Первый газовый двигатель внутреннего сгорания был разработан немецким изобретателем Н. Отто.
Принцип его работы заключался в том, что горючая смесь предварительно подвергалась сильному сжатию в верхней точке положения поршня.
На создание экономичного двигателя, КПД которого достигал 15 %, изобретателю потребовалось около 15 лет, он получил название четырехтактного, поскольку рабочий цикл в нем протекал за четыре хода поршня.
Газовый двигатель внутреннего сгорания – общее описание агрегата
Современные двигатели такого рода работают на природном и попутном газах, а также на сжиженном пропан-бутане, доменном газе и других. Преимущество таких двигателей заключается в меньшем износе основных узлов и деталей, что достигается путем создания качественной горючей смеси и ее эффективного сжигания. К тому же, в выхлопах практически отсутствуют вредные примеси.
КПД современных двигателей на таком топливе достигает порядка 42 %. Наиболее широко они применяются в газовой и нефтяной промышленности в качестве приводных устройств на газоперекачивающих установках. В последнее время перестали быть новинкой такие агрегаты и в автомобиле.
В отличие от них первый двигатель Отто был достаточно низкооборотным и обладал большой массой. При увеличении оборотов вала до 180 об/мин происходили перебои в его работе, а также ускоренный износ золотника.
В качестве бака для хранения газа использовался большой резервуар, поэтому установка его на автомобили была попросту невозможной, однако его стали широко применять на различных заводах и фабриках.
Система питания газовых двигателей и общая схема устройства
Система питания газовых двигателей внутреннего сгорания, которая устанавливается на автомобилях – это дозирующая система, позволяющая использовать вместо бензина сжиженный газ. В ее комплект входят:
- топливный баллон, который может иметь различную форму;
- переключатель вида топлива, вмонтированный в салон автомобиля;
- редуктор-испаритель, который предназначен для подогрева и испарения сжиженного топлива;
- газовый клапан (электромагнитный), перекрывающий подачу топлива во время стоянки автомобиля;
- электромагнитный бензиновый клапан или эмулятор форсунок, служащий для перекрытия подачи бензина во время использования газа;
- заправочное устройство (выносное);
- мультиклапан, который предотвращает утечку газа.
Работает такое оборудование практически так же, как и бензиновое. Вначале сжиженный газ по топливной магистрали поступает в клапан-фильтр, где проходит предварительную очистку от различных взвесей и смол. Далее очищенный газ поступает в редуктор-испаритель, в котором его давление понижается до 1 атмосферы, после чего через дозатор подается в смеситель.
В оборудовании для инжекторных двигателей не применяется бензиновый клапан, вместо него устанавливается эмулятор форсунок.
Газовый двигатель своими руками – реально ли это?
В настоящее время на автомобилях применяются две схемы подключения оборудования:
- классическая – газ подается непосредственно в карбюратор или инжектор;
- последовательная – топливо поступает в форсунки, которые установлены параллельно с бензиновыми.
Классическая схема считается менее затратной, отличается простотой установки, но имеет существенный недостаток. При переключении режимов образуется смесь низкого качества, в результате чего двигатель быстро изнашивается. На сегодняшний день последовательная система хоть и является более дорогостоящей, но отличается более качественной подачей газа.
Основные достоинства применения такого оборудования:
- Возможность легко создать газовый двигатель своими руками, то есть смонтировать установку на автомобиле самостоятельно.
- Низкая стоимость топлива.
- Высокое октановое число.
- Отсутствие вредных выбросов.
- Более качественная работа двигателя.
- Благодаря применению газа значительно увеличивается ресурс двигателя.
Недостатки:
- Снижение динамики разгона автомобиля.
- Существенно возрастает нагрузка на клапаны газораспределительного механизма.
- Все оборудование занимает слишком много места.
- Сложности с использованием оборудования в зимнее время.
Газобаллонное оборудование (ГБО), которое дополнительно может встраиваться своими руками в уже существующую топливную систему автомобиля, приобретается на рынке, каждой модели двигателя соответствует своя модель ГБО. Заправочный баллон с комплектующими (клапан и испаритель) крепится в какой-нибудь нише, чаще всего это место для «запаски».
Следом подсоединяется выносное заправочное устройство, отверстие которого будет выходить на внешнюю сторону кузова. А затем на двигателе устанавливаются клапаны против утечки газа, для перекрывания бензина при включении газа.
А в салоне автомобиля располагается переключатель бензин-газ. Если вы сомневаетесь в своих знания о традиционном устройстве мотора, то не рискуйте к нему присоединять ГБО, лучше обратитесь к специалистам.
- Михаил
- Распечатать
Газовый двигатель
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.
Автомобили на газу: почему не стоит покупать их на вторичном рынке
Наверное, вы знаете, что первые ДВС работали на газовой смеси, но на транспорте двигатели внутреннего сгорания появились только после того, как было изобретено замечательное устройство – карбюратор.
Оно позволяло создать топливовоздушную смесь с нужным соотношением топлива и воздуха, и вот уже автомобили на бензине завоевали планету.
Про то, как раз за разом пытались избавиться от процесса смешивания воздуха с бензином во впускном коллекторе с помощью непосредственного впрыска, я уже писал, и о том, к чему это привело – тоже. А сейчас расскажу, чем хороши машины на газу, но почему при этом их так мало… И почему больше не становится.
Карбюратор-смеситель
Первые топливные кризисы семидесятых годов XX века заставили людей во множестве стран начать поиски альтернативного топлива для двигателей. Бразилия нашла решение в использовании спирта, Франция начала активно внедрять дизельные двигатели, а в СССР взялись за газобаллонные автомобили, причем всерьез.
Впрочем, и в некоторых других странах пытались решить технологические проблемы газового питания, но плановая экономика брала масштабами. По всей стране строились заправки для сжиженного и сжатого газа, автомобильная промышленность освоила десятки моделей машин, предназначенных для эксплуатации на газу.
Правда, в основном это были именно грузовые автомобили и шасси малой и средней грузоподъемности, например, ЗиЛ-138 или ГАЗ 53-19 и 53-27. Выпуск этих машин исчислялся десятками тысяч экземпляров, и они позволяли реально экономить на бензине, ведь карбюраторные V8 этих машин «кушали» его немало.
На фото: ЗиЛ 138 Опытный '1976
За и против
Помимо экономии на топливе, газовое оборудование позволяло серьезно очистить выхлоп. Несмотря на несовершенство систем газового питания, машины на сжатом газу (метане) обеспечивали чистоту выхлопа почти на уровне современных авто.
А работающие на сжиженном все равно имели заметно более чистый выхлоп, чем бензиновые, за счет лучшего испарения и качества сгорания топливовоздушной смеси.
К тому же газ не растворяет масляную пленку на стенках цилиндра даже при обогащенной смеси и холодных пусках, не образует твердых частиц при сгорании, хорошо поджигается при переобогащении смеси.
Разумеется, очевидные минусы у такого решения были. Во-первых, при работе на газу мощность низкооборотных бензиновых моторов заметно снижалась.
Во-вторых, запас хода уменьшался минимум вдвое, а у машин на сжатом газе еще и снижалась грузоподъемность – масса баллонов составляла больше тонны.
И к тому же увеличения долголетия моторов, как это описывалось в тогдашних учебниках для автотранспортных техникумов, не происходило. Прогорали клапаны, прокладки ГБЦ, периодически «стреляло» во впуск, повреждая топливную аппаратуру.
Распространение ГБО в мире
Как бы то ни было, в масштабах страны экономия была существенная и попытки внедрения ГБО свернули только после развала СССР. Но по популяции газобаллонных машин наша страна занимала лидирующие позиции в мире, хотя уже не за счет грузовиков, а за счет внедрения газового питания на «легковушки». Задел сохранился и по сей день, хотя лидерство безнадежно утрачено.
ГБО
Газобаллонное оборудование автомобиля
В России, по очень неполным данным, от полутора до двух миллионов машин работает на газовом топливе. Примерно столько же машин с ГБО в маленькой Аргентине, чуть меньше, 1,8 млн, в Индии и почти миллион – в Италии. Кстати, остальная Европа по газификации отстает на порядок, набирая в сумме четверть миллиона.
А вот в Иране количество таких машин больше четырех миллионов, сказывается наличие сложностей с переработкой нефти. Примерно столько же машин с газовым оборудованием в Китае. И китайцы наращивают парк газобаллонных авто большими темпами, надеясь таким образом хоть частично решить экологические проблемы.
Подводные камни
После прочтения рекламного листка установщиков ГБО кажется, что это самое лучше решение. Бюджетная система на сжиженном газе стоит всего-то от 30 тысяч рублей с установкой. Газовый баллон можно поставить вместо «запаски», которой все равно пользуются крайне редко.
Цена газа составляет меньше половины стоимости бензина. Октановое число – около 105 единиц, и форсированные моторы это оценят. Да еще вроде как выбросы уменьшаются, масло в моторе служит дольше. В общем, при таком наборе достоинств даже странно, что газ дешевле бензина.
Баллон со сжиженным углеводородным газом на Газели
Чего в рекламе не рассказано, так это того, почему производители машин не выпускают их газовые версии массово. Почему даже у нас только Горьковский автозавод производит автомобили на сжиженном газе в сколь-нибудь значимых объемах. И почему двигатели немецких машин с газобаллонным оборудованием сильно отличаются от более массовых бензиновых.
На самом деле сложностей при переводе двигателя на газовое питание более чем достаточно. И проблем хватает по всем фронтам, от пожарной безопасности до нюансов износа двигателя.
Риск взрыва
С безопасностью все достаточно просто. Газовый баллон высокого давления – штука достаточно прочная, и даже если его повредить, метан довольно быстро рассеется в атмосфере – он легче воздуха. Вот только если баллон нагреть (например, если загорится колесо), то пиши пропало. Как взрываются газовые баллоны, вы, наверное, видели в новостях.
Баллоны низкого давления, для пропан-бутановой смеси, которые стоят на 90% всех газобаллонных машин, совсем не так прочны, лишь немногим прочнее обычного бензобака. Гвоздиком их не пробить, но при аварии они ломаются легко.
А смесь нефтяных газов в них тяжелее воздуха, и потому рассеивается крайне неохотно, создавая концентрацию, достаточную для возгорания. К тому же, поджечь смесь воздуха и газа легче, чем бензиновую, достаточно самой слабой искры.
И даже если баллон не поврежден, все равно есть риск утечек газа, и особенно опасны именно системы со сжиженным газом.
Учитывая, что ставят такие системы «на коленке», то качество сборки может колебаться от отвратительного до удовлетворительного. В большинстве газобаллонных машин пахнет газом – это означает, что постоянно есть небольшая утечка. А при любых авариях риск утечки и возгорания возрастает кратно.
Влияние на мотор
Экономия на топливе – штука замечательная. Но надо учитывать, что расходы на машину – это не только бензин.
Любую машину необходимо обслуживать, и автомобиль с газобаллонным питанием требует особого обслуживания топливной аппаратуры.
Более того, незаводская установка без должного документирования – это потенциальные проблемы в ближайшем будущем. Если что-то засбоит в моторе, то даже профессиональный мастер не разберется, что там такого наворотили.
Чаще всего в случае неисправности придется проверять минимум две частично пересекающиеся системы питания. К тому же нужна постоянная профилактика системы газового питания, ведь установлена она кустарно, а качество изготовления всех ее блоков почти наверняка ниже, чем у штатной бензиновой.
Помимо вопросов, связанных с поломками системы управления, есть вопросы и к надежности работы самого «железа» мотора. О большей тепловой нагрузке на мотор при работе на газовом топливе знали давно.
Газ имеет очень малую скрытую теплоту испарения, а значит почти не охлаждает топливную смесь, в отличие от бензина и спирта.
Таким образом, растет температура головки блока цилиндров, впускных клапанов и поршней.
К тому же газ не смывает отложения на впускных клапанах, и там понемногу нарастает «шуба» из масляного нагара из системы вентиляции картера, как и на моторах с непосредственным впрыском.
А выпускные клапаны так вообще в зоне повышенного риска, ибо октановое число топлива очень велико, а степень сжатия нельзя значительно увеличить из-за необходимости сохранения возможности работы не бензине – все же газовые заправки пока встречаются значительно реже, чем бензиновые.
Из-за этого растет EGT – температура выхлопных газов, а значит и температура всей выпускной системы, включая клапаны, коллекторы, лямбда-сенсоры и катализаторы. И что из этого не выдержит первым – вопрос сложный.
К тому же бензин содержит немного маслянистых фракций и смазывает клапаны, что улучшает условия их работы. А газ, даже при прямом впрыске жидкой фазой, сделать этого не может.
Кроме того, зазоры клапанов и работа гидрокомпенсаторов (если они есть) рассчитаны на определенную температуру.
А значит при изменении условий сгорания возможно неплотное закрытие клапана, ухудшение теплопередачи в паре «клапан – седло клапана» и еще более резкий рост температуры клапанов с риском детонации, несмотря на высокое октановое число газового топлива.
На многих моторах использование газа ухудшает и смазку верхней части цилиндра, что выражается в быстром формировании кольцевой выработки и ухудшении пусковых качеств.
Дело тут в сочетании нескольких сложно учитываемых факторов – повышения температуры и расширения поршня из-за отсутствия охлаждения бензином, неимения разжижения и «размытия» масляной пленки в зоне остановки верхнего компрессионного кольца в ВМТ и отсутствия смазки бензином.
Завод против гаража
Как видите, проблем хватает. Производители знают о них, и двигатели для работы на газу в заводском исполнении сильно отличаются от «обычных». Так, список переделок в моторе VW 1.
4 TSI ЕА111 «под газ» очень значительный, он включает в себя другую ГБЦ, иные клапаны, новые поршни и даже шатуны и вкладыши, масляный насос с большим давлением масла и перекалиброванный на меньшую температуру термостат.
Такой мотор, скорее всего, имеет ресурс не меньший, чем у бензинового собрата.
Под капотом Volkswagen Golf TSI 3-door Worldwide '2012–н.в.
Но что из этого могут сделать в мастерской, которая кустарно устанавливает систему газового питания, изготовленную малым тиражом и толком даже не тестированную на подобном моторе? Максимум – сменить термостат и поставить систему дополнительной подачи смазки во впуск. А впрыск воды или метанола почти наверняка отнесут к «крутому тюнингу», а вовсе не к разумной для мотора с ГБО предосторожности.
Что в итоге?
Вот и получается, что машина с ГБО – откровенно неудачный вариант для покупки на вторичном рынке, от нее нужно просто бежать как от огня. Во-первых, ГБО ставят те, кто много ездит, а значит у нее большой пробег. Во-вторых, те, кто склонен максимально экономить, но не хочет вложить лишней копейки при покупке и эксплуатации.
И, конечно же, износ даже при одинаковом пробеге окажется больше, чем у машины с полностью штатной системой питания, ведь вся эта кустарщина даже при эксплуатации на бензине большую часть времени будет негативно влиять на точность и «безглючность» работы бортовых систем. Правда, поставить ее самостоятельно, возможно, не такая уж плохая идея. Особенно если точно знать, чего нужно опасаться и чего можно достичь.
Опрос
У вас стоит ГБО?
Устройство автомобилей
Газовые двигатели – двигатели, работающие на газообразных топливах, широко применяются на современном автомобильном транспорте.
При этом используется сжиженный нефтяной газ (СНГ), состоящий в основном из пропана и бутана, а также сжатый природный газ (СПГ) метан или компримированный природный газ.
Запас сжатого или сжиженного газа хранят в специальных баллонах, поэтому и автомобили, работающие на газе, называют газобаллонными.
Двигатели, работающие на газовом топливе, относятся к тепловым двигателям с принудительным воспламенением рабочей смеси, т. е. используют искровое зажигание, как и бензиновые двигатели, поэтому оценивать достоинства и недостатки газообразного топлива объективнее в сравнении с бензином.
Для дизельных двигателей газовое топливо не получило широкого распространения в силу того, что газ физически не может воспламеняться при той температуре, которую имеет сжатый воздух в цилиндрах дизеля с нормальной степенью сжатия. Просто подвести газ к камерам сгорания недостаточно.
Газ не воспламенятся сам по себе от сжатия, так как его температура самовозгорания (460…480 ˚С) примерно в полтора раза выше чем у дизельного топлива (300…320 ˚С).
Поэтому при переводе дизеля на газ даже теоретически невозможно использовать одно только газовое топливо без принудительного его воспламенения.
Тем не менее, эта проблема оказалась преодолимой, и еще во времена СССР было найдено ее техническое решение: впрыскивать в камеру сгорания совместно газ и дизельное топливо. В частности, такое решение применялось для некоторых моделей автомобилей марки «КАМАЗ».
Принцип действия газодизельного двигателя основывался на том, что в цилиндры подается запальная доза дизельного топлива (20%-30%), а остальная порция топлива (70%-80%) замещалась подачей природного газа.
При этом выгоднее подавать в цилиндры сначала газ, чтобы он хорошо перемешался с воздухом, а затем впрыснуть запальную порцию дизельного топлива.
Технически любой дизельный двигатель можно переоборудовать для работы с газобаллонным оборудованием — как на нефтяной пропанобутановой смеси, так и на природном метане, без использования запальной порции дизельного топлива.
Однако, в отличие от перевода бензиновых двигателей на газ, модернизация дизельного двигателя для работы на одном лишь газовом топливе потребует радикальных изменений штатной системы питания дизеля и использования системы зажигания. Необходимо демонтировать топливную аппаратуру, и вместо нее установить систему зажигания.
Форсунки меняются на свечи зажигания, и после этого монтируется газобаллонное оборудование. Газ при помощи дозатора поступает во впускной коллектор и двигатель будет работать на газовом топливе.
- Конечно же, после таких переделок многие преимущества дизеля теряются.
- ***
Требования, предъявляемые к газообразным топливам
Требования, предъявляемые к газовым топливам мало отличаются от требований к другим видам топлива для двигателей:
- обеспечение хорошего смесеобразования;
- высокая калорийность горючей смеси;
- отсутствие коррозии и коррозионных износов;
- минимальное образование отложений во впускном и выпускном трактах;
- сохранение качества при хранении и транспортировании;
- низкая стоимость производства и транспортирования.
***
Преимущества использования газообразного топлива
Октановое число газового топлива выше, чем бензина (среднее значение октанового числа – 105), поэтому детонационная стойкость сжиженного газа больше, чем бензина даже самого высшего качества. 
Это позволяет добиться большей экономичности использования топлива в двигателе с повышенной степенью сжатия. При этом скорость сгорания газа немного меньше, чем у бензина. В результате снижаются нагрузки на стенки цилиндров, поршневую группу и коленчатый вал, что позволяет двигателю работать ровно и тихо.
Газ легко смешивается с воздухом и равномерней наполняет цилиндры однородной смесью, поэтому двигатель работает ровнее и тише. Газовая смесь сгорает полностью, поэтому не образуется нагар на поршнях, клапанах и свечах зажигания.
Газовое топливо не смывает масляную пленку со стенок цилиндров, а также не смешивается с маслом в картере, не ухудшая, таким образом, смазочные свойства масла. В результате цилиндры и поршни изнашиваются меньше, а периодичность замены моторного масла увеличивается.
По сравнению с бензином сжиженный газ имеет следующие преимущества:
- в полтора-два раза меньше себестоимость;
- более высокая детонационная стойкость (октановое число 105);
- двигатель на газе работает мягче, а срок его службы увеличивается примерно в полтора раза;
- увеличивается периодичность замены моторного масла в полтора-два раза, поскольку уменьшается срок его старения;
- увеличивается на 40% срок службы свечей зажигания;
- газ практически не содержит серы, которая вызывает коррозию металлов и их изнашивание;
- снижается токсичность отработавших газов (СО в два раза, СН на 50…100%, NOx на 20…30 %);
- в отличие от бензина газовая смесь более однородна по составу;
- не накапливаются смолистые отложения на деталях и приборах системы питания, так как нефтяной газ растворяет их;
- значительно уменьшается нагарообразование на деталях двигателя.
Сжатый газ также употребляется в качестве горючего, поскольку природные запасы метана колоссальны, и сложно найти более дешевое топливо для автомобильного двигателя.
Сжатый природный газ по сравнению со сжиженным нефтяным газом имеет следующие преимущества:
- бόльшая безопасность, так как он легче воздуха и при утечках улетучивается;
- дешевле;
- большие природные запасы;
- отработавшие газы экологически более чистые.
***
Недостатки газообразного топлива:
- более низкая скорость сгорания по сравнению с бензином, в результате чего мощность двигателя снижается примерно на 7…12% (до 20%);
- затрудненный пуск двигателя при низких температурах;
- увеличение металлоемкости автомобиля на 25…30 кг при сжиженном газе и на 700…800 кг при сжатом;
- применение дополнительного дорогостоящего оборудования приводит к увеличению стоимости автомобиля на 20..27%;
- повышенный расход газа по сравнению с бензином;
- необходимость периодического освидетельствования баллонов для хранения газа на испытательных станциях;
- трудоемкость ТО и ремонта двигателя возрастает на 3…5%, (эти затраты перекрываются экономией от увеличения межремонтного ресурса двигателей);
- дальность поездки на одной заправке не превышает 200…250 км;
- повышенные требования техники безопасности при использовании газобаллонных установок.
Сжиженный газ обычно используется в системах питания двигателей легковых автомобилей. Переоборудовать автомобиль для работы на сжиженном газе проще и дешевле, чем для работы на сжатом. Кроме того, сжиженный газ находится в баллоне под относительно небольшим давлением (примерно 1,6 МПа), а высокая степень разреженности сжатого газа требует увеличить этот показатель в 12-15 раз.
Поэтому для использования сжатого газа необходимы более громоздкие и тяжелые заправочные баллоны с более толстыми стенками, которые значительно повышают вес автомобиля.
И если для грузовых автомобилей и автобусов с этим неприятным фактом еще можно мириться, то для легковых автомобилей, где каждый килограмм веса на учете, использование сжатого газа менее привлекательно. Кроме того, пробег между заправками для автомобиля, работающего на сжиженном газе вдвое больше, чем для работающего на газообразном топливе.
Исходя из этого системы питания с газовым топливом пока не нашли достаточно широкого применения, и используются на автомобилях, совершающих поездки в пределах городов и пригородов, т. е. на небольшие расстояния.
***
Марки газовых автомобильных топлив
ГОСТ 20448-90 предусматривает выпуск сжиженного газа двух марок: СПБТЗ (смесь пропанобутановая техническая зимняя) и СПБТЛ (смесь пропанобутановая техническая летняя). Устаревший стандарт (ГОСТ 27578-87) также предусматривал две марки сжиженного газа: зимнюю — ПА (пропан автомобильный) и летнюю — ПБА (пропанобутановая смесь автомобильная).
Основными компонентами сжиженного газового топлива являются пропан (С3Н8) и бутан (С4Н10). В сжиженных газах, поставляемых для автомобильного транспорта, по техническим причинам может содержаться некоторое количество масла, поступающего из компрессоров и насосов.
Зимняя смесь отличается от летней повышенным содержанием пропана и применяется при температуре окружающего воздуха ниже +5 ˚С. Летняя смесь применяется при температуре +5 ˚С и выше.
Пропан остается в жидком состоянии при температуре ниже -42 °С, для бутана эта температура составляет -0,5 °С. В весенний период времени с целью полной выработки запасов сжиженного газа марки СПБТЗ допускается ее применение при температуре до +10 °С.
Более высокая температура может привести к нежелательному повышению давления в системе подачи газа и ее разгерметизации.
Сжатый природный газ выпускается двух марок: «А» и «Б». Они отличаются содержанием метана и азота.
Основные горючие компоненты сжатых газов — метан (СН4), окись углерода (СО) и водород (Н2) получают из горючих газов различного происхождения (природных, попутных, нефтяных, коксовых и др.).
В попутных газах в зависимости от месторождения нефти содержание метана может находиться в пределах 40-82%.
- ***
- Устройство и работа системы питания от газобаллонной установки
- Виды и характеристики газообразных топлив
Главная страница
Дистанционное образование
- Группа ТО-81
- Группа М-81
- Группа ТО-71
Специальности
Учебные дисциплины
Олимпиады и тесты
Проблемы переделанных дизелей на газ, простым языком
Особенности метана как моторного топлива
Температура горения метана составляет 1800 – 2000 градусов по Цельсию), что почти в два раза выше, чем у дизтоплива (примерно 1100 градусов). Кроме того, у метана больше удельная теплота сгорания и дольше продолжительность процесса горения в цилиндрах двигателя.
Этими особенностями и объясняется необходимость внесения серьёзных конструктивных изменений в двигатели внутреннего сгорания, предназначенные для работы на природном газе.
Проблемы переделанных дизелей
Практика показывает: стандартные дизельные электростанции, простейшим образом переделанные под природный газ (при этом меняют только системы управления, зажигания и топливоподачи) нормально работать не могут.
Поскольку конструкция камеры сгорания и головки цилиндра на таком моторе не оптимизирована под работу на газе, то переделанный дизель очень сильно перегревается.
Обычно перегрев наблюдается после того, как нагрузка электроагрегата превышает 50% от номинала.
Изменения в конструкции двигателя
Таким образом, при переходе на природный газ только переделкой системы зажигания и топливной системы обойтись нельзя. «По уму» под метан в двигателе необходимо менять практически всё – и материалы (так как температура горения выше, чем у дизельного топлива), и конструкцию, (как отдельных деталей, так и целых узлов).
Например, головка цилиндра газового двигателя должна быть совершенно другой, чем у дизеля. Здесь и иные, более жаростойкие металлы, и особенная конструкция каналов, обеспечивающая более эффективное охлаждение.
Или поршень. Для работы на природном газе он должен быть изготовлен из более жаростойкого металла, чем для дизтоплива. Кроме того, из-за особенностей горения топливной смеси донце поршня на газовом двигателе должно иметь иную форму, чем на дизельном.
А поскольку топливная смесь на основе метана горит в цилиндре дольше, чем дизтопливо, то и рабочий цикл газового двигателя получается иным, чем у дизельного. Соответственно, для работы на метане должны быть внесены изменения и в конструкцию распредвала.
В результате, почти все детали и узлы двигателя разработаны специально для работы на природном газе.
Зачастую такие электростанции имеют привлекательную цену, так как стоимость дизельного двигателя значительно ниже. Мы постоянно сталкиваемся с такими переделанными двигателями, так как Заказчикам отказывают в сервисном обслуживании, либо его совсем нет, станции останавливаются и больше не работают.
И с таким электростанциями уже ничего не сделать. Обслуживающему персоналу приходится буквально «ночевать» возле такой ГПУ, так как горит практически все, приходится проводить ТО каждую неделю. Соответственно тратятся большие суммы на ежемесячное обслуживание и ремонты.
Конструкция газовых двигателей специально оптимизирована для работы на метане, а не является переделкой стандартного дизельного движка, как у многих отечественных производителей.
В России нет производств газовых двигателей, все что предлагается под видом «газопоршневых электростанций российского производства» — это все дизельные электростанции, которые не работают на метане.
Что касается конструкции газовых двигателей MAN, качества их изготовления и сборки, то весь модельный ряд – это просто эталон, на который должны равняться все остальные производители.
Схема работы газового двигателя
Устройство и принцип действия газового двигателя
Газовый двигатель – особый вид двигателя внутреннего сгорания, работающий на газообразном топливе, работающий по циклу Отто. Чаще всего газовые двигатели работаю на пропане, но есть и другие, работающие на попутных (нефтяных), сжиженном, доменных, генераторных и других видах газообразного топлива.
Цикл Отто – процесс описывающий термодинамическую работу ДВС, с воспламенение сжатой смеси с помощью стороннего источника энергии (свечи зажигания)
Принципиальное отличие газовых двигателей от бензиновых и дизельных в более высокой степени сжатия. Применение газа позволяет избежать излишнего износа деталей, так как процессы сгорания топливовоздушной смеси происходят более правильно, благодаря исходному (газообразному) состоянию топлива. Также газовые двигатели более экономичны, так как газ стоит дешевле нефти и легче добывается.
К несомненным преимуществам двигателей на газе стоит отнести безопасность и бездымность выхлопа, что делает их незаменимыми при использовании на погрузчиках в больших складах, а также под землей и на общественном транспорте
Сами по себе газовые двигатели редко выпускаются серийно, чаще всего они появляются после переделки традиционных ДВС, путем оборудования их специальным газовым оборудованием.
По большей части любой бензиновый ДВС может стать универсальным если поставить на него газовое оборудование. Любую машину Российского производства как правило легко переоборудовать на газ, при условии грамотного подхода.
Пи переоборудовании машины на газ в багажник
Но у таких газовых двигателей есть один существенный недостаток. Пи понижении температуры окружающего воздуха, давление в баллоне падает и автомобиль невозможно завести, поэтому чаще всего применяются гибридные установки – газ/бензин. Заводится машина с бензина, а затем переключается на газ.
Оборудование автомобиля газобаллонным оборудованием не займет много времени и производится во многих мастерских по всему миру.
1 – баллон 2 – мультиклапан 3 – газовая магистраль высокого давления 4 – выносное заправочное устройство 5 – газовый клапан 6 – редуктор-испаритель 7 – дозатор 8 – смеситель воздуха и газа 9 – бензиновый клапан 10 – переключатель видов топлива
Газель обрудованная ГБО
Однако не только бензиновый но дизельный двигатель можно перевести на газ, для этого дизель снабжается системой зажигания, поскольку при сильном сжатии газ не детонирует как дизельное топливо. Еще одним способом воспламенить топливо является впрыскивание вместе с газом в цилиндры еще ди дизельного топлива, в количестве примерно 40-50%.
- Газовый двигатель, переоборудованный из дизельного наиболее полно раскрывает все плюсы использования газа, так как степень сжатия в дизелях намного выше, что позволяет добиться КПД в районе 30-45%.
- В сумме переоборудование двигателей на газ достаточно дорогое удовольствие – от 500 до 1000 долларов за импортное оборудование, но при условии достаточно интенсивной езды, затраты на ГБО окупаются достаточно быстро, поскольку газ стоит примерно в два раза дешевле бензина или дизельного топлива.
- В начале статьи приведена фотография газового двигателя Caterpillar G 3508, мощностью 528 кВт, объемом 34,5 литра и степенью сжатия 9:1.
Принцип работы газового двигателя
Первый газовый двигатель внутреннего сгорания был разработан немецким изобретателем Н. Отто.
Принцип его работы заключался в том, что горючая смесь предварительно подвергалась сильному сжатию в верхней точке положения поршня.
На создание экономичного двигателя, КПД которого достигал 15 %, изобретателю потребовалось около 15 лет, он получил название четырехтактного, поскольку рабочий цикл в нем протекал за четыре хода поршня.
Загрузка...
