Владимир Золотницкий - Автомобильные газовые топливные системы

В общем, как сказал классик: «Есть многое на свете, друг Гораций, что и не снилось нашим мудрецам» При ремонте «газового» двигателя не бывает лопнувших поршневых колец и перемычек. Октановое число 95–110 дает возможность избежать детонации даже на двигателях со степенью сжатия 10–12. Однако двигатели отечественных машин имеют степень сжатия только 8,2–9,5, из-за чего температура сгорания газовоздушной смеси ниже, чем бензовоздушной. К тому же в двигателе, работающем на газе, не происходит дополнительного охлаждения деталей в камере сгорания от испарения капелек бензина. В результате повышается теплонапряженность выпускных клапанов и их седел. Отсюда следует, что некоторое увеличение (на 3–5°) угла опережения зажигания будет весьма оправдано, только придется чаще проверять его. Не лишним будет увеличить на 0,05–0,07 тепловые зазоры клапанов.

Расход газа, на 12 % превышающий расход бензина, – результат сгорания при низкой температуре и недостаточном наполнении цилиндров рабочей смесью. При этом мощность двигателя немного снижается, хотя скорость движения остается практически без изменений.

Но так ли уж важны вам высокие скорости? Ведь далеко не все дороги, избороздившие просторы нашей страны, дают возможность автомобилю разогнаться до больших скоростей. К сожалению, качество российских дорог все еще оставляет желать лучшего.

3. У автомобилей, оснащенных газобаллонным оборудованием, большой расход топлива. Сегодня много «прожорливых» автомобилей. Это особенно чувствуется сейчас, в условиях сильного роста цен на бензин. Ездить на автомобиле стало накладно. Но есть выход из положения – перевести автомобиль на газ. Даже при расходе, превышающем расход жидкого топлива на 12 %, финансовые затраты на использование газового топлива остаются меньше. Ниже приведен расчет затрат на топливо в городе при езде со скоростью 30–50 км/ч.

Экономия стоимости топлива Э на 1 км пути:

Э = Зб – Зг = 1,57 – 1,18 = 0,39 руб.

Сумма экономии на 100 км:

0,39 х 100 = 39 руб.

При годовом пробеге 17 000 км:

17 000: 100 х 39 = 6630 руб.

При таких показателях стоимость газового оборудования окупается в пределах 25–30 тыс. км пробега.

Этот ряд преимуществ использования сжиженного газа в качестве топлива можно продолжить, отметив, в частности, величайшую косвенную заслугу газа – он сберегает более дорогое жидкое топливо.

Вряд ли можно оспорить такой плюс газификации для общественного автотранспорта, как экономия жидкого топлива. Экономия бензина особенно существенна там, где велик его расход. У грузовиков и автобусов, например, расход жидкого топлива в несколько раз больше, чем у легковых автомобилей. А потому так важно в целях экономии перевести эти виды транспорта на газ.

4. Уровень СО в отработавших газах у автомобилей с газобаллонным оборудованием выше, чем у автомобилей, работающих на бензине.

В действительности же при работе автомобиля на газовом топливе содержание в отработавших газах продуктов сгорания (СО и CH) заметно уменьшается, и, благодаря более низкой температуре рабочего цикла, несколько уменьшается и содержание NOx.

Содержание вредных веществ в отработавших газах автомобиля, работающего на газовом топливе, меньше, чем на бензиновом: CO – в 2–4 раза, NOx в 1,2–2,0 раза и CH – в 1,1–1,4 раза.

Таким образом, использование на автомобилях газового топлива обеспечивает выполнение существующих и перспективных международных норм токсичности (Евро-2, Евро-3 и Евро-4).

Взвесив все «ЗА» и «ПРОТИВ», можно заключить, что улучшить создавшееся положение в определенной степени помогает перевод автомобиля на газовое топливо.

Одним из наиболее важных свойств пропана и бутана, отличающих их от других видов автомобильного газового топлива, является наличие паровой фазы над зеркалом жидкой фазы. Это свойство позволяет поддерживать давление в баллоне. В процессе наполнения баллона первые порции сжиженного газа быстро испаряются и заполняют весь его объем.

В качестве примера рассмотрим рис. 1.

Рис. 1. Зависимость давления насыщенных паров пропана и бутана от температуры.

Давление насыщенного пара бутана составляет 0,1 МПа (1 кгс/см2) при 0 °C и 0,17 МПа (1,7 кгс/см2) при 15 °C, а давление насыщенного пара пропана при этой же температуре – соответственно 0,59 и 0,9 МПа. Это означает, что при изменении пропорции состава газа давление последнего изменяется.

С увеличением температуры растет давление, что приводит к значительному изменению объема газа, находящегося в жидком состоянии. Следовательно, если сжиженный газ полностью заполняет баллон и температура продолжает увеличиваться, то внутреннее давление, быстро увеличиваясь, приводит к разрушению баллона.

Поэтому никогда не заполняйте баллон жидкой фазой сжиженного газа полностью. Обязательно оставляйте паровую подушку, объем которой должен составлять 15–20 % от геометрической емкости баллона.

Облегчает выполнение этого требования, о чем будет сказано ниже, многофункциональный прибор – мультиклапан, входящий в состав измерительной и предохранительной арматуры и установленный на обечайке баллона. Это устройство строго следит за заполнением баллона сжиженным газом. Он обязательно сработает при заправке на АЗС и автоматически отключит подачу газа в баллон, когда объем заправляемого сжиженного газа достигнет 80–85 % от общей емкости баллона, и обеспечит пространство (незаполненный объем) для компенсации теплового расширения жидкой фазы за счет объема насыщенного пара, давление которого зависит от температуры окружающей среды.

В условиях холодного климата (или зимы) в газовом топливе (смеси пропана и бутана) должен преобладать пропан для лучшей испаряемости смеси. Пропан перестает переходить в газовую фазу и остается в жидком состоянии при температуре ниже –42 °C, для бутана эта температура равна –0,5 °C.

Изменение давления насыщенных паров P смеси пропана и бутана в зависимости от температуры в баллоне показано на рис. 2. Верхняя кривая на рисунке показывает процентное содержание пропана и бутана в общем объеме сжиженного газа, используемого в зимнее время года, нижняя – то же соотношение для летней поры.

Рис. 2. Зависимость давления насыщенных паров смеси пропана и бутана от температуры.

Поскольку в двигатель сжиженный газ поступает в газообразном состоянии, то по сравнению с бензином несколько уменьшается наполнение им цилиндров. Таким образом, при работе двигателя на газе его мощность немного снижается. Если мощность двигателя, работающего на бензине, принять за 100 %, то мощность двигателя, работающего на газе, будет примерно равна 93 %, что приводит к снижению максимальной скорости примерно на 4 %. Однако ранней установкой угла опережения зажигания до ВМТ на 3–5° этот недостаток частично устраняется. Большой разницы в условиях эксплуатации автомобиля, работающего на газе или на бензине, не ощущается.

Сжатый природный газ (метан) легче воздуха в 1,6 раза и при утечке моментально улетучивается, тогда как газ сжиженный нефтяной тяжелее воздуха в 1,5–2 раза и при утечке накапливается в помещениях, образуя с воздухом взрывоопасную смесь.

Нижний предел воспламенения сжатого природного газа в смеси с воздухом – 5 % от объема, в то время как у пропана он составляет 2,4 %, у бутана – 1,8 % (см. табл. 1). Таким образом, сжатый природный газ менее взрывоопасен: чтобы он «спровоцировал» взрыв, его должно накопиться в 2,5 раза больше, чем газа сжиженного нефтяного. В связи с этим предусмотрены соответствующие меры безопасности, исключающие возможность взрыва сжатого газа: разработана новая конструкция баллонов, в которых он содержится в автомобиле; баллоны эти более прочные и имеют резервную предохранительную мембрану (по температуре).

Еще одно преимущество: при работе на компримированном (сжатом) природном газе не нужно периодически сливать из редуктора маслянистый конденсат, имеющий крайне неприятный запах. Конденсат здесь просто не образуется. Кроме того, в отработавших газах автомобиля при применении сжатого природного газа содержание CH значительно уменьшается – на 25 % относительно отработавших газов сжиженного нефтяного топлива. Большую часть выбросов составляют безвредные водяные пары.

Газовую топливную аппаратуру можно устанавливать на любой модели легковых автомобилей отечественного и иностранного производства, оснащенных карбюраторными двигателями или двигателями с системой впрыска топлива и электронным управлением, если конструкция позволяет разместить в багажнике цилиндрический или тороидальный баллон с газом.

Конструктивные решения комплектующих устройств газобаллонной аппаратуры (ГБА) отличаются большим разнообразием в зависимости от типов двигателей, для которых они предназначены, и от заводов-изготовителей, их производящих.