Метан із дизпаливом уприкуску

Принцип переустаткування бензинових моторів для роботи на газі відомий давно. А чи можна перевести на газове паливо дизельний двигун і чи буде  це економічно доцільно?

Нове — добре забуте старе

У дизельному двигуні займання палива відбувається не від іскри, а внаслідок нагрівання паливної суміші від стискання за досягнення температури 320—380оС. Газоподібне ж паливо займається за набагато більшої температури: метан — за 595—750о, а пропан — за 465—650о. Саме через цю технічну проблему  помилково вважають, що «газ» і «дизель» — не поєднанні поняття.­ 

Мало хто знає, що перші ДВЗ були… газовими. Так, перший працездатний двигун внутрішнього згоряння в ­1860 ­році створив уродженець Люксембурга­ Жан-Жозе-Етьєн Ленур. Цей двигун працював без стискання паливної суміші, але вже мав високовольтне іскрове запалення. Як паливо у цьому силовому агрегаті  застосовували найпопулярніше на той час пальне — світильний газ.

Рудольф Дизель побудував свій перший двигун у 1896 році, запропонувавши  для займання використовувати підвищення температури під час стискання паливної суміші. Паливом могли бути вугільний пил, гас або все той же світильний газ. Висока температура займання газу зовсім не бентежила Дизеля: для підпалу газоповітряної суміші моторобудівник пропонував упорскування невеликої кількості гасу, який займався за більш низьких температур і, у свою чергу, підпалював світильний газ. Саме цей принцип і покладений в основу сучасних газодизельних двигунів внутрішнього згоряння.

Сьогодення

Зараз для роботи дизеля на газоподібному паливі використовують два різних принципи: підпал газу за допомогою подачі невеликої запальної дози солярки або переробка двигуна для роботи виключно на газі.

Перший спосіб полягає у встановленні газобалонного обладнання, подібного до ГБО, для бензинових двигунів. У підсумку виходить так званий газодизель — дизель, доповнений газовою установкою й декількома узгоджувальними агрегатами. При цьому в циліндри двигуна надходить газоповітряна суміш, яка наприкінці такту стискання підпалюється невеликою кількістю ДП, яке впорскується через форсунки­ основної системи  паливо­подавання дизеля.

По суті, це примусова система займання, як і в бензинових двигунах з іскровим запалюванням. Однак у газодизелі потужність джерела займання значно більше електричної іскри, і робоча суміш підпалюється в багатьох вогнищах одночасно. Завдяки цьому набагато розширюються межі можливого збідніння робочої газоповітряної суміші, що  рівнозначне економічності.

Переобладнання на газоди­зель не вимагає істотних­ змін базової моделі двигуна, збері­га­є можливість швидкого пере­микання з газодизельного­ на звичайний дизельний цикл. Тому таку систему живлення можна гнучко використовувати у випадку значної віддаленості АГНКС.

Другий варіант передбачає радикальну, а тому дорогу, переробку двигуна. Ідеться про зміну конструкції поршнів, головки блоку циліндрів, системи живлення й газорозподілу. Фактично дизель стає суто газовим двигуном.

Покоління від покоління різниться

Залежно від рівня технологічності дизельного мотора до нього застосовуються різні підходи газифікації. Якщо на двигуні встановлена система живлення з механічним паливним насосом високого тиску (ПНВТ), інсталятори застосовують дизельне ГБО 2-го покоління, так званий газовий карбюратор. Система оснащена вакуумним обмеженням максимальних обертів двигуна, змішувачем-дифузором, заслінкою-дозатором газу.

Більш досконала система газового живлення для механічного ПНВТ монтується на базі моноінжектора, який постачає газом усі циліндри двигуна. Подача палива регулюється залежно від величини розрідження у впускному колекторі.

Для сучасних дизелів з електронною подачею палива використовують системи 4-го покоління. У такому комплекті впорскування газу в кожен циліндр забезпечується окремою форсункою, а за їхню роботу відповідає електронний блок керування. У конструкцію вносяться додаткові датчики: положення колінчастого вала, фази газорозподілу, тиску газу, положення педалі акселератора, температури вихлопних газів тощо. Усе це дозволяє більш точно дозувати подачу газового палива в циліндри залежно від навантаження, обертів та умов експлуатації. Системи цього покоління універсальні, тому можуть установлюватися, у тому числі, на турбійований двигун — відмінність тільки у використанні додаткового датчика для вимірювання тиску наддування.

Ще трохи добрих новин

Дизель, у порівнянні з бензиновим двигуном,  має декілька незаперечних переваг: він технологічніший, його ККД вище, ресурс більше, а використовуване паливо дешевше. Однак називатися ідеальним двигуном йому заважають менша літражна потужність, підвищена шумність і високий уміст шкідливих речовин у вихлопі.

У теорії потужність дизельного мотора, що працює на газі, істотно зростає (на відміну від бензинового, який втрачає 10—15% потужності). Деякі моделі дизелів показують приріст продуктивності до 40%! Пояснюється це просто: оптимальний діапазон роботи дизеля — низькі й середні оберти, оскільки швидкість горіння дизпалива недостатня для роботи на високих обертах. Швидкість горіння газу набагато вище, тому на високих обертах крутний момент газодизеля наближається до показників бензинових моторів, що й дає приріст потужності. При цьому головна перевага дизеля — високий крутний момент на низьких обертах — нікуди не подінеться.

На практиці ситуація виглядає набагато гірше. Такий «форсаж» значно скорочує моторесурс двигуна,  тому за грамотної інсталяції обладнання подача газу на високих обертах штучно обмежується, а підсумкову потужність залишають рівною або трохи більшою за потужність неконвертованого дизеля.

Незаперечним залишається той факт, що метан — набагато екологічніше паливо, бо в ньому майже немає ароматичних вуглеводнів і сірчистих сполук. Тому рівень димності й викидів твердих частинок у відпрацьованих газах газодизельних моторів значно нижче. Певні виміри показують скорочення викидів до 5 разів.

Кому вигідно?

Для бензинового двигуна, переведеного на газ, це питання скоріше є контекстним: на легкове авто краще ставити пропан-бутанову установку, на великовантажне  —  метанове ГБО. У випадку з дизелем економічно вигідним може бути встановлення метанового обладнання. Пояснюється це тим, що запальна доза у разі використання пропан-бутанової суміші досягає 50%  обсягу ДП, у той час як у разі роботи на метані для повноцінного підпалу газу потрібно близько 20% солярки.

Другим нюансом, який стосується економічної доцільності сполучення дизеля й газу, є такі чинники, як обсяг­ двигуна й добовий пробіг. Тому установлення газового обладнання вартістю 20—25 тис. ­грн, наприклад, на особистий легковий автомобіль із пробігом «дім—робота» просто втрачає сенс: окуповуватиметься установка  6—7 років.

Якщо ж узяти середньодобовий пробіг маршрутного таксі типу «Богдан» або «Еталон» у великому місті або передмісті (від 300 до 600 км на добу), то за його витрати 18—20 л конвертація двигуна в газодизель окупиться досить швидко. Вартість переобладнання становитиме близько 20 тис. грн. Витрата палива — 16 м3 газу (метану) і 4 л дизпалива на 100 км у міському режимі. Розрахунки показують, що за щоденної економії близько 180 грн вкладення окупляться за чотири місяці. Аналогічної економії можна домогтися на невеликих вантажних авто, що займаються дрібними вантажними перевезеннями.

Було таке…

У важкі воєнні й післявоєнні часи у СРСР і Європі випускали автомобілі з газогенераторними установками. «Заправлялися» такі авто деревними цурками, торфом або деревним вугіллям. Важила установка 400—600 кг, одна «заправка» становила 50—60 кг­­ дров, а проїжджав на цій кількості палива автомобіль у середньому близько 70 км. Розпал газогенератора тривав до 45 хвилин, потужність двигуна падала на 30—40%,  а під час руху треба було періодично зупинятися й «ворушити» паливо, прочищаючи зольники установки. Однак «ЗІСи», «Емки» й «ГАЗи», які працювали на синтез-газі, так само як і їхні газогенераторні побратими на базі «Фіатів» і «Сітроенів», остаточно пішли в минуле лише на початку 60-х років.

Вантажівки з газодизельними двигунами колись вироб­лялися в СРСР серійно. Так, із 1987 року Камський автозавод випускав моделі «53208», «53217», «53218» і «53219» з атмосферними двигунами «КАМАЗ-7409.10». А пара­лельно велися роботи з до­­­ведення турбодизеля ­«КАМАЗ-7403» для роботи на бінарному паливі. Однак із розпадом СРСР роботи в цьому ­напрямку було припинено.

У важкі воєнні й післявоєнні часи у СРСР і Європі випускали автомобілі з газогенераторними установками. «Заправлялися» такі авто деревними цурками, торфом або деревним вугіллям. Важила установка 400—600 кг, одна «заправка» становила 50—60 кг­­ дров, а проїжджав на цій кількості палива автомобіль у середньому близько 70 км. Розпал газогенератора тривав до 45 хвилин, потужність двигуна падала на 30—40%,  а під час руху треба було періодично зупинятися й «ворушити» паливо, прочищаючи зольники установки. Однак «ЗІСи», «Емки» й «ГАЗи», які працювали на синтез-газі, так само як і їхні газогенераторні побратими на базі «Фіатів» і «Сітроенів», остаточно пішли в минуле лише на початку 60-х років.

Вантажівки з газодизельними двигунами колись вироб­лялися в СРСР серійно. Так, із 1987 року Камський автозавод випускав моделі «53208», «53217», «53218» і «53219» з атмосферними двигунами «КАМАЗ-7409.10». А пара­лельно велися роботи з до­­­ведення турбодизеля ­«КАМАЗ-7403» для роботи на бінарному паливі. Однак із розпадом СРСР роботи в цьому ­напрямку було припинено.

Від виробника

Не тільки інсталятори ГБО, а й вітчизняні автовиробники зацікавилися газодизельним обладнанням. Зокрема, на херсонському автоскладальному заводі «Анторус» налагоджений випуск автобуса «Антон» 3250.02 ГД із використанням найсучаснішої газодизельної системи на основі ГБО четвертого покоління Bigas (Італія). Комфортабельний автобус малого класу для перевезень на міських маршрутах споживає 16 літрів бінарного палива дизель/газ у співвідношенні 25/75.

Робота газодизелів на метані передбачає встановлення спеціальних газових балонів, які мають витримувати тиск до 200 атмосфер, що сполучено зі зниженням вантажопідйомності авто на 10—30%. Крім того, традиційно вважається, що балони високого тиску потенційно вибухонебезпечніші, особливо в «екстремальних» умовах експлуатації­ приватними компаніями-перевізниками. У цьому випадку­ незрозуміло, хто саме обслуговуватиме ГБО й стежитиме за його справністю, тим більше коли питання стосується перевезення пасажирів. Фахівців із газодизельного обладнання в Україні сьогодні не так  багато. Під сумнівом також довговічність газодизельних систем в умовах використання вітчизняного ДП, яке, м’яко кажучи, невисокої якості.

Ці проблемні питання прокоментував для «УТГ» Антон Бобков, генеральний директор ТОВ «Дизельгаз» (м. Дніпро­петровськ), компанії-роз­робника й виробника систем упорскування газу для дизельних двигунів.

— Антоне Сергійовичу,­ як поводяться газодизель­ні системи з вітчизняним ДП?

— Різниці у використанні вітчизняного й імпортного ДП майже нема, набагато більший вплив має якість вітчизняної паливної апаратури, установленої в автомобілях.

— Чи можливе переобладнання автобусів типу «Богдан» або «Еталон»­ на роботу із пропан-бута­новою сумішшю? Чи тут можна говорити тільки про метанове паливо?

— І дизельний «Богдан», і «Еталон» можна переобладнати під пропан-бутанову суміш як додаткове паливо із заміщенням від 40% до 50% ДП. Причому відсоток можливого заміщення в цьому випадку дуже залежатиме від наявності у двигуні турбіни.

— Чи надає ваша компанія послуги із супроводу газодизельних систем? Чи співробітничаєте ви в цьому напрямку з АТП або транспортними компаніями?

— У нас є декілька програм гарантійного й післягарантійного обслуговування. Деяким клієнтам вигідно мати в себе навчений персонал, який сам обслуговує газодизельну техніку. Інші замовники цих систем обслуговуються в нас відповідно до затвердженого графіка. В окремих випадках ми закріплюємо свого фахівця за клієнтом, що  «веде» підприємство за фіксовану абонплату.