Газовое топливо для коммерческой техники. Газовые двигатели

(Продолжение. Начало см. «ОС» № 10, 2007 г.)

Повышенный интерес к применению альтернативных видов топлива для коммерческой техники нашел свое отражение на ряде выставок в Москве («Интеравто-2007», «Международный транспорт», «Автокомплекс-2007» и др., а также конференциях, проходивших в рамках проведения этих выставок. В частности, на 9-й Международной конференции «Двигатели для российских автомобилей», Втором международном автомобильном форуме, на научно-технической конференции «Двигатель-2007» в МГТУ им. Э.Н. Баумана значительное число докладов было посвящено применению альтернативных видов топлива.

Наиболее полно эта проблема рассматривалась на 5-й Международной специализированной выставке по газораспределению и эффективному использованию газа в конце сентября в КВЦ «Сокольники». Основное число экспонатов было посвящено применению современной газовой аппаратуры с микропроцессорным управлением отечественного и зарубежного производства для перевода транспорта и сельхозтехники на газовое топливо. При этом их бльшая часть относилась к применению природного газа практически для всех видов отечественной коммерческой техники, включая зарубежные модели, выпускаемые в России.

Системы питания газобаллонных двигателей делятся на несколько основных групп:

двухтопливные с искровым воспламенением, с системой питания, позволяющей эксплуатировать машину и на газе, и на жидком топливе;

бинарные, работающие одновременно на смеси альтернативного топлива (пропан-бутана, метана, диметилэфира, метилэфира, растительного масла) и нефтяного топлива (бензина или дизельного топлива);

газожидкостные, для которых основным видом топлива является газ, а для воспламенения используется жидкое топливо, впрыскиваемое в конце такта сжатия;

однотопливные у которых топливом является только альтернативный вид топлива.

В некоторых системах питания предусмотрена резервная система питания на бензине для пуска двигателя при низких температурах, для пуска и движения в закрытых помещениях, а также позволяющая при необходимости доехать с невысокой скоростью до газозаправочной колонки или до станции техобслуживания. В настоящее время в России выпускают большое число моделей газобаллонной аппаратуры для работы и на пропан-бутане, и на метане. Так, автомобили и автобусы ГАЗ, УАЗ, ВАЗ, ПАЗ, КамАЗ оборудуют газовой аппаратурой «САГА-6» (для пропан-бутана) и «САГА-7» (для метана) Пермского агрегатного объединения «ИНКАР». Газовую аппаратуру производят ОАО «Рязанский агрегатный завод» с баллонами ОАО «Рузхиммаш», ЗАО «ТД ОМЗ» (г. Орск), ООО «Славгаз» («Фаворит»), ОАО «Новогрудский завод газовой аппаратуры» (Белоруссия), «Италгаз» и ряд других.

Газобаллонный автомобиль «Волга» с двигателем ЗМЗ-4062

Системы питания на сжиженном газе нефтяного происхождения – пропан-бутане. В газовых баллонах систем питания сжиженным нефтяным газом (СНГ) топливо находится одновременно в двух агрегатных состояниях – в жидкой и газообразной фазах. В блоке арматуры газового баллона автомобилей установлены наполнительный вентиль, расходные вентили для газообразной и жидкой фаз, предохранительный клапан, вентиль максимального уровня, датчик указателя уровня СНГ и трубка для отвода газа за пределы салона.

Наполнительное устройство имеет обратный клапан и фильтр. Расходный вентиль имеет скоростной клапан, ограничивающий выход газа из баллона в случае обрыва трубопровода. На щитке приборов в кабине водителя расположены указатель уровня жидкой фазы газа в баллоне и указатель давления газа в первой ступени редуктора.

Системы питания на сжатом природном газе (метане). При использовании сжатого природного газа система питания содержит от двух баллонов (автомобили ГАЗ) до десяти (автомобили КамАЗ). Метан легче воздуха, поэтому на автобусах обычно баллоны устанавливают на крыше: даже в случае утечки газ будет подниматься вверх, не создавая пожароопасной ситуации, на грузовых автомобилях – под кузовом, на легковых – в багажнике. Система питания с подачей газа через смеситель содержит редуктор высокого давления, фильтр, клапан электромагнитный, редуктор-испаритель, манометр, электронный блок управления.

Системы питания с впрыскиванием природного газа (сжатого) или нефтяного газа (сжиженного) и бензина. В двигателях с распределенным впрыском бензина при переходе на подачу газа через смесительное устройство сохраняются недостатки карбюраторной системы питания (дополнительное сопротивление в смесителе газа, сложность регулирования состава смеси и др.). В системах зажигания с двухискровыми катушками зажигания при «сбоях» в зажигании или нарушении герметичности клапанов происходит воспламенение газовоздушного заряда во впускном коллекторе. Чтобы исключить эти недостатки, применяют микропроцессорные системы дозированной подачи газа во впускные каналы через газовые форсунки с электромагнитным управлением с обратной связью от кислородного датчика.

ООО «Славгаз» создана газодозирующая система «Фаворит» для установки на двигатели с числом цилиндров не более четырех и рабочим объемом до 3 л.

Автомобиль УАЗ с двигателем ЗМЗ-4062, оснащенным аппаратурой для впрыска бензина и газа фирмы «Италгаз»

Максимальный расход сжиженного нефтяного газа – 30 м³/ч. Время открытия форсунки – до 1,0 мс, время закрытия – до 1,2 мс.

Компания «ГИГ Инжиниринг» разработала систему ГИГ-1IIL для подачи сжиженного газа (пропан-бутан) через газовые форсунки непосредственно к впускным клапанам. Подача газа регулируется дифференциальным редуктором, изменяющим давление перед газовой форсункой от 0,2 до 0,05 МПа при максимальном разрежении до 0,2 МПа при полном открытии дроссельной заслонки. Разрежение подается в полость над верхней мембраной, корректируя давление на выходе из редуктора. Применение трехкомпонентного нейтрализатора отработавших газов и электронного блока с обратной связью от кислородного датчика обеспечивает точное дозирование подачи газа и снижает выброс токсичных веществ в атмосферу. На режиме принудительного холостого хода клапан на выходе из редуктора закрывается полностью. Давление газа на выходе из редуктора задается регулировочным винтом.

Один из вариантов системы впуска с впрыском газа был представлен на 5-й Международной специализированной выставке по газораспределению и эффективному использованию газа АUTOGAS Italia и CNG Sistem.

Газодизельные системы питания. Разработаны различные системы питания, обеспечивающие возможность работы двигателя и на смеси дизельного топлива и сжатого природного газа, и только на дизельном топливе. Преимуществами этих систем являются сохранение ресурсов дизтоплива и снижение дымности выхлопа в 3...5 раз, что особенно важно для автобусов и автомобилей, эксплуатирующихся в городах.

Вместимость баллона – 50 л, масса – 62 кг, объем заправленного газа, приведенного к нормальным условиям, в среднем принимается (для каждого баллона) 10 м³. Сжатый газ из баллонов через магистральный вентиль поступает в подогреватель, где нагревается за счет тепла охлаждающей жидкости двигателя. Подогреватель выполнен в виде отдельного узла. Из подогревателя газ поступает в редуктор высокого давления, где его давление снижается до 0,95...1,1 МПа. Дальше газ через электромагнитный клапан с фильтром поступает в двухступенчатый редуктор низкого давления и затем через дозатор газа в смеситель. В смесителе газ смешивается с воздухом, поступающим из воздушного фильтра. Образовавшаяся газовоздушная смесь поступает в цилиндры двигателя, сжимается поршнем, а в конце такта сжатия (с небольшим опережением) в нее впрыскивается через серийную дизельную форсунку запальная доза дизельного топлива. Электрооборудование дизелей работает при напряжении 24 В, поэтому для микропроцессорной системы управления предусмотрена своя электрическая сеть на 12 В. Во время работы на метане при составе газовоздушной смеси a<2 повышается температура самовоспламенения. В системе питания газодизельного двигателя предусмотрен датчик (выключатель) блокировки, исключающий одновременную подачу газа и неограниченной (полной) дозы дизельного топлива.

Система впуска с впрыском газа AutoGas Italia и CNG System

Система питания по газодизельному циклу имеет следующие недостатки: увеличивается стоимость системы топливоподачи, управление запальной дозой дизельного топлива и подачей газа при различных нагрузках сложное, неравномерное распределение смеси по цилиндрам, потери газа во время продувки во время перекрытия клапанов. Последние три недостатка удается устранить, применяя распределенное фазированное впрыскивание газа после закрытия выпускных клапанов форсунками. При работе на СНГ температура самовоспламенения падает, что приводит к преждевременному воспламенению. На 7...10% повышается тепловая нагрузка на поршень, что ограничивает форсирование двигателя. Увеличивается выброс СО примерно в 2 раза, СН в 4 раза и оксидов азота на 30%. Повышается неравномерность распределения смеси по цилиндрам.

Газовая топливная система питания грузовых автомобилей обычно состоит из восьми или десяти баллонов высокого давления, соединенных между собой стальными толстостенными бесшовными трубками. Для повышения безопасности баллоны разделены на две секции. Каждая секция имеет свой расходный вентиль. Заполнение баллонов газом производится через наполнительный вентиль. На грузовых автомобилях баллоны располагаются под кузовом, на тракторах – на крыше или между задними колесами.

В ГНЦ РФ НАМИ совместно с АО «Автосистема» и заводами-производителями разработан комплект газодизельной аппаратуры для перевода грузовых автомобилей, автобусов и тракторов на газодизельный цикл.

Системы питания на газе в сжиженном состоянии. Разработаны системы питания на сжиженных газах: природном газе (ПГС) и диметилэфире (ДМЭ). Масса системы хранения природного газа на автомобиле может быть существенно снижена за счет перевода его в жидкое состояние при температуре –162 °С в специальных криогенных баках из нержавеющей стали или алюминиевых сплавов с многослойной теплоизоляцией. Из пространства между стенками сосудов откачивается воздух.

Криогенная система по сравнению с системами, рассмотренными выше, имеет меньшие габаритные размеры и массу, способна хранить больше энергии и может обеспечить автомобилю технико-экономические показатели, лишь немного уступающие бензиновому варианту. Однако криогенные системы сложны, стоимость их изготовления высокая, они трудоемки в обслуживании и менее надежны в эксплуатации. При длительном хранении газ нагревается, давление в баллоне повышается, и потому в целях безопасности газ приходится стравливать в атмосферу.

ОАО «НПО Гелиймаш» созданы топливные системы для автомобилей, автобусов и тракторов на природном газе в сжиженном состоянии (ПГС), а также заправочные станции (см. таблицу).

Природный газ из газового топливопровода поступает в компрессорное отделение, сжимается до давления 20 МПа, очищается от масла, влаги, углекислоты, охлаждается в теплообменниках и затем сжижается. Также в системе предусмотрена возможность заправки автомобилей компримированным (сжатым) топливом.

(Окончание следует)