Основные тенденции в разработке конвертируемых автотранспортных газовых двигателей

Анализ состояния вопроса связанного с совершенствованием рабочего процесса и в целом с конвертацией ДВС при работе на газообразном топливе показал, что научно-исследовательский интерес в данном направлении растет. Подтверждение тому увеличение и расширения производства газовых двигателей в некоторых развитых странах, таких как США, Канада; Германия, Италия, Швеция, Япония и т.д.

Условия успеха газовых двигателей на рынке определяются следующими факторами:

безопасностью;

экономической выгодой;

экологической привлекательностью;

возможностью заправки газом стабильного состава и свойств.

Для обеспечения высокого технического совершенства автомобилей они либо должны производиться на заводах фирм - производителей, либо фирмами, занимающимися конвертацией дизелей, уже выпущенных с заводов, имеющими лицензии и документацию на переделку, согласованную с заводами - производителями. Естественно; обязательным условием является сертификация автомобилей» двигателей и отдельных систем (питания газом, зажигания, нейтрализации, заправки и т.д.).

В последние годы конвертация дизелей уже после выпуска с заводов значительно облегчена, т.к. появились системы питания газом, выпускаемые специализированными фирмами. Так, системы подачи газа разработаны и вы- пускаются фирмами Transcom Gas Technologies (Австралия), GFI Control Systems (Канада-США), AFS (Кана-да-США), TNO (Нидерланды), ООО «САГА.

В (Россия), ОАО «Автосистема», ЗАО «НПП Газомотор-Комплект» (Россия) и др.

Специализация в производстве систем питания, зажигания, управления, арматуры, баллонов, клапанов, вентилей, фильтров и т.д. способствовала обеспечению практически полной безопасности транспортных средств с двигателями, питаемыми природным газом. В случае природного газа безопасности способствует и его существенно меньшая плотность по сравнению с воздухом. Предлагаемые рядом фирм облегченные композитные баллоны принципиально безопасны, т.к. даже в случае практически маловероятного разрушения, они безос-колочные.

В работе [1], выполненной на фирме Ricardo Consulting Engineering, Ltd., рассматриваются различные варианты конвертации дизелей в газовые двигатели. Уделено внимание вредным выбросам, экономичности, предельно допустимым (по ограничениям) значениям среднего эффективного давления и стоимости газовых модификаций двигателей в сравнении с базовым дизелем. Исследователи пришли к выводу, что для использования на городском транспорте с учетом всех характеристик качества и стоимости предпочтительнее применять турбонаддув и использовать в двигателе бедную смесь. Отмечено также, что даже такая комплектация как регулируемый наддув и 2-х компонентный окислительный нейтрализатор с электронным регулированием подачи газа стоит на 13% меньше дизеля – прототипа и при этом удовлетворяет нормам по выбросам вредных веществ. Наиболее низкие выбросы обеспечивает сочетание распределенной подачи газа, 3-х компонентного нейтрализатора и электронного управления: Такой двигатель, однако, на 15% дороже дизеля, но превосходит его по токсичности.

Вопросами создания газовых двигателей на базе дизелей продолжительное время занимается «Cummins engine company» (США). В публикации. [2] приводятся сведения о результатах испытания разработанного на базе 6 цилиндрового дизельного двигателя, газового двигателя – B5.9-195G. Использована концепция «двигателя работающего на бедных смесях» с искровым зажиганием и внешним смесеобразованием.

Газовый двигатель имеет мощность 143,4 кВт при n=2800мин 1 , максимальный крутящий момент 569,4 Нм при n=1б00 мин-1. Запас крутящего момента около 13%.

По результатам испытаний газового двигателя наиболее высокое значение эффективной к.п.д. по внешней характеристике равно 36,7% при n=1800 мин . Без окислительного нейтрализатора двигатель удовлетворяет нормам LEV, а с нейтрализатором – нормам ULEV.

На данном двигателе вместо форсунок установлены свечи зажигания, используется электронная система зажигания, воздух с газом перемешивается в смесителе перед впускным коллектором, установлен регулируемый ТКР и охладитель наддувочного воздуха. Для регулирования мощности используется дроссельная заслонка.

Двигатель имеет микропроцессорное управление, которое осуществляет контроль за системой зажигания, регулирует подачу газа в зависимости от режима работы и регулирует давление наддува для получения оптимальной ха- рактеристики крутящего момента.

Рисунок 1 – Внешняя скоростная характеристика двигателя B5.9-195G.

В публикации [3] приводятся сведения о том, что на базе дизелей Cummins создан целый ряд газовых двигателей предназначенных для городских и школьных автобусов, а ташке для использования на транспорте работающего в аэропортах. Отмечается, что работа на бедных смесях обеспечивает низкие выбросы NOx (выполняются нормы ЕВРО-4), а использование нейтрализатора окислительного типа позволяет значительно снизить выбросы углеводородов. Газовые двигатели в сравнении с базовыми дизелями обладают меньшем шумоизлучением на 6.. .14 ДБ.

Отношение воздух – топливо

Рисунок 2 – Зависимость концентрации

NOx в отработавших газах

В работе [4] рассматривается разработка фирмы «Nissan Diesel Motor Со» (Япония) газового двигателя для городского автобуса на базе рядного 6-ти цилиндрового дизеля с размерами S/D = 133/150, развивающего мощность 177 кВт при n=2100 .

В работе отмечается, что вместо тороидальной камеры сгорания применена плоская камера типа "Texas Dog Dish", степень сжатия снижена с 16,5 до 11, в каждом цилиндре установлены по две свечи зажигания. Базовый двигатель без наддува. Газовый двигатель имеет газотурбинный наддув и охлаждение надувочного воздуха.

Испытания газового двигателя при работе без наддува на стехиометрической смеси показали, что температура отработавших газов tог- оказалась на 100° выше, чем в базовом дизеле и, как считают авторы, может недопустимым образом снизить надежность двигателя. При этом максимальная мощность оказалась, ниже, чем в дизеле, на 20%. При работе с а = 1,35 tог в газовом двигателе оказываются равными значениям- в дизеле, но двигатель развивает мощность менее 120 кВт. Из этого следует необходимость применения наддува.

При турбонаддуве были легко получены значения мощности и максимального момента базового дизеля. Температура отработавших газов на большинстве режимов внешней характеристики оказалась ниже в случае двигателя; питаемого природным газом, В обоих двигателях запас крутящего момента невелик – 6%

В заключение по рассмотренным результатам публикаций следует отметить, что в случае конвертации дизеля в газовый двигатель, работающий на сте- хиометрических смесях, необходимо принять меры, предотвращающие снижение надежности из - за повышенной тепловой напряженности деталей.

Дизели, особенно для грузовых автомобилей и автобусов, целесообразно конвертировать в газовые двигатели с искровым зажиганием и количественным регулированием, работающие с центральной подачей газа на бедных смесях ( = 1,5...1,6) с управляемым наддувом и охлаждением надувочного воздуха.

Степень сжатия газовой модификации при размерностях характерных для грузовых автомобилей и автобусов должна выбираться в пределах =10...13 в зависимости от конкретного состава газа и принятой системе подачи смеси (с наддувом или без наддува).

Для двигателя без наддува работа на всех режимах с = 1,0 нецелесообразно, на промежуточных нагрузках выгодно применять бедные смеси.