В.А. Бурцев (ЗАО "Газомотор"), Д.Б. Осипов (ЗАО "Газомотор"), Э.И. Ходанович (ФГУП РЗП), И.В. Яблоков (ЗАО "Газомотор")
МИФЫ И ПРАВДА О МЕТАНЕ
Выбросы автомобильного транспорта, как известно, ? один из главных источников загрязнения атмосферы больших населенных пунктов. По данным статистики, в ряде городов России доля выбросов от транспортных средств в загрязнении воздушной среды составляет от 60 до 90%. Не случайно в последнее время в СМИ теме снижения вредных выбросов в выхлопных газах автомобилей и, в частности, благодаря альтернативному моторному топливу, уделяется столь пристальное внимание.
Одним из способов снижения вредных выбросов является перевод автомобилей на газообразное топливо ? природный газ метан, который в теории при оптимальном сгорании выделяет меньше вредных веществ по сравнению с жидким топливом (бензин, дизельное топливо). Однако на практике из?за несовершенства большинства газовых систем добиться оптимальных параметров газо?воздушной смеси не удается, что приводит не к уменьшению, а к увеличению содержания вредных выбросов в выхлопных газах транспортных средств.
Сегодня некоторые автозаводы, совместно с научно?производственными фирмами, ведут интенсивные работы по созданию современных систем питания двигателей внутреннего сгорания (ДВС) компримированным природным газом (КПГ). Однако рынок газовых автомобилей в эксплуатации расширяется медленно, а экологические показатели эксплуатируемых газовых систем не обеспечивают выполнения требований современных норм по токсичности.
В чем причины сложившейся ситуации? Каковы перспективы современных газовых систем? Можно ли дать какую?либо классификацию существующих типов газового оборудования? И в чем состоит отличие подобных систем в сравнении с традиционными механическими системами? В этих непростых вопросах нам помогут разобраться ведущие специалисты ЗАО ?Газомотор?, ОАО ?ГАЗ?, ФГУП РЗП и ЗАО ?Автосистема? ? авторы совместной разработки современной инжекторной газовой системы.
Классификация газовых систем
Все представленное на рынке многообразие газобаллонных систем для автотранспорта, работающего на компримированном природном газе, можно разделить на несколько классов:
а) по способу смесеобразования:
традиционные эжекторные системы с внешним смесеобразованием, где регуляторы количества газового топлива, поступающего в двигатель, выполнены на рычажно?мембранных механизмах с отдельным смесителем ?газ?воздух?;
инжекторные системы с центральным или распределенным поцилиндровым впрыском газового топлива.
б) по способу поджига газового топлива:
системы с электроискровой системой зажигания;
газодизельные системы.
Рассмотрим подробнее каждый из представленных классов газобаллонных систем.
Класс рычажно?мембранных систем с внешним смесеобразованием представлен на отечественном рынке фирмами Италии (?Ловато?, ?Ланди Ренцо?, ?Тартарини?), России (?САГА?, ?Автосистема?, ?РЗАА?). По терминологии бензиновых двигателей эти системы выполнены по принципу карбюратора, где газ и воздух смешиваются в специальном устройстве (смесителе), а смесь всасывается во впускной трубопровод за счет создаваемого разрежения. Западные фирмы несколько усложняют традиционные механические системы, вводя в них различные усовершенствования. К примеру, используют:
регулирование количества подаваемого газа не только по разрежению во впускном коллекторе, но и по лямбда?зонду, сигнал с которого обрабатывается электронным блоком (для поддержания параметров токсичности в заданных пределах), а также по изменению температуры двигателя, воздуха и газа;
поддержание стабильных оборотов холостого хода регулированием подачи воздуха или топлива при помощи дополнительных шиберных или лопастных устройств с электроприводом (в электронный блок управления поступает информация о частоте вращения коленчатого вала двигателя);
предотвращение разрушения двигателя во время обратной вспышки путем введения в систему предохранительного клапана (антихлопина).
Введение электронных регулировок в традиционные механические системы, конечно, не устранило их основные недостатки: невозможность дозирования газа по цилиндрам, большую инерционность газового потока, низкую надежность механических регуляторов давления и высокое содержание несгоревших углеводородов. Но, тем не менее, позволило значительно увеличить стабильность их работы, что при относительно невысокой стоимости сохраняет их привлекательность для потребителя. Причем с учетом того, что жесткой проверки фактических вредных выбросов в эксплуатации никто и не проводит. Проверка ?полицейскими? измерителями токсичности в таких системах никакого ?криминала? не выявляет. Однако тщательное тестирование подобных систем показывает, что по содержанию вредных выбросов в выхлопных газах механические системы с электронными улучшениями значительно уступают современным бензиновым инжекторным двигателям.
Кроме того, установка эжекторных газовых систем на большинство инжекторных бензиновых ДВС приводит к риску появления обратной вспышки газа во впускном трубопроводе и разрушению двигателя. Специальные устройства (антихлопины) проблему не устраняют, а только предохраняют двигатель от полного разрушения.
Инжекторные системы с центральным впрыском газа, оснащенные микропроцессорными блоками управления, по своим характеристикам занимают промежуточное положение между традиционными эжекторными и распределительными инжекторными системами подготовки газовоздушной смеси и имеют следующие прогрессивные преимущества:
стабильное дозирование газа независимо от внешних условий (степени засоренности воздушного фильтра, уменьшения плотности газа при повышении температуры);
минимальные доработки агрегатов двигателя при установке газовой системы (по сравнению с распределенной инжекторной);
высокие энергетические показатели, стабильность параметров во времени;
возможность коррекции состава газовоздушной смеси по лямбда?зонду (при работе с 3?-х компонентным нейтрализатором);
К недостаткам можно отнести:
значительную инерционность системы за счет больших паразитных объемов впускного ресивера;
невозможность дозирования топливной смеси индивидуально для каждого цилиндра;
выброс несгоревшего метана в выпускную систему за счет значительного перекрытия впускных и выпускных клапанов современных двигателей (снижение экономичности и увеличение выбросов углеводородов СН).
Такие системы представлены на отечественном рынке фирмами ?Грико? и ?Автогаз?.
Инжекторные системы с распределительным впрыском газа (ИРС) ? наиболее современные системы подачи газа в цилиндры ДВС, позволяющие получить самые совершенные характеристики газового двигателя. Все ИРС оснащены мощными микропроцессорными блоками управления, позволяющими:
дозировать подачу газа индивидуально для каждого цилиндра, добиваясь идеального сгорания (лямбда?зонд некоторые фирмы устанавливают на каждый цилиндр, и еще один ? после нейтрализатора);
обеспечить минимальный расход газа, так как впрыск газа в цилиндр производится только в цикле всасывания индивидуально для каждого цилиндра, нет перетекания газа из выпускной трубы в выхлопную систему вследствие перекрытия клапанов, как в системах с внешним смесеобразованием);
обеспечить максимальную динамику двигателя, так как практически сведена к минимуму инерционность системы (минимум паразитных объемов).
На российском рынке серийные отечественные системы такого класса в настоящее время отсутствуют, импортные системы очень дорогие и также не нашли распространения. Кроме того, в отличие от механических систем ИРС требуют тщательной адаптации к базовому двигателю. Проведение таких работ без участия завода ? производителя двигателя и автомобиля практически невозможно.
Стереотипы не выдержали испытаний
Если внимательно проанализировать публикации в отечественных журналах о газовых автомобилях, работающих на природном газе, то можно выявить следующие устойчивые тенденции?стереотипы:
1. Газовый автомобиль на метане по определению имеет более чистый выхлоп по сравнению с бензиновым вариантом.
2. Размещение в багажнике современных пластиковых баллонов незначительно утяжеляет вес автомобиля.
3. Потеря мощности двигателя составляет 10?-15%.
4. Динамика автомобиля на метане незначительно хуже, чем на бензине.
5. Затраты на переоборудование автомобиля на метан быстро окупаются за счет значительно более дешевого газового топлива.
Так что же реально дает владельцу перевод бензинового автомобиля на метан с газовым карбюратором и внешнем смесеобразованием? Анализируя опыт работы на российском рынке таких фирм, как ?САГА?, ?Автосистема?, ?РЗАА?, ?ПРЗ?, можно сделать следующие выводы. Во?первых, это ? снижение объема багажного отделения в два раза при увеличении массы задней части автомобиля на 50?-60 кг. Во?вторых, ? снижение максимальной мощности двигателя до 35%. В?третьих, происходит ухудшение динамических характеристик автомобиля до 25%. В?четвертых, наблюдается (впрочем, далеко не всегда) незначительное улучшение токсичности выхлопных газов. В?-пятых, ? окупаемость затрат при пробеге не менее 100 тыс. км при скромной цене за газовый комплект 750 долларов и при цене метана не более 50% стоимости бензина АИ?-76. В шестых, возникает необходимость еженедельной регулировки оборотов холостого хода и системы ПХХ, которые в механических системах никакой стабильностью не обладают. И, наконец, требуется ежедневная заправка метаном при холостом пробеге до АГНКС и обратно (по Москве это не менее 30 км ? 20% запаса хода при полной заправке).
Как видим, налицо существенная разница в фактах и публикациях. Рассмотрим подробнее ее фактические причины на примере конкретных автомобилей с инжекторными бензиновыми двигателями, переведенными на природный газ.
Реальные изменения динамических свойств автомобиля рассмотрим на примере газовой модификации автомобиля DAEWOO NEXIA с двухлитровым инжекторным двигателем (газовое оборудование именитой итальян- ской фирмы ?Ловато?), который испытывался на Дмитровском автополигоне.
Анализ проведенных испытаний показывает, что установка газового смесителя ухудшает динамику автомобиля при работе на бензине на инжекторном (DAEWOO NEXIA) двигателе за счет частичного дросселирования воздушного потока. На метане при полном открытии дроссельной заслонки скорость воздушного потока мала, в связи с чем обедняется смесь и ухудшается эластичность двигателя на 18?-27%. При езде по городу на метане и средней загрузке автомобиля ухудшение эластичности эквивалентно переходу на одну передачу ниже по сравнению с бензином.
Далее. Максимальная скорость на метане меньше, чем на бензине в среднем на 4?6%. Разгон с места до 100 км/час на метане хуже на 11?-13% по сравнению с разгоном на бензине. А также происходит снижение максимальной мощности двигателя до 40% из?за замещения части воздуха метаном и уменьшения фактического коэффициента наполнения.
Следует учитывать, что тесту подвергали тщательно отрегулированный автомобиль с отъюстированной газовой системой. (Ухудшение динамических характеристик газовых автомобилей с серийной газовой аппаратурой достигает 25% и более).
Теперь немного о токсичности газового автомобиля. Расхожее мнение о низкой токсичности автомобилей, работающих на природном газе и бензине, в практической эксплуатации эжекторных механических систем не подтверждается при более или менее тщательной проверке состава выхлопных газов. Несмотря на высокое октановое число и хорошее смешение метана с воздухом есть ряд причин, которые не позволяют обеспечить требуемых экологических показателей.
Так, углы опережения зажигания оптимальны только при работе на бензине, при работе на метане их необходимо увеличить и оптимизировать заново на моторном стенде. Это первое. Второе ? современные двигатели имеют перекрытие фаз открытия впускных и закрытия выпускных клапанов до 40 градусов поворота коленчатого вала. Поэтому часть метана напрямую попадает в выхлопную систему, увеличивая в несколько раз предельно допустимые концентрации углеводородов (CH) и расход газового топлива.
Еще одной антиэкологической причиной является невозможность обеспечить требуемое для оптимального сгорания соотношение ?газ?воздух? во всем диапазоне частот вращения, температур и нагрузок из?за отсутствия обратных связей в регуляторе топливоподачи. В результате чего ? растут выбросы CO, CH.
Наконец, необходимо сказать об отсутствии временной стабильности регулировок, связанной со старением резиновых мембран и регулирующих пружин. Изменяются диаметры дросселирующих отверстий вследствие загрязнения органическими соединениями. Все это приводит не только к неустойчивой работе двигателя, но и к резкому увеличению содержания вредных примесей в выхлопных газах автомобиля.
Таким образом, испытания различных рычажно?мембранных систем, проведенных в лаборатории токсичности, показали, что без коррекции состава газовоздушной смеси по лямбда?зонду и наличия катализатора в выхлопной системе эжекторные системы не обеспечивают требований норм ЕВРО?-1 при динамических испытаниях, в то время как базовый бензиновый инжекторный двигатель значительно превосходит эти нормы.
Расход газового топлива все того же DAEWOO NEXIA был также определен во время испытаний. В режиме городского цикла он составил 9,9 м. куб/100 км при работе на метане (9,6 л/100 км при работе на бензине). При этом реальный пробег по шоссе составил 140 км при полной емкости баллонов 16 м. куб (два металлопластиковых баллона по 35 л каждый).
Каким должен быть газовый двигатель
Представленные выше результаты испытаний и их анализ приводит к мысли, что на самом деле все преимущества газового двигателя на метане ? миф, придуманный либо энтузиастами, либо лоббистами ?Газпрома?. Как использовать перспективное моторное топливо ? метан, чтобы на самом деле получить приличные характеристики газового двигателя? Ответы на этот вопрос в теории давно известны, только практическая реализация теоретических построений несколько затянулась.
Прежде всего, необходимо понять, что чисто газовый (однотопливный) двигатель ? это самостоятельный тип двигателя, и любое приспособление бензинового двигателя для работы на природном газе ? всегда проигрыш. Для газового двигателя оптимальной конструкции необходимо увеличить степень сжатия до 12?-13 единиц и обеспечить избыток воздуха (т. е. ввести дополнительный нагнетатель воздуха). Подачу газа нужно производить индивидуально в каждый цилиндр, обеспечивая при этом более точное дозирование, чем на бензине, так как отсутствие топливной пленки при работе на метане вызывает практически мгновенную реакцию на ошибки в дозировании газо?воздушной смеси. А для доведения показателей токсичности газового двигателя до норм Евро?-3 требуется применение специальных нейтрализаторов выхлопных газов (температура нейтрализации метановых уклеводородов почти на 450 градусов выше, чем для бензина).
Специалисты ФГУП ГНЦ ?НАМИ?, ЗАО ?Газомотор?, АО ?Автодизель?, ФГУП РЗП АО ?ГАЗ? и ЗАО ?Автосистема? провели комплекс исследовательских работ по созданию перспективных моделей газовых двигателей с поцилиндровой подачей газа и микропроцессорным управлением рабочим процессом. Были изготовлены опытные образцы газового оборудования, доработаны базовые двигатели, проведены стендовые моторные испытания. Работа проводилась по нескольким направлениям: а) двухтопливные газобензиновые двигатели на базе инжекторных бензиновых двигателей семейства ЗМЗ?4062.1 и б) газодизельные двигатели на базе двигателя D10 UTSL?190 фирмы RABA, ГАЗ?-560 (Штайер), ЯМЗ?238.
В основу всех разработанных газовых систем были положены перспективные технические решения специалистов ЗАО ?Газомотор?, ФГУП РЗП и ЗАО ?Автосистема?. А именно:
подача газа в двигатель производится с помощью индивидуальных для каждого цилиндра высокоскоростных газовых инжекторов;
динамический диапазон цикловых подач обеспечивает вновь созданный оригинальный электроуправляемый безмембранный газовый редукционный клапан;
перемещение исполнительных механизмов (рейки топливного насоса высокого давления ТНВД, дроссельной заслонки) обеспечивает электропривод на базе линейных или угловых электродвигателей, созданных специально для этих целей;
параметры топливоподачи, контроль за рабочим процессом, регулирование частоты вращения коленчатого вала двигателя, форма протекания частичных характеристик ? все это заложено в мощном микропроцессорном блоке управления оригинальной разработки.
Результаты проведенных работ показали, что газодизельные двигатели при работе на метане не только не теряют энергетических показателей, но и позволяют улучшить зависимость развиваемого момента от частоты вращения, сделав характеристику момента более плоской в области низких частот вращения, что сразу же улучшило маневренность автомобиля и его эластичность. Значительно снизился выброс сажи, CO, NОx по сравнению с базовым дизелем, при этом немного увеличился процент метаносодержащих углеводородов. Замещение дизельного топлива на метан достигается не менее 78?-83% ( 50% у механических газовых систем). Электронный многорежимный регулятор (симбиоз всережимного и трехрежимного регулятора) обеспечил оптимальное распределение крутящего момента на частичных нагрузках, что опять же значительно улучшило на этот раз управляемость автомобиля по сравнению с механическими газовыми системами. Таким образом, встроенная диагностическая система и высокая надежность компонентов газовой системы обеспечивают межремонтный пробег автомобиля не менее 60 тыс. км.
Что касается газобензиновых двигателей, то для этого класса силовых агрегатов необходимым условием является работа как на метане, так и на бензине, поэтому никаких серьезных изменений в конструкцию двигателя не вносилось. Доработка двигателя ЗМЗ?-4062.10 для работы на метане свелась к установке газовой рампы с высокоскоростными газовыми инжекторами и замене штатного электронного блока ?Микас? на новый газобензиновый блок разработки ЗАО ?Газомотор? и ФГУП РЗП. Результаты стендовых моторных и лабораторно?дорожных испытаний автомобиля ГАЗ?-3110 с газобензиновым инжекторным двигателем показали (в скобках приведены результаты испытаний механической эжекторной газовой системы на том же двигателе):
снижение максимальной мощности и номинального момента, неизбежные при работе на метане, составило 24% и 16% соответственно (38% и 25%);
максимальная скорость снизилась на 2,3% (на 7
;
эластичность автомобиля ухудшилась на 9% (на 20%);
время разгона с места до 100км/час составило 18с против 17с в бензиновом варианте (22с);
показатели токсичности соответствуют требованиям норм ЕВРО?2 (не выполнены требования норм ЕВРО?1);
расход метана на 100 км пробега по городскому циклу составил 10,2 куб.м (с механической эжекторной системой при прочих равных условиях ? не менее 14 куб.м);
окупаемость комплекта газовой аппаратуры (около 15 тыс. руб. без баллонов) составляет 20?-25 тыс. км пробега (55 тыс. км у эжекторного комплекта) за счет более экономного расходования газового топлива.
Сегодняшние выводы и заврашние перспективы
Главные выводы, которые можно сделать из опыта нашей работы с газовыми модификациями двигателей внутреннего сгорания, работающими на метане, следующие:
1. Полностью реализовать преимущества газового топлива можно только на специально спроектированном газовом двигателе.
2. Применение современных микропроцессорных газовых систем с инжекторным впрыском газа на двигателях внутреннего сгорания, находящихся в эксплуатации, делает их вполне конкурентными с базовыми дизельными и бензиновыми двигателями и является наиболее быстрым вариантом использования альтернативного топлива на транспорте.
3. Окупаемость средств, затраченных на установку инжекторной газовой системы для различных типов (газодизель, газ?бензин) составит не более 20?-40 тыс. км пробега за счет более эффективного использования газового топлива.
4. Показатели токсичности газовых двигателей с инжекторными микропроцессорными системами управления можно довести до норм ЕВРО?-3 с дополнительным сравнительно дешевым нейтрализатором, что недостижимо с механическими системами подачи газа.
5. Наибольшая эффективность (экономика и снижение выбросов в атмосферу) при переходе на метан достигается на городских автобусах, коммунальных грузовиках, дорожно?строительной технике.
6. Оптимальные интерфейсы водитель?транспортное средство, реализованные в микропроцессорной системе управления, обеспечат комфортную и безопасную эксплуатацию как в городах, так и на загородных трассах (круиз?контроль, ограничение скорости движения по городу, режим повышенной мощности).
7. Развитая диагностика и высокая надежность компонентов газовой системы обеспечат не только бесперебойную работу, но и квалифицированное профилактическое обслуживание транспортного средства с минимальными затратами.
8. Количество автотранспортных средств с газовыми системами и газозаправочных станций стационарного или передвижного типа, спрос на газовое топливо подчинены законам рынка и взаимосвязаны с запасами альтернативного топлива ? природного газа.
9. Перевод городского автотранспорта на метан ? это быстрое решение проблемы загрязненности атмосферы крупных городов, так как появления экологически чистых отечественных транспортных дизельных двигателей для автобусов и грузовиков в ближайшем будущем ожидать не приходится.