проводе на массовый расход необходимо, чтобы давление перед соплом в самом узком месте (точка дросселирования) было, как минимум, в два раза больше максимального давления во впускном трубопроводе (давление после сопла). При этом скорость газового потока равна скоро­сти звука, независимо от абсолютного давления после сопла. Отсюда следует, что переменное давление во впускном трубопроводе не ока­зывает влияния на массовый расход. С учетом возможных потерь давления перед точкой дрос­селирования минимальное рабочее давление (абсолютное) должно составлять 7 бар.

Конструкция и принцип действия газовой форсунки

Якорь электромагнита (см. рис.) находится в гильзе, служащей в качестве направляющей. Топливо протекает через канал внутри якоря. На выходном конце этого канала имеется эласто­мерное уплотнение. Это уплотнение прилегает к седлу клапана и изолирует подачу топлива от впускного трубопровода. При подаче питания катушка электромагнита создает магнитную силу, необходимую для подъема якоря элек­тромагнита и открытия дозирующего сечения (точка дросселирования в седле клапана). Когда катушка обесточена, пружина клапана удержи­вает форсунку в закрытом положении.

Оптимизированная геометрия газовой форсунки

Благодаря оптимизированному маршруту потока, потери давления перед точкой дрос­селирования сведены к минимуму, что обе­спечивает максимально возможный массовый расход. Кроме того, самое узкое сечение и, следовательно, точка дросселирования нахо­дится на выходном конце, после уплотнения. Здесь скорость потока близка к скорости звука, поэтому в физическом смысле клапан пред­ставляет собой практически идеальное сопло.

Геометрия уплотнений форсунки для природного газа

Газовая форсунка установлена с эластомер­ным уплотнением и в отношении геометрии уплотнения седла подобна запорным клапа­нам для пневматических систем. Эластомер­ный материал улучшает герметичность уплот­нения металлических игольчатых клапанов.

Эластомерный материал также обладает демпфирующими свойствами и предотвра­щает «дребезг», т.е. повторные нежелательные колебания якоря электромагнита вовремя за­крытия, что повышает точность дозирования.