ГАЗОДИЗЕЛЬ - ПРАВДА И МИФЫ

Тематика газодизеля в настоящее время очень актуальна, но при этом обросла таким количеством легенд и слухов, что мы считаем необходимым разместить ниже материал, полезный всем. Он объясняет суть использования газа как топлива для ДВС, его специфику и ограничения применения в газодизельных двигателях.
Рост цен на топливо заставляет перевозчиков всё больше задумываться о способах экономии. Одним из вариантов экономии является переход на альтернативные виды топлива. Самым популярным является природный газ.
Немного базовой теории
Что же такое природный газ? Природный газ состоит, в основном, из метана – 82…98% по объему – с небольшими примесями: этана – до 6%, пропана – до 1,5%, бутана – до 1%, азота – до 7%. Именно метан влияет на свойства природного газа, т.к. его содержание доминирующее.
Природный газ – газообразное вещество без цвета и запаха, поэтому для повышения условий безопасности и обнаружения при утечках природному газу придают особый запах – одорируют. Одоризация осуществляется путем добавления пахучих веществ, позволяющих определить даже незначительные утечки газа из системы питания. В качестве одорантов используют меркаптан (RHS) или его соединения – метил или этилмеркаптан, запах которого ощущается при содержании его 0,2 г в 1000 кубических метрах воздуха. Добавляют 16 г на 1000 кубических метров газа.
Теперь давайте рассмотрим подробнее основные свойства природного газа.
Плотность природного газа почти в два раза ниже (0,554…0,70) плотности воздуха, и в случае негерметичности системы утечка сразу же будет подниматься вверх.

Как и любое топливо, природный газ относится к группе веществ, способных образовывать с воздухом взрывоопасные смеси. Верхний концентрационный предел взрываемости в смеси с воздухом составляет 15%, а нижний – 5% в соотношении по объему.
Как видно из изображения, представленного выше, среди всех основных применяемых на сегодняшний день видов топлива природный газ имеет самый высокий концентрационный предел воспламенения – 5…15%. При этом, как уже говорилось ранее, он легче воздуха почти в два раза, что делает практически невозможным образование взрывоопасной концентрации на открытом воздухе, даже в безветренную погоду. Кроме того, образовать взрывоопасную смесь внутри баллона, который представляет из себя герметичный сосуд, также невозможно, т.к. в нем нет воздуха, следовательно, и кислорода. А как нам всем известно, именно кислород является окислителем.
В это же время, всего 1% паров дизельного топлива в смеси с кислородом воздуха образует взрывоопасную концентрации. А, например, пропан-бутановая смесь при концентрации 2,1…9,5% также может воспламениться. Кроме того, пропан-бутан тяжелее воздуха и любая утечка скапливается около автомобиля.

Также очень важным аспектом применения природного газа в автомобилестроении является то, что он не оказывают токсического действия на организм человека (не ядовит). По токсилогической характеристике КПГ в соответствии с ГОСТ отнесен к самому безопасному 4-му классу опасности горючих веществ. Углеводороды природных газов в организме человека не аккумулируются и в воздушной среде токсичных соединений не образуют. Однако повышенная концентрация в воздухе может вызвать раздражение кожных покровов, слизистых оболочек глаз и верхних дыхательных путей, действовать удушающе, а при высоких концентрациях вызвать отравления, связанные из-за недостатка кислорода с асфиксией. Но скопить такую концентрацию, особенного на открытом воздухе, при соблюдении требований техники безопасности невозможно.

Эмиссия токсичных компонентов в отработавших газах двигателей, работающих на различных видах топлива, при оптимальной регулировке топливной аппаратуры приведена в таблице. Выбросы при сжигании бензина приняты за 100% (используется неэтилированный бензин).

Как видно из таблицы, применение двигателей, работающих либо на природном газе, либо в двухтопливном режиме (дизель-газ), существенно повышает экологичность автомобильного транспорта. И это ещё один большой плюс в пользу природного газа.
В чем различия между монотопливными (газовые и дизельные) и двухтопливнаыми двигателями?
На сегодняшний день существует два принципиальных способа установки газового оборудования (ГБО) на дизельные автомобили:

  • Первый – полное переоборудование двигателя для работы только на газовом топливе. Для этого двигатель подвергается основательной модернизации (замена поршневой группы, головок блока цилиндров т.д.).

  • Второй, более простой и дешевый, вариант установки ГБО основан на комбинированном режиме питания (газодизельный режим).

С появлением двухтопливных автомобилей рождается и большое количество мифов о принципе работы, вариантах установки и настройки данной системы. Поэтому в данной статье мы постарались раскрыть все основные аспекты работы таких автомобилей.

Как мы уже говорили раньше, существует два, принципиально отличающихся друг от друга, способа использования природного газа как топлива:

  • ̶ Монотопливная система, т.е. двигатель, работающий только на природном газе.

  • ̶ Двухтопливная система, т.е. двигатель, работающий на смеси природного газа и дизельного топлива.

Ниже в таблице мы приведем сравнение этих вариантов, и Вы сможете сами определить достоинства и недостатки каждого и них.
Если проанализировать таблицу, то можно сделать следующие выводы:

  • Монотопливная система имеет преимущества перед двухтопливной системой с моновпрыском с точки зрения экологического класса (а не за горами введение в России экологического стандарта Евро-6) и процента замещения, т.к. стоимость природного газа значительно ниже стоимости дизельного топлива. Процент замещения в двухтопливных системах (моновпрыск) составляет максимально 50…55%. Проценту замещения мы уделим особое внимание, но немного позже.
  • Монотопливная система имеет ряд недостатков, к которым прежде всего стоит отнести снижение мощности и крутящего момента двигателя, если сравнить с аналогичным по объему дизельным двигателем, в среднем на 10…20%. При работе в двухтопливном режиме сохраняется мощность и крутящий момент двигателя на уровне дизеля. Кроме того, на сегодняшний день цены на автомобили с газовым двигателем значительно выше, чем на дизельные. Также одним из сдерживающих факторов развития монотопливных газовых двигателей является слабо развитая инфраструктура заправок. Двухтопливный автомобиль в свою очередь может продолжить движение в дизельном режиме без каких-либо ограничений.
  • Существует еще один вариант двухтопливной системы – HPDI система. Это самая инновационная система на рынке двухтопливных автомобилей, разработанная в холдинге «Westport», в который входят «Prins», способна давать замещение до 95%. Принцип работы заключается в том, что газ подается непосредственно в камеру сгорания под давлением 300 бар. Причём подача топлива осуществляется двухтопливной форсункой, т.е. в форсунке имеются два канала, по которым подается дизельное топливо и газ. Газ подается в конце такта сжатия. Однако для его воспламенения при давлении, которое обеспечивает обычный дизельный двигатель, требуется более высокая температура. Поэтому в цилиндр предварительно впрыскивается небольшое количество дизельного топлива с последующим основным впрыском газа. Эта система в России на сегодняшний день представлена только на автомобилях Volvo и она достаточно дорогостоящая.
Теперь давайте подробнее остановимся на принципе
работы двухтопливного автомобиля
Принцип работы на двойном топливе (Dual Fuel) следующий: основным здесь по-прежнему является дизельное топливо, однако часть его замещается газом.
Такт впуска
Такт сжатия
Такт рабочего хода
Такт выпуска
Во время такта впуска при открытом впускном клапане в цилиндр двигателя вместе со свежим воздухом поступает природный газ. Затем при такте сжатия в цилиндре двигателя повышается давления и, следовательно, температура. Однако этой температуры недостаточно для воспламенения природного газа. Температура самовоспламенения природного газа находится в пределах 600…640ºС, поэтому воспламеняться от сжатия он не может (для воспламенения газа необходим искровой или запальный разряд). В конце такта сжатия осуществляется подача дизельного топлива, которое и выполняет функцию свечи зажигания, т.е. воспламеняет топливовоздушную смесь.

Степень же замещения дизельного топлива газом зависит от нагрузки на двигатель и, собственно, самой топливной аппаратуры – оригинальной дизельной и применяемой газовой. В настоящее время системы ведущих мировых производителей позволяют замещать до 50...55% дизтоплива. На рынке газодизельных автомобилей многие производители систем предлагают замещения 60% и выше. Мы провели множество испытаний автомобилей и можем с уверенностью утверждать, что замещение более 55% возможно, но это приводит к снижению экологических норм и снижению ресурса двигателя, т.к. увеличение подачи природного газа может привести к детонации, калильному зажиганию и повышению температуры в камере сгорания.

Горение в цилиндре двигателе – это сложный процесс, который требует точной настройки оборудования и контроля. Небольшая ошибка управления или отклонение от нормы вызовут ненормальное протекание процесса сгорание и, как уже говорилось ранее, детонации. Некоторые производители двухтопливных систем устанавливают дополнительные датчики, в том числе датчик детонации (ДД), предназначенный для считывания вибраций, которые могут происходить при преждевременном воспламенении или непреднамеренном возгорании топливовоздушной смеси. Однако применение данных датчиков в двухтопливных системах с моновпрыском не имеет особого смысла, т.к. датчик имеет достаточно большую инертность в работе, а подача природного газа осуществляется во впускной коллектор. Таким образом, даже в случае обнаружения электронным блоком управления детонации, с момента снижения подачи газа инжекторами и поступлением газа в цилиндр двигателя до сигнала данного датчика пройдет немало времени, т.к. система с моновпрыском имеет более длительное время реакции на изменение цикловой подачи топлива. Кроме того, в двухтопливных автомобилях воспламенение происходит за счет дизельного топлива, которое, как мы знаем, воспламеняется от сжатия.
Поэтому целесообразно не «пичкать» систему датчиками, а провести четкую настройку подачи газа и процента замещения, но это более сложный и трудоёмкий процесс. Фирма «Prins» проводит именно такие испытания, благодаря которым и получают оптимальную настройку системы. Но, к сожалению, далеко не все производители идут по трудному пути.

Проведение испытаний двигателя на стенде
проверка соответствия нормам выброса отработавших газов, настройка подачи газа для бездетонационного сгорания, проверка мощностных показателей, контроль температуры отработавших газов
Проведение испытаний автомобиля на мощностном стенде
проверка соответствия нормам выброса отработавших газов, настройка подачи газа для бездетонационного сгорания, проверка мощностных показателей, контроль температуры отработавших газов
Проведение дорожных испытаний груженого автомобиля
окончательная настройка и калибровка электронного блока управления, определение точного расхода топлива и определение итого процента замещения
Почему же повышенное замещение приводит к вышеупомянутым последствиям?
Давайте немного рассмотрим теорию горения природного газа
Как известно сжигание газа в камере сгорания двигателя происходит не в чистом кислороде, а в кислороде воздуха. В воздухе на 21 объем кислорода приходится 79 объемов азота (если пренебречь незначительным количеством СО2 и редких газов).
Уравнение реакции горения метана выглядит следующим образом:
СН4 + 2О2 + 7,52N2 → СО2 + 2Н2О + 7,52N2
Однако не стоит забывать, что в камере сгорания при горении создаются высокая температура и давление, поэтому и химическая реакция протекает по-другому, и состав отработавших газов будет существенно отличаться от обычного горения при атмосферном давлении. Также не стоит забывать, что в камере сгорания есть ещё и дизельное топливо, которое также участвует в реакции. При слишком большом замещении молекулы метана просто не успевают найти молекулы кислорода для реакции. Таким образом, в отработавших газах появляются оксиды азота (NOх), несгоревшие углеводороды (СН), что значительно снижает экологические нормы. А автомобиль в двухтопливном режиме работы должен удовлетворять тем же нормам Евро, что и в дизельном режиме.

Стоит упомянуть ещё одну особенность: природный газ горит медленно, поэтому подавать газ на оборотах холостого хода не имеет никакого смысла, т.к. газ всё равно не успеет сгореть и будет выброшен в выхлопную трубу.

На высоких же оборотах при работе под нагрузкой большое количество природного газа в камере сгорания приведет к резкому повышению температуры и, как следствие, перегреву двигателя или даже к прогоранию поршня. При этом газ также не успевает полностью сгореть.

Поэтому при запуске двигателя в режиме холостого хода и малых нагрузках подача газа в наших системах не осуществляется. Также значительно уменьшается, либо вообще прекращается, подача газа на максимальных нагрузках двигателя.

Для того чтобы получить эффективное замещение, но при этом не загубить двигатель, система «Dual Fuel CNG» фирмы «Prins» проходит длительный процесс настройки и калибровки под каждую модель автомобиля. И создается индивидуальная топливная карта, пример одной из которых приведен ниже.
Как видно из представленной «топливной карты», на низких оборотах и нагрузках подача природного газа нулевая. При высоких оборотах и нагрузках происходит существенное снижение процента замещения и в некоторых моментах оно сводится к нулю.