газодизель что это такое
Газ на Дизельный двигатель? Теория газодизеля.
На сегодняшний день существует два принципиальных способа установки газового оборудования (ГБО) на дизель.
Первый — полное переоборудование на стопроцентное питание газом, для чего двигатель подвергается основательной модернизации. Так как октановое число метана, к примеру, достигает 120, то штатная степень сжатия дизельного двигателя для него слишком высока, и чтобы избежать детонации и, как следствие, быстрого разрушения агрегата, ее необходимо снизить до 12:1-14:1. Кроме того, температура самовоспламенения газа составляет около 700 °С против 320-380°С у дизтоплива, потому воспламеняться от сжатия он не может и для его поджига цилиндры необходимо оснастить системой искрового зажигания, как на бензиновых моторах.
Разумеется, обратной переделке под дизтопливо такой агрегат не подлежит.
Но есть и более простой и дешевый вариант установки ГБО на дизель, основанный на комбинированном режиме питания, собственно газодизель. Коротко о самом принципе работы на двойном топливе Dual Fuel, использовавшемся в свое время еще создателем дизельных двигателей Рудольфом Дизелем: основным здесь по-прежнему является дизельное, однако часть его замещается газом — метаном или пропаном. Дизельное топливо при этом выполняет функцию поджига топливовоздушной смеси — ведь для воспламенения газа, напомним, необходим искровой или запальный разряд. Степень же замещения основного топлива дополнительным зависит от нагрузки на двигатель и, собственно, самой топливной аппаратуры — оригинальной дизельной и устанавливаемой газовой. В настоящее время системы ведущих мировых производителей позволяют замещать до 50% дизтоплива в случае с метаном и до 30% — в случае с пропаном.
В остальном газодизельные системы мало отличаются от ГБО 4 поколения для бензиновых моторов. Отсюда и их основные преимущества.
Преимущества газодизельных систем
1) Простота монтажа: комплекты оборудования универсальны, подходят для всех типов дизельных двигателей с электрооборудованием как 12V, так и 24V, включая самые современные, и не требуют разборки и модификации силового агрегата, а переход на исходный дизельный режим возможен в любой момент времени простым нажатием на кнопку переключателя в кабине водителя.
2) Увеличение КПД и ресурса. Добавка дозы газа повышает мощность и крутящий момент двигателя — с турбонаддувом рост показателей может достигать 30%. При этом двигатель работает заметно тише и эластичнее, а благодаря снижению нагрузки на систему подачи дизельного топлива увеличивается срок службы ее элементов, особенно в случае с непосредственным впрыском Common Rail, работающим с переменным высоким давлением в зависимости как раз от нагрузки.
3) Экономика и экология. Замещение части дизтоплива газом позволяет до 20% снизить стоимость эксплуатации автомобиля по отношению к стоимости эксплуатации его только на дизельном топливе. А изменение состава и существенное снижение объема отработавших газов улучшает экологические показатели двигателей, уменьшает токсичность и дымность выхлопа и содержание в нем твердых частиц (сажи) настолько, что позволяет отказаться от использования раствора мочевины на агрегатах, отвечающих нормам Евро-4 и Евро-5.
Таким образом, модификация дизельного двигателя в газодизель позволяет одновременно решить следующие задачи:
1. снизить расходы на 10-30%;
2. увеличить мощность и крутящий момент на 20-30%;
3. увеличить срок службы элементов системы подачи топлива (прежде всего систем Common Rail) и ресурс двигателя в целом;
4. снизить содержание СО, СН и твердых частиц в выхлопе.
И если для легковых дизелей с их небольшим аппетитом и относительно умеренными суточными и годовыми пробегами тема газодизеля — это скорее чисто академический интерес, то для интенсивно эксплуатирующихся грузовых автомобилей и магистральных тягачей, ежедневно покрывающих внушительные расстояния, установка газодизельного ГБО более чем оправдана с любой точки зрения. И с ростом цен на дизтопливо будет лишь прибавлять в актуальности.
Газодизель на метане
В двухтопливном газодизельном режиме в двигатель подают два топлива – основное дизельное (но в существенно меньшем количестве) и дополнительное — замещающее газовое. При этом основное дизельное топливо играет роль «запальной» дозы для воспламенения интегральной газовоздушной топливной смеси.
Именно по этому, для реализации газодизельного режима в конце такта сжатия в цилиндры подается некоторое количество дизельного топлива, которая и поджигает газо-воздушную смесь, поступившую на такте впуска.
Газодизельный двигатель может работать только на дизельном топливе, но не может работать только на газу.
Степень замещения дизельного топлива газовым является важнейшим показателем работы двигателя в газодизельном режиме от которого и зависит экономия Ваших финансовых средств.
Величина степени замещения может колебаться в достаточно для метана широких пределах от 50% до 85%. Конкретные значения зависят от вида топливной аппаратуры исходного двигателя, совершенства используемой газодизельной системы и да же от манеры Вашей езды.
Запуск двигателя и его работа в режиме малых нагрузок осуществляется практически на чистом дизельном топливе, так как в таком режиме очень трудно подобрать устойчивые параметры подачи газа.
Далее с ростом нагрузки идет участок наиболее благоприятный для газодизельного режима, степень замещения газом дизельного топлива на этом участке максимальна и может достигать 85%. Однако в целях предотвращения закоксовывания распылителей дизельных форсунок приходится отставлять некоторое потребление ДТ для их охлаждения.
Когда двигатель выходит на полную мощность и максимальные обороты, то возникает опасность детонации и автозажигания и системе управления газодизелем приходится уменьшать его подачу.
Не менее важным, для экономии Ваших финансов является так называемый газовый фактор, показывающий сколько нм3 газа понадобится, что бы заместить 1 л дизельного топлива.
Дизельный двивгатель практитчески во всех режимах работает с большим избытком воздуха, поэтому газ поступающий в двигатель очень сильно разбавлен воздухом, ниже предела возгорания. Поэтому, сгорание газо-воздушной смеси происходит только в зоне горения капель дизельного топлива, остальной газ просто выбрасывается с выхлопными газами.
В идеальном случае для замещения 1 л ДТ достаточно всего 0,9 нм3, но в реальной жизни из-за несовершенства процесса сгорания газовый коэффициент в газодизельно может принимать значений 1.1-1.3 л/нм3
Для практических расчетов можно использовать гарантированную степень замещения в 60% для двигателей работающих в штатном режиме и газовый коэффициент 1.2 ( для замещения 1 л ДТ потребуется 1.2 нм3 газа). Большие степени замещения возможны, особенно при правильном стиле вождения, но не гарантированны.
Величина Вашей экономии высчитывается как разница между затратами на 100 км пробега на дизельное топливо до конвертации двигателя и затратами на уменьшенное количество дизельного топлива и затратами на приобретение газового топлива.
В входной тракт забора воздуха перед турбиной устанавливаются газовые инжектора, которые впрыскивают газ по сигналам поступающим от управляющего компьютера. Такая схема подачи топливного газа имеет следующие преимущества:
- пожаро-взрыво безопасность, так как газ в любых режимах сильно разбавлен воздухом в концентрации ниже чем НКПРП и не может поддерживать самостоятельное горение Вращение турбины обеспечивает абсолютно однородную воздушно-газовую смесь Отказ одного или нескольких газовых инжекторов не имеет отрицательных последствий для двигателя, а ощущается просто как снижение тяги
Ограничение подачи дизельного топлива осуществляется методом эмуляции или ограничения сигнала педали газа.
Контроль тепловых режимов работы газо-дизельного двигателя осуществляется по показаниям термопары, установленной в за выходом из горячей части турбины.
Для желающих углубится. Вводный урок по газодизельным технологиям из обучающего курса по ГДК «Триоль» :
При установке газодизельной системе изменениний в режиме работы двигателя не происходит. Степень сжатия, максимальное давление цикла, давление наддува и температура выхлопных газов остается на том же уровне.
В основном справедливость этих утверждений проверяется на практике по отзывам водителей ТС, что газодизельная машина везет свой вес, выходит на гору на той же передаче. что и дизельная и т.п. Однако, иногда, удается провести натурные испытания конвертированных газодизельных двигателей на моторном стенде и утверждения о неизменности характеристик в газодизельном режиме тоже подтверждаются.
Проверка на моторном стенде газодизельного двигателя CUMMINS KTA50
Двигатель работающий в газодизельном режиме обладает более совершенными экологическими характеристиками чем двигатель работающий на дизельном топливе.
Однако, степень уменьшения эмиссии экологических вредных веществ сильно зависит от режима работы двигателя и степени замещения дизельного топлива газовым.
По данным Еропейской ассоциации газомоторных транспортных средств при уровне замещения 50% дизельного топлива газовым ( метаном ) достигается следующее уменьшении эмиссии вредных веществ:
Еще можно почитать о газодизеле наши статьи :
Газодизельный двигатель
Газомоторное топливо остается экономически привлекательной альтернативой традиционному жидкому топливу, особенно для России, располагающей огромными разведанными запасами природного газа, огромной добычей и самой могучей в мире газотранспортной системой. Казалось бы, бери и пользуйся. Ведь затраты на газомоторное топливо для автомобильной и тракторной техники примерно вдвое ниже, чем на эквивалентное количество дизельного топлива.
В качестве бонуса газомоторное топливо дает значительно менее токсичный выхлоп, чем дизельное топливо, что делает его привлекательным для прохождения техосмотра. Плюс уменьшенный износ цилиндро-поршневой группы благодаря тому, что газ не смывает с поверхности цилиндра масляную пленку, и сокращение расхода масла на угар.
Неспешное распространение газомоторного топлива – компримированного природного газа (КПГ) и сжатого природного газа (СПГ) – породило битопливные силовые установки газодизели. Под газодизелем понимается конвертированный автомобильный или тракторный дизель с комбинированным смесеобразованием.
Комбинированное смесеобразование подразумевает, что в цилиндре сгорают два заряда – газовоздушной смеси и дизельного топлива, причем дизельное топливо служит запалом для газовоздушной смеси. Дизель оборудуют системой регулируемой подачи газа во впускной коллектор. Газовоздушная смесь засасывается под воздействием разрежения или принудительно нагнетается турбокомпрессором в цилиндр, сжимается, при этом температура газовоздушного заряда поднимается выше температуры воспламенения дизельного топлива.
В конце такта сжатия через штатную форсунку впрыскивается заряд дизельного топлива, который самовоспламеняется под воздействием температуры и поджигает газовоздушный заряд. Далее рабочий ход, выпуск и цикл повторяются. Самый обычный рабочий цикл дизельного двигателя, за исключением того, что в цилиндр подается не чистый воздух, а в смеси с метаном, и минимальное количество дизельного топлива необходимо для поджига этой газовоздушной смеси. Для газодизельного цикла необходимо сохранить степень сжатия, и конвертированный дизель подвергают минимальным переделкам – подключают к впускному коллектору газовую аппаратуру и к системе впрыска топлива подключают электронику, которая берет на себя управление впрыском. С газодизельного цикла легко перейти на дизельный, перекрыв подачу газа. При необходимости газодизель также легко конвертировать обратно в дизель.
Теплотворность пропан-бутана значительно превышает теплотворность метана, но пропан-бутан, или сжиженный нефтяной газ (СНГ), для газодизеля не годится, так как не обеспечивает необходимых параметров горения на высокой степени сжатия. Перевод двигателя на работу только в газовом режиме с СНГ, КПГ, СПГ или магистральным метаном требует более глубокой проработки: снижения степени сжатия прокладками головки блока цилиндров (ГБЦ), демонтажа топливной системы, установки системы искрового зажигания. У заводских газовых двигателей ГБЦ значительно отличается от дизельной.
На борту газомоторное топливо хранят в баллонах, то есть в сосудах под давлением, которым можно придать цилиндрическую, шарообразную или торообразную форму. Это вызывает затруднения с размещением запаса топлива на транспортном средстве, и этого запаса всегда не хватает. По сравнению с жидким топливом масса баллонов с КПГ больше в 6–10 раз, а объем они занимают в 4–5 раз больше при том же запасе хода.
Повышение давления в баллоне дает выигрыш в объеме, но при этом придется увеличить толщину стенки баллона и потерять в полезной грузоподъемности машины. Решить проблему с массой в какой-то степени помогают облегченные высокопрочные материалы — композитные материалы, армированные пластики.
Сжиженный природный газ имеет такие преимущества перед сжатым, что для того же запаса хода баллонное хозяйство занимает в 1,5–2,5 раза меньший объем и весит в 3–4 раза меньше. При этом баллон с СПГ весит вдвое больше и занимает в 2,8 раза больший объем, чем топливный бак.
Для СПГ требуется не просто баллон, а баллон-термос, который будет обеспечивать температуру хранения от –160 до –196 °С. В состав аппаратуры баллона входит клапан для сброса избыточного давления. Кроме того, для работы с СПГ необходимо устройство регазификации сжиженного метана – испаритель. Остальная газовая аппаратура и система управления такая же, как в случае с КПГ.
Так как баллоны – это сосуды под давлением, то они подлежат периодическому освидетельствованию – осмотру и гидравлическому испытанию пробным давлением в соответствии с «Правилами промышленной безопасности опасных производственных объектов, на которых используется оборудование, работающее под избыточным давлением». Баллоны для КПГ, выполненные из легированной стали и металлокомпозитных материалов, освидетельствуют 1 раз в 5 лет, баллоны из углеродистой стали и металлокомпозитных материалов – 1 раз в 3 года, баллоны из неметаллических материалов – 1 раз в 2 года. Баллоны для сжиженного природного газа подлежат освидетельствованию 1 раз в 2 года. Периодическое освидетельствование плюс жесткие требования к помещениям, в которых обслуживают и ремонтируют газобаллонные автомобили, удорожают эксплуатацию, нивелируя выигрыш от экономии топлива.
Температура воспламенения метана выше, чем у дизельного топлива, а скорость горения, наоборот, ниже. И в полном объеме переделка дизеля в газодизель требует увеличения хода поршня, но это слишком сильное, дорогостоящее и затрудняющее обратную конвертацию мероприятие. На газодизельный цикл основное влияние оказывает объем тепла от запального заряда, способ смесеобразования и угол опережения впрыска. Многочисленные исследования показывают, что чем меньше запальный заряд, тем меньше его влияние на процесс горения, тем лучше. Это лучше и с точки зрения экономии дизельного топлива, и с точки зрения экологии. На реальных газодизелях соотношение расхода дизельного топлива и газа зависит от системы впрыска. Для современных двигателей с аккумуляторной системой впрыска это соотношение 20:80, то есть дизельного топлива расходуется довольно много. На старых двигателях с ТНВД это соотношение еще больше – от 30:70 до 35:65 из-за ограничений конструкции ТНВД и топливной аппаратуры в целом.
Поскольку основной заряд газовый, а горючая смесь приготовляется не непосредственно в цилиндре, а на некотором удалении от него, то газодизелю присуща некоторая инерционность, его реакция на манипуляции педалью газа чуть-чуть запаздывает. Чем ближе к цилиндру инжектируется газовый заряд, тем лучше реакция двигателя. В идеале газ должен впрыскиваться непосредственно в цилиндр, причем несколькими форсунками для оптимального смесеобразования.
Газовый выхлоп экологичен благодаря чистоте метана и бедной рабочей смеси. Обратная сторона обеднения смеси в том, что газодизель теряет до 6% мощности, снижается приемистость, и медленно набирается скорость.
В России достаточно много сервисных компаний, предлагающих конвертирование дизелей, а также установку газового двигателя на шасси. Производство газовых двигателей освоил Ярославский моторный завод. Так, компания «РариТЭК» из Набережных Челнов, партнер ПАО «КАМАЗ», занимается установкой газовых двигателей и конвертацией дизелей. Объемы выпуска газобаллонных автобусов НефАЗ и автомобилей КамАЗ с двигателями КамАЗ, Daimler-Benz и Cummins довольно значительные. Машины заказывают автобусные парки и городские хозяйства. Теоретическая мощность производства газобаллонной автотехники компанией «РариТЭК» составляет до 3 тыс. единиц в год.
В Подмосковье группа компаний «Ротор» занимается разработкой, производством оборудования и строительством газозаправочной инфраструктуры, комплексным переводом автотранспорта на газомоторное топливо. Компания обеспечила компрессорным и газозаправочным оборудованием более 30% АГНКС в 20 регионах страны. В числе ее постоянных клиентов «Газпром газомоторное топливо», другие дочерние компании «Газпрома», НК «Роснефть». Компания конвертирует дизели как с системой впрыска Common Rail, так и с ТНВД.
При обосновании перехода на газомоторное топливо стоит учитывать скоростной режим транспортного средства, который может увеличить расход газомоторного топлива выше планируемого – в городском цикле расход в лучшем случае вдвое больше, чем на трассе, расходы на периодическое освидетельствование и на обслуживание и ремонт в специально подготовленных для этого цехах, а также косвенные потери, как, например, потеря в полезной грузоподъемности транспортного средства из-за массы баллона и газовой аппаратуры. Переход на газ это привязка к газовой заправке, то есть потеря автономности, а если не привязываться, зачем переходить на газ и возить бесполезную аппаратуру, которую в любом случае нужно периодически освидетельствовать, чтобы пройти техосмотр.
Теперь о перспективах метана как газомоторного топлива. Постановление Правительства РФ от 15.01.1993 № 31 «О неотложных мерах по расширению замещения моторных топлив природным газом» первым пунктом своим гласило: «Установить на период действия регулируемых цен на природный газ, поставляемый населению, предельную отпускную цену на сжатый природный газ, производимый автомобильными газонаполнительными компрессорными станциями, в размере не более 50 процентов от цены реализуемого в данном регионе бензина А-76, включая налог на добавленную стоимость». И до недавнего времени это положение действовало и сохраняло ценовую привлекательность КПГ, пока 10 апреля 2015 г. специальное Постановление Правительства РФ № 338 не ликвидировало этот порядок, и сегодня продавец может назначать на КПГ цену по своему усмотрению.
Противоречива и непредсказуема судьба метана как газомоторного топлива. Вероятнее всего, он останется нишевым энергоносителем, применяемым в принудительном порядке за счет городских бюджетов. При всех своих побочных эффектах газодизель – это прекрасное решение на период перехода от дизельной экономики к газовой, он работоспособен в них обеих и оставляет возможность обратной конвертации.
Газодизель
Газодизель — это дизельный двигатель, адаптированный для работы на смеси солярки и газообразных углеводородов. Первые опыты таких «симбиозов» известны как варианты применения в дизельных двигателях метана. В настоящее время развивается технология переоборудования дизельных двигателей под использование метана.
С экономической точки зрения использование Газодизеля ставит его в один ряд с двигателями, работающими на биодизельном топливе. Однако — по причине технического несовершенства производства биотоплива, а также — массе предложений на рынке некачественного (а подчас — и низкопробного) растительного продукта, использование в дизелях традиционного и повсеместно доступного газа является более предпочтительным решением в техническом плане, снижает риски повреждения двигателей вследствие применения некачественного топлива.
Бум разработок на Газодизельные силовые установки начались в Европе после резкого роста цен на нефть, и в настоящее время получили свое практическое воплощение. В странах, не имеющих в достаточной мере своей нефтедобычи (Израиль, страны Европы, Украина, и пр.), перевод дизельного парка на использование газа является ключом к существенной экономии затрат на ГСМ, поскольку газовое топливо продается трейдерами, как правило, вдвое дешевле дизельного.
Для работы дизеля на газе необходима подача в цилиндры некоторого количества дизельного топлива — так называемой запальной дозы. Подаваемая в цилиндр вместе с газом, она воспламеняется и поджигает топливо-воздушную смесь, по аналогии с обычным процессом в дизеле. Запальная доза для газифицированных дизелей составляет не менее 30 % от обычной порции дизтоплива (в зависимости от оборудования, типа двигателя и его состояния). Необходимость присутствия в топливо-воздушной смеси запальной дозы дизельного топлива объясняется тем, что по своим физическим свойствам газ, в отличие от солярки, не воспламеняется от увеличения давления в цилиндре.
Кардинально решает вопрос использования газа на дизелях установка системы электронного зажигания (подобно бензиновым моторам). В этом случае можно полностью отказаться от использования в дизеле традиционного (и в последнее время — очень дорогого) дизельного топлива, заместив его метаном (в случае метановой установки) или пропаном (в случае пропан-бутановой конструкции). Однако, в таком варианте двигатель становится уже не Газодизелем, а «Газовым двигателем» — в чистом виде. Поскольку при этом в двигателе сохраняются показатели степени сжатия (и прочие параметры, спроектированные для его работы на дизельном топливе), такой двигатель имеет более высокий относительный КПД перед бензиновыми аналогами (с гораздо меньшей степенью сжатия), а мощностные характеристики такого двигателя по сравнению с традиционным дизелем полностью сохраняются.
Преимущество Газодизеля перед Газовым двигателем заключается в том, что, когда газ заканчивается, он может работать в своем обычном режиме — на дизтопливе. Примечательно, что при работе в таком режиме, когда до 75 % топлива (в случае с метаном) или до 65 % (в случае с пропаном) в топливной смеси двигателя составляет природный газ, у дизеля полностью исчезает свойственный ему черный дым. Кроме того, у Газодизеля, по сравнению с обычным дизельным двигателем, увеличивается ресурс и срок службы масла.
Для переделки мотора не только устанавливается газобаллонное оборудование, но и производится некая доводка имеющейся топливной аппаратуры, в первую очередь, насоса высокого давления, который обеспечивает стабильную подачу уменьшенных порций дизтоплива на всех режимах работы двигателя. Впрыск газа, как правило, осуществляется индивидуально в каждый цилиндр (в отличие от «бензиновых» двигателей, позволяющих подводить газ в одну точку впускного коллектора). Электронный блок управления контролирует своевременную и точно рассчитанную дозу подачи газа в цилиндры дизеля, а также — управляет работой рейки топливного насоса за счет высокоточных исполнительных механизмов.
Переоборудовать таким образом для работы на газе можно практически любой дизельный мотор.