Евгений Константинов
Пока бензин и дизельное топливо неумолимо дорожают, а всевозможные альтернативные силовые установки для автотранспорта остаются страшно далёкими от народа, проигрывая традиционным двигателям внутреннего сгорания в цене, автономности и эксплуатационных расходах, самым реальным способом сэкономить на заправке остаётся перевод автомобиля на «газовую диету». На первый взгляд это выгодно: стоимость переоборудования автомобиля вскоре окупается за счёт разницы в цене горючего, особенно при регулярных коммерческих и пассажирских перевозках. Недаром в Москве и многих других городах значительная доля муниципального автотранспорта уже давно переведена на газ. Но тут возникает закономерный вопрос: почему же тогда доля газобаллонных автомобилей в транспортном потоке и в нашей стране, и за рубежом не превышает нескольких процентов? Что таит обратная сторона газового баллона?
Наука и жизнь // Иллюстрации
Предупреждающие таблички на заправке установлены неспроста: каждое соединение технологического газопровода - потенциальное место утечек горючего газа.
Баллоны для сжиженного газа легче, дешевле и разнообразнее по форме, чем для сжатого, а потому их проще компоновать исходя из свободного пространства в автомобиле и необходимого запаса хода.
Обратите внимание на разницу в цене жидкого и газообразного топлива.
Баллоны со сжатым метаном в кузове тентованной «Газели».
Редуктор-испаритель в пропановой системе требует подогрева. На фото хорошо виден шланг, соединяющий жидкостный теплообменник редуктора с системой охлаждения двигателя.
Принципиальная схема работы газобаллонного оборудования на карбюраторном двигателе.
Схема работы оборудования для сжиженного газа без перевода его в газообразную фазу в двигателе внутреннего сгорания с распределённым впрыском.
Пропан-бутан хранят и перевозят в цистернах (на фото - за синими воротами). Благодаря такой мобильности заправку можно разместить в любом удобном месте, а при необходимости быстро перенести в другое.
На пропановой колонке заправляют не только автомобили, но и бытовые баллоны.
Колонка для сжиженного газа внешне отличается от бензиновой, но процесс заправки похож. Отсчёт залитого топлива идёт в литрах.
Понятие «газовое автомобильное топливо» включает в себя две совершенно разных по составу смеси: природный газ, в котором до 98% приходится на метан, и производимый из попутного нефтяного газа пропан-бутан. Кроме безусловной горючести общим для них является ещё и агрегатное состояние при атмосферном давлении и комфортных для жизни температурах. Однако при низких температурах физические свойства этих двух наборов лёгких углеводородов здорово различаются. Из-за этого они требуют совершенно разного оборудования для хранения на борту и подачи в двигатель, да и в эксплуатации автомобили с разными системами газового питания имеют несколько существенных различий.
Сжиженный газ
Пропан-бутановая смесь хорошо знакома туристам и дачникам: именно её заправляют в бытовые газовые баллоны. Она же составляет основную долю газа, который впустую сгорает в факелах нефтедобывающих и перерабатывающих предприятий. Пропорциональный состав топливной пропан-бутановой смеси может различаться. Дело не столько в исходном составе нефтяного газа, сколько в температурных свойствах получаемого горючего. Как моторное топливо чистый бутан (С 4 Н 10) хорош во всех отношениях, кроме того, что он переходит в жидкое состояние уже при 0,5°С при атмосферном давлении. Поэтому к нему добавляют менее калорийный, но более холодостойкий пропан (С 2 Н 8) с температурой кипения –43°С. Соотношение этих газов в смеси задаёт нижний температурный предел применения топлива, которое по этой же самой причине бывает «летним» и «зимним».
Относительно высокая температура кипения пропан-бутана даже в «зимнем» исполнении позволяет хранить его в баллонах в виде жидкости: уже под небольшим давлением он переходит в жидкую фазу. Отсюда и другое название пропан-бутанового топлива - сжиженный газ. Это удобно и экономично: высокая плотность жидкой фазы позволяет уместить в малом объёме большое количество топлива. Свободное пространство над жидкостью в баллоне занято насыщенным паром. По мере расхода газа давление в баллоне остаётся постоянным до самого его опустошения. Водителям «пропановых» машин при заправке следует заливать баллон максимум на 90%, чтобы оставить внутри место для паровой подушки.
Давление внутри баллона прежде всего зависит от температуры окружающей среды. При отрицательных температурах оно падает ниже одной атмосферы, но даже этого достаточно для поддержания работоспособности системы. Зато с потеплением оно быстро растёт. При 20°C давление в баллоне составляет уже 3-4 атмосферы, а при 50°C достигает 15-16 атмосфер. Для большинства автомобильных газовых баллонов эти значения близки к предельным. А это значит, что при перегреве в жаркий полдень на южном солнцепёке тёмный автомобиль с баллоном сжиженного газа на борту… Нет, не взорвётся, как в голливудском боевике, а начнёт сбрасывать излишки пропан-бутана в атмосферу через предохранительный клапан, предназначенный именно для такого случая. К вечеру, когда вновь похолодает, топлива в баллоне окажется заметно меньше, зато никто и ничто не пострадает. Правда, как показывает статистика, отдельные любители дополнительно сэкономить на предохранительном клапане время от времени пополняют хронику происшествий.
Сжатый газ
Иные принципы лежат в основе работы газобаллонного оборудования для машин, потребляющих в качестве топлива природный газ, в обиходе обычно именуемый метаном по своему основному компоненту. Это тот же газ, что подаётся по трубам в городские квартиры. В отличие от нефтяного газа метан (СН 4) обладает низкой плотностью (в 1,6 раза легче воздуха), а главное - низкой температурой кипения. Он переходит в жидкое состояние лишь при –164°С. Наличие небольшого процента примесей других углеводородов в природном газе не сильно изменяет свойства чистого метана. А значит, превратить этот газ в жидкость для использования в автомобиле невероятно сложно. В последнее десятилетие активно велись работы по созданию так называемых криогенных баков, позволяющих хранить в автомобиле сжиженный метан при температурах –150°С и ниже и давлении до 6 атмосфер. Были созданы опытные образцы транспорта и заправок под этот вариант топлива. Но пока практического распространения эта технология не получила.
А потому в подавляющем большинстве случаев для использования в качестве моторного топлива метан просто сжимают, доводя давление в баллоне до 200 атмосфер. Как следствие, прочность и соответственно масса такого баллона должны быть заметно выше, чем для пропанового. Да и помещается в одинаковом объёме сжатого газа существенно меньше, чем сжиженного (в пересчёте на моли). А это - уменьшение автономности автомобиля. Другой минус - цена. Существенно больший запас прочности, заложенный в метановое оборудование, оборачивается тем, что цена комплекта на автомобиль оказывается почти в десять раз выше аналогичной по классу пропановой аппаратуры.
Метановые баллоны бывают трёх типоразмеров, из которых в легковом автомобиле можно разместить только самые маленькие, объёмом 33 л. Но для того, чтобы обеспечить гарантированную дальность хода в триста километров, таких баллонов нужно пять, суммарной массой 150 кг. Понятное дело, что в компактной городской малолитражке возить постоянно такой груз вместо полезного багажа смысла нет. Поэтому есть резон переводить на метан лишь большие автомобили. Прежде всего, грузовики и автобусы.
При всём этом у метана есть два существенных преимущества перед нефтяным газом. Во-первых, он ещё дешевле и не привязан к цене на нефть. А во-вторых, метановое оборудование конструктивно застраховано от проблем с зимней эксплуатацией и позволяет при желании вообще обходиться без бензина. В случае с пропан-бутаном в наших климатических условиях такой фокус не пройдёт. Автомобиль по факту останется двухтопливным. Причина именно в сжиженности газа. А точнее, в том, что в процессе активного испарения газ резко охлаждается. В результате сильно падает температура в баллоне и особенно - в газовом редукторе. Чтобы аппаратура не замерзала, редуктор подогревают, встраивая в него теплообменник, соединённый с системой охлаждения двигателя. Но чтобы эта система начала работать, жидкость в магистрали надо предварительно подогреть. А потому запускать и прогревать мотор при температуре окружающего воздуха ниже 10°С рекомендуется строго на бензине. И лишь затем, с выходом мотора на рабочую температуру, переключаться на газ. Впрочем, современные электронные системы переключают всё сами, без помощи водителя, автоматически контролируя температуру и не допуская замерзания оборудования. Правда, для поддержания корректной работы электроники в этих системах нельзя досуха опустошать бензобак даже в жаркую погоду. Пусковой режим на газу является для подобной аппаратуры аварийным, и на него систему можно переключить лишь принудительно в случае крайней необходимости.
У метановой аппаратуры никаких трудностей с зимним пуском нет. Наоборот, на этом газе в морозы запустить двигатель даже легче, чем на бензине. Отсутствие жидкой фазы не требует и подогрева редуктора, который лишь понижает давление в системе с 200 транспортировочных атмосфер до одной рабочей.
Чудеса непосредственного впрыска
Сложнее всего переводить на газ со-временные двигатели с непосредственным впрыском топлива в цилиндры. Причина в том, что газовые форсунки традиционно размещаются во впускном тракте, где и происходит смесеобразование во всех остальных типах двигателей внутреннего сгорания без непосредственного впрыска. Но наличие такового напрочь перечёркивает возможность столь легко и технологично добавить газовое питание. Во-первых, в идеале газ тоже надо подавать прямо в цилиндр, а во-вторых, и это ещё более важно, жидкое топливо служит для охлаждения собственных форсунок непосредственного впрыска. Без него они очень быстро выходят из строя от перегрева.
Варианты решения этой проблемы есть, причём как минимум два. Первый превращает двигатель в двухтопливный. Он был придуман довольно давно, ещё до появления непосредственного впрыска на бензиновых моторах и предлагался для адаптации дизелей к работе на метане. Газ не воспламеняется от сжатия, а потому «газированный дизель» заводится на солярке и продолжает на ней же работать в режиме холостых оборотов и минимальной нагрузки. А дальше в дело вступает газ. Именно за счёт его подачи регулируют скорость вращения коленвала в режиме средних и высоких оборотов. Для этого ТНВД (топливный насос высокого давления) ограничивают по подаче жидкого топлива до 25-30% от номинала. Метан поступает в двигатель по собственной магистрали в обход ТНВД. Никаких проблем с его смазкой из-за снижения подачи солярки на высоких оборотах не возникает. Дизельные форсунки при этом продолжают охлаждаться проходящим через них топливом. Правда, тепловая нагрузка на них в режиме высоких оборотов всё равно остаётся повышенной.
Аналогичную схему питания стали применять и для бензиновых моторов с непосредственным впрыском. Причём работает она как с метановой, так и с пропан-бутановой аппаратурой. Но в последнем случае более перспективным считается альтернативное решение, появившееся совсем недавно. Всё началось с идеи отказаться от традиционного редуктора с испарителем и подавать пропан-бутан в двигатель под давлением в жидкой фазе. Следующими шагами стали отказ от газовых форсунок и подача сжиженного газа через штатные форсунки для бензина. В схему добавили электронный модуль согласования, подключающий по ситуации газовую или бензиновую магистраль. При этом новая система лишилась традиционных проблем с холодным пуском на газе: нет испарения - нет и охлаждения. Правда, стоимость оборудования для моторов с непосредственным впрыском в обоих случаях такова, что окупается оно только при очень больших пробегах.
Кстати, экономическая целесообразность ограничивает применение газобаллонного оборудования в дизелях. Именно из соображений выгоды для моторов с воспламенением от сжатия используют только метановую аппаратуру, причём подходящую по характеристикам лишь двигателям тяжёлой техники, оснащённым традиционными ТНВД. Дело в том, что перевод маленьких экономичных легковых моторов с дизеля на газ себя не окупает, а разработка и техническое воплощение газобаллонной аппаратуры для новейших двигателей с общей топливной рампой (common rail) по нынешним временам считаются экономически неоправданными.
Правда, есть и другой, альтернативный путь перевода дизеля на газ - путём полной конвертации в газовый двигатель с искровым зажиганием. У такого мотора уменьшается до 10-11 единиц степень сжатия, появляются свечи и высоковольтная электрика, и он навсегда прощается с дизельным топливом. Зато начинает безболезненно потреблять бензин.
Условия работы
Старые советские инструкции по переводу бензиновых автомобилей на газ предписывали шлифовать головки блока цилиндров (ГБЦ), чтобы поднять степень сжатия. Оно и понятно: объектом газификации в них выступали силовые агрегаты коммерческого транспорта, работавшие на бензине с октановым числом 76 и ниже. У метана же октановое число 117, а у пропан-бутановых смесей оно около ста. Таким образом, оба вида газового топлива существенно менее склонны к детонации, чем бензин, и позволяют поднять степень сжатия двигателя, чтобы оптимизировать процесс сгорания.
Кроме того, для архаичных карбюраторных моторов, оснащавшихся механическими системами подачи газа, увеличение степени сжатия позволяло компенсировать потерю мощности, возникавшую при переходе на газ. Дело в том, что бензин и газы смешиваются с воздухом во впускном тракте в совершенно разных пропорциях, из-за чего при использовании пропан-бутана, а особенно метана, двигателю приходится работать на существенно более бедной смеси. Как результат - снижение крутящего момента двигателя, приводящее к падению мощности на 5-7% в первом случае и на 18-20% во втором. При этом на графике внешней скоростной характеристики форма кривой крутящего момента каждого конкретного мотора остаётся без изменений. Она просто смещается вниз по «оси ньютон-метров».
Однако для двигателей с электронными системами впрыска, оснащаемых современными системами газового питания, все эти рекомендации и цифры не имеют почти никакого практического значения. Потому что, во-первых, их степень сжатия и так достаточна, и даже для перехода на метан работы по шлифовке ГБЦ совершенно не оправданны экономически. А во-вторых, согласованный с электроникой автомобиля процессор газовой аппаратуры организует подачу топлива таким образом, что как минимум наполовину компенсирует вышеозначенный провал по крутящему моменту. В системах же с непосредственным впрыском и в газодизельных моторах газовое топливо в отдельных диапазонах оборотов и вовсе способно поднимать крутящий момент.
Кроме того, электроника чётко отслеживает необходимое опережение зажигания, которое при переключении на газ должно быть больше, чем для бензина, при прочих равных условиях. Газовое топливо горит медленнее, а значит, и поджигать его нужно раньше. По этой же причине возрастает тепловая нагрузка на клапаны и их сёдла. С другой стороны, меньшей становится ударная нагрузка на цилиндро-поршневую группу. Кроме того, для неё зимний пуск на метане существенно полезнее, чем на бензине: газ не смывает масло со стенок цилиндров. Да и вообще в газовом топливе не содержится катализаторов старения металлов, более полное сгорание топлива уменьшает токсичность выхлопа и нагар в цилиндрах.
Автономное плавание
Пожалуй, наиболее заметным минусом в газовом автомобиле становится его ограниченная автономность. Во-первых, расход газового топлива, если считать по объёму, получается больше, чем бензина и тем более солярки. А во-вторых, газовая машина оказывается привязанной к соответствующим заправкам. Иначе смысл её перевода на альтернативное топливо начинает стремиться к нулю. Особенно сложно тем, кто ездит на метане. Метановых заправок очень мало, и все они привязаны к магистральным газопроводам. Это просто небольшие компрессорные станции на ответвлениях главной трубы. В конце 80-х - начале 90-х годов ХХ века в нашей стране пытались активно переводить транспорт на метан в рамках государственной программы. Именно тогда и возникло большинство метановых заправок. К 1993 году их было построено 368, и с тех пор это число если и выросло, то совсем незначительно. Большинство заправок находится в европейской части страны вблизи федеральных трасс и городов. Но при этом их расположение определяли не столько с точки зрения удобства автомобилистов, сколько с точки зрения газовиков. Поэтому лишь в очень редких случаях газовые заправки оказались непосредственно у шоссе и практически никогда внутри мегаполисов. Почти везде, чтобы заправиться метаном, необходимо сделать крюк на несколько километров в какую-нибудь промзону. Поэтому, планируя дальний маршрут, эти заправки надо искать и запоминать заранее. Единственное, что удобно в такой ситуации, - стабильно высокое качество топлива на любой из метановых станций. Газ из магистрального газопровода весьма проблематично разбавить или испортить. Разве что фильтр или система осушки на какой-то из таких заправок может внезапно выйти из строя.
Пропан-бутан можно перевозить в цистернах, и благодаря этому свойству география заправок для него существенно шире. В некоторых регионах им можно заправиться даже в самом дальнем захолустье. Но изучить наличие пропановых заправок на предстоящем маршруте тоже не помешает, чтобы их внезапное отсутствие на шоссе не стало неприятным сюрпризом. При этом сжиженный газ всегда оставляет долю риска попасть на топливо не по сезону или просто некачественное.
МАШИНОСТРОЕНИЕ
УДК 62l.43.052
ТЕХНИЧЕСКАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ ИЗМЕНЕНИЯ СТЕПЕНИ СЖАТИЯ МАЛОЛИТРАЖНОГО ДВИГАТЕЛЯ, КОТОРЫЙ РАБОТАЕТ НА ПРИРОДНОМ ГАЗЕ
Ф.И. Абрамчук, профессор, д.т.н., А.Н. Кабанов, доцент, к.т.н.,
А.П. Кузьменко, аспирант, ХНАДУ
Аннотация. Приведены результаты технической реализации изменения степени сжатия на двигателе МеМЗ-307, который переоборудован для работы на природном газе.
Ключевые слова: степень сжатия, автомобильный двигатель, природный газ.
ТЕХНІЧНА РЕАЛІЗАЦІЯ ЗМІНИ СТУПЕНЯ СТИСКАННЯ МАЛОЛІТРАЖНОГО АВТОМОБІЛЬНОГО ДВИГУНА,
ЩО ПРАЦЮЄ НА ПРИРОДНОМУ ГАЗІ
Ф.І. Абрамчук, професор, д.т.н., О.М. Кабанов, доцент, к.т.н.,
А.П. Кузьменко, аспірант, ХНАДУ
Анотація. Наведено результати технічної реалізації зміни ступеня стискання двигуна МеМЗ-307, переобладнаний для роботи на природному газі.
Ключевые слова: ступінь стискання, автомобільний двигун, природний газ.
TECHNICAL REALIZATION OF COMPRESSION RATIO VARIATION OF SMALL-CAPACITY AUTOMOTIVE NATURAL GAS POWERED ENGINE
F. Abramchuk, Professor, Doctor of Technical Science, A. Kabanov, Associate Professor, Doctor of Technical Science, A. Kuzmenko, postgraduate, KhNAHU
Abstract. The results of technical realization of compression ratio variation of MeMZ-3Q7 engine converted for natural gas running are given.
Key words: compression ratio, automotive engine, natural gas.
Введение
Создание и успешная эксплуатация чисто газовых двигателей, которые работают на природном газе, зависят от правильного выбора основных параметров рабочего процесса, определяющих их технические, экономические и экологические характеристики. В первую очередь это касается выбора степени сжатия.
Природный газ, имея высокое октановое число (110-130), позволяет повысить степень сжатия. Максимальное значение степени
сжатия, исключающее детонацию, можно в первом приближении выбрать расчетным путем. Однако проверить и уточнить расчетные данные возможно только экспериментально.
Анализ публикаций
В работе при переводе бензинового двигателя (Vh = 1 л) автомобиля VW POLO на природный газ упрощена форма огневой поверхности поршня. Уменьшение объема камеры сжатия привело к увеличению степени сжатия с 10,7 до 13,5.
На двигателе Д21А для снижения степени сжатия с 16,5 до 9,5 дообрабатывался поршень . Камера сгорания полусферического типа для дизеля изменена под рабочий процесс газового двигателя с искровым зажиганием.
При конвертации дизеля ЯМЗ-236 в газовый двигатель степень сжатия с 16,2 до 12 уменьшена также за счет дообработки поршня .
Цель и постановка задачи
Целью работы является разработка конструкции деталей камеры сгорания двигателя МеМЗ-307, позволяющих обеспечить степень сжатия е = 12 и е = 14 для проведения экспериментальных исследований.
Выбор подхода к изменению степени сжатия
Для малолитражного бензинового двигателя, конвертируемого в газовый, изменение степени сжатия означает её увеличение по сравнению с базовым ДВС. Выполнить эту задачу можно несколькими способами.
В идеальном случае на двигатель желательна установка системы изменения степени сжатия, позволяющей выполнять эту задачу в режиме реального времени, в том числе не прерывая работы двигателя. Однако такие системы очень дорогие и сложные в конструкции и эксплуатации, требуют внесения существенных изменений в конструкцию, а также являются элементом ненадежности двигателя.
Изменять степень сжатия можно также за счет увеличения количества или толщины прокладок между головкой и блоком цилиндров. Этот способ дешёвый, однако при этом увеличивается вероятность прогорания прокладок при нарушении нормального процесса сгорания топлива. Кроме того, такой способ регулирования степени сжатия отличается низкой точностью, так как значение е будет зависеть от силы затяжки гаек на шпильках головки блока и качества изготовления прокладок. Чаще всего такой способ используют для понижения степени сжатия.
Использование накладок на поршни технически сложно, так как возникает проблема надежного крепления относительно тонкой накладки (около 1 мм) к поршню и надёжной работы этого крепления в условиях камеры сгорания.
Оптимальным вариантом является изготовление комплектов поршней, каждый из которых обеспечивает заданную степень сжатия. Этот способ требует частичной разборки двигателя для изменения степени сжатия, однако обеспечивает достаточно высокую точность значения е в эксперименте и надежность работы двигателя с измененной степенью сжатия (не снижается прочность и надёжность конструктивных элементов двигателя). К тому же этот способ сравнительно дешёвый.
Результаты исследований
Суть задачи состояла в том, чтобы, используя положительные качества природного газа (высокое октановое число) и особенности смесеобразования, компенсировать потерю мощности при работе двигателя на данном топливе. Для выполнения поставленной задачи было решено изменять степень сжатия.
Согласно плану эксперимента степень сжатия должна изменяться от е = 9,8 (серийная комплектация) до е = 14. Целесообразно промежуточное значение степени сжатия выбрать е = 12 (как среднее арифметическое крайних значений е). В случае необходимости возможно изготовление комплектов поршней, обеспечивающих другие промежуточные значения степени сжатия.
Для технической реализации указанных степеней сжатия были выполнены расчеты, конструкторские разработки и экспериментально проверенные объемы камер сжатия методом проливки. Результаты проливки указаны в таблицах 1 и 2.
Таблица 1 Результаты проливки камеры сгорания в головке цилиндров
1 цил. 2 цил. 3 цил. 4 цил.
22,78 22,81 22,79 22,79
Таблица 2 Результаты проливки камеры сгорания в поршнях (поршень установлен в цилиндр)
1 цил. 2 цил. 3 цил. 4 цил.
9,7 9,68 9,71 9,69
Толщина прокладки в сжатом состоянии составляет 1 мм. Утопание поршня относительно плоскости блока цилиндров составляет 0,5 мм, что было определено с помощью обмеров.
Соответственно объем камеры сгорания Ус будет состоять из объема в головке цилиндров Уг, объема в поршне Уп и объема щели между поршнем и головкой цилиндра (уто-пание поршня относительно плоскости блока цилиндров + толщина прокладки) Ущ = 6,6 см3.
Ус = 22,79 + 9,7 + 4,4 = 36,89 (см3).
Принято решение - степень сжатия изменять за счет изменения объема камеры сгорания путем изменения геометрии головки поршня, так как данный способ позволяет реализовать все варианты степени сжатия, и при этом есть возможность вернуться к серийной комплектации.
На рис. 1 приведена серийная комплектация деталей камеры сгорания с объемами в поршне Уп = 7,5 см3.
Рис. 1. Серийная комплектация деталей камеры сгорания Ус = 36,9 см3 (е = 9,8)
Для получения степени сжатия е = 12 достаточно комплектовать камеру сгорания поршнем с плоским днищем, в котором выполнены две небольшие выборки общим объемом
0,1 см3, предотвращающие встречу впускных и выпускных клапанов с поршнем во время
перекрытия. В этом случае объем камеры сжатия равен
Ус = 36,9 - 7,4 = 29,5 (см3).
В этом случае зазор между поршнем и головкой цилиндров остается 8 = 1,5 мм. Конструкция камеры сгорания, обеспечивающая є = 12, показана на рис. 2.
Рис. 2. Комплектация деталей камеры сгорания газового двигателя для получения степени сжатия є = 12 (Ус = 29,5 м3)
Реализовать степень сжатия є = 14 принято за счет увеличения высоты поршня с плоским днищем на И = 1 мм. В данном случае поршень также имеет две выборки под клапаны общим объемом 0,2 см3. Объем камеры сжатия уменьшается на
ДУ = - И = . 0,1 = 4,42 (см3).
Такая комплектация деталей камеры сгорания дает объем
Ус = 29,4 - 4,22 = 25,18 (см3).
На рис. 3 показана комплектация камеры сгорания, обеспечивающая степень сжатия є = 13,9.
Зазор между огневой поверхностью поршня и головкой цилиндра составляет 0,5 мм, что достаточно для нормальной работы деталей.
Рис. 3. Комплектация деталей камеры сгорания газового двигателя с е = 13,9 (Ус = 25,18 см3)
1. Упрощение геометрической формы огневой поверхности поршня (плоская головка с двумя маленькими выборками) позволило увеличить степень сжатия с 9,8 до 12.
2. Уменьшение зазора до 5 = 0,5 мм между головкой цилиндра и поршнем в ВМТ и упрощение геометрической формы огневой по-
верхности поршня позволило увеличить є до 13,9 единиц.
Литература
1. По материалам сайта: www.empa.ch
2. Бганцев В.Н. Газовый двигатель на базе
четырехтактного дизеля общего назначения / В.Н. Бганцев, А.М. Левтеров,
B.П. Мараховский // Мир техники и технологий. - 2003. - №10. - С. 74-75.
3. Захарчук В.І. Розрахунково-експеримен-
тальне дослідження газового двигуна, переобладнаного з дизеля / В.І. Захарчук, О.В. Сітовський, І.С. Козачук // Автомобильный транспорт: сб. науч. тр. -Харьков: ХНАДУ. - 2005. - Вып. 16. -
4. Богомолов В.А. Особенности конструкции
экспериментальной установки для проведения исследований газового двигателя 64 13/14 с искровым зажиганием / В.А. Богомолов, Ф.И. Абрамчук, В.М. Ма-нойло и др. // Вестник ХНАДУ: сб. науч. тр. - Харьков: ХНАДУ. -2007. - № 37. - С. 43-47.
Рецензент: М. А. Подригало, профессор, д.т.н., ХНАДУ.
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.
Характеризуется рядом величин. Одна из них – степень сжатия двигателя. Важно не путать ее с компрессией – значением максимального давления в цилиндре мотора.
Что такое степень сжатия
Данная степень – это соотношение объема цилиндра двигателя к объему камеры сгорания. Иначе можно сказать, что значение компрессии – отношение объема свободного места над поршнем, когда тот находится в нижней мертвой точке, к аналогичному объему при нахождении поршня в верхней точке.
Выше упоминалось, что компрессия и степень сжатия – не синонимы. Различие касается и обозначений, если компрессию измеряют в атмосферах, степень сжатия записывается как некоторое отношение, например, 11:1, 10:1, и так далее. Поэтому нельзя точно сказать, в чем измеряют степень сжатия в двигателе – это «безразмерный» параметр, зависящий от других характеристик ДВС.
Условно степень сжатия можно описать также как разницу между давлением в камере при подаче смеси (или дизтоплива в случае с дизельными двигателями) и при воспламенении порции горючего. Данный показатель зависит от модели и типа двигателя и обусловлен его конструкцией. Степень сжатия может быть:
- высокой;
- низкой.
Расчет сжатия
Рассмотрим, как узнать степень сжатия двигателя.
Она вычисляется по формуле:
Здесь Vр означает рабочий объем отдельного цилиндра, а Vс – значение объема камеры сгорания. Формула показывает важность значения объема камеры: если его, например, снизить, то параметр сжатия станет больше. То же произойдет и в случае увеличения объема цилиндра.
Чтобы узнать рабочий объем, нужно знать диаметр цилиндра и ход поршня. Вычисляется показатель по формуле:
Здесь D – диаметр, а S – ход поршня.
Иллюстрация:
Поскольку камера сгорания имеет сложную форму, ее объем обычно измеряется методом заливания в нее жидкости. Узнав, сколько воды поместилось в камеру, можно определить и ее объем. Для определения удобно использовать именно воду из-за удельного веса в 1 грамм на куб. см – сколько залилось грамм, столько и «кубиков» в цилиндре.
Альтернативный способ, как определить степень сжатия двигателя – обратиться к документации на него.
На что влияет степень сжатия
Важно понимать, на что влияет степень сжатия двигателя: от нее прямо зависит компрессия и мощность. Если сделать сжатие больше, силовой агрегат получит больший КПД, поскольку уменьшится удельный расход горючего.
Степень сжатия бензинового двигателя определяет, горючее с каким октановым числом он будет потреблять. Если топливо низкооктановое, это приведет к неприятному явлению детонации, а слишком высокое октановое число вызовет нехватку мощности – двигатель с малой компрессией просто не сможет обеспечивать нужное сжатие.
Таблица основных соотношений степеней сжатия и рекомендуемых топлив для бензиновых ДВС:
| Сжатие | Бензин |
| До 10 | 92 |
| 10.5-12 | 95 |
| От 12 | 98 |
Интересно: бензиновые турбированные двигатели функционируют на горючем с большим октановым числом, чем аналогичные ДВС без наддува, поэтому их степень сжатия выше.
Еще больше она у дизелей. Поскольку в дизельных ДВС развиваются высокие давления, данный параметр у них также будет выше. Оптимальная степень сжатия дизельного двигателя находится в пределах от 18:1 до 22:1, в зависимости от агрегата.
Изменение коэффициента сжатия
Зачем менять степень?
На практике такая необходимость возникает нечасто. Менять сжатие может понадобиться:
- при желании форсировать двигатель;
- если нужно приспособить силовой агрегат под работу на нестандартном для него бензине, с отличающимся от рекомендованного октановым числом. Так поступали, например, советские автовладельцы, поскольку комплектов для переоборудования машины на газ в продаже не встречалось, но желание сэкономить на бензине имелось;
- после неудачного ремонта, чтобы устранить последствия некорректного вмешательства. Это может быть тепловая деформация ГБЦ, после которой нужна фрезеровка. После того, как повысили степень сжатия двигателя снятием слоя металла, работа на изначально предназначенном для него бензине становится невозможной.
Иногда меняют степень сжатия при конвертации автомобилей для езды на метановом топливе. У метана октановое число – 120, что требует повышать сжатие для ряда бензиновых автомобилей, и понижать – для дизелей (СЖ находится в пределах 12-14).
Перевод дизеля на метан влияет на мощность и ведет к некоторой потере таковой, что можно компенсировать турбонаддувом. Турбированный двигатель требует дополнительного снижения степени сжатия. Может потребоваться доработка электрики и датчиков, замена форсунок дизельного мотора на свечи зажигания, новый комплект цилиндро-поршневой группы.
Форсирование двигателя
Чтобы снимать больше мощности или получить возможность ездить на более дешевых сортах топлива, ДВС можно форсировать путем изменения объема камеры сгорания.
Для получения дополнительной мощности двигатель следует форсировать, увеличивая степень сжатия.
Важно: заметный прирост по мощности будет лишь на том двигателе, который штатно работает с более низкой степенью сжатия. Так, например, если ДВС с показателем 9:1 тюнингован до 10:1, он выдаст больше дополнительных «лошадей», чем двигатель со стоковым параметром 12:1, форсированный до 13:1.
Возможные следующие методы, как увеличить степень сжатия двигателя:
- установка тонкой прокладки ГБЦ и доработка головки блока;
- расточка цилиндров.
Под доработкой ГБЦ подразумевают фрезеровку ее нижней части, соприкасающейся с самим блоком. ГБЦ становится короче, благодаря чему уменьшается объем камеры сгорания и растет степень сжатия. То же происходит и при монтаже более тонкой прокладки.
Важно: эти манипуляции могут также потребовать установки новых поршней с увеличенными клапанными выемками, поскольку в ряде случаев возникает риск встречи поршня и клапанов. В обязательном порядке настраиваются заново фазы газораспределения.
Расточка БЦ также ведет к установке новых поршней под соответствующий диаметр. В результате растет рабочий объем и становится больше степень сжатия.
Дефорсирование под низкооктановое топливо
Такая операция проводится, когда вопрос мощности вторичен, а основная задача – приспособить двигатель под другое горючее. Это делается путем снижения степени сжимания, что позволяет двигателю работать на малооктановом бензине без детонации. Кроме того, налицо и определенная финансовая экономия на стоимости горючего.
Интересно: подобное решение нередко используется для карбюраторных двигателей старых машин. Для современных инжекторных ДВС с электронным управлением дефорсирование крайне не рекомендуется.
Основной способ, как уменьшить степень сжатия двигателя — сделать прокладку ГБЦ более толстой. Для этого берут две стандартные прокладки, между которыми делают алюминиевую прокладку-вставку. В результате растет объем камеры сгорания и высота ГБЦ.
Некоторые интересные факты
Метанольные двигатели гоночных машин имеют сжатие более 15:1. Для сравнения, стандартных карбюраторный двигатель, потребляющий неэтилированный бензин, имеет сжатие максимум 1.1:1.
Из серийных образцов моторов на бензине со сжатием 14:1 на рынке присутствуют образцы от Mazda (серия Skyactiv-G), ставящиеся, например, на CX-5. Но их фактическая СЖ находится в пределах 12, поскольку в данных моторах задействован так называемый «цикл Аткинсона», когда смесь сжимается в 12 раз после позднего закрытия клапанов. Эффективность таких двигателей измеряется не по сжатию, а по степени расширения.
В середине XX века в мировом двигателестроении, особенно в США, наблюдалась тенденция к увеличению степени сжатия. Так, к 70-м основная масса образцов американского автопрома имела СЖ от 11 до 13:1. Но штатная работа таких ДВС требовала использования высокооктанового бензина, который в то время умели получать только процессом этилирования – добавлением тетраэтилсвинца, высокотоксичного компонента. Когда в 1970-х годах появились новые экологические стандарты, этилирование стали запрещать, и это привело к обратной тенденции – снижению СЖ в серийных образцах двигателей.
Современные двигатели имеют систему автоматической регуляции угла зажигания, которая позволяет ДВС работать на «неродном» топливе – например, 92 вместо 95, и наоборот. Система управления УОЗ помогает избежать детонации и других неприятных явлений. Если же ее нет, то, например, залив высокооктановый бензин двигатель, не рассчитанный на такое горючее, можно потерять в мощности и даже залить свечи, поскольку зажигание будет поздним. Ситуацию можно поправить ручным выставлением УОЗ по инструкции к конкретной модели автомобиля.