Технологии использования природного газа в двигателях автотранспортных средств и силовых установках

Технологии использования природного газа в двигателях автотранспортных средств и силовых установках

Н.А. Лапушкин, ст. научный сотрудник ООО «ВНИИГАЗ», к.т.н.

Перспективы дальнейшего развития двигателестроения в первую очередь связаны с улучшением экологических характеристик двигателей, повышением их удельной мощности, экономичности и надежности. Проблема экономии жидкого топлива, получаемого из нефти, а также истощение освоенных мировых запасов ее выдвигают на первый план использование в качестве моторного топлива в поршневых двигателях внутреннего сгорания природного газа, запасы которого достаточно велики, а также других горючих газов, получаемых в широких масштабах при разработке нефтяных и угольных месторождений, в промышленности и сельском хозяйстве.

Метан, в сравнении с другими углеводородами, химически наиболее инертен, присутствует в атмосфере в естественном состоянии и не участвует в фотохимическом процессе образования «смога». При полном сгорании метана на единицу тепла углекислого газа образуется в 1,22 раза меньше, чем при сгорании бензина, в 1,34 раза меньше, чем у дизельного топлива, и в 2,17 раза меньше, чем при сжигании каменного угля. В отработавших газах при сжигании газовых топлив практически нет и продукта неполного сгорания сажи. То есть, сжигание метана в наименьшей степени загрязняет атмосферу углекислым газом. Выбросы токсичных веществ с отработавшими газами поршневых двигателей при использовании различных топлив показаны на рис. 1.

С точки зрения экологии газовые топлива успешно конкурируют с традиционными даже в случае установки на автомобилях систем нейтрализации отработавших газов. Ужесточение экологических требований на выбросы вредных веществ с выпускными газами и введение норм «Евро-4» и «Евро-5» требуют существенной доработки конструкции двигателя и автомобиля. При использовании тра-

диционных топлив, применении специальных мер (каталитических нейтрализаторов, дожигателей, систем рециркуляции, систем для впрыска мочевины, воды), а также использовании специальных очищенных топлив стоимость автомобиля увеличивается до 12%. Переход на газовое топливо позволяет избавиться от части этих систем. В этом случае стоимость газового автомобиля с учетом его выпуска на заводе и автомобиля на традиционном топливе может быть очень близкой.

Однако в настоящее время на российском рынке отсутствуют предло-

жения отечественных заводов-изготовителей - не выпускаются серийно газовые и газожидкостные двигатели как транспортного, так и стационарного назначения. Вместо этого есть предложения различных отечественных фирм и организаций по технологиям перевода дизельных двигателей различного назначения в газовые и газожидкостные модификации, технический уровень которых оставляет желать лучшего. Причин здесь несколько, но главным является то, что организации, разрабатывающие технологии конвертирования, практически не ведут исследований в области рабочих процессов газовых и газодизельных двигателей, а также не занимаются проблемами их надежности.

Задача, как правило, ставится следующим образом: приспособить конкретный двигатель для работы по газовому или газожидкостному циклу с получением интегральных характеристик по крутящему моменту и мощности, близких к прототипу. Для этого подбирается степень сжатия, соответствующее газоподающее оборудование и система воспламенения и управления. Однако без серьезного изучения и понимания процес-

Рис. 1. Выбросы токсичных веществ с отработавшими газами при использовании различных топлив

«Транспорт на альтернативном топливе» № 2 (2) март 2008 г.

иВЬ»|Щ|Ц .....ШТШД^т

Iш

Транспорт на КПГ

число цил.

карбюр.

Отече

;твенные

первым околен ГБО

т

впрыск

7000 10000 13000 16000 19000 22000 25000 28000 31000 34000 37000 руб.

Рис. 2. Стоимость переоборудования легковых автомобилей

сов, происходящих внутри цилиндра двигателя, в принципе невозможно создание высокоэкономичных, малотоксичных и, что особенно важно, надежных двигателей.

Переоборудование легковых автомобилей и легких грузовиков, работающих с двигателями с искровым зажиганием, не вызывает особых трудностей. Стоимость переоборудования таких автомобилей представлена на рис. 2.

Дизельный двигатель-прототип может быть конвертирован в газовый с воспламенением факелом запального дизельного топлива - газодизель - или с воспламенением от электрической искры. В стационарных газовых двигателях большой мощности находит применение также форка-мерно-факельный способ воспламенения газовоздушной смеси.

Рабочий процесс газодизеля существенно отличается от рабочего процесса двигателя с искровым зажиганием и имеет особенности, связанные, в первую очередь, с воспламенением факела дизельного топлива вследствие нагрева его до необходимой температуры в результате сжатия рабочей смеси, а также особенности регулирования подачи газового и запальной дозы жидкого топлива. При газодизельном рабочем процессе смесь поджигается не в одной или двух точках, как при искровом зажигании в центре заряда газовоздушной смеси, а во всем объеме камеры сгорания одновременно.

Стоимость переоборудования автотракторной техники на газовое топливо показана на рис. 3.

Следует отметить потенциальные преимущества газодизельного про-

Л-150К>

>ОСрОО

ДТ-75 X

75000 100000 125000 150000 175000 200000 225000 250000 275000 300000 325000 руб. Рис. 3. Стоимость переоборудования автотракторной техники

цесса по сравнению с искровым зажиганием. Известно, что КПД дизельного цикла составляет более 42%, КПД цикла с искровым зажигание - около 36%, а в газодизельном цикле достигнут КПД 44,5%. Высокий КПД газодизеля обеспечивает существенно меньшее потребление топлива в двигателях равной мощности.

Высокая эффективность рабочего процесса газодизеля определяется организацией процесса смесеобразования и, главным образом, процесса сгорания топлива. Он носит многоочаговый характер (в отличие от одиночного очага вокруг искрового разряда), что обеспечивает быстрое сгорание топлива и практически исключает возникновение детонационного сгорания, хотя возможна жесткая работа двигателя при неправильном угле опережения впрыска запального топлива. Напротив, рабочий процесс с искровым зажиганием требует для обеспечения бездетонационного сгорания установления степени сжатия, соответствующей или незначительно превышающей степень сжатия бензинового двигателя, исходя из детонационной стойкости метана, равной 110 ед.

Таким образом, газовый двигатель с искровым зажиганием значительно уступает по экономичности дизелю-прототипу и газодизелю. Применение искрового зажигания в мощных двигателях, конвертированных из дизелей, не оправдано также из-за напряженной работы свечей зажигания и необходимости вносить существенные изменения в конструкцию дизельного двигателя, что часто невозможно.

Из возможных схем подачи газового топлива в цилиндры следует отметить схему с центральным подводом газа (рис. 4), как наиболее востребованную для переоборудования существующего парка дизельных двигателей.

Кроме центральной подачи, используется распределенная подача газового топлива. Газовые форсунки устанавливаются во впускном коллекторе, и газовое топливо подается под впускные клапаны во время их откры-

ШП ФФ «МЧ? дШи. ш I

«Транспорт на альтернативном топливе» № 2 (2) март 2008 г.

Рис. 4. Схема системы питания и управления газодизеля с центральной подачей газа: 1 - емкость для хранения природного газа; 2 - газовый редуктор высокого давления; 3 - гидромеханический дозатор газа; 4 - турбокомпрессор; 5 - воздушный клапан перепуска; 6 - высоконапорный смеситель; 7 - дозатор газовоздушной смеси; 8 - впускной трубопровод; 9 - цилиндры; 10 - бак жидкого топлива; 11 - механический всережимный регулятор; 12 - привод дозатора газа; 13 - топливный насос высокого давления; 14 - механизм установки запальной дозы; 15 - топливопроводы высокого давления; 16 - форсунка; 17 - вращающийся диск с датчиком фазы; 18 - поворотное электромагнитное устройство

тия. Это позволяет исключить потери газового топлива при перекрытии клапанов. Основная трудность применения распределенного впрыска - отсутствие на рынке надежных газовых форсунок. Также необходимо поддерживать высокое давление в газовой магистрали - свыше 8 бар, что заметно сокращает пробег автотранспортных средств между заправками.

Газообразное топливо успешно используется и при внутреннем смесеобразовании. Наиболее эффективно такое смесеобразование в двухтактных двигателях, так как позволяет устранить потерю топлива во время продувки-наполнения цилиндров и опасность взрывов в выпускных коллекторах. В этом случае газ подается в цилиндры в течение такта сжатия из магистрали под сетевым давлением (0,3-0,8 МПа), и никаких дополнительных устройств для компримирования газа не требуется. При таком смесеобразовании коэффициент наполнения может возрасти на 10-15% с соответствующим увеличением среднего индикаторного давления.

Наряду с указанными преимуществами двигателям с внутренним

смесеобразованием присущи и недостатки. Смешение газа с воздухом на коротком участке такта сжатия не всегда обеспечивает такую же однородность смеси, как при внешнем смесеобразовании, что может привести к некоторому снижению индикаторного КПД, а также усложнить регулирование двигателя. Для устранения отмеченных недостатков используются методы управления неравномерностью распределения газового топлива по объему цилиндра (завихривание и расслоение заряда), применяемые фирмами «МАН», «Вокеша», «Катерпиллар», «Ауди» и др., а также форкамерно-факельное зажигание, используемое на двигателях АО «Русский Дизель», АО «Завод им. Малышева», фирм «Растон» и «Купер-Бессемер».

Специалистами ООО «ВНИИГАЗ» разработана концепция использования газового топлива в газодизельных транспортных силовых установках с воспламенением газовоздушной смеси в цилиндрах минимальной запальной дозой дизельного топлива, составляющей 12-18% от номинальной цикловой подачи жидкого топлива во всем диапазоне режимов работы. Характеристики газодизельного дви-

гателя ЯМЗ-236 НЕ (рис. 5) представлены в табл. 1.

Автомобильный двигатель работает в достаточно сложных условиях, и требования, предъявляемые к нему, весьма противоречивы. Стремление выполнить все существующие требования и ограничения обуславливает компромиссный характер решений, принимаемых при создании системы управления рабочим процессом газового двигателя, которое производится по следующим параметрам:

смешанное регулирование количества и состава газообразного рабочего тела, поступающего в цилиндры двигателя;

подача запальной дозы жидкого топлива, регулируемая по величине и по началу впрыска.

Экологические показатели газодизеля соответствуют нормам «Евро-2», а при применении нейтрализатора можно обеспечить и более жесткие нормативы.

Система питания и управления газодизелем обеспечивает регулирование и защиту двигателя при работе в дизельном и газодизельном режимах:

1) ограничение подачи топлива при достижении двигателем максимальной частоты вращения коленчатого вала (КВ) двигателя;

2) блокировку одновременного включения подачи газа при подаче дизельного топлива выше установленной для данного режима величины запальной дозы;

3) автоматическое переключение на питание дизельным топливом в случае прекращения подачи газа;

Рис. 5. Газодизельный двигатель ЯМЗ-236НЕ

«Транспорт на альтернативном топливе» № 2 (2) март 2008 г.

иВЬ»|Щ|Ц .....ТЛТтДДВт

(В}

Транспорт на КПГ

Таблица1

Технические характеристики двигателя ЯМЗ-236НЕ

Параметры Единица измерения Дизель Газодизель

Номинальный режим кВт/мин-1 169/2100 169/2100

Режим максимального крутящего момента Н • м/мин-1 880/1300 880/1300

Расход газа № /Мкр " ном гтах нм3/ч - 32 / 18

Расход жидкого топлива №ном/Мкртах кг/ч 40 / 26 8,2 / 4,2

Габаритные размеры мм 1800х1045х1080 1800х1045х1080

Масса кг 1265 1273

Ресурс работы до капремонта ч 9500 9500

Стоимость переоборудования двигателя % от стоимости двигателя 25-30

Таблица 2

Технические характеристики двигателя КамАЗ 740.13-260

Параметры Единица измерения Дизель Газодизель Искровой

Номинальный режим кВт/мин-1 191/2200 191/2200 174/2200

Режим максимального крутящего момента Н • м/мин-1 931/1400 931/1400 910/1400

Расход газа № /Мкр " ном гтах нм3/ч - 32 / 18 38/24

Расход жидкого топлива №ном/Мкртах кг/ч 40 / 26 8,2 / 4,2

Габаритные размеры мм 1103х900 х1107 1103х900х1107 1103х900х1107

Масса кг 835 843 829

Ресурс работы до капремонта ч 9500 9500 9500

Стоимость переоборудования двигателя % от стоимости двигателя 25-30 35-40

4) отключение подачи газа при уменьшении подачи жидкого топлива ниже величины запальной дозы.

Ограничение максимальной частоты вращения КВ двигателя производится всережимным регулятором, который обеспечивает уменьшение цикловой подачи дизельного топлива при превышении заданной частоты вращения КВ двигателя при работе в дизельном режиме. В случае работы двигателя по газодизельному режиму при заданной цикловой подаче запальной дозы всережим-ный регулятор обеспечивает уменьшение подачи газа.

Таким образом, регулятор газодизеля обеспечивает в дизельном режиме выполнение всех функций обычного всережимного регулятора частоты вращения КВ двигателя дизеля. В газодизельном режиме регулятор выполняет всережимное регулирование частоты вращения КВ двигателя с управляющим воздейс-

твием на подачу газа и корректирующими воздействиями на величину запальной дозы, а также на состав газовоздушной смеси. Коррекция запальной дозы позволяет уменьшить величину подаваемого топлива на больших частотах вращения КВ двигателя и обеспечить желаемую форму зависимости величины запальной дозы от частоты вращения.

Мощность газодизеля зависит от суммарной подачи газового и жидкого топлив. Чтобы избежать перегрузки газодизеля, максимальную подачу обоих видов топлива необходимо строго ограничивать. Для этого в га-зоподводящем газопроводе устанавливается дроссель, что ограничивает максимальный расход газа, а подача запальной дозы дизельного топлива не должна превышать подачу, указанную в инструкции по эксплуатации газодизеля.

Переход из газодизельного режима в дизельный может производить-

ся на любом скоростном режиме при снятой нагрузке на двигатель.

Опыт перевода двигателей КамАЗ 740.13-260 с газотурбинным наддувом на газовое топливо показывает, что газодизельный процесс обеспечивает получение той же мощности, что и у дизеля-прототипа. Двигатель с искровым зажиганием имеет максимальную мощность примерно на 11-15% меньшую из-за ограничений по тепловой напряженности деталей (табл. 2).

Необходимо отметить все большее распространение электронных систем управления работой газодизельных двигателей, и будущее именно за этими системами. В этом случае штатный механический регулятор топливного насоса заменяется на электронный. Однако в ближайшем будущем появление серийных газодизелей с электронным управлением не ожидается из-за плохого сервиса и низкой культуры эксплуатации.

Фв ЯШИР ШП Фв д^йаь ПИВ ¿Ф

«Транспорт на альтернативном топливе» № 2 (2) март 2008 г.