Конвертирование двигателей для работы на газе

Сохраняющаяся тенденция роста цен на топлива нефтяного происхождения, особенно на высокооктановый бензин, и все более ужесточающиеся требования к снижению уровня токсичности отработавших газов вынуждают фирмы по производству двигателей искать пути, позволяющие снизить стоимость эксплуатации автомобиля. Одним из таких путей является конвертирование как бензиновых, так и дизельных двигателей для работы на газовом топливе.

При переводе на газ автомобиль может оборудоваться установкой или для сжатого, или для сжиженного газа. Установки для сжатого газа, ввиду их громоздкости, применяются лишь на грузовых автомобилях и автобусах.

На состоявшейся 10-14 ноября 1999 г. в Санкт-Петербурге VII Международной выставке "Авто-Сервис Шоу - 99" венгерское АО RABA представило новое семейство рядных 6-цилиндровых двигателей G 10 с горизонтальным расположением блока цилиндров, работающих на сжатом природном газе и предназначенных для установки на автобусы и грузовые автомобили. При переводе на газ базовых дизельных двигателей семейства D 10 с рабочим объемом 10,35 л их степень сжатия была уменьшена с 15,2 до 11,0...12,7 в зависимости от модели. Двигатели оборудованы турбокомпрессором с клапаном перепуска отработавших газов и холодильником наддувочного воздуха, расположенными перед газовоздушным смесителем. Смеситель разработан голландской фирмой Deltec Fuel System на основе трубки Вентури с подводом газа в диффузор через систему радиальных отверстий. Коэфициент избытка воздуха в зависимости от режима работы двигателя изменяется в диапазоне а = 0,97...1,5. Расположенная за смесителем дроссельная заслонка позволяет регулировать количество газовоздушной смеси, обеспечивая устойчивую работу двигателя и на частичных нагрузках. Например, двигатель RABA G 10 DE-190 имеет номинальную мощность 190 кВт при 2100 1/мин и максимальный крутящий момент 1130 Нм при 1300 1/мин. При этом коэффициент приспособляемости - 1,27 и скоростной коэффициент = 0,619, что указывает на некоторое улучшение динамических качеств газового двигателя по сравнению с базовым дизельным вариантом. Дизельный двигатель такой же мощности имеет соответственно = 1,183 и = 0,632. При конвертировании на газовое топливо уровни токсичности ОГ и шумности двигателей G 10 по сравнению с дизельными двигателями значительно уменьшились. При этом моторесурс газовых двигателей вырос на 30%.

Так решается обозначенная выше проблема, когда за дело берется солидная фирма. А как обстоят дела в частном секторе? Стремясь уменьшить эксплуатационные расходы на топливо, некоторые автолюбители заменяют уплотнительную прокладку между головкой и блоком цилиндров на более толстую и уменьшают тем самым степень сжатия двигателя. Такой "тюнинг" позволяет заправлять автомобиль более дешевым низкооктановым бензином, однако это сопровождается увеличением расхода топлива, некоторой потерей мощности двигателя, ухудшением его динамических качеств и, как правило, увеличением токсичности отработавших газов. Обусловлено это, во-первых, тем, что с уменьшением степени сжатия при неизменных прочих конструктивных параметрах двигателя неизбежно увеличивается коэффициент остаточных газов , что вызывает уменьшение коэффициента наполнения , уменьшение скорости сгорания топливовоздушной смеси и увеличение неполноты ее сгорания. Во-вторых, уменьшение степени сжатия сопровождается увеличением площади поверхности камеры сгорания и возрастанием по этой причине непроизводительных потерь выделившейся в процессе сгорания теплоты в стенки.

Другой, более эффективный путь решения названной проблемы, - это конвертирование двигателя для работы на газе при сохранении возможности работы его на бензине. В этом случае работа на бензине позволяет сохранить практически неизменными прежние динамические качества автомобиля, что немаловажно, например, в условиях езды по городу (быстрое трогание с места и быстрый разгон). Работа на газе более предпочтительна на загородных трассах, где по условиям дорожного движения (ограничение скорости, плохая дорога) полная мощность от двигателя практически не требуется.

Легковые автомобили оборудуются исключительно установками для сжиженного газа. Рассмотрим наиболее важные характеристики таких автомобилей, а также некоторые особенности устройства системы питания и ее работы.

Помимо уменьшения расходов на топливо работа двигателя на газе обеспечивает и ряд других важных преимуществ:

· увеличение ресурса двигателя, обусловленное отсутствием конденсации топлива и смывания пленки масла со стенок цилиндров;

· увеличение срока службы свечей зажигания вследствие уменьшения нагарообразования на поверхностях камеры сгорания, в том числе на изоляторах и электродах свечей;

· увеличение времени сохранения маслом своих эксплуатационных качеств по причине уменьшения его загрязнения продуктами сгорания и отсутствия его разжижения топливом;

· уменьшение токсичности отработавших газов по причине более полного сгорания газовоздушных смесей и пониженной температуры сгорания.

Однако при переводе двигателя на газ проявляются и определенные недостатки:

Ø происходит некоторое уменьшение мощности двигателя, обусловленное более низкой теплотворной способностью газовоздушных смесей по сравнению с бензовоздушными;

Ø при одинаковой емкости газового баллона и бензобака уменьшается запас хода автомобиля;

Ø газовый баллон занимает часть полезного объема багажного отсека автомобиля (наличие в багажном отсеке полностью заправленного газового баллона емкостью 50 л равносильно размещению в отсеке багажа массой примерно 50 кг).

Последний недостаток весьма существенный, так как посадка в автомобиль, кроме водителя, четырех пассажиров может означать превышение полезной массы автомобиля.

Чтобы принять решение о возможности или невозможности установки на автомобиль газобаллонного оборудования, помимо названных преимуществ и недостатков полезно предварительно познакомиться с наиболее важными характеристиками автомобиля, оснащенного этим оборудованием.

Так как октановое число пропан-бутановой смеси более 100 единиц, то для достижения высоких показателей мощности и экономичности двигатель должен иметь степень сжатия не менее = 8,2 (сравните со значением е для газовых двигателей G 10 фирмы RABA) и работать на бензине АИ-92. При этом чем больше степень сжатия (например, = 9,9 у моделей ВАЗ 2108 - 2109), тем выше экономичность и мощность двигателя. При полезном объеме газового баллона 42 литра (часть объема баллона, заполненная сжиженным газом) и среднем расходе газа для названных моделей примерно 10 л на 100 км запас хода автомобиля на газе составляет около 420 км.

Чтобы оценить срок окупаемости затрат при переводе автомобиля на газовое топливо нужно сначала определить затраты на газовое топливо (бензин) при пробеге автомобиля 1000 км. Для этого можно воспользоваться формулой Зг(б) = 10.Р.Ц, где Зг(б) - затраты на газовое топливо (бензин); Р - расход газа (бензина) на 100 км пройденного пути; Ц - цена одного литра газового топлива (бензина), руб. Разность Зб- Зг показывает материальный выигрыш в рублях при пробеге 1000 км. Умножая эту разность на годовой пробег своего автомобиля, выраженный в тысячах километров, получаем материальный выигрыш за один год эксплуатации автомобиля. Далее остается поделить стоимость установки газового оборудования на годовой материальный выигрыш, и мы получим период времени (в годах), по истечении которого затраты окупятся.

Если взвесив все "за" и "против", вы решили установить газовое оборудование на свой автомобиль, то для более полного знакомства с особенностями конструкции и эксплуатации системы питания двигателя такого автомобиля следует обратиться к [4]. Изложенный ниже материал дает общее представление о устройстве системы питания двигателя, позволяющей работать ему как на газовом топливе, так и на бензине.

Для сохранения неизменной конструкции головки цилиндров при переводе двигателя на газ используется внешнее смесеобразование с помощью смесителей с пересекающимися или параллельными потоками воздуха и газа. Наиболее распространенные схемы смесителей показаны на рис. 6.1.

 

Рис. 6.1. Схемы газовоздушных смесителей: а - с пересекающимися потоками газа и воздуха; б - с параллельными потоками газа и воздуха

 

Обычно такие схемы смесеобразования используют, когда бензиновый двигатель конвертируется для работы только на газе. В этом случае газовоздушный смеситель устанавливается на место карбюратора. Если установить такой смеситель над карбюратором и сохранить тем самым возможность работы двигателя на бензине, то увеличившееся сопротивление впускного тракта приведет при работе на бензине к значительному возрастанию расхода топлива.

При желании сохранить возможность работы двигателя на бензине с приемлемым расходом топлива можно воспользоваться одним из рекомендуемых в [4] путей:

· доработать двухкамерный карбюратор, превратив его в карбюратор-смеситель;

· впаять в переходную коробку воздушного фильтра в зоне над карбюратором две газоподводящие трубки (для двигателей с воздушным фильтром не над карбюратором).

Если нет желания изменять конструкцию дорогостоящего карбюратора, то остается второй путь. При этом в автомобилях, где воздушный фильтр расположен непосредственно над карбюратором, впайку газоподводящих трубок можно произвести в специально изготовленный переходный фланец, который устанавливается затем между воздушным фильтром и карбюратором.

Достаточно хорошо отработана конструкция двухкамерного газового смесителя для автомобилей ВАЗ. Этот смеситель представляет собой переходный фланец, устанавливаемый вместо теплоизолирующей прокладки между корпусом дроссельных заслонок и корпусом поплавковой камеры карбюратора. Такая конструкция обеспечивает минимальный расход газа при работе на холостом ходу, ровную работу двигателя при изменении режима работы, достаточно хорошие мощностные и экономические характеристики и низкий уровень токсичности ОГ.

Схема системы питания двигателя, обеспечивающая его работу на газовом топливе или на бензине, показана на рис. 6.2.

Внимание! Во избежание выхода двигателя из строя и с целью обеспечения пожарной безопасности одновременная работа двигателя на газовом топливе и бензине не допускается.

Система питания выполнена из расчета, что газовое топливо является основным, а бензин - резервным. Для этого в бензопровод между топливным насосом 7 и карбюратором 8 установлен электромагнитный клапан 24. При работе двигателя на газе клапан перекрывает подачу бензина в поплавковую камеру карбюратора. Управление работой клапана осуществляется водителем с помощью переключателя вида топлива, подключаемого через замок зажигания к электрической цепи катушки зажигания и устанавливаемого обычно под щитком приборов.

 

Рис. 6.2. Схема системы питания двигателя для работы на газовом топливе и бензине: 1 - цилиндр двигателя; 2 - бензобак; 3 - заливная горловина; 4 - сепаратор паров бензина; 5 - двухходовой обратный клапан; б - фильтр тонкой очистки; 7 - топливный насос; 8 - карбюратор; 9-обратный клапан; 10 - воздушный фильтр; 11 - воздухозаборник; 12-глушитель; 13 - подогреватель впускного тракта; 14 - баллон для сжиженного газа; 15 - наполнительный вентиль; 16 - расходный магистральный вентиль; 17 - газовый электромагнитный клапан с фильтром; 18 - испаритель редуктора; 19-регулятор первой ступени редуктора; 20- регулятор второй ступени редуктора; 21 - дозатор газа через первый патрубок; 22 - тройник; 23 - дозатор газа через второй патрубок; 24 - бензиновый электромагнитный клапан; 25 - двухступенчатый редуктор-испаритель низкого давления

 

Сжиженный газ находится под давлением 1,6 МПа (16 кгс/см²) в баллоне 14. Заправка баллона производится на автомобильной газонаполнительной станции через штуцер с резиновой конусной муфтой и наполнительный вентиль 15. При работе двигателя газ из баллона по гибкому газопроводу высокого давления поступает через расположенные в одном корпусе 17 электромагнитный клапан и фильтр в двухступенчатый редуктор-испаритель низкого давления 25. Газовый электромагнитный клапан открывается водителем при включенном зажигании с помощью переключателя вида топлива. В случае аварийной ситуации клапан герметично перекрывает газовую магистраль. В фильтре газ очищается от содержащихся в нем механических примесей и смолистых соединений.

Редуктор-испаритель низкого давления 25 состоит из испарителя 18 и регуляторов первой 19 и второй 20 ступеней. Теплота для испарения газа подводится к испарителю от системы охлаждения двигателя. Регулятор первой ступени редуктора понижает давление газа до 0,2 МПа, а после второй ступени давление газа становится близким атмосферному. Под действием разрежения, создаваемого во впускном трубопроводе при работе двигателя, газ через тройник 22 и дозаторы 21 и 23 поступает во впускной трубопровод перед воздушной заслонкой карбюратора. Здесь происходит его смешение с поступающим в двигатель воздухом, в результате чего образуется однородная горючая смесь. При увеличении нагрузки двигателя (открытии дроссельной заслонки) поступление газа автоматически возрастает. От карбюратора газовоздушная смесь следует в цилиндры двигателя по тому же тракту, что и бензовоздушная смесь при работе двигателя на бензине.