Содержание
Газовые двигатели ЯМЗ: вектор газа
В трудах древнегреческих философов встречается парадоксальная дилемма: что первично — яйцо или курица? Аналогичная ситуация возникла в России с применением компримированного (сжатого) природного газа (КПГ) как топлива для автомобиля. С одной стороны, нужны двигатели, работающие на метане, и транспортные средства, адаптированные к таким моторам. Но кто же будет покупать газобаллонные автомобили, если сеть заправок по-прежнему жидкая? С другой стороны, Газпрому нет резона строить и содержать АГНКС в ожидании потенциальных клиентов. Аристотель совершенно справедливо считал, что птица и яйцо появились одновременно…
Конкурентное предложение
В России для грузовиков средней грузоподъемности и большинства автобусов самый востребованный диапазон мощности двигателей — от 150 до 300 л.с. Это касается и газовых моторов. После того как на ярославский конвейер поставили четырехцилиндровый ЯМЗ‑534 объемом 4,43 литра и «шестерку» ЯМЗ‑536 объемом 6,65 литра, появилась возможность конвертировать их под сжатый природный газ.
В том, что газовые моторы ЯМЗ‑534 CNG и ЯМЗ‑536 CNG не потеряли мощности при работе на метане, велика заслуга схемы ГРМ с четырьмя клапанами на цилиндр, интеркулера и турбины. С атмосферных двигателей такую мощность не снять.
Расшифровка аббревиатуры CNG — сompressed natural gas (сжатый природный газ). Моторы ЯМЗ‑534 CNG и ЯМЗ‑536 CNG существуют в нескольких модификациях — как по настройкам мощности, так и по назначению. У «четверки» диапазон мощности — от 150 до 170 л.с. при крутящем моменте от 493 до 590 Нм (при 1200–1600 об/мин). У «шестерок» три версии: мощностью 258, 285 и 312 л.с.
Между тем планируется выпуск «шестерки» увеличенного до 7 литров рабочего объема и мощностью 330–370 л.с. При том же диаметре поршня (105 мм) его ход будет увеличен с 128 до 136 мм. На основе этого дизеля в перспективе будут создавать и более мощную газовую версию — под метан.
В России основными заказчиками дизельной «четверки» являются Горьковский автозавод и Павловский автобусный, а «шестерки» — Ликинский автобусный завод, Урал и МАЗ. Как ожидается, газовые двигатели должны хорошо пойти на экспорт — они отвечают нормам Евро‑5. В сравнении с аналогичными дизелями иностранных производителей и их газовыми версиями, ЯМЗ‑530 дешевле на 20–25% при сопоставимой мощности и экономичности. Заявленный ресурс дизельных «четверок» — не менее 700 тысяч километров, «шестерок» — 900 тысяч.
В 2016 году на ЯМЗ выпустили около 42 тысяч моторов, из них 15,5 тысячи — семейства ЯМЗ‑530, еще 6 тысяч — дизели Daimler OM 646 для автобусов Mercedes-Benz Sprinter, собираемых на ГАЗе. В 2016 году изготовили около 500 двигателей ЯМЗ-530 CNG. План ярославского завода на 2017 год — 2000 газовых моторов.
Отто против Дизеля
Газовый мотор ЯМЗ‑530 CNG на 90% унифицирован с дизельным, но переведен на цикл Отто. У него есть свечи, катушки зажигания и даже дроссельная заслонка. Степень сжатия уменьшили до 12 единиц — для этого пришлось изменить поршни. Ведь камера сгорания находится в днище поршня, а не в головке цилиндров. Поскольку у метана или пропан-бутана октановое число выше 100, требуется более высокая степень сжатия, нежели под 98‑й бензин.
Свечи зажигания вкручивают через нержавеющую резьбовую втулку-проставку на место установки форсунок у дизеля. А так как форсунки у моторов ЯМЗ‑530 находятся под клапанной крышкой, то для замены свечей эту крышку надо снять. При такой трудоемкости операции абы какие свечи сюда не поставишь: применяют жаропрочные свечи Bosch с платиноиридиевыми электродами — их хватает с запасом на 30 тысяч километров.
Высоковольтные провода к свечам подведены по сверлению в головке для топливных трубок. А электронное управление зажиганием и подача газа в двигатель схожи с современными системами обычного бензинового мотора. И, что особенно важно в России, газовое оборудование жизнеспособно при морозах до 40 градусов!
Применены катушки зажигания фирмы Marshall, индивидуальные для каждого цилиндра. Нет высоковольтного распределителя-«бегунка» и крышки. Все это идет на пользу и газовому двигателю.
А что с заправками?
По разным сведениям, на конец 2016 года в Российской Федерации функционировало от 237 до 280 АГНКС. Из них около 228 газозаправочных станций принадлежит Газпрому, остальные — сторонним организациям. Если сравнивать с обычными АЗС, то АГНКС у нас в 100 раз меньше, причем распределены они очень неравномерно. Сейчас Газпром интенсивно строит газовые заправки: в октябре 2016 года открыли 14 новых АГНКС в шести федеральных округах, а к концу 2018 года планируется расширить сеть до 470 станций. Кроме того, газификацией коммерческого автотранспорта занялась Роснефть: в планах значится строительство 1000 АГНКС, на которое выделяется до 60 миллиардов рублей! Но сроки — до 2023 года.
Природный газ — один из самых дешевых видов автомобильного топлива. С газовой тематикой работают все ведущие производители грузовиков и автобусов. На метане ездят даже в тех странах, где своего газа нет и его закупают за рубежом. Но по объемам производства выпуск газобаллонных автомобилей, конечно же, существенно отстает от выпуска более востребованных дизельных и бензиновых.
Проблему сети заправок помогут решить компактные контейнерные станции — стационарные или передвижные, импортные или российского производства. Стационарные заправки производит специализированное подразделение холдинга «Русские машины», куда входит и «Группа ГАЗ», и фирма РМ-КПГ. В 2015 году РМ-КПГ ввела в эксплуатацию в Нижнем Новгороде газозаправочный модуль для обслуживания технологического автопарка Горьковского автозавода, а также муниципальных газомоторных автобусов. Модуль смонтирован в обычном 40‑футовом контейнере, который можно установить на любой АЗС и подключить к магистральной газовой трубе. Такие АГНКС уже работают в Кургане, обеспечивая, в частности, потребности завода КАвЗ.
Остается надеяться, что такой сценарий развития газомоторной темы в России устроил бы не только Аристотеля, но и современных российских автомобилистов.
Газовый двигатель
Баллон со сжиженным углеводородным газом на «Газели»
Автомобильная газозаправочная станция в Казани
Газовый двигатель — двигатель внутреннего сгорания, использующий в качестве топлива сжиженные углеводородные газы (пропан-бутан) или природный газ (метан).
Газовый двигатель работает по тепловому циклу Отто, когда теплота подводится к рабочему телу при постоянном объёме. Отличие от бензиновых двигателей, работающих по этому циклу — более высокая степень сжатия (около 17-ти). Объясняется это тем, что используемые газы имеют более высокое октановое число, чем бензин.
В 1930-е—1940-е годы в связи с нехваткой бензина широкое распространение получили газогенераторные автомобили. На автомобиль устанавливался Газогенератор, из древесных чурок производился генераторный газ. В связи с низкой калорийностью газа (состав: окись углерода и водород) эти типы двигателей ушли в прошлое.
Основная статья: Газогенераторный автомобиль
Как правило, газовые двигатели редко выпускаются серийно, за исключением применения их для специализированных задач в науке и технике.
Для работы на транспорте используются газовые двигатели, переоборудованные из традиционных бензиновых, а с недавнего времени — после развития в Европе соответствующих технологий — и из традиционных дизельных.
По причине более высокой степени сжатия дизельные двигатели более полно раскрывают потенциал газового двигателя по сравнению с бензиновыми «собратьями». Однако, переоборудование дизелей под использование газа имеет свои особенности. По причине того, что газ не воспламеняется, подобно дизельному топливу, при увеличении давления в цилиндре на такте сжатия, необходимо дооборудование дизелей системой зажигания (подобно бензиновым вариантам), либо использование в топливо-воздушной смеси части дизельного топлива в виде т. н. «запальной дозы» (от 30 до 50 % от всего количества топлива). В остальном, применение газа на дизельных двигателях все больше приобретает популярность, и обещает в ближайшие годы получить широкое распространение, как в виде газовых двигателей в «чистом виде», так и в универсальных газодизелях.
В целом, переоборудование двигателей внутреннего сгорания на транспорте под газовый двигатель существенно экономит средства их владельцам по причине более низкой отпускной цены на такой вид топлива.
Устройство и принцип работы газобаллонного автомобиля
Газозаправочная аппаратура на автомобиле Карбюратор-смеситель
Автомобиль, оснащённый газобаллонным оборудованием (ГБО), использует в качестве топлива сжиженный нефтяной газ (смесь газов «пропан-бутан») или сжатый природный газ (метан).
На автомобиле сжиженная пропан-бутановая смесь находится в баллонах, установленных на раме, под полом салона автобуса или в багажнике легкового автомобиля. Сжиженный газ находится в баллоне под давлением 16 атмосфер (баллон рассчитан на максимальное давление 25 атмосфер).
На баллоны для сжиженного газа устанавливается специальный мультиклапан, через который производится заправка баллона и отбор газа в топливную систему двигателя. Мультиклапан является важным компонентом газобаллонного оборудования, обеспечивающим его безопасное использование. Он включает в себя:
- Заправочный и расходный вентиль
- Указатель уровня газа в баллоне. Представляет собой поплавок на рычаге, находящийся внутри баллона, и связанный с ним стрелочный индикатор либо электронную схему, передающую информацию о положении поплавка на индикатор внутри салона автомобиля
- Обратный клапан в заправочной магистрали, предотвращающий вытекание газа через неё
- Скоростной клапан в расходной магистрали, перекрывающий подачу газа при превышении его расходом некоторого порогового значения. Порог подобран так, чтобы клапан закрывался только при разрыве расходной магистрали (предотвращая, таким образом, сильную утечку газа), и оставался открытым при обычном уровне расхода газа.
- Стопорный клапан, предотвращающий наполнение баллона газом более чем на 80-90 %%. Клапан находится в заправочной магистрали и закрывается при достижении указанной степени заполнения баллона. Ограничение максимального наполнения баллона необходимо для предотвращения чрезмерного повышения давления в нём в случае нагрева (например, на солнце в жаркую погоду)
Мультиклапан также может содержать в себе предохранительный клапан (стравливает газ при высоком давлении, например при перегреве баллона), пробку из легкоплавкого сплава (не допустить взрыва баллона при пожаре, сбросить газ в атмосферу, чтобы он просто сгорел) и дополнительный вентиль для отбора в двигатель паровой фазы при запуске холодного двигателя. Однако, наличие данных компонентов в мультиклапане не обязательно.
Баллоны для сжатого природного газа находятся на раме, под полом салона автобуса или на его крыше. Сжатый метан находится под давлением до 200 атмосфер. Несколько баллонов объединены в общую магистраль, имеется общий заправочный вентиль, каждый баллон также имеет собственный вентиль.
Газ из общей магистрали поступает в испаритель (подогреватель) — теплообменник, включён в систему жидкостного охлаждения, после прогрева двигателя газ подогревается (сжиженный газ испаряется) до температуры ≈75 °C. Далее газ проходит через магистральный фильтр.
Затем газ поступает в двухступенчатый газовый редуктор, где его давление снижается до рабочего. Современные газовые редукторы обычно совмещают эти два устройства (испаритель и собственно редуктор) в едином устройстве.
Далее, газ поступает в смеситель (или в карбюратор-смеситель или в смесительную проставку под штатным карбюратором, определяется конструкцией топливной аппаратуры). В силу того, что в смесителе происходит смешивание двух газов, их конструкция существенно проще чем конструкция бензиновых карбюраторов, в которых происходит смешивание двух разных фаз — жидкой (бензин) и газообразной (воздух), из-за чего в конструкции карбюратора имеются довольно сложные системы для поддержания постоянного состава смеси при разных расходах.
Двигатели разделяются на:
- специальные (или модифицированные), предназначенные только для работы на газе, бензин используется краткосрочно при неисправности газовой аппаратуры, когда нет возможности произвести ремонт на месте;
- универсальные, рассчитанные на длительную работу как на газе, так и на бензине.
Бензобак и топливный насос на автомобилях с газовыми двигателями сохраняются.
В холодное время года запуск двигателя, работающего на сжиженном газе производится путём отбора паровой фазы, после прогрева испарителя происходит переключение на жидкую фазу. Однако, для бензиновых двигателей, переоборудованных для работе на газе, крайне рекомендуется пуск двигателя осуществлять на бензине, а на газ двигатель переключать после прогрева до температуры 40-50 °C.
> См. также
- Автомобильная газонаполнительная компрессорная станция
