Метан с дизтопливом вприкуску
Принцип переоборудования бензиновых моторов для работы на газе известен давно. А можно ли перевести на газовое топливо дизельный двигатель и будет ли это экономически целесообразно?
Новое — хорошо забытое старое
В дизельном двигателе возгорание топлива происходит не от искры, а в результате нагрева топливной смеси от сжатия при достижении температуры 320°—380°С. Газообразные же топлива воспламеняются при гораздо большей температуре: метан при 595°—750°, а пропан — 465°—650°. Именно из-за этой технической проблемы бытует ошибочное мнение, что «газ» и «дизель» – понятия несовместимые.
Мало кто знает, что первые ДВС были… газовыми. Так, первый работоспособный двигатель внутреннего сгорания в 1860 году создал уроженец Люксембурга Жан-Жозе-Этьен Ленур. Этот двигатель работал без сжатия топливной смеси, но уже имел высоковольтное искровое воспламенение. В качестве топлива в этом силовом агрегате применили самое популярное в то время горючее — светильный газ.
Рудольф Дизель построил свой первый двигатель в 1896 году, предложив для воспламенения использовать повышение температуры при сжатии топливной смеси. Топливом могли быть угольная пыль, керосин либо все тот же светильный газ. Высокая температура возгорания газа вовсе не смущала Дизеля: для поджига газовоздушной смеси моторостроитель предлагал впрыск небольшого количества керосина, который загорался при более низких температурах и, в свою очередь, поджигал светильный газ. Именно этот принцип и положен в основу современных газодизельных двигателей внутреннего сгорания.
День сегодняшний
Сейчас для работы дизеля на газообразном топливе используют два различных принципа: поджиг газа с помощью подачи небольшой запальной дозы солярки либо переделка двигателя для работы исключительно на газе.
Первый способ сводится к установке газобаллонного оборудования, схожего с ГБО для бензиновых двигателей. В итоге получается так называемый газодизель — дизель, дополненный газовой установкой и несколькими согласующими агрегатами. При этом в цилиндры двигателя поступает газовоздушная смесь, которая в конце такта сжатия поджигается небольшим количеством ДТ, впрыскиваемым через форсунки основной системы топливоподачи дизеля.
По существу, это принудительная система воспламенения, как и в бензиновых двигателях с искровым зажиганием. Однако в газодизеле мощность источника воспламенения значительно больше электрической искры, и рабочая смесь поджигается во многих очагах одновременно. Благодаря этому значительно расширяются границы возможного обеднения рабочей газовоздушной смеси, что равнозначно экономичности.
Переоборудование в газодизель не требует существенных изменений базовой модели двигателя, сохраняет возможность быстрого переключения с газодизельного на обычный дизельный цикл. Поэтому такую систему питания можно гибко использовать в случае значительной отдаленности АГНКС.
Второй вариант подразумевает радикальную, а потому дорогостоящую переделку двигателя. Речь идет об изменении конструкции поршней, головки блока цилиндров, системы питания и газораспределения. Фактически осуществляется переоборудование дизельного двигателя в газовый.
В зависимости от уровня технологичности дизельного мотора применяют различные подходы газификации. Если на двигателе установлена система питания с механическим топливным насосом высокого давления (ТНВД), применяют дизельное ГБО 2-го поколения, так называемый газовый карбюратор. Система снабжена вакуумным ограничением максимальных оборотов двигателя, смесителем-диффузором, заслонкой-дозатором газа.
Более совершенная система газового питания для механического ТНВД монтируется на базе моноинжектора, снабжающего газом все цилиндры двигателя. Подача топлива регулируется в зависимости от величины разрежения во впускном коллекторе.
Для современных дизелей с электронной подачей топлива используют системы 4-го поколения. В таком комплекте впрыск газа в каждый цилиндр обеспечивается отдельной форсункой, а за их работу отвечает электронный блок управления. В конструкцию вносятся дополнительные датчики: положения коленвала, фазы газораспределения, давления газа, положения педали акселератора, температуры выхлопных газов и т.д. Все это позволяет более точно дозировать подачу газового топлива в цилиндры в зависимости от нагрузки, оборотов и условий эксплуатации. Системы этого поколения универсальны, поэтому могут устанавливаться в том числе на турбированный двигатель — отличие только в использовании дополнительного датчика для измерения давления наддува.
Еще немного хороших новостей
Дизель, в сравнении с бензиновым двигателем, обладает рядом неоспоримых преимуществ: он технологичнее, его КПД выше, ресурс больше, а используемое топливо дешевле. Однако называться «идеальным двигателем» ему мешают меньшая литражная мощность, повышенная шумность и высокое содержание вредных веществ в выхлопе.
В теории мощность дизельного мотора, работающего на газе, существенно возрастает (в отличие от бензинового, который теряет 10—15% мощности). Некоторые модели дизелей показывают прирост производительности до 40%! Объясняется это просто: оптимальный диапазон работы дизеля — низкие и средние обороты, поскольку скорость горения дизтоплива недостаточна для работы на высоких оборотах. Скорость горения газа гораздо выше, поэтому на высоких оборотах крутящий момент газодизеля приближается к показателям бензиновых моторов, что и дает прирост мощности. При этом главное достоинство дизеля — высокий крутящий момент на низких оборотах — никуда не девается.
На практике ситуация выглядит несколько хуже. Такой «форсаж» значительно сокращает моторесурс двигателя, поэтому при грамотной инсталляции оборудования подача газа на высоких оборотах искусственно ограничивается, а итоговую мощность оставляют равной или чуть превосходящей мощность неконвертированного дизеля.
Неоспоримым остается тот факт, что метан — гораздо более экологичное топливо, так как в нем практически отсутствуют ароматические углеводороды и сернистые соединения. Поэтому уровень дымности и выбросов твердых частиц в отработавших газах газодизельных моторов значительно ниже. Определенные замеры показывают сокращение выбросов до 5 раз.
Кому выгодно?
Для бензинового двигателя, переводимого на газ, этот вопрос скорее контекстный: на легковое авто предпочтительнее ставить пропан-бутановую установку, на большегрузное — метановое ГБО. В случае с дизелем экономически более выгодна установка метанового оборудования. Объясняется это тем, что запальная доза при использовании пропан-бутановой смеси достигает 50% объема ДТ, в то время как при работе на метане для полноценного поджига газа требуется около 20% солярки.
Вторым нюансом, касающимся экономической целесообразности совмещения дизеля и газа, являются такие факторы, как объем двигателя и суточный пробег. Поэтому установка газового оборудования стоимостью 20—25 тыс. грн, например, на личное легковое авто с маршрутом «дом-работа» попросту теряет смысл: окупится оно за 6—7 лет.
Если же взять среднесуточный пробег маршрутного такси типа «Богдан» или «Эталон» в крупном городе или пригороде (от 300 до 600 км/сутки), то при расходе 18—20 литров конвертация двигателя в газодизель окупится достаточно быстро. Стоимость переоборудования — около 20 тыс. грн. Расход топлива — 16 м3 газа (метана) и 4 л дизтоплива на 100 км в городском режиме. Расчеты показывают, что при ежедневной экономии около 180 грн вложения окупятся за четыре месяца. Аналогичной экономии можно добиться на небольших грузовых авто, занимающихся мелкими грузовыми перевозками.
Было дело…
В военное и послевоенное время в СССР и Европе выпускали автомобили с газогенераторными установками. «Заправлялись» такие авто древесными чурками, торфом либо древесным углем. Весила установка 400—600 кг, одна «заправка» составляла 50—60 кг дров, а автомобиль проезжал на этом количестве топлива в среднем около 70 км. Розжиг газогенератора занимал до 45 минут, мощность двигателя падала на 30—40%, а при движении нужно было периодически останавливаться и «ворошить» топливо, прочищая зольники установки. Однако «ЗИСы», «эмки» и «ГАЗы», работающие на синтез-газе, так же, как и их газогенераторные «побратимы» на базе «Фиатов» и «Ситроенов», окончательно ушли в прошлое лишь к началу 60-х годов.
Грузовики с газодизельными двигателями когда-то производились в СССР серийно. Так, с 1987 г. Камский автозавод выпускал модели «53208», «53217», «53218» и «53219» с атмосферными двигателями «КАМАЗ-7409.10». А параллельно осуществлялась доводка турбодизеля «КАМАЗ-7403» под бинарное топливо. Однако с распадом СССР работы в этом направлении были прекращены.
От производителя
Отечественные автопроизводители постепенно начинают осваивать газодизельные технологии. В частности, на херсонском автосборочном заводе «АнтоРус» налажен выпуск автобуса «Антон» 3250.02 ГД с использованием современной газодизельной системы на основе ГБО четвертого поколения Bigas (Италия). Комфортабельный автобус малого класса для перевозок на городских маршрутах потребляет 16 литров бинарного топлива (дизель-газ) в соотношении 25/75.
Работа газодизелей на метане подразумевает установку специальных газовых баллонов, которые должны выдерживать давление до 200 атмосфер, что сопряжено со снижением грузоподъемности авто на 10—30%. Кроме того, традиционно считается, что баллоны высокого давления потенциально более взрывоопасны, особенно в «экстремальных» условиях эксплуатации частными компаниями-перевозчиками. В этом случае непонятно, кто именно будет обслуживать ГБО и следить за его исправностью, тем более когда вопрос касается перевозки пассажиров. Специалистов по газодизельному оборудованию в Украине на сегодняшний день не так уж и много. Под вопросом также долговечность газодизельных систем в условиях использования отечественного ДТ, которое, мягко говоря, не отличается высоким качеством.
Эти проблемные вопросы прокомментировал для «УТГ» Антон Бобков, генеральный директор ООО «ДизельГаз» (г. Днепропетровск), компании-разработчика и производителя систем впрыска газа для дизельных двигателей.
— Антон Сергеевич, как ведут себя газодизельные системы с отечественным ДТ?
— Разницы в использовании отечественного и импортного ДТ практически нет, гораздо большее влияние оказывает качество отечественной топливной аппаратуры, установленной в автомобилях.
— Возможно ли переоборудование автобусов типа «Богдан» или «Эталон» на работу с пропан-бутановой смесью? Или тут можно говорить только о метановом топливе?
— И дизельный «Богдан», и «Эталон» можно переоборудовать под пропан-бутановую смесь в качестве добавочного топлива с замещением от 40% до 50% ДТ. Причем процент возможного замещения в этом случае сильно зависит от наличия в двигателе турбины.
— Предоставляет ли ваша компания услуги по сопровождению газодизельных систем? Сотрудничаете ли вы в этом направлении с АТП или транспортными компаниями?
—У нас есть несколько программ гарантийного и послегарантийного обслуживания. Некоторым клиентам выгодно иметь у себя обученный персонал, который сам обслуживает газодизельную технику. Другие заказчики этих систем полностью обслуживаются у нас согласно утвержденному графику. В отдельных случаях мы закрепляем своего специалиста за клиентом, который «ведет» предприятие за фиксированную абонплату.
