Автомобиль на природном газе
Природный газ является самым экологичным ископаемым топливом. Использование природного газа в автомобилях позволяет снизить содержание в выхлопе углекислого газа на 25%, угарного газа на 75%. Основным компонентом природного газа выступает метан. Природный газ храниться под давлением 200 бар, поэтому другое его название – сжатый (компримированный) природный газ (Compressed Natural Gas, CNG). В настоящее время свыше 15 миллионов автомобилей в мире эксплуатируется на природном газе. Другим преимуществом природного газа является его низкая цена (метан в 2-3 раза дешевле бензина). К недостаткам использования природного газа можно отнести падение мощности автомобиля (до 20% в зависимости от конструкции), неразвитая сеть заправочных станций в России, повышенный износ клапанов при работе двигателя на газе, высокая стоимость газобаллонного оборудования. Отдельно необходимо сказать о безопасности автомобилей на природном газе. Исследования немецкого автомобильного клуба (ADAC) показали, что риск возникновения пожара при лобовом и боковом ударе транспортного средства не увеличивается. То есть при аварии автомобиль, работающий на природном газе, ведет себя как обычный автомобиль. Различают следующие виды автомобилей на природном газе:
- серийные автомобили (выпущенные серийно на заводах автопроизводителей);
- модифицированные автомобили (переоборудованные на специализированных предприятиях).
Серийные автомобили на природном газе
Серийные автомобили на природном газе выпускаются в двух вариантах исполнения: двухтопливные (газ и бензин используются на равных правах, имеется возможность переключения режимов) и монотопливные (основное топливо газ, имеется аварийный бензобак, автоматическое переключение на бензин). Монотопливные автомобили лучше приспособлены для работы на природном газе, у них оптимальный расход топлива и низкий уровень вредных выбросов.
Для перевода на природный газ автопроизводители используют имеющиеся бензиновые двигатели (двигатели с искровым зажиганием). Наилучшим образом для перевода на газ приспособлены двигатели с турбонаддувом. Адаптация работы турбокомпрессора (большее сжатие, дополнительное давление наддува) позволяет добиться одинаковой для газа и бензина характеристики мощности и крутящего момента двигателя.
Особенностями сжатого природного газа являются повышенная детонационная стойкость (октановое число 130) и отсутствие смазывающих свойств, что приводит к повышенным нагрузкам на двигатель. Для противодействия перечисленным факторам в механическую часть двигателя вносятся различные изменения, повышающие прочность отдельных элементов и узлов (поршневых пальцев и колец, шатунных вкладышей, направляющих и седел клапанов). При необходимости повышается теплопроводность бензиновых форсунок, увеличивается производительность водяного и масляного насосов, заменяются свечи зажигания.
Серийные автомобили на природном газе предлагают большинство автопроизводителей, в том числе Audi, BMW, Citroen, Chevrolet, Fiat, Ford, Honda, Hyundai, Mercedes-Benz, Opel, Peugeot, Seat, Skoda, Toyota, Volkswagen, Volvo. Автомобили реализуются в регионах, где использование природного газа наиболее распространено. В нашей стране серийные автомобили на природном газе официально не продаются. Серийный автомобиль на природном газе с пробегом можно ввести в страну.
Модифицированные автомобили на природном газе
Теоретически все автомобили с бензиновым двигателем могут быть переоборудованы для работы на природном газе. Специализированные центры предлагают установку газобаллонного оборудования на природном газе от различных производителей. В результате вы получаете двухтопливный автомобиль, способный работать на газе и бензине. Ввиду высокой стоимости газобаллонное оборудование на природном газе устанавливается, в основном, на коммерческий транспорт (такси, автобус, грузовые автомобили), где оно быстрее окупается и позволяет получить существенную выгоду.
Дизельные двигатели также могут быть переведены на природный газ. Здесь реализуется два подхода: принудительное воспламенение топливно-воздушной смеси (установка системы зажигания вместе с газобаллонным оборудованием); самовоспламенение топливно-воздушной смеси (работа двигателя на смеси дизельного топлива и природного газа). Ввиду высокой стоимости на природный газ переводятся дизельные двигатели автобусов и грузовиков.
Газобаллонное оборудование
Газобаллонное оборудование (ГБО) для работы на сжатом природном газе объединяет систему питания газом и электронную систему управления. Состав газобаллонного оборудования для серийных и модифицированных автомобилей в основном идентичен и может иметь конструктивные различия в зависимости от конкретного производителя ГБО.
Система питания природным газом включает заправочную горловину, газовые баллоны, газовую магистраль высокого давления, регулятор давления газа, газовую распределительную магистраль и клапаны подачи газа.
Заправочная горловина (газозаправочный штуцер) располагается рядом с заливной горловиной топливного бака. Через нее при заправке газ под давлением поступает в газовые баллоны. В зависимости от объема двигателя, конструкции автомобиля устанавливается один или несколько толстостенных газовых баллонов различной емкости. В серийных автомобилях баллоны размещаются, как правило, под днищем автомобиля, в модифицированных автомобилях – в багажном отсеке. Баллоны крепятся к корпусу хомутами.
Из баллонов газ по магистрали высокого давления поступает в регулятор давления газа, который обеспечивает снижение давления газа до номинального рабочего давления (7-9 бар). В газобаллонном оборудовании используются регуляторы давления диафрагменного или плунжерного типа. Снижение давления (расширение) газа сопровождается его сильным охлаждением. Для предотвращения замерзания корпус регулятора давления газа включен в систему охлаждения двигателя.
Газ номинального рабочего давления поступает в газовую распределительную магистраль и далее к клапанам подачи газа во впускном коллекторе. Клапан подачи газа (в некоторых источниках – газовая форсунка) представляет собой электромагнитный клапан. При подаче тока на катушку электромагнита, поднимается якорь и открывается дозирующее отверстие. Газ в импульсном режиме поступает во впускной коллектор и смешивается с воздухом. При отсутствии тока, пружина удерживает клапан в закрытом положении.
Электронная система управления подачей газа включает входные датчики, блок управления и исполнительные устройства. Для серийных автомобилей система управления подачей газа является расширением системы управления двигателем. Модифицированные автомобили имеют отдельную систему управления.
К входным датчикам относятся датчик давления в баллоне и датчик давления в газовой распределительной магистрали. Датчик давления в баллоне располагается на регуляторе давления. Он определяет запас газа в баллоне (баллонах) величину заправки газом, а также герметичность баллона (баллонов). Датчик давления в газовой распределительной магистрали определяет давление газа в контуре низкого давления, на основании которого определяется продолжительность открытия клапанов подачи газа.
Сигналы от датчиков поступают в электронный блок управления. В своей работе блок управления использует информацию от других датчиков систему управления двигателем: частоты вращения коленчатого вала, положения дроссельной заслонки, кислородного датчика и др. В соответствии с заложенным алгоритмом блок управления выполняет рад функций:
- управление впрыском газа (в зависимости от числа оборотов двигателя, нагрузки, качества и давления газа);
- лямбда-регулирование работы на газе (обеспечение работы на гомогенной смеси, адаптация качества газа);
- холодный пуск двигателя (при температуре воздуха ниже 10оС запуск двигателя производится на бензине);
- аварийный пуск двигателя (если в течение нескольких секунд не производится запуск на газе, производится запуск на бензине).
Перечисленные функции реализуются с помощью исполнительных устройств: клапанов подачи газа, запорных клапанов на баллонах, клапане высокого давления в регуляторе давления.
Источник
Типы газовых двигателей
Двигатели на природном газе подходят для широкого спектра применений, включая легковые автомобили, легкие коммерческие автомобили, вилочные погрузчики, тяжелые грузовики, автобусы, морские суда, даже железнодорожные локомотивы и самолеты. Чистые свойства природного газа и отсутствие твердых частиц часто снижают износ двигателя, а также, увеличении интервалов обслуживания и замены масла. Это еще больше снижает эксплуатационные расходы.
Двигатели доступны в различных форматах, но обычно подпадают под следующие категории:
• Газовый двигатель (монотопливный)
• Газовый двигатель (двухтопливный)
• Газодизельный двигатель
• Газовый двигатель (трех-топливный)
• Прямой впрыск высокого давления, HPDI
Газовый двигатель (монотопливный)
Специальный двигатель использует природный газ в качестве единственного источника топлива. Газовый двигатель имеет преимущество, он «оптимизирован» для работы на природном газе, что обеспечивает максимальную эффективность и оптимальные результаты по выбросам. Некоторые специальные автомобили также оснащены запасным бензиновым баком, который используется, если в автомобилях заканчивается природный газ. Поскольку автомобиль оптимизирован для использования на природном газе, бензин следует использовать только для коротких поездок, а не на регулярной основе.
Газовый двигатель (двухтопливный)
Двухтопливные двигатели работают на природном газе или бензине (или другом топливе с искровым зажиганием, таком как этанол). Примечание. Газовый двигатель использует бензин для зажигания при включении двигателя, поэтому для успешной работы всегда требуется небольшое количество бензина.
Газодизельный двигатель
Газодизельный двигатель использует смесь природного газа и дизельного топлива, причем смесь природного газа и воздуха воспламеняется дизельным «пилотом». Дизель впрыскивается непосредственно в камеру сгорания, а газ вводится в воздухозаборник путем карбюрации или впрыска газа. Смесь природного газа и дизельного топлива варьируется в зависимости от нагрузки и рабочего цикла двигателя, в диапазоне от 80% до 0% газа. При более низких нагрузках на двигатель использование дизельного топлива, как правило, выше, тогда как при более высоких нагрузках на двигатель можно использовать более высокую долю газа. Газодизель обычно является результатом дооборудования дизельного двигателя и имеет преимущество, они не полностью зависят от природного газа для подачи топлива. Таким образом, если в транспортном средстве заканчивается природный газ или он находится вдали от доступного источника топлива для СПГ, он может работать исключительно на дизельном топливе.
Газовый двигатель (трехтопливный)
Относительно недавняя разработка технологий. Транспортное средство с трехтопливной системой использует бензин, этанол и метан. Транспортное средство может работать на бензине, этаноле (либо одновременно на бензине и этаноле) или природном газе. Трехтопливные автомобили впервые появились на рынке в 2005 году в Бразилии, где этанол и природный газ широко используются для транспорта.
Прямой впрыск высокого давления, HPDI
Запатентованная технология канадской компанией Westport заменяет приблизительно 90% дизельного топлива природным газом. Основой топливной системы HPDI 2.0 является инновационная форсунка с двойной концентрической иглой. Она позволяет впрыскивать под высоким давлением в камеру сгорания небольшие объемы природного газа. Газ подается в конце такта сжатия. Для воспламенения газа при давлении, которое обеспечивает обычный дизельный двигатель, требуется более высокая температура. Поэтому для облегчения воспламенения в цилиндр предварительно впрыскивается небольшое количество дизельного топлива с последующим основным впрыском природного газа. Горящее дизтопливо мгновенно поджигает горячие продукты сгорания в цилиндре, а те, в свою очередь, впрыскиваемую следом порцию природного газа.
Источник